chapter 5 玻璃的熱處理與加工

1、第五章 玻璃的熱處理及其加工 主要內(nèi)容：l玻璃的退火與淬火l玻璃的加工5.1 玻璃的退火與淬火 分為三類：熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和機械應(yīng)力一、玻璃的應(yīng)力1、玻璃的熱應(yīng)力由于溫度差而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。分為：1) 暫時應(yīng)力：在溫度低于應(yīng)變點時，玻璃處于彈性變形溫度范圍，在經(jīng)受不均勻溫度變化時產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)溫度梯度消失，應(yīng)力也消失。 把溫度低于應(yīng)變點以下、無應(yīng)力的玻璃板進行雙面均勻自然冷卻至室溫、其在冷卻過程中玻璃板內(nèi)的溫度分布和應(yīng)力分布情況見圖。 溫度梯度消失，表面與內(nèi)部溫度為常溫時，內(nèi)部殘留的熱應(yīng)力。 2) 永久應(yīng)力永久應(yīng)力將玻璃加熱到高于應(yīng)變點的溫度，均熱后自然冷卻，經(jīng)一定時間后，玻璃中溫度場

2、分布為拋物線分布。 在應(yīng)變點以上冷卻時，玻璃外層受張應(yīng)力，內(nèi)層為壓應(yīng)力，此時玻璃也具有粘彈性，呈可塑狀態(tài)，受力后產(chǎn)生位移和變形，使由溫度產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力消失。這一過程稱為應(yīng)力松馳過程。冷卻到應(yīng)變點以下，玻璃為彈性體，應(yīng)力變化與暫時應(yīng)力的變化情況相同。到室溫時，可消除應(yīng)變點以下產(chǎn)生的應(yīng)力，但不能消除應(yīng)變點以上所產(chǎn)生的應(yīng)力，此時表面為壓應(yīng)力、內(nèi)部為張應(yīng)力。2、玻璃中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力3、機械應(yīng)力玻璃因化學(xué)組成不均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上的不均勻布產(chǎn)生的應(yīng)力。由外力作用在玻璃上引起的應(yīng)力，當(dāng)外力除去時，應(yīng)力隨之消失，此應(yīng)力稱為機械應(yīng)力。二、玻璃的退火1、退火的概念 消除玻璃制品在成形與熱加工后殘留在制品內(nèi)的永久應(yīng)力的過程稱為

3、退火。 退火的目的：防止炸裂和提高玻璃的機械強度。2、退火溫度 玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg附近某一溫度。保溫時能消除玻璃各部分的溫度梯度，使應(yīng)力松馳。退火上限溫度，3min能消除應(yīng)力的95%；退火下限溫度，3min能消除應(yīng)力的5%； 一次退火：玻璃制品成型后立即進行的 退火工藝； 二次退火：制品冷卻以后再進行退火的工藝二、玻璃的退火3、玻璃退火制度 四個階段：加熱階段、均熱階段、慢冷階段、快冷階段2)均熱階段 退火溫度：比退火溫度上限溫度低2030 。 保溫時間t: t 70/a2 120/a2 ；或按應(yīng)力容許值進行計算：nat2520式中：n以光程差表示的玻璃內(nèi)殘留內(nèi)應(yīng)力1)加熱階段加熱速度: 20/

4、a2 30/a2 ( /min)。光學(xué)玻璃一般小于5/a2 ，a為制品厚度的一半，單位為cm。3)慢冷階段冷卻速度( /min)：)3()1 (6220 xaEh45. 0)1 (6EMPa)(3(45. 0220 xah對一般工業(yè)玻璃：因此式中： 為膨脹系數(shù)；E為彈性模量；為導(dǎo)熱系數(shù)； 為泊松比；h0 冷卻速度；a制品厚度的一半；x 應(yīng)力測試點離壁厚中線的一半。4)快冷階段 玻璃在應(yīng)變點以下溫度冷卻，只產(chǎn)生暫時應(yīng)力。只要應(yīng)力不超過其極限強度，就可提高冷卻速度。2/2 ahc2/65 ahc 生產(chǎn)上采用較低的冷卻速度如計算值的15%20%，甚至采用：最大冷卻速度：三、玻璃的淬火 將玻璃制品加熱

5、到轉(zhuǎn)變溫度Tg以上，然后在冷卻介質(zhì)中急速均勻冷卻，在這一過程中玻璃的內(nèi)層和表面將產(chǎn)生很大的溫度梯度，由此產(chǎn)生的應(yīng)力因玻璃的粘滯流動而被松馳，造成了有溫度梯度而無應(yīng)力的狀態(tài)。冷卻到最后，溫度梯度逐漸消除，松馳的應(yīng)力即轉(zhuǎn)化為永久應(yīng)力，從而在玻璃表面形成均勻分布的壓應(yīng)力層。 根據(jù)淬冷介質(zhì)的不同，分為風(fēng)冷淬火和液冷淬火。1、淬火玻璃的特性、淬火玻璃的特性1)抗彎強度抗彎強度比一般玻璃大45倍。厚度56mm的淬火玻璃的抗彎強度可達(dá)167MPa。2) 抗沖擊強度抗彎強度比一般玻璃大幾倍。3)熱穩(wěn)定性淬火后可承受更寬范圍溫度變化(250320 )，普通玻璃只有70100 ，熱穩(wěn)定性提高。4)其他性能淬火玻璃

6、破壞時，首先發(fā)生在內(nèi)層。由張應(yīng)力作用引起破壞的裂紋傳播速度很大，同時外層的壓應(yīng)力有保持破碎的內(nèi)層不易散落的作用，因此淬火玻璃在破壞時，只產(chǎn)生沒有尖銳角的小碎片，因此它亦稱為安全玻璃。2、玻璃的淬火工藝1)風(fēng)冷淬火 玻璃 電加熱淬火爐 風(fēng)柵急冷 性能檢測 包裝2)液冷淬火 制品 加熱 液冷 洗滌 檢驗 包裝3、影響玻璃淬火的工藝因素淬火溫度、冷卻速度、玻璃的化學(xué)組成、厚度。1) 淬火溫度 玻璃急冷時的溫度。淬火冷卻速度越快，淬火程度越大。2) 玻璃的組成 應(yīng)力與玻璃的熱膨脹系數(shù)、彈性模量及溫度差成正比 ，與泊松比成反比，因此，淬火程度與玻璃的組成有關(guān)。3) 玻璃的厚度 相同的淬火條件，玻璃越厚，

7、淬火程度越高。因此在非平板玻璃制品淬火時，要求厚度均勻、厚度差不能太大，否則會因應(yīng)力分布不均而破裂。5.2玻璃的加工玻璃制品的加工：冷加工、熱加工和表面處理玻璃的冷加工又稱機械加工，在常溫下，通過機械方法來改變玻璃及玻璃制品的外形和表面狀態(tài)的過程，稱為冷（機械）加工。冷（機械）加工的基本方法有：研磨與拋光、切割、磨砂、噴砂、刻花、砂雕、鉆孔和切削等。磨削作用論：1665年虎克提出研磨是用磨料將玻璃磨削到一定的形狀，拋光是研磨的延伸；從而使玻璃表面光滑，純粹是機械作用。這一認(rèn)識延續(xù)至十九世紀(jì)末。流動層論：以英國學(xué)者雷萊、培比為代表，認(rèn)為玻璃拋光時，表面有一定的流動性，也稱可塑層。可塑層的流動，把

8、毛面的研磨玻璃表面填平?；瘜W(xué)作用論：英國的普萊斯頓和蘇聯(lián)的格列賓?？品?，先后提出在玻璃的磨光過程中，不僅僅是機械作用，而且存在著物理、化學(xué)的作用，是以上三種或其中兩種理論的綜合。一、冷加工-玻璃研磨機理玻璃的拋光機理對玻璃的拋光機理的認(rèn)識，目前存在著不同的見解，有些見解還帶有假說性質(zhì)，比較公認(rèn)的是相互交錯的機械、化學(xué)和物理化學(xué)作用的概念，來解釋拋光過程的生產(chǎn)效率及拋光表面質(zhì)量的影響等比較確切。 研磨玻璃斷面（凹陷層及裂紋層）h平均凹陷層 f平均裂紋層 F最大裂紋層一、冷加工-玻璃拋光的機理二、玻璃制品的熱加工 玻璃制品的熱加工原理與成形的原理相似，主要是利用玻璃粘度隨溫度改變的特性以及表面張力

9、與導(dǎo)熱系數(shù)來進行的。各種類型的熱加工、都必須把制品加熱到一定的溫度，由于玻璃的粘度隨溫度升高而減小，同時玻璃導(dǎo)熱系數(shù)較小，所以能采取局部加熱的方法，在需要熱加工的地方使之局部達(dá)到變形、軟化，甚至熔化流動，以進行切割、鉆孔、焊接等加工。 二、玻璃制品的熱加工 利用玻璃的表面張力大，使玻璃表面趨向平整的作用，可將玻璃制品進行火拋光和燒口。 在熱加工過程中，需掌握玻璃析晶性能，防止玻璃析晶。 過熱加工的制品，應(yīng)緩慢冷卻，防止炸裂或產(chǎn)生大的永久應(yīng)力。玻璃制品熱加工的主要方法玻璃制品熱加工的主要方法 燒口，火拋光、火焰切割或鉆孔燒口，火拋光、火焰切割或鉆孔 真空成形：真空成形：真空成形制造精密內(nèi)徑玻璃管

10、的方法。三、玻璃的表面處理 可分為三類：形成玻璃的光滑表面或散光面，通過表面控制玻璃表面的凸凹（化學(xué)蝕刻，化學(xué)拋光）；改變玻璃表面的薄層組成，改善表面性質(zhì)，得到新的性能；進行表面涂層。1、玻璃的化學(xué)蝕刻用HF溶掉玻璃表面層的硅氧，根據(jù)殘留鹽的溶解度的不同，而得到有光澤或無光澤毛面。鹽類溶解度大，得到光澤表面，反之得到無光澤表面；蝕刻液可在HF中加入KF、NH4F與水。2、玻璃的化學(xué)拋光 單純的化學(xué)侵蝕作用，適用于玻璃器皿； 化學(xué)侵蝕與機械研磨相結(jié)合，用于平板玻璃。三、玻璃的表面處理表面著色即在高溫下用著色離子的金屬、熔鹽、鹽類糊膏涂覆在玻璃表面上，使著色離子與玻璃中的離子進行交換，擴散到玻璃表

11、層中，使玻璃著色。有些金屬離子還原成原子并聚集成膠體而著色。3、表面著色（擴散著色）四、玻璃的鋼化處理1）物理鋼化（熱鋼化）將玻璃加熱到應(yīng)變溫度以上，然后使熱的玻璃表面均勻的快速冷卻，表面的熱狀態(tài)結(jié)構(gòu)被凍結(jié)，當(dāng)玻璃內(nèi)部逐漸降低溫度時，先冷卻的外表面層會制約內(nèi)部的收縮。 當(dāng)溫度梯度消失，原松馳應(yīng)力轉(zhuǎn)化為永久應(yīng)力，于是在玻璃表面壓應(yīng)力，在玻璃內(nèi)部形成張應(yīng)力，從而提高玻璃的強度和熱穩(wěn)定性。2）化學(xué)鋼化基于玻璃表面離子遷移。其過程是把加熱的含堿玻璃浸于熔鹽中處理，通過玻璃與熔鹽的離子交換改變玻璃表面的化學(xué)組成，使玻璃表面形成壓應(yīng)力層。又稱為離子交換增強。l化學(xué)鋼化的分類 低溫型離子交換 指在低于玻璃應(yīng)

12、變點溫度以下，玻璃中小半徑金屬離子Na+(0.98)與熔鹽中的大半徑金屬離子K+（1.33）進行交換，產(chǎn)生擠塞現(xiàn)象而增強表面。 )(A）B（）B（)(A熔鹽玻璃熔鹽玻璃高溫型離子交換 指玻璃中的大半徑堿金屬離子Na+ 、K+與熔鹽中的小半徑堿 金屬離子Li+進行交換，產(chǎn)生低膨脹表面層以而達(dá)到增強的目的。 高溫型交換時間短，強度高，應(yīng)力不易松馳，成本高； 低溫型強度相對較低，成本低廉，故常用低溫型離子交換。 電輔助處理 電場梯度提高離子遷移速度 與物理鋼化相比具有下列優(yōu)缺點：優(yōu)點：強度大，應(yīng)力均勻，表面結(jié)構(gòu)致密，化學(xué)穩(wěn)定性高，熱穩(wěn)定性好，無自爆，平整度好，不變形，對玻璃的厚度和形狀無要求?；瘜W(xué)鋼

13、化玻璃可以切割、磨邊、熱彎、夾層等再加工。缺點：應(yīng)力層薄、內(nèi)部與其平衡的拉應(yīng)力很小，玻璃破碎時不如物理鋼化那樣碎成細(xì)小的碎片。 生產(chǎn)周期長，能耗大，成本高，主要用在高技術(shù)領(lǐng)域。l化學(xué)鋼化的特點五、玻璃的其他種類1） 夾層玻璃夾層玻璃 由兩片或兩片以上的玻璃用合成樹脂膠片粘結(jié)在一起而制成的一種安全玻璃。多用于汽車、船舶、電視屏保護罩等。（1）普通夾層玻璃(SR)的生產(chǎn)工藝流程l原片及中間膜片的清洗與干燥l灑粉l熱彎 在熱彎爐中采用槽沉式進行玻璃熱彎l 預(yù)熱和預(yù)壓 驅(qū)除玻璃板與中間膜之間的殘余空氣、中間膜能初步粘住兩片玻璃。l 熱壓膠合熱壓膠合分為真空蒸壓釜法和輥子法n 真空蒸壓釜法將夾膜合片后的

14、玻璃放入蒸壓釜中，先抽真空脫氣、后加熱預(yù)粘合，再繼續(xù)加壓膠粘而成。n 輥子法把夾膜合片后的玻璃放在輥子上用夾輥排氣、然后再加溫加壓而成。（2）抗貫穿性夾層玻璃（）抗貫穿性夾層玻璃（HPR） 把夾層玻璃中的電熱線（常用鎢絲）通電加熱后，玻璃保持一定的溫度，從而防止玻璃表面在冬季結(jié)露、結(jié)霜、結(jié)冰等現(xiàn)象。 在玻璃表面上噴涂四氯化錫溶液形成一層氯化錫導(dǎo)電膜而成為導(dǎo)電玻璃，而后按夾層玻璃生產(chǎn)方法制得。 主要應(yīng)用于汽車風(fēng)擋，它是采用兩片3mm玻璃和一片厚為0.76mm的高抗貫穿能力的膠片膠粘而成。膜與玻璃間的 粘結(jié)力較SR夾層玻璃小，在受沖擊破壞時，膜與玻璃間的位移量大于SR，膜厚度大于SR，因此，它的耐

15、沖擊性高度大于3.6m。（3）電熱線夾層玻璃）電熱線夾層玻璃（4）導(dǎo)電膜夾層玻璃）導(dǎo)電膜夾層玻璃2）中空玻璃）中空玻璃 節(jié)能玻璃制品，用于采暖和空調(diào)的建筑，尤適于寒冷地區(qū)的建筑物使用。 具有良好的隔音、隔熱和抗結(jié)露性能，總厚度為12mm，空氣層厚度6mm的雙層中空玻璃（常以363表示其厚度規(guī)格）能使噪音降低到29 dB。 制備方法有：膠接法、焊接法、熔接法。制備方法有：膠接法、焊接法、熔接法。 在兩片玻璃之間周邊鑲有墊條，從而構(gòu)成一個充滿干燥氣體的整體。3） 鍍膜玻璃 制備方法分為四類：從溶液沉積薄膜、CVD沉積薄膜、PVD沉積薄膜、電化學(xué)沉積薄膜，可得到金屬膜、氧化物膜、有機膜等。（）CVD沉積薄膜（）PVD沉積薄膜（）電化學(xué)沉積薄膜在高溫下，通過電流把金屬離子擴散到玻璃表面而成薄膜。（）常見的主要鍍膜方法：氣溶膠法溶膠凝膠法蒸發(fā)鍍膜又稱為真空鍍膜。是在真空下使材料蒸發(fā)并在玻璃表面上凝結(jié)成膜，再經(jīng)高溫?zé)崽幚?，在玻璃表面形成附著力很強的膜層。離子鍍法鍍膜真空鍍膜的蒸發(fā)工藝與濺射法工藝相結(jié)合的一種新工藝，