第七章+玻璃的热处理及加工

1、7.1 7.1 玻璃的退火玻璃的退火7.1.1 玻璃中的应力 在生产过程中在生产过程中, 玻璃制品经受激烈而又不均匀的温度变化，会产生热应玻璃制品经受激烈而又不均匀的温度变化，会产生热应力；溶制不良会造成玻璃中的不均匀区，导致热学性质差异而产生应力力；溶制不良会造成玻璃中的不均匀区，导致热学性质差异而产生应力。 这些都会降低制品的强度和热稳定性这些都会降低制品的强度和热稳定性,故一般玻璃产品故一般玻璃产品成型后成型后,需经过退火处理需经过退火处理,使其应力限定在一定范围内使其应力限定在一定范围内,以防在以防在冷却、存放、再加工及使用过程中自行破裂或太易破裂冷却、存放、再加工及使用过程中自行破裂

2、或太易破裂 。 第七章 玻璃的热处理及加工一、玻璃应力的分类一、玻璃应力的分类:1.以产生原因为标准：以产生原因为标准：2.以作用范围为标准：以作用范围为标准：热应力热应力结构应力结构应力机械应力机械应力宏观应力：宏观应力：由外力作用或热作用产生；微观应力：微观应力：玻璃的微观不均匀区域中存在的或分相引起的应力; 超微观应力：超微观应力：玻璃中相当于晶胞大小的体积范围内 存在的应力.二、热应力二、热应力 当玻璃温度低与应变点当玻璃温度低与应变点( ( =10 =10 13.613.6Pa.S)Pa.S)时处于弹性变形时处于弹性变形温度范围内温度范围内( ( 10101414Pa.S)Pa.S)

3、即脆性状态时，经受不均匀的温度变即脆性状态时，经受不均匀的温度变化时产生的热应力。化时产生的热应力。 特点特点：随温度梯度的产生而产生，随温度梯度的消失而消失。随温度梯度的产生而产生，随温度梯度的消失而消失。 在温度低于应变点时在温度低于应变点时, ,玻璃内结构集团已不能产生粘玻璃内结构集团已不能产生粘滞性流动滞性流动, ,主要靠弹性松弛来消除应力。主要靠弹性松弛来消除应力。热应力热应力: :玻璃中由于温度差而产生的应力。玻璃中由于温度差而产生的应力。按其存在的特点又可分成暂时应力和永久应力。按其存在的特点又可分成暂时应力和永久应力。1.1.暂时应力的产生过程暂时应力的产生过程: :( (一一

4、) )暂时应力暂时应力: :* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ?温度(Temperature)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0位置(Position)剖面实际温度示意线暂 时 应 力 示 意 线应力( Strain)0T t外界温度(1)(1) 玻璃处于某一个低于应变点的均匀温度分布状态玻璃处于某一个低于应变点的均匀温度分布状态: :说明：均匀温度场下的玻璃平板中不存在温度梯度，也不存在暂时应力。说明：均匀温度场下的玻璃平板中不存在温度梯度，也不存在暂时应力。(2)(2)玻璃在一个低温的环境中开始冷却玻璃在一个低温的环境中开始冷却: :* * 此示意

5、图可以说明什么此示意图可以说明什么? ?说明：说明： 玻璃平板表面降温比内层快，收缩就比内层大，受内层阻碍而呈张玻璃平板表面降温比内层快，收缩就比内层大，受内层阻碍而呈张应力同时内层受到反作用力而呈压应力。应力同时内层受到反作用力而呈压应力。0温度(Temperature)应变点温度 (=1013.6Pa.S)冷却起始温度外界温度应力( Strain)位置(Position)TsT0T t剖面实际温度示意线暂 时 应 力 示 意 线(3)(3)外层逐渐达到外界温度的过程外层逐渐达到外界温度的过程: :剖面实际温度示意线温度(Temperature)应变点温度 (=1013.6Pa.S)冷却起始

6、温度外界温度 应力( Strain)位置(Position)TsT0T t0暂 时 应 力 示 意 线* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ? 说明：说明： 表面收缩趋于停止的同时受到继续收缩的内层所施的压应力逐渐抵消表面收缩趋于停止的同时受到继续收缩的内层所施的压应力逐渐抵消原有的张应力。原有的张应力。* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ?说明：说明：温度梯度在此时消失，应力同时完全抵消而呈无应力状温度梯度在此时消失，应力同时完全抵消而呈无应力状态。态。0温度(Temperature)应变点温度 (=1013.6Pa.S)冷却起始温度外界温度应力( Strain

7、)位置(Position)TsT0T t剖面实际温度示意线暂 时 应 力 示 意 线(4)内层温度逐渐达到外界温度的过程内层温度逐渐达到外界温度的过程:2.小结:(1)在温度低于应变点温度时在温度低于应变点温度时,温度梯度的产温度梯度的产生导致玻璃弹性松弛而形成暂时应力；生导致玻璃弹性松弛而形成暂时应力；（2）温度急剧的变化产生的暂时应力若超）温度急剧的变化产生的暂时应力若超过极限时会使制品破裂；过极限时会使制品破裂；（3）不能通过退火过程来消除暂时应力。）不能通过退火过程来消除暂时应力。（二）永久应力：（二）永久应力： 玻璃在高于其应变点时玻璃在高于其应变点时,温度梯度会引起玻璃结构变化温度

8、梯度会引起玻璃结构变化,这种玻璃结构变化在低于应变点时产生并保持的热应力。这种玻璃结构变化在低于应变点时产生并保持的热应力。特点特点:温度梯度消失之后温度梯度消失之后,永久应力不消失永久应力不消失1.1.永久应力的产生过程永久应力的产生过程(1)处于某一高于应变点的均匀温度场时处于某一高于应变点的均匀温度场时*此示意图说明了什么?温度(Temperature)剖面实际温度示意线0位置(Position)外界温度T t应力( Strain) 永 久 应 力 示 意 线 应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0说明：说明：均匀温度场下的玻璃平板中不存在温度梯度，也不存在永久应力均

9、匀温度场下的玻璃平板中不存在温度梯度，也不存在永久应力(2)将玻璃放置于低温环境中降温将玻璃放置于低温环境中降温,直至外层温度到达应变点直至外层温度到达应变点:*此示意图说明了什么? 说明：高于应变点时，表面较快的收缩产生的作用力通过说明：高于应变点时，表面较快的收缩产生的作用力通过应力松弛消除，平板呈无应力状态。应力松弛消除，平板呈无应力状态。 0温度(Temperature)应力( Strain)位置(Position)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0外界温度T t剖面实际温度示意线永 久 应 力 示 意 线 0位置(Position)温度(Temperature

10、)应力( Strain)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0外界温度T t永 久 应 力 示 意 线 剖面实际温度示意线(3)(3)制品继续降温制品继续降温, ,直至内层温度达到应变点的过程直至内层温度达到应变点的过程: :* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ? 说明：说明： 温度低于应变点的表面无应力松弛能力，同时降温较里层快而呈张应力温度低于应变点的表面无应力松弛能力，同时降温较里层快而呈张应力状态，里层为张应力；状态，里层为张应力； 温度在应变点以上的内层则由于应力松弛作用而保持无应力状态。温度在应变点以上的内层则由于应力松弛作用而保持无应力状态。温

11、度(Temperature)应力( Strain)位置(Position)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0外界温度T t 永 久 应 力 示 意 线剖面实际温度示意线0（4）内层温度从应变点开始下降：）内层温度从应变点开始下降：* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ? 说明：说明：内层在至应变点以下时受到降温快、收缩快的外层内层在至应变点以下时受到降温快、收缩快的外层所施压力，同时外层受反作用力呈张应力状态所施压力，同时外层受反作用力呈张应力状态。0温度(Temperature)应力( Strain)位置(Position)应变点温度 (=1013.6P

12、a.S)Ts冷却起始温度T0外界温度T t 永 久 应 力 示 意 线剖面实际温度示意线(5)(5)内外层继续冷却内外层继续冷却* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ?说明说明：随着内：随着内 层逐渐降温、收缩，原先的应力逐渐被抵消而减小。层逐渐降温、收缩，原先的应力逐渐被抵消而减小。(6)(6)内外层继续冷却直至均达到环境温度内外层继续冷却直至均达到环境温度* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ? 说明：说明：到此时为止，内层形成较外层更致密的结构，即收缩较外层大，到此时为止，内层形成较外层更致密的结构，即收缩较外层大，更趋于紧收，但受外层阻碍故呈张应力，外层则呈

13、相反的压应力状态更趋于紧收，但受外层阻碍故呈张应力，外层则呈相反的压应力状态0温度(Temperature)应力( Strain)位置(Position)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0外界温度T t 永 久 应 力 示 意 线剖面实际温度示意线小结小结:(1)在高于应变点的温度时在高于应变点的温度时,通过应力松弛的作用通过应力松弛的作用,温度温度梯度产生结构梯度梯度产生结构梯度,并在低于应变点时保持下来并在低于应变点时保持下来,形形成永久应力成永久应力.(2)通过缓慢降温通过缓慢降温,减小温度梯度减小温度梯度,从而减小永久应力是从而减小永久应力是可能的可能的,这也是

14、退火作用的本质这也是退火作用的本质三、结构应力和机械应力三、结构应力和机械应力: (一一) 结构应力结构应力: 玻璃中局部区域化学组成不均匀导致结构不均匀而产生玻璃中局部区域化学组成不均匀导致结构不均匀而产生不同的膨胀系数，因而产生的应力。不同的膨胀系数，因而产生的应力。如条纹、结石、节瘤等不均匀体都会产生结构应力。如条纹、结石、节瘤等不均匀体都会产生结构应力。特点特点：结构应力是由于玻璃固有结构所造成的应力，结构应力是由于玻璃固有结构所造成的应力，无法通过退火消除。无法通过退火消除。 （二）机械应力（二）机械应力: 当玻璃制品受到外力作用的时候当玻璃制品受到外力作用的时候,玻璃中产生的应力。

15、在玻璃中产生的应力。在低温下外力撤去时，机械应力随之消失。低温下外力撤去时，机械应力随之消失。 如果机械应力超过应力极限，会导致制品破裂。如果机械应力超过应力极限，会导致制品破裂。思考题思考题: 分析平板玻璃从应变点开始降温至常温过程分析平板玻璃从应变点开始降温至常温过程中暂时应力和永久应力合成过程。中暂时应力和永久应力合成过程。分析暂时应力和永久应力产生原因之异同。分析暂时应力和永久应力产生原因之异同。玻璃在一般情况下玻璃在一般情况下,可能会同时受到几种应力可能会同时受到几种应力的作用。的作用。7.1.2 玻璃的退火玻璃的退火一、退火原理一、退火原理 在经过转变温度区域（在经过转变温度区域（

16、TfTg）时，玻璃由典型的液态转变）时，玻璃由典型的液态转变成脆性状态。而在成脆性状态。而在Tg点以下的相当的温度范围内玻璃分子仍然能点以下的相当的温度范围内玻璃分子仍然能够进行迁移，可以消除玻璃中的热应力和结构状态的不均匀性够进行迁移，可以消除玻璃中的热应力和结构状态的不均匀性*。同时因为粘度相当大，以致几乎不发生其外形的改变。这段温度同时因为粘度相当大，以致几乎不发生其外形的改变。这段温度区域成为玻璃的退火区域，相应粘度在区域成为玻璃的退火区域，相应粘度在10121016Pa.s 。即退火。即退火温度区域与玻璃粘度有关。温度区域与玻璃粘度有关。 *应力松弛应力松弛：由于玻璃在应变点以上时具

17、有粘弹性，它不能长由于玻璃在应变点以上时具有粘弹性，它不能长时间承受各方向不平衡力的作用，玻璃内结构基团在力的作用下时间承受各方向不平衡力的作用，玻璃内结构基团在力的作用下产生位移和变形，使温度梯度所产生的内应力得以消失。产生位移和变形，使温度梯度所产生的内应力得以消失。 玻璃的退火过程玻璃的退火过程：将玻璃放置在某一温度下保持足够时间将玻璃放置在某一温度下保持足够时间后再以缓慢的速度冷却，以便不再产生超过允许范围的永久应后再以缓慢的速度冷却，以便不再产生超过允许范围的永久应力和暂时应力。实质就是减小或消除应力并防止新的应力产生。力和暂时应力。实质就是减小或消除应力并防止新的应力产生。（一）退

18、火温度范围与退火温度（一）退火温度范围与退火温度 上限退火温度：上限退火温度：三分钟内消除三分钟内消除95%应力的温度，一般相应力的温度，一般相当于退火点的温度，也称最高退火温度，粘度为当于退火点的温度，也称最高退火温度，粘度为1012Pa.s。 下限退火温度：下限退火温度：三分钟内消除三分钟内消除5%应力的温度，也称最应力的温度，也称最低退火温度，粘度为低退火温度，粘度为1013.6 Pa.s。在此温度以下玻璃完全处。在此温度以下玻璃完全处于弹性状态，该点温度也可以称为于弹性状态，该点温度也可以称为应变点应变点。 精密退火精密退火：对光学玻璃或某些技术玻璃，不但要消除永对光学玻璃或某些技术玻

19、璃，不但要消除永久应力，而且还要消除由于冷却过程中玻璃各层热历史不同久应力，而且还要消除由于冷却过程中玻璃各层热历史不同以结构转化的程度不同而产生光学上的不均匀性。以结构转化的程度不同而产生光学上的不均匀性。 可以通过可以通过 1、T曲线上得到曲线上得到1012Pa.s、1013.6 Pa.s的温度确的温度确定上限、下限退火温度。定上限、下限退火温度。 2、计算（、计算（P358）求出玻璃在）求出玻璃在1012Pa.s时的温度，即时的温度，即上限退火温度。上限退火温度。在退火温度范围内确定某一保温均热的温度，称之为退火温度。在退火温度范围内确定某一保温均热的温度，称之为退火温度。3、通过热膨胀

20、曲线确定、通过热膨胀曲线确定Tg 的温度值即作为最高退火温的温度值即作为最高退火温度的大约数值。度的大约数值。 4、通过差热曲线确定上限或下限退火温度：、通过差热曲线确定上限或下限退火温度：加热过程的吸热峰下限退火温度，放热峰上限退火度；加热过程的吸热峰下限退火温度，放热峰上限退火度；降温过程的放热峰上限退火温度，吸热峰下限退火温度降温过程的放热峰上限退火温度，吸热峰下限退火温度TgL/L温度温度然后选取低于上限退火温度然后选取低于上限退火温度2030的温度点作为的温度点作为退火温度。退火温度。退火温度与组成：退火温度与组成： 能提高粘度（尤其低温）的组分如能提高粘度（尤其低温）的组分如CaO

21、、SiO2、Al2O3等提高退火温度；反之则降低退火温度（如等提高退火温度；反之则降低退火温度（如R2O、PbO、BaO等）。等）。B2O3则因硼反常出现含量在则因硼反常出现含量在1520%随氧化硼随氧化硼含量升高而升高、超过含量升高而升高、超过1520%时随含量升高而降低的情况。时随含量升高而降低的情况。（二）退火工艺（二）退火工艺工艺过程工艺过程 玻璃的退火工艺过程包括四个阶段：加热、保温、慢玻璃的退火工艺过程包括四个阶段：加热、保温、慢冷及快冷。冷及快冷。 一次退火一次退火：玻璃制品成形后不冷却直接退：玻璃制品成形后不冷却直接退火的工艺过程。火的工艺过程。 二次退火二次退火：玻璃制品成形

22、后先冷却后加热：玻璃制品成形后先冷却后加热再退火的工艺过程。再退火的工艺过程。加热加热 保温保温 慢冷慢冷 快冷快冷温度温度时间时间上限退火温度上限退火温度下限退火温度下限退火温度退火温度退火温度1、加热阶段、加热阶段 加热时玻璃制品表面为压应力，升温速度可较快：加热时玻璃制品表面为压应力，升温速度可较快：分）（最大升温速度c/a130hc 2a空心或单面受热的玻璃制品的总厚，空心或单面受热的玻璃制品的总厚，cm 实心制品的半厚，实心制品的半厚，cm分）（c/a30a20ha22光学玻璃光学玻璃分）（ c/a5ha22、保温阶段、保温阶段 目的：消除加热过程产生的温度梯度，并消除制品中目的：消

23、除加热过程产生的温度梯度，并消除制品中所固有的内应力。所固有的内应力。 先确定保温温度，然后确定保温时间。先确定保温温度，然后确定保温时间。保温时间保温时间na520t2 考虑表面微裂纹、缺陷、厚度均匀性及退火炉温度分布考虑表面微裂纹、缺陷、厚度均匀性及退火炉温度分布均匀性，一般工业中采用均匀性，一般工业中采用厘米，纳米制品最后允许的应力/n3、慢冷阶段、慢冷阶段 为了使制品在冷却后不再产生永久应力或仅产生微小的为了使制品在冷却后不再产生永久应力或仅产生微小的永久应力，冷却速度要求较慢，常采用线性降温。永久应力，冷却速度要求较慢，常采用线性降温。开始冷却速度：开始冷却速度：分）（c/13aho

24、2下降下降10后继续冷却速度：后继续冷却速度：分）（c/212hoh20TToH 每降低每降低100c后下一个后下一个100c的降温速度的降温速度To退火温度退火温度T每降低每降低100c后的温度后的温度 慢冷阶段结束时温度必须小于或等于应变点温度，慢冷阶段结束时温度必须小于或等于应变点温度，否则在快冷阶段重新产生永久应力而退火无效。否则在快冷阶段重新产生永久应力而退火无效。4、快冷阶段、快冷阶段 为提高生产效率、降低燃耗，只要使该阶段的暂时应为提高生产效率、降低燃耗，只要使该阶段的暂时应力不超过极限强度，可适当加快降温速度。力不超过极限强度，可适当加快降温速度。分）（c/a10hc2厚度厚度

25、5mm厚度厚度5mm分c/25hc总共退火时间为四个阶段用时之和，约为总共退火时间为四个阶段用时之和，约为11.5小时。小时。（三）制定退火曲线使注意问题（三）制定退火曲线使注意问题1、加热阶段：保证压应力加热阶段：保证压应力压应力极限。压应力极限。 慢冷阶段：降温速度同样须考虑玻璃的允许应力，结束慢冷阶段：降温速度同样须考虑玻璃的允许应力，结束 时温度要低于或等于应变点温度。时温度要低于或等于应变点温度。 快冷阶段：暂时应力不可超过抗张极限。快冷阶段：暂时应力不可超过抗张极限。 5、容易分相的玻璃制品退火时，退火温度不能过高，容易分相的玻璃制品退火时，退火温度不能过高，退火时间不能过长，次数

26、要少。退火时间不能过长，次数要少。2、形状复杂、厚度大的制品的加热及冷却速度要慢；形状复杂、厚度大的制品的加热及冷却速度要慢； 3、多种制品共用退火窑是，取退火温度低的数值作为多种制品共用退火窑是，取退火温度低的数值作为退火温度，并延长保温时间；同组成不同规格的制品一起退火温度，并延长保温时间；同组成不同规格的制品一起退火时，由薄制品确定退火温度，以免薄制品变形；由厚退火时，由薄制品确定退火温度，以免薄制品变形；由厚制品确定升温、降温的速度，以免厚制品破裂；制品确定升温、降温的速度，以免厚制品破裂； 4、确定升降温速度要考虑退火窑温度不均匀性而适当确定升降温速度要考虑退火窑温度不均匀性而适当取

27、小值；取小值； 7.2玻璃的强化玻璃的强化（一）、玻璃物理钢化原理（一）、玻璃物理钢化原理 物理钢化：物理钢化：把玻璃加热到软化温度以下、把玻璃加热到软化温度以下、Tg点以上点以上5060oc后进行快速、均匀的冷却而得。玻璃外部因迅速冷却而固化，而后进行快速、均匀的冷却而得。玻璃外部因迅速冷却而固化，而内部冷却比较慢，当内部继续收缩时使玻璃表面产生压应力，而内部冷却比较慢，当内部继续收缩时使玻璃表面产生压应力，而内部为张应力。内部为张应力。一玻璃物理钢化淬火一玻璃物理钢化淬火物理钢化法是目前国内外广泛应用的一种方法物理钢化法是目前国内外广泛应用的一种方法按淬冷介质的不同按淬冷介质的不同,又可分

28、为又可分为风冷钢化、液冷钢化风冷钢化、液冷钢化和冷却板和冷却板钢化。钢化。根据生产过程中玻璃的支撑办法又可分为根据生产过程中玻璃的支撑办法又可分为垂直吊挂法垂直吊挂法（垂（垂直法）、直法）、水平法、水平支持法水平法、水平支持法（自重法）、（自重法）、气垫法气垫法等。等。（二）、淬火玻璃的特性（二）、淬火玻璃的特性1、抗弯强度大、抗弯强度大淬火玻璃淬火玻璃普通玻璃普通玻璃因为淬火玻璃受载荷作用后上层的表面压应力增大了，而因为淬火玻璃受载荷作用后上层的表面压应力增大了，而由载荷造成的张应力被下层的表面压应力部分抵消而比退火玻由载荷造成的张应力被下层的表面压应力部分抵消而比退火玻璃小，同时最大张应力

29、不在表面而移向板中心。由于玻璃耐压璃小，同时最大张应力不在表面而移向板中心。由于玻璃耐压强度比抗张强度大得多（约强度比抗张强度大得多（约10倍），所以钢化玻璃在相同载荷倍），所以钢化玻璃在相同载荷下不易破裂，另外钢化过程中玻璃表面裂纹受强烈压缩，同样下不易破裂，另外钢化过程中玻璃表面裂纹受强烈压缩，同样也使钢化玻璃抗弯强度更高。也使钢化玻璃抗弯强度更高。、热稳定性高、热稳定性高：当钢化玻璃骤冷时，表面产生的张应力当钢化玻璃骤冷时，表面产生的张应力与钢化玻璃表面原先存在的压应力相抵偿，因而钢化玻璃的与钢化玻璃表面原先存在的压应力相抵偿，因而钢化玻璃的热稳定性大大提高。热稳定性大大提高。、抗冲击强

30、度高、抗冲击强度高4、安全性好、不能切割、安全性好、不能切割安全性安全性：张应力造成的裂纹在张应力造成的裂纹在玻璃内迅速扩散，同时受表面玻璃内迅速扩散，同时受表面压应力保护作用不易散落。强压应力保护作用不易散落。强化玻璃被击碎后形成圆形小颗化玻璃被击碎后形成圆形小颗粒，而不是尖锐的大块碎片。粒，而不是尖锐的大块碎片。 品品 种种 厚度厚度 抗弯强度抗弯强度 耐冲击耐冲击 耐热温差耐热温差(mm) (Pa) ( 钢球高度钢球高度 m) ( ) 普通窗玻璃普通窗玻璃 54.9 10 7 0.560 钢化窗玻璃钢化窗玻璃 5 4.9 10 8 2.5 250 1 炉壁温度的确定炉壁温度的确定玻璃对不

31、同波长热射线具有不同的吸收能力，为此选择玻璃对不同波长热射线具有不同的吸收能力，为此选择适宜的热源温度是必要的。下表适宜的热源温度是必要的。下表 列出了其间的关系。列出了其间的关系。平板玻璃的钢化温度一般都在平板玻璃的钢化温度一般都在 630 -750 ，因此，因此，炉壁温度选择在炉壁温度选择在750 -850 范围内是合适的，它的热辐射范围内是合适的，它的热辐射波长对玻璃是部分吸收，有利于玻璃内外层的均匀加热。波长对玻璃是部分吸收，有利于玻璃内外层的均匀加热。 ( 四四 ) 热钢化工艺制度的确定热钢化工艺制度的确定热源温度、波长及玻璃的吸收热源温度、波长及玻璃的吸收 热源温度热源温度 ( )

32、 900 600 500 热源波长热源波长 ( n) 2.5 3.5 3.7 波波 长长 ( m) 2.7 2.7-4.5 4.5 玻璃吸收状况玻璃吸收状况 透射透射 部分吸收部分吸收 吸收吸收 2 钢化温度的确定钢化温度的确定常用以下两种方法来确定玻璃的钢化温度。常用以下两种方法来确定玻璃的钢化温度。(1) 应用经验公式确定：应用经验公式确定：Tc=Tg+80 ( 2-5-1 )式中式中 :Tc 钢化温度；钢化温度；Tg 玻璃的转变温度，以理论计玻璃的转变温度，以理论计算来确定。算来确定。(2) 以玻璃粘度为以玻璃粘度为 10 7.5 Pa s 时的温度为钢化温度。时的温度为钢化温度。在上述

33、两种方法中以经验公式来确定玻璃钢化温度的方法最常在上述两种方法中以经验公式来确定玻璃钢化温度的方法最常用和最简便。用和最简便。3 炉子温度的确定炉子温度的确定常用下式计算确定：常用下式计算确定：log(Tv 一一 Tc)=ct+log(Tv 一一 Tr) ( 2-5-2 )式中式中 :Tv 炉子温度；炉子温度；Tr 室温；室温；Tc 玻璃钢化温度；玻璃钢化温度；t 加热时间；加热时间； c 与玻璃组成、厚度有关的常与玻璃组成、厚度有关的常数。数。4 电炉的宽度电炉的宽度 选择炉膛宽度应考虑玻璃选择炉膛宽度应考虑玻璃能否均匀加热。其与玻璃和能否均匀加热。其与玻璃和辐射元件之间的距离、玻璃辐射元件

34、之间的距离、玻璃和炉膛砖之间的距离密切相和炉膛砖之间的距离密切相关。此外，为使玻璃均匀受关。此外，为使玻璃均匀受热，炉子上下前后可采用分热，炉子上下前后可采用分区调节。区调节。5 风冷时间风冷时间 玻璃的过度冷却是使玻璃产生翘曲的原因之一。另外，玻璃的过度冷却是使玻璃产生翘曲的原因之一。另外，为节约电能，应采用两段冷却法，即先急冷后缓冷，从图为节约电能，应采用两段冷却法，即先急冷后缓冷，从图 2 5 14 中可以看出，在急冷中可以看出，在急冷 15s 后，玻璃表面温后，玻璃表面温度已降到度已降到 500 以下，此时已不会再增加钢化强度，所以下，此时已不会再增加钢化强度，所以可以缓冷。以可以缓冷

35、。 热钢化产生的应力是二维各向同性的平面应力，只是随平热钢化产生的应力是二维各向同性的平面应力，只是随平板的厚度而变，习惯上把中心面上的张应力板的厚度而变，习惯上把中心面上的张应力 M 称称“钢化程钢化程度度”，简称钢化度，以此作为钢化的量值。，简称钢化度，以此作为钢化的量值。影响玻璃钢化度的因素有：淬火温度、介质的传热速率、玻影响玻璃钢化度的因素有：淬火温度、介质的传热速率、玻璃厚度、玻璃组成等。璃厚度、玻璃组成等。（五（五 ) 影响热钢化的因素影响热钢化的因素 玻璃开始急冷的温度称淬火温度。玻璃的钢化度决定于冷玻璃开始急冷的温度称淬火温度。玻璃的钢化度决定于冷却时的应力松弛程度，它随淬火温

36、度的提高而增大，当达到某却时的应力松弛程度，它随淬火温度的提高而增大，当达到某一值时，应力松弛程度不再增加，钢化度趋于极值，如图一值时，应力松弛程度不再增加，钢化度趋于极值，如图 2 5 15 所示。玻璃在急冷过程中，玻璃越厚，其内外温差就所示。玻璃在急冷过程中，玻璃越厚，其内外温差就越大，应力松弛层相应越厚，所以钢化度就越大。厚玻璃比薄越大，应力松弛层相应越厚，所以钢化度就越大。厚玻璃比薄玻璃更易钢化的原因也在此，如图玻璃更易钢化的原因也在此，如图 2 5 15 所示。所示。 1 玻璃的淬火温度及玻璃厚度玻璃的淬火温度及玻璃厚度 它表示淬火的冷却速率。对于风钢化，淬火的冷却速它表示淬火的冷却

37、速率。对于风钢化，淬火的冷却速率是由风压、风温、喷嘴与玻璃间距离以及在排气过程中率是由风压、风温、喷嘴与玻璃间距离以及在排气过程中是否形成了热气垫等因素决定。钢化度与综合传热速率的是否形成了热气垫等因素决定。钢化度与综合传热速率的关系如图关系如图 2 5 16 所示。喷嘴与玻璃间距离对钢化度所示。喷嘴与玻璃间距离对钢化度的影响，如图的影响，如图 2 5 17 所示。风温对钢化度有影响，所示。风温对钢化度有影响，例如，冬天的冷却速率比夏天大；冷却风受热后的热气流例如，冬天的冷却速率比夏天大；冷却风受热后的热气流不能很快排除，将形成热气垫，这会妨碍玻璃板的进一步不能很快排除，将形成热气垫，这会妨碍

38、玻璃板的进一步冷却，因而降低了钢化度，为此常加长喷嘴的长度。冷却，因而降低了钢化度，为此常加长喷嘴的长度。 2 冷却介质的对流传热速率冷却介质的对流传热速率3 玻璃组成玻璃组成 凡是能增加玻璃热膨胀系数的氧化物都能增加玻璃的凡是能增加玻璃热膨胀系数的氧化物都能增加玻璃的钢化度。如图钢化度。如图 2 5 一一 18 表示不同组成玻璃的钢化度。表示不同组成玻璃的钢化度。 （五）钢化玻璃自爆的原因探讨（五）钢化玻璃自爆的原因探讨自爆及其分类自爆及其分类 钢化玻璃自爆可以表述为钢化玻璃在无外部直接作用钢化玻璃自爆可以表述为钢化玻璃在无外部直接作用的情况下而自动发生破碎的现象。在钢化加工、贮存、运的情况

39、下而自动发生破碎的现象。在钢化加工、贮存、运输、安装、使用等过程中均可发生钢化玻璃自爆。输、安装、使用等过程中均可发生钢化玻璃自爆。自爆按起因不同可分为两种：自爆按起因不同可分为两种：一是由玻璃中可见缺陷引起的自爆，例如结石、砂一是由玻璃中可见缺陷引起的自爆，例如结石、砂粒、气泡、夹杂物、缺口、划伤、爆边等；粒、气泡、夹杂物、缺口、划伤、爆边等；二是由玻璃中硫化镍（二是由玻璃中硫化镍（NiS）杂质膨胀引起的自爆）杂质膨胀引起的自爆（钢化玻璃自爆的主要因素）。（钢化玻璃自爆的主要因素）。前者一般目视可见，检测相对容易，故生产中可控。前者一般目视可见，检测相对容易，故生产中可控。后者则主要由玻璃中

40、微小的硫化镍颗粒体积膨胀引发，无后者则主要由玻璃中微小的硫化镍颗粒体积膨胀引发，无法目测检验，故不可控。法目测检验，故不可控。 原料也是一个不可忽视的问题，浮法玻璃的成份原料也是一个不可忽视的问题，浮法玻璃的成份有石英砂（硅砂）、纯碱、芒硝、白云石、长石（钾长有石英砂（硅砂）、纯碱、芒硝、白云石、长石（钾长石、钠长石）、石灰石、助熔剂、澄清剂、着色剂、碎石、钠长石）、石灰石、助熔剂、澄清剂、着色剂、碎玻璃等，在硅砂、白云石、长石中发现了微量的镍质成玻璃等，在硅砂、白云石、长石中发现了微量的镍质成份。份。硫化镍的来源硫化镍的来源浮法生产线的安装过程中，熔窑内镍化合物的洁净浮法生产线的安装过程中，

41、熔窑内镍化合物的洁净度目前没有受到更多浮法玻璃生产企业的关注，其中度目前没有受到更多浮法玻璃生产企业的关注，其中主要有熔窑内钢结构焊接过后遗留下的焊头、焊渣。主要有熔窑内钢结构焊接过后遗留下的焊头、焊渣。理性的讲，一个接缝在焊接时会产生上百个甚至上万理性的讲，一个接缝在焊接时会产生上百个甚至上万个小的镍化合物也是很正常的，其实这也是直接影响个小的镍化合物也是很正常的，其实这也是直接影响整个窑炉产出浮法玻璃的含镍量。表面看一片完好的整个窑炉产出浮法玻璃的含镍量。表面看一片完好的钢化玻璃也许就因为含有大于钢化玻璃也许就因为含有大于60m的硫化镍而缩短的硫化镍而缩短它的使用寿命。它的使用寿命。玻璃内

42、部包含的硫化镍杂质，以小水晶状态存在，在玻璃内部包含的硫化镍杂质，以小水晶状态存在，在一般情况下，不会造成玻璃破损，但是由于一般情况下，不会造成玻璃破损，但是由于NiS是一种晶是一种晶体，存在二种晶相体，存在二种晶相: 高温相高温相-NiS和低温相和低温相-NiS，相变温，相变温度为度为379 oC . 玻璃在钢化炉内加热时，因加热温度远高于玻璃在钢化炉内加热时，因加热温度远高于相变温度，相变温度，NiS全部转变为全部转变为相。然而在随后的淬冷过程中，相。然而在随后的淬冷过程中， -NiS来不及转变为来不及转变为-NiS，从而被冻结在钢化玻璃中。在，从而被冻结在钢化玻璃中。在室温环境下，室温环

43、境下，-NiS是不稳定的，有逐渐转变为是不稳定的，有逐渐转变为-NiS的趋的趋势。这种转变伴随着约势。这种转变伴随着约2-4%的体积膨胀，使玻璃承受巨的体积膨胀，使玻璃承受巨大的相变张应力，从而导致自爆。大的相变张应力，从而导致自爆。（六）钢化玻璃生产工艺改进：（六）钢化玻璃生产工艺改进： 7.2.2玻璃的化学钢化玻璃的化学钢化在玻璃网络结构中，高价阳离子的迁移能力小，一阶的在玻璃网络结构中，高价阳离子的迁移能力小，一阶的碱金属离子的迁移率最大。化学钢化就是基于玻璃表面离子碱金属离子的迁移率最大。化学钢化就是基于玻璃表面离子的迁移的迁移 ( 扩散扩散 ) 为机理的。其过程是把加热的含碱玻璃浸于

44、为机理的。其过程是把加热的含碱玻璃浸于熔融盐浴中处理，通过玻璃与熔盐的离子交换改变玻璃表面熔融盐浴中处理，通过玻璃与熔盐的离子交换改变玻璃表面的化学组成，使得玻璃表面形成压应力层的化学组成，使得玻璃表面形成压应力层（一）分类（一）分类按压应力产生的原理可以分为以下几种类型：按压应力产生的原理可以分为以下几种类型： 式中：式中：玻璃表面的压应力；玻璃表面的压应力； V 由于离子交换产由于离子交换产生的体积变化；生的体积变化；V 玻璃的体积，玻璃的体积，E 弹性模量；弹性模量；泊松比。泊松比。置换的离子不同，其理论的压应力也不相同，如表置换的离子不同，其理论的压应力也不相同，如表 2 5 6 所示

45、。所示。低温型离子交换法低温型离子交换法： 这种工艺是以熔盐中半径大的离子这种工艺是以熔盐中半径大的离子 (K + ) 置换玻璃中半径小的离子置换玻璃中半径小的离子 (Na) ，使玻璃表面挤压，使玻璃表面挤压产生压应力层，这种压应力的大小取决于交换离子的体积产生压应力层，这种压应力的大小取决于交换离子的体积效应，如下式：效应，如下式：这种离子交换工艺是在退火温度下进行的，故称为低温型处理工艺。这种离子交换工艺是在退火温度下进行的，故称为低温型处理工艺。 不同离子所产生的理论压应力值不同离子所产生的理论压应力值 玻璃中离子玻璃中离子 熔盐中离子熔盐中离子 离子体积的变化理论压应力离子体积的变化理

46、论压应力 (m1/ 100g ) (kg/cm 2 ) Na + K + 2.18 296 Li + Na + 0.92 130Li + K + 3.10 410Li + Rb + 4.40 452 Li + Cs + 6.65 813 它是在转变温度以上，以熔盐中半径小的离子置换它是在转变温度以上，以熔盐中半径小的离子置换玻璃中半径大的离子，在玻璃表面形成热膨胀系数比主玻璃中半径大的离子，在玻璃表面形成热膨胀系数比主体玻璃为小的薄层，当冷却时，因表面层与主体玻璃收体玻璃为小的薄层，当冷却时，因表面层与主体玻璃收缩不一致而在玻璃表面形成压应力。这种压应力的大小缩不一致而在玻璃表面形成压应力。这

47、种压应力的大小取决于两者的热膨胀系数。用下式表示：取决于两者的热膨胀系数。用下式表示： 式中：式中： s 玻璃的表面压应力；玻璃的表面压应力； 1 、 2 内外层的玻璃膨胀系数内外层的玻璃膨胀系数E 弹性模量；弹性模量；泊松比；泊松比； t 温差。温差。 高温型处理工艺高温型处理工艺 上述两种工艺都是在浓度梯度情况下进行离子交换上述两种工艺都是在浓度梯度情况下进行离子交换的，促进离子交换的另一途径是产生电场梯度，即使用电的，促进离子交换的另一途径是产生电场梯度，即使用电流以增大玻璃中离子迁移率。例如，对钠钙硅玻璃而言，流以增大玻璃中离子迁移率。例如，对钠钙硅玻璃而言，无电场作用下的离子交换，在

48、无电场作用下的离子交换，在 365 经经 60min 后，渗后，渗透深度为透深度为 6.5 m ；若同样为；若同样为 365 ，施加，施加 195V 电电压，经压，经 26min 后，其渗透深度为后，其渗透深度为 33.6 m ，时间缩短，时间缩短一半而深度大一半而深度大 4 倍以上。倍以上。 电辅助处理电辅助处理玻璃器皿在钢化前要经过预处理，首先要去除油玻璃器皿在钢化前要经过预处理，首先要去除油污，灰尘等，然后放入处理液中进行污，灰尘等，然后放入处理液中进行Na+和和H+离子的离子的交换，这样可以加深交换，这样可以加深K+的浸入深度。预处理液配方为的浸入深度。预处理液配方为（质量比）：（质量

49、比）：H2SO4=6.88.6%；Na2SO4=2.45.6%；MgSO4=0.51%。玻璃器皿通过预处理后用水洗涤干燥就可放入熔玻璃器皿通过预处理后用水洗涤干燥就可放入熔盐槽中进行离子交换了。盐槽中进行离子交换了。（二）玻璃的化学钢化工艺过程（二）玻璃的化学钢化工艺过程(2) 热处理时间与温度的影响。热处理时间与温度的影响。图图 2 5 20 示示出了它的关系。由图可知，在离子交换过程中，它是属出了它的关系。由图可知，在离子交换过程中，它是属于不稳定扩散过程，时间与强度并不呈线性关系。于不稳定扩散过程，时间与强度并不呈线性关系。 （三）影响化学钢化强度的因素（三）影响化学钢化强度的因素(1)

50、 化学组成的影响。化学组成的影响。研究表明，含研究表明，含 Al 2 O 3 的铝硅酸盐的铝硅酸盐玻璃比普通的钠硅酸盐玻璃的钢化强度大，其压应力层也较玻璃比普通的钠硅酸盐玻璃的钢化强度大，其压应力层也较厚。例如后者的最外表面的压应力为厚。例如后者的最外表面的压应力为 700 1000nm cm ，应力层厚，应力层厚 30 40 m ，而前者相应为，而前者相应为 15000nm cm 和和 150 m 。其原因有二。其一，若。其原因有二。其一，若 Al 3+ 以以 A10 4 进入网络，则进入网络，则 Na + 的扩散速度增大，离子交换速度增大，的扩散速度增大，离子交换速度增大，离子交换量增多；

51、其二，形成了热膨胀系数极小的离子交换量增多；其二，形成了热膨胀系数极小的锂辉锂辉石石 ( Li 2 O Al 2 0 3 4SiO 2 ) 结晶，冷却后的玻璃结晶，冷却后的玻璃表面能产生很大的压应力表面能产生很大的压应力随时间的延长，钾离子的交换率是逐渐衰减的，随时间的延长，钾离子的交换率是逐渐衰减的，且当达到一定时间，离子交换将达到平衡，交换时且当达到一定时间，离子交换将达到平衡，交换时间选取间选取1012小时为宜。小时为宜。随着交换温度的升高，离子的置换率相应地升高，随着交换温度的升高，离子的置换率相应地升高，但只限于玻璃的应变点以下。离子交换温度控制在但只限于玻璃的应变点以下。离子交换温

52、度控制在50 500比较合理。低于这一温度范围时，比较合理。低于这一温度范围时，离子交换率偏低，交换效果不理想，这是因为温度离子交换率偏低，交换效果不理想，这是因为温度低使钾离子和钠离子没有足够的迁移能量；高于这低使钾离子和钠离子没有足够的迁移能量；高于这一温度范围，玻璃接近应变点，制品容易变形，溶一温度范围，玻璃接近应变点，制品容易变形，溶盐挥发严重盐挥发严重。随着离子交换深度的增加，钾离子的百分含量逐随着离子交换深度的增加，钾离子的百分含量逐渐衰减，直到达到与玻璃中原钾离子含量保持平衡渐衰减，直到达到与玻璃中原钾离子含量保持平衡为止。一般为为止。一般为50100微米左右深度。微米左右深度。

53、1 强度高：可达一般玻璃强度的倍，是风钢化强度高：可达一般玻璃强度的倍，是风钢化玻璃的倍玻璃的倍 。2热稳定性为热稳定性为150 。3 玻璃表面平滑、不变形、无钢化斑。不产生光学畸变。玻璃表面平滑、不变形、无钢化斑。不产生光学畸变。对厚玻璃的增强效果不甚明显，特别适合对厚玻璃的增强效果不甚明显，特别适合24mm厚厚的玻璃的玻璃 ，各类异型玻璃，各类异型玻璃。 玻璃破碎时非颗粒状。玻璃破碎时非颗粒状。 化学钢化后可切割、镀膜、夹胶等再加工。化学钢化后可切割、镀膜、夹胶等再加工。 （四）化学钢化产品特性：（四）化学钢化产品特性：物理钢化法（风冷钢化）与化学钢化法（离子交换）的比较物理钢化法（风冷钢

54、化）与化学钢化法（离子交换）的比较 物理钢化法物理钢化法 化学钢化法化学钢化法压应力值压应力值 低（低（10-15公斤公斤/平方毫米）平方毫米） 高（高（30-80公斤公斤/平方毫米）平方毫米）压应力层厚度压应力层厚度 深（板厚的深（板厚的1/6左右）左右） 浅（一般是浅（一般是10-300微米）微米）张应力值张应力值 高（约为压应力的高（约为压应力的1/2） 低低处理时间处理时间 短（短（5-10分钟）分钟） 长（长（30分钟分钟-1周）周）处理后的变形处理后的变形 稍有稍有 几乎没有几乎没有玻璃形状及厚度玻璃形状及厚度 受限制受限制 不受限制不受限制7.3 玻璃的加工玻璃的加工 成形后的玻

55、璃制品，除了极少（如瓶罐）能直成形后的玻璃制品，除了极少（如瓶罐）能直接符合使用要求外，大多数还需加工，以得到符合使接符合使用要求外，大多数还需加工，以得到符合使用要求的制品。用要求的制品。 玻璃制品加工分类：玻璃制品加工分类： 冷加工冷加工 热加工热加工 表面处理表面处理7.3.1 玻璃制品的冷加工玻璃制品的冷加工冷加工的定义：冷加工的定义： 在常温下，通过机械的方法，来改变玻璃制品在常温下，通过机械的方法，来改变玻璃制品的外形和表面状态的过程的外形和表面状态的过程冷加工的基本方法冷加工的基本方法： 研磨抛光研磨抛光 切割切割 喷砂、钻孔和切削喷砂、钻孔和切削 7.3.1.1 研磨和抛光研磨

56、和抛光研磨、抛光的目的：研磨、抛光的目的：将不平整的玻璃表面或玻璃毛坯的尺寸和形状进行加工，将不平整的玻璃表面或玻璃毛坯的尺寸和形状进行加工，使其达到要求研磨、抛光的关系：使其达到要求研磨、抛光的关系：二、研磨、抛光材料二、研磨、抛光材料1、研磨材料、研磨材料要求：要求： 磨料的硬度大于玻璃的硬度，莫氏硬度磨料的硬度大于玻璃的硬度，莫氏硬度610分类：分类： 天然磨料天然磨料（石英砂、刚玉、金刚石、石榴石等）（石英砂、刚玉、金刚石、石榴石等） 人造磨料人造磨料（电熔刚玉、碳化硅、碳化硼、金刚（电熔刚玉、碳化硅、碳化硼、金刚石等）石等）2、抛光材料、抛光材料要求：要求： 较高的抛光能力较高的抛光

57、能力 磨料的硬度小于玻璃的硬度，莫氏硬度磨料的硬度小于玻璃的硬度，莫氏硬度15、 6 7分类：分类： 红粉（红粉（Fe2O3）、氧化铈（）、氧化铈（CeO2）、氧化锆）、氧化锆（ZrO2）、）、氧化钍（氧化钍（ThO2） 还有长石粉还有长石粉三、影响玻璃研磨过程的主要工艺因素三、影响玻璃研磨过程的主要工艺因素1、磨料的性质和粒度：粒度大，磨除量大、磨料的性质和粒度：粒度大，磨除量大2、磨料悬浮液的浓度和给料量：、磨料悬浮液的浓度和给料量：3、磨盘转速和压力：、磨盘转速和压力：与磨除量成正比与磨除量成正比4、磨盘的材料：、磨盘的材料：铸铁研磨效率为，有色金属为铸铁研磨效率为，有色金属为0.6,塑

58、料为塑料为0.25、玻璃的组成：、玻璃的组成：质越硬越难研磨质越硬越难研磨四、影响玻璃抛光过程的主要工艺因素四、影响玻璃抛光过程的主要工艺因素1、抛光材料的性质、浓度和给料量、抛光材料的性质、浓度和给料量稀土抛光粉与传统抛光粉稀土抛光粉与传统抛光粉红粉相比，不污染环红粉相比，不污染环境，易于从沾着物上除去，而且抛光速度快、用量少、境，易于从沾着物上除去，而且抛光速度快、用量少、光洁度高和使用寿命长的优点，光洁度高和使用寿命长的优点，一般稀土玻璃抛光粉主要用富铈氧化物。用氧化一般稀土玻璃抛光粉主要用富铈氧化物。用氧化铈抛光粉抛光透镜，效率是用氧化铁抛光粉的铈抛光粉抛光透镜，效率是用氧化铁抛光粉的

59、3060倍。氧化铈之所以是极有效的抛光用化合物，是因倍。氧化铈之所以是极有效的抛光用化合物，是因为它能用化学分解和机械摩擦二种形式同时抛光玻璃。为它能用化学分解和机械摩擦二种形式同时抛光玻璃。稀土铈抛光粉由于价贵，主要用于照相机、摄影稀土铈抛光粉由于价贵，主要用于照相机、摄影机镜头、电视显像管、眼镜片等的抛光。机镜头、电视显像管、眼镜片等的抛光。浓度高效率高，但过量则降低浓度高效率高，但过量则降低水在抛光过程中比在研磨过程中所起的物化作用水在抛光过程中比在研磨过程中所起的物化作用更明显，更明显，2、抛光盘转速和压力、抛光盘转速和压力与玻璃磨除量间存在正比关系，但太高，与玻璃磨除量间存在正比关系

60、，但太高，玻璃温度高易破玻璃温度高易破3、周围空间温度和玻璃温度、周围空间温度和玻璃温度环境温度易维持环境温度易维持25 4、抛光悬浮液的性质、抛光悬浮液的性质以红粉为抛光介质时，悬浮液的值在以红粉为抛光介质时，悬浮液的值在为宜，若加入硫酸锌，硫酸铁等盐类为宜，若加入硫酸锌，硫酸铁等盐类可提高效率可提高效率5、抛光盘的材料、抛光盘的材料一般用毛毡一般用毛毡五新型抛光技术五新型抛光技术浴法抛光浴法抛光以红粉或氧化铝粉为抛光材料制成抛光液，以红粉或氧化铝粉为抛光材料制成抛光液，将玻璃和抛光盘浸入抛光液中作业将玻璃和抛光盘浸入抛光液中作业离子束抛光离子束抛光将惰性气体通过高频或放电变成离子，将惰性气