玻璃的后处理

第15－17章

玻璃的后处理

玻璃的退火

玻璃的淬火

玻璃的深加工一、玻璃的退火

1、定义与目的消除玻璃制品在成形或热加工后残留在制品内的热应力的过程称为退火。目的是防止炸裂和提高玻璃的机械强度。一、玻璃的退火

2、玻璃的热应力玻璃中由于温差而产生的内应力称为热应力。(l)暂时应力(temporarystress)在温度低于应变点时，玻璃经受不均匀的温度变化时会产生热应力。当温度梯度消失时，应力也消失。这种热应力称为暂时应力。(2)永久应力(permanentstress)当玻璃内温度梯度消失，表面与内部温度皆为常温时，内部残留的热应力，称为永久应力。一、玻璃的退火

3、玻璃中应力的消除玻璃在应变点附近属粘弹性体(伯格斯体)，既具有弹性也具有粘性，因此，应力可以得到消除(松弛)。根据麦克斯韦尔的理论，在粘弹性体中应力消除的速度可用下列方程式表示：dF/dt=-MF式中：F—应力；t—时间；M—比例常数，与粘度有关。一、玻璃的退火

4、各种玻璃的允许应力不可能完全消除永久应力表1-6-3为各种玻璃的允许应力指标，其数值大约为玻璃抗张强度的1%~5%。允许数值小的制品(如光学玻璃)退火时要特别精细，保温时间要长，冷却速度要很慢。一、玻璃的退火

5、玻璃的退火工艺制度5.1退火温度范围为了消除玻璃中的永久应力，必须将玻璃加热到低于玻璃转变温度Tg附近的某一温度，使应力松弛。这个选定的保温均热温度称为退火温度。玻璃的最高退火温度是指在此温度下经过3分钟能消除应力95%，一般相当于退火点(η=1012Pa·s)的温度，也叫退火上限温度；最低退火温度是指在此温度下经过3分钟能消除应力5%，也称退火下限温度。最高退火温度至最低退火温度之间称为退火温度范围。大部分器皿玻璃最高退火温度为550±20℃；平板玻璃为550~570℃；瓶罐玻璃为550~600℃；铅玻璃为460~490℃；硼硅酸盐玻璃为600~610℃。实际上，一般采用的退火温度都比最高退火温度低20~30℃，最低退火温度低于最高退火温度50~150℃。一、玻璃的退火

5.2退火工艺过程玻璃退火工艺过程玻璃制品的退火包括加热、保温、慢冷及快冷四个阶段：(1)加热阶段：最高加热速度ha=130/a^2式中a—玻璃厚度，cm，空心玻璃制品为总厚度，实心玻璃为厚度的一半。为了安全起见，一般技术玻璃的加热速度取值为最大加热速度的15%~20%，即20/a2~30/a2℃/min。光学玻璃取为5%以下。一、玻璃的退火

(2)保温阶段主要目的是消除快速加热时制品存在的温度梯度，并消除制品中所固有的内应力。退火温度和保温时间是关键因素。退火温度可由计算或测定求得。阿丹姆斯认为在适当的退火温度时，在退火温度下保持的时间为：t=520a^2/Δn式中t—时间，min；a—制品厚度，cm；Δn—允许永久应力的双折射值，nm/cm。一、玻璃的退火

(3)慢冷阶段在玻璃中原有应力消除后，必须防止在降温过程中由于温度梯度而产生新的应力。这主要靠正确地制定并严格地控制玻璃在退火温度范围的冷却制度来实现。阿丹姆斯及威廉逊求得最初的慢冷速度h(℃/min)为：h=δ/13a^2式中δ—玻璃最大允许的应力，nm/cm；a—玻璃的厚度，cm。一、玻璃的退火(4)快冷阶段快冷阶段是指应变温度到室温这段温度区间。在本阶段内，只能引起暂时应力，在保证制品不致因热应力而破坏的前提下，可以尽快冷却玻璃制品。阿丹姆斯及威廉逊求得一般玻璃的最大冷却速度h(℃/min)为：h=65/a^2式中δ—玻璃最大允许的应力，nm/cm；一、玻璃的退火

6退火设备—退火窑按制品的移动情况分为间歇式、半连续式和连续式三类。6.1间歇式退火窑(或称室式退火窑)制品不运动，根据工艺要求，窑内温度随时间而变。加热方法有明焰式、隔焰式两种。其能源有燃油、燃气和煤等，还可用电加热。制品可直接放在窑底上、小车上，或放在金属篮筐内。对于光学玻璃的粗退火和精密退火，通常采用隔焰式。一、玻璃的退火

6.2半连续式退火窑窑内各处温度恒定不变，通过制品间歇移动来实现玻璃退火过程。此种退火窑主要有牵引式和隧道式。一、玻璃的退火

6.3连续式退火窑窑内各处温度恒定不变，而通过制品连续移动来实现玻璃退火过程。有下列几种形式：(1)垂直送带式(图e)，也称为立式或竖式退火窑。与水平式相比占地少，缩短了装、出制品的水平距离。立式结构也减少冷空气吸人的危害，但其结构复杂，对运输装置的耐热性能要求也很高。(2)网带式退火窑(图f)，制品被放置在金属网带上，通过带的连续转动不断将制品传送进退火窑，经退火后的制品，再被网带输送出窑外，此种退火窑目前应用最普遍。(3)辊道式退火窑(图g)所示。其工作原理和结构与网带式退火窑相似，但其传输装置为一系列辊道，玻璃板在辊道上移动，结构也较简单，主要用于浮法玻璃、压延玻璃、平板玻璃的退火。二、玻璃的淬火玻璃的淬火就是将玻璃制品加热到转变温度Tg以上50~60℃，然后在冷却介质中(淬火介质)急速均匀冷却(如风冷淬火，液冷淬火等)。在这过程中玻璃的内层和表面层将产生很大的温度梯度，由此引起的应力由于玻璃的粘滞流动而被松弛，所以造成了有温度梯度而无应力的状态。冷却到最后，温度梯度逐渐消除，松弛的应力即转化为永久应力，这样造成了玻璃表面均匀分布的压应力层。用空气作淬火介质时称风冷淬火；用液体如油脂、硅油、石蜡、树脂、焦油等作淬火介质时称液冷淬火。此外，还用盐类如硝酸盐、铬酸盐、硫酸盐等作为淬火介质。金属淬火介质为金属粉末、金属丝软刷等。二、玻璃的淬火1淬火玻璃的特性淬火玻璃同一般玻璃比较，其抗弯强度，抗冲击强度以及热稳定性等，都有很大的提高。1.1淬火玻璃的抗弯强度淬火玻璃抗弯强度要比一般玻璃大4~5倍。如6×600×400毫米淬火玻璃板，可以支持三个人的重量200公斤而不破坏。厚度5~6毫米的淬火玻璃，抗弯强度达1.67×108Pa。淬火玻璃的应力分布如图。淬火玻璃的挠度。比一般玻璃大3~4倍，如6×1200×350毫米的一块淬火玻璃，最大弯曲达100毫米。1.2淬火玻璃的抗冲击强度淬火玻璃抗冲击强度比一般玻璃大好几倍。如厚6毫米的一般玻璃为0.24kg·m，同样厚度的淬火玻璃达0.83kg·m。1.3淬火玻璃的热稳定性热稳定性提高。淬火玻璃的抗张强度提高，弹性模量下降，此外，密度也较退火玻璃为低，从热稳定性系数K的计算公式可知，淬火玻璃可经受温度突变的范围达250~320℃，而一般玻璃只能经受70~100℃。淬火玻璃同一般玻璃性能对比见表。1.4淬火玻璃的其它性能淬火玻璃也称安全玻璃，它破坏时首先是在内层，由张应力作用引起破坏的裂纹传播速度很大，同时外层的压应力有保持破碎的内层不易散落的作用，因此淬火玻璃在破裂时，只产生没有尖锐角的小碎片。淬火玻璃中有很大的相互平衡着的应力分布，所以一般不能再行切割。二、玻璃的淬火

2影响璃玻淬火的工艺因素2.1淬火温度及冷却速率玻璃开始急冷(淬火)时的温度称为淬火温度。淬火产生的永久应力值(淬火程度)和淬火温度之间的关系，称为淬火曲线。如以对流传递速度h(w/m2·℃)表示淬火的冷却速率，则在其它条件不变时，淬火程度随h值的提高而增加。如厚为6.1mm的玻璃，淬火程度可达2850nm/cm。对于风冷淬火，冷却速率是由风压、风温、喷嘴与玻璃间距以及热气垫的形成等因素来决定的。如果淬火温度过低，在某种冷却速率下会导致玻璃在淬火过程中破裂。二、玻璃的淬火2.2玻璃的化学组成应力同玻璃的热膨胀系数α、杨氏弹性模量E、泊松比μ以及温差ΔT的数值有关(应力与α、E、ΔT成正比，而与μ成反比)，它们是由玻璃组成来决定的。不同组成的玻璃，淬火程度相差可达2倍(如图)。二、玻璃的淬火2.3玻璃厚度在相同条件下，玻璃愈厚，淬火程度愈高(如图)。平板玻璃淬火一般用2.5mm以上的玻璃，以保证产生较大的永久应力。非平板玻璃制品淬火时，要求厚度应均匀，相差不能太大，否则会因应力分布不均而破裂。二、玻璃的淬火3风冷淬火生产工艺不经退火或退火后的玻璃杯，经以下工序进行淬火:玻璃杯(不经退火的)→传送带→风栅急冷→性能检测(热稳定性、强度)→包装。玻璃杯(退火的)→外观检查→传送带→电加热淬火炉→风栅急冷→性能检测(热稳定性、强度)→包装。二、玻璃的淬火4

液冷淬火生产工艺厚度小于2.5~3mm的玻璃制品，在风冷淬火时由于玻璃内外层温差小，产生的热弹性应力也小，所以淬火程度很低。为使薄壁制品淬火程度提高，必须加大急冷强度。这可以采用热容量大的低温液体作为碎火介质，常用的除了树脂(硅树脂)等之外，还用低熔点金属、熔盐等。液冷淬火工艺流程如下：制品→检查→加热→液冷→洗涤→检验包装。除了冷却、洗涤工序外，其余与风冷淬火相同。液冷淬火介质的温度一般为200~250℃。欲使淬火程度降低，则可用温度为400~450℃的淬火介质.8-3玻璃的深加工

1冷加工通过机械方法改变玻璃制品的外形和表面状态，称为冷加工(coldwork)。基本方法有研磨抛光、切割、喷砂、钻孔和切削。研磨抛光(grindingandpolishing)加工是两个不同的工序，统称磨光。经研磨、抛光后的玻璃制品，称为磨光玻璃。研磨后，玻璃表面形成一层凹陷的毛面，并带有一定深度的裂纹层(如图

)。影响玻璃抛光过程的主要工艺因素是抛光材料的性质、浓度、给料量，抛光盘转速与压力，环境温度，玻璃温度，抛光悬浮液性质，抛光盘材质等。2热加工热加工(heatwork)对器皿玻璃、仪器玻璃十分重要。通过热加工一方面可以进行成形，另一方面也可以改善制品性能及外观质量。利用玻璃粘度随温度改变的特性以及表面张力与导热系数，可以对玻璃制品进行热加工。玻璃制品热加工的主要方法有烧口、火抛光、火焰切割，或钻孔、焊接。3玻璃的表面处理玻璃的表面处理(surfacetreatmentofglass)可归纳为三大类：第一是形成玻璃的光滑面或散光面，通过表面处理控制玻璃表面的凹凸，例如器皿玻璃的化学蚀刻、玻璃的化学抛光等。第二，改变玻璃表面的薄层组成，改善表面性质，以得到新的性能，如表面着色、改善玻璃的化学稳定性等。第三，进行表面涂层，如镜子的镀银、表面导电玻璃、憎水玻璃等。3.1玻璃的化学蚀刻玻璃的化学蚀刻(acidetchingofglass)是用氢氟酸溶掉玻璃表面层的硅氧，根据残留盐类的溶解度的不同，而得到有光泽表面域无光泽毛面。蚀刻液可在HF中加入NH4F、KF与水组成3.2化学抛光(chemicalpolishing)像化学蚀刻一样，是利用氢氟酸破坏玻璃表面原有的硅氧膜，生成一层新的硅氧膜，使玻璃得到很高的光洁度与透光度。化学抛光的方法有两种：一种是单纯的化学侵蚀作用；另一种是化学侵蚀和机械研磨相结合。前者大多用于玻璃器皿，后者用于平板玻璃。化学研磨原理如图。此方法是在玻璃表面添加磨料和化学侵蚀剂，化学侵蚀生成氟硅酸盐，通过研磨而去除，使化学抛光的效率大为提高。3.3表面着色(扩散着色)玻璃表面着色(surfacecolouration)即在高温下用着色离子的金属、熔盐、盐类糊膏涂覆在玻璃表面上，使着色离子与玻璃中的离子进行交换，扩散到玻璃表层中，使玻璃表面着色；有些金属离子还需要还原为原子，原子集聚成胶体而着色。通常把着色离子的盐类加入填充剂(载体-ZrO2、粘土等)、粘结剂(糊精、阿拉伯胶、松节油等)配成糊状物，涂于玻璃表面，再放在马弗炉中进行热处理。应用电浮法可以连续生产表面着色玻璃(如图)。此外，还可利用表面金属