第四節(jié) 玻璃的成型與退火

1、第四章 玻璃材料 第四節(jié) 玻璃的成型與退火 一、玻璃的成型一、玻璃的成型 1. 成型與定形成型與定形 玻璃成型：熔融的玻璃液轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄潭◣缀涡尾ＡС尚停喝廴诘牟Ａб恨D(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄潭◣缀涡?狀制品的過程。狀制品的過程。 成型過程：成型過程： 決定因素：決定因素：玻璃的熱性質(zhì)和周圍介質(zhì)影響玻璃玻璃的熱性質(zhì)和周圍介質(zhì)影響玻璃 的硬化速度。的硬化速度。 成型：成型： 定形：定形： 賦予制品以一定的幾何形狀。賦予制品以一定的幾何形狀。 使玻璃制品的形狀固定下來。使玻璃制品的形狀固定下來。 決定因素：決定因素：玻璃的流變性（黏度、表面張力、可塑玻璃的流變性（黏度、表面張力、可塑 性、彈性以及這些性質(zhì)的溫度

2、變化特征）。性、彈性以及這些性質(zhì)的溫度變化特征）。 高溫高溫 低溫低溫 2. 成型性質(zhì)成型性質(zhì) 玻璃的玻璃的黏彈性黏彈性（黏度、表面張力和彈性性能）（黏度、表面張力和彈性性能） 和和熱學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)（熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)、玻（熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)、玻 璃的透光系數(shù)、輻射系數(shù)和熱交換系數(shù)）。璃的透光系數(shù)、輻射系數(shù)和熱交換系數(shù)）。 在眾多的性質(zhì)中，在眾多的性質(zhì)中，黏度和表面張力黏度和表面張力起著最重要起著最重要 的作用。的作用。 （1）粘度）粘度 粘度不僅對玻璃的成型有粘度不僅對玻璃的成型有 重要影響，而且還影響玻璃重要影響，而且還影響玻璃 的熔制和退火過程。的熔制和退火過程。 利

3、用玻璃粘度隨溫度變化利用玻璃粘度隨溫度變化 的可逆性，可以在成型過程的可逆性，可以在成型過程 中中多次加熱多次加熱玻璃，玻璃，使之反復(fù)使之反復(fù) 達(dá)到所需的成型粘度，可進(jìn)達(dá)到所需的成型粘度，可進(jìn) 行局部的行局部的反復(fù)加工反復(fù)加工，以制造以制造 復(fù)雜的制品。復(fù)雜的制品。 一般玻璃的成型溫度范圍：接近粘度-溫度曲線彎曲 處，以保證玻璃具有自動定形的某種速度。 一般玻璃的成型粘度范圍為102106Pas 熔融玻璃的表面張力在玻璃的澄清、均化、成型等方面起熔融玻璃的表面張力在玻璃的澄清、均化、成型等方面起 著重要作用。著重要作用。 如，成型時表面張力可使玻璃料滴如，成型時表面張力可使玻璃料滴自動形成球形

4、自動形成球形，不用模，不用模 型即可吹制圓形料泡；在玻璃纖維和玻璃管的拉制中能型即可吹制圓形料泡；在玻璃纖維和玻璃管的拉制中能自然得自然得 到圓形截面到圓形截面。 但是，但是，表面張力對成型也有不利之處。表面張力對成型也有不利之處。壓制成型時制品的壓制成型時制品的 銳棱會自動變圓，難以得到清晰的花紋。銳棱會自動變圓，難以得到清晰的花紋。 （2）表面張力）表面張力 玻璃只要是在粘滯流動狀態(tài)，就不會產(chǎn)生玻璃只要是在粘滯流動狀態(tài)，就不會產(chǎn)生 永久應(yīng)力，也不會產(chǎn)生玻璃缺陷。永久應(yīng)力，也不會產(chǎn)生玻璃缺陷。 （3）彈性）彈性 106Pa.s1014Pa.s 粘滯性液體粘滯性液體彈性固體彈性固體 溫度溫度

5、高高 低低 粘粘-彈體彈體 （4）比熱、導(dǎo)熱率、熱膨脹、透熱性）比熱、導(dǎo)熱率、熱膨脹、透熱性 玻璃成型時的玻璃成型時的冷卻速度決定于外界的冷卻條件，也和玻璃、冷卻速度決定于外界的冷卻條件，也和玻璃、 自身的比熱、導(dǎo)熱率、熱膨脹、透熱性等有關(guān)。自身的比熱、導(dǎo)熱率、熱膨脹、透熱性等有關(guān)。 比熱比熱-決定在成型過程中放出的熱量，隨溫度下降，玻璃的比 熱減小。 導(dǎo)熱率、透熱性導(dǎo)熱率、透熱性-越大，玻璃的冷卻速度越快，成型速度越快。 玻璃的成型制度是指成型各個階段的黏度黏度-時間或溫度時間或溫度- 時間關(guān)系曲線。時間關(guān)系曲線。 3. 成型制度的制定成型制度的制定 在具體的成型條件下確定在具體的成型條件下

6、確定成型溫度范圍、各個操作工序的持成型溫度范圍、各個操作工序的持 續(xù)時間、冷卻介質(zhì)或模型的溫度續(xù)時間、冷卻介質(zhì)或模型的溫度等工藝參數(shù)。等工藝參數(shù)。 應(yīng)使玻璃在成型各工序的溫度和持續(xù)時間同玻璃液的 流變性質(zhì)及表面熱性質(zhì)協(xié)調(diào)一致，即在需要變形的工序，玻需要變形的工序，玻 璃應(yīng)有充分的流動度，使其迅速充滿模具，表面得到迅速的冷璃應(yīng)有充分的流動度，使其迅速充滿模具，表面得到迅速的冷 卻，出模時不變形，表面不產(chǎn)生裂紋等缺陷。卻，出模時不變形，表面不產(chǎn)生裂紋等缺陷。 合理的成型制度合理的成型制度： a、成型粘度范圍 玻璃液在成型粘度范圍內(nèi)易于成型，有一定的冷玻璃液在成型粘度范圍內(nèi)易于成型，有一定的冷 卻硬

7、化速度，又不產(chǎn)生析晶等缺陷。卻硬化速度，又不產(chǎn)生析晶等缺陷。 成型開始所需的粘度還和許多因素有關(guān)，如成型成型開始所需的粘度還和許多因素有關(guān)，如成型 方法、制品的外形和重量等。方法、制品的外形和重量等。 一般工業(yè)玻璃的成型粘度范圍為一般工業(yè)玻璃的成型粘度范圍為102106Pas。 成型制度的確定成型制度的確定 b、模型的溫度制度 成型前，模型應(yīng)加熱到適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟瘸尚颓?，模型?yīng)加熱到適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟取?由于玻璃的熱傳導(dǎo)能力很差，玻璃表面的熱量 很快傳出而又得不到內(nèi)部熱量的迅速補(bǔ)充，所以玻璃 表面的溫度會迅速下降，若冷卻進(jìn)行的過快，就會在 玻璃表面層產(chǎn)生張應(yīng)力，導(dǎo)致制品出現(xiàn)裂紋和破裂。 所以要求模具

8、溫度不能太低。 與其它材料的不同之處：與其它材料的不同之處： 玻璃的粘度與表面張力隨溫度變化，成型和定形能連 續(xù)進(jìn)行，使得玻璃具有各種各樣的成型方法。玻璃具有各種各樣的成型方法。 玻璃成型經(jīng)歷了手工手工半機(jī)械化半機(jī)械化機(jī)械化機(jī)械化計算機(jī)控制。計算機(jī)控制。 主要的機(jī)械成型方法有：主要的機(jī)械成型方法有： 吹制法吹制法、壓制法、拉制法、壓制法、拉制法、浮法浮法、壓延法與澆鑄法、壓延法與澆鑄法。 4. 成型方法成型方法 （1）吹制法）吹制法 采用吹管或吹氣頭將熔制好的玻璃液在模型中吹制成制品。采用吹管或吹氣頭將熔制好的玻璃液在模型中吹制成制品。 人工吹制法示意圖人工吹制法示意圖 吹小泡吹小泡 挑料挑料

9、滾料滾料 割口割口 烘口烘口 吹制及吹制及 擊脫吹管擊脫吹管 吹料泡吹料泡 人工吹制人工吹制 特點：特點：制品表面光滑，制品表面光滑， 尺寸較精確；尺寸較精確； 局限：局限：效率低。效率低。 應(yīng)用：應(yīng)用：批量小，制作高批量小，制作高 級器皿、藝術(shù)玻璃級器皿、藝術(shù)玻璃 人工吹制人工吹制 機(jī)械吹制：機(jī)械吹制： 壓壓- -吹法吹法、吹-吹法、轉(zhuǎn)吹法、 帶式吹制法等。 壓壓-吹法成形廣口瓶示意圖吹法成形廣口瓶示意圖 雛形模雛形模 (a)落料落料(b)壓制雛形壓制雛形 (c)重?zé)嵘扉L重?zé)嵘扉L(d)吹制成形吹制成形 口?？谀?沖頭沖頭 吹氣頭吹氣頭 成形模成形模 v壓壓- -吹特點：吹特點： 先用壓制的方

10、法制成制品 口部和雛形，然后再移入成型 模中吹制成制品。 主要用于生產(chǎn)大口瓶。主要用于生產(chǎn)大口瓶。 應(yīng)用：應(yīng)用：生產(chǎn)廣口瓶、生產(chǎn)廣口瓶、 小口瓶等各類小口瓶等各類 空心制品空心制品 機(jī)械吹制機(jī)械吹制 v吹-吹法：先在帶有口模的雛形模中制成口模和吹成 雛形，再將雛形移入成型模中吹成制品。 主要用于生產(chǎn)小口瓶。 v轉(zhuǎn)-吹法：是吹-吹法的一種，但是在吹制時料泡不 停地旋轉(zhuǎn)。 主要用于吹制薄壁器皿、電燈泡、熱水瓶膽等。 （2）浮法生產(chǎn)平板玻璃）浮法生產(chǎn)平板玻璃 v 定義定義： 玻璃液漂浮在熔融金屬（如錫液）表面上生產(chǎn)玻璃液漂浮在熔融金屬（如錫液）表面上生產(chǎn) 平板玻璃的方法。平板玻璃的方法。 錫液熔點低

11、、沸點高、密度大、不易揮發(fā)錫液熔點低、沸點高、密度大、不易揮發(fā) -良好的浮拋介質(zhì)，主要承托和拋光玻璃良好的浮拋介質(zhì)，主要承托和拋光玻璃 v成型原理：成型原理： 讓處于讓處于高溫熔融態(tài)的玻璃液浮在比它重的金屬高溫熔融態(tài)的玻璃液浮在比它重的金屬 液表面上液表面上，受，受表面張力作用表面張力作用使玻璃液具有光潔平整使玻璃液具有光潔平整 的表面，并在其后的冷卻硬化過程中加以保持，從的表面，并在其后的冷卻硬化過程中加以保持，從 而生產(chǎn)出接近于拋光表面的平板玻璃。而生產(chǎn)出接近于拋光表面的平板玻璃。 避免錫的氧化或避免錫的氧化或 與硫反應(yīng)與硫反應(yīng) 浮法生產(chǎn)平板玻璃的優(yōu)點浮法生產(chǎn)平板玻璃的優(yōu)點 v表面質(zhì)量高（

12、相當(dāng)于機(jī)械拋光玻璃）； v拉引速度快，產(chǎn)量大； v厚度可控制在1.7mm30mm，寬度可達(dá) 5.6m； v便于大規(guī)模生產(chǎn)。 二、玻璃的退火二、玻璃的退火 在生產(chǎn)過程中, 玻璃制品經(jīng)受激烈而又不均勻的溫度變化， 會產(chǎn)生熱應(yīng)力；溶制不良會造成玻璃中的不均勻區(qū)，導(dǎo)致熱學(xué) 性質(zhì)差異而產(chǎn)生應(yīng)力。 這些都會降低制品的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，故一般玻璃產(chǎn)品 成型后，需經(jīng)過退火處理，使其應(yīng)力限定在一定范圍內(nèi)，以防 在冷卻、存放、再加工及使用過程中自行破裂或太易破裂。 （1）玻璃應(yīng)力的分類）玻璃應(yīng)力的分類: a. 以產(chǎn)生原因為標(biāo)準(zhǔn)：以產(chǎn)生原因為標(biāo)準(zhǔn)： b. 以作用范圍為標(biāo)準(zhǔn)：以作用范圍為標(biāo)準(zhǔn)： 宏觀應(yīng)力：宏觀應(yīng)力： 由

13、外力作用或熱作用產(chǎn)生；由外力作用或熱作用產(chǎn)生； 微觀應(yīng)力：微觀應(yīng)力：玻璃的微觀不均勻區(qū)域中存在的或分相 玻璃的微觀不均勻區(qū)域中存在的或分相 引起的應(yīng)力引起的應(yīng)力; 超微觀應(yīng)力：超微觀應(yīng)力： 玻璃中相當(dāng)于晶胞大小的體積范圍內(nèi)玻璃中相當(dāng)于晶胞大小的體積范圍內(nèi) 存在的應(yīng)力存在的應(yīng)力. 熱應(yīng)力熱應(yīng)力 結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力 機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力 熱應(yīng)力熱應(yīng)力 當(dāng)玻璃溫度低于應(yīng)變點當(dāng)玻璃溫度低于應(yīng)變點時，處于彈性變形溫度范圍內(nèi)即脆時，處于彈性變形溫度范圍內(nèi)即脆 性狀態(tài)時，經(jīng)受不均勻的溫度變化時產(chǎn)生的熱應(yīng)力。性狀態(tài)時，經(jīng)受不均勻的溫度變化時產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 熱應(yīng)力熱應(yīng)力:玻璃中由于溫度差而產(chǎn)生的應(yīng)力。 按其存在的特點

14、又可分成暫時應(yīng)力和永久應(yīng)力暫時應(yīng)力和永久應(yīng)力。 A A、暫時應(yīng)力、暫時應(yīng)力: 特點：特點：隨溫度梯度的產(chǎn)生而產(chǎn)生，隨溫度梯度的消失而消失。隨溫度梯度的產(chǎn)生而產(chǎn)生，隨溫度梯度的消失而消失。 玻璃從可塑狀態(tài)向脆性狀態(tài)冷卻時，玻璃內(nèi)外層玻璃從可塑狀態(tài)向脆性狀態(tài)冷卻時，玻璃內(nèi)外層 或局部產(chǎn)生溫差，導(dǎo)致熱膨脹不一致而引起的應(yīng)力?；蚓植慨a(chǎn)生溫差，導(dǎo)致熱膨脹不一致而引起的應(yīng)力。 在玻璃到達(dá)室溫時溫差消失后仍然存在，這種應(yīng)力稱在玻璃到達(dá)室溫時溫差消失后仍然存在，這種應(yīng)力稱 為永久應(yīng)力，又稱殘余應(yīng)力。為永久應(yīng)力，又稱殘余應(yīng)力。 特點特點: 溫度梯度消失之后，永久應(yīng)力不消失溫度梯度消失之后，永久應(yīng)力不消失 B B

15、、永久應(yīng)力、永久應(yīng)力: 由于在塑性狀態(tài)時，玻璃內(nèi)部的質(zhì)點能沿受力方由于在塑性狀態(tài)時，玻璃內(nèi)部的質(zhì)點能沿受力方 向移動（移動速度隨粘度升高而降低），亦即通過塑向移動（移動速度隨粘度升高而降低），亦即通過塑 性流動來適應(yīng)消除應(yīng)力。但在脆性狀態(tài)時，塑性流動性流動來適應(yīng)消除應(yīng)力。但在脆性狀態(tài)時，塑性流動 已不可能。已不可能。 因此，如果降溫迅速，玻璃粘度急劇上升，以至因此，如果降溫迅速，玻璃粘度急劇上升，以至 塑性流動尚未完成而玻璃已經(jīng)轉(zhuǎn)讓脆性狀態(tài)，從而產(chǎn)塑性流動尚未完成而玻璃已經(jīng)轉(zhuǎn)讓脆性狀態(tài)，從而產(chǎn) 生永久應(yīng)力。生永久應(yīng)力。 永久應(yīng)力的產(chǎn)生永久應(yīng)力的產(chǎn)生 玻璃中局部區(qū)域玻璃中局部區(qū)域化學(xué)組成不均勻?qū)?/p>

16、致化學(xué)組成不均勻?qū)е陆Y(jié)構(gòu)不均勻而產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)不均勻而產(chǎn)生不同 的膨脹系數(shù)，因而產(chǎn)生的應(yīng)力。的膨脹系數(shù)，因而產(chǎn)生的應(yīng)力。 如條紋、結(jié)石、節(jié)瘤等不均勻體都會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力。如條紋、結(jié)石、節(jié)瘤等不均勻體都會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力。 特點特點：結(jié)構(gòu)應(yīng)力是由于玻璃固有結(jié)構(gòu)所造成的應(yīng)力，：結(jié)構(gòu)應(yīng)力是由于玻璃固有結(jié)構(gòu)所造成的應(yīng)力， 無法通過退火消除。無法通過退火消除。 當(dāng)玻璃制品當(dāng)玻璃制品受到外力作用受到外力作用的時候，玻璃中產(chǎn)生的應(yīng)力。在低的時候，玻璃中產(chǎn)生的應(yīng)力。在低 溫下外力撤去時，機(jī)械應(yīng)力隨之消失。溫下外力撤去時，機(jī)械應(yīng)力隨之消失。 如果機(jī)械應(yīng)力超過應(yīng)力極限，會導(dǎo)致制品破裂。如果機(jī)械應(yīng)力超過應(yīng)力極限，會導(dǎo)致制品

17、破裂。 結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力 機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力 玻璃中各種應(yīng)力由各自的產(chǎn)生原玻璃中各種應(yīng)力由各自的產(chǎn)生原 因和各自的特點；因和各自的特點； 玻璃在一般情況下玻璃在一般情況下, ,可能會同時受可能會同時受 到幾種應(yīng)力的作用。到幾種應(yīng)力的作用。 總結(jié)總結(jié) v定義定義：消除玻璃制品在成型或熱加工后殘留在制品 內(nèi)的永久應(yīng)力永久應(yīng)力的過程稱為退火。 v目的目的：防止炸裂和提高玻璃機(jī)械強(qiáng)度。 （2）玻璃的退火）玻璃的退火 在經(jīng)過轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域（在經(jīng)過轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域（TfTg）時，玻璃由典型的）時，玻璃由典型的 液態(tài)轉(zhuǎn)變成脆性狀態(tài)。而在液態(tài)轉(zhuǎn)變成脆性狀態(tài)。而在Tg點以下的相當(dāng)?shù)臏囟确秶c以下的相當(dāng)?shù)臏囟确秶?內(nèi)內(nèi)玻

18、璃分子仍然能夠進(jìn)行遷移，可以消除玻璃中的熱應(yīng)玻璃分子仍然能夠進(jìn)行遷移，可以消除玻璃中的熱應(yīng) 力和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不均勻性力和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不均勻性*。同時因為粘度相當(dāng)大，以致。同時因為粘度相當(dāng)大，以致 幾乎不發(fā)生其外形的改變幾乎不發(fā)生其外形的改變。這段溫度區(qū)域成為玻璃的退。這段溫度區(qū)域成為玻璃的退 火區(qū)域，相應(yīng)粘度在火區(qū)域，相應(yīng)粘度在1012 1016Pa.s 即退火溫度區(qū)域與玻璃粘度有關(guān)。即退火溫度區(qū)域與玻璃粘度有關(guān)。 v退火原理退火原理 加熱加熱 保溫保溫 慢冷慢冷 快冷快冷 溫度溫度 時間時間 上限退火溫度上限退火溫度 下限退火溫度下限退火溫度 退火溫度退火溫度 v 退火溫度范圍退火溫度范圍 最高

19、退火溫度最高退火溫度最低退火溫度之間最低退火溫度之間 上限退火溫度：三分鐘內(nèi)消除上限退火溫度：三分鐘內(nèi)消除95%應(yīng)力的溫度，一應(yīng)力的溫度，一 般相當(dāng)于退火點的溫度，也稱最高退火溫度，粘度為般相當(dāng)于退火點的溫度，也稱最高退火溫度，粘度為 1012Pa.s。 下限退火溫度：三分鐘內(nèi)消除下限退火溫度：三分鐘內(nèi)消除5%應(yīng)力的溫度，也應(yīng)力的溫度，也 稱最低退火溫度，粘度為稱最低退火溫度，粘度為1013.6 Pa.s。在此溫度以下玻。在此溫度以下玻 璃完全處于彈性狀態(tài)，該點溫度也可以稱為璃完全處于彈性狀態(tài)，該點溫度也可以稱為應(yīng)變點應(yīng)變點。 在退火溫度范圍內(nèi)確定某一保溫均熱的溫度，稱之為在退火溫度范圍內(nèi)確定

20、某一保溫均熱的溫度，稱之為 退火溫度。退火溫度。 v玻璃的退火過程玻璃的退火過程： 將玻璃放置在某一溫度下保持足夠時間后再將玻璃放置在某一溫度下保持足夠時間后再 以緩慢的速度冷卻，以便不再產(chǎn)生超過允許范圍的以緩慢的速度冷卻，以便不再產(chǎn)生超過允許范圍的 永久應(yīng)力和暫時應(yīng)力。永久應(yīng)力和暫時應(yīng)力。實質(zhì)實質(zhì)就是減小或消除應(yīng)力并就是減小或消除應(yīng)力并 防止新的應(yīng)力產(chǎn)生。防止新的應(yīng)力產(chǎn)生。 玻璃制品的退火包括加熱、保溫、慢冷及快冷加熱、保溫、慢冷及快冷 四個階段。 a)、加熱階段、加熱階段：玻璃表面受壓應(yīng)力，加熱速度可較快。 ）（最大升溫速度/min a 130 h 2 c a - 空心或單面受熱的玻璃制品

21、的總厚，空心或單面受熱的玻璃制品的總厚，cm - 實心制品的半厚，實心制品的半厚，cm 考慮表面微裂紋、缺陷、厚度均勻性及退火爐溫度分布考慮表面微裂紋、缺陷、厚度均勻性及退火爐溫度分布 均勻性，一般工業(yè)中采用：均勻性，一般工業(yè)中采用： ）（/min a 30 a 20 h 22 a b、保溫階段：、保溫階段： 目的-消除快速加熱時制品存在的溫度梯度， 并消除制品中所固有的內(nèi)應(yīng)力。 先確定保溫溫度，然后確定保溫時間。 制品厚度制品厚度(cm) 制品最后允許的應(yīng)力制品最后允許的應(yīng)力(nm/cm) n a520 t 2 保溫時間保溫時間 c) 慢冷階段慢冷階段 為使制品在冷卻后不再產(chǎn)生永久應(yīng)力或僅產(chǎn)生微 小的永久應(yīng)力，冷卻速度要求較慢，常采用線性降溫。 開始冷卻速度為: ）（/min 13a h 2 o 制品厚度制品厚度(cm) 慢冷階段結(jié)束時溫度必須小于或等于應(yīng)變點溫度，否則慢冷階段結(jié)束時溫度必須小于或等于應(yīng)變點溫度，否則 在快冷階段重新產(chǎn)生永久應(yīng)力而退火無效。在快冷階段重新產(chǎn)生永久應(yīng)力而退火無效。 玻璃最大允許的應(yīng)力玻璃最大允許的應(yīng)力(