玻璃的后處理

第15－17章

玻璃的后處理

玻璃的退火

玻璃的淬火

玻璃的深加工一、玻璃的退火

1、定義與目的消除玻璃制品在成形或熱加工后殘留在制品內(nèi)的熱應(yīng)力的過程稱為退火。目的是防止炸裂和提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度。一、玻璃的退火

2、玻璃的熱應(yīng)力玻璃中由于溫差而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。(l)暫時應(yīng)力(temporarystress)在溫度低于應(yīng)變點(diǎn)時，玻璃經(jīng)受不均勻的溫度變化時會產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)溫度梯度消失時，應(yīng)力也消失。這種熱應(yīng)力稱為暫時應(yīng)力。(2)永久應(yīng)力(permanentstress)當(dāng)玻璃內(nèi)溫度梯度消失，表面與內(nèi)部溫度皆為常溫時，內(nèi)部殘留的熱應(yīng)力，稱為永久應(yīng)力。一、玻璃的退火

3、玻璃中應(yīng)力的消除玻璃在應(yīng)變點(diǎn)附近屬粘彈性體(伯格斯體)，既具有彈性也具有粘性，因此，應(yīng)力可以得到消除(松弛)。根據(jù)麥克斯韋爾的理論，在粘彈性體中應(yīng)力消除的速度可用下列方程式表示：dF/dt=-MF式中：F—應(yīng)力；t—時間；M—比例常數(shù)，與粘度有關(guān)。一、玻璃的退火

4、各種玻璃的允許應(yīng)力不可能完全消除永久應(yīng)力表1-6-3為各種玻璃的允許應(yīng)力指標(biāo)，其數(shù)值大約為玻璃抗張強(qiáng)度的1%~5%。允許數(shù)值小的制品(如光學(xué)玻璃)退火時要特別精細(xì)，保溫時間要長，冷卻速度要很慢。一、玻璃的退火

5、玻璃的退火工藝制度5.1退火溫度范圍為了消除玻璃中的永久應(yīng)力，必須將玻璃加熱到低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg附近的某一溫度，使應(yīng)力松弛。這個選定的保溫均熱溫度稱為退火溫度。玻璃的最高退火溫度是指在此溫度下經(jīng)過3分鐘能消除應(yīng)力95%，一般相當(dāng)于退火點(diǎn)(η=1012Pa·s)的溫度，也叫退火上限溫度；最低退火溫度是指在此溫度下經(jīng)過3分鐘能消除應(yīng)力5%，也稱退火下限溫度。最高退火溫度至最低退火溫度之間稱為退火溫度范圍。大部分器皿玻璃最高退火溫度為550±20℃；平板玻璃為550~570℃；瓶罐玻璃為550~600℃；鉛玻璃為460~490℃；硼硅酸鹽玻璃為600~610℃。實(shí)際上，一般采用的退火溫度都比最高退火溫度低20~30℃，最低退火溫度低于最高退火溫度50~150℃。一、玻璃的退火

5.2退火工藝過程玻璃退火工藝過程玻璃制品的退火包括加熱、保溫、慢冷及快冷四個階段：(1)加熱階段：最高加熱速度ha=130/a^2式中a—玻璃厚度，cm，空心玻璃制品為總厚度，實(shí)心玻璃為厚度的一半。為了安全起見，一般技術(shù)玻璃的加熱速度取值為最大加熱速度的15%~20%，即20/a2~30/a2℃/min。光學(xué)玻璃取為5%以下。一、玻璃的退火

(2)保溫階段主要目的是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。退火溫度和保溫時間是關(guān)鍵因素。退火溫度可由計算或測定求得。阿丹姆斯認(rèn)為在適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟葧r，在退火溫度下保持的時間為：t=520a^2/Δn式中t—時間，min；a—制品厚度，cm；Δn—允許永久應(yīng)力的雙折射值，nm/cm。一、玻璃的退火

(3)慢冷階段在玻璃中原有應(yīng)力消除后，必須防止在降溫過程中由于溫度梯度而產(chǎn)生新的應(yīng)力。這主要靠正確地制定并嚴(yán)格地控制玻璃在退火溫度范圍的冷卻制度來實(shí)現(xiàn)。阿丹姆斯及威廉遜求得最初的慢冷速度h(℃/min)為：h=δ/13a^2式中δ—玻璃最大允許的應(yīng)力，nm/cm；a—玻璃的厚度，cm。一、玻璃的退火(4)快冷階段快冷階段是指應(yīng)變溫度到室溫這段溫度區(qū)間。在本階段內(nèi)，只能引起暫時應(yīng)力，在保證制品不致因熱應(yīng)力而破壞的前提下，可以盡快冷卻玻璃制品。阿丹姆斯及威廉遜求得一般玻璃的最大冷卻速度h(℃/min)為：h=65/a^2式中δ—玻璃最大允許的應(yīng)力，nm/cm；一、玻璃的退火

6退火設(shè)備—退火窯按制品的移動情況分為間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三類。6.1間歇式退火窯(或稱室式退火窯)制品不運(yùn)動，根據(jù)工藝要求，窯內(nèi)溫度隨時間而變。加熱方法有明焰式、隔焰式兩種。其能源有燃油、燃?xì)夂兔旱?，還可用電加熱。制品可直接放在窯底上、小車上，或放在金屬籃筐內(nèi)。對于光學(xué)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半連續(xù)式退火窯窯內(nèi)各處溫度恒定不變，通過制品間歇移動來實(shí)現(xiàn)玻璃退火過程。此種退火窯主要有牽引式和隧道式。一、玻璃的退火

6.3連續(xù)式退火窯窯內(nèi)各處溫度恒定不變，而通過制品連續(xù)移動來實(shí)現(xiàn)玻璃退火過程。有下列幾種形式：(1)垂直送帶式(圖e)，也稱為立式或豎式退火窯。與水平式相比占地少，縮短了裝、出制品的水平距離。立式結(jié)構(gòu)也減少冷空氣吸人的危害，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對運(yùn)輸裝置的耐熱性能要求也很高。(2)網(wǎng)帶式退火窯(圖f)，制品被放置在金屬網(wǎng)帶上，通過帶的連續(xù)轉(zhuǎn)動不斷將制品傳送進(jìn)退火窯，經(jīng)退火后的制品，再被網(wǎng)帶輸送出窯外，此種退火窯目前應(yīng)用最普遍。(3)輥道式退火窯(圖g)所示。其工作原理和結(jié)構(gòu)與網(wǎng)帶式退火窯相似，但其傳輸裝置為一系列輥道，玻璃板在輥道上移動，結(jié)構(gòu)也較簡單，主要用于浮法玻璃、壓延玻璃、平板玻璃的退火。二、玻璃的淬火玻璃的淬火就是將玻璃制品加熱到轉(zhuǎn)變溫度Tg以上50~60℃，然后在冷卻介質(zhì)中(淬火介質(zhì))急速均勻冷卻(如風(fēng)冷淬火，液冷淬火等)。在這過程中玻璃的內(nèi)層和表面層將產(chǎn)生很大的溫度梯度，由此引起的應(yīng)力由于玻璃的粘滯流動而被松弛，所以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，松弛的應(yīng)力即轉(zhuǎn)化為永久應(yīng)力，這樣造成了玻璃表面均勻分布的壓應(yīng)力層。用空氣作淬火介質(zhì)時稱風(fēng)冷淬火；用液體如油脂、硅油、石蠟、樹脂、焦油等作淬火介質(zhì)時稱液冷淬火。此外，還用鹽類如硝酸鹽、鉻酸鹽、硫酸鹽等作為淬火介質(zhì)。金屬淬火介質(zhì)為金屬粉末、金屬絲軟刷等。二、玻璃的淬火1淬火玻璃的特性淬火玻璃同一般玻璃比較，其抗彎強(qiáng)度，抗沖擊強(qiáng)度以及熱穩(wěn)定性等，都有很大的提高。1.1淬火玻璃的抗彎強(qiáng)度淬火玻璃抗彎強(qiáng)度要比一般玻璃大4~5倍。如6×600×400毫米淬火玻璃板，可以支持三個人的重量200公斤而不破壞。厚度5~6毫米的淬火玻璃，抗彎強(qiáng)度達(dá)1.67×108Pa。淬火玻璃的應(yīng)力分布如圖。淬火玻璃的撓度。比一般玻璃大3~4倍，如6×1200×350毫米的一塊淬火玻璃，最大彎曲達(dá)100毫米。1.2淬火玻璃的抗沖擊強(qiáng)度淬火玻璃抗沖擊強(qiáng)度比一般玻璃大好幾倍。如厚6毫米的一般玻璃為0.24kg·m，同樣厚度的淬火玻璃達(dá)0.83kg·m。1.3淬火玻璃的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性提高。淬火玻璃的抗張強(qiáng)度提高，彈性模量下降，此外，密度也較退火玻璃為低，從熱穩(wěn)定性系數(shù)K的計算公式可知，淬火玻璃可經(jīng)受溫度突變的范圍達(dá)250~320℃，而一般玻璃只能經(jīng)受70~100℃。淬火玻璃同一般玻璃性能對比見表。1.4淬火玻璃的其它性能淬火玻璃也稱安全玻璃，它破壞時首先是在內(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，因此淬火玻璃在破裂時，只產(chǎn)生沒有尖銳角的小碎片。淬火玻璃中有很大的相互平衡著的應(yīng)力分布，所以一般不能再行切割。二、玻璃的淬火

2影響璃玻淬火的工藝因素2.1淬火溫度及冷卻速率玻璃開始急冷(淬火)時的溫度稱為淬火溫度。淬火產(chǎn)生的永久應(yīng)力值(淬火程度)和淬火溫度之間的關(guān)系，稱為淬火曲線。如以對流傳遞速度h(w/m2·℃)表示淬火的冷卻速率，則在其它條件不變時，淬火程度隨h值的提高而增加。如厚為6.1mm的玻璃，淬火程度可達(dá)2850nm/cm。對于風(fēng)冷淬火，冷卻速率是由風(fēng)壓、風(fēng)溫、噴嘴與玻璃間距以及熱氣墊的形成等因素來決定的。如果淬火溫度過低，在某種冷卻速率下會導(dǎo)致玻璃在淬火過程中破裂。二、玻璃的淬火2.2玻璃的化學(xué)組成應(yīng)力同玻璃的熱膨脹系數(shù)α、楊氏彈性模量E、泊松比μ以及溫差ΔT的數(shù)值有關(guān)(應(yīng)力與α、E、ΔT成正比，而與μ成反比)，它們是由玻璃組成來決定的。不同組成的玻璃，淬火程度相差可達(dá)2倍(如圖)。二、玻璃的淬火2.3玻璃厚度在相同條件下，玻璃愈厚，淬火程度愈高(如圖)。平板玻璃淬火一般用2.5mm以上的玻璃，以保證產(chǎn)生較大的永久應(yīng)力。非平板玻璃制品淬火時，要求厚度應(yīng)均勻，相差不能太大，否則會因應(yīng)力分布不均而破裂。二、玻璃的淬火3風(fēng)冷淬火生產(chǎn)工藝不經(jīng)退火或退火后的玻璃杯，經(jīng)以下工序進(jìn)行淬火:玻璃杯(不經(jīng)退火的)→傳送帶→風(fēng)柵急冷→性能檢測(熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度)→包裝。玻璃杯(退火的)→外觀檢查→傳送帶→電加熱淬火爐→風(fēng)柵急冷→性能檢測(熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度)→包裝。二、玻璃的淬火4

液冷淬火生產(chǎn)工藝厚度小于2.5~3mm的玻璃制品，在風(fēng)冷淬火時由于玻璃內(nèi)外層溫差小，產(chǎn)生的熱彈性應(yīng)力也小，所以淬火程度很低。為使薄壁制品淬火程度提高，必須加大急冷強(qiáng)度。這可以采用熱容量大的低溫液體作為碎火介質(zhì)，常用的除了樹脂(硅樹脂)等之外，還用低熔點(diǎn)金屬、熔鹽等。液冷淬火工藝流程如下：制品→檢查→加熱→液冷→洗滌→檢驗包裝。除了冷卻、洗滌工序外，其余與風(fēng)冷淬火相同。液冷淬火介質(zhì)的溫度一般為200~250℃。欲使淬火程度降低，則可用溫度為400~450℃的淬火介質(zhì).8-3玻璃的深加工

1冷加工通過機(jī)械方法改變玻璃制品的外形和表面狀態(tài)，稱為冷加工(coldwork)?；痉椒ㄓ醒心伖?、切割、噴砂、鉆孔和切削。研磨拋光(grindingandpolishing)加工是兩個不同的工序，統(tǒng)稱磨光。經(jīng)研磨、拋光后的玻璃制品，稱為磨光玻璃。研磨后，玻璃表面形成一層凹陷的毛面，并帶有一定深度的裂紋層(如圖

)。影響玻璃拋光過程的主要工藝因素是拋光材料的性質(zhì)、濃度、給料量，拋光盤轉(zhuǎn)速與壓力，環(huán)境溫度，玻璃溫度，拋光懸浮液性質(zhì)，拋光盤材質(zhì)等。2熱加工熱加工(heatwork)對器皿玻璃、儀器玻璃十分重要。通過熱加工一方面可以進(jìn)行成形，另一方面也可以改善制品性能及外觀質(zhì)量。利用玻璃粘度隨溫度改變的特性以及表面張力與導(dǎo)熱系數(shù)，可以對玻璃制品進(jìn)行熱加工。玻璃制品熱加工的主要方法有燒口、火拋光、火焰切割，或鉆孔、焊接。3玻璃的表面處理玻璃的表面處理(surfacetreatmentofglass)可歸納為三大類：第一是形成玻璃的光滑面或散光面，通過表面處理控制玻璃表面的凹凸，例如器皿玻璃的化學(xué)蝕刻、玻璃的化學(xué)拋光等。第二，改變玻璃表面的薄層組成，改善表面性質(zhì)，以得到新的性能，如表面著色、改善玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性等。第三，進(jìn)行表面涂層，如鏡子的鍍銀、表面導(dǎo)電玻璃、憎水玻璃等。3.1玻璃的化學(xué)蝕刻玻璃的化學(xué)蝕刻(acidetchingofglass)是用氫氟酸溶掉玻璃表面層的硅氧，根據(jù)殘留鹽類的溶解度的不同，而得到有光澤表面域無光澤毛面。蝕刻液可在HF中加入NH4F、KF與水組成3.2化學(xué)拋光(chemicalpolishing)像化學(xué)蝕刻一樣，是利用氫氟酸破壞玻璃表面原有的硅氧膜，生成一層新的硅氧膜，使玻璃得到很高的光潔度與透光度?；瘜W(xué)拋光的方法有兩種：一種是單純的化學(xué)侵蝕作用；另一種是化學(xué)侵蝕和機(jī)械研磨相結(jié)合。前者大多用于玻璃器皿，后者用于平板玻璃?；瘜W(xué)研磨原理如圖。此方法是在玻璃表面添加磨料和化學(xué)侵蝕劑，化學(xué)侵蝕生成氟硅酸鹽，通過研磨而去除，使化學(xué)拋光的效率大為提高。3.3表面著色(擴(kuò)散著色)玻璃表面著色(surfacecolouration)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(jìn)行交換，擴(kuò)散到玻璃表層中，使玻璃表面著色；有些金屬離子還需要還原為原子，原子集聚成膠體而著色。通常把著色離子的鹽類加入填充劑(載體-ZrO2、粘土等)、粘結(jié)劑(糊精、阿拉伯膠、松節(jié)油等)配成糊狀物，涂于玻璃表面，再放在馬弗爐中進(jìn)行熱處理。應(yīng)用電浮法可以連續(xù)生產(chǎn)表面著色玻璃(如圖)。此外，還可利用表面金屬