chapter 5 玻璃的热处理与加工

1、第五章 玻璃的热处理及其加工 主要内容：l玻璃的退火与淬火l玻璃的加工5.1 玻璃的退火与淬火 分为三类：热应力、结构应力和机械应力一、玻璃的应力1、玻璃的热应力由于温度差而产生的内应力称为热应力。分为：1) 暂时应力：在温度低于应变点时，玻璃处于弹性变形温度范围，在经受不均匀温度变化时产生热应力。当温度梯度消失，应力也消失。 把温度低于应变点以下、无应力的玻璃板进行双面均匀自然冷却至室温、其在冷却过程中玻璃板内的温度分布和应力分布情况见图。 温度梯度消失，表面与内部温度为常温时，内部残留的热应力。 2) 永久应力永久应力将玻璃加热到高于应变点的温度，均热后自然冷却，经一定时间后，玻璃中温度场

2、分布为抛物线分布。 在应变点以上冷却时，玻璃外层受张应力，内层为压应力，此时玻璃也具有粘弹性，呈可塑状态，受力后产生位移和变形，使由温度产生的内应力消失。这一过程称为应力松驰过程。冷却到应变点以下，玻璃为弹性体，应力变化与暂时应力的变化情况相同。到室温时，可消除应变点以下产生的应力，但不能消除应变点以上所产生的应力，此时表面为压应力、内部为张应力。2、玻璃中的结构应力3、机械应力玻璃因化学组成不均导致结构上的不均匀布产生的应力。由外力作用在玻璃上引起的应力，当外力除去时，应力随之消失，此应力称为机械应力。二、玻璃的退火1、退火的概念 消除玻璃制品在成形与热加工后残留在制品内的永久应力的过程称为

3、退火。 退火的目的：防止炸裂和提高玻璃的机械强度。2、退火温度 玻璃转变温度Tg附近某一温度。保温时能消除玻璃各部分的温度梯度，使应力松驰。退火上限温度，3min能消除应力的95%；退火下限温度，3min能消除应力的5%； 一次退火：玻璃制品成型后立即进行的 退火工艺； 二次退火：制品冷却以后再进行退火的工艺二、玻璃的退火3、玻璃退火制度 四个阶段：加热阶段、均热阶段、慢冷阶段、快冷阶段2)均热阶段 退火温度：比退火温度上限温度低2030 。 保温时间t: t 70/a2 120/a2 ；或按应力容许值进行计算：nat2520式中：n以光程差表示的玻璃内残留内应力1)加热阶段加热速度: 20/

4、a2 30/a2 ( /min)。光学玻璃一般小于5/a2 ，a为制品厚度的一半，单位为cm。3)慢冷阶段冷却速度( /min)：)3()1 (6220 xaEh45. 0)1 (6EMPa)(3(45. 0220 xah对一般工业玻璃：因此式中： 为膨胀系数；E为弹性模量；为导热系数； 为泊松比；h0 冷却速度；a制品厚度的一半；x 应力测试点离壁厚中线的一半。4)快冷阶段 玻璃在应变点以下温度冷却，只产生暂时应力。只要应力不超过其极限强度，就可提高冷却速度。2/2 ahc2/65 ahc 生产上采用较低的冷却速度如计算值的15%20%，甚至采用：最大冷却速度：三、玻璃的淬火 将玻璃制品加热

5、到转变温度Tg以上，然后在冷却介质中急速均匀冷却，在这一过程中玻璃的内层和表面将产生很大的温度梯度，由此产生的应力因玻璃的粘滞流动而被松驰，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，松驰的应力即转化为永久应力，从而在玻璃表面形成均匀分布的压应力层。 根据淬冷介质的不同，分为风冷淬火和液冷淬火。1、淬火玻璃的特性、淬火玻璃的特性1)抗弯强度抗弯强度比一般玻璃大45倍。厚度56mm的淬火玻璃的抗弯强度可达167MPa。2) 抗冲击强度抗弯强度比一般玻璃大几倍。3)热稳定性淬火后可承受更宽范围温度变化(250320 )，普通玻璃只有70100 ，热稳定性提高。4)其他性能淬火玻璃

6、破坏时，首先发生在内层。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，因此淬火玻璃在破坏时，只产生没有尖锐角的小碎片，因此它亦称为安全玻璃。2、玻璃的淬火工艺1)风冷淬火 玻璃 电加热淬火炉 风栅急冷 性能检测 包装2)液冷淬火 制品 加热 液冷 洗涤 检验 包装3、影响玻璃淬火的工艺因素淬火温度、冷却速度、玻璃的化学组成、厚度。1) 淬火温度 玻璃急冷时的温度。淬火冷却速度越快，淬火程度越大。2) 玻璃的组成 应力与玻璃的热膨胀系数、弹性模量及温度差成正比 ，与泊松比成反比，因此，淬火程度与玻璃的组成有关。3) 玻璃的厚度 相同的淬火条件，玻璃越厚，

7、淬火程度越高。因此在非平板玻璃制品淬火时，要求厚度均匀、厚度差不能太大，否则会因应力分布不均而破裂。5.2玻璃的加工玻璃制品的加工：冷加工、热加工和表面处理玻璃的冷加工又称机械加工，在常温下，通过机械方法来改变玻璃及玻璃制品的外形和表面状态的过程，称为冷（机械）加工。冷（机械）加工的基本方法有：研磨与抛光、切割、磨砂、喷砂、刻花、砂雕、钻孔和切削等。磨削作用论：1665年虎克提出研磨是用磨料将玻璃磨削到一定的形状，抛光是研磨的延伸；从而使玻璃表面光滑，纯粹是机械作用。这一认识延续至十九世纪末。流动层论：以英国学者雷莱、培比为代表，认为玻璃抛光时，表面有一定的流动性，也称可塑层。可塑层的流动，把

8、毛面的研磨玻璃表面填平。化学作用论：英国的普莱斯顿和苏联的格列宾希科夫，先后提出在玻璃的磨光过程中，不仅仅是机械作用，而且存在着物理、化学的作用，是以上三种或其中两种理论的综合。一、冷加工-玻璃研磨机理玻璃的抛光机理对玻璃的抛光机理的认识，目前存在着不同的见解，有些见解还带有假说性质，比较公认的是相互交错的机械、化学和物理化学作用的概念，来解释抛光过程的生产效率及抛光表面质量的影响等比较确切。 研磨玻璃断面（凹陷层及裂纹层）h平均凹陷层 f平均裂纹层 F最大裂纹层一、冷加工-玻璃抛光的机理二、玻璃制品的热加工 玻璃制品的热加工原理与成形的原理相似，主要是利用玻璃粘度随温度改变的特性以及表面张力

9、与导热系数来进行的。各种类型的热加工、都必须把制品加热到一定的温度，由于玻璃的粘度随温度升高而减小，同时玻璃导热系数较小，所以能采取局部加热的方法，在需要热加工的地方使之局部达到变形、软化，甚至熔化流动，以进行切割、钻孔、焊接等加工。 二、玻璃制品的热加工 利用玻璃的表面张力大，使玻璃表面趋向平整的作用，可将玻璃制品进行火抛光和烧口。 在热加工过程中，需掌握玻璃析晶性能，防止玻璃析晶。 过热加工的制品，应缓慢冷却，防止炸裂或产生大的永久应力。玻璃制品热加工的主要方法玻璃制品热加工的主要方法 烧口，火抛光、火焰切割或钻孔烧口，火抛光、火焰切割或钻孔 真空成形：真空成形：真空成形制造精密内径玻璃管

10、的方法。三、玻璃的表面处理 可分为三类：形成玻璃的光滑表面或散光面，通过表面控制玻璃表面的凸凹（化学蚀刻，化学抛光）；改变玻璃表面的薄层组成，改善表面性质，得到新的性能；进行表面涂层。1、玻璃的化学蚀刻用HF溶掉玻璃表面层的硅氧，根据残留盐的溶解度的不同，而得到有光泽或无光泽毛面。盐类溶解度大，得到光泽表面，反之得到无光泽表面；蚀刻液可在HF中加入KF、NH4F与水。2、玻璃的化学抛光 单纯的化学侵蚀作用，适用于玻璃器皿； 化学侵蚀与机械研磨相结合，用于平板玻璃。三、玻璃的表面处理表面着色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

11、层中，使玻璃着色。有些金属离子还原成原子并聚集成胶体而着色。3、表面着色（扩散着色）四、玻璃的钢化处理1）物理钢化（热钢化）将玻璃加热到应变温度以上，然后使热的玻璃表面均匀的快速冷却，表面的热状态结构被冻结，当玻璃内部逐渐降低温度时，先冷却的外表面层会制约内部的收缩。 当温度梯度消失，原松驰应力转化为永久应力，于是在玻璃表面压应力，在玻璃内部形成张应力，从而提高玻璃的强度和热稳定性。2）化学钢化基于玻璃表面离子迁移。其过程是把加热的含碱玻璃浸于熔盐中处理，通过玻璃与熔盐的离子交换改变玻璃表面的化学组成，使玻璃表面形成压应力层。又称为离子交换增强。l化学钢化的分类 低温型离子交换 指在低于玻璃应

12、变点温度以下，玻璃中小半径金属离子Na+(0.98)与熔盐中的大半径金属离子K+（1.33）进行交换，产生挤塞现象而增强表面。 )(A）B（）B（)(A熔盐玻璃熔盐玻璃高温型离子交换 指玻璃中的大半径碱金属离子Na+ 、K+与熔盐中的小半径碱 金属离子Li+进行交换，产生低膨胀表面层以而达到增强的目的。 高温型交换时间短，强度高，应力不易松驰，成本高； 低温型强度相对较低，成本低廉，故常用低温型离子交换。 电辅助处理 电场梯度提高离子迁移速度 与物理钢化相比具有下列优缺点：优点：强度大，应力均匀，表面结构致密，化学稳定性高，热稳定性好，无自爆，平整度好，不变形，对玻璃的厚度和形状无要求。化学钢

13、化玻璃可以切割、磨边、热弯、夹层等再加工。缺点：应力层薄、内部与其平衡的拉应力很小，玻璃破碎时不如物理钢化那样碎成细小的碎片。 生产周期长，能耗大，成本高，主要用在高技术领域。l化学钢化的特点五、玻璃的其他种类1） 夹层玻璃夹层玻璃 由两片或两片以上的玻璃用合成树脂胶片粘结在一起而制成的一种安全玻璃。多用于汽车、船舶、电视屏保护罩等。（1）普通夹层玻璃(SR)的生产工艺流程l原片及中间膜片的清洗与干燥l洒粉l热弯 在热弯炉中采用槽沉式进行玻璃热弯l 预热和预压 驱除玻璃板与中间膜之间的残余空气、中间膜能初步粘住两片玻璃。l 热压胶合热压胶合分为真空蒸压釜法和辊子法n 真空蒸压釜法将夹膜合片后的

14、玻璃放入蒸压釜中，先抽真空脱气、后加热预粘合，再继续加压胶粘而成。n 辊子法把夹膜合片后的玻璃放在辊子上用夹辊排气、然后再加温加压而成。（2）抗贯穿性夹层玻璃（）抗贯穿性夹层玻璃（HPR） 把夹层玻璃中的电热线（常用钨丝）通电加热后，玻璃保持一定的温度，从而防止玻璃表面在冬季结露、结霜、结冰等现象。 在玻璃表面上喷涂四氯化锡溶液形成一层氯化锡导电膜而成为导电玻璃，而后按夹层玻璃生产方法制得。 主要应用于汽车风挡，它是采用两片3mm玻璃和一片厚为0.76mm的高抗贯穿能力的胶片胶粘而成。膜与玻璃间的 粘结力较SR夹层玻璃小，在受冲击破坏时，膜与玻璃间的位移量大于SR，膜厚度大于SR，因此，它的耐

15、冲击性高度大于3.6m。（3）电热线夹层玻璃）电热线夹层玻璃（4）导电膜夹层玻璃）导电膜夹层玻璃2）中空玻璃）中空玻璃 节能玻璃制品，用于采暖和空调的建筑，尤适于寒冷地区的建筑物使用。 具有良好的隔音、隔热和抗结露性能，总厚度为12mm，空气层厚度6mm的双层中空玻璃（常以363表示其厚度规格）能使噪音降低到29 dB。 制备方法有：胶接法、焊接法、熔接法。制备方法有：胶接法、焊接法、熔接法。 在两片玻璃之间周边镶有垫条，从而构成一个充满干燥气体的整体。3） 镀膜玻璃 制备方法分为四类：从溶液沉积薄膜、CVD沉积薄膜、PVD沉积薄膜、电化学沉积薄膜，可得到金属膜、氧化物膜、有机膜等。（）CVD沉积薄膜（）PVD沉积薄膜（）电化学沉积薄膜在高温下，通过电流把金属离子扩散到玻璃表面而成薄膜。（）常见的主要镀膜方法：气溶胶法溶胶凝胶法蒸发镀膜又称为真空镀膜。是在真空下使材料蒸发并在玻璃表面上凝结成膜，再经高温热处理，在玻璃表面形成附着力很强的膜层。离子镀法镀膜真空镀膜的蒸发工艺与溅射法工艺相结合的一种新工艺，