玻璃的退火

第八章玻璃的退火消除或减小玻璃中热应力至允许值的热处理过程。热应力：玻璃在生产、加工过程中受热不均匀，产生热应力。影响产品的强度和热稳定性。目的：防止炸裂和提高玻璃的机械强度。第一节玻璃的应力分为三类：热应力、结构应力、机械应力一、热应力暂时应力：在温度低于应变点时，玻璃处于弹性变形温度范围（脆性状态），经受不均匀的温度变化时所产生的热应力，随温度梯度存在而存在，随温度梯度的消失而消失，这种应力称为暂时应力。暂时应力仅产生于玻璃处于脆性状态下的加热或冷却过程。超过玻璃的极限强度时，玻璃同样会破裂。生产上常用急冷的方法切割玻璃，及时利用局部中产生的暂时应力超过了玻璃的强度极限而破裂的。永久应力：玻璃内外温度相等（皆等于室温）时残留的热应力，称为永久应力，又称为内应力。在温度高于应变点时，玻璃处于粘弹性状态，内部结构发生位移，变形，使温度梯度所产生的应力消除，此过程称为应力松弛。玻璃冷却到应变点附近，此温度处于玻璃由塑性体变成弹性体的转变温度范围，若冷却速度大于内部质点调整的速度，较早硬化的外层就会阻止较晚硬化的内层收缩，外层受到内层给它的压应力，而内层受到外层给它的张应力。这种应力不会随着温度梯度的消失而消失，因此称为永久应力或残余应力。二、结构应力因化学组成不均匀二产生的应力，称为结构应力。不同化学组成，其热膨胀系数不同，冷却时产生的收缩不一致。如玻璃中的结石、条纹等。三、机械应力由于外力的作用而产生的应力，外力除去，机械应力也消失。四、应力的表示方法1.用Pa(N/m2)表示2.用偏振光通过玻璃时所产生的双折射率来表示，此法便于观察和测量。无应力优质的玻璃，各项同性，不产生双折射现象。有应力存在时，其⊿n=BT其中⊿n—通过玻璃两个垂直方向振动光纤的折射率差B—应力光学常数。⊿n以nm/cm为单位时，B的单位为布，1布=10-12/PaF—应力Pa对于均匀分布的应力不产生双折射现象，平板玻璃的B=2.65布3.用玻璃单位厚度上的光程差δ(nm/cm)表示。F=δ/⊿n，式中δ用偏光仪测定。五、各种玻璃的允许应力见书163页表2-3-20六、玻璃内应力的测定方法一般用偏光仪进行。一、玻璃中应力的消除1.在应变点Tg（1013.6Pa·S）以上，粘弹性体，应力的消除是粘滞流动所致，在粘弹性体中应力的消除速度：dF/dt＝－MFM—比例常数，与粘度有关第二节玻璃的退火工艺制度2.玻璃在退火温度下保温时，应力消除速度：dσ/dt＝－Aσ2积分得1/σ=1/σ0+At式中σ0—开始保温时玻璃的内应力Paσ—经过时间t后玻璃的内应力A—退火常数，与玻璃的组成及应力消除时的温度有关若以δn表示应力，则1/δn－1/δn0＝A＇tA＇=A/B退火常数，A＇随保温均热温度的提高呈植树递增，即A＇=10M1T-M2M1、M2应力退火常数，取决于玻璃的组成。由上式可以得出，保温温度越高，A＇越大，应力松弛速度越快。二、玻璃的退火温度1.退火温度退火温度：为消除永久应力，玻璃加热到Tg附近，保温均热，使应力松弛。最高退火温度（退火上限温度）：在此温度下，经过3min能消除应力的95%，一般η=1012Pa·s。平板玻璃550～570℃，铅玻璃460～490℃，硼酸盐玻璃560～610℃。退火温度下限：在此温度下，经过3min只能消除应力的5%。退火温度范围：实际上，一般采用的退火温度比最高退火温度低20～30℃，最低退火温度比最高退火温度低50～150℃。２．退火温度与组成的关系能够降低玻璃粘度的组成都能降低退火温度，其中Na2O＞K2O、PbO＞BaO、CaO、Al2O3、SiO2提高退火温度。3.退火温度的计算根据经验公式计算η＝1012Pa·S时的温度；根据已知玻璃组成的最高退火温度和组成氧化物变换的影响计算；根据1/δn—1/δn0＝A＇t在时间t内应力由δn0减少到δn，计算出A＇，再根据lgA＇＝M1T－M2其中M1＝0.029M2＝17.35求出T值。4.退火温度的测定粘度计法测定η＝1012Pa·S时的温度，时间长，工厂一般不采用；双折射法四个阶段：加热、保温、慢冷及快冷。1.加热阶段玻璃制品进入退火窑加热到退火温度。制品成型后立即退火的称一次退火；制品冷却后再进行退火的二次退火。玻璃受热时，表层受压应力，内层受张应力，玻璃的抗压强度远远大于抗张强度，所以加热速度可较快。厚度为2acm的玻璃恒速加热，其最大加热速度ha=130/a2(℃/min)，为安全起见，一般技术玻璃取最大加热速度的15～20%，即20/a2～30/a2。三、玻璃的退火工艺2.保温阶段目的是消除快速加热时产生的温度梯度，并消除制品中固有的内应力。主要参数：退火温度和保温时间退火温度可由计算或测定得到；保温时间t=1/A⊿n1/σ=1/σ0+At3.慢冷阶段玻璃中原有应力消除后，必须防止降温过程中由于温度梯度而产生新的应力，此阶段冷却速度应慢。冷却速度取决于制品所允许的永久盈利，结束温度应低于玻璃的应变点1013.6Pa·S。h=δ/13a2（℃/min）4.快冷阶段应变点到室温。此阶段只会引起暂时应力，在保证制品不致因热应力而破坏的前提下可尽快冷却玻璃制品。hc=65/a2（℃/min）一般取此值的15～20%。四、注意问题退火窑内温差的影响；制品壁厚和形状的影响；同一退火窑对不同制品的退火问题。化学组成不同的制品在同一退火窑中退火，应取温度低的玻璃作为保温温度，并延长保温时间；某些玻璃（如硼硅酸盐玻璃）在退火温度范围内会发生分相，分相结构不同，性质改变，为避免此种现象，退火温度严格掌握，不能过高，时间不宜过长，避免重复退火。分类：连续式和间歇式要求：能够顺利实现退火曲线所要求的退火制度，在保温及慢冷阶段，窑内温差要小。第三节玻璃的退火设备