《玻璃工艺学》第16章玻璃的加工

347第16章玻璃的加工成形后的玻璃制品，除了极少数（如瓶罐等）能直接符合要求外，大多还需进行加工，以得到符合要求的制品；某些平板玻璃在进行工艺加工前，还需对玻璃原片进行加工处理。加工可以改善玻璃的外观和表面性质，还可进行装饰。本章主要介绍玻璃的冷加工及热加工，现分述如下。16.1玻璃的冷加工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。16.1.1研磨与抛光玻璃的研磨与抛光是将不平整玻璃表面进行加工，成为平整而光洁的表面；或者是将玻璃毛坯制品的形状、尺寸经研磨和抛光，达到规定的形状和尺寸要求，而且表面又很光洁的冷加工方法。目前玻璃的研磨和抛光，使用最多的是光学玻璃和眼镜片的加工；特殊情况下使用的压延法夹丝平板玻璃需要研磨与抛光；微晶玻璃基片和某些方法生产的超薄玻璃基片等也需要研磨和抛光。玻璃的研磨分粗磨和细磨，粗磨是用粗磨料将玻璃表面或制品表面粗糙不平或成形时余留部分的玻璃磨去，有磨削作用，使制品具有需要的形状和尺寸，或平整的面。开始用粗磨料研磨，效率高，但玻璃表面留下凹陷坑和裂纹层，需要用细磨料进行细磨，直至玻璃表面的毛面状态变得较细致，再用抛光材料进行抛光，使毛面玻璃表面变成透明、光滑的表面，并具有光泽。研磨、抛光是两个不同的工序，这两个工序合起来，称为磨光。经研磨、抛光后的玻璃，称磨光玻璃。16.1.1.1玻璃研磨与抛光的机理多年来，机械研磨、抛光机理，各国学者研究的很多，共存的见解归纳起来，有三类不同的理论：磨削作用论；流动层论；化学作用论。磨削作用论：对于研磨，较多学者认为以磨削开始。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。(1)玻璃的研磨机理玻璃的研磨过程，首先是磨盘与玻璃作相对运动，自由磨料在磨盘负载下对玻璃表面进行划痕与剥离的机械作用，同时在玻璃上产生微裂纹。磨料所用的水既起着冷却作用，同时又与玻璃的新生表面产生水解作用，生成硅胶，有利于剥离，具有一定的化学作用。如此重348复进行，玻璃表面就形成了一层凹陷的毛面，并带有一定深度的裂纹层，如图16-1所示。图16-1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－最大裂纹层根据苏联学者卡恰洛夫研究，认为凹陷层的平均深度h，决定于磨料的性质与颗粒直径，其关系为：h=K1D（16-1）式中K1――为不同磨料的研磨常数，见表16-1D――为磨料平均直径这时产生的裂纹层的平均深度f与凹陷层的平均深度h的关系为f=2.3h（16-2）而最大裂纹层深度：F=3.7～4.0h（16-3）表16-1各种磨料的研磨常数磨料种类石英砂石榴石刚玉碳化硅碳化硼K10.170.220.270.280.33不同化学组成的玻璃，其物理、力学、化学等性能均有差异，这对研磨表面生成的凹陷层深度和裂纹层深度都有很大影响。表16-2为各种不同玻璃都用105～150微米的碳化硅磨料，在相同的研磨条件下，所得的凹陷层深度和裂纹层深度的比较。从表中看出，机械强度高的玻璃，凹陷层深度和裂纹层深度都比较小。表16-2玻璃性质与凹陷层和裂纹层深度的关系玻璃名称玻璃的物理力学性能凹陷层平均深度H/µm裂纹层最大深度F/µm磨除量(10min)/cm3比重/g·cm-3显微硬度/Pa显微抗拉强度/Pa弹性模量/Pa泊松比重铅玻璃6.002840×106844×1064940×1070.25560～65240～2553.20重燧玻璃4.603924×1061110×1065850×1070.25758～60230～2552.12燧石玻璃3.664415×1061530×1067500×1070.23750～55220～2231.45钡冕玻璃2.884905×1061590×1067490×1070.21244～52180～1911.26冕玻璃2.535540×1062090×1067820×1070.21742～48174～1910.91石英玻璃2.207848×1063440×1066960×1070.13634～40148～1560.45将原始毛坯玻璃研磨成精确的形状或表面平整的制品，一般研磨的磨除量为0.2～1毫米，或者更多些。所以要用较粗的磨料，以提高效率。但由于粗颗粒使玻璃表面留下的凹陷层深度和裂纹层深度很大，不利于抛光。必须使研磨表面的凹陷层和裂纹层的深度尽可能减小，所以要逐级降低磨料粒度，以使玻璃毛面尽量细些。一般最后一级研磨的玻璃毛面的凹陷层平均深度h为3～4微米，最大裂纹深度F为10～15微米。(2)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。玻璃抛光时，除将研磨后表面的凹陷层(3～4微米)全部除去外，还需要将凹陷层下面的349裂纹层(直10～15微米)也抛光除去。这个厚度虽比研磨时磨除的厚度小得多(仅为研磨时磨去的厚度的1/20～1/40)，但抛光过程所需时间却比研磨过程多得多(为研磨时间的2倍或更多)，即抛光效率比研磨效率低得多。16.1.1.2影响玻璃研磨过程的主要工艺因素玻璃研磨过程中标志研磨速度和研磨质量的是磨除量(单位时间内被磨除的玻璃数量)和研磨玻璃的凹陷层深度。磨除量大即研磨效率高，凹陷层深度小则研磨质量好。工艺因素中某些只对其中一项有影响，也有对二项均有影响，但常常对一项有好的影响，而对另一项起相反的作用。各项工艺因素的影响分述如下。(1)磨料性质与粒度磨料的硬度大，通常研磨效率高，参见表16-3所示。金刚砂和碳化硅的研磨效率都比石英砂高得多。但硬度大的磨料使研磨表面的凹陷深度较大，这从上面的公式（16-1）和表16-1可以明显看出。磨粒颗粒度大小与玻璃磨除量的关系见图16-2，磨除量是随粒度的增大而增加。根据公式16-1，研磨玻璃凹陷深度是随粒度的增大而增加，即研磨质量是随粒度增大而变坏。为此，在研磨刚开始时，用较粗的粒度，提高研磨效率，以便在较短时间内使玻璃制品达到合适的外形或表面平整。之后，用细磨料逐级研磨，以使研磨质量逐步提高，最后达到抛光要求的表面质量。图16-2磨料粒度与研磨效率关系表16-3玻璃磨料的性能名称组成颜色密度/g·cm-3莫氏硬度显微硬度研磨效率比值金刚砂C无色3.4～3.61098100刚玉Al2O3褐、白3.9～4.0919620~256002~3.5电熔刚玉Al2O3白、黑3.0～4.0919620~25600碳化硅SiC绿、黑3.1～3.399.3～9.7528400~32800碳化硼B4C－2.59.547200~481002.5~4.5石英砂SiO2白2.679810~108001(2)磨料悬浮液的浓度和给料量磨料悬浮液一般由磨料加水制成悬浮液使用。水不仅使磨料分散、均匀分布于工作面，并且带走研磨下来的玻璃碎屑，冷却摩擦产生的热，以及促成玻璃表面水解成硅胶薄膜。所以水的加入量对研磨效率有一定影响。通常以测量悬浮液比重或计算悬浮液的液固比来表示悬浮液的浓度，各种粒度的磨料都有它最适宜的浓度，过大或过小，都影响研磨效率，如图16-3所示。磨料浓度过小，还会使研磨表面造成伤痕。磨料的给料量对研磨效率的影响如图16-4所示。玻璃磨除量/（g/h）磨料粒度/µm350图16-3磨料浓度与研磨效率关系图16-4磨料给料量与研磨效率关系从图中的曲线可以看出，研磨效率是随着磨料给料量的增加而提高，但到一定程度后，如再增加磨料给料量，研磨效率提高的速度减慢，甚至再增加给料量，研磨效率不再提高，所以每种粒度的磨料都有一定的最适宜的给料量。(3)研磨盘转速和压力研磨盘的转速和压力与研磨效率都成正比关系。磨盘转速快，将磨料往外甩的就多；压力增大，磨料的磨损度也显著增加。所以都必须相应提高磨料的给料量，否则不仅研磨效率不会增加，甚至降低，还会出现伤痕等缺陷。磨盘转速和压力与研磨效率的关系见图16-5、16-6。图16-5磨盘转速与研磨效率关系图16-6磨盘压力与研磨效率关系(4)磨盘材料磨盘材料硬度大能提高研磨效率。铸铁材料的研磨效率为1，有色金属则为0.6，塑料仅为0.2。但硬度大的研磨盘使研磨表面的凹陷深度也较深。而硬度小的塑料盘，可使玻璃的凹陷深度比铸铁盘降低30％。因此，如最后一级粒度的磨料用塑料盘，就可大大缩短抛光时间。(5)玻璃的化学组成玻璃的化学组成对研磨效率和凹陷深度的影响，已列在表16-2，质软的玻璃易研磨，但留下的凹陷深度较大。16.1.1.3影响玻璃抛光过程的主要工艺因素研磨后的玻璃表面有凹陷层，下面还有裂纹层，因此玻璃表面是散光而不透明的。必须把凹陷层及裂纹层都抛去，才能获得光亮的玻璃。因而，总计要抛去玻璃层厚度10～15微米。对于光学玻璃等要求高的玻璃，必须把个别大的裂纹也抛去，则总抛去厚度还要多。在一般生产条件下，玻璃的抛光速度仅8～15微米/小时，因此所需抛光时间比研磨时间长得多。减少玻璃研磨的凹陷深度，就是缩短抛光时间。常常在研磨的最后阶段用细一些磨料或用软质的磨料盘等措施来获得研磨表面浅的凹陷层。另外采用合适的工艺条件，也能提高抛光效率而缩短加工时间。影响抛光的工艺因素分述如下。(1)抛光材料的性质、浓度和给料量在表16-4中，已列出各种抛光材料的抛光能力，氧化铈、氧化锆比常用红粉的抛光效率高。水在抛光过程比在研磨过程中所起的化学－物理化学作用更为明显，因此抛光悬浮液浓度对抛光效率的影响是很敏感的。若使用红粉，一般以比重1.10～1.14为宜。刚开始抛光磨盘压力/kPa玻璃磨除量/（g/h）玻璃磨除量351时，采用较高的浓度，以使抛光盘吸收较多的红粉，玻璃表面温度也可提高，抛光效率高。但抛光的后一阶段则逐步降低，否则由于玻璃表面温度过高而破裂，同时红粉也易于在抛光盘表面形成硬膜，使玻璃表面擦伤。抛光悬浮液的给料量，如图16-7所示，用量多，效率增加，但过量时，效率反而降低，各种不同的条件下都有最适宜的用量。图16-7红粉给料量与抛光效率关系表16-4玻璃抛光材料的性能名称组成颜色比重/g·cm-3莫氏硬度抛光能力/mg·min-1红粉Fe2O3赤、褐5.2～5.15.5～5.60.56氧化铈CeO2淡黄7.360.88～1.04氧化铬Cr2O3绿5.26～7.50.28氧化锆ZrO2白5.7～6.25.5～6.50.78氧化钍ThO2白、褐9.76～71.26(2)抛光盘的转速和压力抛光盘的转速和压力与抛光效率之间存在着正比关系。转速和压力增大，抛光材料和玻璃的作用机会加多、加剧，玻璃表面温度增高，反应加速。反之就低。抛光盘转速和压力增大的同时必须相应增加抛光材料悬浮液给料量，否则，玻璃温度过高易破，也易产生擦伤。(3)周围空间温度和玻璃温度玻璃表面温度与抛光效率间的关系，如图16-8所示，抛光效率随表面温度的升高而增加，周围空间温度对玻璃表面温度有影响多特别在气温低的时候，没有保暖措施，玻璃表面温度提不高，抛光效率也就不能提高，如图16-9，周围空间温度从5℃提高到20℃，抛光效率几乎增加一倍，超过30℃增加速度就缓慢。因此为了捉高抛光效率，抛光操作环境温度宜维持25℃左右。图16-8玻璃表面温度对抛光效率的影响图16-9周围环境温度对抛光效率的影响(4)抛光悬浮液的性质红粉悬浮液氢离子浓度对抛光效率的关系见图16-10。pH在3～9范围内是最适宜的，过大或过小均不好。加入各种盐类如硫酸锌、硫酸铁等，可起加速作用。玻璃磨除量/（g/h）红