钢化玻璃工艺

钢化玻璃工艺 中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座中国安全玻璃认证中心杨建军中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座1、玻璃基础知识??什么是玻璃通俗地说玻璃就是一种熔融的物质在冷却过程中没有产生结晶 或者说来不及结晶的“过冷”液体是一种非结晶态物质。准确的说远程无序近程有续。金属只要冷却的非常快来不及析晶形成的物质就是金属玻璃其强度比金属态要高45倍火山熔岩凝固后大都是以玻璃态的形式存在的。??玻璃的力学特征玻璃是脆性材料其共性是抗压强度高抗拉张强度低。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座脆性材料的断裂特征破坏时突发性断裂塑性小离散性大重复性差??尺寸效应——缺陷影响——断裂力学??脆性材料含有众多相互独立的缺陷任一个缺陷引发的断裂都可以看作是整体的破坏相当于一根由众多环节组成的链条只要最弱的环节断开整个链条就断了最弱连接链假说串联模型。??脆性材料的力学特性用统计断裂力学的方法和Weibull分布来研究比较有实用意义。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??脆性材料破坏往往是瞬间的而金属材料的疲劳破坏有不同??金属利用晶体团间隙的位移来吸收冲击能可变形??脆性材料不存在这种间隙靠多晶相间共价键结合受冲击时面要么破损要么不受影响。??这是一个金属与玻璃在受打击时的示意图中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??普通玻璃棒??特别保护的玻璃棒??抗拉强度简单例子比较:??普通玻璃棒的平均抗拉强度大约为80MPa??特别保护的玻璃棒的平均抗拉强度大约为1000MPa??理论上玻璃抗拉强度为70000MPa??问是为什么 钢化玻璃工艺讲座??Griffith微裂会有如此大的差异中国建筑材料科学研究院CBMA 纹理论??1921年Griffith假定所有材料中都存在着微小裂纹这种裂纹的应力集中效应对于延展性材料来说由于裂纹尖端局部流动使得应力松弛而脆性材料并不具备流动能力裂纹的扩展会使得材料在较低的应力水平下就会破坏。??起初Griffith假定所有材料的整体内都存在微裂纹这对多晶态材料是对的比如陶瓷材料但对玻璃由于从液态到玻璃态是连续体因此体内实际上不存在着微裂纹研究表明仅存在于表面。冷却过程的热应力作用、大气中水汽的化学作用、温度作用等都会引起微裂纹。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??Griffith微裂纹理论玻璃材料的表面存在着无数肉眼看不见的微裂纹这些微裂纹在张应力作用下会在裂纹尖端产生应力集中现象使得裂纹迅速扩展导致玻璃在较小的外力下就破坏了.张应力初始微裂纹??微裂纹扩展中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??发现一般玻璃表面存在平均大约700多条微裂纹/cm2 不仅如此玻璃在生产、日常搬运、储存过程中对玻璃表面产生划伤与空气中的水分的化学作用产生表面老化等都会导致玻璃实际强度远低于理论强度的主要原因。这些裂纹的形态、数量、深度、分布等都是不固定的因此其强度分布会很分散一般强度分布在30之间变化很正常。??中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??由此给我们一个提示只要保护玻璃表面不受侵蚀可以保证玻璃的高强度如果要想“恢复”玻璃原有的强度消除表面微裂纹也是很简单的方法或者抑制微裂纹的扩展也可以使得玻璃强度得以提高。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座我们就有了以下1、表面保护在新鲜的玻璃出来以后喷涂上保护膜使得玻璃表面与空气隔绝比如热段喷涂锡或钛化合物或有机硅、冷段喷涂油酸类这在国外的啤酒瓶生产中用的比较多。但对平板玻璃业没什么实用价值因为切割作业和加工过程的划伤无法避免2、表面缺陷消除酸蚀利用浓HF的十倍稀释后大约可以产生1um/min的腐蚀速率通过搅动溶液可以是表面得到均匀去 除。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座需要指出的是酸蚀法除去的表面裂纹需要随后的保护不然表面会很快又由于空气中湿气作用表面再次产生微裂纹强度再次下降。酸处理后的玻璃强度有时可以达到150010000MPa。实际上任何能与玻璃起反应的试剂都可以使玻璃增强。3、表面裂纹抑制A 紧固技术要产生表面压应力最简单有效的方法是在一个圆形玻璃周遍施加一个力比如紧套上一个金属圈、镶在眼镜框里眼镜片等都可以提高玻璃强度但对矩形玻璃此方法不可行。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座B 包层技术利用不同膨胀系数的玻璃材料的组合可以产生表面压应力系统比如膨胀系数大的玻璃被膨胀系数小的玻璃包裹则冷却后可以使表面处于压缩应力状态而内部形成与之平衡的张应力就类似与钢化玻璃应力体系这在釉面玻璃、器皿玻璃中有应用比如美国康宁的一种器皿玻璃有这样的应用。C 物理钢化技术通过热处理使玻璃产生表面压应力、中间张应力平衡系统最常用、简单、实用、可行。物理钢化又分为风冷钢化、液冷钢化、水雾钢化、粉末微粒钢化、固体接触 钢化玻璃工艺讲座D 化学钢化又称钢化技术等等。中国建筑材料科学研究院CBMA 为离子交换法??通过用离子半径较大的金属离子去交换玻璃表面离子半径较小的金属离子可以造成表面挤压产生表面压应力提高强度。??通过化学钢化可以使玻璃表面的压应力高达400MPa以上但应力层深度只有几十个微米如果划伤则容易失去应有的强度。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座CHEMICAL REINFORCEMENTIon NA: 196 ??Ion K : 266 ??GLASSNa KKSALTKKKKKKNaNaNaKNaNaNaNaNaNaNaKKNaNaNaNaNaKKKKKbeforeafter KK??离子交换示意图中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座0compressiontensiontsurface compressioncentertensiondefinesbreak patterndefines strengthCASE DEPTHTypical internalstress profileCHEMICAL REINFORCEMENT RENFORCEMENT CHIMIQUE??离子交换应力示意图中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座2、钢化工艺原理??什么是钢化玻璃通过将玻璃加热至某一钢化初试温度临界温度后快速均匀冷却两表面使得玻璃表面形成预应力系统从而提高了玻璃的机械强度。与钢的“淬火”过程类似但原理不同。钢的淬火经历了相变由于碳化物的析出提高了硬度和韧性而玻璃没有相变过程通过快速“冻结”过程形成应力体系提高了抵御外力的能力而硬度实际上是不变的。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座钢化玻璃典型的应力沿厚度方向的分布为??张应力区??零应力点THERMAL STRENGTHENINGParabolic curve of stresses0.21 ttcenter tensiondefines break patternsurface compressiondefines strength?σCdσ ?σT dσ??压应力区中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??为什么钢化玻璃具有较高的机械强度??一般全钢化玻璃表面可以形成110MPa以上的压缩应力而玻璃的基础强度平均在60MPa左右其有效强度大概可以简单得看成两者之和为170MPa为原来强度的3倍左右从另外的一个角度来看外力要达到破坏玻璃首先要先抵消表面的压应力然后再超过玻璃的基础强度后才可能使钢化玻璃破坏。??通过钢化玻璃的机械强度和抗温差引起的热应力的能力都得到了大大提高。??此外由于钢化破坏后碎片状态也与普通大不一样。中国?ㄖ 牧峡蒲а芯吭篊BMA钢化玻璃工艺讲座钢化玻璃破碎时由于内部“冻结”能量的释放使得玻璃碎成无数小颗粒状减少了对人身可能的伤害因此相对普通玻璃安全性大大提高。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座需要指出的是碎片形态取决于外力引入形式??尖头引入裂纹到张应力破坏中 国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??钝器击打时的破坏容易形成较多的长条形碎片。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座裂纹从破碎点进入中间张应力区后在张应力作用下向四周快速扩展一次裂纹沿起爆点径向发展二次裂纹趋于垂直于一次裂纹横向发展。??尖头引入裂纹??钝头引入裂纹中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??钢化玻璃的应力是如何形成的??玻璃有一个奇怪的现象在冷却状态即应变点以下有一般的固体特征是弹性体 在热态下软化点以上 有液体特征是粘性体但在某一温度范围内即在应变点和软化点之间却是液、固态特征共存是粘弹体。玻璃的退火/钢化过程就是要靠这段区间的特性退火利用应变点附近的特性钢化利用软化点附近的特性。??玻璃处于弹性体状态下的加热过程应力状态分析中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??玻璃处于弹性体状态下的加热过程应力状态分析一层受热膨胀多、二层膨胀少相对于一层可以看成是收缩过程导致对一层产生挤压自身受拉二层对三层可以看成一、二层过程重复这样二层是受压、三层受拉…..挤压、压应力受拉、拉应力中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座最终形成的应力分布类似于钢化玻璃应力分布当温度梯度消失时该应力分布也随之消失这种热应力的存在是瞬时的也叫瞬时或暂时应力。最大压应力在表面??随时间消失中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座可以看到玻璃在突然加热过程中的表面暂时应力是压应力能起到保护作用所以不会破裂这也验证了做钢化玻璃时可以快速进钢化炉而不破坏的事实。??玻璃在此时突然冷却过程时应力状态分析与之相反如果玻璃从应变点温度下突然快速冷却则应力形成过程正好相反表面冷得快但其收缩受到二层约束产生表面张应力而中间层是压应力这种张应力很容易导致玻璃的破裂。因此当玻璃在应变点温度以下时如果玻璃没有钢化处理则不许快速降温否则玻璃很易破坏。钢化玻璃则不同由于已经有压应力层形成即使快速降温也足以抵挡张应力。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??玻璃加热到软化点温度附近时的应力分析玻璃在软化点温度时由于处于粘弹性范围而且粘性成分多于弹性即使存在温差由于分子重排运动也不会形成任何热应力或者说应力会瞬间松弛。如果玻璃两面突然受到冷却此时的应力又是如何的呢一层要收缩但受二层约束所以一层应该处于张应力但由于粘弹范围此时的张应力被瞬间松弛因此不会破坏但当表面层由于冷得快先固化后中间层开始收缩时则会受到已经固化的表面的牵制作用因此会使得表面处于压应力状态内部处于张应力态与之平衡最终形成了平衡应力体系。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座先固化层处于压应力状态后固化受到一层牵制处于受拉状态中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??记住钢化经典理论一段话在玻璃加热到粘弹温度范围后谁先冷得快最终谁就处于压应力保护反之谁后冷却谁就处于张应力破坏。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??钢化度应力与过程参数的关系冷却能力不变时钢化度与玻璃厚度/钢化温度的关系??随厚度增加钢化度增加??随钢化温度增加应力增加但接近600度时温度的增加钢化度增加变小甚至过了610度后应力不再增加中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??厚度不变钢化度与冷却能力/钢化温度的关系??冷却能力增加钢化度增加??温度增加钢化度增加超过630度后温度再增加钢化度不再增加。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??由此可以看出增加厚度可以提高钢化度提高冷却能力也可以提高钢化度提高钢化温度表面应力也可以提高但过了630度以后单纯温度的提高对钢化没有作用反而会因 为高温玻璃容易产生变形影响产品外观质量所以从工艺的需要出发合理调控三者关系是钢化质量的关键有经验的钢化炉操作者就可以很好地运用这些技术。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座-钢化冷却时间对应力形成的影响中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??钢化冷却时间对应力形成的影响??从图中可以看出玻璃在不同初始钢化温度下冷却时表面应力的形成过程是不同的在较低的钢化温度下610度左右前34秒钟表面首先形成张应力到达67秒钟表面与中间温差达到最大值表面从张过渡到压应力意味着后续的冷却对最终钢化应力的形成已不起作用。??在较高温度下钢化650度前34秒表面几乎不形成什么张应力67秒左右达到表面与中间的最大温差后续冷却也对最终钢化度没有影响。??在更高温度下钢化冷却表面直接过渡到压应力。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??由此可以得出结论钢化冷却的前67秒是最终应力形成的关键后续冷却只是为了把钢化玻璃冷却到可以搬运的温度所以从节能的角度出发无须风机始终大风量运行只要前67秒有足够的冷却就可以保证钢化玻璃所需要的应力。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??非均匀钢化过程玻璃在加热过程主要靠热辐射来实现存在着加热的不均匀性周遍与中间冷却过程由于冷却风嘴布置的不同也同样存在着冷却的不均匀性。。。这些因素会导致玻璃的应力分布也是不均匀的。??我们把沿厚度方向的应力分布称为普通钢化应力沿平面分布的应力成为膜应力??普通应力特点沿平面方向不变沿厚度方向变??膜应力特点沿厚度方向不变沿平面方向变在厚度方向的温差产生普通应力沿平面方向的温差产生膜应力。中国建筑材料科学研究院CBMA中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座膜应力的形成过程??假定冷却能力不变A区温度低于B区则根据应力形成规则A区先固化形成膜压应力B区膜张应力。AB??假定温度不变A区冷得快先固化B区冷得慢后固化则A区形成膜压应力B区膜张应力。中国建筑材料科学研究院CBMA??应力分布图环向应力径向应力温度分布中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??边缘应力??玻璃板在加热、冷却过程中由于边缘效应使得边部总是先于中间区域加热冷却时先于中间区冷却。根据膜应力形成条件平面方向二维方向的温差会产生膜应力。如果边缘没有遮挡则边缘一定形成的是膜压应力被中间区的膜张应力所平衡由于中间区相对于边缘在体积比上要大得多所以各点的膜张应力是很小很小。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??可见边缘膜应力方向总是与边部平行的是一维的中间区与之平衡的膜张应力是二维的。??当边缘有任何物体阻挡冷却时则该区域就会由于冷却慢而形成膜张应力比如与弯钢化的模具接触的部位如果这种张应力大到一定程度靠厚度方向的普通应力无法抑制时就会自爆掉或是在该区域有划伤产生在膜张应力作用下裂纹会慢慢延伸至突然爆裂。这在有的汽车弯钢化玻璃后挡中容易见到这种现象。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??不均匀钢化的应用??第一中应用常见于区域钢化玻璃的生产中为了保持驾驶区有一定的残余视野通常在中间区域故意降低冷却能力而保持周遍有足够的冷却中国建筑材料科学研究院CBMA??第二种应用是不对称冷却钢化平板钢化生产过程可能由于玻璃上下表面冷却速率不一造成上下面应力差异假定上表面冷却得比下表面快则上表面的压应力就会大于下表面是不稳定的。周遍无约束时就会由于弯矩分量的作用翘成倒扣的锅的形状。相当于施加了一个弯矩上表面的压应力大于下表面恢复上下应力平衡压应力方向张应力方向中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??利用此原理也 可以用来调整钢化玻璃平整度如果发现最终玻璃上翘说明上表面钢化度小于下表面?Ω锰岣呱厦胬淙茨芑蚣跎傧旅胬淙茨芾淙茨艿母谋淇梢允潜浞缪够蚋谋浞缱斓讲, 娴募渚嗍迪帧 6?如果玻璃出现马鞍型变形则通过以上方法无法调整这是由于周遍有一圈较大膜压应力导致的。通过提高玻璃中间温度或加大中间区的冷却能力可以减少马鞍型变形往往钢化大板薄玻璃比较容易产生此变形。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??钢化应力斑问题??钢化玻璃由于存在应力会使通过的光线产生双折射现象而出来的双折射光又是部分偏振光当存在相位差的两束偏光相遇时会产生干涉现象振幅相同光加强呈亮斑振幅相反。光减弱呈暗斑这就是通常所说的应力斑。钢化应力斑在特定光照条件下比如背光面通过反射看蓝天就容易用肉眼观察的到借助偏光镜可以观察得更清楚。钢化应力斑是钢化玻璃固有的光学特性实际上我们看到的是膜应力造成平面上的应力斑而厚度方向的普通应力只能让偏振光沿厚度通过才能观察到。中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??如果表面没有膜应力则就无法在平面上看到应力斑。就是说如果玻璃两面冷却特别均匀则形成的膜应力就非常小以致用肉眼很难观察到甚至用应力仪也很难看到。??冷却不均导致膜应力不均造成平面上应力斑只要加强面冷却均匀性可以最大程度消除应力斑但不可能彻底杜绝除非是其他可以实现均匀冷却的钢化方法如微粒钢化但大面积实用技术没有中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座中国建筑材料科学研究院CBMA钢化玻璃工艺讲座??钢化玻璃自爆问题硫化镍结石NiS