關(guān)于日用玻璃陶瓷制品物理鋼化工藝技術(shù)的探討

詹少杰

摘要：日用玻璃陶瓷制品以其外觀美觀如玉，表面光滑易清洗，質(zhì)地堅(jiān)硬耐劃磨等優(yōu)點(diǎn)越來越受到消費(fèi)者的青睞。然而，其制品又具有普通玻璃機(jī)械強(qiáng)度低、耐熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，需對(duì)已成型的玻璃陶瓷制品進(jìn)行鋼化處理。本文探討了日用玻璃陶瓷制品的物理鋼化工藝技術(shù)，包括玻璃陶瓷的物理鋼化原理、性能，以及影響玻璃陶瓷物理鋼化效果的工藝因素等。

關(guān)鍵詞：玻璃陶瓷;物理鋼化;風(fēng)冷鋼化

1 前 言

GB/T 30771-2014《日用玻璃陶瓷》標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語和定義中，對(duì)玻璃陶瓷的定義為“由結(jié)晶相和玻璃相構(gòu)成的一類復(fù)合材料，一般通過對(duì)玻璃進(jìn)行適當(dāng)加熱處理以使玻璃體內(nèi)產(chǎn)生足量結(jié)晶相而獲得”;對(duì)日用玻璃陶瓷的定義為“供日常使用的玻璃陶瓷制品”。玻璃是一種非晶態(tài)的無機(jī)非金屬材料，玻璃陶瓷是由足量微晶和玻璃構(gòu)成的復(fù)相無機(jī)材料，玻璃陶瓷由結(jié)晶相和玻璃相二者構(gòu)成。

玻璃陶瓷制品具有陶瓷的外觀，玻璃的特性，存在機(jī)械強(qiáng)度低、熱穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，必須對(duì)玻璃陶瓷制品進(jìn)行特殊的處理，玻璃陶瓷制品經(jīng)過物理的方法處理，使其表面層產(chǎn)生均勻分布的永久應(yīng)力，從而獲得高強(qiáng)度和高熱穩(wěn)定性的玻璃陶瓷加工方法稱為玻璃陶瓷的物理鋼化。

2 玻璃陶瓷的物理鋼化原理

將玻璃陶瓷制品加熱至接近軟化溫度（其黏度值高于108Pa·s），然后將制品均勻快速冷卻，使制品外部因迅速冷卻而固化，而內(nèi)部冷卻較慢。當(dāng)內(nèi)部繼續(xù)冷卻收縮時(shí)玻璃陶瓷表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)部則產(chǎn)生張應(yīng)力，如圖1（a）。通過這樣的熱處理，玻璃陶瓷制品的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性得到大幅度的提高。

當(dāng)玻璃陶瓷受荷載壓力時(shí)，玻璃上表層受到張應(yīng)力，下表層受到壓應(yīng)力，如圖1（b）。玻璃的抗張應(yīng)力較低，超過抗張強(qiáng)度時(shí)玻璃破裂，所以退火玻璃陶瓷的強(qiáng)度不高。如果負(fù)載加到鋼化玻璃陶瓷上，其表面上層的壓應(yīng)力增大，而所受的張應(yīng)力較退火玻璃陶瓷小，如圖1（c）。 同時(shí)在鋼化玻璃陶瓷中最大的的張應(yīng)力不像退火玻璃陶瓷存在于表面上而移向厚度的中心。由于玻璃耐壓強(qiáng)度較抗張強(qiáng)度幾乎大數(shù)倍，所以鋼化玻璃陶瓷在相同的負(fù)載下不破裂。另外在鋼化過程中，玻璃表面上微裂紋受到強(qiáng)烈壓縮，同樣也使鋼化玻璃陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度提高。同理，當(dāng)鋼化玻璃陶瓷驟然經(jīng)受急冷時(shí)，在其外層產(chǎn)生的張應(yīng)力被其外層原本存在的方向相反的壓應(yīng)力所抵消，使其熱穩(wěn)定性大大提高。

3 玻璃陶瓷風(fēng)冷鋼化的主要設(shè)備及工藝

（1）日用玻璃陶瓷一般采用風(fēng)冷方式進(jìn)行物理鋼化。鋼化玻璃電爐是風(fēng)冷鋼化玻璃陶瓷的主要設(shè)備之一，對(duì)電爐的要求是爐內(nèi)溫度一定要分布均勻，爐溫升溫曲線要易控制，對(duì)各升溫區(qū)間溫度波動(dòng)小，加熱均勻。隨著工業(yè)自動(dòng)化控溫技術(shù)的提高，可采用計(jì)算機(jī)對(duì)鋼化加熱電爐進(jìn)行控制，以保證爐溫的穩(wěn)定性，減小爐溫波動(dòng)，有利于提高玻璃陶瓷的鋼化質(zhì)量。風(fēng)柵是風(fēng)冷鋼化玻璃陶瓷的另一主要設(shè)備。風(fēng)柵在玻璃陶瓷鋼化過程中的作用是均勻急速地冷卻在電爐中加熱后的玻璃陶瓷，以提高其機(jī)械強(qiáng)度。為達(dá)到均勻、急速冷卻產(chǎn)品的目的，風(fēng)柵應(yīng)安裝在緊挨電爐產(chǎn)品出爐端的位置上，并由強(qiáng)力鼓風(fēng)機(jī)提供高壓大流量的冷卻風(fēng)。如圖2。

（2）經(jīng)過退火后檢測(cè)合格的玻璃陶瓷產(chǎn)品由不銹鋼網(wǎng)帶從產(chǎn)品入口傳送進(jìn)鋼化玻璃電爐，依次通過由低溫到高溫的各加溫區(qū)間，各加溫區(qū)間的溫度按鋼化升溫曲線預(yù)先設(shè)定，并由溫控系統(tǒng)自動(dòng)控溫。產(chǎn)品從最后的高溫區(qū)（溫度低于玻璃陶瓷的軟化溫度）由不銹鋼網(wǎng)帶傳送出爐，進(jìn)入由上下風(fēng)柵組成的急冷區(qū)淬火，再經(jīng)冷卻風(fēng)扇降溫至室溫，檢測(cè)合格后，即為鋼化玻璃陶瓷成品。如圖2。

4 鋼化玻璃陶瓷的性能

鋼化玻璃陶瓷同退火玻璃陶瓷相比較，其抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度以及熱穩(wěn)定性等都得到很大的提高。

（1）鋼化玻璃陶瓷的抗彎強(qiáng)度要比退火玻璃陶瓷大4～5倍，撓度大3～4倍。鋼化玻璃陶瓷的應(yīng)力分布，在玻璃厚度方向上呈拋物線型。表面層為壓應(yīng)力，內(nèi)層為張應(yīng)力，見圖3（a），當(dāng)其受到彎曲載荷時(shí)，由于力的合成作用，最大應(yīng)力值不在玻璃表面，而是移向玻璃內(nèi)層，這樣玻璃就可以經(jīng)受更大的彎曲載荷，見圖3（b）、（c）。

（2）鋼化玻璃陶瓷的抗沖擊強(qiáng)度較普通退火玻璃陶瓷大好幾倍，如厚6mm的普通玻璃陶瓷為0.24kg/m，同樣厚度的鋼化玻璃陶瓷可達(dá)0.83 kg/m。

（3）鋼化玻璃陶瓷的抗張強(qiáng)度提高，彈性模量下降，另外在鋼化加熱過程中，玻璃陶瓷表面裂紋減小，表面狀況得到改善，熱穩(wěn)定性也就隨之得到提高。一般玻璃只能經(jīng)受70～100℃的溫度突變，而鋼化玻璃陶瓷可經(jīng)受的溫度突變范圍可達(dá)150～200℃。

（4）鋼化玻璃陶瓷的安全性能。鋼化玻璃陶瓷制品遭到破壞時(shí)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(shí)外層的壓應(yīng)力有保持破碎的內(nèi)層不易散落的作用，因此鋼化玻璃陶瓷在破裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沒有尖角的小碎片。另外，鋼化玻璃陶瓷中有很大的互相平衡的應(yīng)力分布，這也是鋼化玻璃陶瓷一般不進(jìn)行切割、打磨等加工的原因。

5 影響玻璃陶瓷鋼化的工藝因素

當(dāng)一定的厚度的玻璃陶瓷淬火時(shí)，玻璃陶瓷中產(chǎn)生的應(yīng)力大小是隨著淬火溫度和冷卻強(qiáng)度的提高而增大的。當(dāng)淬火溫度達(dá)到一定溫度值時(shí)，應(yīng)力松弛程度幾乎不再增加，應(yīng)力趨于一極限值，此極限值即為玻璃陶瓷的淬火程度。它取決于玻璃陶瓷的冷卻強(qiáng)度、玻璃厚度和化學(xué)組成。

5.1冷卻強(qiáng)度

在工業(yè)生產(chǎn)中，一般鋼化玻璃陶瓷采用風(fēng)冷的方式進(jìn)行物理鋼化，冷卻強(qiáng)度越大，鋼化就越激烈。但冷卻強(qiáng)度取決于空氣的風(fēng)壓和風(fēng)柵上小孔與制品的距離。另外，風(fēng)柵噴嘴的直徑越大，空氣接觸制品的面積越大，冷卻強(qiáng)度也越高。

5.2玻璃陶瓷的化學(xué)組成

玻璃陶瓷的化學(xué)組成對(duì)淬火程度影響很大，因?yàn)閼?yīng)力的大小與玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和溫度梯度成正比，而熱膨脹系數(shù)、彈性模量和溫度梯度都是由玻璃陶瓷的化學(xué)組成所決定的，不同的化學(xué)組成其淬火程度是不同的。另外，堿金屬氧化物的引入能增加玻璃陶瓷的鋼化程度。堿金屬氧化物R2O含量多，玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)大，料性長，有利于提高淬火程度。R2O·SiO2中用20%R2O取代SiO2時(shí)玻璃陶瓷的鋼化程度約增加一倍。但堿金屬處于元素周期表中的位置越低，則鋼化程度增加的傾向也越小。

5.3玻璃陶瓷制品的厚度

玻璃陶瓷急冷淬火時(shí)，冷卻強(qiáng)度還與制品的厚度有關(guān)。一般而言，厚制品比薄制品更易鋼化，玻璃越厚淬火程度越高。玻璃陶瓷制品的鋼化一般要求厚度在3mm以上，以保證產(chǎn)生較大的永久應(yīng)力。厚度小，需要極高的冷卻強(qiáng)度才能得到較好的淬火程度。對(duì)于日用玻璃陶瓷制品鋼化，要求厚度要均勻，相差不能太大，否則會(huì)因應(yīng)力分布不均而破裂。

5.4鋼化玻璃電爐各區(qū)間的溫度

電爐各區(qū)間橫截面的溫度應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定、波動(dòng)范圍小，產(chǎn)品經(jīng)過時(shí)才能受熱均勻，否則受熱不均勻會(huì)致使同一產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，出爐后出現(xiàn)自爆。

6 討論與結(jié)語

根據(jù)日用玻璃陶瓷的物理鋼化原理、工藝過程、性能要求及工藝影響因素，可從以下幾個(gè)方面對(duì)工藝加以改善。

（1）靠近電爐的風(fēng)管和風(fēng)柵受到輻射加熱，導(dǎo)致風(fēng)的溫度升高，降低了鋼化質(zhì)量。在風(fēng)管周圍通入冷卻水，可以避免風(fēng)溫的升高，可提高鋼化質(zhì)量，提升產(chǎn)品的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

（2）使各加溫區(qū)間溫度相對(duì)穩(wěn)定、波動(dòng)范圍小，可在各升溫區(qū)增設(shè)循環(huán)風(fēng)機(jī)，加強(qiáng)區(qū)間的熱氣流通，保證產(chǎn)品受熱均勻，提高產(chǎn)品熱穩(wěn)定性。

（3）在產(chǎn)品成型時(shí)，注意控制產(chǎn)品的厚度差，不要有明顯的厚薄邊，盡量保持產(chǎn)品厚度一致。急冷淬火時(shí)調(diào)節(jié)適宜的風(fēng)壓和風(fēng)柵與產(chǎn)品的距離。

總之，我們廣大的玻璃陶瓷從業(yè)人員應(yīng)該根據(jù)玻璃陶瓷的鋼化原理、工藝、性能要求以及各種工藝影響因素等，在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷探索，吸收、學(xué)習(xí)新技術(shù)、新工藝，提升玻璃陶瓷制品的鋼化質(zhì)量。

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