關于日用玻璃陶瓷制品物理鋼化工藝技術的探討

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，質地堅硬耐劃磨等優點越來越受到消費者的青睞。然而，其制品又具有普通玻璃機械強度低、耐熱穩定性差等缺點，需對已成型的玻璃陶瓷制品進行鋼化處理。本文探討了日用玻璃陶瓷制品的物理鋼化工藝技術，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。

關鍵詞：玻璃陶瓷;物理鋼化;風冷鋼化

1 前 言

GB/T 30771-2014《日用玻璃陶瓷》標準的術語和定義中，對玻璃陶瓷的定義為“由結晶相和玻璃相構成的一類復合材料，一般通過對玻璃進行適當加熱處理以使玻璃體內產生足量結晶相而獲得”;對日用玻璃陶瓷的定義為“供日常使用的玻璃陶瓷制品”。玻璃是一種非晶態的無機非金屬材料，玻璃陶瓷是由足量微晶和玻璃構成的復相無機材料，玻璃陶瓷由結晶相和玻璃相二者構成。

玻璃陶瓷制品具有陶瓷的外觀，玻璃的特性，存在機械強度低、熱穩定性差等特點，必須對玻璃陶瓷制品進行特殊的處理，玻璃陶瓷制品經過物理的方法處理，使其表面層產生均勻分布的永久應力，從而獲得高強度和高熱穩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，而內部冷卻較慢。當內部繼續冷卻收縮時玻璃陶瓷表面產生壓應力，內部則產生張應力，如圖1（a）。通過這樣的熱處理，玻璃陶瓷制品的機械強度和熱穩定性得到大幅度的提高。

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

3 玻璃陶瓷風冷鋼化的主要設備及工藝

（1）日用玻璃陶瓷一般采用風冷方式進行物理鋼化。鋼化玻璃電爐是風冷鋼化玻璃陶瓷的主要設備之一，對電爐的要求是爐內溫度一定要分布均勻，爐溫升溫曲線要易控制，對各升溫區間溫度波動小，加熱均勻。隨著工業自動化控溫技術的提高，可采用計算機對鋼化加熱電爐進行控制，以保證爐溫的穩定性，減小爐溫波動，有利于提高玻璃陶瓷的鋼化質量。風柵是風冷鋼化玻璃陶瓷的另一主要設備。風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，以提高其機械強度。為達到均勻、急速冷卻產品的目的，風柵應安裝在緊挨電爐產品出爐端的位置上，并由強力鼓風機提供高壓大流量的冷卻風。如圖2。

（2）經過退火后檢測合格的玻璃陶瓷產品由不銹鋼網帶從產品入口傳送進鋼化玻璃電爐，依次通過由低溫到高溫的各加溫區間，各加溫區間的溫度按鋼化升溫曲線預先設定，并由溫控系統自動控溫。產品從最后的高溫區（溫度低于玻璃陶瓷的軟化溫度）由不銹鋼網帶傳送出爐，進入由上下風柵組成的急冷區淬火，再經冷卻風扇降溫至室溫，檢測合格后，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，其抗彎強度、抗沖擊強度以及熱穩定性等都得到很大的提高。

（1）鋼化玻璃陶瓷的抗彎強度要比退火玻璃陶瓷大4～5倍，撓度大3～4倍。鋼化玻璃陶瓷的應力分布，在玻璃厚度方向上呈拋物線型。表面層為壓應力，內層為張應力，見圖3（a），當其受到彎曲載荷時，由于力的合成作用，最大應力值不在玻璃表面，而是移向玻璃內層，這樣玻璃就可以經受更大的彎曲載荷，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0.83 kg/m。

（3）鋼化玻璃陶瓷的抗張強度提高，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，熱穩定性也就隨之得到提高。一般玻璃只能經受70～100℃的溫度突變，而鋼化玻璃陶瓷可經受的溫度突變范圍可達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首先是在內層，由張應力作用引起破壞的裂紋傳播速度很大，同時外層的壓應力有保持破碎的內層不易散落的作用，因此鋼化玻璃陶瓷在破裂時，會產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力分布，這也是鋼化玻璃陶瓷一般不進行切割、打磨等加工的原因。

5 影響玻璃陶瓷鋼化的工藝因素

當一定的厚度的玻璃陶瓷淬火時，玻璃陶瓷中產生的應力大小是隨著淬火溫度和冷卻強度的提高而增大的。當淬火溫度達到一定溫度值時，應力松弛程度幾乎不再增加，應力趨于一極限值，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度、玻璃厚度和化學組成。

5.1冷卻強度

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

5.2玻璃陶瓷的化學組成

玻璃陶瓷的化學組成對淬火程度影響很大，因為應力的大小與玻璃陶瓷的熱膨脹系數、彈性模量和溫度梯度成正比，而熱膨脹系數、彈性模量和溫度梯度都是由玻璃陶瓷的化學組成所決定的，不同的化學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大，料性長，有利于提高淬火程度。R2O·SiO2中用20%R2O取代SiO2時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，冷卻強度還與制品的厚度有關。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，以保證產生較大的永久應力。厚度小，需要極高的冷卻強度才能得到較好的淬火程度。對于日用玻璃陶瓷制品鋼化，要求厚度要均勻，相差不能太大，否則會因應力分布不均而破裂。

5.4鋼化玻璃電爐各區間的溫度

電爐各區間橫截面的溫度應相對穩定、波動范圍小，產品經過時才能受熱均勻，否則受熱不均勻會致使同一產品內部應力分布不均勻，出爐后出現自爆。

6 討論與結語

根據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，可從以下幾個方面對工藝加以改善。

（1）靠近電爐的風管和風柵受到輻射加熱，導致風的溫度升高，降低了鋼化質量。在風管周圍通入冷卻水，可以避免風溫的升高，可提高鋼化質量，提升產品的強度和熱穩定性。

（2）使各加溫區間溫度相對穩定、波動范圍小，可在各升溫區增設循環風機，加強區間的熱氣流通，保證產品受熱均勻，提高產品熱穩定性。

（3）在產品成型時，注意控制產品的厚度差，不要有明顯的厚薄邊，盡量保持產品厚度一致。急冷淬火時調節適宜的風壓和風柵與產品的距離。

總之，我們廣大的玻璃陶瓷從業人員應該根據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，在生產實踐中不斷探索，吸收、學習新技術、新工藝，提升玻璃陶瓷制品的鋼化質量。

參考文獻

[1] GB/T 30771-2014，日用玻璃陶瓷[S].北京：中國標準出版社，2014.

[2] 趙彥釗，殷海榮.玻璃工藝學[Z].北京：化學工業出版社，2006

[3] 詹建懷.日用玻璃陶瓷生產新技術[J].陶瓷，2017，6：18-21.