钢化玻璃自爆的主要原因及解决方案

钢化玻璃自爆的主要原因及解决方案
在广义上，钢化玻璃自爆一般定义为钢化玻璃在无直接外力作用下发生自动炸裂的现象。

实际上，钢化加工过程中的自动爆裂与储存、运输、使用过程中的自爆是两个完全不同的概念，二者不可混淆。

钢化玻璃生产过程中的自爆
钢化玻璃在生产过程中的自爆一般由玻璃中的砂粒、气泡等夹杂物及冷加工时造成的缺口、刮伤、爆边和钢化不合理等工艺缺陷引起的。

对于玻璃在加工过程中炸裂，应采取以下措施：
选用优质的玻璃原片：玻璃原片对于钢化玻璃成品质量的玻璃在炉内炸裂是至关重要的。

若玻璃内含有气泡、结石、冷裂纹以及表面划伤过重都会使用在热处理过程中产生应力集中，从而容易破裂。

但是，浮法玻璃生产线不稳定时也可能出现上述缺陷，应该认真做好每片原片玻璃的质检工作。

注意预处理方式：切割玻璃时应选用正确角度的刀轮和施加压力，使玻璃切面的上部裂纹带很窄，而下部的镜面较宽，从而获得良好切口，减少边部裂纹。

玻璃切割后边部都会存在微裂纹，钢化前尽量使用抛光边或精磨边，减少玻璃微裂纹的存在和对后期使用的影响。

角部尽量选用圆形角，减少钢化过程中的应力集中。

一般厚度≥8mm的
玻璃要求进行精磨边，厚度≤6mm的玻璃可以用湿砂带磨边机磨边。

合理设置炉温：从玻璃受热及内应力变化分析来看，温度的剧烈变化是引起玻璃炉内炸裂是主要的外部因素。

温度越高，玻璃厚度方向上温度梯度越大，内应力越大，玻璃炸裂概率越高。

12mm、15mm、19mm厚的玻璃危险性更大。

因此，在钢化温度范围内不宜采用过高的温度。

合理设置输送速度：当玻璃从上片台输入钢化炉时，玻璃前端先进入炉内受热膨胀，而处于炉外的玻璃后端较冷。

在冷热交界处平面方向上产生的温度差，使冷端产生张应力，热端产生压应力。

输送速度越快，这种温差越小。

但是，如果加快输送速度，玻璃迅速处于高温之中，受热冲击增大，即在厚度方向上的温度梯度相对增大，玻璃炉内炸裂概率随之增大。

因此，在实际生产中就要权衡利弊，然后选择合理输送速度。

较厚的玻璃宜用慢的速度。

钢化玻璃使用过程中的自爆
钢化玻璃在生产之后的搬运、储存、安装和使用过程中，有少量产品会突然破裂。

自爆可发生在工厂库房中及出厂后若干年之内。

不时见到有关玻璃台板、淋浴房、工矿灯具玻璃、烤炉门玻璃、玻璃幕墙等钢化玻璃制品自爆的报道。

钢化玻璃的自爆机理缘于硫化镍杂质，是由Banellanty于1961年首次提出的，此后，澳大利亚研究人员对8幢建筑幕墙进行长达12年的跟踪研究，在共计17760块钢化玻璃中，共发生306例自爆，自爆率为1.72％。

长期以来，一直有人对钢化玻璃自爆现象进行研究，目前，已有如下一些解释。

钢化玻璃自爆的主要原因
玻璃内部存在硫化镍结石是造成钢化玻璃自爆的主要原因。

硫来源于配合料中及燃料中的含硫成份。

1000 ℃以上时，硫化镍以液滴形式存在于熔融玻璃中，这些小液滴的固化温度为797℃。

1g硫化镍就能生成约1000个直径为0.15mm的小结石。

硫化镍NiS是一种晶体，存在两种晶相：高温相α-NiS和低温相β-NiS，相变温度为379℃。

玻璃在钢化炉内加热时，因加热温度远高于相变温度，NiS全部转变为α相。

然而在随后的淬冷过程中，α-NiS 来不及全部转变为β-NiS，有一部分α-NiS被冻结在钢化玻璃进入室温状态中。

但在室温环境下，α-NiS是不稳定的，有逐渐转变为β-NiS 的趋势。

这种转变伴随着约2％～4％的体积膨胀，使玻璃承受巨大的相变张应力。

若结石恰好存在于钢化玻璃的张应力区（玻璃板厚度方向的中部），则这种相变过程往往会导致钢化玻璃突然破碎，即通常所说的钢化玻璃“自爆”。

玻璃碎片呈放射状分布，一般可以根据碎片的形状找到玻璃破碎的起始点，破碎起始点的碎片呈“蝴蝶斑”状，从厚度方向往往可以看到一个小的黑粒，这就是位于两块“蝴蝶斑”的界面上的NiS结石。

需要说明的是，有些研究认为并非所有的 NiS结石都会引起钢化玻璃的自爆，引起自爆的结石临界直径一般为0.04～0.65mm之间，且临界直径值取决于结石周围的玻璃应力值。

硫化镍临界直径：
应用断裂力学的研究方法，推导出下述公式，可计算引起自爆的NiS的临界直径 D c
D c=( πK21c ) / (3.55 Po0.5σo1.5 )
临界直径Dc值取决于NiS周围的玻璃应力值σ0。

式中应力强度因子K1c=0.76 m0.5 Mpa，度量相变及热膨胀的因子P0= 615 Mpa.
钢化程度实质上可归结于玻璃内应力的大小。

Jacob给出了玻璃表面压应力值与50 x 50 mm范围内碎片颗粒数之间的对应关糸。

板芯张应力在数值上等于表面压应力值的一半。

美国ASTM C1048标准规定:钢化玻璃的表面应力范围为大于69Mpa、热增强玻璃为24—52 Mpa。

我国钢化玻璃标准则规定应力范围为: 钢化玻璃 90 Mpa以上、半钢化24—60 Mpa。

计算得到不同钢化程度玻璃的NiS临界直径Dc 如下表。

显然，应力越大，临界直径就越小，能引起自爆的NiS颗粒也就越多，自爆率相应就越高。

钢化均匀度：
钢化均匀度是指同一块玻璃不同区域的应力一致性,可测定由同一块玻璃平面各部分的加热温度及冷却强度不一致产生的平面应力(area stress)，这种应力叠加在厚度应力上，使一些区域的实际板芯张应力上升，引起临界直径Dc值下降，最终导致自爆率增加。

以下是用SM-100型应力仪测定的平面应力数值σ0及计算出的考虑平面应力因素后的临界直径Dc值(与表面应力使用同一批样品)。

可以看出，钢化不均匀产生的平面应力叠加在钢化应力上，使最小临界直径分别从47μm 和55μm下降到36μm和48μm。

如何解决钢化玻璃的自爆
一般情况下，由于原片玻璃中或多或少都会有硫化镍结石存在，因此，钢化玻璃总有一定的自爆可能性。

为了降低钢化玻璃自爆概率，其一可以通过控制玻璃原片质量来实现，通过采购优质玻璃原片，并在钢化工序前的每道工序对玻璃半成品进行严格检验和选择，尽量使含有硫化镍结石的玻璃不进行钢化处理，从而降低钢化玻璃成品的自爆。

第二是将钢化应力应控制在适当的范围内，这样既可保证钢化碎片颗粒度满足有关标准，也能避免高应力引起的不必要自爆风险。

平
面应力（钢化均匀度）也应越小越好，不仅减小自爆风险，而且提高钢化玻璃的平整度。

第三，在钢化玻璃出厂或正式使用前，将钢化玻璃再次加热到290℃左右并保温一定时间，使硫化镍在玻璃出厂前完成晶相转变，让今后可能自爆的玻璃在工厂内提前破碎，而未破碎的钢化玻璃自爆率可以大大降低。

这种钢化后再次热处理的方法，国外称作“Heat Soak Test”，简称HST。

我国通常将其译成“均质处理”，俗称“引爆处理”。

钢化玻璃的二次热处理过程应分为三个阶段：升温、保温、降温升温阶段为最后一块玻璃的表面温度从室温升到280℃的过程；
保温阶段为所有玻璃的表面温度均达到290℃±10℃，且至少保持2h的过程；
降温阶段是从玻璃完成保温阶段后，温度降到75℃的过程。

整个二次热处理过程应避免炉膛温度超过320℃、玻璃表面温度超过300℃，否则玻璃的钢化应力会由于过热而松弛，从而影响其安全性。

国外有文献报道，严格按工艺制度进行二次热处理过的钢化玻璃自爆率可由0.3％降至0.01％。