第四节 玻璃的成型与退火讲解

合理的成型制度：
应使玻璃在成型各工序的温度和持续时间同玻璃液的 流变性质及表面热性质协调一致，即在需要变形的工序，玻
璃应有充分的流动度，使其迅速充满模具，表面得到迅速的冷 却，出模时不变形，表面不产生裂纹等缺陷。
成型制度的确定
a、成型粘度范围
玻璃液在成型粘度范围内易于成型，有一定的冷
却硬化速度，又不产生析晶等缺陷。 成型开始所需的粘度还和许多因素有关，如成型 方法、制品的外形和重量等。 一般工业玻璃的成型粘度范围为102~106Pa•s。
结构应力
玻璃中局部区域化学组成不均匀导致结构不均匀而产生不同 的膨胀系数，因而产生的应力。 如条纹、结石、节瘤等不均匀体都会产生结构应力。 特点：结构应力是由于玻璃固有结构所造成的应力， 无法通过退火消除。
机械应力
当玻璃制品受到外力作用的时候，玻璃中产生的应力。在低 温下外力撤去时，机械应力随之消失。
这些都会降低制品的强度和热稳定性，故一般玻璃产品
成型后，需经过退火处理，使其应力限定在一定范围内，以防 在冷却、存放、再加工及使用过程中自行破裂或太易破裂。
（1）玻璃应力的分类:
a. 以产生原因为标准： 热应力 结构应力 机械应力 b. 以作用范围为标准： 宏观应力： 由外力作用或热作用产生； 微观应力： 玻璃的微观不均匀区域中存在的或分相 引起的应力; 超微观应力： 玻璃中相当于晶胞大小的体积范围内
玻璃的粘度与表面张力随温度变化，成型和定形能连
续进行，使得玻璃具有各种各样的成型方法。 玻璃成型经历了手工→半机械化→机械化→计算机控制。 主要的机械成型方法有： 吹制法、压制法、拉制法、浮法、压延法与浇铸法。
（1）吹制法
采用吹管或吹气头将熔制好的玻璃液在模型中吹制成制品。
人工吹制
挑料
滚料
吹小泡
吹料泡
但是，表面张力对成型也有不利之处。压制成型时制品的 锐棱会自动变圆，难以得到清晰的花纹。
（3）弹性
粘滞性液体
106Pa.s 高 温度 粘-弹体
弹性固体 1014Pa.s
低
玻璃只要是在粘滞流动状态，就不会产生 永久应力，也不会产生玻璃缺陷。
（4）比热、导热率、热膨胀、透热性
玻璃成型时的冷却速度决定于外界的冷却条件，也和玻璃、
一般玻璃的成型温度范围：接近粘度-温度曲线弯曲 处，以保证玻璃具有自动定形的某种速度。 一般玻璃的成型粘度范围为102~106Pa•s
（2）表面张力
熔融玻璃的表面张力在玻璃的澄清、均化、成型等方面起 着重要作用。 如，成型时表面张力可使玻璃料滴自动形成球形，不用模 型即可吹制圆形料泡；在玻璃纤维和玻璃管的拉制中能自然得 到圆形截面。
a --- 空心或单面受热的玻璃制品的总厚，cm --- 实心制品的半厚，cm 考虑表面微裂纹、缺陷、厚度均匀性及退火炉温度分布 均匀性，一般工业中采用：
20 30 h a＝ 2 ～ 2 （℃/min） a a
b、保温阶段： 目的---消除快速加热时制品存在的温度梯度， 并消除制品中所固有的内应力。 先确定保温温度，然后确定保温时间。
力和结构状态的不均匀性*。同时因为粘度相当大，以
致几乎不发生其外形的改变。这段温度区域成为玻璃的 退火区域，相应粘度在1012～1016Pa.s 即退火温度区域与玻璃粘度有关。

退火温度范围
最高退火温度~最低退火温度之间 温度 退火温度
上限退火温度
下限退火温度
时间
加热 保温 慢冷 快冷
上限退火温度：三分钟内消除95%应力的温度，一 般相当于退火点的温度，也称最高退火温度，粘度为 1012Pa.s。 下限退火温度：三分钟内消除5%应力的温度，也 称最低退火温度，粘度为1013.6 Pa.s。在此温度以下玻 璃完全处于弹性状态，该点温度也可以称为应变点。 在退火温度范围内确定某一保温均热的温度，称之为 退火温度。
5、多种制品共用退火窑时，取退火温度低的数值作为退火温 度，并延长保温时间； 同组成不同规格的制品一起退火时，由薄制品确定退火温
度，以免薄制品变形；由厚制品确定升温、降温的速度，
以免厚制品破裂；
复习思考题
浮法的概念、浮法玻璃的成型机理以及优点？ 玻璃退火的概念、目的、原理？ 玻璃永久应力产生的原因及消除。
吹制及 击脱吹管
割口 烘口
人工吹制法示意图
人工吹制
特点：制品表面光滑， 尺寸较精确； 局限：效率低。 应用：批量小，制作高 级器皿、艺术玻璃
机械吹制：
压-吹法、吹-吹法、转成制品 口部和雏形，然后再移入成型 模中吹制成制品。 主要用于生产大口瓶。
冲头 口模
雏形模
(a)落料
吹气头
(b)压制雏形
成形模
(c)重热伸长
(d)吹制成形
压-吹法成形广口瓶示意图
吹-吹法：先在带有口模的雏形模中制成口模和吹成 雏形，再将雏形移入成型模中吹成制品。 主要用于生产小口瓶。
转-吹法：是吹-吹法的一种，但是在吹制时料泡不 停地旋转。 主要用于吹制薄壁器皿、电灯泡、热水瓶胆等。 机械吹制
玻璃的退火过程：
将玻璃放置在某一温度下保持足够时间后再
以缓慢的速度冷却，以便不再产生超过允许范围的 永久应力和暂时应力。实质就是减小或消除应力并 防止新的应力产生。
玻璃制品的退火包括加热、保温、慢冷及快冷
四个阶段。
a)、加热阶段：玻璃表面受压应力，加热速度可较快。
130 最大升温速度 h c＝ 2（℃ /min） a
特点: 温度梯度消失之后，永久应力不消失
永久应力的产生
由于在塑性状态时，玻璃内部的质点能沿受力方 向移动（移动速度随粘度升高而降低），亦即通过塑 性流动来适应消除应力。但在脆性状态时，塑性流动 已不可能。 因此，如果降温迅速，玻璃粘度急剧上升，以至 塑性流动尚未完成而玻璃已经转让脆性状态，从而产 生永久应力。
自身的比热、导热率、热膨胀、透热性等有关。
比热----决定在成型过程中放出的热量，随温度下降，玻璃的比 热减小。 导热率、透热性----越大，玻璃的冷却速度越快，成型速度越快。
3. 成型制度的制定
玻璃的成型制度是指成型各个阶段的黏度-时间或温度-
时间关系曲线。
在具体的成型条件下确定成型温度范围、各个操作工序的持 续时间、冷却介质或模型的温度等工艺参数。

d) 快冷阶段
应变温度~室温。只能引起暂时应力。 为提高生产效率、降低燃耗，只要使该阶段的暂 时应力不超过极限强度，可适当加快降温速度。 一般玻璃的最大冷却速度为：
65 h M＝ （℃/min） a2
制定退火曲线应注意的问题
1、 慢冷阶段：降温速度同样须考虑玻璃的允许应力，结束
时温度要低于或等于应变点温度。 2、形状复杂、厚度大的制品的加热及冷却速度要慢； 3、确定升降温速度要考虑退火窑温度不均匀性而适当取小值； 4、容易分相的玻璃制品退火时，退火温度不能过高，退火时 间不能过长，次数要少。
应用：生产广口瓶、 小口瓶等各类 空心制品
（2）浮法生产平板玻璃
平板玻璃的现存的成型方法有：浮法、垂直引上法、 平拉法、压延法。其中，浮法具有优质高产、易操作和 易实现自动化等优点。除了压延法仍用于生产牙花、夹 丝玻璃外，其他方法现已被占主导地位的浮法所取代。
浮法生产平板玻璃是由英国Pilkington公司1959年研 究成功。中国的第一条浮法玻璃生产线于1981年在洛阳通 过鉴定，现有浮法线近百条，占世界1/3以上。
定义： 玻璃液漂浮在熔融金属（如锡液）表面上生产 平板玻璃的方法。
锡液熔点低、沸点高、密度大、不易挥发 --------良好的浮抛介质，主要承托和抛光玻璃
成型原理： 让处于高温熔融态的玻璃液浮在比它重的金属 液表面上，受表面张力作用使玻璃液具有光洁平整 的表面，并在其后的冷却硬化过程中加以保持，从 而生产出接近于抛光表面的平板玻璃。
2. 成型性质
玻璃的黏弹性（黏度、表面张力和弹性性能） 和热学性质（热传导系数、比热、热膨胀系数、玻 璃的透光系数、辐射系数和热交换系数）。 在众多的性质中，黏度和表面张力起着最重要 的作用。
（1）粘度
粘度不仅对玻璃的成型有 重要影响，而且还影响玻璃 的熔制和退火过程。 利用玻璃粘度随温度变化 的可逆性，可以在成型过程 中多次加热玻璃，使之反复 达到所需的成型粘度，可进 行局部的反复加工，以制造 复杂的制品。
如果机械应力超过应力极限，会导致制品破裂。
总结
玻璃中各种应力由各自的产生原 因和各自的特点； 玻璃在一般情况下,可能会同时受 到几种应力的作用。
（2）玻璃的退火

定义：消除玻璃制品在成型或热加工后残留在制品 内的永久应力的过程称为退火。 目的：防止炸裂和提高玻璃机械强度。

退火原理
在经过转变温度区域（Tf～Tg）时，玻璃由典型的 液态转变成脆性状态。而在Tg点以下的相当的温度范围 内玻璃分子仍然能够进行迁移，可以消除玻璃中的热应
520 a 2 t＝ n
保温时间
制品厚度(cm)
制品最后允许的应力(nm/cm)
c) 慢冷阶段
为使制品在冷却后不再产生永久应力或仅产生微 小的永久应力，冷却速度要求较慢，常采用线性降温。 开始冷却速度为:
h o＝ 13a
2
（℃ /min ）
制品厚度(cm)
玻璃最大允许的应力(nm/cm)
慢冷阶段结束时温度必须小于或等于应变点温度，否则 在快冷阶段重新产生永久应力而退火无效。
存在的应力.
热应力
热应力:玻璃中由于温度差而产生的应力。 按其存在的特点又可分成暂时应力和永久应力。 A、暂时应力:
当玻璃温度低于应变点时，处于弹性变形温度范围内即脆 性状态时，经受不均匀的温度变化时产生的热应力。
特点：随温度梯度的产生而产生，随温度梯度的消失而消失。
B、永久应力: 玻璃从可塑状态向脆性状态冷却时，玻璃内外层 或局部产生温差，导致热膨胀不一致而引起的应力。 在玻璃到达室温时温差消失后仍然存在，这种应力称 为永久应力，又称残余应力。
第四章 玻璃材料
第四节 玻璃的成型与退火
一、玻璃的成型
1. 成型与定形
玻璃成型：熔融的玻璃液转变为具有固定几何形 状制品的过程。
成型过程：
低温 高温 成型： 赋予制品以一定的几何形状。 决定因素：玻璃的流变性（黏度、表面张力、可塑 性、弹性以及这些性质的温度变化特征）。
定形： 使玻璃制品的形状固定下来。 决定因素：玻璃的热性质和周围介质影响玻璃 的硬化速度。
避免锡的氧化或 与硫反应
浮法玻璃工艺示意图
浮法生产平板玻璃的优点
表面质量高（相当于机械抛光玻璃）； 拉引速度快，产量大； 厚度可控制在1.7mm~30mm，宽度可达 5.6m； 便于大规模生产。

二、玻璃的退火
在生产过程中, 玻璃制品经受激烈而又不均匀的温度变化， 会产生热应力；溶制不良会造成玻璃中的不均匀区，导致热学 性质差异而产生应力。
b、模型的温度制度
成型前，模型应加热到适当的操作温度。 由于玻璃的热传导能力很差，玻璃表面的热量 很快传出而又得不到内部热量的迅速补充，所以玻璃 表面的温度会迅速下降，若冷却进行的过快，就会在 玻璃表面层产生张应力，导致制品出现裂纹和破裂。 所以要求模具温度不能太低。
4. 成型方法
与其它材料的不同之处：