化学强化工艺知识

化学强化玻璃简介
2013.08.29
站别：事业二部化钢组
制作：陈俊飞
化学强化玻璃的基本特性
化学强化玻璃具有较好的热稳定性
热稳定性是玻璃能承受剧烈温度变化而不破坏的性能。

强化玻璃的热稳定性是用其所能承受的温度差来表示,一般玻璃所能承受的温度约70-100℃,而强化玻璃所能承受的温度差约150-200℃,热稳定性比一般玻璃提高了1.5-2倍。

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化学强化离子交换原理
玻璃化学强化原理是将玻璃置于熔融的熔盐中,使玻璃表层半径较小的离子(Na +)与熔盐中半径较大的离子(K +)交换,最终在玻璃的两表面形成压应力层,在玻璃的內部形成张应力层,达到提高玻璃机械强度和抗温度冲击性能的目的。

K +
K +K +
K +
Na +
Na +
Na +
Na +
K +
K +
玻璃
钾离子
钾离子置换钠离子
●化学钢化玻璃定义：
利用玻璃表面离子的迁移和扩散特性，使玻璃的表面层区域（一般在数百微米以内的厚度）的成分发生变化。

这一变化导致玻璃表面微裂纹消失或者体积变化在玻璃表面形成压应力层，从而使玻璃的强度得到提高。

这一技术被称为玻璃的化学钢化。

通过化学钢化获得的具有高强度玻璃产品即为化学钢化玻璃（或化学强化玻璃）。

●化学钢化原理：
随着化学钢化理论研究的深入，化学钢化技术的种类在不断增强。

根据玻璃的网络结构学说玻璃态的物质是以硅氧四面体（SiO 2）4-作为基本结构单元存在，构成玻璃的硅氧三维空间骨架。

AL 2O 3因AL 3+配位数不固定，或4+或6+，一般以（ALO 4）4-存在，但在碱金属氧化物R 2O 或碱土金属氧化物RO 存在的情况下以（ALO 4）5-存在，并与（ALO 4）4-联成复杂的铝硅氧阴离子团。

由于（ALO 4）5-体积约在41cm 3/mol ，而（ALO 4）4-则是27.24cm 3/mol ，从而导致因玻璃成分中AL 2O 3含量的提高（ALO 4）5-在玻璃中的含量相对增加（ALO 4）4-相对减少玻璃体结构网络空隙扩大有利于碱金属离子的扩散。

此网络是由含氧的离子多面体构成的，其中心被Si 4+、AL 3+、或P 5+所占据，这些离子同氧离子一起构成网络，网络中填充碱金属离子（如Na +、K +等碱土金属离子)。

其中碱金属离子较活跃，很容易从玻璃内部析出，化学钢化法就是基于离子自然扩散和相互扩散，以此改变玻璃表面的成分从而在玻璃表面形成压应力层。

就目前发表的文献和实际应用技术进行归类，可分为表面脱碱；高膨胀玻璃表面涂覆低膨胀玻璃；碱金属离子交换三大类。

碱金属离子交换类型和离子交换温度可分为低于转变点温度的离子交换法（简称低温法）和高于转变点温度的离子交换法（简称高温法）。

低温离子交换法（浸渍法）
低温化学钢化法是常用的钢化方法，由于离子交换后玻璃表面仍保持透明。

所用熔盐成本较低，所以被广泛应用。

常用的工艺方法有浸渍法、喷吹法和多步法三种，其中浸渍法最为常用。

具体方法是将Na 2O-AL 2O 3-SiO 2系玻璃置于应变点温度以下的熔融钾盐槽内，钾盐中离子半径大的碱金属离子K +置换玻璃中离子半径较小的Na +发生离子置换，由于离子交换是在低于应变点的温度下进行，其过程较为缓慢。

玻璃表面不会出现黏滞流动，K +半径（0.133nm ）占据Na +半径（0.098nm ）腾出的空位，使玻璃表面层造成“挤塞”效应或膨胀系数降低，离子间的体积差使玻璃表面层形成压应力，从而使玻璃强度得到提高。

浸渍钢化法要求其钾盐熔点与玻璃的转变温度T g 点相适应，如果钾盐熔点过高容易软化变形，同时要求不易挥发和分解，毒性小，不易燃易爆对玻璃侵蚀性小。

多用钾盐如硝酸钾（KNO 3）、亚硝酸钾（KNO 2）等。

KNO 3熔点334℃，KNO 2熔点440℃是常用的熔盐，即可单独使用也可配成混合熔盐。

浸渍法钢化常用到添加剂包括加速剂和保护剂两种。

加速剂可以加快离子交换速度降低反应时间改善表面质量，常见的加速剂有KOH 、K 2CO 3、KF 、K 3PO 4、K 2SiO 3、K 2Cr 2O 7、K 2SO 4、KCl 、KBF 4等。

浸渍法低温化学钢化熔盐配方表
编号NO.1NO.2NO.3NO.4NO.5NO.6NO.7NO.8NO.9NO.10NO.11NO.12NO.13 KNO396.594.59299.950999087.57290988099.9 KNO250
K2SiO30.2510.1
KOH<0.5
K3PO40.1 K2HPO41
K2Cr2O751017
K2SO45 2.5115
KCL52
KBF420
Al2O30.25<5 3.5
硅藻土 3.5
化学强化设备结构
◆玻璃化学强化炉设备主要有5个部分组成⏹预热及退火炉
⏹化学反应槽⏹吊篮
⏹人员维护通道⏹
控制柜
B 区吊篮区域
预热/退火炉预热/退火炉
A 区吊篮区域
反应槽
人员通道
放片吊篮。