1、第15章 玻璃的退火与钢化玻璃制品在生产过程中（即由熔融状态的 玻璃液变成脆性固体玻璃制品），玻璃经受激烈的不均匀的温度变化，使内外层产生温度梯度，硬化速度不一样，引起制品中产生不规则的热应力。这种热应力能降低制品的机械强度和热稳定性，也影响玻璃的光学均一性，若应力超过制品的极限强度，便会自行破裂。所以玻璃制品中存在不均匀的热应力是一项重要的缺陷。 退火是一种热处理过程，可使玻璃中存在的热应力尽可能地消除或减小至允许值。除玻璃纤维和薄壁小型空心制品外，几乎所有玻璃制品都需要进行退火。对于光学玻璃和某些特种玻璃，退火要求十分严格，必须在退火的温度范围内保持相当长的时间，使它各部分的结构均匀，然后
2、以最小的温差进行降温，以达到要求的光学性能，这种退火称为精密退火。玻璃制品存在热应力并不经常是有害的。若通过人为的热处理过程使玻璃表面层产生有规律的、均匀分布的压应力，还能提高玻璃制品的机械强度和热稳定性。这种热处理方法称为玻璃的钢化。化学组成相同的玻璃钢化与不钢化具有截然不同的性能。但并非所有的玻璃制品都能进行钢化。15.1 玻璃中的应力物质内部单位截面上的相互作用力称为内应力。玻璃的内应力根据产生的原因不同可分为三类：因温度差产生的应力，称为热应力；因组成不一致而产生的应力，称为结构应力；因外力作用产生的应力，称为机械应力。15.1.1 玻璃中的热应力玻璃中的热应力按其存在的特点，分为暂时
3、应力和永久应力。15.1.1.1 暂时应力温度低于应变点而处于弹性变形温度范围内的玻璃，在加热或冷却的过程中，即使加热或冷却的速度不是很大，玻璃的内层和外层也会形成一定的温度梯度，从而产生一定的热应力。这种热应力，随着温度梯度的存在而存在，随着温度梯度的消失而消失，所以称为暂时应力。图15-l表明玻璃经受不同的温度变化时，暂时应力的产生和消失过程。设一块一定厚度、没有应力的玻璃板，从常温加热至该玻璃应变点以下某一温度，经保温使整块玻璃板中不存在温度梯度图15-l(a)。再将该玻璃板双面均匀自然冷却，因玻璃导热能差，所以表面层的温度急剧下降，而玻璃内层的温度下降缓慢。因此，在玻璃板中产生了温度梯
4、度，沿着与表面垂直的方面温度分布曲线呈抛物线型，如图15-l所示。玻璃板在冷却过程中，处于低温的外层具有较大的收缩，但这种收缩受到温度较高收缩较小的内层的阻碍，不能自由缩小到它的正常值而处于拉伸状态，产生了张应力。而内层则由于外层收缩较大而处于压缩状态，产生了压应力。这时在玻璃板厚度方向的应力变化，是从最外层的最大张应力值，连续地变化到最内层的最大压应力值。在由张应力变化到压应力的过程中，其间存在着某一层的张应力同压应力大小相等，方向相反，相互抵消。该层压应力为零，称为中性层。玻璃冷却到外表层温度接近外界温度时，外层体积几乎不再收缩。但此时玻璃内层的温度仍然较高，将继续降温，体积继续收缩。这样
5、外层就受到内层的压缩，产生压应力。而内层的收缩则受到外层的拉伸，产生张应力。其应力值随内部温度的降低而增加，直到温差消失为止。这时内外层产生的应力方向，刚好同冷却过程中玻璃所产生的应力方向相反，而大小相等。互相可以逐步抵消，如图15-l(e)所示。所以在玻璃冷却到内外层温度一致时，玻璃中不存在任何热应力，如图15-l(f)所示。同理，一块没有应力的玻璃在加热到应变点以下的某一温度的过程中，也会产生这种暂时应力。应力的产生和消失过程与在冷却过程中应力的产生和消失相同，只是方向相反。即外层为压应力，内层为张应力。综上所述，温度均衡以后玻璃中的暂时应力随之消失。但应指出，当暂时应力值超过玻璃的极限强
6、度时，玻璃同样会自行破裂，所以玻璃在脆性温度范围内的加热或冷却速度也不宜过快。但可以利用这一原理以急冷的方法切割管状物和空心玻璃制品。图15-1 玻璃暂时应力的产生及消除示意图15.1.1.2 永久应力当玻璃在常温下，内外层温度均衡后，即温度梯度消失后，在玻璃中仍然存在着热应力，这种应力称为永久应力或残余应力。用图l5-2来说明玻璃中产生永久应力的原因及其形成过程。将一块没有应力的玻璃板，加热到高于应变点以上某一温度，如图15-2(a)所示。经均热后的玻璃板，令其两面均匀自然冷却，经一定时间后玻璃中的温度分布呈抛物线型，如图15-2(b)所示，形成温度差。玻璃外层温度低，收缩值大，在降温收缩过
7、程中受内层阻碍，产生张应力。而内层的温度高收缩小受外层收缩的压力作用，产生压应力。但由于玻璃的温度在应变点以上时具有粘弹性，质点的热运动能力较大，玻璃内部结构基团问可以产生位移和变形，使由温度梯度所产生的内应力得以消失，这个过程称为应力松弛。这时玻璃内外层虽然存在温度梯度，但不存在应力。但当玻璃在应变温度以一定的速度冷却时，玻璃从粘性体逐渐地转变为弹性体，内部结构基团之间的位移受到限制，由温度梯度所产生的应力不能全部消失。当外表层冷却到室温时，玻璃存在的内应力为由温度梯度所应该产生的应力P减去因基团位移被松弛的部分应力x，即用P-x表示。当玻璃继续冷却到室温，均热后玻璃的表面层产生压应力，而内
8、层产生张应力。所以，在玻璃的温度趋于同外界温度一致的过程中，玻璃内保留下来的热应力，不能刚好抵消温度梯度消失所引起的反向应力。即玻璃冷却到室温，内外层温度均衡后，玻璃中仍然存在应力。其应力的大小为(P-x)-P=-x，如图l5-2(e)所示。综上所述，玻璃内永久应力的产生是在应变温度范围内，应力松弛的结果。应力松弛的程度取决于在这个温度范围内的冷却速度、玻璃的粘度、膨胀系数及制品的厚度。为了减少永久应力的产生，应根据玻璃的化学组成、制品的厚度，选择适当的退火温度和冷却速度，使其残余应力值在允许的范围内。图15-2 玻璃中永久应力产生示意图15.1.2玻璃中的结构应力玻璃中因化学组成不均匀导致结
9、构上不均匀而产生的应力，称为结构应力。结构应力属永久应力。例如在玻璃的熔制过程中由于熔制均化不良，使玻璃中产生条纹和结石等缺陷，这些缺陷的化学组成与主体玻璃不同，其膨胀系数亦有差异，如硅质耐火材料结石的膨胀系数为6l0-6-1，而一般玻璃为910-9-1左右。在温度到达常温后，由于不同膨胀系数的相邻部分收缩不同，使玻璃产生应力。这种由于玻璃固有结构所造成的应力，显然是不能用退火的办法来消除的。在玻璃中只要有条纹、结石的存在，就会在这些缺陷的内部及其周围的玻璃体中引起应力。除上述因熔制不均造成的结构应力外，不同膨胀系数的两种玻璃间及玻璃与金属间的封接，套料等都会引起结构应力的产生。应力的大小取决
10、于两种相接物的膨胀系数差异程度。如果差异过大，制品就会在冷却中炸裂。造型不妥引起散热不均，也是产生结构应力的原因之一。15.1.3玻璃的机械应力机械应力是指外力作用在玻璃上，在玻璃中引起的应力。它属于暂时应力。随着外力的消失而消失。机械应力不是玻璃体本身的缺陷，只要在制品的生产过程及机械加工过程中所施加的机械力不超过其机械强度，制品就不会破裂。15.1.4 玻璃中应力的表示和测定15.1.4.1 玻璃中应力的表示方法玻璃中的应力，常用偏振光通过玻璃时所产生的双折射来表示，这种方法便于观察和测量应力。无应力的优质玻璃是均质体，具有各向同性的性质。光通过这样的玻璃，其各方向上速度相同，折射率亦相同
11、，不产生双折射现象。当玻璃中存在应力时，由于受力部位玻璃的密度发生变化，玻璃成为光学上的各向异性体，偏振光进入有应力的玻璃时，就分为两个振动平面相互垂直的偏光，即双折射现象。它们在玻璃中的传播速度也不同，这样就产生了光程差。因此，光程差是由双折射引起的。双折射的程度与玻璃中所存在的应力大小成正比，即玻璃中的应力与光程差成正比。受单向应力F的玻璃单元体(如图15-3)，当光线沿Z轴通过时，y方向的折射率ny，与X、Z方向的折射率nx、nz不同，因此沿X及Z方向通过的光线即产生双折射，其大小与玻璃中应力F成正比。n=ny-nz=(C1-C2)F=BF (15-1)式中n通过玻璃两个垂直方向振动光线
12、的折射率差 B应力光学常数。当n以nm/cm表示时，B的单位为布，1布=10-12Pa-1 F应力，Pa C1、C2光弹性系数如果玻璃中某点有三个相互垂直的正应力Fx、Fy、Fz，光线沿与Fx、Fy方向垂直的Z轴通过，产生的双折射以下式表示： n=B(Fx-Fy) 当Fy=0时，n=BFx 应力Fz同光线处于平行方向，对双折射的光程差没有影响。 当Fx=Fy，则n=0，这说明均匀分布的应力对与其垂直的光线不产生双折射。一些玻璃的应力光学常数列于表15-1。玻璃中的应力同双折射成正比，即同光程差成正比，所以可用测量光程差的办法间接测量应力的大小。图15-3 应力玻璃单元体折射率示意图表15-1
13、玻璃的应力光学常数玻 璃 种 类B/(10-12Pa-1)玻 璃 种 类B/(10-12Pa-1)石英玻璃3.46一般冕牌玻璃2.6196二氧化硅玻璃3.67轻 钡 冕2.88低膨胀硼酸盐玻璃3.87重 钡 冕2.18铝硅酸盐玻璃2.63轻 燧3.26低电耗的硼酸盐玻璃4.78钡 燧3.16平板玻璃2.65中 燧3.18钠钙玻璃2.442.65重 燧2.71硼硅酸盐冕牌玻璃2.99特 重 燧1.21一般玻璃的应力光学常数约为2.8510-12Pa-1。设玻璃单位厚度上光程差为（nm/cm），则t=， t， 代入上式式中 玻璃单位厚度上的光程差，nm/cm V光在空气中的传播速度Vy，Vz光在玻
14、璃中沿x及y方向的速度ty、tx光沿x、y方向通过玻璃的时间d玻璃厚度，cm因为 nBF所以 nBFF= （15-2）玻璃中光程差可用偏光仪测定。按公式（15-2）求出的应力值，其单位为Pa；也可以用玻璃单位厚度上光程差来直接表示，其单位为nm/cm。15.1.4.2 各种玻璃的允许应力各种玻璃制品用途不同，其允许存在的永久应力值也不同，列于表15-2中。其数值大约为玻璃抗张极限强度的1%5%，表15-2中是以光程差表示的允许应力值。表15-2 各种玻璃的允许应力（以光程差表示）玻 璃 种 类允许应力/（nm/cm）玻 璃 种 类允许应力/（nm/cm）光学玻璃精密退火25镜玻璃3040光学玻
15、璃粗退火1030空心玻璃60望远镜反光镜20玻璃管120平板玻璃2095瓶罐玻璃5040015.1.4.3 玻璃内应力的测定方法(1) 偏光仪观察法偏光仪是由起偏镜和检偏镜构成如图15-4。光源1的白光以布儒斯特角(57)通过毛玻璃5入射到起偏镜2，由其产生的平面偏振光经灵敏色片3到达检偏镜4。检偏镜的偏振面与起偏镜的偏振面正交。灵敏色片的双折射光程差为565纳米，视场为紫色如果玻璃中存在有应力，当玻璃被引入偏振场中时，视场颜色即发生变化，出现干涉色。根据玻璃中干涉色的分布和性质，可以粗略估计出应力大小和部位。观察转动的玻璃局部有强烈颜色变换时，可推断它存在较大和不均匀应力。颜色变换最多的地方
16、，应力最大。灵敏色片光程差与玻璃应力产生的光程差相加或相减，可使玻璃中存在的很小应力明显观察出来。图15-4 偏光仪结构示意图(2) 干涉色法干涉色法可以进行定量测定。将被测玻璃试样放入偏光仪的正交偏光下使玻璃与水平面成45角，这时确定视场中所呈现的颜色，然后向左右两方向转动玻璃，根据两个方向上的最大的颜色变化，按表15-3查出其对应的光程差。如仪器中装有灵敏色片，必须考虑到灵敏色片固有的程差。一般引起视场呈紫色的灵敏色片，其程差为565纳米。转动玻璃时视场颜色变化为玻璃与灵敏色片的总光程差。当玻璃的应力为张应力时，视场总光程差为玻璃固有光程差同灵敏色片光程差之和，玻璃的光程差为视场总光程差减
17、去565纳米。当玻璃的应力为压应力时，视场总光程差为灵敏色片光程差同玻璃固有光程差之差，玻璃的光程差为565纳米减去视场总光程差。加有灵敏色片时，视场颜色与光程差的关系如表15-3。表15-3 正交偏光下视场颜色与光程差的关系颜 色总 光 程 差/nm（压应力下）颜 色总 光 程 差/nm（张应力下）铁灰50蓝640灰白200绿740黄300黄绿840橙422橙945红530红1030紫565紫1100蓝绿1200绿1300黄1400橙1500(3) 补偿器测定法在正交偏光下用补偿器来补偿玻璃内应力所引入的相位差。仪器的检偏器由尼科尔棱镜、旋转度盘及补偿器组成。在测定时，旋转检偏器，使视场呈黑
18、色。放置玻璃后，如有双折射，视场中可看到两黑色条纹隔开的明亮区。旋转检偏器，重新使玻璃中心变黑，记下此时检偏器的位置，根据检偏角度差，按下式计算玻璃光程差： (15-3)式中 玻璃的光程差，nm/cm 检偏镜旋转角度差， d玻璃中光通过处的厚度，cm此法可以测出5nm的光程差。表15-4 加有灵敏色片时视场颜色与光程差的关系张 应 力 时 的 颜 色光 程 差/nm张 应 力 时 的 颜 色光 程 差/nm黄325红35黄 绿275橙108绿175淡 黄200蓝 绿145黄265蓝75灰 白33015.1.4.4测试应力需注意的问题(1) 所有方法测出的均是相互垂直的两主应力的差值。如果两主应
19、力相等，即使应力值很大，测出的应力也是零，这种现象经常会产生误导，使人容易忽略实际存在的应力。因此，一般选择主应力之一为零的部位作为测量点。(2) 只有垂直于光路的应力才能测出。如果一维主应力平行于光透射方向，则也会得出不存在应力的错误结论。另一方面，此特性也常被用来解决上述(1)条所讨论的问题，如玻璃中存在二维应力，应使主应力之一平行于光路，从而准确测出另一主应力值。(3) 测出的应力是光经过的玻璃内不同位置应力的代数和。如果一个玻璃瓶壁的外表面存在压应力、而内表面是张应力，光从瓶身一侧射进、从另一侧射出，则测得的应力是各处应力的平均值，各处的实际应力很可能远大于此平均值。(4) 光的入射方
20、向须与玻璃表面垂直。异型制品须浸入与玻璃折射率相同的液体中，以杜绝反射、折射等现象产生的光学作用，这些作用会干扰应力干涉色，影响应力测量精度。应力测定并不是一项高难度的工作，但它涉及的因素多，且容易混淆，稍不注意就会得出错误甚至相反的结果。在实际测定之前，一定要先分析造成玻璃制品失效的应力因素，选择合理的测定方法与步骤。应力测定的目的是反馈给玻璃生产工段，为其采用更合适的热处理设备、制定更合理的热处理工艺提供依据。因此应力测定既是检验工序的工作，更重要的应该是工艺过程控制的一环，应力测定与生产工艺应紧密结合在一起。15.2 玻璃的退火玻璃的退火，是为了减少或消除玻璃在成形或热加工过程中产生的永
21、久应力，提高玻璃使用性能的一种热处理过程。15.2.1 玻璃中应力的消除根据玻璃内应力的形成原因，玻璃的退火实质上是由两个过程组成，应力的减弱和消失；防止新应力的产生。玻璃没有固定的熔点，从高温冷却，经过液态转变成脆性的固态物质，此温度区域称为转变温度区域，上限温度为软化温度，下限温度为转变温度。在转变温度范围内玻璃中的质点仍然能进行位移，即在转变温度附近的某一温度下，进行保温、均热，可以消除玻璃中的热应力。由于此时玻璃粘度相当大，应力虽然能够松弛，但不会影响制品的外形改变。(1) 应力的松弛玻璃在转变温度以上属于粘弹性体，由于质点的位移使应力消失称为应力松弛。根据马克斯威尔(Max well
22、)的理论在粘弹性体中应力消除速度，用下列方程表示： =-MF (15-4)式中 F应力 M比例常数(与粘度有关) 阿丹姆斯及威廉逊(Adams和Williamson)通过实验得出玻璃在给定温度保温时，应力消除的速度符合下式： =-A2 (15-5)积分得： =+At (15-6)式中 0开始保温时玻璃的内应力，Pa 经过时间t后玻璃的内应力，Pa A退火常数，与玻璃的组成及应力消除的温度有关 在较高的温度及低温保温的后期，阿丹姆斯和威廉逊方程比较接近实际，是简单而实用的。如以双折射以n (nm/cm)表示应力，即nB，noBo，则方程(15-6)变为: - = At (15-7)式中 A=A/
23、B 退火常数，随玻璃组成及温度而变化 B应力光学常数退火常数A，随保温均热T的升高而以指数率递增：lgAM1T-M2 (15-8)式中 M1，M2应力退火常数，取决于玻璃组成硅酸盐玻璃的M1值几乎一致，约为0.0330.005，M2值则相差较大。由上式可以看出，保温温度T愈高，则A值愈大，应力松弛的速度也愈大。不同组成玻璃的M1和M2列于表15-5表15-5 不同组成玻璃的M1和M2/mass%SiO2B2O3Al2O3PbOBaOZnOCaOK2ONa2OBM1M267124892.850.03018.6873121142.570.02917.3547412911532.810.03220.
24、1040634382.150.03824.954624158433.100.02816.285435563.200.03315.924548433.130.03818.34(2) 冷却时应力的控制冷却时，玻璃中应力的产生与冷却速度、制品的厚度及其性质有关。根据阿丹姆斯和威廉逊提出的内应力与冷却速度之间的关系式：（a2-3x） (15-9)式中 热膨胀系数 E弹性模量 冷却速度 导热系数 a板厚的一半 x所测定的距离 泊松比(薄板材料在受到纵向拉伸时的横向压缩系数)由(15-9)式可知，在冷却过程中温度梯度的大小是产生内应力的主要原因，冷却速度愈慢，温度梯度愈小，产生的应力也就很小。另外内应力的
25、产生与应力松弛有关，松弛速度愈慢，产生的永久应力愈小。当松弛速度为零时，则在任何冷却速度下，玻璃也不会产生永久应力。根据各种玻璃允许存在的内应力，可以利用上式计算冷却速度以防止内应力的产生。15.2.1 玻璃的退火温度(1) 玻璃的退火温度及退火温度范围玻璃中内应力的消除与玻璃的粘度有关，粘度愈小，内应力的消除愈快。为了消除玻璃中的内应力，必须将玻璃加热到低于转变温度Tg附近的某一温度进行保温均热，使应力松弛。选定的保温均热温度，称为退火温度。退火温度可分为最高退火温度和最低退火温度。最高退火温度是指在该温度下经3min能消除应力95，一般相当于退火点(=1012Pas)的温度，也叫退火上限温
26、度。最低退火温度是指在此温度下经3min仅消除应力5，也叫退火下限温度。最高退火温度至最低退火温度之间称为退火温度范围。大部分器皿玻璃最高退火温度为550土20；平板玻璃为550570；瓶罐玻璃为550600；铅玻璃为460490；硼硅酸盐玻璃为560610。低于最高退火温度50150的温度为最低退火温度。实际生产中常采用的退火温度，都低于玻璃最高退火温度2030。(2) 退火温度与玻璃组成的关系玻璃的退火温度与其化学组成密切相关，凡能降低玻璃粘度的成分，均能降低退火温度。如碱金属氧化物的存在能显著降低退火温度，其中Na2O的作用大于K2O。SiO2，CaO和A12O3能提高退火温度。PbO和
27、BaO则使退火温度降低，而PbO的作用比BaO的作用大。ZnO和MgO对退火温度的影响很小。含有B2O315%20的玻璃，其退火温度随着B2O3含量增加而明显地提高。如果超过这个含量时，则退火温度随着含量的增加而逐渐地降低。 根据奥霍琴经验公式计算出粘度=1012 Pas时的温度，即玻璃的最高退火温度。 T=AX+BY+CZ+D (15-10)常数A、B、C、D，见粘度一章。 根据表15-6已知玻璃组成的最高退火温度和表15-7组成氧化物含量变换1时对退火温度的影响，计算玻璃的最高退火温度。例如求组成为SiO272.5，CaO 8.4， A12O3 1.5，MgO 1.64，Na2O 13.8
28、，Fe2O3 0.2的玻璃最高退火温度。先在表15-6中选择与所求玻璃组成氧化物相同并含量比较接近的玻璃SiO274.76、A12O3 0.93、CaO 7.52、MgO 1.64、Na2O 14.84，Fe2O3 0.08，作为基准玻璃，其最高退火温度为524。按表15-6计算基准玻璃与所求玻璃组成氧化物变换后，对退火唯独的影响为：A12O3(+3)(1.5-0.93)=1.71()CaO=(+6.6)(8.4-7.52)=5.81()MgO=(+3.5)(3.6-1.64)=6.9()Na2O=(-4)(13.8-14.8)=4.16()所求玻璃的最高退火温度为：524+1.71+5.81
29、+6.9+4.16542.6表15-6 几种玻璃的最高退火温度SiO2CaOMgONa2OK2OA12O3Fe2O3PbOB2O3MnO2最高退火温度/72.65.53.716.50.90.853073.25.63.716.51.51.054074.5910.3814.228.450.2158174.139.4713.542.670.0956274.257.9112.725.230.071.256066.3317.2815.890.520.0649682.830.0216.890.280.0852272.299.7615.650.720.0656068.3410.2616.622.502.10
30、57074.5910.380.3014.228.450.2158174.767.521.5414.840.930.0852467.7818.650.460.0812.5646559.3412.310.430.0627.7744675.388.406.149.380.650.072.0558862.428.906.268.060.620.0813.6561057.819.550.9831.2652364.007.0011.510.07.0063071.0010.2018.667066.455.407.8513.71.51.1053572.001.551.457.2010.458.1556052.
31、499.601.4549047.006.0448531.602.8565.3537015-7 保持玻璃粘度=1012 Pas时，组成氧化物变换1时对退火温度的影响取代氧化物取 代 氧 化 物 在 玻 璃 中 含 量/mass%0551010151520202525303035354040505060Na2O-4.0-4.0-4.0-4.0-4.0K2O-3.0-3.0-3.0MgO+3.5+3.5+3.5+3.5+3.5CaO+7.8+6.6+4.2+1.8+0.40ZnO+2.4+2.4+2.4+1.8+1.2+0.40BaO+1.40-0.2-0.9+1.1-1.6-2.0-2.6PbO-
32、0.8-1.4+1.8-2.4-2.6-2.8-3.0-3.1-3.1B2O3+8.2+4.8+2.6+0.4-1.5-1.5-2.6-2.6-2.8-3.1A12O3+3.0+3.0+3.0+3.0Fe2O300-0.6-1.7-2.2-2.8-2.8注：“+”表示温度升高，“-”表示温度降低。(3) 玻璃退火温度的测定玻璃退火温度的测定除用上述方法确定外，还可用下列方法进行测定。粘度记法：用粘度计直接测量玻璃的粘度=1012 Pas时的温度，但所用设备复杂，测定时间长，工厂一般不常采用。 热膨胀法：一般玻璃热膨胀曲线由两部分组成：低温膨胀线段及高温膨胀线段，这两个线段延长线交点的温度，约等
33、于Tg的温度，亦即最高退火温度的大约数值。它随升温速率的不同而变化，平均偏差为15。差热法：用差热分析仪测量玻璃试样的加热曲线或冷却曲线。玻璃体在加热或冷却过程中，分别产生吸热或放热效应。加热过程中吸热峰的起点为最低退火温度，最高点为最高退火温度。冷却过程中放热峰的最高点为最高退火温度，而终止点为最低退火温度。双折射法：在双折射仪的起偏镜及检偏镜之间设置管状电炉，炉中放置待测玻璃试样，以24/min的速率升温。观察干涉条纹在升温过程中的变化，应力开始消失时，干涉色条纹也开始消失，这时就是最低退火温度；当应力全部消失时，干涉条纹也完全消失，这时的温度比Tg较高。 试验证明，边长1厘米的立方体玻璃
34、样品，当升温速率为1/min时，干涉色完全消失的温度，接近于用粘度计法所测得的粘度=1012 Pas时的温度，即最高退火温度。其最大误差不超过3。15.2.2 玻璃的退火工艺玻璃制品的退火工艺过程包括加热、保温、慢冷及快冷四个阶段。根据各阶段的升温、降温速度及保温温度、时间可作温度与时间关系的曲线，如图15-5。此曲线称为退火曲线。图15-5 玻璃退火温度制度曲线图(1) 加热阶段 按不同的生产工艺，玻璃制品的退火分为一次退火和二次退火。制品在成形后立即进行退火的，称为一次退火。制品冷却后再进行退火的，称为二次退火。无论一次退火还是二次退火，玻璃制品进入退火炉时，都必须把制品加热到退火温度。在
35、加热过程中玻璃表面产生压应力，内层产生张应力。此时加热升温速度可以相应地快些。但考虑玻璃制品厚度的均匀性，制品的大小、形状及退火炉中温度分布的均匀性等因素，都会影响加热升温速度。为了安全起见，一般技术玻璃取最大加热升温速度的15%20，即采用/min加热升温速度。光学玻璃制品要求更严，加热升温速度小于/min。其中a为玻璃制品厚度，单位cm，(实心制品为其厚度的一半)。 (2) 保温阶段 将制品在退火温度下进行保温，使制品各部分温度均匀，并消除玻璃中固有的内应力。在这阶段中要确定退火温度和保温时间。退火温度可根据玻璃的化学组成计算出最高退火温度。生产中常用的退火温度比最高退火温度低2030，作
36、为退火保温温度。 当退火温度确定后，保温时间可按玻璃制品最大允许应力值进行计算：t= (15-11)式中 t保温时间，min a制品厚度，cm n玻璃退火后允许存在的内应力，nm/cm (3) 慢冷阶段 经保温玻璃中原有应力消除后，为防止在冷却过程中产生新的应力，必须严格控制玻璃在退火温度范围内的冷却速度。在此阶段要缓慢冷却，防止在高温阶段产生过大温差，再形成永久应力。 慢冷速度取决于玻璃制品所允许的永久应力值，允许值大，速度可相应加快。慢冷速度可按下式计算：h=/min (15-12)式中 玻璃制品最后允许的应力值(nmcm) a玻璃的厚度。(实心制品为其厚度的一半) (4) 快冷阶段 快冷
37、的开始温度，必须低于玻璃的应变点，因为在应变点以下玻璃的结构完全固定，这时虽然产生温度梯度，也不会产生永久应力。在快冷阶段内，只能产生暂时应力，在保证玻璃制品不因暂时应力而破裂的前提下，可以尽快冷却。一般玻璃的最大冷却速度为：hc=min (15-13) 在实际生产中都采用较低的冷却速度。对一般玻璃取此值的15%20，光学玻璃取5以下。15.2.3 制定退火制度时的有关问题制定退火制度时还应注意以下几个问题： (1) 退火炉内温度分布不均的影响 目前一般使用的退火炉断面温度分布是不够均匀的，从而使制品的温度也不均匀。为此，设计退火曲线时，对慢冷速度要取比实际所允许的永久应力值低的数值，一般取允
38、许应力值的一半进行计算。(2) 不同制品在同一退火炉内的退火问题 化学组成相同，厚度不同的制品在同一退火炉内退火时，退火温度应按壁厚最小的制品确定，以免薄的制品变形多加热和冷却速度则按壁厚最大值来确定，以保证厚壁制品不致因热应力造成破裂。化学组成不同的制品在同一退火炉内退火时，应选择退火温度最低的玻璃制品作为保温温度。同时采取增加保温时间的措施。(3) 制品固有应力的影响 当快速加热时，除按温差计算暂时应力之外，还应估计固有应力的影响。(4) 制品的厚度和形状的影响 制品壁愈厚，在升温和冷却过程中内外层温度梯度愈大，在退火温度范围内，厚壁制品保温温度愈高，在冷却时其粘弹性应力松弛愈快，制品的永
39、久应力也就愈大。形状复杂的制品应力容易集中，因此它和厚壁制品一样应采用偏低的保温温度，适当延长保温时间。加热和冷却速度都应较慢。(5) 分相对制品的影响 如派来克斯类硼硅酸盐玻璃，在退火温度范围内会发生分相，使玻璃的性质改变。为了避免这种现象，退火温度不能过高，退火时间t也不宜过长，同时要尽力避免重复退火。15.2.4 玻璃的精密退火和退火设备15.2.4.1玻璃的精密退火光学玻璃的退火，除消除其残留的永久应力外，还要具有高度的均匀性和一定的光学常数才能满足使用要求。因此需采用精密退火。 若玻璃从高于Tg温度的某一温度Ti冷却时，在不同的冷却过程中性质上必然会有所差异。如淬火玻璃的折射率和密度
40、，比低温退火玻璃的要小。 如果将玻璃在最高退火温度附近保温相当长时间后，玻璃各部分的结构将趋于均一，其折射率也就趋于均一而达到平衡值。然后，以适当缓慢的速度冷却，使其以最小的温差降至最低退火温度，这样就可以得到折射率较为均一的玻璃。 玻璃的精密退火，常用线性退火曲线，采用较高退火温度，以后按应力的允许值要求，恒速降温至快冷阶段。所以从开始降温到快冷阶段的范围内退火曲线是一直线。这种退火制度的优点是：退火温度高，质量好；规程简单，易于自动控制；可准确计算退火后的折射率，便于光学常数的生产控制；退火时间较短。15.2.4.2玻璃的退火设备根据生产的特点，退火炉分为连续式和间歇式两种。下面分别加以介
41、绍：(1) 连续式退火窑对于单一品种，大批量生产的玻璃制品，常采用连续式退火窑。其特点是窑体空间是隧道式的，沿窑长方向上的温度分布，是按制品退火曲线来控制的。当玻璃制品在窑内通过时，完成了退火的各阶段。采用这种退火窑使生产连续化，还可以实现自动化，退火质量较好，热耗低，生产能力大。图15-6示出网带式退火窑结构。图15-6 网带退火窑示意图这种退火窑主要用于瓶罐及器皿玻璃制品的退火。 为了提高退火质量，降低热耗，减少退火时间，采用以下措施： 进口处设辐射加热器，并降低入口的高度，使制品能快速升温。如图15-6中所示；采用轻体网带，并经隧道中预热再返回入口，以节省热耗；窑体用镍铬合金钢(窑内衬)及普通钢制成。窑墙内用低热容的纤维材料保温。整个窑体隧道是由十几个整体部件组装而成；在加热、保温、慢冷区段，加热元件沿窑墙及窑顶布置，并设有循环风扇。沿窑的长度上，每个区段可单独调整温度；在窑内快冷区段，采用循环风扇，制品温度降至150后就可出窑。在出口处网带上部，设低压风扇。，强制冷却至5060，即可将制品送走。辊道式退火窑主要用于平板玻璃退火，如浮法、平拉法生产的平扳玻璃以及压延玻璃、夹丝玻璃、装饰玻璃的退火。同网带退火窑所采取的改善退火质量的措施相类似，在辊道窑中也采用了多区段(纵向及横向)双面加热或冷却调温设备。如在保温段
