玻璃制品的退火

一加熱時玻璃的應力玻璃是一種不良導熱。在加熱和冷卻過程中，玻璃的外層直接加熱或冷卻，玻璃的內部間接加熱（通過熱傳導將外層熱量驅動到內部）。因此，玻璃表面和內部之間的溫度差（稱為溫度梯度）發(fā)生了。加熱時,直接受熱的玻璃表面溫度高,間接受熱的玻璃內部溫度低,這時受熱的玻璃外層力求膨脹,向四周擴張,而溫度較低的內部企圖維持其原狀,就阻礙著外層的擴張。這樣在玻璃內部就產生了膨脹與反膨脹的作用,也就產生了伸張與壓縮的作用。外層膨脹時有一壓力作用于玻璃內層,玻璃內部受力后產生一個對應的力作用于玻璃外層,壓制玻璃外層向內內膨脹。這樣相互作用的結果就會在玻璃內部產生兩種應力,一種“壓應力”,一種是“張應力”。企圖阻礙玻璃外層向玻璃內部膨脹而作用于外層的力稱作“壓應力”,玻璃外層向內膨脹而作用于玻璃內部的力稱作“張應力”,即一塊玻璃在加熱時,外層產生的是“壓應力”,內部產生的是“張應力”?！皦簯Α奔啊皬垜Α笨偡Q為應力(或內應力)。二玻璃的圍為標準以產生原因為標準可分為熱應力、結構應力和機械應力;以作用范圍為標準可分為宏觀應力(由外力作用或熱作用產生)、微觀應力(玻璃的微觀不均勻區(qū)域中存在的或分相引起的應力)和超微觀應力(玻璃中相當于晶胞大小的體積范圍內存在的應力)。1熱壓力熱應力是玻璃中由于溫度差而產生的應力。按其存在的特點又可分為暫時應力和永久應力。(1)彈性變形溫度as熱應力暫時應力是指當玻璃溫度低于應變點(η=1013.6Pa·S)時處于彈性變形溫度范圍內(η=1014Pa·S),即脆性狀態(tài)時,經(jīng)受不均勻的溫度變化產生的熱應力。其特點是隨溫度梯度的產生而產生,隨溫度梯度的消失而消失。(2)梯度產生的熱應力永久應力是玻璃在高于其應變點時,溫度梯度會引起玻璃結構變化,這種玻璃結構變化在低于應變點時產生并保持的熱應力。其特點是溫度梯度消失后,永久應力不消失。2結構應力與不均勻體結構應力是玻璃中兩部分區(qū)域,化學組成不均勻導致結構不均勻而產生不同的膨脹系數(shù),因而產生的應力,如條紋、結石、節(jié)瘤等不均勻體都會產生結構應力。其特點是:結構應力是由于玻璃固有結構造成的應力,無法通過退火清除。3玻璃中產生的應力機械應力是玻璃制品受到外力作用時玻璃中產生的應力。在低溫下外力撤去后,機械應力隨之消失。如果機械應力超過應力極限,會導致制品破裂。三加熱部位之間的應力集中部位玻璃管在常溫下,經(jīng)燈工噴燈火焰局部加熱吹制成型,被加熱部位與未被加熱部位之間形成一條很窄的熱分界區(qū),這個分界區(qū)就是應力集中的部位。溫度越高,應力越嚴重。在同樣加工溫度條件下,膨脹系統(tǒng)大的玻璃比膨脹系數(shù)小的玻璃應力嚴重。經(jīng)燈工加工而產生應力的分布情況大致有以下幾種:(1)應力與火焰邊緣玻璃管通過操作者雙手在噴燈火焰中旋轉熔融,此時產生的應力不是在熔融部位,而分布在熔融部位的兩側,約在離開火焰邊緣的地方。因為玻璃管是玻璃旋轉加熱,故應力呈環(huán)形線狀出現(xiàn)(在偏光儀下可顯現(xiàn)出),如圖1所示。(2)玻璃管熱時產生的應力玻璃管的開孔、側接及側面內芯焊接、玻璃管加熱時都不旋轉,因此產生的應力分布情況與上述情況不同。此時的應力是分布在熔融部位四周,如圖2所示。(3)旋轉焊接處應力分布環(huán)形接頭是指有內芯的焊接。這時產生的應力分布情況除了與單接頭旋轉熔融的應力部位相同外,在內芯的焊接處也存在較嚴重的應力,如圖3所示。(4)內芯應力與應力盡管玻璃儀器夾套產品的形式多種多樣,但均為兩頭封接。例如普通直型冷凝管,當兩頭封接完畢,不僅外套管上有應力存在,而且內芯也存在嚴重的應力(通常所說的拉力),如圖4所示。如果把它放在偏光儀中,可看到內芯與外套顏色明顯不同(內芯是黃色,外套是深紫色)。在這種情況下,制品極易爆裂。(5)玻璃管可能退火在操作過程中,不小心將強烈氧氣火焰燒到不需要加熱的部位,雖然立刻離開,但如果忘記及時作退火處理,玻璃管內外層會產生很大的溫度差,從而形成塊狀應力,使玻璃管呈網(wǎng)狀表面爆裂。在加工毛細管時,如果未能安全熔融(即內層未達到轉化溫度),也會產生上述情況,見圖5。四玻璃制品退火一般玻璃制品在加工完畢后均要進行退火。所謂退火就是將制品加熱至玻璃的轉化溫度以上,然后緩慢冷卻,使玻璃制品外層和內部的溫度同時降低到轉化溫度以下。其目的是消除應力,避免制品爆裂。一般來說,玻璃的膨脹系數(shù)越大,玻璃管壁越厚,產品形狀越復雜,應力越嚴重,相應的在開始退火時,產品的預熱和冷卻所要求的時間就越長。如硬質玻璃GG-17和95玻璃的退火時間約為2h,而壁厚、大型的鈉鈣玻璃(軟質玻璃)制品卻需要5~6h。此外,玻璃制品應力的消除還與玻璃的粘度有關,粘度越小,應力的消除越快。由于玻璃制品在吹制過程中產生應力情況不同,因此退火的部位也各不相同。玻璃壁厚度不同,退火的程度也會不同。一般要掌握以下原則:(1)薄壁玻璃管小面積熔融的兩側或四周的熱分界區(qū),可用兩倍于熔融面積寬度的氧化性火焰加熱,至火焰發(fā)紅時(玻璃管在火焰中加熱,達到退火溫度左右火焰才發(fā)紅,這是掌握火候的重要標志),漸漸關閉壓縮空氣,讓還原火焰“文火”略微烘一下即可。必須注意,退火時不能將玻璃管燒熔(最多燒至微呈暗紅色),否則將產生新的應力,而退火時間太短或火焰溫度太低,也不能達到退火目的。(2)當玻璃管熔融面積大而火焰寬度不夠時,可移動工件以取得退火效果,也可將熔融部位兩側的熱分界分別加以退火。(3)夾層環(huán)形接頭制品,除采取上述步驟外,應增加“文火”的烘烤時間,目的是縮小內、外層冷卻時的溫度差(使內、外層玻璃管基本上同時冷卻到轉化溫度以下)。(4)毛細管及大型壁厚制品退火時,表層雖已達到退火溫度,火焰也已發(fā)紅,但由于壁厚,玻璃內部很可能還未達到退火溫度。這時應適當延長退火時間(火焰溫度不必提高),冷卻速度也應緩慢。(5)軟質玻璃制品退火時,當達到退火溫度后,溫度需逐步降低,增加“文火