詹少杰

摘要：日用玻璃陶瓷制品以其外观美观如玉，表面光滑易清洗，质地坚硬耐划磨等优点越来越受到消费者的青睐。然而，其制品又具有普通玻璃机械强度低、耐热稳定性差等缺点，需对已成型的玻璃陶瓷制品进行钢化处理。本文探讨了日用玻璃陶瓷制品的物理钢化工艺技术，包括玻璃陶瓷的物理钢化原理、性能，以及影响玻璃陶瓷物理钢化效果的工艺因素等。

关键词：玻璃陶瓷;物理钢化;风冷钢化

1 前 言

GB/T 30771-2014《日用玻璃陶瓷》标准的术语和定义中，对玻璃陶瓷的定义为“由结晶相和玻璃相构成的一类复合材料，一般通过对玻璃进行适当加热处理以使玻璃体内产生足量结晶相而获得”;对日用玻璃陶瓷的定义为“供日常使用的玻璃陶瓷制品”。玻璃是一种非晶态的无机非金属材料，玻璃陶瓷是由足量微晶和玻璃构成的复相无机材料，玻璃陶瓷由结晶相和玻璃相二者构成。

玻璃陶瓷制品具有陶瓷的外观，玻璃的特性，存在机械强度低、热稳定性差等特点，必须对玻璃陶瓷制品进行特殊的处理，玻璃陶瓷制品经过物理的方法处理，使其表面层产生均匀分布的永久应力，从而获得高强度和高热稳定性的玻璃陶瓷加工方法称为玻璃陶瓷的物理钢化。

2 玻璃陶瓷的物理钢化原理

将玻璃陶瓷制品加热至接近软化温度（其黏度值高于108Pa·s），然后将制品均匀快速冷却，使制品外部因迅速冷却而固化，而内部冷却较慢。当内部继续冷却收缩时玻璃陶瓷表面产生压应力，内部则产生张应力，如图1（a）。通过这样的热处理，玻璃陶瓷制品的机械强度和热稳定性得到大幅度的提高。

当玻璃陶瓷受荷载压力时，玻璃上表层受到张应力，下表层受到压应力，如图1（b）。玻璃的抗张应力较低，超过抗张强度时玻璃破裂，所以退火玻璃陶瓷的强度不高。如果负载加到钢化玻璃陶瓷上，其表面上层的压应力增大，而所受的张应力较退火玻璃陶瓷小，如图1（c）。 同时在钢化玻璃陶瓷中最大的的张应力不像退火玻璃陶瓷存在于表面上而移向厚度的中心。由于玻璃耐压强度较抗张强度几乎大数倍，所以钢化玻璃陶瓷在相同的负载下不破裂。另外在钢化过程中，玻璃表面上微裂纹受到强烈压缩，同样也使钢化玻璃陶瓷的机械强度提高。同理，当钢化玻璃陶瓷骤然经受急冷时，在其外层产生的张应力被其外层原本存在的方向相反的压应力所抵消，使其热稳定性大大提高。

3 玻璃陶瓷风冷钢化的主要设备及工艺

（1）日用玻璃陶瓷一般采用风冷方式进行物理钢化。钢化玻璃电炉是风冷钢化玻璃陶瓷的主要设备之一，对电炉的要求是炉内温度一定要分布均匀，炉温升温曲线要易控制，对各升温区间温度波动小，加热均匀。随着工业自动化控温技术的提高，可采用计算机对钢化加热电炉进行控制，以保证炉温的稳定性，减小炉温波动，有利于提高玻璃陶瓷的钢化质量。风栅是风冷钢化玻璃陶瓷的另一主要设备。风栅在玻璃陶瓷钢化过程中的作用是均匀急速地冷却在电炉中加热后的玻璃陶瓷，以提高其机械强度。为达到均匀、急速冷却产品的目的，风栅应安装在紧挨电炉产品出炉端的位置上，并由强力鼓风机提供高压大流量的冷却风。如图2。

（2）经过退火后检测合格的玻璃陶瓷产品由不锈钢网带从产品入口传送进钢化玻璃电炉，依次通过由低温到高温的各加温区间，各加温区间的温度按钢化升温曲线预先设定，并由温控系统自动控温。产品从最后的高温区（温度低于玻璃陶瓷的软化温度）由不锈钢网带传送出炉，进入由上下风栅组成的急冷区淬火，再经冷却风扇降温至室温，检测合格后，即为钢化玻璃陶瓷成品。如图2。

4 钢化玻璃陶瓷的性能

钢化玻璃陶瓷同退火玻璃陶瓷相比较，其抗弯强度、抗冲击强度以及热稳定性等都得到很大的提高。

（1）钢化玻璃陶瓷的抗弯强度要比退火玻璃陶瓷大4～5倍，挠度大3～4倍。钢化玻璃陶瓷的应力分布，在玻璃厚度方向上呈抛物线型。表面层为压应力，内层为张应力，见图3（a），当其受到弯曲载荷时，由于力的合成作用，最大应力值不在玻璃表面，而是移向玻璃内层，这样玻璃就可以经受更大的弯曲载荷，见图3（b）、（c）。

（2）钢化玻璃陶瓷的抗冲击强度较普通退火玻璃陶瓷大好几倍，如厚6mm的普通玻璃陶瓷为0.24kg/m，同样厚度的钢化玻璃陶瓷可达0.83 kg/m。

（3）钢化玻璃陶瓷的抗张强度提高，弹性模量下降，另外在钢化加热过程中，玻璃陶瓷表面裂纹减小，表面状况得到改善，热稳定性也就随之得到提高。一般玻璃只能经受70～100℃的温度突变，而钢化玻璃陶瓷可经受的温度突变范围可达150～200℃。

（4）钢化玻璃陶瓷的安全性能。钢化玻璃陶瓷制品遭到破坏时首先是在内层，由张应力作用引起破坏的裂纹传播速度很大，同时外层的压应力有保持破碎的内层不易散落的作用，因此钢化玻璃陶瓷在破裂时，会产生没有尖角的小碎片。另外，钢化玻璃陶瓷中有很大的互相平衡的应力分布，这也是钢化玻璃陶瓷一般不进行切割、打磨等加工的原因。

5 影响玻璃陶瓷钢化的工艺因素

当一定的厚度的玻璃陶瓷淬火时，玻璃陶瓷中产生的应力大小是随着淬火温度和冷却强度的提高而增大的。当淬火温度达到一定温度值时，应力松弛程度几乎不再增加，应力趋于一极限值，此极限值即为玻璃陶瓷的淬火程度。它取决于玻璃陶瓷的冷却强度、玻璃厚度和化学组成。

5.1冷却强度

在工业生产中，一般钢化玻璃陶瓷采用风冷的方式进行物理钢化，冷却强度越大，钢化就越激烈。但冷却强度取决于空气的风压和风栅上小孔与制品的距离。另外，风栅喷嘴的直径越大，空气接触制品的面积越大，冷却强度也越高。

5.2玻璃陶瓷的化学组成

玻璃陶瓷的化学组成对淬火程度影响很大，因为应力的大小与玻璃陶瓷的热膨胀系数、弹性模量和温度梯度成正比，而热膨胀系数、弹性模量和温度梯度都是由玻璃陶瓷的化学组成所决定的，不同的化学组成其淬火程度是不同的。另外，碱金属氧化物的引入能增加玻璃陶瓷的钢化程度。碱金属氧化物R2O含量多，玻璃陶瓷的热膨胀系数大，料性长，有利于提高淬火程度。R2O·SiO2中用20%R2O取代SiO2时玻璃陶瓷的钢化程度约增加一倍。但碱金属处于元素周期表中的位置越低，则钢化程度增加的倾向也越小。

5.3玻璃陶瓷制品的厚度

玻璃陶瓷急冷淬火时，冷却强度还与制品的厚度有关。一般而言，厚制品比薄制品更易钢化，玻璃越厚淬火程度越高。玻璃陶瓷制品的鋼化一般要求厚度在3mm以上，以保证产生较大的永久应力。厚度小，需要极高的冷却强度才能得到较好的淬火程度。对于日用玻璃陶瓷制品钢化，要求厚度要均匀，相差不能太大，否则会因应力分布不均而破裂。

5.4钢化玻璃电炉各区间的温度

电炉各区间横截面的温度应相对稳定、波动范围小，产品经过时才能受热均匀，否则受热不均匀会致使同一产品内部应力分布不均匀，出炉后出现自爆。

6 讨论与结语

根据日用玻璃陶瓷的物理钢化原理、工艺过程、性能要求及工艺影响因素，可从以下几个方面对工艺加以改善。

（1）靠近电炉的风管和风栅受到辐射加热，导致风的温度升高，降低了钢化质量。在风管周围通入冷却水，可以避免风温的升高，可提高钢化质量，提升产品的强度和热稳定性。

（2）使各加温区间温度相对稳定、波动范围小，可在各升温区增设循环风机，加强区间的热气流通，保证产品受热均匀，提高产品热稳定性。

（3）在产品成型时，注意控制产品的厚度差，不要有明显的厚薄边，尽量保持产品厚度一致。急冷淬火时调节适宜的风压和风栅与产品的距离。

总之，我们广大的玻璃陶瓷从业人员应该根据玻璃陶瓷的钢化原理、工艺、性能要求以及各种工艺影响因素等，在生产实践中不断探索，吸收、学习新技术、新工艺，提升玻璃陶瓷制品的钢化质量。

参考文献

[1] GB/T 30771-2014，日用玻璃陶瓷[S].北京：中国标准出版社，2014.

[2] 赵彦钊，殷海荣.玻璃工艺学[Z].北京：化学工业出版社，2006

[3] 詹建怀.日用玻璃陶瓷生产新技术[J].陶瓷，2017，6：18-21.