在廣義上,鋼化玻璃自爆一般定義為鋼化玻璃在無直接外力作用下發生自動炸裂的現象。實際上,鋼化加工過程中的自動爆裂與儲存、運輸、使用過程中的自爆是兩個完全不同的概念,二者不可混淆。
鋼化玻璃在生產過程中的自爆一般由玻璃中的砂粒、氣泡等夾雜物及冷加工時造成的缺口、刮傷、爆邊和鋼化不合理等工藝缺陷引起的。
對于玻璃在加工過程中炸裂,應采取以下措施:
選用優質的玻璃原片:玻璃原片對于鋼化玻璃成品質量的玻璃在爐內炸裂是至關重要的。若玻璃內含有氣泡、結石、冷裂紋以及表面劃傷過重都會使用在熱處理過程中產生應力集中,從而容易破裂。但是,浮法玻璃生產線不穩定時也可能出現上述缺陷,應該認真做好每片原片玻璃的質檢工作。
注意預處理方式:切割玻璃時應選用正確角度的刀輪和施加壓力,使玻璃切面的上部裂紋帶很窄,而下部的鏡面較寬,從而獲得良好切口,減少邊部裂紋。玻璃切割后邊部都會存在微裂紋,鋼化前盡量使用拋光邊或精磨邊,減少玻璃微裂紋的存在和對后期使用的影響。角部盡量選用圓形角,減少鋼化過程中的應力集中。一般厚度≥8mm的玻璃要求進行精磨邊,厚度≤6mm的玻璃可以用濕砂帶磨邊機磨邊。
合理設置爐溫:從玻璃受熱及內應力變化分析來看,溫度的劇烈變化是引起玻璃爐內炸裂是主要的外部因素。溫度越高,玻璃厚度方向上溫度梯度越大,內應力越大,玻璃炸裂概率越高。12mm、15mm、19mm厚的玻璃危險性更大。因此,在鋼化溫度范圍內不宜采用過高的溫度。
合理設置輸送速度:當玻璃從上片臺輸入鋼化爐時,玻璃前端先進入爐內受熱膨脹,而處于爐外的玻璃后端較冷。在冷熱交界處平面方向上產生的溫度差,使冷端產生張應力,熱端產生壓應力。輸送速度越快,這種溫差越小。但是,如果加快輸送速度,玻璃迅速處于高溫之中,受熱沖擊增大,即在厚度方向上的溫度梯度相對增大,玻璃爐內炸裂概率隨之增大。因此,在實際生產中就要權衡利弊,然后選擇合理輸送速度。較厚的玻璃宜用慢的速度。
鋼化玻璃在生產之后的搬運、儲存、安裝和使用過程中,有少量產品會突然破裂。自爆可發生在工廠庫房中及出廠后若干年之內。不時見到有關玻璃臺板、淋浴房、工礦燈具玻璃、烤爐門玻璃、玻璃幕墻等鋼化玻璃制品自爆的報道。
鋼化玻璃的自爆機理緣于硫化鎳雜質,是由Banellanty于1961年首次提出的,此后,澳大利亞研究人員對8幢建筑幕墻進行長達12年的跟蹤研究,在共計17760塊鋼化玻璃中,共發生306例自爆,自爆率為1.72%。長期以來,一直有人對鋼化玻璃自爆現象進行研究,目前,已有如下一些解釋。
鋼化玻璃自爆的主要原因
玻璃內部存在硫化鎳結石是造成鋼化玻璃自爆的主要原因。硫來源于配合料中及燃料中的含硫成份。1000 ℃以上時,硫化鎳以液滴形式存在于熔融玻璃中 ,這些小液滴的固化溫度為797℃。1g硫化鎳就能生成約1000個直徑為0.15mm的小結石 。
硫化鎳NiS是一種晶體,存在兩種晶相:高溫相α-NiS和低溫相β-NiS,相變溫度為379℃。玻璃在鋼化爐內加熱時,因加熱溫度遠高于相變溫度,NiS全部轉變為α相。然而在隨后的淬冷過程中,α-NiS來不及全部轉變為β-NiS,有一部分α-NiS被凍結在鋼化玻璃進入室溫狀態中。但在室溫環境下,α-NiS是不穩定的,有逐漸轉變為β-NiS的趨勢。這種轉變伴隨著約2% ~4%的體積膨脹,使玻璃承受巨大的相變張應力。若結石恰好存在于鋼化玻璃的張應力區(玻璃板厚度方向的中部),則這種相變過程往往會導致鋼化玻璃突然破碎,即通常所說的鋼化玻璃“自爆”。
需要說明的是,有些研究認為并非所有的 NiS結石都會引起鋼化玻璃的自爆,引起自爆的結石臨界直徑一般為0.04~0.65mm之間,且臨界直徑值取決于結石周圍的玻璃應力值。
硫化鎳臨界直徑:
應用斷裂力學的研究方法,推導出下述公式,可計算引起自爆的NiS的臨界直徑 Dc
Dc=( πK21c ) / (3.55 Po0.5σo1.5 )
臨界直徑Dc值取決于NiS周圍的玻璃應力值σ0 。 式中應力強度因子K1c=0.76 m0.5 Mpa,度量相變及熱膨脹的因子P0= 615 Mpa.
鋼化程度實質上可歸結于玻璃內應力的大小。Jacob給出了玻璃表面壓應力值與50 x 50 mm范圍內碎片顆粒數之間的對應關糸 。板芯張應力在數值上等于表面壓應力值的一半。美國ASTM C1048標準規定:鋼化玻璃的表面應力范圍為大于69Mpa、熱增強玻璃為24—52 Mpa。 我國鋼化玻璃標準則規定應力范圍為: 鋼化玻璃 90 Mpa以上、半鋼化24—60 Mpa。 計算得到不同鋼化程度玻璃的NiS臨界直徑Dc如下表。顯然,應力越大,臨界直徑就越小,能引起自爆的NiS顆粒也 就越多,自爆率相應就越高。
鋼化均勻度:
鋼化均勻度是指同一塊玻璃不同區域的應力一致性,可測定由同一塊玻璃平面各部分的加熱溫度及冷卻強度不一致產生的平面應力(area stress),這種應力疊加在厚度應力上,使一些區域的實際板芯張應力上升,引起臨界直徑Dc值下降,最終導致自爆率增加。以下是用SM-100型應力儀測定的平面應力數值σ0 及計算出的考慮平面應力因素后的臨界直徑Dc值(與表面應力使用同一批樣品)??梢钥闯?,鋼化不均勻產生的平面應力疊加在鋼化應力上,使最小臨界直徑分別從47μm和55μm下降到36μm和48μm。
如何解決鋼化玻璃的自爆
一般情況下,由于原片玻璃中或多或少都會有硫化鎳結石存在,因此,鋼化玻璃總有一定的自爆可能性。
為了降低鋼化玻璃自爆概率,其一可以通過控制玻璃原片質量來實現,通過采購優質玻璃原片,并在鋼化工序前的每道工序對玻璃半成品進行嚴格檢驗和選擇,盡量使含有硫化鎳結石的玻璃不進行鋼化處理,從而降低鋼化玻璃成品的自爆。
第二是將鋼化應力應控制在適當的范圍內,這樣既可保證鋼化碎片顆粒度滿足有關標準,也能避免高應力引起的不必要自爆風險。平面應力(鋼化均勻度)也應越小越好,不僅減小自爆風險,而且提高鋼化玻璃的平整度。
第三,在鋼化玻璃出廠或正式使用前,將鋼化玻璃再次加熱到290℃左右并保溫一定時間,使硫化鎳在玻璃出廠前完成晶相轉變,讓今后可能自爆的玻璃在工廠內提前破碎,而未破碎的鋼化玻璃自爆率可以大大降低。這種鋼化后再次熱處理的方法,國外稱作“Heat Soak Test”,簡稱HST。我國通常將其譯成“均質處理”,俗稱“引爆處理”。
鋼化玻璃的二次熱處理過程應分為三個階段:升溫、保溫、降溫
升溫階段為最后一塊玻璃的表面溫度從室溫升到280℃的過程;
保溫階段為所有玻璃的表面溫度均達到290℃±10℃,且至少保持2h的過程;
降溫階段是從玻璃完成保溫階段后,溫度降到75℃的過程。
整個二次熱處理過程應避免爐膛溫度超過320℃、玻璃表面溫度超過300℃,否則玻璃的鋼化應力會由于過熱而松弛,從而影響其安全性。
國外有文獻報道,嚴格按工藝制度進行二次熱處理過的鋼化玻璃自爆率可由0.3%降至0.01%。