玻璃及模具

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1、玻璃成型及其模具 第一讲,报告人：孙 德 勤 常熟理工学院机械工程系,内容概要,玻璃介绍 玻璃的基本成形方法,广义包括：无机玻璃和有机玻璃两大类。 这里玻璃指无机玻璃。 玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体。它没有固定的熔点，在物理和力学性能上表现为均质的各向同性。 大多数玻璃都是由矿物原料和化工原料经高温熔融，然后急剧冷却而形成的。在形成的过程中，如加入某些辅助原料，如助熔剂、着色剂等可以改善玻璃的某些性能。,一、玻璃介绍,1. 常用玻璃介绍： （1）日常生活中应用的玻璃大多是以SiO2为主要成分的硅酸盐玻璃，属Na2O-CaO-SiO2系统。 普通玻璃组成含有Na2O（12%16%），Ca

2、O （6%12%）， SiO2（66%75%），还有少量Al2O3, MgO等氧化物，属钠钙系玻璃。 又称Na, Ca, Si 玻璃（苏打玻璃，石灰玻璃）、瓶罐玻璃，器皿玻璃。 主要特点： 玻璃中成本最低，易熔制、加工， 耐热性、化学稳定性好， 适宜于没有特殊要求的容器。,（2） Na，B ，Si 玻璃（医用玻璃） 中性玻璃。 主要成分： SiO2 67-75%， Na2O 6.4-11.5% B2O3 6-9%, Al2O3 4-8.5% 主要特点： 耐水、耐热、耐酸、碱性均比前者强，长期贮存中性液体其PH值不变。,2. 玻璃具有一系列非常可贵的特性： 透明、坚硬、良好的化学稳定性； 可通过

3、化学组成的调整，大幅度调节玻璃的物理和化学性能，以适应各种不同的使用要求； 可以用吹、压、拉、铸、槽沉、离心浇注等多种成形方法，制成各种形状的空心和实心制品； 可以通过焊接和粉末烧结等加工方制成形状复杂、尺寸严格的器件。 制造玻璃的原料丰富，价格低廉。,3.玻璃的种类 按其化学成分可分为钠钙玻璃、铝镁玻璃、钾玻璃、铅玻璃、硼硅玻璃和石英玻璃等； 按功能和加工工艺分为普通窗用玻璃（普通平板玻璃）、热反射玻璃、异形玻璃、钢化玻璃、夹层(丝)玻璃等。,4.玻璃的性能特征 (一) 密度 决定于 构成玻璃的原子质量 也与原子的堆积及配位数有关。 玻璃结构紧密，密度增大。反之，则降低。 各类玻璃密度相差甚

4、大。 密度最小的石英玻璃为2.21g/cm3 含有大量氧化铅的重燧石玻璃密度达6.5g/cm3 普通玻璃密度在2.5g/cm3左右,(二)力学性质 玻璃的力学性质取决于化学组成、制品形状、表面性质和加工方法。 玻璃的主要力学性能是抗拉强度和脆性指标。玻璃的实际抗拉强度为3060MPa。普通玻璃的脆性指标（弹性模量与抗拉强度之比）为13001500。脆性指标越大，其脆性越大。 1.硬度 硬度是固体材料抵抗另一种固体深入其内部而不产生残余形变的能力。 玻璃的硬度主要决定于原子半径、电荷大小及堆积密度。,2.机械强度,玻璃是一种脆性材料 其机械强度一般用耐压、抗张、 抗冲击强度等表示。 分理论强度和

5、实际强度。,（三）玻璃的粘度,粘度：是表征流体内摩擦力或者表示阻碍液体流动性质的物理量。 f=.A.(dv/dy) 比例系数叫做内摩擦系数或粘度。 =(f/A)/(dv/dy)=/(dv/dy) 式中： 粘性液体流动时的剪切应力 粘度，单位泊（P),或用Pa .s表示。,(四) 热物理性质 (1)玻璃的导热性很差，在常温时其导热系数仅为铜的1/400。另外，它还受玻璃的颜色和化学组成的影响。 (2)玻璃的热膨胀性决定于化学组成及其纯度，纯度越高热膨胀系数越小。 (3)玻璃的热稳定性决定于玻璃在温度剧变时抵抗破裂的能力。玻璃的热膨胀系数越小，其热稳定性越高。玻璃制品越厚、体积越大，热稳定性越差。

6、,(五)化学稳定性 玻璃具有较高的化学稳定性。 玻璃的化学稳定性是指玻璃抗耐气体、水、酸、碱或其他化学试剂、药物溶液等侵蚀的能力。 一般玻璃具有极好的化学惰性，但成分中的Na2O及其他金属离子能溶于水，而导致玻璃的侵蚀及与其接触的溶液的pH值发生变化。,玻璃,水,潮湿空气,酸,碱,(六)玻璃的光学性能 玻璃既能透过光线，又能反射光线和吸收光线。 玻璃有优异的光学性能，其光学性质包括折射、反射和透射。 取决于玻璃的组成，与制造工艺与光的波长有关。 对于玻璃容器，透明的玻璃包装可以促进产品的销售。 可见光与紫外光的穿透可加速玻璃容器中有些产品的变质。,玻璃的用途除采光、透视、隔声、隔热外，还有艺术

7、装饰作用。特种玻璃还兼有吸热、保温、耐辐射、防爆等特殊功能。,古埃及玻璃制品,清乾隆白地套红玻璃双合瓶,现代建筑离不开玻璃的装饰和采光,5. 玻璃的发展与应用,习惯上将窗用玻璃、压花玻璃、磨砂玻璃、磨光玻璃、有色玻璃等统称为平板玻璃。 平板玻璃具有良好的透光性能、较高的化学稳定性和耐久性，透光率84%以上；软化温度650700；导热系数0.820.73W/(mK)；膨胀系数810-61010-6/K。平板玻璃各项技术指标应符合GB 487195、GB 111489的规定。,1.平板玻璃,二、常见玻璃制品,各种平板玻璃的特点和用途,（1） 钢化玻璃,生产工艺有两种：一种是将平板玻璃在钢化炉中加热

8、到玻璃软化温度(约650)，然后迅速冷却，从而在玻璃表面形成预加压应力。另一种是将平板玻璃通过离子交换法处理而制得。 钢化玻璃弹性好，抗冲击强度高(普通平板玻璃的46倍)，抗弯强度高(普通平板玻璃的3倍)。 钢化玻璃有平面钢化玻璃、曲面钢化玻璃两种。,2. 安全玻璃,在两片或多片平板玻璃、钢化玻璃、磨光玻璃或其他玻璃之间嵌夹透明的塑料薄片，经热压粘合而成。衬片多用聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯等塑料胶片。 夹层玻璃有平面夹层玻璃和曲面夹层玻璃两种。这种玻璃受到剧烈振动或撞击破坏时，由于衬片的粘合作用，玻璃裂而不碎，具有防弹、防震、防爆性能。,（2） 夹层玻璃,夹丝玻璃也称防碎玻璃。系以压延法生产的玻璃

9、，当玻璃经过两个压延辊的间隙成型时，加入预先加热处理的金属丝或金属网，使之压于玻璃板中加工而成。 夹丝玻璃强度大，不易破碎，即使破碎，碎片附着在金属丝网上，不易脱落，使用比较安全。夹丝玻璃受热炸裂后，仍能保持原形。 当发生火灾时能起到隔绝火势的作用。故又称防火玻璃。,（3） 夹丝玻璃,（1） 热反射玻璃,在无色透明的平板玻璃上，镀一层金属(如金、银、铜、铝、镍、铬、铁等)或金属氧化物薄膜或有机物薄膜，使其具有较高的热反射性，又保持良好的透光性能，这种玻璃称热反射玻璃，亦称镀膜玻璃。 镀膜的方法很多：一种是通过喷涂、真空蒸镀、阴级溅射等方法；一种是采用电浮法或等离子交换方法。,3 声、光、热控制

10、玻璃,热反射玻璃具有以下性能特点： (1)对太阳辐射热有较高的热反射能力。 (2)具有单向透视的特性。 由于热反射玻璃具有以上两个特点，在建筑工程中特别适用于高层建筑物幕墙(玻璃幕墙)。,中空玻璃是以同尺寸两片或多片平板玻璃、镀膜玻璃、彩色玻璃、压花玻璃、钢化玻璃等，四周用高强、高气密性粘结剂将其与铝合金框或橡皮条、玻璃条胶结密封而成，是一种很有发展前途的新型节能建筑装饰材料。 具有优良的保温、隔热和降噪性能。,（2） 中空玻璃,饰面玻璃是用于建筑物表面装饰的玻璃制品的总称，包括板材和砖材，有玻璃马赛克、釉面玻璃、玻璃面砖、矿渣微晶玻璃砖等。 可制成各种色彩和尺寸，可拼镶成各种图案，广泛用于建

11、筑物内外墙装饰。,（4） 饰面玻璃,4.玻璃器皿 （一）玻璃杯 (1)吹制玻璃杯,(2) 压制玻璃杯,（二）玻璃酒杯,（三）玻璃冷水瓶,（四）玻璃花瓶,（五）玻璃糖缸,（六）玻璃茶盘,（七）微晶玻璃锅,（一）玻璃材料的质量检验 1、玻璃板材的检验 外观质量主要是检查平整度，观察有无气泡、夹杂物、划伤、线道和雾斑等质量缺陷，存在此类缺陷的玻璃，在使用中会发生变形,降低玻璃的透明度、机械强度和玻璃的热稳定性，工程上不宜选用。由于玻璃是透明物体，在挑选时经过目测，基本就能鉴别出质量好坏。玻璃加工制品的检验，除按平板玻璃的要求检测外，还应检验其加工质量，检测规格尺寸是否标准、加工精度及图案清晰度等是否

12、符合要求，同时边部不允许有残缺。,三、玻璃制品质量控制,（二）玻璃器皿的质量检验 基本要求是：具有正确的规格和形状，必要的坚固性和耐热性，外形美观，图案清晰。 1、规格 2、结构 3、色泽 4、耐温急变性 5、耐水性 6、外观缺点,四、玻璃生产工艺流程介绍,玻璃的生产工艺包括：配料、熔制、成形、退火等工序。 1配料，按照设计好的料方单，将各种原料称量后在一混料机内混合均匀。玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、长石、纯碱、硼酸等。 2熔制，将配好的原料经过高温加热，形成均匀的无气泡的玻璃液。这是一个很复杂的物理、化学反应过程。玻璃的熔制在熔窑内进行。熔窑主要有两种类型：一种是坩埚窑，玻璃料盛在坩埚

13、内，在坩埚外面加热。小的坩埚窑只放一个坩埚，大的可多到20个坩埚。坩埚窑是间隙式生产的，现在仅有光学玻璃和颜色玻璃采用坩埚窑生产。另一种是池窑，玻璃料在窑池内熔制，明火在玻璃液面上部加热。玻璃的熔制温度大多在13001600C。大多数用火焰加热，也有少量用电流加热的，称为电熔窑。现在，池窑都是连续生产的，小的池窑可以是几个米，大的可以大到400多米。,3成形，是将熔制好的玻璃液转变成具有固定形状的固体制品。玻璃首先由粘性液态转变为可塑态，再转变成脆性固态。成形方法可分为人工成形和机械成形两大类。 A人工成形。又有（1）吹制，用一根镍铬合金吹管，挑一团玻璃在模具中边转边吹。主要用来成形玻璃泡、瓶

14、、球（划眼镜片用）等。（2）拉制，在吹成小泡后，另一工人用顶盘粘住，二人边吹边拉主要用来制造玻璃管或棒。（3）压制，挑一团玻璃，用剪刀剪下使它掉入凹模中，再用凸模一压。主要用来成形杯、盘等。（4）自由成形，挑料后用钳子、剪刀、镊子等工具直接制成工艺品。,B机械成形。因为人工成形劳动强度大，温度高，条件差，所以，除自由成形外，大部分已被机械成形所取代。机械成形除了压制、吹制、拉制外，还有（1）压延法，用来生产厚的平板玻璃、刻花玻璃、夹金属丝玻璃等。（2）浇铸法，生产光学玻璃。（3）离心浇铸法，用于制造大直径的玻璃管、器皿和大容量的反应锅。这是将玻璃熔体注入高速旋转的模子中，由于离心力使玻璃紧贴到

15、模子壁上，旋转继续进行直到玻璃硬化为止。（4）烧结法，用于生产泡沫玻璃。它是在玻璃粉末中加入发泡剂，在有盖的金属模具中加热，玻璃在加热过程中形成很多闭口气泡这是一种很好的绝热、隔音材料。此外，平板玻璃的成形有垂直引上法、平拉法和浮法。浮法是让玻璃液流漂浮在熔融金属（锡）表面上形成平板玻璃的方法，其主要优点是玻璃质量高（平整、光洁），拉引速度快，产量大。,4 退火，玻璃在成形过成中经受了激烈的温度变化和形状变化，这种变化在玻璃中留下了热应力。这种热应力会降低玻璃制品的强度和热稳定性。如果直接冷却，很可能在冷却过程中或以后的存放、运输和使用过程中自行破裂（俗称玻璃的冷爆）。为了消除冷爆现象，玻璃制

16、品在成形后必须进行退火。退火就是在某一温度范围内保温或缓慢降温一段时间以消除或减少玻璃中热应力到允许值。 此外，某些玻璃制品为了增加其强度，可进行刚化处理。包括：物理刚化（淬火），用于较厚的玻璃杯、桌面玻璃、汽车挡风玻璃等；和化学刚化（离子交换），用于手表表蒙玻璃、航空玻璃等。刚化的原理是在玻璃表面层产生压应力，以增加其强度。,一）玻璃的熔制 1、玻璃熔炉 又叫玻璃熔窑。有两种类型：池窑和坩埚窑。 熔制温度为15001600。 由耐火材料制成，规格用面积表示，炉壁寿命3年。, 原料 主料 辅料 特殊用料 熔制 原料准备 熔制过程,2、玻璃熔制过程,主料 （1）硅砂或石英粉 作用：引入SiO2，构成玻璃的网络骨架结 构。 （2）纯碱（Na2CO3） 作用：引入Na2O，还可以助熔。 （3）石灰石（CaCO3） 作用：引入CaO，还可以防止碱结晶， 可提高玻璃的化学稳定性。,（4）长石 作用：引入Al2O3 ，可节省纯碱。因长石能引入 碱金属氧化物，如： Na2O