兰迪机器大讲堂——玻璃的物理和化学钢化原理

钢化原理包括物理钢化原理和化学钢化原理。

一、物理钢化      

采用将玻璃加热，然后冷却的方法，以增加玻璃的机械强度和热稳定性的方法称为物理钢化法，也称为热钢化法或风钢化法。

物理钢化的原理就是形成永久应力的过程。玻璃在加热炉内按一定升温速度加热到低于软化温度，然后将此玻璃迅速送入冷却装置，用低温高速气流进行淬冷，玻璃外层首先收缩硬化，由于玻璃的导热系数小，这时内部仍处于高温状态，待到玻璃内部叶开始硬化时，已硬化的外层将阻止内层的收缩，从而使先硬化的外层产生压应力，后硬化的内层产生张应力。由于玻璃表面层存在压应力，当外力作用于该表面时，首先必须抵消这部分压应力，这就大大提高玻璃的机械强度，经过这样物理处理的玻璃制品就是钢化玻璃。

二、化学钢化      

用化学方法改变表面组分，以增加玻璃的机械强度和热稳定性的方法称为化学钢化法，又称为离子交换法。

玻璃是非晶态固体物质，一般硅酸盐玻璃是由Si—O键形成的网络和进入 网络中的碱金属、碱土金属等离子构成。此网络是由含氧离子的多面体（三面体或四面体）构成的，其中心被Si4+、Al3+或P5+离子所占据。其中碱金属离子较活泼，很易从玻璃内部析出。离子交换法就是基于碱金属离子自然扩散和相互扩散，以改变玻璃表面层的成分，从而形成表面压应力层。

将玻璃浸入熔融的硝酸钾盐液内，玻璃与盐液便发生离子交换，玻璃表面附近的某些碱金属离子通过扩散而浸入熔盐内，它们的空位由熔盐的碱金属离子占据，结果改变了玻璃表面层的化学成分，降低了它的热膨胀系数，从而形成10~200μm的表面压应力层。由于玻璃里存在这种表面压应力层，当外力作用于此表面时，首先必须抵消这部分压应力，这样就提高了玻璃的机械强度；由于降低了玻璃的热膨胀系数，从而提高了其热稳定性。