化學(xué)鋼化工藝對(duì)薄玻璃性能影響

陳福 續(xù)芯如

（1. 秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066004；2. 河北省玻璃節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新中心 秦皇島 066004）

0 引言

生活中不可欠缺的零組件也越來越受到關(guān)注。

目前，電子顯示產(chǎn)品中應(yīng)用的鋁硅酸鹽玻璃的主流厚度為0.3～1.1 mm，是手機(jī)、MP3、GPS、平板電腦等具有觸摸和手寫屏幕顯示產(chǎn)品最常使用的蓋板材料。由于鋁硅酸鹽玻璃具有優(yōu)良的力學(xué)性能，具有高的耐沖擊性和高強(qiáng)度，能對(duì)應(yīng)于各種新穎設(shè)計(jì)；具有高耐磨性和良好的韌性，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)漂亮的外觀和高安全性；具有優(yōu)隨著網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)產(chǎn)品的迅速普及，全球數(shù)字化進(jìn)程的快速推進(jìn)，促進(jìn)了信息技術(shù)（IT）與信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃興起，也為映像和顯示技術(shù)創(chuàng)造了廣闊的市場(chǎng)和良好的發(fā)展機(jī)遇。各種信息顯示技術(shù)成為眾多研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)投資的熱點(diǎn)。顯示玻璃作為電子顯示產(chǎn)品以及良的光學(xué)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)液晶的高品質(zhì)表征；具有優(yōu)良的加工性，使用標(biāo)準(zhǔn)的加工設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)高性能加工；同時(shí)還具有優(yōu)良的耐久性和化學(xué)穩(wěn)定性。鋁硅酸鹽玻璃尤其在硬度、韌性和抗劃傷等方面表現(xiàn)突出，能有效提高顯示效果和延長電子顯示產(chǎn)品的使用壽命。

1 化學(xué)鋼化工藝

化學(xué)鋼化工藝是根據(jù)離子擴(kuò)散機(jī)理來改變玻璃的表面組成，即玻璃表層半徑較小的堿金屬離子被熔鹽中半徑較大的堿金屬離子所置換，使玻璃表面因體積膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力層，阻止表面微裂紋受力擴(kuò)展，使玻璃的機(jī)械強(qiáng)度得到提高，鋼化原理見圖1。

經(jīng)過化學(xué)鋼化后玻璃具有：①高的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度。經(jīng)過化學(xué)鋼化后一般抗彎強(qiáng)度是未鋼化前的3～5倍，抗沖擊強(qiáng)度是未鋼化前的5～10倍；②使用安全性能?；瘜W(xué)鋼化玻璃的耐急冷急熱性質(zhì)較未鋼化前有2～3倍的提高，一般可承受150 ℃以上的溫差變化，對(duì)防止高低溫沖擊有明顯的效果。

化學(xué)鋼化方法的工藝流程為：玻璃制品按照需要尺寸進(jìn)行切割和磨邊后，用蒸餾水進(jìn)行清洗，防止玻璃表面沾有灰塵等，然后放入高溫干燥箱進(jìn)行干燥處理。將干燥好的玻璃放入準(zhǔn)備好的鋼化支架上并固定好，在310～380 ℃溫度下進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)將熔鹽加熱到鋼化所需溫度并對(duì)熔鹽進(jìn)行攪拌，使熔鹽充分混合分布均勻。將預(yù)熱到與交換溫度接近時(shí)（一般360～460 ℃）的鋼化支架和玻璃一起浸入熔鹽中進(jìn)行化學(xué)鋼化處理?；瘜W(xué)鋼化處理好的玻璃樣品冷卻到室溫后，再用蒸餾水清洗干凈，放入高溫干燥箱進(jìn)行干燥處理，即得到化學(xué)鋼化玻璃制品。化學(xué)鋼化工藝流程見圖2。

2 薄玻璃化學(xué)鋼化

薄玻璃鋼化一般是采用浮法或溢流法工藝生產(chǎn)出基礎(chǔ)玻璃，加工好形狀和尺寸后，再進(jìn)行鋼化處理。由于物理鋼化會(huì)造成玻璃的變形和翹曲等缺陷，因此薄玻璃主要采用化學(xué)鋼化，以提高其抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、維氏硬度等性能。

隨著人們對(duì)電子顯示產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展和應(yīng)用性能的提高，一次化學(xué)鋼化后玻璃的性能已經(jīng)不能滿足應(yīng)用要求。為了解決一次鋼化中存在的技術(shù)缺陷，并提高薄玻璃的應(yīng)用性能，提出二次鋼化工藝。

2.1 一次化學(xué)鋼化

將加工好尺寸和形狀的玻璃放在支撐架上送入鋼化設(shè)備中的一次化學(xué)鋼化區(qū)，使玻璃完全浸入KNO3熔鹽中，即支撐架的最高處浸入KNO3熔鹽的液面線以下；化學(xué)鋼化溫度為350～450 ℃，交換時(shí)間為0.5～3 h，使玻璃中的Na+和 Li+與熔鹽中的K+進(jìn)行充分交換，得到一次化學(xué)鋼化玻璃。這一過程能在玻璃表面形成第一層交換層，同時(shí)能夠使玻璃表面結(jié)構(gòu)疏松，有利于二次化學(xué)鋼化進(jìn)行。

2.2 二次化學(xué)鋼化

將得到的一級(jí)化學(xué)鋼化玻璃送入二次化學(xué)鋼化區(qū)，使經(jīng)過一級(jí)化學(xué)鋼化的玻璃完全浸入CsNO3和KNO3熔鹽中，二者摩爾比為1﹕（4～8），二級(jí)化學(xué)鋼化溫度為390～460 ℃，交換時(shí)間為2～9 h，使一級(jí)化學(xué)鋼化玻璃表面中的Na+和K+與熔鹽中的Cs+和 K+進(jìn)行充分交換，獲得更大的壓應(yīng)力，得到二級(jí)化學(xué)鋼化玻璃。

采用二次化學(xué)鋼化工藝制備得到的薄玻璃化學(xué)交換層厚度能達(dá)到100 μm以上，表面壓應(yīng)力大于1 000 MPa，玻璃表面維氏硬度大于750 kgf/mm2?；瘜W(xué)鋼化中的壓應(yīng)力值來源于兩次的鋼化，一次是K+與玻璃中的Na+交換，另一次是Cs+與玻璃中的Na+、 K+進(jìn)行交換，通過采用二次化學(xué)鋼化能夠顯著提高玻璃的性能。

3 鋼化支架對(duì)玻璃質(zhì)量的影響

化學(xué)鋼化的主要設(shè)備是盛裝熔融液態(tài)鹽的槽體和固定玻璃的支架兩部分。

槽體的材質(zhì)為0Cr18Ni9不銹鋼，通過提高鹽槽材質(zhì)水平、加工精度和表面處理質(zhì)量，同時(shí)由于槽體在熱態(tài)和冷態(tài)下都與熔鹽相接觸，鹽槽表面金屬由于被硝酸鹽氧化而產(chǎn)生鈍化，能夠減少槽體對(duì)熔鹽的污染，特別是控制著色雜質(zhì)離子在熔鹽中的含量。

目前一般薄玻璃化學(xué)鋼化時(shí)用于承載玻璃的支架采用0Cr18Ni9不銹鋼，支架在高溫下與玻璃直接接觸，在鋼化完成后支架會(huì)隨著冷卻玻璃一同進(jìn)行清洗，這樣會(huì)造成支架上的Fe2+、Fe3+、Ti3+、 Ti4+、 Cr2+、 Cr3+、 Cr6+、 Ni2+、 Ni3+等離 子 及 其化合物產(chǎn)生著色，像膜一樣附著在玻璃的表面，使玻璃表面產(chǎn)生水印、水紋和銹紋等缺陷，這些附著在玻璃表面的物質(zhì)很難清除，一般只能溶解于氫氟酸或其它強(qiáng)酸中，會(huì)影響玻璃的鋼化效果，降低玻璃性能。

化學(xué)鋼化的支架本體一般是由多根不銹鋼圓形鋼條焊接形成的，由架體外部支撐框架、底部支撐框架和側(cè)部支撐框架構(gòu)成。外部支撐框架主要起保護(hù)作用，底部支撐框架和側(cè)部支撐框架主要起支撐、定位作用；外部支撐框架采用直徑為6～10 mm的不銹鋼鋼條，底部支撐框架和側(cè)部支撐框架采用直徑為4～8 mm的不銹鋼鋼條。鋼化支架嚴(yán)格焊接形成后，再經(jīng)拋光處理，保證鋼化支架本體各部位的光滑，避免由于鋼化支架本體表面粗糙，在鋼化時(shí)劃傷玻璃表面，影響玻璃性能。

在鋼化支架本體的鋼條上纏繞一層致密無縫隙的高硅氧玻璃纖維絲，以隔絕玻璃與鋼化支架本體的接觸。這層高硅氧玻璃纖維絲纏繞在鋼化支架本體中會(huì)與玻璃接觸的鋼條表面，使玻璃和不銹鋼鋼化支架本體中間有高硅氧玻璃纖維絲作為阻隔，不發(fā)生直接接觸，而是間接接觸，在鋼化支架制作時(shí)，可以采用雙層纏繞方式，更換高硅氧玻璃纖維絲時(shí)，可僅更換外層高硅氧玻璃纖維絲，使玻璃不受污染，一般外層玻璃纖維絲的直徑為8～25 μm，內(nèi)層的直徑為5～15 μm，這樣，不銹鋼鋼化支架本體中鐵、鈦、鎳、鉻等離子不會(huì)直接接觸到要鋼化的玻璃表面，降低玻璃表面的缺陷離子及其化合物的含量，使鋼化后的玻璃表面不易產(chǎn)生水印、水紋和銹紋等缺陷，提高化學(xué)鋼化的成品率。

選用高硅氧玻璃纖維絲的優(yōu)點(diǎn)：①高硅氧玻璃纖維絲不會(huì)與玻璃及鋼化支架本體以及熔鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不影響玻璃的性能；②高硅氧玻璃纖維絲不會(huì)粘在玻璃的表面造成玻璃缺陷；③高硅氧玻璃纖維絲熔點(diǎn)高于熔融的熔鹽，在化學(xué)鋼化時(shí)不會(huì)熔化到熔鹽中；④高硅氧玻璃纖維絲容易更換。

4 結(jié)語

薄玻璃由于其性能優(yōu)異應(yīng)用廣泛，通過二次化學(xué)鋼化的方法能夠明顯提升玻璃的各項(xiàng)性能，特別是玻璃的表面壓應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度、維氏硬度等物理性能大大提高，擴(kuò)展薄玻璃的使用性能和應(yīng)用范圍；通過在鋼化支架的表面纏繞一層高硅氧玻璃纖維絲，防止玻璃和不銹鋼接觸，減少不銹鋼支架中鐵、鈦、鎳、鉻等離子直接接觸玻璃表面，減少玻璃化學(xué)鋼化產(chǎn)生的缺陷，提高生產(chǎn)效率和成品率。