化学钢化工艺对薄玻璃性能影响

陈福 续芯如

（1. 秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066004；2. 河北省玻璃节能减排技术创新中心 秦皇岛 066004）

0 引言

生活中不可欠缺的零组件也越来越受到关注。

目前，电子显示产品中应用的铝硅酸盐玻璃的主流厚度为0.3～1.1 mm，是手机、MP3、GPS、平板电脑等具有触摸和手写屏幕显示产品最常使用的盖板材料。由于铝硅酸盐玻璃具有优良的力学性能，具有高的耐冲击性和高强度，能对应于各种新颖设计；具有高耐磨性和良好的韧性，能同时实现漂亮的外观和高安全性；具有优随着网络和无线通信技术的发展及相关产品的迅速普及，全球数字化进程的快速推进，促进了信息技术（IT）与信息产业的蓬勃兴起，也为映像和显示技术创造了广阔的市场和良好的发展机遇。各种信息显示技术成为众多研究开发和产业投资的热点。显示玻璃作为电子显示产品以及良的光学特性，能够实现液晶的高品质表征；具有优良的加工性，使用标准的加工设备就可以实现高性能加工；同时还具有优良的耐久性和化学稳定性。铝硅酸盐玻璃尤其在硬度、韧性和抗划伤等方面表现突出，能有效提高显示效果和延长电子显示产品的使用寿命。

1 化学钢化工艺

化学钢化工艺是根据离子扩散机理来改变玻璃的表面组成，即玻璃表层半径较小的碱金属离子被熔盐中半径较大的碱金属离子所置换，使玻璃表面因体积膨胀而产生压应力层，阻止表面微裂纹受力扩展，使玻璃的机械强度得到提高，钢化原理见图1。

经过化学钢化后玻璃具有：①高的抗弯强度和抗冲击强度。经过化学钢化后一般抗弯强度是未钢化前的3～5倍，抗冲击强度是未钢化前的5～10倍；②使用安全性能。化学钢化玻璃的耐急冷急热性质较未钢化前有2～3倍的提高，一般可承受150 ℃以上的温差变化，对防止高低温冲击有明显的效果。

化学钢化方法的工艺流程为：玻璃制品按照需要尺寸进行切割和磨边后，用蒸馏水进行清洗，防止玻璃表面沾有灰尘等，然后放入高温干燥箱进行干燥处理。将干燥好的玻璃放入准备好的钢化支架上并固定好，在310～380 ℃温度下进行预热，同时将熔盐加热到钢化所需温度并对熔盐进行搅拌，使熔盐充分混合分布均匀。将预热到与交换温度接近时（一般360～460 ℃）的钢化支架和玻璃一起浸入熔盐中进行化学钢化处理。化学钢化处理好的玻璃样品冷却到室温后，再用蒸馏水清洗干净，放入高温干燥箱进行干燥处理，即得到化学钢化玻璃制品。化学钢化工艺流程见图2。

2 薄玻璃化学钢化

薄玻璃钢化一般是采用浮法或溢流法工艺生产出基础玻璃，加工好形状和尺寸后，再进行钢化处理。由于物理钢化会造成玻璃的变形和翘曲等缺陷，因此薄玻璃主要采用化学钢化，以提高其抗弯强度、抗压强度、维氏硬度等性能。

随着人们对电子显示产品应用领域的扩展和应用性能的提高，一次化学钢化后玻璃的性能已经不能满足应用要求。为了解决一次钢化中存在的技术缺陷，并提高薄玻璃的应用性能，提出二次钢化工艺。

2.1 一次化学钢化

将加工好尺寸和形状的玻璃放在支撑架上送入钢化设备中的一次化学钢化区，使玻璃完全浸入KNO3熔盐中，即支撑架的最高处浸入KNO3熔盐的液面线以下；化学钢化温度为350～450 ℃，交换时间为0.5～3 h，使玻璃中的Na+和 Li+与熔盐中的K+进行充分交换，得到一次化学钢化玻璃。这一过程能在玻璃表面形成第一层交换层，同时能够使玻璃表面结构疏松，有利于二次化学钢化进行。

2.2 二次化学钢化

将得到的一级化学钢化玻璃送入二次化学钢化区，使经过一级化学钢化的玻璃完全浸入CsNO3和KNO3熔盐中，二者摩尔比为1﹕（4～8），二级化学钢化温度为390～460 ℃，交换时间为2～9 h，使一级化学钢化玻璃表面中的Na+和K+与熔盐中的Cs+和 K+进行充分交换，获得更大的压应力，得到二级化学钢化玻璃。

采用二次化学钢化工艺制备得到的薄玻璃化学交换层厚度能达到100 μm以上，表面压应力大于1 000 MPa，玻璃表面维氏硬度大于750 kgf/mm2。化学钢化中的压应力值来源于两次的钢化，一次是K+与玻璃中的Na+交换，另一次是Cs+与玻璃中的Na+、 K+进行交换，通过采用二次化学钢化能够显著提高玻璃的性能。

3 钢化支架对玻璃质量的影响

化学钢化的主要设备是盛装熔融液态盐的槽体和固定玻璃的支架两部分。

槽体的材质为0Cr18Ni9不锈钢，通过提高盐槽材质水平、加工精度和表面处理质量，同时由于槽体在热态和冷态下都与熔盐相接触，盐槽表面金属由于被硝酸盐氧化而产生钝化，能够减少槽体对熔盐的污染，特别是控制着色杂质离子在熔盐中的含量。

目前一般薄玻璃化学钢化时用于承载玻璃的支架采用0Cr18Ni9不锈钢，支架在高温下与玻璃直接接触，在钢化完成后支架会随着冷却玻璃一同进行清洗，这样会造成支架上的Fe2+、Fe3+、Ti3+、 Ti4+、 Cr2+、 Cr3+、 Cr6+、 Ni2+、 Ni3+等离 子 及 其化合物产生着色，像膜一样附着在玻璃的表面，使玻璃表面产生水印、水纹和锈纹等缺陷，这些附着在玻璃表面的物质很难清除，一般只能溶解于氢氟酸或其它强酸中，会影响玻璃的钢化效果，降低玻璃性能。

化学钢化的支架本体一般是由多根不锈钢圆形钢条焊接形成的，由架体外部支撑框架、底部支撑框架和侧部支撑框架构成。外部支撑框架主要起保护作用，底部支撑框架和侧部支撑框架主要起支撑、定位作用；外部支撑框架采用直径为6～10 mm的不锈钢钢条，底部支撑框架和侧部支撑框架采用直径为4～8 mm的不锈钢钢条。钢化支架严格焊接形成后，再经抛光处理，保证钢化支架本体各部位的光滑，避免由于钢化支架本体表面粗糙，在钢化时划伤玻璃表面，影响玻璃性能。

在钢化支架本体的钢条上缠绕一层致密无缝隙的高硅氧玻璃纤维丝，以隔绝玻璃与钢化支架本体的接触。这层高硅氧玻璃纤维丝缠绕在钢化支架本体中会与玻璃接触的钢条表面，使玻璃和不锈钢钢化支架本体中间有高硅氧玻璃纤维丝作为阻隔，不发生直接接触，而是间接接触，在钢化支架制作时，可以采用双层缠绕方式，更换高硅氧玻璃纤维丝时，可仅更换外层高硅氧玻璃纤维丝，使玻璃不受污染，一般外层玻璃纤维丝的直径为8～25 μm，内层的直径为5～15 μm，这样，不锈钢钢化支架本体中铁、钛、镍、铬等离子不会直接接触到要钢化的玻璃表面，降低玻璃表面的缺陷离子及其化合物的含量，使钢化后的玻璃表面不易产生水印、水纹和锈纹等缺陷，提高化学钢化的成品率。

选用高硅氧玻璃纤维丝的优点：①高硅氧玻璃纤维丝不会与玻璃及钢化支架本体以及熔盐发生化学反应，不影响玻璃的性能；②高硅氧玻璃纤维丝不会粘在玻璃的表面造成玻璃缺陷；③高硅氧玻璃纤维丝熔点高于熔融的熔盐，在化学钢化时不会熔化到熔盐中；④高硅氧玻璃纤维丝容易更换。

4 结语

薄玻璃由于其性能优异应用广泛，通过二次化学钢化的方法能够明显提升玻璃的各项性能，特别是玻璃的表面压应力、抗压强度、维氏硬度等物理性能大大提高，扩展薄玻璃的使用性能和应用范围；通过在钢化支架的表面缠绕一层高硅氧玻璃纤维丝，防止玻璃和不锈钢接触，减少不锈钢支架中铁、钛、镍、铬等离子直接接触玻璃表面，减少玻璃化学钢化产生的缺陷，提高生产效率和成品率。