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摩擦条件对玻璃耐磨性的影响

发布时间:2019-6-8 15:52:20  浏览次数:

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      化学钢化玻璃具有强度高、应力均匀、稳定性好、可切裁加工及不产生光学畸变等优异性能,适用于形状复杂、厚度较小或不均匀、且对尺寸和光学精度要求较高的玻璃制品的增强 ,为增强 3 mm以下异型薄玻璃唯一有效的方法. 但到目前为止 ,针对化学钢化玻璃的研究大多集中于钢化工艺对玻璃表面层成分梯度分布、机械性能以及化学稳定性的影响. 而化学钢化对玻璃耐磨性的影响却鲜有研究与报导. 因此 ,本文作者参考近年来国内外研究较多的微晶玻璃的摩擦磨损行为与机制的方法 ,研究了化学钢化玻璃的耐磨性 ,以期为提高化学钢化玻璃的使用性能和拓展其应用范围提供实验依据.

济南钢化玻璃

  一、实验部分
  1、原料
  试验所用玻璃采用外购厚 3 mm 的 Na2Ca2Si平板玻璃 ,其主要化学成分 (质量分数 )为 : 71. 21%SiO2; 12. 77% Na2O; 1. 22% K2O; 6. 48% CaO 等. 采用分析纯 KNO3 作为化学钢化试剂.
  2、化学钢化处理工艺
  将玻璃裁制成内、外径分别为 60 mm与 90 mm的环形样品 ,依次用水、乙醇和去离子水洗净烘干 ,再用熔融 KNO3 对玻璃样品进行化学钢化处理 ,钢化温度为 430~500 ℃,钢化时间为 2~8 h. 钢化后的玻璃采用水、乙醇和去离子水洗净并烘干 ,然后采用精确为 0. 1 mg的电子天平称量样品质量 ,备磨损试验使用.烟台钢化玻璃
  3、性能测试
  采用上海涂料工业机械厂产 JM2Ⅰ型漆膜磨耗仪进行玻璃样品的磨损性能评价. 漆膜磨耗仪的水平转盘逆时针旋转 ,转速为 75 r/m in. 当工作盘旋转时 , 2个砂轮随之转动 ,磨耗仪的砂轮由白钢玉和天然橡胶等组成 ,其外径为 50 mm,厚度 13 mm. 试验载荷 p分别为 2. 5 N、5. 0 N、7. 5 N及 10. 0 N,磨损时间为 40~280 s,每组试验测试 6个样品. 每次磨损试验前用砂纸将砂轮表面的粘附物清除干净 ,避免杂质对玻璃表面造成磨损. 采用电子天平精确称量磨损前后玻璃的质量损失 ,并以此评价玻璃样品的耐磨性.
  利用光学显微镜 (OM )观察玻璃样品磨痕表面的形貌 ;采用 W ilson2wolpert Turkon 2100B型显微维氏硬度计测定玻璃表面硬度 ;使用 CMT5204型电子多功能试验机测定玻璃样品的三点弯曲强度和断裂韧性 ,样品跨度为 6 cm,载荷运行速度 1 mm /m in。
  二、结果与讨论
  1、化学钢化工艺对玻璃耐磨性的影响
  1. 1、钢化温度对玻璃耐磨性的影响
  玻璃样品在不同温度下化学钢化处理 (钢化时间 8 h)后的磨损量和摩擦后玻璃的弯曲强度 (试验条件为 2. 5 N, 120 s或 2. 5 N, 240 s)如所示. 可以看出 ,随着钢化温度的升高 ,玻璃的磨损量先下降而后增加 ;弯曲强度则先增加而后降低. 其中在 450 ℃条件下得到的钢化玻璃的磨损量和三点弯曲强度均优于其它温度下的样品 ,即最佳钢化温度为 450 ℃.
  根据化学钢化玻璃的研究结果,离子交换速度随温度的升高而加快 ,玻璃的强度逐渐增大 ,但当温度接近玻璃应变点时 ,玻璃结构发生松弛 ,使化学钢化玻璃的强度下降. 在图 1和图 2中以摩擦时间为 120 s为例 ,在 450 ℃下钢化的玻璃的磨损量仅为低温 (430 ℃)和高温 ( 500 ℃)下钢化玻璃试样的50%左右 ;而其弯曲强度却分别为低温 ( 430 ℃)和高温 (500 ℃)下钢化玻璃样品的 1. 6倍和 1. 2倍.这是由于玻璃强度越高 ,玻璃断裂所需功越大 ,表现出玻璃的耐磨性越好. 当玻璃强度达到最大值时 ,其耐磨性最佳 ;而当温度过高时 ,由于应力松弛使得玻璃的强度下降 ,磨损量增多和断裂强度减小 ,耐磨性反而降低.
  1. 2、钢化时间对玻璃耐磨性的影响玻璃样品在 450 ℃下分别经过不同时间 ( 2 h、3. 5 h、5 h和 8 h)钢化处理后的磨损量和摩擦后玻璃的弯曲强度 (摩擦试验条件分别为 2. 5 N, 120 s或2. 5 N, 240 s)
  可以看出 ,随着钢化时间的延长 ,玻璃的磨损量逐渐减小. 摩擦时间较短 ,磨损量随时间的降幅越平缓 ,而当摩擦时间较长时磨损量则急剧下降. 换言之 ,在钢化时间较短时 ,摩擦时间对玻璃的磨损量影响较大 ;而随着钢化时间的延长 ,这种差距逐渐缩短. 这是由于钢化时间较短时 ,玻璃内部的压应力层较浅 ,随着摩擦时间增加 ,玻璃的应力层很快遭到破坏 ,其磨损速度加快 ,磨损量急剧增加. 随着钢化时间增加 ,相应的玻璃的残余弯曲强度越大 ,即玻璃的耐磨性越好.
  还可见 ,钢化时间越长 ,相应的玻璃残余弯曲强度越大 ,即玻璃的耐磨性越好.
  1. 3、玻璃表面磨痕形貌及残留弯曲强度
  原片玻璃与化学钢化玻璃 (钢化工艺为 450 ℃,8 h)在 2. 5 N下摩擦 80 s后的磨损量分别为 2. 0 mg和 0. 2 mg,其磨损表面形貌 OM照片所示. 可以看出 ,化学钢化玻璃表面的磨痕数量较少 ,且磨痕明显较浅 [( b) ],即化学钢化可以改善玻璃的耐磨性.
  根据摩擦学原理 ,砂轮在载荷作用下与玻璃接触 ,砂轮上的凸出部分与玻璃发生摩擦. 由于橡胶的缓冲作用 ,砂轮对玻璃的磨损较缓和 ,很难在玻璃表面产生划痕. 随着砂轮转动 ,玻璃表面受到交变应力的作用而出现粘结点与剪切 ,使接触区内的微观体积产生变形 ,造成损伤而导致疲劳裂纹的萌生与扩展 ,最终使得玻璃表面脱落而形成磨粒磨损 ,形成如所示的磨痕.玻璃的耐磨性越差 ,在摩擦过程中所产生的磨痕尺寸越大 ,残留弯曲强度越低. 经测试 ,上述原片玻璃在摩擦前后的弯曲强度分别为 82. 2 MPa和45. 3 MPa,而经过钢化处理的玻璃在摩擦前后的弯曲强度分别达到 380. 1 MPa和 337. 6 MPa. 可以看出 ,原片玻璃强度较低 ,裂纹启裂和扩展所需的能量较小 ,因此摩擦过程中会产生较多磨痕 [( a) ],摩擦后的弯曲强度降幅近 50%. 而化学钢化玻璃强度较高 ,同时能够承受相对较大的塑性变形 ,使表面裂纹生成和扩展所需的能量得到提高 ,即在相同摩擦条件下 ,化学钢化玻璃表面裂纹的萌生和扩展均比原片玻璃困难得多 ,在摩擦过程中所产生的磨痕较少 [( b) ]. 因此化学钢化玻璃摩擦后的弯曲强度下降约 11% ,表现出较好的耐磨性.
  2、摩擦条件对玻璃耐磨性的影响
  经相同工艺条件钢化处理 ( 450 ℃, 8 h)的玻璃 ,分别在载荷 2. 5 N或 5 N下采取不同摩擦时间进行摩擦 ,或采取不同载荷进行摩擦 (摩擦时间为80 s)后的磨损量见.
  可以看出 ,随着摩擦时间增加 ,玻璃的磨损量增大. 摩擦载荷不同时 ,随着摩擦时间的增加 ,磨损程度增加的趋势不同. 当载荷较小 (2. 5 N )时 ,磨损量随时间增加逐渐增大 ;而当载荷较大 ( 5 N )时 ,磨损量的增幅则远大于低载荷时的情况. 表明当载荷较大时 ,随着摩擦时间增加 ,玻璃的耐磨性急剧下降 ,这是由于在高载荷下 ,较短时间内就可以破坏钢化玻璃表面的应力层 ,促使玻璃的磨损更加严重 ,导致玻璃的强度和耐磨性下降.

  可见 ,随着载荷增大 ,玻璃的磨损量增加. 在低载荷下 ,磨损曲线呈平缓上升趋势. 当载荷超过 5 N时磨损量增幅较大. 也就是说 ,载荷越大 ,越容易破坏表面应力层 ,使得玻璃的耐磨性的降幅越快.

济南钢化玻璃

  三、结论
  a. 玻璃的耐磨性与化学钢化工艺密切相关.提高化学钢化温度有利于提高钢化效果及其耐磨性能 ;但当钢化温度接近应变温度时反而使玻璃的耐磨性下降. 在 450 ℃及 8 h条件下进行钢化处理后的玻璃具有最佳的耐磨性.
  b. 在相同的摩擦条件下 ,化学钢化玻璃摩擦后的磨痕数量、尺寸以及残余弯曲强度的下降程度远小于原片玻璃 ,说明化学钢化可以提高玻璃的耐磨性.
  c. 当化学钢化的压应力层未遭到破坏时 ,玻璃的磨损程度随摩擦条件的强化而缓慢增加 ;而一旦其应力层遭到破坏 ,玻璃的磨损量将急剧增大.