CN112250289A - 玻璃球舱的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料学技术领域，具体涉及一种玻璃球舱的热处理方法；包括如下步骤：(1)对玻璃球舱坯模升温至570～610℃；(2)玻璃球舱坯模在540～580℃下保温t分钟；(3)玻璃球舱坯模进行一阶段降温处理；(4)玻璃球舱坯模经过二阶段降温处理至室温；本发明的有益效果：提供一种热处理方法，使得处理后的全海深地震仪玻璃球舱的残存应力值<4nm/cm，从而提高产品整体结构稳定性和抗压强度，为后续机械加工处理提供保障。

Description

玻璃球舱的热处理方法
技术领域
本发明涉及材料学技术领域，具体涉及一种玻璃球舱的热处理方法。
背景技术
海底地震仪是一种将检波器装入地震仪玻璃球仓，并直接放置在海底的地震观测系统，在海洋地球物理调查和研究中，既可以用于对海洋人工地震剖面的探测，也可以用于对天然地震的观测。其中用到的地震仪玻璃球仓随着使用深度的增加而对性能要求提升，工作环境最深可达11000米，称为全海深地震仪玻璃球仓。这是一种大尺寸空心球玻璃制品(由两个半球密封闭合而成)，材质为高硼硅玻璃，外径：432±1mm；壁厚：21±0.5mm，杨氏模量≥63GP。这种大尺寸的玻璃制品在制备过程中，玻璃经受激烈的、不均匀的温度变化，使得内外层产生温度梯度，硬化速度不同，引起制品中产生不规则的热应力。这种热应力能降低地震仪玻璃球仓的机械强度和热稳定性，也影响玻璃的光学一致性，若应力超过制品的极限强度，便会自行破裂。所以消除全海深地震仪玻璃球仓的这一缺陷对于提高它的使用寿命具有很重要的意义。
退火是一种热处理过程，可以使玻璃中存在的热应力尽可能的消除或者减小至允许值。玻璃中的内应力根据产生原因的不同，可以分为三类：因为温差产生的应力称为热应力；因组成的不同而产生的应力称为结构应力；因外力作用产生的应力称为机械应力。通过热处理消除的应力主要是热应力。我们需要根据全海深地震仪玻璃球仓的尺寸和厚度以及玻璃的化学组成，来选择适当的退火温度和冷却速度，使得热处理过后的残存应力值在允许的范围内。
发明内容
本发明的目的是提供一种玻璃球舱的热处理方法，能够消除热应力，提高产品的结构稳定性和抗压强度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种玻璃球舱的热处理方法，包括如下步骤：
(1)对玻璃球舱坯模升温至570～610℃；
(2)玻璃球舱坯模在540～580℃下保温t分钟；
(3)玻璃球舱坯模进行一阶段降温处理；
(4)玻璃球舱坯模经过二阶段降温处理至室温。
本发明的优选方案为，所述步骤(1)中的升温速度为V，V<15/d2(℃/分钟)，式中d为玻璃球舱坯模的壁厚，单位为cm。
本发明的优选方案为，所述步骤(1)中的升温速度为1～5℃/分钟。
本发明的优选方案为，所述步骤(2)中的t＝520d2/n，式中d为玻璃球舱坯模的壁厚，单位为cm；n为残存应力，单位为nm/cm。
本发明的优选方案为，所述步骤(2)中的t＝480～540分钟。
本发明的优选方案为，所述步骤(3)中一阶段降温速度为10～20℃/分钟。
本发明的优选方案为，所述步骤(3)中一阶段降温处理的终点温度为475～510℃。
本发明的优选方案为，所述步骤(4)中二阶段降温速度为10～120℃/分钟。
本发明的优选方案为，所述步骤(4)中二阶段降温处理方法为自然冷却。
除非另有说明，本发明涉及液体与液体之间的百分比时，所述的百分比为体积/体积百分比；本发明涉及液体与固体之间的百分比时，所述的百分比为体积/重量百分比；本发明涉及固体与液体之间的百分比时，所述的百分比为重量/体积百分比；其余为重量/重量百分比。
与现有技术相比，本发明的有益效果：提供一种热处理方法，使得处理后的全海深地震仪玻璃球舱的残存应力值<4nm/cm，从而提高产品整体结构稳定性和抗压强度，为后续机械加工处理提供保障。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步的说明。
参考例1-3玻璃球舱坯模的制备
采用硼硅酸玻璃来制备玻璃球舱坯模，实施例1-3的原料配方如表1所示。
表1实施例1～3的原料配方
原料成分 参考例1 参考例2 参考例3
SiO<sub>2</sub> 72％ 78.4％ 79.6％
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 17.5％ 14.6％ 13％
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 4％ 1.7％ 2％
CaO 1％ 0 0
Na<sub>2</sub>O 3％ 5％ 5％
K<sub>2</sub>O 1％ 0.12％ 0.4％
MgO 0.5％ 0.18％ 0
ZnO 1％ 0 0
其制备方法，包括如下步骤：
(1)按照表1所示配方称取各原料，将Al2O3、CaO、Na2O、K2O、MgO、ZnO和占总配方1.2％的NaCl预先混合均匀，再加入SiO2和B2O3，在搅拌下混合均匀；
(2)将步骤(1)所得混合料投入到窑炉中，在1532℃下加热至熔化；
(3)将窑炉升温至1550℃，对步骤(2)所得熔融液进行澄清处理；
(4)倒取适量步骤(3)所得玻璃液于模具中，在880℃～1350℃下进行压制，获得玻璃球舱坯模。
实施例1玻璃球舱坯模的热处理
(1)在退火炉内，以2.5℃/分钟的升温速度对实施例1制备得到的玻璃球舱坯模升温至575℃；
(2)在575℃下对玻璃球舱坯模保温9小时；
(3)以15℃/小时的冷却速度对玻璃球舱坯模进行降温处理至495℃；
(4)随炉自然冷却，获得玻璃球舱。
随机抽取所得产品并进行性能检测试验，结果显示产品的平均残存应力值为3.8nm/cm。
实施例2玻璃球舱坯模的热处理
(1)在退火炉内，以3℃/分钟的升温速度对实施例2制备得到的玻璃球舱坯模升温至580℃；
(2)在580℃下对玻璃球舱坯模保温8.5小时；
(3)以15℃/小时的冷却速度对玻璃球舱坯模进行降温处理至500℃；
(4)随炉自然冷却，获得玻璃球舱。
随机抽取所得产品并进行性能检测试验，结果显示产品的平均残存应力值为3.9nm/cm。
实施例3玻璃球舱坯模的热处理
(1)在退火炉内，以4℃/分钟的升温速度对实施例3制备得到的玻璃球舱坯模升温至580℃；
(2)在585℃下对玻璃球舱坯模保温8小时；
(3)以15℃/小时的冷却速度对玻璃球舱坯模进行降温处理至480℃；
(4)随炉自然冷却，获得玻璃球舱。
随机抽取所得产品并进行性能检测试验，结果显示产品的平均残存应力值为3.85nm/cm。

Claims (9)

1.一种玻璃球舱的热处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)对玻璃球舱坯模升温至570～610℃；
(2)玻璃球舱坯模在540～580℃下保温t分钟；
(3)玻璃球舱坯模进行一阶段降温处理；
(4)玻璃球舱坯模经过二阶段降温处理至室温。
2.根据权利要求1所述的玻璃球舱的热处理方法，其特征在于：所述步骤(1)中的升温速度为V，V<15/d2(℃/分钟)，式中d为玻璃球舱坯模的壁厚，单位为cm。
3.根据权利要求1所述的玻璃球舱的热处理方法，其特征在于：所述步骤(1)中的升温速度为1～5℃/分钟。
4.根据权利要求1所述的玻璃球舱的热处理方法，其特征在于：所述步骤(2)中的t＝520d2/n，式中d为玻璃球舱坯模的壁厚，单位为cm；n为残存应力，单位为nm/cm。
5.根据权利要求1所述的玻璃球舱的热处理方法，其特征在于：所述步骤(2)中的t＝480～540分钟。
6.根据权利要求1所述的玻璃球舱的热处理方法，其特征在于：所述步骤(3)中一阶段降温速度为10～20℃/分钟。
7.根据权利要求1所述的玻璃球舱的热处理方法，其特征在于：所述步骤(3)中一阶段降温处理的终点温度为475～510℃。
8.根据权利要求1所述的玻璃球舱的热处理方法，其特征在于：所述步骤(4)中二阶段降温速度为10～120℃/分钟。
9.根据权利要求1所述的玻璃球舱的热处理方法，其特征在于：所述步骤(4)中二阶段降温处理方法为自然冷却。
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