CN112129325A - 用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘 - Google Patents
用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：Al2O38‑15％；Li2O 5‑16％；B2O33‑8％；Fe2O30.2‑1.5％；TiF40.5‑2.5％；Sc 0.1‑1％；复合掺杂剂0.4‑2.5％；余量为SiO2。本发明通过制备具有高强度、高热稳定性能的玻璃作为制作玻璃码盘的基材，使获得的玻璃码盘在热稳定性、强度方面的性能获得了显著提升，从而能提高玻璃码盘的精度和使用寿命，克服传统玻璃码盘存在的强度低、易碎的缺陷，能满足旋转编码器对于玻璃码盘的越来越高的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及编码器领域，特别涉及一种用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘。
背景技术
码盘是旋转编码器中的重要的组件，对编码器的精度具有重要影响。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料、橡胶等，塑料码盘是经济型的，其成本低，不易碎和变形，但精度、热稳定性较差，金属码盘不易碎，但由于金属不易腐蚀，易形变，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级；玻璃码盘是在玻璃镀铬面上腐蚀出明暗码道，相比于金属、塑料码盘，其具有热稳定性好、精度高的突出特点，因而在环境恶劣的高温下具有突出优势，但玻璃码盘普遍存在强度低、易碎的缺陷，所以提高玻璃码盘的强度对于其广泛应用具有重要意义，但现在缺少可靠的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
优选的是，所述复合掺杂剂为铈和镧的混合物，且铈和镧的质量比为3:1。
优选的是，所述复合掺杂剂为铈、镧、锌的混合物，且铈：镧：锌的质量比为3:1:1。
优选的是，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
优选的是，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
优选的是，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
优选的是，所述玻璃码盘的制备方法包括以下步骤：
1)按重量配比将复合掺杂剂加入刚玉坩埚中熔炼，保温，得到掺杂混合物；
2)按重量配比将SiO2、Al2O3、Li2O、B2O3、Fe2O3、TiF4、Sc加入熔炼炉中混合均匀，先升温，保温20-30min，再升温熔炼10-25min，然后再将所述掺杂混合物加入熔炼炉中，升温，熔炼30-60min；
3)送入模具浇铸成型，退火，得到玻璃坯；
4)保温，用r射线照射玻璃坯0.5-5min，然后冷却至室温，得到玻璃基材；
5)先利用玻璃基材加工得到码盘毛坯，然后对码盘毛坯进行镀膜、码盘图案制作，得到玻璃码盘。
优选的是，所述步骤2)具体为：按重量配比将SiO2、Al2O3、Li2O、B2O3、Fe2O3、TiF4、Sc加入熔炼炉中混合均匀，先升温至600-700℃，保温20-30min，然后再升温至850-950℃，熔炼10-25min，然后再将所述掺杂混合物加入熔炼炉中，升温至980-1100℃，熔炼30-60min。
优选的是，所述步骤3)中退火温度为550-650℃。
优选的是，所述步骤4)中，以15-35℃/min的降温速率冷却至室温。
本发明的有益效果是：本发明通过制备具有高强度、高热稳定性能的玻璃作为制作玻璃码盘的基材，使获得的玻璃码盘在热稳定性、强度方面的性能获得了显著提升，从而能提高玻璃码盘的精度和使用寿命，克服传统玻璃码盘存在的强度低、易碎的缺陷，能满足旋转编码器对于玻璃码盘的越来越高的性能要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本实施例的一种用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
余量为SiO2。需要理解的是，余量还包括一些不可避免的杂质。
在一种优选的实施例中，所述复合掺杂剂为铈和镧的混合物，且铈和镧的质量比为3:1。
在另一种优选的实施例中，所述复合掺杂剂为铈、镧、锌的混合物，且铈：镧：锌的质量比为3:1:1。
本发明还提供一种用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘的制备方法，包括以下步骤：
1)按重量配比将复合掺杂剂加入刚玉坩埚中熔炼，熔炼为850-1000℃，750-800℃下保温，得到掺杂混合物；
2)按重量配比将SiO2、Al2O3、Li2O、B2O3、Fe2O3、TiF4、Sc加入熔炼炉中混合均匀，先升温至600-700℃，保温20-30min，然后再升温至850-950℃，熔炼10-25min，然后再将所述掺杂混合物加入熔炼炉中，升温至980-1100℃，熔炼30-60min；
3)送入模具浇铸成型，550-650℃下退火，得到玻璃坯；
4)保温，用r射线照射玻璃坯0.5-5min，然后以15-35℃/min的降温速率冷却至室温，得到玻璃基材；
5)先利用玻璃基材加工得到码盘毛坯，然后对码盘毛坯进行镀膜、码盘图案制作，得到玻璃码盘。
本发明中，通过制备具有高强度、高热稳定性能的玻璃基材制备玻璃码盘，使获得的玻璃码盘在热稳定性、强度方面的性能获得了显著提升，从而能提高玻璃码盘的精度和使用寿命，克服传统玻璃码盘存在的强度低、易碎的缺陷，能满足旋转编码器对于玻璃码盘的越来越高的性能要求。
其中，通过添加TiF4引入Ti4+离子，能显著降低玻璃的热膨胀系数；另外，TiF4具有八面体配位的钛聚合物结构，其还能增强玻璃内部网络结构的致密性，从而提高玻璃的强度。
其中，添加的钪(Sc)能与铝形成稳定的化合物Al3Sc，Al3Sc具有高热稳定性和高强度的特点，Al3Sc弥散在玻璃的网络结构中，能起到强化作用，有效提升玻璃的热稳定性和强度；另外，Sc本身还具有晶粒细化作用，能提升强度。
其中，铈与硅、铝等元素形成高熔点的金属间化合物，形成具有很高的热稳定性新相，这些新相弥散分布在网络结构中，从而使得玻璃的热稳定性和强度能得到显著提高。镧的添加能起到细化晶粒的作用，可提高玻璃强度。铈和镧以特定比例复配添加时，通过两者产生交互作用，能获得协调增强效果，从而进一步增强玻璃的热稳定性和强度。
在另外一些实施例中，复合掺杂剂中还添加有锌，锌的添加一方面促进铈、镧的均匀混合，另一方面促进铈、镧在玻璃中的均匀分布，通过促进元素均匀分散获得均一性更好的网络结构，从而能从侧面提升玻璃的热稳定性和强度。
其中，铈、镧、锌先熔炼，然后再与其他原料一起熔炼，能使各原料充分混合，获得均一性更好的网络结构，从而能提升玻璃的热稳定性和强度。
其中，通过用r射线照射玻璃，能促进玻璃坯中的网络调整物的扩散，使网络调整物占满网络结构中的缺陷，通过减小结构缺陷从而能进一步提升玻璃的强度。
以上为本发明的总体构思，以下提供详细的实施例和对比例以对本发明做进一步说明。
实施例1
所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
余量为SiO2。
用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘的制备方法，包括以下步骤：
1)按重量配比将复合掺杂剂加入刚玉坩埚中熔炼，熔炼为900℃，800℃下保温，得到掺杂混合物；
2)按重量配比将SiO2、Al2O3、Li2O、B2O3、Fe2O3、TiF4、Sc加入熔炼炉中混合均匀，先升温至650℃，保温25min，然后再升温至900℃，熔炼25min，然后再将所述掺杂混合物加入熔炼炉中，升温至1050℃，熔炼45min；
3)送入模具浇铸成型，600℃下退火，得到玻璃坯；
4)保温，用r射线照射玻璃坯2min，然后以25℃/min的降温速率冷却至室温，得到玻璃基材；
5)先利用玻璃基材加工得到码盘毛坯，然后对码盘毛坯进行镀膜、码盘图案制作，得到玻璃码盘。
实施例2
与实施例1的不同之处仅在于基材的的原料组分，以下实施例中均只列出不同之处。
本实施例中，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
余量为SiO2。
实施例3
与实施例1的不同之处仅在于基材的的原料组分，以下实施例中均只列出不同之处。
本实施例中，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
余量为SiO2。
实施例4
与实施例1的不同之处仅在于基材的的原料组分，以下实施例中均只列出不同之处。
本实施例中，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
余量为SiO2。
实施例5
与实施例1的不同之处仅在于基材的的原料组分，以下实施例中均只列出不同之处。
本实施例中，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
余量为SiO2。
实施例6
与实施例1的不同之处仅在于基材的的原料组分，以下实施例中均只列出不同之处。
本实施例中，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
复合掺杂剂为铈、镧、锌的混合物，且铈：镧：锌的质量比为3:1:1；
余量为SiO2。
对比例1
与实施例1的不同之处仅在于基材的的原料组分中不包括TiF4。
对比例2
与实施例1的不同之处仅在于基材的的原料组分中不包括钪。
对比例3
与实施例1的不同之处仅在于基材的的原料组分中不包括复合掺杂剂。
对比例4
与实施例4的不同之处仅在于基材的的原料组分中的复合掺杂剂中不包括铈。
对比例5
与实施例4的不同之处仅在于基材的的原料组分中的复合掺杂剂中不包括镧。
对比例6
与实施例1的不同之处仅在于：该玻璃码盘的制备方法，其包括以下步骤：
1)按重量配比将SiO2、Al2O3、Li2O、B2O3、Fe2O3、TiF4、Sc、复合掺杂剂加入熔炼炉中混合均匀，先升温至600-700℃，保温20-30min，然后再升温至850-950℃，熔炼10-25min，然后再升温至980-1100℃，熔炼30-60min；
3)送入模具浇铸成型，550-650℃下退火，得到玻璃坯；
4)保温，用r射线照射玻璃坯0.5-5min，然后以15-35℃/min的降温速率冷却至室温，得到玻璃基材；
5)先利用玻璃基材加工得到码盘毛坯，然后对码盘毛坯进行镀膜、码盘图案制作，得到玻璃码盘。
对比例7
与实施例1的不同之处仅在于该玻璃码盘的制备方法中不包括用r射线照射玻璃坯的步骤。
对比例8
市售的用于制作玻璃码盘的优质钢化玻璃。
以下对实施例1-6和对比例1-8获得的玻璃基材的性能进行测试，首先将实施例和对比例获得的玻璃基材切割制成尺寸均一的样块，然后进行测试，测试指标和方法为：
抗弯曲强度：GB/T 37781-2019玻璃材料弯曲强度试验方法
热膨胀系数：采用热膨胀分析仪进行测定。
测量结果如下表1所示
表1
| 抗弯曲强度(MPa) | 膨胀系数(×10<sup>-7</sup>/℃) | |
| 实施例1 | 736 | 1.27 |
| 实施例2 | 724 | 1.33 |
| 实施例3 | 738 | 1.35 |
| 实施例4 | 753 | 1.19 |
| 实施例5 | 751 | 1.21 |
| 实施例6 | 747 | 1.23 |
| 对比例1 | 711 | 2.12 |
| 对比例2 | 705 | 1.78 |
| 对比例3 | 694 | 1.81 |
| 对比例4 | 713 | 1.55 |
| 对比例5 | 705 | 1.61 |
| 对比例6 | 702 | 1.82 |
| 对比例7 | 708 | 1.45 |
| 对比例8 | 530 | 9.7 |
从实施例1-6的检测结果与对比例8的检测结果对比可以看出，本发明的方案获得的玻璃基材的抗弯折强度和热稳定性得到了显著提升，通过该玻璃基材制作的玻璃码盘的精度和使用寿命能得到大幅度改善，能克服传统玻璃码盘存在的强度低、易碎的缺陷，能满足旋转编码器对于玻璃码盘的越来越高的性能要求。
从对比例1和实施例1的结果对比可以说明，TiF4的加入能显著提升玻璃的热稳定性，这是因为Ti4+离子，能显著降低玻璃的热膨胀系数；另外，TiF4具有八面体配位的钛聚合物结构，其还能增强玻璃内部网络结构的致密性，从而提高玻璃的强度。
从对比例2和实施例1的结果对比可以说明，钪的加入能显著提升玻璃的热稳定性和强度，这主要是因为钪(Sc)能与铝形成稳定的化合物Al3Sc，Al3Sc具有高热稳定性和高强度的特点，Al3Sc弥散在玻璃的网络结构中，能起到强化作用，有效提升玻璃的热稳定性和强度。
从对比例3和实施例1的结果对比可以说明，复合掺杂剂的加入能显著提升玻璃的热稳定性和强度；
进一步的，通过对比例4和对比例5的结果与实施例4的结果对比可以说明。铈和镧同时添加时，获得的玻璃基材在强度和热稳定性上的表现均强于添加其中任意一种所获得的效果。这是因为铈与硅、铝等元素形成高熔点的金属间化合物，形成具有很高的热稳定性新相，这些新相弥散分布在网络结构中，从而使得玻璃的热稳定性和强度能得到显著提高。镧的添加能起到细化晶粒的作用，可提高玻璃强度。铈和镧以特定比例复配添加时，通过两者产生交互作用，能获得协调增强效果，从而进一步增强玻璃的热稳定性和强度。
进一步的，通过实施例4-6与实施例1-3之间的结果对比可以说明，复合掺杂剂中锌的添加能促进各组分的均匀混合，以形成均匀性更好的网络结构，减少结构缺陷，从而能从侧面提升玻璃的热稳定性和强度。
从对比例6和实施例1的结果对比可以说明，铈、镧、锌先熔炼，然后再与其他原料一起熔炼，能使各原料充分混合，获得均一性更好的网络结构，从而能提升玻璃的热稳定性和强度。
从对比例7和实施例1的结果对比可以说明，用r射线照射玻璃坯能促进玻璃坯中的网络调整物的扩散，使网络调整物占满网络结构中的缺陷，通过减小结构缺陷从而能进一步提升玻璃的强度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，其特征在于，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
余量为SiO2。
2.根据权利要求1所述的用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，其特征在于，所述复合掺杂剂为铈和镧的混合物，且铈和镧的质量比为3:1。
3.根据权利要求1所述的用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，其特征在于，所述复合掺杂剂为铈、镧、锌的混合物，且铈：镧：锌的质量比为3:1:1。
4.根据权利要求1或2所述的用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，其特征在于，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
余量为SiO2。
5.根据权利要求1或2所述的用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，其特征在于，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
余量为SiO2。
6.根据权利要求1或2所述的用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，其特征在于，所述玻璃码盘的基材的原料按重量百分比计包括：
余量为SiO2。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，其特征在于，所述玻璃码盘的制备方法包括以下步骤：
1)按重量配比将复合掺杂剂加入刚玉坩埚中熔炼，保温，得到掺杂混合物；
2)按重量配比将SiO2、Al2O3、Li2O、B2O3、Fe2O3、TiF4、Sc加入熔炼炉中混合均匀，先升温，保温20-30min，再升温熔炼10-25min，然后再将所述掺杂混合物加入熔炼炉中，升温，熔炼30-60min；
3)送入模具浇铸成型，退火，得到玻璃坯；
4)保温，用r射线照射玻璃坯0.5-5min，然后冷却至室温，得到玻璃基材；
5)先利用玻璃基材加工得到码盘毛坯，然后对码盘毛坯进行镀膜、码盘图案制作，得到玻璃码盘。
8.根据权利要求7所述的用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，其特征在于，所述步骤2)具体为：按重量配比将SiO2、Al2O3、Li2O、B2O3、Fe2O3、TiF4、Sc加入熔炼炉中混合均匀，先升温至600-700℃，保温20-30min，然后再升温至850-950℃，熔炼10-25min，然后再将所述掺杂混合物加入熔炼炉中，升温至980-1100℃，熔炼30-60min。
9.根据权利要求7所述的用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，其特征在于，所述步骤3)中退火温度为550-650℃。
10.根据权利要求7所述的用于旋转编码器的高强度、高热稳定性玻璃码盘，其特征在于，所述步骤4)中，以15-35℃/min的降温速率冷却至室温。
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