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CN1384073A - 刚化玻璃板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了即使是板厚在3mm以下的玻璃板也能保持足够强度,且能促进玻璃破碎时碎片化的刚化玻璃板。前述刚化玻璃板的特征是,用并设的多个喷嘴喷射冷却介质进行风冷刚化以形成应力图形的刚化玻璃板中,前述应力图形由多个以前述各喷嘴正下方为中心的网眼相连而成,前述网眼中心区域的平面应力呈压缩状态,前述网眼周围区域的平面应力呈压缩状态,前述网眼中心区域和周围区域之间的区域的平面应力呈拉伸状态。

Description

刚化玻璃板及其制造方法
技术领域
本发明涉及刚化玻璃板及其制造方法。
背景技术
目前，对汽车窗用刚化玻璃板破碎时的碎片大小和片数等都以法规形式作了规定。例如：按日本工业规格(JIS)的规定，在5cm×5cm的区域内，玻璃板碎片的数量应在40片以上400片以下，没有长度超过75mm的细长碎片，也没有面积超过3cm2的大碎片。这些碎片的规格均以玻璃板破碎时能确保乘客的安全性为基准。
在工业化生产上述汽车用玻璃板的时候，一般采用所谓物理刚化法，即通过对加热到软化点附近的玻璃板喷射空气等冷却介质进行冷却，利用由此产生的板厚方向温度分布随时间的变化和热应力的发生，在玻璃板的表面形成压缩应力，在玻璃板的内部形成拉伸应力。这种热刚化玻璃板表面的压缩应力有助于玻璃板强度的提高，玻璃板内部的拉伸应力有助于破碎时破片密度的增加。
但是，按上述制造技术，如果玻璃板的板厚变薄，就很难在板厚方向形成温度分布，其结果会使玻璃板内部的拉伸应力值变小。对于车辆轻量化所需薄板汽车玻璃、尤其是板厚小于3mm以下的薄玻璃板的情况下，为了形成能满足破碎时法规规定的玻璃板内部拉伸应力，必须进行比以往更进一步的冷却。为了实现强冷，虽然可以提高喷射玻璃板冷却介质的速度，但是在喷射空气进行冷却的情况下，由于冷却强度与喷射风压的约1/3次方成正比，所以按此方法必须对送风设备进行大规模改造。另外，要驱动大型送风设备，还存在消耗巨大能量的问题。
另一方面，曾有人提出过以下方法(日本专利公开公报昭52-121620号、日本专利公开公报昭58-91042号、日本专利公报昭59-19050号等)，即通过在玻璃板平面方向有意形成应力图形，通过控制玻璃板破碎时裂纹的扩展方向，在与往常相当的空气喷射风压下，对于薄板也可以得到满足法规规定的玻璃板破碎形态的方法。这些技术利用了在玻璃板内部有拉伸应力的热刚化玻璃板破碎的情况下，在平面方向形成拉伸应力的区域内，裂纹朝垂直于与平面应力的方向扩展这一特性。
另外，这里所说的平面应力是指用光弹性法测定的平面应力，它表示非各向同性地作用于平行于面的方向上的主应力的差(主应力差)沿板厚方向的积分值。所谓主应力差原本是作用于玻璃板内部假定的作用面(与板面垂直相交的微小面)上的最大主应力和最小主应力之差，但很难严格地进行测定。因此，如图1所示，因为是多喷嘴对称配置(蹒跚足迹配置)，假定平行于喷嘴配列方向(图3的测定线)的主应力和垂直于喷嘴配列方向的主应力分别为最大或最小，认为当沿测定线方向的主应力大的情况下，作用面上由平面拉伸应力起作用，当沿测定线方向的主应力小的情况下，作用面上由平面压缩应力起作用。
平面应力的测定，使用装备有激光等光源、起偏镜及检偏镜的光弹性测定装置来进行。也就是说，通过起偏镜照射直线偏光于玻璃板的一个面，通过检光镜观察从玻璃板另一个面的出射光。其结果，因为玻璃板内部的直线偏光的偏光面会随着内部的平面应力变化而变化，所以，从检光镜出射的偏光的辉度会变化，通过观察该辉度的变化便可以间接得知平面应力。
但是，按上述现有技术中加工板厚3mm以下，例如2.5mm左右的汽车用玻璃板，特别是汽车用后窗玻璃这样的曲面玻璃板，其热刚化是不充分的。另外，要形成应力图形，还存在必须要制作特殊的喷射喷嘴，而且喷射喷嘴和玻璃板的距离必须接近之类的问题。
发明内容
本发明者为了解决车辆轻量化所需汽车玻璃薄板中存在的上述问题，连续进行了各种实验和研究。其结果发现对于风冷式热刚化玻璃板，通过在交互变化的短间距上形成压缩型平面应力区域和拉伸型应力区域，对薄板玻璃也可以得到促进玻璃板破碎时碎片化的效果。
本发明提供了权利要求1所述的刚化玻璃板。
另外，本发明还提供了权利要求9所述的刚化玻璃板的制造方法。
附图说明
图1是本发明实施方式中的玻璃板的说明图。
图2是本发明实施方式中的玻璃板的说明图。
图3是本发明实施方式中的玻璃板的说明图。
图4表示实施例的结果。
图5表示实施例的结果。
图6表示实施例的结果。
图7表示实施例的结果。
图8表示实施例的结果。
图中，A表示多个喷嘴中的某一喷嘴正下方的玻璃板面
具体实施方式
在本发明的风冷刚化玻璃板中，其应力图形是以风冷刚化时多个喷气嘴中的某一个喷气嘴正下方的玻璃板面为中心，在该中心周围相邻的多个喷气嘴正下方的玻璃板面内形成的网眼。也就是说，以上述各喷气嘴正下方的玻璃板面为中心的网眼是以某一个喷嘴为中心的应力图形区域，它形成于该中心周围的多个喷气嘴正下方的玻璃板面内。
本发明的特征是某一个喷嘴正下方的网眼中心部分为压缩区域(平面应力压缩)、网眼的外周也为压缩区域，而且在两个压缩区域的之间形成拉伸区域(平面应力拉伸)。因此，压缩区域的平面压缩应力(membrance compressivestress)的最大值在4～12Mpa的范围内，拉伸区域的平面拉伸应力在4～12MPa的范围内。低于4Mpa时，不能获得促进破碎的效果。要形成超过12Mpa的应力则必须在狭窄区域内加大温差，所以难以实现。另外，网眼内的表面压缩应力最好在90～160Mpa的范围内。
另外，在此说明一下表面压缩应力。如果对高温玻璃板进行急冷，使玻璃板的表面和内部形成温度差，则会在表面产生拉伸热应力，在内部产生压缩热应力，在玻璃板处于接近软化点温度的情况下，所产生的热应力在极短时间内即可缓解。如果从此状态继续冷却到室温，使玻璃板表面和内部的温度差为零，则会在玻璃板的表面残存压缩应力，在内部残存拉伸应力。其中，残存于玻璃板表面附近的应力叫做表面压缩应力(surface compressive stress)。
另外，各网眼的两个压缩区域中的平面压缩应力最大点之间的距离希望在20～40mm范围内，网眼最好是一边为20～35mm的多边形。要进行20mm以下小间距喷嘴的配列在实际上是很难的，超过40mm的间距，则恐怕达不到玻璃板破碎时法规规定的条件。多边形理想的形态是正六边形。这样就能够促进适合于车辆轻量化的汽车用玻璃薄板在破碎时的碎片化。因此，作为对象的玻璃板的板厚应在3mm以下，最好为2.4～3mm，尤其是也能适用于象汽车后窗玻璃这样的曲面玻璃。如果板厚超过3mm，则即使不制作由上述压缩区域和拉伸区域组成的应力图形，也能得到符合破碎时法规规定标准的破片。
在制作具有上述特征的汽车用玻璃板的时候，为了在短距离的间距内形成压缩区域和拉伸区域，所以使用间距为喷嘴直径的4倍左右、且整齐配置的多个喷气嘴构成的冷却装置。而且把各个喷嘴尖端到需冷却的玻璃板表面的距离配置成喷嘴直径的4倍左右。
一般用喷嘴群喷射冷却空气而制得的热刚化玻璃板，喷射气流碰撞到玻璃板部位的平面应力为零，连接喷嘴和喷嘴的直线中点上会形成与此直线垂直相交的平面应力。与此相反，将玻璃板和冷却装置的位置关系调到如上所述的位置关系，可以增加位于连接喷嘴和喷嘴的直线中点的玻璃板面上的对流热传导系数，所以对于热容量小的薄玻璃板，可以在交互短间距中形成压缩区域和拉伸区域的平面应力。
在以上制作的玻璃板上产生应力的机理如下所述。(1)碰撞到玻璃板面的喷嘴喷流(冷却介质喷流)呈放射状流过玻璃板面；(2)与相邻喷嘴相同的喷流碰撞；(3)碰撞的区域(相邻喷嘴之间的中间区域)产生微小涡流(紊流)，促进玻璃板面的热交换即促进冷却而形成压缩领域；(4)与喷嘴正下方相邻的喷嘴之间的中间区域先冷却，剩余区域后冷却而形成拉伸区域。
图1～3对本发明实施方式中的玻璃板的特征进行了说明。如图1所示，多个喷气嘴在横向以等间距配置成一列，其上下留一定的间隔，对该列中各喷嘴的位置错开其一半左右，同样在横向留开一定间隔配置成一列。这样配置的相邻的三个喷嘴呈正三角形，以某一个喷嘴A为中心的相邻的六个喷嘴B呈正六角形。如果注意等间隔配置在上下或左右的两列，则可以看到各喷气嘴，无论在横方向和纵方向都象留开一定间隔配置成蹒跚脚印状。
图2是图1中区域D所示长方形部分的扩大图和平面应力的测定结果。图2中示出，测定线即喷嘴沿横向配列(上述一列)的线上，平面压缩应力和平面拉伸应力的实测值。如图1～2所示可知，关于平面应力的发生状态，在各喷气嘴的正下方产生压缩应力，相邻的喷气嘴间交互产生拉伸应力和压缩应力。
具体来说，图2中测定线所示线上的中央部、即该线上示为“1.”的地方，相当于某一个喷嘴的正下方的位置。在该符号“1.”处，压缩应力为57kgf/cm2(≈5.586MPa)。其左方“2.”处的拉伸应力为64kgf/cm2(≈6.272MPa)、其右方“2.”处的拉伸应力为100kgf/cm2(≈9.80MPa)。再看该右方“2.”的右方，“3.”处的压缩应力为44kgf/cm2(≈4.312MPa)。另外，左方“3.”处虽然有较小的压缩应力，但是沿测定线的应力从整体上可以看出，喷嘴正下方位置上是压缩应力，其左右依次交互产生拉伸应力和压缩应力。
以上是有关配置成一列的喷嘴间产生的应力，但某一个喷嘴(以下称为喷嘴A)正下方的周围，有以喷嘴A为中心的6个喷嘴(以下称为喷嘴B)的正下方。如注意玻璃板G的主表面上的该部分，沿上述应力产生的机理(1)～(4)观察，可得到如下结果。
(1)来自喷嘴A的喷嘴喷流和来自相邻的6个喷嘴B的喷嘴喷流在玻璃板G的主表面碰撞，分别呈放射状流在玻璃板G的面上。由于各喷嘴的正下方之处被冷却，所以在玻璃板G的该处产生压缩应力。
(2)来自喷嘴A的气流与来自彼此相邻的6个喷嘴B的气流碰撞。
(3)在来自喷嘴A的气流和来自6个喷嘴B的气流分别碰撞的地方，产生微小的涡流，促进玻璃板G的表面冷却。
(4)因此，喷嘴正下方A、B以及各喷嘴间气流碰撞之处先冷却，剩余的中间部分后冷却，变为拉伸(应力)层(区域C)。
图3是表示上述(1)～(4)的内容，即图1中左上部的某一个喷嘴(喷嘴A)的正下方的正六边形部分的平面压缩应力和平面拉伸应力的关系图。图3也示出位于其右侧的喷嘴的正下方的点，但还有包含它在内、以喷嘴A为中心的6个喷嘴B的正下方。喷嘴A的正下方的玻璃板部分冷却加快，产生平面压缩应力。
因为喷嘴喷流是在与来自相邻的6个喷嘴的喷嘴喷流之间流动的，所以相应产生强弱不同的冷却，因此，在喷嘴正下方周围，在冷却较弱的部分产生放射状平面拉伸应力。图3所示是以圆周状的拉伸区域(圆周方向的拉伸层)表示的部分。在这个拉伸区域即平面拉伸应力发生部位的周围，又是冷却充分的部分，产生放射状平面压缩应力。图3所示是以各喷嘴间的压缩区域(喷嘴间的压缩层)表示的部分。
以下通过实施例进一步详细说明本发明。但本发明并不局限于这些实施例。本实施例中按以下的刚化条件将板厚2.5mm的玻璃板制成风冷刚化玻璃板。
风冷装置的技术参数如下：为了冷却玻璃板的两面，在玻璃板的上方和下方都设置喷口，每个喷口都按33mm间隔配置内径7.5mm的多个喷嘴。其中就任意3个喷嘴来看都配成正三角形位置。风压为20kPa，喷嘴尖端和玻璃板表面的距离设为30mm。从冷却开始3秒钟到玻璃板静止后，在玻璃板面方向边滑动边冷却玻璃板。这样制得玻璃板的应力值如下。平面拉伸应力为10Mpa，平面压缩应力为10Mpa，线上应力间隔(即从平面压缩应力的最大点到相邻平面压缩应力的最大点间的距离)为33mm、平面应力分布形成的网眼是一边为27.5mm的正六边形、表面压缩应力为97～147Mpa。表1～2所示为试样No.2～6的评价结果，表1表示玻璃板面内的平面应力、表2表示表面压缩应力。
                                    表1
                                平面应力(面内)
No.   QS(-)   上部喷口的风压/下部喷口的风压(kPa)        平面应力(+：压缩，-：拉伸)
 1、喷嘴正下方(MPa)   2、网眼中心领域(MPa)   3、相邻喷嘴中间(MPa)
  No.2   0.6   22.54/22.54     2.3     -5.2     1.1
  No.3   0.6   22.05/21.07     3.0     -5.0     0.4
  No.4   3.0   22.05/21.07     4.5     -8.7     1.5
  No.5   3.0   19.6/19.6     3.2     -9.2     -1.0
  No.6   0.6   19.6/19.6     3.0     -5.5     0.1
                                         表2
                                   表面压缩应力(面内)
No. QS(-)   上部喷口的风压/下部喷口的风压(kPa)    1、喷嘴正下方(MPa)    3、相邻喷嘴中间(MPa)
纵向 横向 纵向 横向
  No.2   0.6   22.54/22.54     134     129     129     127
  No.3   0.6   22.05/21.07     145     139     134     129
  No.4   3.0   22.05/21.07     169     163     156     153
  No.5   3.0   19.6/19.6     129     129     127     127
  No.6   0.6   19.6/19.6     127     129     118     108
图4～8表示试样评价结果(曲线图)。QS是Quench Stop的缩写，表示玻璃板置于喷嘴正下方后到开始滑动的待机时间。通常风冷玻璃板希望冷却均匀，让玻璃板滑动，但本发明是希望把喷嘴的配列反映到应力图形上，所以尽可能不让玻璃板移动。
另外，曲线图中的符号1.表示喷嘴正下方的压缩区域、2.表示圆周方向的拉伸区域、3.表示位于相邻喷嘴之间中心的压缩区域。曲线图的纵轴表示平面应力，横轴表示沿图3的测定线的位置，QS是相对值。
本发明的风冷刚化玻璃板，尤其是车辆轻量化所需的汽车用玻璃薄板既能够保持足够强度，又能促进玻璃板破碎时的碎片化。本发明对于按现有技术难以处理的板厚3mm以下，例如2.5mm左右的汽车用玻璃板，特别是汽车用后窗玻璃板这样的曲面玻璃板的热刚化也特别适用。还适用于除汽车之外的车辆、船舶、飞机、建筑物窗等所用的玻璃板。

Claims (10)

1.刚化玻璃板，其特征在于，用并设的多个喷嘴喷射冷却介质进行风冷刚化以形成应力图形的刚化玻璃板中，前述应力图形由多个以前述各喷嘴正下方为中心的网眼相连而成，前述网眼中心区域的平面应力呈压缩状态，前述网眼周围区域的平面应力呈压缩状态，前述网眼中心区域和周围区域之间的区域的平面应力呈拉伸状态。
2.如权利要求1所述的刚化玻璃板，其特征还在于，从前述网眼中心区域内的平面压缩应力的最大点到前述网眼周围区域内的平面压缩应力的最大点之间的距离为20～40mm。
3.如权利要求1或2所述的刚化玻璃板，其特征还在于，前述网眼中心区域和前述网眼周围区域内的平面压缩应力的最大值在4～12Mpa的范围内，前述网眼中心区域和周围区域之间的区域内的平面拉伸应力的最大值在4～12Mpa的范围内。
4.如权利要求1～3中任一项所述的刚化玻璃板，其特征还在于，前述网眼的形状为多边形，且其一边的长度为20～35mm。
5.如权利要求1～4中任一项所述的刚化玻璃板，其特征还在于，板厚在3mm以下。
6.如权利要求1～4中任一项所述的刚化玻璃板，其特征还在于，板厚在2.4～3mm的范围内。
7.如权利要求1～6中任一项所述的刚化玻璃板，其特征还在于，前述应力图形中的表面压缩应力在90～160MPa的范围内。
8.如权利要求1～7中任一项所述的刚化玻璃板，其特征还在于，前述刚化玻璃板用作汽车窗玻璃。
9.刚化玻璃板的制造方法，其特征在于，在用多个喷嘴向加热玻璃板喷射冷却介质的同时，利用相邻的前述喷嘴喷射的冷却介质之间的碰撞，促进位于前述各喷嘴中间的前述玻璃板的冷却；在前述玻璃板上形成以前述各喷嘴正下方为中心的网眼多个连接而成的应力图形的同时，使前述网眼中心区域的平面应力呈压缩状态，前述网眼周围区域的平面应力呈压缩状态，前述网眼中心区域和周围区域之间的区域内的平面应力呈拉伸状态。
10.权利要求9所述的刚化玻璃板的制造方法，其特征还在于，用于制造权利要求1～8中任一项所述的刚化玻璃板。
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