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Thermisches Vorspannen von Gläsern mit
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niedrigem Wärmespannungsfaktor
Thermisches Vorspannen
von Gläsern mit niedrigem Wärmespannungsfaktor Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf die Herstellung von Glasartikeln mit hoher Temperaturunterschiedsfestigkeit,
hoher mechanischer Festigkeit und feiner Krümelung bei mechanischer Zerstörung.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum thermischen
Vorspannen von Gläsern mit einem Wärmespannungsfaktor von 0,2 bis 0,5 N/(mm2K) durch
Aufheizen der Gläser auf eine Temperatur oberhalb ihrer Erstarrungstemperatur, aber
unterhalb ihrer Erweichungstemperatur und Abschrecken des erwärmten Glases mit einem
Luft-Flüssigkeits-Gemisch.
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Als Wärmespannungsfaktor gilt das Verhältnis aus Oc . E/(1 - 1u) N/(mm2K),
wobei ob der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (K-1) zwischen 20 und 3000C, E
der Elastizitätsmodul (N/mm2) und /u die Poissonsche Zahl des Glases sind.
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Unter einer hohen Temperaturunterschiedsfestigkeit wird hier eine
Temperaturdifferenz innerhalb des Glasartikels z.B. zwischen dem Scheibenrand und
der Scheibenmitte von >, 280 K, vorzugsweise von > 350 K, bei einer Beanspruchungszeit
von )> 4 Minuten verstanden. Solche Temperaturdifferenzen können beispielsweise
in Brandschutzscheiben, deren Randbereich a 20 mm abgedeckt ist, bei der Prüfung
nach DIN 4102, Teil 5 auftreten. Als hohe mechanische Festigkeit wird eine mittlere
Biegezugfestigkeit von )s 100 N/mm2 nach Abrieb mit 220er Naßschleifpapier angesehen.
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Der Begriff der feinen Krümelung ist für Einscheibensicherheitsglas
definiert.
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Da solche Glasartikel vorzugsweise als Abdeckung von Lampen, von Kamin-
und Ofenverglasungen oder als Brandschutzsicherheitsgläser ( > G 90 nach DIN
4102, Teil 5) eingesetzt werden sollen, finden hierfür vorzugsweise Ausgangsgläser
mit hohen Erweichungstemperaturen ( \> 8000C) Anwendung.
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Als Erweichungstemperatur Ew gilt die Glastemperatur bei einer Viskosität
von 106'6 (Pas).
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Durch die Erzeugung einer Druckvorspannung in der Oberflächenschicht
eines Glases kann sowohl die mechanische Festigkeit als auch dessen Temperaturunterschiedsfestigkeit
erhöht werden. Daher wurden in der Vergangenheit auch eine Vielzahl von Verfahren
zur Erhöhung der Druckvorspannung in der Oberflächenschicht entwickelt.
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Das in der Praxis am häufigsten angewandte Verfahren zur Herstellung
von Windschutzscheiben und Einscheibensicherheitsglas für das Bauwesen ist das thermische
Vorspannen von Glas.
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Bei diesem Verfahren wird Calcium-Natrium-Silicat-Glas mit einer Wärmeausdehnung
> 8,5 . 10-6 K-1 auf eine Temperatur, die zwischen der Transformationstemperatur
und Erweichungstemperatur liegt, aufgeheizt und anschließend rasch durch Anblasen
mit Luft abgeschreckt. Bei einer Glasdicke von # 5 mm wird hierbei eine ausreichende
mechanische Festigkeit und feine Krümelung erreicht.
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Die geforderte Temperaturunterschiedsfestigkeit von ik280 K wird von
diesen Gläsern jedoch nicht erzielt.
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Durch das chemische Vorspannen, bei dem 50 bis 100 K unterhalb der
Transformationstemperatur kleine Alkaliionen im Glas gegen größere Alkaliionen aus
einem geschmolzenen Salz ausgetauscht werden, können höhere Druckvorspannungen und
damit auch höhere Temperaturunterschiedsfestigkeiten erzielt werden. Feine Krümelungen
werden bei diesem Verfahren jedoch nur bei dünnen (1 bis 2 mm dicken) Glasartikeln
erhalten. Solche dünnen Gläser sind jedoch für eine Reihe von Anwendungen (z.B.
als Brandschutzgläser bei Außenverglasungen) ungeeignet. Das chemische Vorspannen
ist ein sehr zeit- und kostenaufwendiges Verfahren, das ein Spezialglas voraussetzt.
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Weitere Verfahren zur Erzeugung einer hohen Druckvorspannung sind
die Oberflächenkristallisation (DE-PS 22 63 234) und das Oberfangen. Bei beiden
Verfahren wird eine Oberflächenschicht mit niedriger Wärmeausdehnung gebildet. Die
Oberflächenkristallisation ist für den hier vorgesehenen Zweck ungeeignet, da die
Glasartikel nicht klar durchsichtig sind. Oberfanggläser müssen bereits bei ihrer
Herstellung auf Endmaß gefertigt werden. Wie beim chemischen Vorspannen werden für
beide Verfahren Spezial gläser benötigt, und die feine Krümelung erfolgt nur bei
dünnen Glasartikeln.
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Die gestellte Forderung nach einer Temperaturunterschiedsfestigkeit
von >/ 280 K, vorzugsweise >/ 350 K wird durch die bekannten Glaskeramiken
mit CrC- -Werten zwischen + 0 und 1 106 K 1 erfüllt, die als Kristallphase Hochquarzmischkristalle
enthalten.
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Die Nachteile dieser Glaskeramik sind ihre fehlende Iransparenz bzw.
ihr brauner Farbton, der durch den Keimbildner Titandioxid verursacht wird, ihre
hohen Rohstoffkosten, ihre teueren Fertigungskosten und die fehlende mechanische
Festigkeit bzw. die fehlende Krümelbildung bei ihrer mechanischen Zerstörung.
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Die Forderung nach einer Temperaturunterschiedsfestigkeit von A, 280
K wird auch durch die bevorzugt im Randbereich vorgespannten Gläser, wie sie in
der DE-AS 2 313 442, DE-AS 2 413 552 und DE-AS 2 424 172 beschrieben sind, erfüllt.
Diese Gläser sind klar durchsichtig und lassen sich preiswert herstellen und vorspannen.
Die vorzugsweise im Scheibenrand eingebrachte Druckvorspannung bewirkt zwar eine
hohe Temperaturunterschiedsfestigkeit zwischen Scheibenrand und Scheibenmitte, verleiht
aber der Gesamtscheibe keine wesentlich höhere mechanische Festigkeit und führt
bei einer mechanischen Zerstörung der Scheibe zu keiner feinen Krümelung.
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Ziel der Erfindung sind Glasartikel, die folgende Eigenschaften gleichzeitig
aufweisen: - Temperaturunterschiedsfestigkeit tk 280 K, vorzugsweise >/ 3500C
über 4 Minuten Belastungsdauer - mittlere Biegezugfestigkeit von > 120 N/mm2
nach Naß-Schmirgelung mit 220er Korn und - mittlere Krümel größe nach mechanischer
Zerstörung von 4 0,5 cm2.
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Ziel der Erfindung sind insbesondere 5 bis 7 mm dicke klar durchsichtige
Glasartikel mit einem Ew Aw 8000C, welche die oben genannten Eigenschaften gleichzeitig
aufweisen.
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Dieses Ziel wird mit einem Verfahren gemäß den Patentansprüchen erreicht.
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Es ist bekannt (1. Blank, K.: Thermisch vorgespanntes Glas, Teil 2.
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Glastechn. Ber. 52 (1979) Nr. 2, S. 51 - 54; 2. Akeyoshi, K.; Kanai,
E.; Yamamoto, K. und andere: Study on the physical tempering of glass plutes. Part
1 and 2. Rep. Res. Lab. Asahi Glass 17 (1967), S. 23 - 36, 53 - 68. (Teil 1 ref.
Glastechn.
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Ber. 41 (1968) S. 379)), daß zur Erzielung einer mittleren KrümelgröOe
von 4; 0,5 cm2 bei 5 bis 7 mm dicken Gläsern eine Druckvorspannung von > 75 N/mm2
(loc.cit.1.) bzw. >/ 80 N/mm2 (loc.cit.2.) benötigt wird. Die Forderung ist im
wesentlichen unabhängig von der Glasart.
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Es ist weiterhin bekannt, daß beim thermischen Vorspannen in Gläsern
mit niedriger Wärmeausdehnung nur eine geringe Vorspannung erzeugt werden kann.
Für eine gegebene Vorspannanlage d.h. bei einer konstanten Wärmeübergangszahl und
einer festen Temperaturdifferenz zwischen Glasoberfläche und Kühlmedium ist die
erzeugte Vorspannung proportional dem Wärmespannungsfaktor r ( P = 4 E/(1 - 1u)
) ( Blank, K.: Thermisch vorgespanntes Glas, Teil 1. Glastechn. Ber. 52 (1979) Nr.
1, 5. 1 - 13).
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Zur Verbesserung der Vorspannung wurden bereits Gläser mit einem Wärmespannungsfaktor
von 0,2 bis 0,5 N/(mm2K) in Mineralölen und Salzschmelzen vorgespannt (Gora P.;
Kiefer, W.; Sack, W. und Seidel H.: Thermisches Vorspannen von Spezialgläsern durch
Abschrecken in Mineralölen und geschmolzenen Salzen. Glastechn.
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Ber. 50 (1977) Nr. 12, S. 319 - 327). Rißfreie Proben wurden
hierbei
erst bei Aufheiztemperaturen nahe oder sogar oberhalb der Erweichungstemperatur
erhalten. Diese hohen Aufheiztemperaturen sind jedoch für die deformationsfreie
Herstellung von Glasartikeln nicht zu akzeptieren.
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Ein weiterer Nachteil des Vorspannens in Flüssigkeiten besteht darin,
daß die zuerst in die Flüssigkeit eintauchende Kante zusätzlich durch hydrodynamische
Vorgänge abgekühlt wird und Risse enthält (DE-OS 2 238 645).
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Neben Mineralöl und Salzschmelzen wurden auch andere organische Flüssigkeiten
wie z.B. 1, 2, 4-Trichlorbenzol (US-PS 2 198 739) oder Verbindungen mit mindestens
einer OH-Gruppe (US-PS 3 186 816) verwendet. In der US-PS 3 186 816 wird darauf
hingewiesen, daß jedoch Wasser, Methanol, Glykol und Glyzerin als Abschreckflüssigkeit
ungeeignet sind, da bei dem Verfahren die sich bildende Dampfschicht und nicht die
umgehende Flüssigkeit das wirksame Abschreckmittel sind. Bei der Verwendung von
Wasser wird der sich bildende Wasserdampfmantel nicht lange genug aufrecht erhalten
bis das Glas ausreichend tief abgekühlt ist, um einen direkten Kontakt mit dem Wasser
auszuhalten.
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Neben dem Eintauchen in Flüssigkeiten wurde auch das Sprühen mit Flüssigkeiten
versucht. Der diesbezügliche Stand der Technik wurde von G. Frikell (Das Härten
des Glases, Glas-Email-Keramo-Technik 9 (1958), Heft 6, S. 201 - 204) zusammengestellt.
Er kommt dabei zu dem Schluß, daß die zunächst naheliegende Verwendung von Wasser
als Kühlflüssigkeit sich aufgrund seiner starken Kühlwirkung als unzweckmäßig, wenn
nicht gar als unmöglich erwies. Die mit Wasser behandelten Gläser bekamen Oberflächenrisse
oder zersprangen ganz.
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Gemäß der DE-PS 633 214 wird der Anblasluft fein zerstäubtes Wasser
oder überhitzter Wasserdampf zugegeben. Die Menge des zugegebenen zerstäubten Wassers
darf hiernach jedoch nur so groß sein, daß das Wasser bei der Berührung mit dem
Glasgegenstand verdampft werden kann und jedes Rieseln der Flüssigkeit auf der Glasoberfläche
vermieden wird. Auf dem gleichen Prinzip beruht auch die CH-PS 190 948, gemäß welcher
die Flüssigkeit mit einer Zweistoffdüse auf das Glas aufgesprüht wird. Anstelle
von Wasser werden wässrige oder nichtwässrige Flüssigkeiten empfohlen.
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Analog der DE-PS 633 214 wird in der JP-PS 53-1212 ein Verfahren beschrieben,
bei dem der Anblasluft durch Ultraschall zerstäubtes Wasser mit einem Teilchendurchmesser
von 1 bis 80 1um und in einem Wasser-Luft-Verhältnis von 5 . 10'2 bis 5 10 1 ltm3
beigemischt wird. Durch die Zugabe des zerstäubten Wassers zur Anblasluft läßt sich
die Kühl leistung um 25 bis 30 % steigern. Eine Steigerung des Wasser-Luft-Verhältnisses
über den Wert von 0,2 l/m3 bringt keine weitere Verbesserung mehr. Da in dieser
JP-PS Angaben über die verwendeten Luftmengen fehlen, können über die Wassermengen,
die pro Oberflächeneinheit auftreffen, keine Aussagen gemacht werden Obwohl es bekannt
war, daß für das Vorspannen von Gläsern mit niedrigem Wärmespannungsfaktor ähnlich
wie bei dünnen (1,5 bis 3 mm) Gläsern mit hohem Wärmespannungsfaktor Vorspannverfahren
benötigt werden, die einen erhöhten Wärmeübergang zwischen Glas ind Abkühlmedium
ermöglichen, konnte bisher mit keinem der beschriebenen Verfahren z.B. ein Glas
mit der Wärmeausdehnung g von 3,25 10-6 K 1 so hoch vorgespannt werden, daß es bei
seiner mechanischen Zerstörung in feine Krümel zerfällt.
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Bei den durchgeführten Versuchen zum Abschrecken von Gläsern durch
Ansprühen mit einem Luft-Wasser-Gemisch hat sich überraschend gezeigt, daß unter
gleichen Versuchsbedingungen bei Gläsern wesentlich andere Wärmeübergangszahlen
in Abhängigkeit von der Temperatur auftreten als bei Metallen.
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Zunächst wurde versucht, die Wärmeübergangszahl nach der in der DE-OS
22 54 780 beschriebenen Methode zu bestimmen. Hierzu wurde ein Aluminiumblock von
50 50 6mm3 mit einem Thermoelement im Innern auf 4000C erhitzt und anschließend
mit einem Luft-Wasser-Gemisch angesprüht. Die Temperatur-Zeit-Kurve zeigt von 400
bis 25O0C einen langsamen und unterhalb 25O0C einen sehr raschen Temperaturabfall.
Der unterschiedliche Temperaturabfall war nach den bisherigen Erkenntnissen zu erwarten.
Oberhalb 2500 C bildet sich auf der Oberfläche des Aluminiums ein Dampfmantel, der
einen raschen Wärmeaustausch verhindert. Bei 2500C bricht dieser Dampfmantel plötzlich
zusammen, und es erfolgt ein sehr hoher Wärmeübergang. Das Zusammenbrechen des Dampfmantels
wurde daher auch als Ursache für das Zerbrechen der Glasproben beim Abschrecken
mit Wasser erkannt.
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Zur direkten Messung der auftretenden Temperaturdifferenz zwischen
der Glasoberfläche und dem Glasinneren während des Abschreckprozesses wurde ein
Thermoelement in eine transparente Glaskeramik mit der Wärmeausdehnung Null eingeführt.
Die Glaskeramikprobe wurde auf 7000C aufgeheizt und anschließend rasch zum Abschrecken
zwischen zwei Zweistoffdüsen gebracht. Während des Abschreckprozesses durch Ansprühen
mit einem Luft-Wasser-Gemisch wird sowohl die Temperatur im Innern der Glaskeramik
über das Thermoelement als auch die Temperatur an der Oberfläche der Glaskeramik
mit Hilfe eines Infrarot-Temperatur-Meßgerätes gemessen. Bei diesen Versuchen hat
sich überraschenderweise
gezeigt, daß sich an der Glasoberfläche
unter gleichen experimentellen Bedingungen eine wesentlich andere Wärmeübergangszahl
einstellt als bei Metallen wie z.B. Aluminium, Kupfer oder Stahl.
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Die Versuche haben ergeben, daß durch Ansprühen eines Luft-Wasser-Gemisches
mittels einer Zweistoffdüse bei Glas im Gegensatz zu den Metallen ein einheitlicher
Wärmeübergang erzeugt werden kann, wenn die Flüssigkeitsmenge pro Düse zwischen
0,1 l/h und 10 l/h, die Luftmenge pro Düse zwischen 0,1 und 5 l/h und das Verhältnis
Flüssigkeitsmenge zur Luftmenge zwischen 0,1 und 5 l/m3 liegen.
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Der unterschiedliche Wärmeübergang bei Glas und Metall läßt sich damit
erklären, daß beim Glas aufgrund der geringeren Wärmeleitung an die Glasoberfläche
in der Zeiteinheit weniger Wärme zur Verfügung steht als bei den Metallen. Wird
ein Luft-Flüssigkeits-Gemisch im Rahmen der oben genannten Mengen auf die Glasoberfläche
gesprüht, dann bildet sich beim Glas kein so dichter Dampfmantel wie beim Metall,
sondern der Dampfmantel ist für die Flüssigkeitströpfchen zum Teil durchlässig.
Da diese Durchlässigkeit mit sinkenden Temperaturen zunimmt, bleibt die Wärmeübergangszahl
konstant.
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Es wurde überraschenderweise gefunden, daß in Gläsern mit einem Wärmespannungsfaktor
zwischen 0,2 und 0,5 N/(mm2K) durch das beanspruchte thermische Vorspannverfahren
eine Druckvorspannung von >/ 75 N/mm2 erzeugt werden kann. Hierzu werden die
Gläser auf eine Temperatur oberhalb der Entspannungstemperatur, aber unterhalb
der
Erweichungstemperatur aufgeheizt und mit einem Luft-Flüssigkeits-Gemisch abgeschreckt.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß zum Abschrecken ein Luft-Flüssigkeits-Gemisch
mittels Zweistoffdüsen auf die Glasoberfläche gesprüht wird, wobei die Luftmenge
pro Düse zwischen 0,1 und 10 m3/h, die Flüssigkeitsmenge pro Düse zwischen 0,1 und
5 lih und das Verhältnis von Flüssigkeitsmenge zu Luftmenge zwischen 0,1 und 5 l/m3
liegen sollen.
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Die Zweistoffdüsen müssen so beschaffen sein, daß bei dem vorgeschriebenen
Verhältnis von Flüssigkeitsmenge zu Luftmenge die mittlere Tröpfchengröße zwischen
1 und 100 /um liegt.
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Zur Erzielung einer gleichmäßigen Vorspannung über die gesamte Fläche
des Glasartikels sollte der Abstand der Düsen untereinander so gewählt werden, daß
sich die Strahlenkegel beim Auftreffen auf die Glasoberfläche gerade berühren. Dieser
Abstand kann im Durchlicht sehr rasch ermittelt werden. Er liegt bei Rundstrahlern
unter Berücksichtigung eines optimalen Glas-Düsen-Abstandes zwischen 30 und 60 mm.
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Die höchste Abschreckwirkung wird erzielt, wenn die Glasproben in
die Entfernung zu den Düsen gebracht werden, bei der sich die Strahlenkegel der
Düsen gerade berühren. Bei geringerer Entfernung wird eine ungleichmäßige Vorspannung
und bei größerer Entfernung eine verminderte AbschKe iwirkung erzielt. Der Abstand
Glas zu Düsen sollte zwischen 30 und 200 mm liegen.
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Die Gleichmäßigkeit des Wärmeüberganges kann durch Messung des Temperaturabfalles
an der Glasoberfläche mit Hilfe eines Infrarot-Meßgerätes kontrolliert werden.
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Die steilsten Temperaturabfälle werden mit einem Luft-Wasser-Gemisch
erzielt. Durch Zugabe von Alkoholen zu Wasser wird die Abkühlgeschwindigkeit erheblich
herabgesetzt. Es entsteht anscheinend zwischenzeitlich ein stärkerer Dampfmantel,
der erst bei tieferen Temperaturen wieder von Flüssigkeitströpfchen durchdrungen
wird.
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Es ist bekannt, daß bei gegebener Abschreckvorrichtung die erzeugte
Druckvorspannung umso kleiner ist, je dünner die Glasprobe und je kleiner der Wärmespannungsfaktor
ist.
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Um eine Vorspannung von > 75 Nimm2 bei Gläsern mit einem niedrigen
Warmespannungsfaktor von 0,2 bis 0,5 N/(mm2K) erreichen zu können, muß eine Optimierung
der Luft- und Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit vom Wärmespannungsfaktor des Glases
und der Glasdicke erfolgen.
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Liegt der Wärmespannungsfaktor der vorzuspannenden Gläser im oberen
Bereich, dann liegt die verwendete Flüssigkeitsmenge im unteren geforderten Bereich.
Eine Verminderung der Abschreckgeschwindigkeit kann auch durch Vergrößerung des
Abstandes zwischen Glasoberfläche und Düsen oder durch Zugabe von Alkohol zum Wasser
erzielt werden.
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Zum Vorspannen von Gläsern, deren Wärmespannungsfaktor im unteren
Bereich liegen, muß die verwendete Flüssigkeitsmenge im oberen geforderten Bereich
liegen. Für Gläser mit dem Wärmespannungsfaktor 4 0,26 N/(mm2K) hat sich Wasser
als Flüssigkeit bewährt. Die Gläser sollten hierbei in die beschriebene Entfernung
zur Düse gebracht werden.
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Es ist bekannt und hat sich bei den hier vorliegenden Versuchen erneut
gezeigt, daß das Vorspannen von Gläsern mit höheren Wärmespannungsfaktoren wesentlich
einfacher ist als das Vorspannen von Gläsern mit niedrigen Wärmespannungsfaktoren.
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Die folgenden Beispiele beziehen sich daher im wesentlichen auf die
schwierigeren Gläser mit niedrigem Wärmespannungsfaktor.
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Der Einfluß der Dicke auf die Vorspannung ist wesentlich geringer
als der Einfluß des Wärmespannungsfaktors.
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Die Fig. 1 zeigt die Temperatur-Zeit-Kurven beim Abschrecken von Aluminium
und Glas mit einem Luft-Flüssigkeits-Gemisch.
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Die Luftmenge pro Düse betrug 2 m3/h, die Flüssigkeitsmenge 2,4 l/h
und der Luftdruck an der Zweistoffdüse 3 bar.
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Die Kurve a in Fig. 1 zeigt den Temperaturabfall bei Aluminium, wobei
die Flüssigkeit aus Wasser bestand.
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Der geringe Temperaturabfall bis 2400C läßt sich durch die Bildung
eines Dampfmantels erklären. Bei 24O0C bricht der Dampfmantel zusammen und die Wärmeablagerung
steigt steil an. Da aufgrund der hohen Wärmeleistung zwischen Oberfläche und Innerem
kein
großer Temperaturunterschied besteht, wurde nur die Temperatur im Inneren des Aluminiumblockes
gemessen.
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Die Kurve b in Fig. 1 zeigt den Temperaturabfall einer 5 mm dicken
Glasprobe mit dem Wärmespannungsfaktor von 0,26 N/(mm2K).
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Die Abschreckbedingungen waren die gleichen wie beim Aluminium.
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Die aufgezeigte Temperatur wurde an der Glasoberfläche mit einem Infrarot-Meßgerät
gemessen. Der Temperaturabfall ist wesentlich rascher und über den gesamten Temperaturbereich
gleichmäßig.
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Die Ausbildung eines ausgeprägten Dampfmantels konnte nicht festgestellt
werden.
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Wird anstelle von Wasser als Flüssigkeit z.B. ein Alkohol-Wasser-Gemisch
im Verhältnis 1': 1 verwendet (Kurve c in Fig. 1), dann kann sich unter sonst gleichen
Versuchsbedingungen vorübergehend ein Dampfmantel ausbilden. Für eine gute Vorspannung
ist es wichtig, daß der Temperaturabfall in der Glasoberfläche zunächst rasch erfolgt
und der Dampfmantel sich erst mit einiger Verzögerung ausbildet.
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Die mit Wasser als Flüssigkeit abgeschreckte Glasprobe (Kurve b) weist
eine Druckvorspannung von 95 N/mm2 und die mit dem Alkohol-Wasser-Gemisch abgeschreckte
Probe eine Druckvorspannung von nur 50 N/mm2 auf.
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Die Figur 2 zeigt die an der Glasoberfläche (Kurve b) und im Glasinneren
(Kurve a) gemessenen Temperaturabfälle einer 5 mm
dicken klar durchsichtigen
Glaskeramikprobe beim Abschrecken mit einem Luft-Wasser-Gemisch. Die Luftmenge pro
Düse betrug 1,2 m3/h, die Wassermenge 2,4 l/h und der Luftdruck 0,1 106 Pa.
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In Figur 3 ist die Temperaturdifferenz iv T, die sich zwischen der
Glasoberfläche und dem Glasinneren während dem Abschreckprozeß ausbildet, gegen
die Temperatur T im Glasinneren (Kurve a) bzw. gegen die Temperatur T an der Glasoberfläche
(Kurve b) aufgetragen. Zusätzlich ist in Figur 3 die Transformationstemperatur Tg
eingezeichnet.
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Eine Abschätzung der zu erwartenden Druckvorspannung ergibt sich aus
dem Produkt des Wärmespannungsfaktors P des Glases und n T aus Figur 3. a T1ist
die Temperaturdifferenz zwischen Glasoberfläche und Glasinnerem, die vorliegt, wenn
die Temperaturen im Glasinneren die Tg-Temperatur erreicht.
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Je kleiner der Warmespannungsfaktor wird, desto größer muß die Temperaturdifferenz
!N T1 werden, um die gleiche Druckvorspannung zu erhalten.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die maximale Temperaturdifferenz
dST bereits nach wenigen Sekunden (Figur 3 nach 4 Sekunden) erreicht, und zwar bevor
die Temperatur der Probenmitte die Transformationstemperatur erreicht.
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Die Zugspannung, die während des Abschreckprozesses entstehen kann,
läßt sich aus dem Produkt von Wärmespannungsfaktor 9 und a T2 (Figur 3) abschätzen.
t T2 ist die Temperaturdifferenz zwischen maximal auftretender Temperaturdifferenz
Glasoberfläche und Glasinnerem und der Temperaturdifferenz die vorliegt, wenn die
Glasoberfläche die Tg-Temperatur erreicht. Die während des Abschreckprozesses entstehende
Zugspannung sollte 50 N/mm2 nicht wesentlich überschreiten, da sonst mit Ausfallen
beim Vorspannen zu rechnen ist.
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Um a T2 möglichst gering zu halten, muß die Wärmeabfuhr an der Glasoberfläche
bis zur Erreichung der maximalen Temperaturdifferenz zwischen Glasoberfläche und
Glasinnerem möglichst rasch erfolgen. Nach Erreichen der maximalen Temperaturdifferenz
kann die weitere Abkühlung langsamer vonstatten gehen. Gerade diese Forderung wird
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders gut erfüllt, was aus Figur 2, Kurve
b ersichtlich ist.
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Bei Gläsern mit größerem Warmespannungsfaktor kann die gewünschte
Druckvorspannung durch Reduzierung der Flüssigkeitsmenge, durch Vergrößerung des
Abstandes Glas zu Düse und durch Zusatz von leichter verdampfbaren Flüssigkeiten
zum Wasser eingestellt werden.
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Die gleichzeitige Messung der Oberflächentemperatur und der Temperatur
im Glasinneren beim Ansprühen, verbunden mit den Aufträgen entsprechend Figur 3,
ermöglicht eine Abschätzung, ob ein vorgegebenes Glas mit einem bestimmten Wärmespannungsfaktor
bei den eingestellten Sprühbedingungen vorgespannt werden kann ohne zu zerspringen,
bzw. wie hoch die zu erwartenden Vorspannungen liegen werden.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel des Borosilicatglases
8330 der Firma JENAer GLASWERK SCHOTT & GEN.
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mit dem Wärmespannungsfaktor 9 = 0,26 N/(mm2K) erläutert. Das Borosilicatglas
mit Y = 0,26 N (mm2K) ist das z.Z. auf dem Markt befindliche Massenglas mit dem
niedrigsten 9 -Wert. Das beanspruchte Verfahren kann auch auf Gläser mit niedrigeren
und höheren f -Werten und größere und kleinere Dicken angewendet werden.
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Beispiel 1 Glasproben vom Glas 8330 mit den Abmessungen 50 20 5 mm3
werden 5 Minuten lang in einem 7600 C heißen Ofen aufgeheizt und in etwa 2 Sekunden
zwischen zwei Zweistoffdüsen M 970 der Firma Schlick gebracht und durch Ansprühen
mit einem Luft-Wasser-Gemisch rasch abgeschreckt. Bei konstanter Wassermenge von
1,5 l/h und Luftmenge von 1,4 m3/h (Luftdruck 0,3 . 106 Pa) wurde der Abstand Glas
zu Düse variiert und die Druckvorspannung in den Glasproben gemessen.
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Tabelle 1 Druckvorspannung in Abhängigkeit vom Abstand Glas - Düse
| Abstand (mm) | Druckvorspannung (N/mm²) |
| 35 106 |
| 50 100 |
| 70 95 |
| 80 i 90 |
| 90 ' 69 |
| 100 65 |
Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die Druckvorspannung mit zunehmendem Abstand geringer
wird.
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Beispiel 2 Wie in Beispiel 1 werden Glasproben von 2, 3,5 und 5 mm
Dicke aufgeheizt und zum Abschrecken zwischen zwei Zweistoffdüsen gebracht. Als
Zweistoffdüsen werden zwei Flachstrahldüsen F2C der Firma Schaumlöffel verwendet.
Die Wassermenge pro Düse betrug 1 l/h, die Luftmenge 6 m3/h und der Luftdruck 0,3
# 106 Pa.
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Der Abstand Düse-Glas betrug 50 mm. Die Größe der Wassertropfen lag
bei 8 + 5 1um Durchmesser. Die Tabelle 2 zeigt unter den vorgegebenen Bedingungen
die Abhängigkeit zwischen Druckvorspannung und Probendicke.
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Tabelle 2 Druckvorspannung in Abhängigkeit von der Glasdicke
| Glasdicke (mm) Druckvorspannung (N/mm2) |
| 2 1 37 |
| 3,5 75 |
| 5 95 |
Mit abnehmender Probendicke sinkt die Druckvorspannung.
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Beispiel 3 Entsprechend dem Beispiel 2 werden 5 mm dicke Glasproben
aufgeheizt und zum Abschrecken zwischen zwei Flachstrahldüsen vom Typ F2C gebracht.
Der Abstand Düse-Glasprobe betrug 50 mm.
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Bei konstanter Luftmenge von 3,5 m3/h und einem Luftdruck von 0,1
106 Pa wurde die Wassermenge pro Düse zwischen 0,6 l/h und 3,6 l/h variiert.
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Tabelle 3 Druckvorspannung in Abhängigkeit von der Wassermenge
| Wassermenge , Verhältnis Wasser/Luft ß Druckvorspannung |
| (lih) (1/m³) (N/mm2) |
| 0,6 0,17 80 |
| 1,0 0,29 92 |
| 2,0 0,57 100 |
| 3,6 1,03 150 |
Aus Tabelle 3 geht hervor, daß die Wassermenge einen wesentlichen Einfluß auf die
zu erwartende Druckvorspannung hat.
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Beispiel 4 Analog Beispiel 1 werden die Glasproben aufgeheizt und
zum Abschrecken zwischen zwei Zweistoffdüsen gebracht. Bei den Zweistoffdüsen handelte
es sich um die Rundstrahldüsen 1 der Firma Schaumlöffel. Der Abstand Düse-Glas betrug
170 mm und die Wassermenge pro Düse 2,0 l/h.
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Tabelle 5 Druckvorspannung in Abhängigkeit von der Luftmenge
| Luftmenge , Luftdruck Verhältnis Wasser/Luft ', Druckvorspannung |
| (m3/h) (Pa) (l/m3) (N/mm²) |
| 1,9 3 1,1 ' 93 |
| 1,2 2 1,7 91 |
| 0,75 1 2,7 90 |
Sobald die vorhandene Luftmenge ausreicht, um das Wasser fein zu verteilen, spielt
die Luftmenge nur noch eine untergeordnete Rolle.
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Beispiel 5 Glasproben von Glas 8330 und der Abmessung 70 - 70 5 mm3
wurden 5 Minuten in einem Ofen von 760°C aufgeheizt und in 2 Sekunden zwischen zwei
Düsenbatterien gebracht. Jede der Düsenbatterien bestand aus 6 Zweistoffdüsen vom
Typ M 970.
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Der Abstand der Düsen untereinander betrug nach beiden Richtungen
30 mm und der Abstand der Düsen zum Glas 60 mm. Bei einem Luftdruck von 0,2 . 106
Pa betrug die Wassermenge pro Düse 1,25 l/h.
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Die Wassermenge pro cm² Glasoberfläche errechnet sich zu 2,3 ml/(cm2
- min). Die gefundene Druckvorspannung betrug 85 N/mm2.