Principles of the polyliquid process for thermal toughening of glass

Abstract

The coefficient of heat transfer, h, is the process parameter of greatest influence on the degree of temper, when glass type and thickness are given. High values of h are achieved by quenching with liquids. However, maximum h can only be sustained temporarily since h depends on the temperature of the solid surface, Ts. A numerical difference approximation was developed that permits computation of temperature fields and resulting temper stresses for quenching with temperature-dependent heat transfer coefficient. Calculations using systematical variations of h = f(Ts) show that temper stresses do not only depend on maximum height but also on maximum position. Therefore, the h-T characteristic of any quenching liquid chosen may not be optimal. The polyliquid process provides a simple method for adjusting h = f(Ts) by applying mixtures of a high-boiling carrier with low-boiling liquids. The effect of concentration and kind of the latter is demonstrated for 2 polyliquid model systems. Calculated temper stresses based on measured values of h=f(Ts) agree satisfactorily with measured temper stresses. Thus, measurement of h=f(Ts) is a suitable means for investigating the influence of polyliquid parameters on toughening performance. This is considerably less laborious than preparing, quenching, and testing a meaningful number of glass samples. Experimental control of an optimization carried out accordingly is demonstrated for maximum bending strength. Use of a polyliquid instead of a pure carrier enables a marked surplus in strength, particularly in case of severe surface abrasion. Beim thermischen Vorspannen ist bei gegebener Glasart und Wanddicke die Wärmeübergangszahl h der für die Höhe der Vorspannung entscheidende Parameter. Vergleichsweise hohe Werte von h treten beim Abschrecken in Flüssigkeiten auf, allerdings nur in Form eines Maximums, das in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur des Glases bei charakteristischen transienten Siedezuständen durchlaufen wird. Es wird ein einfaches numerisches Differenzenverfahren vorgestellt, mit dem das Temperaturfeld beim Abschrecken mit temperaturabhängiger Wärmeübergangszahl berechnet werden kann. Darauf basierende Spannungsberechnungen mit systematischen Variationen von h = f{Ts) zeigen, daß die erzielbare Vorspannung nicht nur von der Höhe des Maximums, sondern auch von dessen Lage abhängt. Die h—T-Charakteristik von gebräuchlichen Abschreckflüssigkeiten ist in dieser Beziehung in der Regel nicht optimal. Beim Polyliquid-Verfahren wird eine hochsiedende Trägerflüssigkeit eingesetzt, deren h—T-Charakteristik durch Zumischen von niedrigsiedenden Komponenten gezielt verändert wird. Am Beispiel von 2 Polyliquid-Modellsystemen wird dargestellt, wie Art und Menge des Niedrigsieders Höhe und Lage des h-Maximums verändern. Die mit gemessenen Werten für h = f(Ts) berechneten Vorspannungen stimmen befriedigend mit gemessenen Vorspannungen überein. Damit ist es möglich, die Leistungsfähigkeit eines Polyliquid-Systems bzw. den Wirkungstrend einzelner Einflußgrößen mit erheblch weniger experimentellem Aufwand zu bestimmen als durch Präparation, Vorspannen und Prüfen einer statistisch aussagefähigen Anzahl von Glasproben. Die experimentelle Überprüfung einer Optimierung wird am Beispiel der Biegezugfestigkeit vorgestellt. Gemessen an der reinen Trägerflüssigkeit ermöglicht die optimierte Polyliquid-Mischung eine zusätzliche Festigkeitsverbesserung. Der Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn die zugbeanspruchte Oberfläche abrasivem Verschleiß ausgesetzt ist.