Thermisches Vorspannen von Gläsern niedriger Wärmeausdehnung

Abstract

Simplified model assumptions are used to develop formulae for estimating the attainable compressive stresses produced in glass plates by thermal toughening for glasses with thermal expansion coefficients from 3,25 to 9,0 · 10^-6 K^-1 The formulae allow the operator to estimate the attainable compressive stress for a given glass in defined toughening conditions or the details of the procedure needed to produce a desired stress in a particular glass. The formulae require only the basic data for the glass (thermal expansion α, Young's modulus E, Poisson's ratio μ, transformation temperature Tg, glass thickness d), easily determined parameters for the toughening rig (heat transfer coefficient α', heating temperature TA and temperature of the quenching medium T∞), the thermal conductivity of the glass and the bending strength of the glass plate. An efficient thermal conductivity is given for transparent glasses because conductivity varies with temperature. Α range of toughening procedures are considered, which cover, because of their different heat transfer coefficients, the whole field of technical glasses with heat transfer coefficients between 9 · 10^-6 K^-1 (soda-lime-silica) and 3,25 · 10^-6 K^-1 (borosilicate, e.g. Schott-Glas 8330). A l'aide de modeles simplifies on donne des formules qui permettent d'evaluer l'etat de contrainte en compression accessible dans des vitres lors de la trempe thermique de verres ayant des dilatations thermiques de 3,25 · 10^-6 jusqu'à 9,0 · 10^-6 K^-1. Les formules permettent au praticien d'evaluer l'etat de contrainte en compression accessible dans un verre et un dispositif de contrainte donnes ou le procede de trempe necessaire pour produire une contrainte donee dans un verre donne. Les formules ne renferment que des caracteristiques connues du verre (dilatation thermique α, module E, coefficient de Poisson μ, temperature de transition vitreuse Tg, epaisseur de verre d), des donnees du dispositif de contrainte facilement determinables (coefficient de transfert de chaleur α', temperature de trempe TA, temperature du milieu refrigerant T∞), la conductivite thermique du verre et la resistance à la flexion de la vitre à tremper. On indique un coefficient de conductivite thermique efficace pour les verres transparents, puisque la conductivite thermique des verres depend de la temperature. Cette etude aborde une serie de procedes de trempe qui couvrent la fabrication de la palette des verres techniques ayant des coefficients de transfert de chaleur compris entre 9·10^-6 Κ^-1 (verre silicosodocalcique) et 3,25 · 10^-6 K^-1 (verre de borosilicate, par exemple Schott-Glas 8330). An Hand vereinfachender Modellvorstellungen werden Formeln zur Abschätzung der erreichbaren Druckvorspannungen in Glasscheiben beim thermischen Vorspannen von Gläsern mit Wärmeausdehnungswerten von 3,25 · 10^-6 bis 9,0 · 10^-6 K^-1 angegeben. Die Formeln erlauben dem Praktiker eine Abschätzung über die erzielbare Druckvorspannung in einem vorgegebenen Glas und einer vorhandenen Vorspannungsanlage oder das benötigte Vorspannungsverfahren zur Erzeugung einer gewünschten Vorspannung in einem vorgegebenen Glas. Die Formeln enthalten nur bekannte Glasdaten (thermischer Längenausdehnungskoeffizient A, Elastizitätsmodul E, Poisson-Zahl μ, Transformationstemperatur Tg, Glasdicke d), leicht zu ermittelnde Daten der Vorspannungsanlage (Wärmeübergangskoeffizient A', Aufheiztemperatur TA, Temperatur des Kühlmediums T∞), die Wärmeleitfähigkeit des Glases und die Biegefestigkeit der vorzuspannenden Glasscheibe. Es wird ein wirksamer Wärmeleitkoeffizient für transparente Gläser angegeben, da die Wärmeleitfähigkeit von Gläsern temperaturabhängig ist. Die Arbeit geht auf eine Reihe von Vorspannungsverfahren ein, die auf Grund ihrer unterschiedlichen Wärmeübergangskoeffizienten die Palette der technischen Gläser mit thermischen Längenausdehnungskoeffizienten zwischen 9 · 10^-6 K^-1 (Kalk- Natronsilicatglas) und 3,25 · 10^-6 Κ^-1 (Borosilicatglas, z.B. Schott-Glas 8330) abdecken.