Wie funktioniert das thermische Vorspannen von Glas?
Technische Gläser wie, z.B. Borosilikatglas, Natron-Kalk-Glas, Quarzglas oder Saphirglas nehmen im Bereich der optischen Prozessbeobachtung eine wichtige Rolle ein. Wir beschäftigen uns im Folgenden mit der thermischen Vorspannung von Glas.
Was ist thermisches Vorspannen von Glas?
Beim thermischen Vorspannen wird Glas auf eine Temperatur erwärmt, die etwa 100 °C über der Transformationstemperatur liegt. Bei der Transformationstemperatur geht das Glas während der Abkühlung vom plastischen in den starren Zustand über. Dazu wird das Material in einem Temperofen auf ca. 620 °C bis 670 °C erhitzt und im Anschluss durch Anblasen mit Luft heruntergekühlt.
Zu Beginn des Abkühlvorganges ist die Spannung im Glas über den gesamten Querschnitt hinweg konstant. Die Glasoberfläche kühlt weiter ab und zieht sich dabei zusammen. Der noch nicht abgekühlte Kern im Glas wirkt dem entgegen. Dadurch entstehen auf der Glasoberfläche Zugspannungen und im Kern Druckspannungen.
Diese Spannungen weisen in diesem Stadium jedoch noch sehr geringe Unterschiede auf, da sie durch die hohe Viskosität schnell abgebaut werden. Für den Abbau der Zugspannungen ist daher die Ausgangstemperatur sehr wichtig.
Ist die Ausgangstemperatur zu gering gewählt und die Viskosität des Kernes zu hoch, kann es sein, dass die dabei entstehenden inneren Spannungen zum Glasbruch führen. Durch das kontrollierte, schnelle Abkühlen schrumpft die Glasoberfläche stärker als der Kern. Dies hat zur Folge, dass sich im Material eine definierte Eigenspannung aufbaut, wodurch das Glas eine höhere Festigkeit erhält.
Was sind die Vorteile von thermisch vorgespanntem Glas?
Ein sehr wichtiger Aspekt ist die Sicherheit gegen Bruch. Diese wird durch die thermische Vorspannung stark erhöht. Ein thermisch vorgespanntes Glas weist ein anderes Bruchverhalten auf als ein herkömmliches Float-Glas. Das thermisch vorgespannte Schauglas zerbricht nicht in große, scharfkantige Scherben. Im Falle eines Glasbruchs zersplittert es in kleine, eher runde Bruchstücke. Dies beugt ernsthafte Schnittverletzungen vor. Dadurch sind Schnittverletzungen beim Reinigen des betroffenen Bereiches ebenfalls nahezu ausgeschlossen.
Durch das thermische Vorspannen wird die Kratzfestigkeit sehr stark erhöht. Eine spätere Beschädigung der Oberfläche durch Kratzer, reduziert jedoch die thermische Vorspannung und somit auch die Druckstandfestigkeit des Glases. Die Druckstandfestigkeit wird bei thermisch vorgespanntem Glas erheblich gesteigert. Dies ist gerade für die Prozessbeobachtung mittels Schauglas-Armaturen ein weiterer Vorteil. Ein weiterer wichtiger Vorteil, welcher durch das thermische Vorspannen erzielt wird, ist die Steigerung der Temperaturwechselbeständigkeit. Die Temperaturwechselbeständigkeit von ungehärtetem Borosilikatglas liegt bei 133 °C. Ein thermisch vorgespanntes Borosilikatglas weist dagegen eine Temperaturwechselbeständigkeit von +230 °C auf. Diese Steigerung der Temperaturwechselbeständigkeit bietet einen großen Vorteil bei Prozessen, in welchen sich die Betriebstemperaturen schnell ändern.
Welche Glasarten kann man thermisch Härten?
| Borosilikatglas | → | möglich |
| Natron-Kalk-Glas | → | möglich |
| Quarzglas | → | nicht möglich |
| Saphirglas | → | nicht möglich |
Aufgrund der Vielzahl an verfügbaren Glasarten, wurden obenstehend nur die Glaswerkstoffe thematisiert, welche in den Anwendungsbereichen der Kunden von ACI hauptsächlich zum Einsatz kommen.
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