The science of glass toughening (in plain English)

Simon Edward • 8 3月 2024

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Toughened glass is a staple material in structural glazing. Learn the science behind it in our jargon-free blog.

強化ガラスはどこにでもあります。しかし、私たちの周りにある多くの素材と同様、それがどのように作られるのかを知っている人は多くありません。

強化ガラスは、大きな力に耐えられるように製造されています。しかし、最終的に壊れると、たくさんの小さな破片に砕けます。

その強度と耐久性により、ドア、階段、欄干、間仕切りなどの建築用ガラスに最適です。

これもすべて製造工程のおかげです。ガラスを強化するには主に 2 つの方法があります。1 つ目は炉内で強化することにより、2 つ目は化学浴によって引き起こされるイオン交換によって行われます。

この記事では、強化ガラスがどのように作られるのかを理解していただくために、これらの工程をわかりやすく解説します。まずはファーネス法。

ファーネス法

この方法では、「強化」として知られるプロセスによってガラスが強化されます。まず、ガラスを 600°C (1,112°F) に加熱した炉に入れます。

ガラスが加熱されたら、炉から取り出し、加圧冷気のジェットによって急速に冷却します。この工程を「急冷」といいます。

焼き入れは迅速なプロセスです。これにより、薄い表面層が急速に冷却され、硬いガラスが形成されます。プロセスのこの段階では、外側の層は硬くて冷たいですが、内側はまだ暖かいです。

時間が経つと内部も熱を失い硬くなります。しかし、外側の層と同じようには収縮しません。それは硬い外側の層によって阻止されます。

これは、外層が圧縮され、内層がそれを補う張力を持つことを意味します。これらの特性を総合すると、ガラスは非常に割れにくいものになります。

化学強化

ガラスは化学浴に浸漬することによって強化することもできます。

この方法では、ガラスを硝酸カリウムの槽に入れ、通常は 400°C (752°F) 以上の高温に加熱します。

これにより「イオン交換」と呼ばれるものが生じます。ここで、液体のカリウムイオンと固体ガラスのナトリウムイオンが交換されます。その結果、強化された「スキン」が得られ、ガラスは古いブーツと同じくらい丈夫になります。

時間の経過とともにプロセスはどのように変化しましたか?

最初のガラス強化は、印象的な名前のフランソワ・バルテルミー・アルフレッド・ロワイエ・ド・ラ・バスティによって 1874 に行われました。彼はかろうじて固体のガラスを、加熱したオイルまたはグリースの中で焼き入れました。これが今日でも使用されている化学強化プロセスの始まりでした。

In 1877, Friedrich Siemens outdid de la Bastie by pressing glass into cool moulds and leaving them to harden – an early version of the quenching process used in today's processing facilities.

ルパート王子のドロップ

ラインのルパート王子 (1619-1682) は多忙な男でした。彼はイギリス系ドイツ人の陸軍士官、提督、科学者、植民地総督であるだけでなく、1660 にルパート王子の降下物をイギリスに紹介しました。

品質に優れたオタマジャクシ型のガラスビーズです。尻尾を切ると、その滴は粉々に爆発します。しかし、球根状の頭はハンマーによる繰り返しの打撃にも耐えることができます。

これは、今日のガラス強化に隣接する製造プロセスの背後にある科学のおかげでのみ可能です。

プリンス・ルパートのドロップは、溶けたガラスのドロップを冷水に落とすことによって作られます。この急速な冷却により、最大 67,740 kg の大きな力を加えることができる丈夫なガラス球が作成されます。

これらのガラスビーズは骨董品です。しかし、それらは、ガラスを非常に丈夫にする方法について、私たちに何かを教えてくれます。それは、以来、あらゆる種類の環境で私たちの安全性を高めるために使用されてきました。

ヒートソーク試験とは何ですか?

ガラスは炉で焼き戻されると、「硫化ニッケル介在物」と呼ばれるものが発生しやすくなります。これらは微細な内包物であり、時間の経過とともにサイズが大きくなり、自然な破損につながる可能性があります。

これを防ぐために、ガラス加工業者や製造業者はヒートソーク試験と呼ばれる方法を実施しています。ここでは、ガラス板が 250°C ～ 290°C (482°F ～ 554°F) の温度で加熱されます。シートに硫化ニッケルの介在物が含まれている場合、シートは砕ける可能性が高いため、流通から除外されます。

ヒートソークテストは絶対確実というわけではありません。インクルージョンがテストに合格する可能性はありますが、非常にまれなケースでは自然に粉砕が発生します。ただし、強化ガラスを購入する場合は、パッケージの一部としてヒートソーク試験を提供している加工業者、メーカー、またはサプライヤーを選ぶようにしてください。

強化ガラスも切断できますか？

強化ガラスは、ガラス内に保持されている張力が壊れると粉々になるように特別に設計されています。これは、強化プロセスが完了すると、切断、穴あけ、または成形ができないことを意味します。ガラスは焼成前に顧客の要件に合わせて切断する必要があります。

強化ガラスと合わせガラスの違いは何ですか?

強化ガラスと合わせガラスは両方とも安全ガラスの一種です。ただし、製造方法が異なります。

合わせガラスは、間にプラスチック中間層を挟んだ 2 枚以上のガラス (多くの場合強化された) シートで構成されています。これは、合わせガラスを叩いても割れないことを意味します。代わりに、独特のクモの巣状の破損パターンが得られます。