-
  ESG
 

Thermisches Vorspannen von Glas

Beim thermischen Vorspannen wird das Glas homogen, d.h. über den Querschnitt konstant, auf eine Temperatur erwärmt, die etwa 100°C über der Transformationstemperatur (ca. 620°C bis 670°C) liegt. Anschließend wird die Glasscheibe von den Oberflächen her rasch abgekühlt und in einen Eigenspannungszustand versetzt.
Die Abkühlung erfolgt dabei normalerweise durch Anblasen mit Luft. Zu Beginn des Abkühlprozesses ist die Spannung über den gesamten Querschnitt konstant. Dann beginnt die Abkühlung der Oberflächenbereiche, welche sich zusammenzuziehen. Dieses wird durch den noch nicht abgekühlten Kern verhindert. Dadurch entsteht auf der Oberfläche kurzfristig eine Zugspannung und im Kern eine Druckspannung. Die Spannungen erreichen zu diesem Zeitpunkt jedoch nur geringe Werte, da sie durch die hohe Viskosität des heißen Glases rasch wieder abgebaut werden. Voraussetzung für den Abbau dieser Zugspannungen ist, dass die Ausgangstemperatur hoch genug gewählt worden ist. Ist dies nicht der Fall, und die Viskosität zu hoch, können die auftretenden Zugspannungen während des Vorspannprozesses zum Bruch der Scheiben führen.
In der Endphase der Abkühlung hat das Glas näherungsweise die Eigenschaften eines elastischen Körpers. Die Temperaturverteilung ist parabelförmig und der Kern ist wärmer als die Oberfläche. Um den Endzustand zu erreichen, muss sich der Kern daher um einen größeren Betrag abkühlen, als die Oberfläche. Der Kern erzeugt im schon „festen“ Glas somit Druckspannungen an der Oberfläche. Im Kern selbst entstehen aus Gleichgewichtsgründen Zugspannungen. Entscheidend für die Entstehung von bleibenden Spannungen (=Eigenspannungen) ist also das viskoelastische Materialverhalten des Glases. Dies soll am Vergleich des Materialverhaltens bei Abkühlung der Oberflächen eines elastischen Körpers mit dem eines viskoelastischen Körpers verdeutlicht werden.

Körper 1
Infolge des schnellen Wärmeentzugs an den Oberflächen und der relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Glases, kühlt sich die Glasoberfläche zunächst erheblich schneller ab als der Kern. Dabei entsteht ein parabelförmiges Temperaturprofil (Zustand 1). Dadurch hat die Oberfläche das Bestreben sich relativ zum Kern zusammenzuziehen, wird durch diesen aber daran gehindert. Dies hat Zugspannungen am Rand und eine kompensierende Druckspannung im Kern zur Folge. Während die Scheibe weiter abgekühlt wird, bleiben, so lange das Temperaturprofil konstant bleibt (Zustand 2), auch die Spannungen konstant. Zum Ende des Abkühlvorganges, wenn sowohl die Oberfläche, als auch der Kern die gleiche Temperatur annehmen (Zustand 3), verschwinden die unterschiedlichen Dehnungen und damit auch die Spannungen.

Körper 2
Die Temperaturverteilung ist während des gesamten Abkühlvorgangs identisch mit der des ersten Körpers. Auch hier entstehen vorübergehend Zugspannungen am Rand und Druckspannungen im Kern. Diese relaxieren jedoch ziemlich schnell (vorausgesetzt die Anfangstemperatur ist hoch genug gewählt). Dadurch ist der Querschnitt trotz eines Temperaturgefälles weitgehend spannungsfrei (Zustand 1). Dieser Zustand bleibt auch bei Überschreitung der Übergangstemperatur erhalten (Zustand 2). Danach kann man das Verhalten des jetzt erstarrten Glases näherungsweise als elastisch bezeichnen. Angenommen der Kern habe gerade die Temperatur T = Tg, dann hat die Oberfläche wegen des parabolischen Temperaturverlaufs eine niedrigere Temperatur. Am Ende des Abkühlvorganges haben sowohl der Kern als auch die Oberfläche den Wert der Umgebung TR angenommen (Zustand 3). Die Oberfläche hätte sich bei freier Ausdehnung um einen geringeren Betrag als der Kern zusammengezogen. Da die Dehnung über den Querschnitt konstant bleiben muss (der Körper bleibt eben), entsteht das bekannte parabelförmige Spannungsprofil.

Chemisch vorgespanntes Glas

Auch durch chemische Vorspannung lassen sich Oberflächendruckspannungen erzeugen. Hierbei werden durch Ionenaustauschvorgänge an der Oberfläche, z.B. bei Kalk-Natron-Silicatglas kleinere Natrium-Ionen gegen die ca. 30 % größer Kalium-Ionen ausgetauscht, und somit eine Vorspannung erzielt. Der Vorspannprozess findet in einer Lösung mit geschmolzenem Kaliumsalz knapp unterhalb der Transformationstemperatur statt. Der Ionenaustausch erfolgt in eine Tiefe von bis zu 300 μm.
Die Vorspannung kann sehr hohe Werte erreichen, die chemisch vorgespannte Gläser für Spezialanwendungen interessant machen. Beispielsweise werden sehr dünne Gläser für optische Linsen, elektrische Lampen oder Präzisionsgeräte, die thermisch kaum vorgespannt werden können, häufig chemisch vorgespannt.

Die Materialfestigkeit von chemisch vorgespanntem Glas ist sehr stark abhängig von der Dauer des Vorspannprozesses. Bei einem 24-stündigen Prozess wird normalerweise nur eine Tiefe der Druckzone von ca. 20 mm erreicht. Bei dieser geringen Druckzonentiefe ist die Anfälligkeit für Oberflächenschäden, welche die Biegefestigkeit drastisch herabsetzen können, wesentlich höher als bei thermisch vorgespannten Gläsern. Eine lange Prozessdauer bedingt allerdings hohe Kosten, die chemisch vorgespanntes Glas im Bauwesen nur in besonderen Anwendungsfällen attraktiv machen. Ein Beispiel hierfür sind gebogene Gläser mit spezieller Geometrie, die nicht thermisch vorgespannt werden können.
Chemisch vorgespannte Gläser können nachträglich geschnitten werden. Die Schnittkante besitzt nach dem Schneiden jedoch nur noch etwa die Festigkeit von normalem Glas ohne Vorspannung.
Der Wert der Biegefestigkeit für chemisch vorgespanntes Glas wird in E DIN EN 12337 mit 150 N/mm²angegeben. Die praktische Festigkeit schwankt bei chemisch vorgespanntem Glas aber aus den oben genannte Gründen sehr stark und der in der Norm angegebene Wert bezieht sich auf die Festigkeit von ungeschädigtem Glas.

 
  Sie sind der 65479 Besucher (190538 Hits) hier!