Chemische Verstärkung: Die andere Art, Glas zu härten

Wenn es beim Härten um Hitze und Luft geht, kommt es beim chemischen Härten auf Chemie und Geduld an. Es ist eine völlig andere Welt-langsamer, teurer und technisch anspruchsvoller. Aber wenn Sie dünnes, starkes und verzerrungsfreies Glas benötigen, gibt es keinen Ersatz.

Wie es funktioniert

Das Prinzip ist der Ionenaustausch. Sie nehmen Natron-Kalk oder häufiger Aluminosilikatglas und tauchen es in ein geschmolzenes Salzbad-normalerweise Kaliumnitrat (KNO₃)-bei etwa 400–450 Grad. Das liegt deutlich unter dem Glasübergangspunkt, sodass es kein Durchhängen, keine Rollwellen und keine Verzerrungen gibt.

Die Natriumionen in der Glasoberfläche tauschen ihre Plätze mit den größeren Kaliumionen aus dem Salzbad. Die größeren Kaliumionen verklemmen sich in Räumen, die für kleinere Natriumionen vorgesehen sind. Sie passen nicht. Durch diese Kompression entsteht eine Oberflächenschicht unter immenser Belastung-typischerweise 50.000 bis 80.000 psi, viel höher, als durch thermisches Tempern erreicht werden kann.

Die Tiefe dieser Schicht, auch „Case Depth“ oder DOL (Tiefe der Schicht) genannt, beträgt üblicherweise 30 bis 80 Mikrometer. Es ist dünn, aber unglaublich robust.

Das Glas ist wichtig

Sie können herkömmliches Natronkalkglas chemisch verstärken, aber die Ergebnisse sind mittelmäßig. Die wahre Magie geschieht mitAlumosilikatGlas. Der Aluminiumanteil beschleunigt den Ionenaustausch und sorgt sowohl für eine höhere Oberflächenkompression als auch für eine größere Härtetiefe. Aus diesem Grund besteht Ihr Telefonbildschirm (Gorilla-Glas usw.) aus Alumosilikat und nicht aus Fensterglas.

Das Bad: Chemie ist alles

Das Salzbad lebt. Man füllt nicht einfach einen Tank mit KNO₃ und macht Feierabend. Es verschlechtert sich mit der Zeit. Im Bad reichert sich Natrium an, was den Stoffwechsel verlangsamt. Wenn die Natriumkonzentration zu hoch wird, verlieren Sie an Kraft.

Betreiber schaffen dies mit:

Langsame Addition:kontinuierliche Zuführung von frischem KNO₃ zur Verdünnung des Natriums

Badsanierung:Das Salz regelmäßig abschütten und ersetzen

Zusatzstoffe:Einige Geschäfte verwenden Aluminiumoxid oder andere Verbindungen, um Natrium zu absorbieren und das Bad länger aktiv zu halten

Bei einer vernachlässigten Badewanne entsteht Glas, das gut aussieht, aber die Biegetests durchweg nicht besteht. Mit bloßem Auge kann man es nicht erkennen.

Der Verzerrungsvorteil

Aus diesem Grund gibt es eine chemische Verstärkung. Durch thermisches Tempern erhält man Roller Wave, Bow und Anisotropie. Chemische Stärkung gibt Ihnennichts davon. Das Glas überschreitet nie seinen Erweichungspunkt. Es kommt genauso flach aus der Badewanne heraus, wie es hineingegangen ist.

Wenn Sie Folgendes herstellen:

Abdeckglas für Displays(Touchpanels, Monitore)

Dünnes Glas unter 2 mmdas würde sich in einem Temperofen verziehen

Komplexe Formenmit gebohrten Löchern oder Ausschnitten, die zu einem Bruch des Steigrohrs bei einer Abschreckung führen würden

Chemische Verstärkung ist die einzige Antwort.

Die Kompromisse-Offs

Durchsatz.Eine Temperieranlage tauscht das Glas alle paar Minuten aus. Eine Linie zur chemischen Härtung läuft in Stunden ab-normalerweise 4 bis 12 Stunden pro Charge, abhängig von der Glasart und der erforderlichen Einhärtungstiefe. Sie verwenden keine hohe Lautstärke; Sie haben einen hohen Wert.

Sauberkeit.Hier vermasseln die meisten Geschäfte. Das Glas muss vor dem Baden chirurgisch sauber sein. Jegliche Verschmutzung-Fingerabdrücke, Staub, Reste von Poliermitteln-erzeugt eine „Stopp-an der Stelle, an der der Ionenaustausch nicht stattfinden kann. Die Folge sind lokale Schwachstellen, die sich später als Risse zeigen. Gute Geschäfte verfügen über Reinräume zum Verladen.

Handhabung.Das Glas kommt in Gestelle oder Körbe, oft mit Kantenschutz. Sie dürfen nicht zulassen, dass sich Teile im Bad berühren. Wo sie sich berühren, findet kein Ionenaustausch statt. Diese Kontaktpunkte werden zu Fehlerpunkten.

Beitrag-Stärkung der Warp.Gelegentlich entwickelt dünnes Glas (unter 1 mm) nach dem Härten aufgrund ungleichmäßiger Ionenaustauschraten zwischen den beiden Oberflächen eine leichte Verformung. Es sind bekannte Kopfschmerzen. Die Lösung besteht in einer sorgfältigen Kontrolle der Eintauch- und Extraktionsraten, manchmal mit Stickstoffeinblasung, um die Kühlung auszugleichen.

Tests und Qualitätskontrolle

Chemisch gehärtetes Glas zerbricht nicht wie gehärtetes Glas in Würfel. Es ist immer noch ein Sicherheitsglas in dem Sinne, dass es viel stärker ist, aber das Bruchmuster ähnelt eher dem von getempertem Glas. Das bedeutet, dass Standardfragmentierungstests keine Anwendung finden.

Stattdessen setzt die Branche auf:

DOL (Tiefe der Schicht)gemessen mit einem Oberflächenspannungsmessgerät-normalerweise einem Handgerät, das Prismenkopplung verwendet, um den Wellenleitereffekt der komprimierten Schicht zu messen

Oberflächenkompression (CS)gemessen mit demselben Instrument-Sie suchen je nach Anwendung den Bereich von 50.000–80.000 psi

Ring-auf-Ring- oder 4-Punkt-Biegeprüfungzur Validierung der tatsächlichen Festigkeit, insbesondere für neue Glastypen oder Badbedingungen

Die Marktrealität

Die chemische Verstärkung hat in den letzten fünfzehn Jahren explosionsartig zugenommen, was ausschließlich der Unterhaltungselektronik zu verdanken ist. Jedes Smartphone, Tablet und jede Smartwatch durchläuft diesen Prozess. Aber architektonische Anwendungen werden immer dünner,-leichtes Glas für Innentrennwände, Duschtüren, die dünner als 6 mm sind, aber dennoch stoßfest-und Strukturglas, bei dem optische Klarheit wichtiger ist als Bruchmuster.

Die Herausforderung sind die Kosten. Das Salz ist teuer. Die Bäder bedürfen einer ständigen Überwachung. Die Zykluszeiten zerstören den Durchsatz. Und wenn Sie für einen Telefonhersteller eine Menge vor-zugeschnittenes, vor-poliertes Deckglas vermasseln, ist das keine Schrottgebühr-das ist ein Gespräch darüber, ob Sie auf der Anbieterliste bleiben.