專利名稱：剛化玻璃板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及剛化玻璃板及其制造方法。
背景技術(shù)：
目前，對汽車窗用剛化玻璃板破碎時的碎片大小和片數(shù)等都以法規(guī)形式作了規(guī)定。例如按日本工業(yè)規(guī)格(JIS)的規(guī)定，在5cm×5cm的區(qū)域內(nèi)，玻璃板碎片的數(shù)量應(yīng)在40片以上400片以下，沒有長度超過75mm的細(xì)長碎片，也沒有面積超過3cm2的大碎片。這些碎片的規(guī)格均以玻璃板破碎時能確保乘客的安全性為基準(zhǔn)。
在工業(yè)化生產(chǎn)上述汽車用玻璃板的時候，一般采用所謂物理剛化法，即通過對加熱到軟化點附近的玻璃板噴射空氣等冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻，利用由此產(chǎn)生的板厚方向溫度分布隨時間的變化和熱應(yīng)力的發(fā)生，在玻璃板的表面形成壓縮應(yīng)力，在玻璃板的內(nèi)部形成拉伸應(yīng)力。這種熱剛化玻璃板表面的壓縮應(yīng)力有助于玻璃板強度的提高，玻璃板內(nèi)部的拉伸應(yīng)力有助于破碎時破片密度的增加。
但是，按上述制造技術(shù)，如果玻璃板的板厚變薄，就很難在板厚方向形成溫度分布，其結(jié)果會使玻璃板內(nèi)部的拉伸應(yīng)力值變小。對于車輛輕量化所需薄板汽車玻璃、尤其是板厚小于3mm以下的薄玻璃板的情況下，為了形成能滿足破碎時法規(guī)規(guī)定的玻璃板內(nèi)部拉伸應(yīng)力，必須進(jìn)行比以往更進(jìn)一步的冷卻。為了實現(xiàn)強冷，雖然可以提高噴射玻璃板冷卻介質(zhì)的速度，但是在噴射空氣進(jìn)行冷卻的情況下，由于冷卻強度與噴射風(fēng)壓的約1/3次方成正比，所以按此方法必須對送風(fēng)設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模改造。另外，要驅(qū)動大型送風(fēng)設(shè)備，還存在消耗巨大能量的問題。
另一方面，曾有人提出過以下方法(日本專利公開公報昭52-121620號、日本專利公開公報昭58-91042號、日本專利公報昭59-19050號等)，即通過在玻璃板平面方向有意形成應(yīng)力圖形，通過控制玻璃板破碎時裂紋的擴展方向，在與往常相當(dāng)?shù)目諝鈬娚滹L(fēng)壓下，對于薄板也可以得到滿足法規(guī)規(guī)定的玻璃板破碎形態(tài)的方法。這些技術(shù)利用了在玻璃板內(nèi)部有拉伸應(yīng)力的熱剛化玻璃板破碎的情況下，在平面方向形成拉伸應(yīng)力的區(qū)域內(nèi)，裂紋朝垂直于與平面應(yīng)力的方向擴展這一特性。
另外，這里所說的平面應(yīng)力是指用光彈性法測定的平面應(yīng)力，它表示非各向同性地作用于平行于面的方向上的主應(yīng)力的差(主應(yīng)力差)沿板厚方向的積分值。所謂主應(yīng)力差原本是作用于玻璃板內(nèi)部假定的作用面(與板面垂直相交的微小面)上的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之差，但很難嚴(yán)格地進(jìn)行測定。因此，如圖1所示，因為是多噴嘴對稱配置(蹣跚足跡配置)，假定平行于噴嘴配列方向(圖3的測定線)的主應(yīng)力和垂直于噴嘴配列方向的主應(yīng)力分別為最大或最小，認(rèn)為當(dāng)沿測定線方向的主應(yīng)力大的情況下，作用面上由平面拉伸應(yīng)力起作用，當(dāng)沿測定線方向的主應(yīng)力小的情況下，作用面上由平面壓縮應(yīng)力起作用。
平面應(yīng)力的測定，使用裝備有激光等光源、起偏鏡及檢偏鏡的光彈性測定裝置來進(jìn)行。也就是說，通過起偏鏡照射直線偏光于玻璃板的一個面，通過檢光鏡觀察從玻璃板另一個面的出射光。其結(jié)果，因為玻璃板內(nèi)部的直線偏光的偏光面會隨著內(nèi)部的平面應(yīng)力變化而變化，所以，從檢光鏡出射的偏光的輝度會變化，通過觀察該輝度的變化便可以間接得知平面應(yīng)力。
但是，按上述現(xiàn)有技術(shù)中加工板厚3mm以下，例如2.5mm左右的汽車用玻璃板，特別是汽車用后窗玻璃這樣的曲面玻璃板，其熱剛化是不充分的。另外，要形成應(yīng)力圖形，還存在必須要制作特殊的噴射噴嘴，而且噴射噴嘴和玻璃板的距離必須接近之類的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明者為了解決車輛輕量化所需汽車玻璃薄板中存在的上述問題，連續(xù)進(jìn)行了各種實驗和研究。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于風(fēng)冷式熱剛化玻璃板，通過在交互變化的短間距上形成壓縮型平面應(yīng)力區(qū)域和拉伸型應(yīng)力區(qū)域，對薄板玻璃也可以得到促進(jìn)玻璃板破碎時碎片化的效果。
本發(fā)明提供了權(quán)利要求1所述的剛化玻璃板。
另外，本發(fā)明還提供了權(quán)利要求9所述的剛化玻璃板的制造方法。


圖1是本發(fā)明實施方式中的玻璃板的說明圖。
圖2是本發(fā)明實施方式中的玻璃板的說明圖。
圖3是本發(fā)明實施方式中的玻璃板的說明圖。
圖4表示實施例的結(jié)果。
圖5表示實施例的結(jié)果。
圖6表示實施例的結(jié)果。
圖7表示實施例的結(jié)果。
圖8表示實施例的結(jié)果。
圖中，A表示多個噴嘴中的某一噴嘴正下方的玻璃板面具體實施方式
在本發(fā)明的風(fēng)冷剛化玻璃板中，其應(yīng)力圖形是以風(fēng)冷剛化時多個噴氣嘴中的某一個噴氣嘴正下方的玻璃板面為中心，在該中心周圍相鄰的多個噴氣嘴正下方的玻璃板面內(nèi)形成的網(wǎng)眼。也就是說，以上述各噴氣嘴正下方的玻璃板面為中心的網(wǎng)眼是以某一個噴嘴為中心的應(yīng)力圖形區(qū)域，它形成于該中心周圍的多個噴氣嘴正下方的玻璃板面內(nèi)。
本發(fā)明的特征是某一個噴嘴正下方的網(wǎng)眼中心部分為壓縮區(qū)域(平面應(yīng)力壓縮)、網(wǎng)眼的外周也為壓縮區(qū)域，而且在兩個壓縮區(qū)域的之間形成拉伸區(qū)域(平面應(yīng)力拉伸)。因此，壓縮區(qū)域的平面壓縮應(yīng)力(membrance compressivestress)的最大值在4～12Mpa的范圍內(nèi)，拉伸區(qū)域的平面拉伸應(yīng)力在4～12MPa的范圍內(nèi)。低于4Mpa時，不能獲得促進(jìn)破碎的效果。要形成超過12Mpa的應(yīng)力則必須在狹窄區(qū)域內(nèi)加大溫差，所以難以實現(xiàn)。另外，網(wǎng)眼內(nèi)的表面壓縮應(yīng)力最好在90～160Mpa的范圍內(nèi)。
另外，在此說明一下表面壓縮應(yīng)力。如果對高溫玻璃板進(jìn)行急冷，使玻璃板的表面和內(nèi)部形成溫度差，則會在表面產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力，在內(nèi)部產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力，在玻璃板處于接近軟化點溫度的情況下，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力在極短時間內(nèi)即可緩解。如果從此狀態(tài)繼續(xù)冷卻到室溫，使玻璃板表面和內(nèi)部的溫度差為零，則會在玻璃板的表面殘存壓縮應(yīng)力，在內(nèi)部殘存拉伸應(yīng)力。其中，殘存于玻璃板表面附近的應(yīng)力叫做表面壓縮應(yīng)力(surface compressive stress)。
另外，各網(wǎng)眼的兩個壓縮區(qū)域中的平面壓縮應(yīng)力最大點之間的距離希望在20～40mm范圍內(nèi)，網(wǎng)眼最好是一邊為20～35mm的多邊形。要進(jìn)行20mm以下小間距噴嘴的配列在實際上是很難的，超過40mm的間距，則恐怕達(dá)不到玻璃板破碎時法規(guī)規(guī)定的條件。多邊形理想的形態(tài)是正六邊形。這樣就能夠促進(jìn)適合于車輛輕量化的汽車用玻璃薄板在破碎時的碎片化。因此，作為對象的玻璃板的板厚應(yīng)在3mm以下，最好為2.4～3mm，尤其是也能適用于象汽車后窗玻璃這樣的曲面玻璃。如果板厚超過3mm，則即使不制作由上述壓縮區(qū)域和拉伸區(qū)域組成的應(yīng)力圖形，也能得到符合破碎時法規(guī)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的破片。
在制作具有上述特征的汽車用玻璃板的時候，為了在短距離的間距內(nèi)形成壓縮區(qū)域和拉伸區(qū)域，所以使用間距為噴嘴直徑的4倍左右、且整齊配置的多個噴氣嘴構(gòu)成的冷卻裝置。而且把各個噴嘴尖端到需冷卻的玻璃板表面的距離配置成噴嘴直徑的4倍左右。
一般用噴嘴群噴射冷卻空氣而制得的熱剛化玻璃板，噴射氣流碰撞到玻璃板部位的平面應(yīng)力為零，連接噴嘴和噴嘴的直線中點上會形成與此直線垂直相交的平面應(yīng)力。與此相反，將玻璃板和冷卻裝置的位置關(guān)系調(diào)到如上所述的位置關(guān)系，可以增加位于連接噴嘴和噴嘴的直線中點的玻璃板面上的對流熱傳導(dǎo)系數(shù)，所以對于熱容量小的薄玻璃板，可以在交互短間距中形成壓縮區(qū)域和拉伸區(qū)域的平面應(yīng)力。
在以上制作的玻璃板上產(chǎn)生應(yīng)力的機理如下所述。(1)碰撞到玻璃板面的噴嘴噴流(冷卻介質(zhì)噴流)呈放射狀流過玻璃板面；(2)與相鄰噴嘴相同的噴流碰撞；(3)碰撞的區(qū)域(相鄰噴嘴之間的中間區(qū)域)產(chǎn)生微小渦流(紊流)，促進(jìn)玻璃板面的熱交換即促進(jìn)冷卻而形成壓縮領(lǐng)域；(4)與噴嘴正下方相鄰的噴嘴之間的中間區(qū)域先冷卻，剩余區(qū)域后冷卻而形成拉伸區(qū)域。
圖1～3對本發(fā)明實施方式中的玻璃板的特征進(jìn)行了說明。如圖1所示，多個噴氣嘴在橫向以等間距配置成一列，其上下留一定的間隔，對該列中各噴嘴的位置錯開其一半左右，同樣在橫向留開一定間隔配置成一列。這樣配置的相鄰的三個噴嘴呈正三角形，以某一個噴嘴A為中心的相鄰的六個噴嘴B呈正六角形。如果注意等間隔配置在上下或左右的兩列，則可以看到各噴氣嘴，無論在橫方向和縱方向都象留開一定間隔配置成蹣跚腳印狀。
圖2是圖1中區(qū)域D所示長方形部分的擴大圖和平面應(yīng)力的測定結(jié)果。圖2中示出，測定線即噴嘴沿橫向配列(上述一列)的線上，平面壓縮應(yīng)力和平面拉伸應(yīng)力的實測值。如圖1～2所示可知，關(guān)于平面應(yīng)力的發(fā)生狀態(tài)，在各噴氣嘴的正下方產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，相鄰的噴氣嘴間交互產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。
具體來說，圖2中測定線所示線上的中央部、即該線上示為“1.”的地方，相當(dāng)于某一個噴嘴的正下方的位置。在該符號“1.”處，壓縮應(yīng)力為57kgf/cm2(≈5.586MPa)。其左方“2.”處的拉伸應(yīng)力為64kgf/cm2(≈6.272MPa)、其右方“2.”處的拉伸應(yīng)力為100kgf/cm2(≈9.80MPa)。再看該右方“2.”的右方，“3.”處的壓縮應(yīng)力為44kgf/cm2(≈4.312MPa)。另外，左方“3.”處雖然有較小的壓縮應(yīng)力，但是沿測定線的應(yīng)力從整體上可以看出，噴嘴正下方位置上是壓縮應(yīng)力，其左右依次交互產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。
以上是有關(guān)配置成一列的噴嘴間產(chǎn)生的應(yīng)力，但某一個噴嘴(以下稱為噴嘴A)正下方的周圍，有以噴嘴A為中心的6個噴嘴(以下稱為噴嘴B)的正下方。如注意玻璃板G的主表面上的該部分，沿上述應(yīng)力產(chǎn)生的機理(1)～(4)觀察，可得到如下結(jié)果。
(1)來自噴嘴A的噴嘴噴流和來自相鄰的6個噴嘴B的噴嘴噴流在玻璃板G的主表面碰撞，分別呈放射狀流在玻璃板G的面上。由于各噴嘴的正下方之處被冷卻，所以在玻璃板G的該處產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。
(2)來自噴嘴A的氣流與來自彼此相鄰的6個噴嘴B的氣流碰撞。
(3)在來自噴嘴A的氣流和來自6個噴嘴B的氣流分別碰撞的地方，產(chǎn)生微小的渦流，促進(jìn)玻璃板G的表面冷卻。
(4)因此，噴嘴正下方A、B以及各噴嘴間氣流碰撞之處先冷卻，剩余的中間部分后冷卻，變?yōu)槔?應(yīng)力)層(區(qū)域C)。
圖3是表示上述(1)～(4)的內(nèi)容，即圖1中左上部的某一個噴嘴(噴嘴A)的正下方的正六邊形部分的平面壓縮應(yīng)力和平面拉伸應(yīng)力的關(guān)系圖。圖3也示出位于其右側(cè)的噴嘴的正下方的點，但還有包含它在內(nèi)、以噴嘴A為中心的6個噴嘴B的正下方。噴嘴A的正下方的玻璃板部分冷卻加快，產(chǎn)生平面壓縮應(yīng)力。
因為噴嘴噴流是在與來自相鄰的6個噴嘴的噴嘴噴流之間流動的，所以相應(yīng)產(chǎn)生強弱不同的冷卻，因此，在噴嘴正下方周圍，在冷卻較弱的部分產(chǎn)生放射狀平面拉伸應(yīng)力。圖3所示是以圓周狀的拉伸區(qū)域(圓周方向的拉伸層)表示的部分。在這個拉伸區(qū)域即平面拉伸應(yīng)力發(fā)生部位的周圍，又是冷卻充分的部分，產(chǎn)生放射狀平面壓縮應(yīng)力。圖3所示是以各噴嘴間的壓縮區(qū)域(噴嘴間的壓縮層)表示的部分。
以下通過實施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。但本發(fā)明并不局限于這些實施例。本實施例中按以下的剛化條件將板厚2.5mm的玻璃板制成風(fēng)冷剛化玻璃板。
風(fēng)冷裝置的技術(shù)參數(shù)如下為了冷卻玻璃板的兩面，在玻璃板的上方和下方都設(shè)置噴口，每個噴口都按33mm間隔配置內(nèi)徑7.5mm的多個噴嘴。其中就任意3個噴嘴來看都配成正三角形位置。風(fēng)壓為20kPa，噴嘴尖端和玻璃板表面的距離設(shè)為30mm。從冷卻開始3秒鐘到玻璃板靜止后，在玻璃板面方向邊滑動邊冷卻玻璃板。這樣制得玻璃板的應(yīng)力值如下。平面拉伸應(yīng)力為10Mpa，平面壓縮應(yīng)力為10Mpa，線上應(yīng)力間隔(即從平面壓縮應(yīng)力的最大點到相鄰平面壓縮應(yīng)力的最大點間的距離)為33mm、平面應(yīng)力分布形成的網(wǎng)眼是一邊為27.5mm的正六邊形、表面壓縮應(yīng)力為97～147Mpa。表1～2所示為試樣No.2～6的評價結(jié)果，表1表示玻璃板面內(nèi)的平面應(yīng)力、表2表示表面壓縮應(yīng)力。
表1平面應(yīng)力(面內(nèi))

表2表面壓縮應(yīng)力(面內(nèi))

圖4～8表示試樣評價結(jié)果(曲線圖)。QS是Quench Stop的縮寫，表示玻璃板置于噴嘴正下方后到開始滑動的待機時間。通常風(fēng)冷玻璃板希望冷卻均勻，讓玻璃板滑動，但本發(fā)明是希望把噴嘴的配列反映到應(yīng)力圖形上，所以盡可能不讓玻璃板移動。
另外，曲線圖中的符號1.表示噴嘴正下方的壓縮區(qū)域、2.表示圓周方向的拉伸區(qū)域、3.表示位于相鄰噴嘴之間中心的壓縮區(qū)域。曲線圖的縱軸表示平面應(yīng)力，橫軸表示沿圖3的測定線的位置，QS是相對值。
本發(fā)明的風(fēng)冷剛化玻璃板，尤其是車輛輕量化所需的汽車用玻璃薄板既能夠保持足夠強度，又能促進(jìn)玻璃板破碎時的碎片化。本發(fā)明對于按現(xiàn)有技術(shù)難以處理的板厚3mm以下，例如2.5mm左右的汽車用玻璃板，特別是汽車用后窗玻璃板這樣的曲面玻璃板的熱剛化也特別適用。還適用于除汽車之外的車輛、船舶、飛機、建筑物窗等所用的玻璃板。
權(quán)利要求
1.剛化玻璃板，其特征在于，用并設(shè)的多個噴嘴噴射冷卻介質(zhì)進(jìn)行風(fēng)冷剛化以形成應(yīng)力圖形的剛化玻璃板中，前述應(yīng)力圖形由多個以前述各噴嘴正下方為中心的網(wǎng)眼相連而成，前述網(wǎng)眼中心區(qū)域的平面應(yīng)力呈壓縮狀態(tài)，前述網(wǎng)眼周圍區(qū)域的平面應(yīng)力呈壓縮狀態(tài)，前述網(wǎng)眼中心區(qū)域和周圍區(qū)域之間的區(qū)域的平面應(yīng)力呈拉伸狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的剛化玻璃板，其特征還在于，從前述網(wǎng)眼中心區(qū)域內(nèi)的平面壓縮應(yīng)力的最大點到前述網(wǎng)眼周圍區(qū)域內(nèi)的平面壓縮應(yīng)力的最大點之間的距離為20～40mm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的剛化玻璃板，其特征還在于，前述網(wǎng)眼中心區(qū)域和前述網(wǎng)眼周圍區(qū)域內(nèi)的平面壓縮應(yīng)力的最大值在4～12Mpa的范圍內(nèi)，前述網(wǎng)眼中心區(qū)域和周圍區(qū)域之間的區(qū)域內(nèi)的平面拉伸應(yīng)力的最大值在4～12Mpa的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項所述的剛化玻璃板，其特征還在于，前述網(wǎng)眼的形狀為多邊形，且其一邊的長度為20～35mm。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項所述的剛化玻璃板，其特征還在于，板厚在3mm以下。
6.如權(quán)利要求1～4中任一項所述的剛化玻璃板，其特征還在于，板厚在2.4～3mm的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1～6中任一項所述的剛化玻璃板，其特征還在于，前述應(yīng)力圖形中的表面壓縮應(yīng)力在90～160MPa的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1～7中任一項所述的剛化玻璃板，其特征還在于，前述剛化玻璃板用作汽車窗玻璃。
9.剛化玻璃板的制造方法，其特征在于，在用多個噴嘴向加熱玻璃板噴射冷卻介質(zhì)的同時，利用相鄰的前述噴嘴噴射的冷卻介質(zhì)之間的碰撞，促進(jìn)位于前述各噴嘴中間的前述玻璃板的冷卻；在前述玻璃板上形成以前述各噴嘴正下方為中心的網(wǎng)眼多個連接而成的應(yīng)力圖形的同時，使前述網(wǎng)眼中心區(qū)域的平面應(yīng)力呈壓縮狀態(tài)，前述網(wǎng)眼周圍區(qū)域的平面應(yīng)力呈壓縮狀態(tài)，前述網(wǎng)眼中心區(qū)域和周圍區(qū)域之間的區(qū)域內(nèi)的平面應(yīng)力呈拉伸狀態(tài)。
10.權(quán)利要求9所述的剛化玻璃板的制造方法，其特征還在于，用于制造權(quán)利要求1～8中任一項所述的剛化玻璃板。
全文摘要
本發(fā)明提供了即使是板厚在3mm以下的玻璃板也能保持足夠強度,且能促進(jìn)玻璃破碎時碎片化的剛化玻璃板。前述剛化玻璃板的特征是,用并設(shè)的多個噴嘴噴射冷卻介質(zhì)進(jìn)行風(fēng)冷剛化以形成應(yīng)力圖形的剛化玻璃板中,前述應(yīng)力圖形由多個以前述各噴嘴正下方為中心的網(wǎng)眼相連而成,前述網(wǎng)眼中心區(qū)域的平面應(yīng)力呈壓縮狀態(tài),前述網(wǎng)眼周圍區(qū)域的平面應(yīng)力呈壓縮狀態(tài),前述網(wǎng)眼中心區(qū)域和周圍區(qū)域之間的區(qū)域的平面應(yīng)力呈拉伸狀態(tài)。
文檔編號B60J1/00GK1384073SQ0211859
公開日2002年12月11日 申請日期2002年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月27日
發(fā)明者加藤保真, 依田和成 申請人:旭硝子株式會社