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Getempertes Sicherheitsglas
Die Erfindung betrifft eine neue
Art von unterschiedlich getempertem Sicherheitsglas, das zusätzlich zu det- iiblicherweise
bei getempertem Glas erhaltenen hohen Festigkeit den weiteren Vorteil aufweist,
daß das Brechen des Glases, falls es erfolgt, auf eine relativ kleine Zone, die
unmittelbar die Ursprungsstelle des Bruches umgibt, begrenzt ist. Von den beiden
Arten der üblicherweise in Fahrzeugen verwendeten Sicherheitsgläser, nämlich getempertem
Sicherheitsglas und geschichtetem Sicherheitsglas, hat das erstere den Vorteil einer
größeren Festigkeit und eines größeren Widerstandes gegenüber Splitterung durch
Steine. Beim Bruch zerfällt übliches getempertes Glas in viele kleine Teilchen über
die gesamte Fläche. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese kleinen Teilchen
im Gegensatz zu den großen Splittern von normalisiertem Glas aufgrund ihrer geringen
Masse und ihrer relativ stumpfen Kanten und Ecken relativ ungefährlich sind. Da
andererseits die Teilchen ineinandergreifen, besteht die Gefahr, daß das gebrochene
Glas an Ort und Stelle bleibt, wodurch
die Sicht genommen wird.
Dieser Nachteil ist bf3onders störend bei Windschutzscheiben, wie sie aufgrund von
Vorschriften als Sichtscheiben für den Fahrer eingebaut werden müssen..
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurden einige Formen von unterschiedlich
getempertem Glas entwickelt. Durch die unterschiedliche Temperung wird die Art und
Weise, in der sich Brüche in dem Glas fortsetzen, geregelt, und einige zur Zeit
angewandte Arten derartiger Produkte werden nachfolgend beschrieben. Obwohl bei
diesem mehr oder weniger erfolgreich c?as Problem der Beibehaltung der Sicht durch
eine teilweise zerbrochene Windschutzscheibe gelöst wurde, wurde hierdurch die Gefahr
nicht umgangen, daß unter bestimmten Bruchbedingungen große Fragmente des Glases
in den Insassenraum fliegen können und daß durch den Bruch eine sehr große Öffnung
in dem Fahrzeug entstehen kann. Zusätzlich haben einige Flichen eines der-artigen
unterschiedlich getemperten Glases von sich au;, eine geringere Festigkeit als voll
getempertes Glas.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einer verbesserten
Form eines unterschiedlich getemperten Glases, bei dem die vorstehend aufgeführten
Nachteile anderer Arten von unterschiedlich getemperten Gläsern vermieden werden.
Insbesondere besteht die Aufgabe darin, daß die Sicht beibehalten wird, indem der
Bruch der Windschutzscheibe nur auf eine kleine Fläche begrenzt wird. Weiterhin
soll erreicht werden, daß keine großen nichtgetemperten Flächen durch einen Bruch
der getemperten Fläche freigegeben werden und beim Zurückschlagen den Fahrer verletzten
können.
Das wesentliche Merkmal der gemäß der Erfindung unterschiedlich
getemperten Gläser besteht darin, daß unsichtbare, sich überschneidende Sperrzonen
gegenüber der Ausbreitung eines Bruches sie in eine Mehrzahl von relativ kleinen
Zonen unterteilen. Durch diese Sperrzonen wird die Ausbreitung irgendeines Bruches
auf die Zone, in der er entsteht, begrenzt. Somit bleibt, ganz gleich, wo ein Bruch
verursacht wird, bei weitem der größte Teil der Windschutzscheibe ungebrochen und
in seinem Rahmen, wodurch die Gefahren, dar eine =reise mi(; einer großen Öffnung
in der Vorderseite des :^.'agens beendet werden muß, vermieden werden. Die Verschlechterung
der Sicht, falls sie überhaupt eintritt, wird ebenfalls auf einen sehr kleinen Teil
der Windschutzscheibe beschränkt und die Gefahr von fliegendem Glas, sogar nur von
relativ ungefährlichen Bruchstücken eines getemperten Glases, wird auf einem absoluten
Minimum gehalten.
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Die erfindungsgemäße Scheibe aus unterschiedlich getempertem Glas
ist dadurch gekennzeichnet, daß sie mittels unterschiedlicher Temperung in eine
Mehrzahl von Zonen unterteilt ist, die durch normalerweise nicht sichtbare Sperrschichten
für die Ausbreitung von Brüchen von einer Zone zu der nächsten getrennt sind. Besonders
vorteilhaft ist eine Scheibe aus unterschiedlich getempertem Glas, in der Zonen
aus hochgetempertem Glas durch schmale Sperrzonen umgeben sind und hierdurch voneinander
getrennt sind, in denen die spontane Ausbreitung der für voll getempertes Glas charakteristischen
Brizche aufgehalten wird. Bevorzugt werden diese Sperrzonen durch geeignet orientierte
Preßspannungen in dem Glas erreicht. Sehr günstig ist auch eine Ausführungsform,
wobei diese Sperrzonen dadurch gebildet werden, daß das Glas örtlich normalisiert
oder nur teilweise getempert belassen wird.
Als vorteilhafte Ausführungsformen
für die unterschiedliche Temperung können entweder thermische Maßnahmen allein oder
unterschiedliche Verfestigungen auf chemischem Wege angewandt werden.
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Falls in der Beschreibung bestimmte Teile und Verfahren mit speziellen
Ausdrücken zwecks Klarheit und Einfachheit bezeichnet sind, wird hierdurch dennoch
die allgemeine Bedeutung im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden.
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Im folgenden wird die Erfindung in Gegenüberstellung zum Stand der
Technik unter. Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, worin Fig.
1 eine schematische Darstellung einer bekannten Form eines unterschiedlich getemperten
Glases, wobei das Bruchmuster angegeben ist, Fig. 2 eine schematische Darstellung
einer weiteren bekannten Form eines unterschiedlich getemperten Glases, wobei das
Bruchmuster angegeben ist, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten bekannten
Form eines unterschiedlich getemperten Glases, wobei das Bruchmuster angegeben ist,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten bekannten Form eines unterschiedlich
getemperten Glases, wobei das Bruchmuster angegeben ist, Fig. 5 eine schematische
Darstellung, in der die Anordnung der getemperten Zonen in der Glasscheibe gemäß
der Erfindung dargestellt ist, wobei eine Zone im Bruch gezeigt ist,
Fig.
6 eine schematische Darstellung der Anordnung der getemperten Zonen in einem Glas
gemäß der Erfindung, wobei eine Zone gebrochen gezeigt ist, Fig. 7 eine schematische
Ansicht, die die Anwendung der Strömungen von Kühlluft, die zur Ausbildung einer
unterschiedlichen Vorerhitzung einer Glasscheibe in einem Ofen vor dem Tempern verwendet
wird, darstellt, wobei das Glas in Kantenansicht gezeigt ist, und Fig. 3 eine perspektivische
Ansicht einer der in Fig. 7 gezeigten Kühlstromverteilungen zeigen. Eines der ältesten
unterschiedlich getemperten Sicherheitsgläser, das zur Vermeidung der Sichtbehinderung,
die durch das charakteristische feine :Bruchmuster von getempertem Glas verursacht
wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Bei diesem.Produkt werden Inseln eines normalisierten
oder halbgetemperten Glases ("reserviert:"Zorien ) in einer Matrix eines voll getemperten
Glases. ausgebildet. Wenn dieses Glas versagt, zerbricht der Haupt teil. in die
für getempertes Glas typischen kleinen a;r=rgmerite, während die reservierten Zonen
unzerbrochen bleiben und eine fortgesetzte Durchsicht erlauben. Bei dieser Glasart
wird eine erhöhte Sichtsicherheit nach dem Bruch eiuf Kosten einer verminderten
Sicherheit erreicht, da, Pille die Windschutzscheibe in das Fahrzeug geblasen werden
sollte, die markstückgroßen Stücke des normalisierten Glases grUere Gefahren für
die Insassen ergeben als die weit kleinc-;ren Eiruchs tizeke des gewöhnlichen getemperten
Glases. Auch wird, da ein relativ großer Anteil der Fläche der Windschutz-7-h@:i.b
enge tempert verbleibt, die Gefahr des Bruches durch fliegende Steine gegenizber
derjenigen bei einem voll getemperten Glas gea LP iger t .
Eine
weitere Form eines unterschiedlich getemperten Glases überwindet diese Schwierigkeiten
dadurch, daß es Tiber die gesamte Fläche getempert ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, werden
durch das unterschiedliche Tempern dieses Produktes zwei Zonen gebildet, wobei die
eine eine ringförmige oder ellpti:3che Fläche vor dem Fahrer und die andere den
übrigen Teil der '@`indschutzscheibe darstellt. Jede dieser beiden Zonen ist voll
getempert, und in jeder Zone variieren die Seitspannungen in der Weise, daß die
Grenzfläche zwischen diesen unter Druck steht. Diese Preßspannung in der Grenzzone
widersteht der Ausbreitung von Brüchen von einer Zone zu der anderen. Somit bleibt,
ganz gleich, welche Zone von einem Stein verletzt und infolgedessen zerteilt wird,
die andere Zone intakt, so daß eine relativ kleine Bewegung des Kopfes des Fahrers
die Sicht durch den ungeschädigten Teil der Windschutzscheibe wieder ermöglicht.
Falls jedoch die größere äußere Zone bricht, besteht auch hier die Gefahr, daß die
zerbrochene Windschutzscheibe in das Fahrzeug schlägt und daß das relativ große
unterbrochene Stück der inneren Zone den Fahrer verletzen kann.
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Eine dritte bekannte Form eines unterschiedlich getemperten Glases
ist in Fig. 3 gezeigt. Dieses ist wiederum über die gesamte Fläche getempert, jedoch
sind die beiden Zonen einer unterschiedlichen Temperung durch eine gerade Linie
quer über die t@indschutzscheibe geteilt, wie es auch in der US-Patentschrift 2
866 299 der Fall ist. Diese Gestaltung löst nicht nur das Problem der Sichtbeibehaltung
durch die Windschutzscheibe nach dem Bruch, sondern vermeidet auch, daß in das Fahrzeug
irgendwelche größeren Bruchstücke eintreten. Jedoch wird durch das Fehlen des zerfallenen
Teils der Windschutzscheibe immer noch eine große Öffnung in der Vorderseite des
Fahrzeuges gebildet:
Eine vierte Form eines unterschiedlich getemperten
Sicherheitsglases besteht darin, daß eine wahllose Verteilung größerer Fragmente
erhalten wird, wenn ein großer Teil der Windschutzscheibe nur teilweise getempert
wird. Ein typisches Bruchmuster einer derartigen Windschutzscheibe ist in Fig. 4
gezeigt. Hier wird die vebesserte Sicht auf Kosten einer verminderten Sicherheit
erhalten, da das nur teilweise getemperte Glas weniger fest ist und da einige der
Bruchstücke, die in den Insassenraum eindringen können, beträchtlich größer sind
als die Bruchstücke eines voll getemperten Glases.
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Obwohl bei den vorstehend beschriebenen bekannten Formen eines unterschiedlich
getemperten Glases mehr oder weniger erfolgreich das Problem der Sichtbeibehaltung
durch eine teilweise gebrochene Windschutzscheibe gelöst wurde, wurde bei ihnen
nicht die Gefahr vermieden, daß unter bestimmten Bruchbedingungen große Glasfragmente
in den Insassenraum fliegen können und daß durch einen Bruch eine große Öffnung
in dem Fahrzeug entsteht. Zusätzlich sind einige Flächen eines unterschiedlich getemperten
Glases von sich aus weniger fest als ein voll getempertes Glas.
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Wie bereits ausgeführt, befaßt sich die vorliegende Erfindung mit
einer verbesserten Form eines unterschiedlich getemperten Glases, wobei die vorstehend
aufgeführten verbliebenen Nachteile anderer bekannter Formen unterschiedlich getemperter
Gläser vermieden werden. Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, besteht das Hauptmerkmal
des erfindungsgemäßen unterschiedlich getemperten Glases darin, daß unsichtbare,
sich iberschneidende Sperrschichten für die Ausbreitung des Bruches
es
in eine Mehrzahl von relativ kleinen Zonen unterteilen, so daß die Ausbreitung irgendeines
Bruches auf die Zone, in der er entsteht, beschränkt ist. Somit bleibt, ganz gleich,
wo ein Bruch ausgebildet wird, bei weitem der größte Teil der Windschutzscheibe
unzerbroehen und in seinem Rahmen, wodurch die Gefahr, daß eine Fahrt mit einer
großen Öffnung in der Vorderseite des Fahrzeuges beendet werden muß, vermieden wird.
Auch die Verschlechterung der Sicht, falls sie überhaupt eintritt, ist ebenfalls
auf einem sehr kleinen Teil der Windschutzscheibe begrenzt, und die Gefahr von fliegendem
Glas, selbst nur von relativ ungefährlichen Bruchstücken des getemperten Glases,wird
auf einem absoluten Minimum gehalten.
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Dies wird durch eine spezielle Temperung des Glases bzw. ein entsprechendes
Temperungsmuster erreicht.
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Die erforderlichen Sperrschichten für das Ausbreiten von Brüchen von
einer Zone in die andere können entweder durch geeignet orientierte Preßspannungen
in einer Glasscheibe, die insgesamt völlig getempert ist, erreicht werden, oder
dadurch, daß ein schmaler Sperrschichtstreifen zwischen voll getemperten Zonen in
einem teilweise getemperten Zustand belassen wird. Verfahren zur Ausbildung derartiger
gerichteter Preßspannungen oder "reservierter" (normalisierter oder nur teilweise
getemperter) Zonen sind an sich bekannt. Außerdem sind nachfolgend zwei neue Verfahren
zur Ausbildung dieses Zweckes beschrieben, die einen weiteren Teil oder Gesichtspunkt
der Erfindung bilden.
"Reservierte" Zonen in getempertem Glas werden
üblicherweise ausgebildet, indem örtlich die Größe der Wärmeübertragung während
der Abschreckung beschränkt wird oder indem örtlich die Temperatur des Glases während
des Vorerhitzungsverfahrens durch geeignete Hitzeabschirmungen vermindert wird oder
durch eine Kombination der beiden Maßnahmen. Die Anwendung von festen Wärmeabschirmungen,
die entweder auf dem Glas befestigt sind oder in dessen Nachbarschaft gehalten werden,
ist umständlich, kostspielig und besonders mühsam im Fall von Glasteilen, die vor
dem Abschreckarbeitsgang gebogen werden müssen.
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Aufgrund der Erfindung ergibt sich auch ein Verfahren, um örtlich
die Temperatur des Glases während des Vorerhitzens zu vermindern, ohne daß irgendwelche
festen Wärmesperrschichten oder Wärmeabschirmungen verwendet werden. Gemäß diesem
Gesichtspunkt der Erfindung wird das in einem Kühlofen befindliche Glas durch Ströme
von kälterer Iruft unterschiedlich erhitzt, so daß bei der anschließenden Temperung
bestimmte Teile des Glases voll getempert werden und andere Teile nur teilweise
getempert werden. Die voll getemperten Zonen sind durch teilweise getemperte Zonen
umgeben, so daß Brüche innerhalb einer einzigen voll getemperten Zone gehalten werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die teilweise getemperten Zonen bis zum
Rand der Glasscheibe erstrecken. Die erforderlichen örtlich verminderten Temperaturen
werden in. dem Glas in dem Vorerhitzungsofen ausgebildet, indem auf das Glas Strömungen
von Luft mit einer niedrigeren Temperatur als derjenigen des Ofens aufschlagen.
Der Kühleffekt dieser Strömungen, insbesondere von laminaren Strömungen, ist stark
lokalisiert. So können z. B. laminare Strömungen, die aus Düsen in Form von überschneidenden
Schlitzen herstammen,
verwendet werden, um in einem auf eine praktisch
einheitliche hohe Temperatur erhitzten Glasstück ein dünnes Gitter sich überschneidender
Linien von niedrigerer Temperatur auszubilden. Wenn das auf diese Weise unterschiedlich
vorerhitzte Glas anschließend einer praktisch einheitlichen raschen Abschreckung
unterworfen wird, ist die Masse des Glases voll getempert, während die vorgekühlten,
sich überschneidenden Sperrlinien nur eine Teiltemperung erhalten. Durch geeignete
Einstellung der Größe dieser Teiltemperung wird die Festigkeit des Glases selbst
in dem Gebiet der Sperrzonen erhöht, die ebenfalls dazu dienen, die Ausbreitung
von Brüchen über sie hinaus zu verhindern.
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Bei einem thermisch getemperten Glas zeigte es sich, daß die Ausbreitung
von Brüchen über die teilweise getemperten Sperrzonen aufgehalten wird, wenn das
Ausmaß der Temperung in diesen Zonen auf eine maximale innere Spannung von etwa
350 kg/cm 2 (5000 psi) beschränkt wird. Diese Spannungsgröße steht im Gegensatz
zu einer maximalen inneren Spannung von etwa 490 kg/cm 2 (7000 psi), bei
der die kleinen, für voll getempertes Glas beim Bruch charakteristischen Bruchstücke
gebildet werden. Selbstverständlich können eine Vielzahl von Kombinationen von Abschreckgeschwindigkeiten-und
Glastemperaturen angewandt werden, um den vorstehenden unterschiedlichen Temperungseffekt
zugergeben. Wenn z. B. ein 6,35 mm starkes Natron-Kalk-Glas der gewöhnlich zum Verglasen
verwendeten Zusammensetzung mit einem Kühlmittel von Raumtemperatur und mit einer
Geschwindigkeit entsprechend einem Wärmeübertragungskoeffizienten an der Glasoberfläche
von 40 Btu je Stunde je 0,093 m2 je 0,550C abgekühlt wird, kann die gewünschte unterschiedliche
Temperung erhalten werden, wenn die anfängliche Glastemperatur über die gesamte
Glasplatte mehr als 6700C (12400F) beträgt, während diejenige der Sperrzonen nur
615 0C (1140°F) beträgt.
`Ein bevorzugtes Verfahren zur
unterschiedlichen thermischen Temrerung von Glas besteht darin, daß eine Glasscheibe
auf eine Temperatur oberhalb ihrer Normalisiertemperatur erhitzt, bestimmte Zonen
des Glases, während es sich noch innerhalb des Ofens befindet, durch auf das Glas
auftreffende huftdüsenströmungen gekühlt werden, wobei diese Strömungen eine enge
räumliche Regelung der Verteilung der Glastemperaturen erlauben, worauf dann das
auf diese Wei;;e unterschiedlich vorerhitzte Glas in praktisch einheitlicher Geschwindigkeit
abgekühlt wird.
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Eine geeignete Anordnung zur unterschiedlichen Vorabschrekkung des
Glases ist im Querschnitt in Fig. Tgezeigt. Bei dieser Ausführungsform hängt eine
Glasscheibe 1 mit einer oder mehreren geeigneten Zangen (eine Zange 7 ist gezeigt)
in einem senkrechten Temperungsofen 2. Eine aus einem Gitter von mit Schlitzen versehenen
Rohren gebildete Verteilung 3 empfängt Kühlluft von einer außen liegenden Herkunftsquelle
durch die Rohre 4. Die Schlitze in der Verteilung 3 sind so bemessen und die Verteilung
befindet sich in einem solchen Abstand von dem Glas, daß das Auftreffen eines Systems
sich überschneidender zweidimensionaler Düsenströmungen 5 auf dem Glas erhalten
wird. Eine teilweise Isolierung der Verteilung 3 und der Zufuhrleitung 4 kann angewandt
werden, um einen geeigneten Temperaturunterschied zwischen der Umgebungstemperatur
in dem Ofen undchm relativ kleinen Volumen an Luft, das zur Vorkühlung des Glases
verwendet wird, beizubehalten.-Obwohl in Fig.7 die Anwendung dieses Vorgehens auf
einen senkrechten Temperungsofen und die Vorabkühlung des Glases im Muster eines
sich überschneidenden Gitters gezeigt ist, kann die gleiche Maßnahme auch bei waagrechten
Öfen und für
das Auftreffen von anderen Strömungen als sich überschneidender
zweidimensionaler Düsenströmungen verwendet worden, so z, I3. für eine Reihe von
kr_eisfUrmigen Strömungen, um die Art der Vorkühlung zu ergeben, die bei der Herstellung
von unterschiedlich getempertem Glas, beispielsweise dem in Fig. 1 gezeigten, erwünscht
sein kann.
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Als Alternativverfahren zur Herstellung von unterschiedlich getemperten
Glasplatten gemäß der Erfindung kann man auch die an sich bekannten Verfahren der
chemischen Verfestigung in unterschiedlicher Weise anwenden. Diese chemischen Dehandlungen
bestehen in einem Ionenaustausch und/oder einer Oberflächen-Kernbildungs-Kristallisation
des Glases bei erhöhten Temperaturen, wodurch die Oberflächenschichten des Glases
in der Weise modifiziert werden, daß ihr Expansionskoeffizient niedriger ist als
der der übrigen Glasmasse, so daß beim Abkühlen diese Oberflächenschichten in Pressung
gehalten werden. Andererseits können die gewünschten Preßspannungen in der Glasoberfläche
durch Ionenaustausch bei einer Temperatur unterhalb des Verzierungspunktes erhalten
werden, wobei sich bei diesem Ionenaustausch der Ersatz von relativ kleinen Ionen,
wie Natriumionen, durch größere Ionen, wie Kaliumionen, ergibt.
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Anders als beim thermischen Tempern, bei dem eine praktisch parabelförmige
Spannungsverteilung durch die Stärke des Glases entsteht, wird bei der chemischen
Verfestigung nur eine sehr dünne Schicht des Glases nahe dessen Oberfläche unter
Spannung gesetzt. Die spezifische Spannungsenergie in diesem Glas ist entsprechend
vermindert, wie es auch bei der restlichen Zugspannung im Inneren des Glases der
Fall ist. Durch getrennte Variierung der Größe der Oberflächenkompression und der
Stärke der komprimierten Schicht kann man in gewissem