JP2015187076A - 耐熱強化ガラス及び耐熱強化ガラスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、耐熱強化ガラスは、マンションやオフィス等のビルに用いられてきたが、最近、住宅用への需要も高まってきている。しかしながら、住宅用の窓や扉に用いられるガラスは、引用文献1又は2のどちらかの方法を用いて端面を加工し、従来と同じ条件での物理強化処理を行うと、ビルに用いられるガラスに比べ厚みが薄いので、熱処理跡や反りが発生しやすく、映像品質が問題となりやすい。
即ち、前記目的を達成するために、本発明の強化ガラスでは、所定寸法に切断されたガラス板が物理強化処理された強化ガラスであって、前記ガラス板面及び端面に対し傾斜した稜部研磨面を有し、該稜部研磨面は前記ガラス板面とのなす角度が135度以上170度以下であり、前記稜部研磨面と前記ガラス板面とでなす角部のカケ(「チッピング(chip)」ともいう)は稜線方向の長さが200μm以下、稜線に垂直方向の最大幅が100μm以下であることを特徴とする。
また、本発明の前記強化ガラスでは、ガラス板の表面の圧縮応力は、板厚が2.5mm以上3.5mm未満で70MPa以上155MPa以下、3.5mm以上4.5mm未満で75MPa以上160MPa以下、4.5mm以上5.5mm未満で85MPa以上170MPa以下、5.5mm以上6.3mm未満で95MPa以上180MPa以下、6.3mm以上7.0mm未満で105MPa以上190MPa以下、7.0mm以上9.0mm未満で120MPa以上205MPa以下、9.0mm以上11.0mm未満で135MPa以上220MPa以下、11.0mm以上20.0mm以下で150MPa以上240MPa以下であることが好ましい。
また、本発明の前記強化ガラスの製造方法では、前記物理強化処理する工程は、前記研磨後のガラス板を620℃以上660℃以下に加熱する工程と、前記加熱後のガラス板に5℃以上80℃以下の圧縮空気をガラス板の両面から吹き付けて急冷する工程とを含み、前記圧縮空気の圧力を板厚が2.5mm以上3.5mm未満で10kPa以上25kPa以下、3.5mm以上4.5mm未満で7kPa以上20kPa以下、4.5mm以上7.0mm未満で6kPa以上15kPa以下、7.0mm以上9.0mm未満で5kPa以上13kPa以下、9.0mm以上11.0mm未満で4kPa以上12kPa以下、11.0mm以上20.0mm以下で2kPa以上10kPa以下とすることが好ましい。
さらに、本発明の前記強化ガラスの製造方法では、前記端部を加工する工程は、前記ガラス板の端面の研磨を加えることが好ましい。
さらにまた、本発明の前記強化ガラスの製造方法では、前記端部を加工する工程は、稜部研磨面のガラス端面側への投影幅を0.3mm以上1.3mm以下、ガラス板面側への投影幅を0.3mm以上3mm以下に研磨することが好ましい。
図1は、本発明の実施の形態に係る強化ガラスの概略断面図である。図1に示すように、ガラス板1は所定寸法に切断されており、端面1bの両端側の稜部のみが研磨されて、ガラス板面1a及び端面1bに対し傾斜した稜部研磨面1cが形成される。ガラス板1の端面1bは切断加工されたままの状態であってもよいが、切断品質によるエッジ強度のばらつきを安定化させるには研磨加工されているほうがよく、特に平行研磨(ガラスの研磨のための送り(搬送)方向と、ガラスと砥石の研磨面とが当たるところでの砥石の回転方向が同じになる研磨方法)による研磨加工がよい。
通常の稜部の研磨において、角度Aを135度に製造誤差を加えた程度の範囲とするのは、主に稜部を研磨しないまま角部を残すと後工程や運搬中に角部が割れやすいためであり、エッジの強度を積極的に向上することは意図していない。本発明に係る稜部の研磨において、角度Aはエッジ強度を積極的に向上させるために通常よりも大きくする。角度Aを大きくすることにより、後述するように端部研磨後の角部1dを起点とする破壊が減ってエッジ強度が向上する理由は明らかではないが、以下の要因が予想される。端部加工において、角部1dでの砥石を押し当てることによる反力ベクトルの方向は、ほぼ稜部研磨面1cに垂直な方向となる。角度Aが大きい場合は、反力ベクトルが角度Aの半分あたりとなるため、ガラス板面1aと稜部研磨面1cからのカケは起きにくい。他方、角度Aが小さい場合は、反力ベクトルがガラス板面1aに近づくため、ガラス板面1aからのカケが起きやすくなる。
以上のような理由から、角度Aが大きいほど、角部1dからのカケが起きにくく、端部研磨後のエッジ強度が顕著に向上すると考えられる。
遮炎性能を評価する方法として、例えば前記のISO834−1:1999の加熱曲線に基づく防火試験では、強化ガラスをサッシに嵌め込み後、ガラス板の片面から、バーナーによる火炎と炉内の輻射熱によってガラスを加熱する。この場合に、ガラス板のエッジに発生する引っ張り応力には、ガラス板の中央と端部との温度差によって発生する応力に、サッシの変形によってエッジが変形して発生する曲げ応力も加わる。物理強化処理後のエッジ強度は、この引っ張り応力を上回る必要がある。
この防火試験時のエッジに発生する引っ張り応力は、少なくともガラス板中央が比較的高い温度の時点で発生し、反りによるガラス板としての剛性の変化が起こるため必ずしも明らかではなかった。このため、従来は物理強化処理後のエッジ強度として安全側になるので、従来からある比較的厚いビル用のガラス板での防火試験の結果に基づいてガラス板の厚みによらず一定の引っ張り応力を想定して必要な表面圧縮応力を決めていた。
これに対して、本発明では、遮炎性能の確保と、さらに遮炎性能の確保と一層の映像品質の向上とを両立するために、ガラス板の厚みと引っ張り応力との関係を防火試験などによって求めた。この結果、板厚が薄いものほど最大値が発生する加熱開始からの時間が短く、ガラス温度も低くなり、また端部の変形も小さくなるので、ガラス板の中央と端部との温度差によって発生する応力の最大値が小さくなることを見出した。これらによって、従来は板厚2.5〜9.0mm程度においても厚板(板厚10mm程度)とほぼ同様の表面圧縮応力を設定していたが、薄板において相対的に低い表面圧縮応力でも遮炎性能を有し、高い映像品質を得ることが可能となる。実際に、防火試験時にエッジで発生する引っ張り応力は、板厚10mmの場合に比べて、2.5mm以上3.5mm未満で約60MPa減少し、3.5mm以上4.5mm未満で約55MPa減少し、4.5mm以上5.5mm未満で約45MPa減少し、5.5mm以上6.3mm未満で約35MPa減少し、6.3mm以上7.0mm未満で約25MPa減少し、7.0mm以上9.0mm未満で約15MPa減少する。なお、11.0mm以上20.0mm以下では、約15MPa増加する。
以上に基づいて板厚が薄くなることに応じて必要な表面圧縮応力を低減することと、前述の本発明に係る端部の加工方法によってエッジ強度を向上することとを合わせて、耐熱強化ガラスとして必要な遮炎性能を維持したまま、さらに映像品質を向上できる。
即ち、本発明に係る強化ガラスは、前記ガラス板の板厚に対するそれぞれの表面圧縮応力が、2.5mm以上3.5mm未満で70MPa以上155MPa以下、3.5mm以上4.5mm未満で75MPa以上160MPa以下、4.5mm以上5.5mm未満で85MPa以上170MPa以下、5.5mm以上6.3mm未満で95MPa以上180MPa以下、6.3mm以上7.0mm未満で105MPa以上190MPa以下、7.0mm以上9.0mm未満で120MPa以上205MPa以下、9.0mm以上11.0mm未満で135MPa以上220MPa以下、11.0mm以上20.0mm以下で150MPa以上240MPa以下となることが好ましい。
より好ましい表面圧縮応力の範囲は、前記ガラス板の板厚が2.5mm以上3.5mm未満で70MPa以上130MPa以下、3.5mm以上4.5mm未満で75MPa以上135MPa以下、4.5mm以上5.5mm未満で85MPa以上140MPa以下、5.5mm以上6.3mm未満で95MPa以上150MPa以下、6.3mm以上7.0mm未満で105MPa以上160MPa以下、7.0mm以上9.0mm未満で120MPa以上175MPa以下、9.0mm以上11.0mm未満で135MPa以上190MPa以下、11.0mm以上20.0mm以下で150MPa以上210MPa以下である。これらの範囲に表面圧縮応力を設定することで、防火試験時に発生する引っ張り応力に対する余裕分が相対的に好ましい範囲の場合よりも下がるものの、必要な遮炎性能を維持して、より一層物理強化処理前の映像品質に近い強化ガラスを提供できる。
なお、表面圧縮応力は、JIS R3222(2003年版)に記載のある示差屈折計によって測定できる。表面圧縮応力は、映像品質上から端部とガラス板の中央部とで大きく違う場合にガラス板の反りが出やすくなるので、ガラス板の面内で分布がない方がより好ましい。少なくとも端面から50mmまでの部分で上記の範囲を満足することが好ましい。
図2に示すように、研磨すべきガラス板1が矢印Dのように搬送され、その搬送路に沿って、複数個(図の例では3個)の稜部研磨用筒状砥石2a、2b、2cが連続的に一直線上に配設される。複数個並んだ稜部研磨用の砥石2a、2b、2cは、最初に平均砥粒径が大きく研磨効率の高い砥石2aが配設され、次の砥石2bは砥石2aよりも砥粒径を小さくしたものを用い、最後の砥石2cは、必要とされる仕上げ面(粗摺り仕上げ、磨き仕上げ、つや出し仕上げ等)に応じた砥粒径の番手の砥石が配設される。なお、粗摺り仕上げでは#200番(平均砥粒径100μm)、磨き仕上げでは#500番(平均砥粒径45μm)、つや出し仕上げでは#800番(平均砥粒径30μm)の砥石が通常用いられる。
次に、本発明の実施の形態に係る物理強化処理について説明する。本発明に係る物理強化処理では、前述のガラス板端部の研磨加工の工程を経たガラス板を複数の搬送用ローラーに載せて水平に移動させながら加熱する加熱炉と、それに連続して急冷のための圧縮空気をガラス板の上下面から吹き付ける冷却領域を備える水平強化装置を用いる。
表面圧縮応力は、ガラス板の表面と内部との温度差に起因して発生するため、ガラス板厚が異なると熱容量が異なり、ガラス板厚に応じて冷却速度を変えて調整する必要がある。冷却速度は、急冷前のガラス板の温度、圧縮空気の温度、圧力によって変化する。また、板厚が小さいほど熱容量が小さく、ガラス板厚方向での温度差を大きくするために、冷却速度を早くする必要がある。このため、板厚が小さい場合に必要な表面圧縮応力を確保するためには、板厚が大きい場合に比べて、急冷前のガラス温度を高くしたり、圧縮空気の温度を低くしたり、圧力空気の圧力を高くしたりする必要がある。
本発明に係る物理強化処理においては、研磨工程後のガラス板を、620℃以上660℃以下に加熱し、ガラス表面に均一に表面圧縮応力を付与するために、ガラス板の上下全面に対して5℃以上80℃以下の圧縮空気をノズルから噴出して急冷することが好ましい。急冷前のガラス板の温度を620℃以上とすることによって冷却過程で一時的に発生する引っ張り応力による割れを防ぎ、かつ十分な残留歪、すなわち表面圧縮応力を発生させて遮炎性能を確保し、他方で660℃以下にすることによって、熱処理の痕跡や反りを防いで良好な映像品質を確保する。圧縮空気の温度は、空気が送風機によって圧縮されるため、送風機の回転エネルギーにより外気温よりも高くなり、場合によっては80℃近くまで上昇することがある。ただし、冷却風を冷却機によって冷やすことで5℃近くまで下げることができる。
前述の表面圧縮応力と冷却条件との関係に基づくと、本願発明に係る物理強化処理では、薄板ほど必要な表面圧縮応力を小さく設定しているので、表面圧縮応力の発現に必要な圧縮空気の圧力は、板厚が2.5mm以上3.5mm未満で10kPa以上25kPa以下、3.5mm以上4.5mm未満で7kPa以上20kPa以下、4.5mm以上7.0mm未満で6kPa以上15kPa以下、7.0mm以上9.0mm未満で5kPa以上13kPa以下、9.0mm以上11.0mm未満で4kPa以上12kPa以下、11.0mm以上20.0mm以下で2kPa以上10kPa以下となることが好ましい。これにより、薄板の場合の圧力は、従来のビル用の厚板を想定した場合に比べて小さくてもよいことになる。
図2に示した方法で、呼称厚3mm及び4mmのフロートガラス板1(縦10cm×横100cm)を送り速度4m/minで走行させ、砥石3個をそれぞれ回転数3400〜4000rpmで回転させて以下のようにサンプルの加工を行った。
図6に、表1の試験の結果に基づくワイブル確率軸上のプロット(以下「ワイブルプロット」という)を示す。ワイブルプロットは、ガラスのような破壊応力のばらつきが大きい材料の強度評価によく利用されるもので、破壊起点が荷重スパン外となったサンプルを除くすべての破壊応力の結果がプロットされている。この図では、プロットが右にあるほど破壊応力が大きいことを表す。
また、図6から試験例1〜3の破壊応力は、試験例4の破壊応力に比べて、耐熱強化ガラスの設計上重要な累積破壊確率が小さい領域から大きい領域までの全領域で大きいことがわかる。
さらに、本発明に係る強化ガラスが、耐熱強化ガラスとしての遮炎性能を満足していることを確認するために、表2に示す条件で製造した強化ガラスを用いて、ISO834−1:1999の加熱曲線に基づいて防火試験を実施した。防火試験でのガラスは、サイズが縦1676mm、横1176mmで、スチール製のサッシに端部8mmを嵌め込んだ。また、表2に示す条件の強化ガラスに対して、防火試験前に縞模様を付けたボード(ゼブラボート)の縞模様を強化ガラスの表面に映して、映像品質を評価した。この結果も、表2に示す。表面圧縮応力は、製品名称FSM−30(折原製作所社製)を利用して、各4辺の中央部の端面から50mmの領域の各1点を測定し平均値をとった。表中の映像品質の評価において、映像品質が物理強化処理をしたガラスとして、非常に良好な場合を◎と、良好な場合を○と、良好ではないが問題とならない場合を△と評価した。表中の防火試験での遮炎性能についての判定基準は、非加熱側への10秒を超えて継続する火炎噴出がないこと、非加熱側への10秒を超えて継続する発炎がないこと、火炎が通る亀裂などの損傷及び隙間を生じないことであり、これらをすべて満たす場合に合格とした。
表2以外にも、防火試験を厚み7.7mmについて、試験例3の加工条件(表面圧縮応力は162MPa)、試験例4の加工条件(表面圧縮応力は198MPa)で実施した。これらのデータを考慮して、その他の厚みに対する好ましい表面圧縮応力については、前述した本発明に関わり見出した板厚が小さいほど必要な表面圧縮応力が小さくなるということと、本発明に係る研磨によって得られるエッジ強度向上分とに基づいて決定した。また、各板厚で必要な圧縮空気の圧力も、前記の必要な表面圧縮応力に基づいて決定した。
なお、2006年8月14日に出願された日本特許出願2006−221114の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
2(2a、2b、2c):砥石、3:砥粒層、4:回転軸、5:円盤、
6:研磨用ベルト、7:円筒。
所定寸法に切断されたガラス板が物理強化処理された耐熱強化ガラスであって、
前記耐熱強化ガラスは、ガラス板面と、端面と、前記ガラス板面及び前記端面に対し傾斜した稜部研磨面とを有し、
該稜部研磨面は、前記ガラス板面とのなす角度が154度以上170度以下であり、
前記稜部研磨面と前記ガラス板面とでなす角部のカケは、稜線方向の長さが200μm以下、稜線に垂直方向の最大幅が100μm以下であることを特徴とする耐熱強化ガラスを提供する。
Claims (8)
- 所定寸法に切断されたガラス板が物理強化処理された強化ガラスであって、前記ガラス板面及び端面に対し傾斜した稜部研磨面を有し、該稜部研磨面は前記ガラス板面とのなす角度が135度以上170度以下であり、前記稜部研磨面と前記ガラス板面とでなす角部のカケは稜線方向の長さが200μm以下、稜線に垂直方向の最大幅が100μm以下であることを特徴とする強化ガラス。
- 前記強化ガラスの表面の圧縮応力は、
板厚が2.5mm以上3.5mm未満で70MPa以上155MPa以下、
3.5mm以上4.5mm未満で75MPa以上160MPa以下、
4.5mm以上5.5mm未満で85MPa以上170MPa以下、
5.5mm以上6.3mm未満で95MPa以上180MPa以下、
6.3mm以上7.0mm未満で105MPa以上190MPa以下、
7.0mm以上9.0mm未満で120MPa以上205MPa以下、
9.0mm以上11.0mm未満で135MPa以上220MPa以下、
11.0mm以上20.0mm以下で150MPa以上240MPa以下
である請求項1に記載の強化ガラス。 - 前記ガラス板の端面は、研磨されている請求項1又は2に記載の強化ガラス。
- 前記稜部研磨面のガラス板の端面側への投影幅は、0.3mm以上1.3mm以下、ガラス板面側への投影幅は、0.3mm以上3mm以下である請求項1から3のいずれかに記載の強化ガラス。
- 所定寸法に切断されたガラス板の端部を加工する工程と、前記端部加工後のガラス板を物理強化処理する工程とを含む強化ガラスの製造方法であって、前記端部を加工する工程は、前記ガラス板の端部の稜部を前記ガラス板面とのなす角度が135度以上170度以下になるように研磨して稜部研磨面を形成し、該稜部研磨面と前記ガラス板面とでなす角部に有するカケの稜線方向の長さを200μm以下、稜線に垂直方向の最大幅を100μm以下とすることを特徴とする強化ガラスの製造方法。
- 前記物理強化処理する工程は、前記研磨後のガラス板を620℃以上660℃以下に加熱する工程と、前記加熱後のガラス板に5℃以上80℃以下の圧縮空気をガラス板の両面から吹き付けて急冷する工程とを含み、前記圧縮空気の圧力を、
板厚が2.5mm以上3.5mm未満で10kPa以上25kPa以下、
3.5mm以上4.5mm未満で7kPa以上20kPa以下、
4.5mm以上7.0mm未満で6kPa以上15kPa以下、
7.0mm以上9.0mm未満で5kPa以上13kPa以下、
9.0mm以上11.0mm未満で4kPa以上12kPa以下、
11.0mm以上20.0mm以下で2kPa以上10kPa以下
とする請求項5に記載の強化ガラスの製造方法。 - 前記端部を加工する工程は、前記ガラス板の端面の研磨が加えられる請求項5又は6に記載の強化ガラスの製造方法。
- 前記端部を加工する工程は、前記稜部研磨面のガラス板の端面側への投影幅を0.3mm以上1.3mm以下、ガラス板面側への投影幅を0.3mm以上3mm以下に研磨する請求項5から7のいずれかに記載の強化ガラスの製造方法。
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