ガラスの熱強化処理を解説：強化安全ガラスの製造方法

ガラスの熱強化処理で強度と安全性が高まる仕組み

熱強化ガラスは、指定されたガラスが用途の要件を満たす場合に、シャワードア、自動車のサイドウィンドウ、店舗のガラスに使用されます。 フロート板ガラスなどの未強化ガラスは、熱強化処理と呼ばれる、加熱と冷却を制御する工程を経て強化ガラスになります。強化ガラスは未強化ガラスに比べて破損時の破片が小さく、危険性も低いため、切創のリスクを軽減します。ただし、強化ガラスでも破損によってけがをすることがあります。 加熱と冷却の条件は、仕上がった強化ガラスに影響します。以下では、強化ガラスの製造、熱強化処理の工程、購入者が加工業者と確認すべき事項の概要を説明します。

強化ガラスとは何で、なぜ重要なのでしょうか？

熱強化ガラスの強度は、同じ厚さの未強化ガラスの約4～5倍です。破損時には小さな破片になり、けがのリスクを軽減します。 このような割れ方は、熱強化処理によって生じる応力分布によるものです。

ガラスの熱強化処理工程を順に解説

切断、穴あけ、端面加工は、すべて熱強化処理前に完了してください。熱強化処理後に機械加工を行うと、ガラスが砕けるおそれがあります。以下に、熱強化処理の各工程を示します。

工程1：切断と加工

フロートガラスを指定の寸法に切断します。穴、切り欠き、くり抜きは、熱強化処理前に加工します。端面を加工し、加熱や急冷の際に破損の原因となる欠陥がないことを確認します。

工程2：洗浄と検査

加熱前にガラスを洗浄し、表面と端面に欠陥がないか検査します。指定したガラスに適用する検査基準を、加工業者に確認してください。

工程3：加熱

ローラーハース式強化炉では、建築用ガラスを一般に600 °Cを超える温度まで加熱してから急冷します。必要な加熱条件は、ガラスと設備によって異なります。加熱が不均一だと、ガラスが変形することがあります。ローラーウェーブは、まだ軟らかいガラスが炉内のローラー間でたわむことによって生じます。

工程4：急冷 (急速冷却)

次に、高速の空気噴流をガラスの両面に当てて急冷します。表面は内部よりも速く冷えるため、表面には圧縮応力が、内部には引張応力が残ります。空気噴流は冷却を行うものであり、ガラスを機械的に圧縮して強化状態にするものではありません。 加熱と急冷の条件は、ガラスと設備によって異なります。指定した製品の処理条件を、加工業者に確認してください。

工程5：品質検査

外観検査、抜き取り、試験、表示に関する要件を確認してください。ASTM C1048とEN 12150では適用範囲と評価要件が異なるため、破片数の確認だけでは両方の規格への適合を証明できません。適用される規格、その版、ガラスの厚さ、合否判定基準を示す文書を、加工業者から入手してください。

ガラスの熱強化処理の仕組み：圧縮応力と引張応力

引張応力は亀裂を進展させることがあります。熱強化処理によってガラス表面に生じる圧縮応力は、亀裂のさらなる進展を抑える働きをします。 完全強化ガラスについて、National Glass AssociationによるASTM C1048に関する2019年のガイダンスでは、適合判定方法として、表面圧縮応力が少なくとも69 MPa (10,000 psi)であること、端面圧縮応力が少なくとも67 MPa (9,700 psi)であること、または規定の安全ガラス性能を満たすことが挙げられています。製品にどの適合判定方法が用いられているかを確認し、指定された規格の版も確認してください。過去の内容をまとめたこの説明をもって、製品がより新しい版の規格に適合していると解釈してはいけません。 この応力分布では、表面に圧縮応力が、中央部に引張応力が生じます。この分布によって特徴的な小さな破片になる割れ方が生じ、未強化ガラスと比べて切創のリスクを軽減しますが、けがのリスクをなくすものではありません。

熱強化処理と化学強化

熱強化処理は、建築用、自動車用、家電用ガラスの強化処理に広く用いられる方法です。カバーガラス用途には化学強化 (すなわちイオン交換) も可能ですが、強度の限界と、求める性能への適合性を確認してください。 一般的なイオン交換工程の一例では、ガラス表面付近の小さなナトリウムイオンを大きなカリウムイオンに置き換え、圧縮応力を生じさせます。Corningは、Gorilla Glassの溶融塩浴の温度を約400 °Cと説明しています。これは特定の製品についての例であり、イオン交換によるガラス加工全般に当てはまるものではありません。加工する製品の限界値と許容差を確認してください。 化学強化は、イオン交換によって表面に圧縮応力を生じさせます。表面圧縮応力と圧縮応力層の深さは、ガラスと処理によって異なるため、一律の値を想定せず、製品ごとのデータを依頼してください。

強化ガラスが使われる場所：業界別の用途

National Glass Associationの技術資料FB45-14では、熱処理ガラスの推奨される建築用途について解説しています。製品の選定には、設計、構造上の要件、適用される安全法規を考慮する必要があります。 建築用ガラスでは、採用予定の製造方法、実現可能な形状、ガラス構成を供給業者と決め、該当する試験文書を確認してください。

強化ガラスの品質管理と試験規格

注文前に、指定したガラスに実施される検査と試験、生産記録と注文の対応関係、提供される裏付け文書を把握してください。 硫化ニッケル (NiS) の介在物は、強化ガラスの自然破損のリスクを生じさせることがあります。ヒートソーク試験は、破損しやすいガラス板を試験中に破損させることで、このリスクを軽減します。このリスクを完全になくすことはできません。ヒートソーク処理が必要な場合は、必要なEN 14179の要件を明記し、そのガラスの裏付け文書を依頼してください。

• ✔ どのような外観検査と光学検査を実施し、どの合否判定基準を用いますか？
• ✔ どの方法で応力を測定し、ASTM C1279は適用されますか、また、その結果をASTM C1048に照らしてどのように評価しますか？
• ✔ 指定したガラスと厚さには、どの破砕試験、抜き取り計画、合否判定基準を適用しますか？
• ✔ 指定がある場合のヒートソーク試験：適用されるEN 14179の要件と試験文書を確認してください。ヒートソーク処理は、NiSに起因する破損のリスクを軽減しますが、完全にはなくせません。

ガラスの熱強化処理に関するよくあるご質問