Farklı alümina oranlarına sahip alümina silikat ve soda kireç silikat camların kimyasal temperlenme davranışlarının incelenmesi
Investigation of chemical tempering behavior of alumina silicate and soda lime silicate glasses with different alumina content
Yazar: AHMET CANER KAYAALP
Danışman: DOÇ. DR. MİRAY ÇELİKBİLEK ERSUNDU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde büyük bir hızla gelişen teknoloji ile birlikte cam bir ev eşyası olmaktan çıkarak özellikle otomotiv, mimari, elektronik, uçak, savunma, optik ve uzay sanayinde kullanılan önemli bir malzeme olmuştur. Camın mekanik mukavemetinin arttırılması, kullanım alanının genişlemesi ve katma değeri yüksek bir malzeme haline gelmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle, cam malzemelerin mekanik olarak güçlendirilmesi konusu günümüzde cam bilimi ve endüstrisi için oldukça önemli bir konudur. Camların mekanik özelliklerinin geliştirilmesi çalışmaları temel olarak, yüzeyde üretimden veya günlük kullanım kaynaklı oluşan çatlakların ilerlemesini engellemeyi ve kırılmayı önlemeyi hedeflemektedir. Bu amaç doğrultusunda bugüne kadar yapılan çalışmalarda, ısıl ve kimyasal temperleme yöntemleri ön plana çıkmaktadır.
Isıl temperleme, camın ergime noktası altındaki belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılması ve hızlı bir şekilde soğutulması yöntemi ile camın mukavemetlendirilmesidir. Kimyasal tempelerme ise, cam geçiş sıcaklığının altındaki bir sıcaklıkta ergimiş tuz banyosu içerisinde gerçekleşen, cam içerisindeki küçük iyonların tuz banyosundaki büyük iyonlar ile yer değiştirmesi sonucu cam yüzeyinde basma gerilmesi oluşturarak camın dayanımının arttıran bir prosestir. Isıl temperleme işleminin kompleks şekilli camlara ve 2 mm'den daha ince camlara uygulanamıyor oluşu ve kimyasal temperleme işlemi sonrası camların optik özelliklerinde herhangi bir değişim meydana gelmemesi, bu iki mukavemetlendirme yöntemi arasında kimyasal temperlemenin ön plana çıkmasına neden olmuştur.
Kimyasal temperleme işleminde, alkali oksit içeren camlar, cam geçiş sıcaklığı altında bir sıcaklıkta ergimiş alkali tuz banyosuna nüfus ettirilir. Camdaki daha küçük iyonik yarıçapa sahip alkali iyonlar ile ergimiş tuz banyosundaki daha büyük iyonik yarıçapa sahip alkali iyonlar yer değiştirerek cam yüzeyinde basma gerilmesi oluşmasına neden olur. Yüzeyde oluşan basma gerilmesi camın mekanik olarak dayanımının artmasına neden olur. Bu işlem, difüzyon temelli bir iyon yer değiştirme prosesi olarak tanımlanabilir. Kimyasal temperleme konusu uzun yıllardır literatürde farklı araştırmacılar tarafından çalışılmakta ve özellikle sıcaklık, süre ve tuz bileşimi ve safiyeti gibi proses parametreleri üzerine olan araştırmalar devam etmektedir. Cam kompozisyonunun ve özellikle cam yapı içerisindeki köprü yapmayan oksijen miktarını azaltarak alkali iyon hareketliliğini kolaylaştırma ve difüzyon davranışını geliştirme potansiyeli olan alümina miktarının kimyasal temperleme verimine etkisi üzerine literatürde daha önce yapılmış sistematik ve kapsamlı bir çalışma bulunmamaktadır. Yüksek mukavemete ve çizilme dayanımına sahip alümina silikat camların ve yüksek alümina içerikli soda-kireç-silikat camların yalnızca elektronik ekran camları olarak değil, araç cam ağırlığını azaltıp dayanımı arttırmak amacıyla otomobil endüstrisinde de kullanılması üzerine yoğun çalışmaların gerçekleştiği günümüzde, cam kompozisyonunun ve kompozisyondaki alümina miktarının kimyasal temperleme verimine etkisini bilmek bu camların farklı uygulamalardaki kullanım potansiyellerini belirlemek açısından büyük önem taşımaktadır. 
Bu tez çalışması kapsamında; sırası ile Şişecam Trakya Cam Sanayi A.Ş., China Triump International Engineering ve Schott AG firmalarına ait Trakya Glass®, Triump Glass® ve Xensation® marka, farklı oranlarda alümina içeren, alümina silikat ve soda-kireç-silikat 1,1 mm kalınlığa sahip ince düz camların kimyasal olarak temperlenerek mekanik dayanımlarının arttırılması ve kimyasal temperleme davranışlarının incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla yapılan deneysel çalışmalarda, cam numuneler cam geçiş sıcaklıklarının altında seçilen  farklı sıcaklıklarda ve farklı sürelerde yüksek saflıktaki KNO3 ergimiş alkali tuzu içerisinde kimyasal olarak temperlenmiş ve temperleme işlemi öncesi ve sonrası camların difüzyon davranışları, mekanik, optik ve yüzey pürüzlülük özellikleri incelenmiştir. Tez kapsamında yapılan çalışmalar sonucunda, cam kompozisyonunda artan alümina miktarı ile kimyasal temperleme sırasında difüzyon hızının ve derinliğinin arttığı ve buna bağlı olarak mekanik özelliklerin geliştiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Nowadays, glass has become an important material along with rapidly developing technology which used not only as household goods, but also especially in the automotive, architectural, electronic, aircraft, military, optical and aerospace industries. Increasing mechanical strength of glass haas great importance in terms of expanding its usage area and converting it to a high added value product. Therefore, mechanically strengthening of glass materials has become a very important issue for glass science and industry. The main purpose of improving the mechanical properties of glass is to prevent the progress of surface cracks and consequently to prevent its breakage as a result of manufacturing process or daily use. In accordance with this purpose, thermal and chemical tempering methods have been used in the studies conducted so far. 
Thermal tempering process is the strengthening of glass by heating it to a certain temperature below the melting point and then cooling it rapidly. Chemical tempering process aims to create compression stress on the glass surface by immersing the glass into the molten salt bath for a certain time at a certain temperature for the replacement of smaller ions in the glass compositions with the bigger ions in the salt bath.  Chemical tempering process has become forward among these two strengthening methods due to the fact that the thermal tempering process cannot be applied to thin and/or complexed shaped glasses and chemical tempering has no negative effect on the optical properties of glasses. 
Chemical tempering process occurs below the glass transition temperature of glass and above the melting temperature of salt. As a result of the displacement of small alkali ions in the glass and the bigger alkali ions in the molten salt bath, a compression stress layer occurs on the glass surface. This compressive stress increases the mechanical strength of the glass. Chemical tempering which can be defined as a diffusion based ion displacement process has been studied by different researchers in the literature for many years in terms of bath composition, process temperature and duration, etc.. However, there is no a systematic and comprehensive study in the literature on the effect of glass composition and amount of aluminain the composition which has the potential to improve alkaline ion mobility and diffusion behavior by reducing the amount of non-bridge oxygens in the glass structure. Nowadays, high strength alumina silicate glasses and high alumina containing soda-lime-silicate glasses are used not only as electronic display glasses but also as automobile glass within the scope of weight reduction studies. Therefore, knowing the effect of glass composition and the amount of alumina in the composition on the chemical tempering efficiency has great importance in terms of determining the potential use of these glasses in different applications.
In this thesis, it is aimed to increase the mechanical strength and investigate the chemical tempering behavior of alumina silicate and soda lime silicate thin flat glasses having different alumina content. Trakya Glass®, Triump Glass® and Xensation® glasses with 1.1 mm thickness which were obtained from Sisecam Trakya Cam Sanayi A.S., China Triump International Engineering and Schott, respectively were used in the experimental studies.Glass samples were chemically tempered in high purity KNO3 molten alkali salt baths in a chemical tempering furnace at different temperatures during different time periods for chemical tempering. Before and after chemical tempering process, diffusion behavior, mechanical, optical and morphological properties of the glass have been characterized and chemical tempering behaviors were investigated. As a result of the experimental studies, it was observed that increasing the alumina content in the glass compositions improve the diffusion behavior during tempering process and mechanical properties of glasses.