Alümina silikat ve soda kireç silikat camların kimyasal temperlenmesinde kalınlık ve kesme etkisinin incelenmesi
Investigation the effect of thickness and cutting on chemical tempering of aluminosilicate and soda lime silicate glasses
Yazar: BERKEL KAYACAN
Danışman: DOÇ. DR. MİRAY ÇELİKBİLEK ERSUNDU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde estetik ve fonksiyonel taleplerin artması ve gelişen teknoloji ile üretilen cam kalınlıkları giderek incelmiştir. Camlar inceldikçe ağırlıkları azalmakta ve daha estetik bir görünüme sahip olmaktadır. Ancak bu noktada, incelen camlardan da kalın camlarda ulaşılan mekanik dayanım değerlerini sağlaması beklenmektedir. Mekanik dayanım değerlerini artırmanın yolu üretim sonrası uygulanan ikincil işlemlerdir. Bu işlemlerden en yaygını kimyasal ve ısıl olmak üzere iki çeşidi olan temperleme işlemidir. Bundan yaklaşık 100 sene önce, tarihte ilk defa seramik malzemelerde dekorasyon amaçlı kullanılan kimyasal temperleme işlemi herhangi bir kalınlık kısıtlaması olmaksızın uygulanabilir bir işlemken; ısıl temperleme 2 mm altındaki cam kalınlıklarına uygulanamamaktadır. İyon değişimi esaslı bir işlem olan kimyasal temperleme prosesinde, mukavemetlendirilmek istenen cam malzeme kendi cam geçiş sıcaklığının altında ve içine daldırılacağı tuz banyosu bileşiminin ergime sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklığa ısıtılmış tuz banyosunun içine daldırılıp belirli bir süre bekletilir. Bu esnada, cam yapısında bulunan boyutça küçük alkali iyonlarla tuz banyosu içinde bulunan boyutça büyük aynı değerlik elektron sayısına sahip iyonlar yer değiştirir. Kimyasal bağ oluşturmaksızın cam yüzeyinden belirli bir derinliğe nüfuz ederek cam yapısına katılan boyutça büyük iyonlar cam yapısında artık gerilmeler oluşturur. Merkezi gerilim ile dengelenen bu artık gerilmeler ise camın mekanik dayanımını artırır. 
Difüzyon mekanizması ile ilerleyen kimyasal temperleme prosesinde, proses verimine etki eden çok sayıda faktör vardır. Bunlar kimyasal temperleme prosesi süresi, sıcaklığı, tuz safiyeti ve bileşimi, cam kompozisyonu, proses kademesi, ön / son işlemler ve fırın tipidir. Literatürde daha önce kimyasal temperleme konusunda yapılan çalışmalarda proses sıcaklığı ve süresinin, tuz safiyeti ve kompozisyonu, cam kompozisyonu, ilk ve son işlemlerin proses verimine etkisi incelenmiş ancak diğer faktörlerin etkisi konusunda sistematik ve kapsamlı bir çalışma gerçekleştirilmemiştir. İnce cam kullanımının giderek arttığı günümüzde, kimyasal temperleme işlemi ticari olarak taşıdıkları büyük önem nedeniyle inceltilmeleri ve hafifletilmeleri konusunda yoğun çalışmalar yapılan elektronik ekran camlarına, otomobil camlarına ve cam ev eşyalarına da uygulanmaktadır. Dolayısıyla kimyasal temperleme prosesine kalınlığın etkisini bilmek ince camların uygulama alanlarını belirlemek açısından büyük önem taşımaktadır.  Ayrıca incelen cam kalınlıkları ile yeni cam kesim teknikleri gelişmiş, ince camların kesiminde temassız kesim yöntemleri ön plana çıkmıştır. Bu anlamda, kesim tipi sonucu meydana gelen farklı kenar kalitelerinin kimyasal temperleme proses verimine etkisinin bilinmesi de önem kazanmıştır.  
Bu tez çalışmasının amacı, alümina silikat ve soda kireç silikat esaslı camların farklı süre ve sıcaklıklarda kimyasal temperleme işlemi ile güçlendirilmesi ve kimyasal temperleme işlemine cam kalınlığının ve cam kesme tipinin etkisinin incelenmesidir. İki grup halinde yapılan deneysel çalışmaların ilk bölümünde 1,1 ve 0,7 mm olmak üzere iki farklı kalınlığa sahip iki farklı cam kompozisyonu için farklı kimyasal temperleme sıcaklık ve sürelerinde çalışılmış; yapılan mekanik, optik ve yapısal analizlerle kimyasal temperleme prosesine cam kalınlığının etkisi araştırılmıştır. İkinci grup çalışmalarda ise, CO₂ lazer, elmas ve yeşil lazer kesme tipleri ile kesilmiş tek bir kalınlık ve kompoziyona sahip camlar, ilk grup çalışmadan yola çıkılarak seçilen tek bir sıcaklık ve sürede kimyasal temperleme prosesine tabi tutulmuş ve yapılan mekanik analizler ile kesme tipinin kimyasal temperleme proses verimine etkisi araştırılmıştır. Tez kapsamında yapılan çalışmalar sonucunda, cam kalınlığının kimyasal temperleme proses verimine etkisinin neredeyse olmadığı, kesme tipinin ise kimyasal temperleme proses veriminde etkili olduğu ve en pozitif sonuçların sağladığı yüksek kenar kalitesi sayesinde CO2 lazer kesim tipi ile kesilen camlarda elde edildiği belirlenmiştir.

Abstract:
Nowadays, the thickness of glasses has gradually decreased with developing technology and increasing aesthetic and functional demands. As the glass gets thinner, its weight decreases and it has a better aesthetic appearance. At this point, it is expected to reach similar mechanical strength values in both thicknesses. Increasing the mechanical strength of glasses is possible through different methods secondary treatments. Thermal and chemical tempering processes are the most common techniques used for this purpose. The chemical tempering process, which is initially used in ceramic materials for decoration purposes about 100 years ago, is an applicable mechanical strengthening process in glasses without any thickness restrictions. This makes chemical tempering much preferable over thermal thempering since thermal tempering process can not be applied to glasses having thicknesses of 2 mm and less. Chemical tempering is basically based on an ion exchange process in which the glass material, which is desired to be mechanically strengthened, immersed in a molten salt bath at a temperature below the glass transition temperature of that glass and above the melting temperature of the used salt. During the ion exchange prosess, small sized alkali ions in the glass structure are replaced by large sized alkali ions present in the molten salt bath. Accordingly, the large sized ions penetrate to a certain depth through the glass surface without forming a chemical bond and form residual stresses. These residual stresses which are compensated by the central tension consequently increase the mechanical strength of the glass. 
There are several factors that might affect the efficiency of chemical tempering process which is based on a simple diffusion mechanism. These factors are chemical tempering process temperature and time, salt purity and composition, glass composition, process stages such as preheating / postcooling and type of furnace. In the literature, chemical tempering studies are generally concentrated on the effect of process temperature and time, salt purity and composition on chemical tempering process efficiency. However, to the best of our knowledge, there is no study on the effect of glass thickness and cutting type on chemical tempering process. The increase in use of chemical tempering process for thin glasses has a significant commercial role for different applications of glass such as electronic display glasses, automobile glasses and glassware.. Therefore, it is important to know the effect of glass thickness on chemical tempering process to ultimately determine the applicability of thin glass for different usage areas. In addition, new contactless glass cutting techniques are developed as with decreasing glass thicknesses. In this sense, it becomes important to know the effect of the edge quality on the efficiency of chemical tempering process originated from different cutting types. The aim of this thesis is to mechanically strengthen alumina silicate and soda lime silicate glasses using chemical tempering process at different process temperatures and times and to investigate the effect of glass thickness and cutting type on chemical tempering process. In the first part of the experimental studies two different glass compositions as soda lime and aluminosilicate with different thicknesses of 1.1 and 0.7 mm were studied at different temperature and times; the effect of thickness on chemical tempering process was investigated by mechanical, optical and structural analyses. In the second group of studies, soda lime silicate glasses with 1.1 mm of thickness were cutted with CO₂ laser, diamond and green laser cutting techniques and were subjected to chemical tempering process at selected temperatureand the effect of cutting type on chemical tempering process was investigated by mechanical analyses. As a result of the experimental studies, it has been determined that the glass thickness has not an effect on chemical tempering efficiency, while the cutting type substantially affectes the efficiency and the samples cutted with CO₂ laser show the better performance due to their supeior edge quality.