ガラスの応力
物質内部の単位断面に働く相互作用力を内部応力といいます。ガラスの内部応力は、その発生原因の違いにより 3 つのカテゴリに分けられます。
（１）ガラスの熱応力 温度差によりガラスに発生する応力を熱応力といい、その存在特性により一時的応力と永久的応力に分けられる。
1 一時応力 弾性変形温度域のガラスが、加熱または冷却中に不均一な温度変化を受けることで発生する熱応力を一時応力といいます。この応力は、温度勾配が存在するときに存在し、温度勾配がなくなると消えます。
2 永久応力 ガラスの内層と外層の間の温度勾配が消失した後にガラスに残る熱応力を永久応力といいます。ガラスに永久応力が発生するのは、ひずみ温度範囲内で応力が緩和された結果です。永久応力の発生を抑えるには、ガラスの化学組成や製品の厚さに応じて適切なアニール温度と冷却速度を選択し、残留応力値が許容範囲内になるようにする必要があります。
（２）ガラスの構造応力 ガラスの化学組成の不均一性に起因する構造の不均一性によりガラスに発生する応力を構造応力といいます。構造応力は永久応力です。例えば、ガラスの溶融過程では、溶融の均質化が不十分なため、筋や石などの欠陥が発生します。これらの欠陥の化学組成は主ガラスと異なり、膨張係数も異なります。温度が室温に達した後、膨張係数が異なる隣接部分はそれぞれ異なって収縮し、ガラスに応力が発生します。ガラスの固有の構造によって発生するこの応力は、アニールによって除去することはできません。
（３）ガラスの機械的応力 機械的応力とは、ガラスに作用する外力によって生じる応力のことをいいます。一時的な応力であり、外力がなくなると消えます。
ガラスの応力除去
ガラスのアニーリングは、成形または熱処理プロセス中にガラスに発生する永久応力を軽減または除去し、ガラスの性能を向上させる熱処理プロセスです。
ガラスに応力が形成される原因によると、ガラスのアニーリングは基本的に、応力の軽減と除去、および新しい応力の発生を防ぐという 2 つのプロセスで構成されます。ガラスには固定の融点がありません。高温から冷却され、液体から脆い固体材料に変化します。この温度範囲は遷移温度範囲と呼ばれます。上限温度は軟化温度で、下限温度は遷移温度です。遷移温度範囲では、ガラス内の粒子はまだ動くことができます。つまり、遷移温度付近の特定の温度では、保温と均一化によりガラス内の熱応力を除去できます。このときガラスは粘弾性体であるため、応力は緩和されますが、製品の外観は変化しません。
（１）ガラスのアニール温度とアニール温度範囲 ガラス内の永久応力を除去するためには、ガラスをガラス転移温度Ｔｇ以下の一定温度に加熱して保温・均一化し、ガラス各部の温度勾配をなくし、応力を緩和する必要がある。この保温・均一化温度をアニール温度という。ガラスの最高アニール温度とは、３分後に応力の９５％を除去することができる温度を指し、アニール点（ｎ{{３}}Ｐａ·ｓ）に相当し、上部アニール温度とも呼ばれる。最低アニール温度とは、３分後に応力の５％しか除去できない温度を指し、下部アニール温度とも呼ばれる。最高アニール温度から最低アニール温度までの温度範囲をアニール温度範囲という。アニール温度範囲は一般に５０～１５０度である。 ボトルガラスの最高アニール温度は 550 ～ 600 度です。実際の生産では、最高アニール温度より 20 ～ 30 度低いアニール温度が一般的に使用されます。最低アニール温度は最高アニール温度より 50 ～ 150 度低くなります。ガラスのアニール温度は、その化学組成に関係しています。ガラスの粘度を下げることができる組成であれば、アニール温度も下げることができます。
（２）ガラスのアニール工程 ガラス製品のアニール工程には、加熱、保温、徐冷、急冷の４段階があります。各段階の加熱・冷却速度、保温温度、保温時間に応じて、温度と時間の関係曲線を描くことができます。図2-35はアニール曲線です。
最初の段階は加熱段階です。主なタスクは、製品をアニール温度まで加熱することです。ガラス製品が成形されてアニール炉に送られると、成形操作と輸送プロセス中の製品自体の温度低下により、特に一部の薄肉製品の場合、アニール炉に入るときの製品の温度はガラスのアニール温度よりも一般的に低くなります。したがって、製品がアニール炉に入ると、事前に決定されたアニール温度まで製品を加熱する必要があります。
ガラスを加熱すると、その表面層には圧縮応力がかかり、内部層には引張応力がかかります。ガラスの圧縮強度は引張強度の約 10 倍であるため、加熱速度はそれに応じて速くなります。ただし、温度勾配によって発生する一時的な応力と加熱プロセス中の固有の永久応力の合計は、引張強度の限界を超えることはできません。そうしないと、破損します。実際の生産では、ガラス製品の厚さの均一性、製品のサイズと形状、アニール炉内の温度分布の均一性などの要素が、加熱と加熱速度に影響します。
製品が成形された直後に行う焼鈍を一次焼鈍といい、製品が冷却された後に行う焼鈍を二次焼鈍といいます。瓶や缶のガラス製品の製造では、常に成形後すぐに焼鈍炉に入る一次焼鈍方式を採用しています。形状が複雑、壁の厚さが不均一、または瓶底の厚さが8mmを超える一部の製品については、二次焼鈍に1回焼鈍窯を使用することは固く禁じられています。再焼鈍が必要な場合は、焼鈍用に二次焼鈍窯を選択する必要があります。そうしないと、ガラス製品が破裂します。たとえば、表面転写製品は二次焼鈍に属し、二次焼鈍には焼成窯を使用して製品を焼鈍します。乾燥による処理が必要な一部の製品では、乾燥後に応力が大きすぎる場合は、応力を除去するために二次焼鈍も必要です。
第二段階は断熱段階で、その主な目的は急速加熱によって生じる温度勾配をなくし、製品に内在する内部応力をなくすことです。製品の表面温度と内層の温度差をなくします。この段階では、まずアニーリング温度を決定し、次に断熱時間を決定しなければなりません。一般的に、アニーリング温度はアニーリング温度の上限より20～30度低いです。直接測定するほか、ガラスの組成に基づいて粘度が1012Pa·sになる温度を計算することもできます。アニーリング温度が決定したら、断熱時間を70a2～120a2、または許容応力値に応じて計算することができます。
一般的に、肉厚の厚い製品の場合、製品内の応力を十分に緩和できるように、加熱時間を長くする必要があります。そうしないと、製品に大きな内部応力が残ります。肉厚の薄い製品の場合、絶縁時間は適切に短くすることができます。
第三段階は、製品を焼鈍炉でゆっくり冷却する段階です。焼鈍温度で一定時間保温すると、製品の元々の応力が除去されます。冷却後に永久応力が発生しないように、または製品に必要な応力範囲まで下げるために、均等化後にゆっくり冷却して永久応力の形成を防ぐ必要があります。
第4段階はガラスの急冷段階です。急冷の開始温度はガラスの歪点より低くなければなりません。歪点以下ではガラスの構造が完全に固定されるからです。このとき温度勾配は発生しますが、永久応力は発生しません。急冷段階では一時的な応力しか発生しません。一時的な応力によってガラス製品が破損しないことを前提に、できるだけ速く冷却します。
実際の製造では、より低い冷却速度が採用されており、一般ガラスの場合はこの値の15%～20%、光学ガラスの場合は5%未満となっています。
ガラス製品の総焼鈍時間は、加熱、保温、徐冷、急冷時間の合計です。各段階の焼鈍速度は、製品が耐えられる許容応力値に制限する必要があります。まず、計算によって最も適切な焼鈍曲線を決定し、通常は生産の実際の段階で調整します。ボトルガラスの場合！焼鈍システムは表 2-34 に示されています。
（３）焼鈍システム策定時の留意事項 ボトルガラスの焼鈍温度は、製品サイズ、重量、ガラス組成、製品窯温度、各焼鈍窯の構造特性に応じて設定する必要があるが、同時に以下の点も考慮する必要がある。
① 焼鈍炉内の温度差の影響 多くの技術的対策にもかかわらず、焼鈍炉の断面内の温度分布は依然として不均一であり、製品の温度が不均一になります。そのため、焼鈍システムを策定する際には、断熱時間を適切に延長し、徐冷速度は実際の許容永久応力値に対応する冷却速度よりも低くする必要があり、一般的には許容応力値の半分を計算に使用します。加熱速度と急冷速度の決定では、焼鈍炉の温度差の影響も考慮する必要があります。
製品にコールドスプレーが必要ない場合、焼鈍窯チェーン内のボトルの間隔は、窯内の熱サイクルと風熱サイクルに影響を与えない範囲で、できるだけ近づける必要があります。一般的には、15〜20mmが適切です。また、ボトルの高さと形状も考慮する必要があります。ボトルがより高い場合は、距離の上限を取ることができ、ボトルが短い場合は、下限を取ることができます。製品にコールドスプレーが必要な場合、ボトルの距離は、コールドエンドスプレーがボトル本体に均一にスプレーできることに基づいて決定する必要があります。
③ 厚肉および複雑な形状の製品の焼鈍問題 厚肉製品は内外層の温度差が大きいため、焼鈍温度範囲内では厚肉製品の保温時間を適宜延長し、製品の内外層の温度を一定にする必要がありますが、冷却速度も適宜遅くする必要があり、総焼鈍時間を延長する必要があります。厚肉製品の保温時間の延長は製品の厚さに比例しないことに注意してください。これは、厚みが増すと負荷が大きくなるためです。製品を高温で長時間保持すると、変形しやすくなります。形状が複雑な製品は応力集中を起こしやすいため、厚肉製品のように保温温度を比較的低くし、保温時間を適切に延長する必要があります。加熱速度と冷却速度はどちらも遅くする必要があります。
④ 同一炉内での異種製品の焼鈍問題 同一化学成分で厚さの異なる製品を同一焼鈍炉で焼鈍する場合、薄肉製品の変形を避けるため、肉厚の最も薄い製品に合わせて焼鈍温度を決定する必要があります。ただし、肉厚の厚い製品が熱応力により破損しないように、断熱時間を適切に延長し、肉厚の最も厚い製品に合わせて加熱・冷却速度を決定する必要があります。
異なる化学組成の製品を同じ焼鈍炉で焼鈍する場合、最も低い焼鈍温度のガラス製品を断熱温度として選択し、同時に、異なる焼鈍温度の製品が良好な焼鈍を達成できるように断熱時間を長くする必要があります。
⑤製品の固有応力の影響 急速加熱時には、温度差による一時的な応力を計算するだけでなく、固有応力の影響も見積もる必要があります。