To anneal - or not to anneal*

door Woodrow Carpenter
Vertaald uit het Engels door Ellen Goldman, met toestemming van de auteur. Oorspronkelijk gepubliceerd in het blad Glass on Metal, jaargang 23 # 3, juni 2004.

Voor een uitgebreidere verklaring van het begrip ‘Annealing’, zie de voetnoot aan het eind van deze vertaling. Voorlopig volsta ik met de mededeling dat het hier gaat om een gecontroleerde afkoeling ter voorkoming van het optreden van spanningen in glas.

Tijdens de vergadering van de Enamelist Society in 2003, stelden twee emailleurs vragen met betrekking tot 'annealing', in Nederland meestal ook met deze term aangeduid.

Een van hen, die ervaring had in het werken met glas, vond het vreemd dat men bij het emailleren deze handeling niet nodig bleek te vinden. De andere emailleur, die geen ervaring had in het werken met glas, begreep niet dat sommige emailleurs de mening waren toegedaan dat ‘annealing’ nuttig kon zijn voor emailleurs. Beiden zochten een verklaring van het feit dat het bij het werken met glas als noodzakelijk werd ervaren, terwijl dat bij het emailleren niet zo zou zijn. Het antwoord luidde: dat komt omdat, bij het emailleren, het glas door het metaal wordt vastgehouden. Dit antwoord gaf weer reden tot verdere vragen, wat de reden is dat dit artikel is geschreven..

Laten we ons in de eerste plaats afvragen waarom het voor de glaswerker nodig is om annealing toe te passen.

De twee belangrijkste redenen, waarvan de eerste met gewoon nadenken te begrijpen is, zijn de volgende:

De warmtegeleiding van glas is relatief laag. Als het oppervlak van een glazen staaf wordt verhit, duurt het daardoor tamelijk lang voordat de kern van de staaf dezelfde temperatuur bereikt als het oppervlak, maar als dat punt is bereikt, is het oppervlak weer warmer geworden. Omdat glas bij het oplopen van de temperatuur uitzet, zal het duidelijk zijn dat het oppervlak sterker uitzet dan de kern. Dit veroorzaakt een zekere druk, die wordt tegengewerkt door interne factoren die we ‘stresses’ of (tegen)spanning noemen. Als deze spanning een bepaalde waarde overschrijdt, zal breuk optreden. Bij het afkoelen zal het oppervlak van het glas sneller afkoelen en krimpen dan de kern, en daardoor ontstaan eveneens elkaar tegenwerkende spanningen. 

De tweede belangrijkste reden is wellicht niet zo gemakkelijk te begrijpen. In bovenstaande figuur 1 zien we de curve die de thermische uitzetting aangeeft van een stuk soda-kalkglas** bij verhitting van kamertemperatuur tot het verwekingspunt. De mate van uitzetting, #1, is relatief constant van kamertemperatuur tot 900°F-950°F (= ongeveer 480°C -510°C). Daarna loopt de uitzetting snel op, #2. Dit is het punt waarop het glas begint te veranderen. Het verandert van een elastische vaste stof in een visceuze vloeistof. Dit staat bekend als het punt van glastransformatie. De moleculaire structuur van het glas verandert, zonder dat dit zichtbaar is. Wij zijn geïnteresseerd in de verandering van de interne spanningen die optreden bij het afkoelen van het glas van het verwekingspunt naar kamertemperatuur.

Meer dan 5000 jaar geleden werd het in de praktijk al duidelijk dat glazen voorwerpen, die na het verwerken zonder onderbreking waren afgekoeld tot kamertemperatuur over het algemeen barstten of zelfs kapot sprongen. Men ontdekte ook dat, als je een zekere pauze inlaste tijdens het afkoelen, dit barsten of breken niet optrad. We weten nu dat deze pauze het begin was van de transformatie (kristalvorm) zone. Nu moeten we het glas even op deze temperatuur houden om de spanningen op te heffen die tijdens het verloop van het proces van afkoeling zijn opgebouwd, omdat de structuur van het glas veranderde van die van een visceuze vloeistof tot die van een rekbare vaste stof. Als de spanning uit het glas is verdwenen, moet het verder langzaam worden afgekoeld (zie boven) zodat het spanningsvrij blijft bij kamertemperatuur, omdat het anders alsnog kan barsten of breken. 

Nu komt de vraag: Waarom houden emailleurs vaak geen rekening met bovengeschetste verschijnselen?

Figuur 2 laat de uitzetting zien van email zowel als van koper. Hier zien we dat de uitzetting van het koper groter is dan die van email. Bij het kiezen van emailpoeders wordt hier rekening mee gehouden. De uitzetting van het koper is over het hele verhittingstraject lineair, maar bij het email is dat niet het geval. Hier zijn twee verschillende uitzettingstrajecten en een transformatie zone (kristalvormzone).

Punt 1 in figuur 2 toont een doorsnede van een geëmailleerd koperen plaatje dat begint af te koelen. Op dit punt is het email in de visceuze vloeistof fase die de vorm van het metaal heeft aangenomen. Metaal en email oefenen geen noemenswaardige spanning op elkaar uit, zelfs niet als zij op verschillende wijze inkrimpen bij afkoeling. Maar op een gegeven punt, als de ondergrens van de transformatiezone wordt bereikt, zal toch, door de verschillende uitzettingscoëfficiënten van beide stoffen, een zekere spanning optreden (zie punt 2 in figuur 2), zoals makkelijk zichtbaar te maken is op de volgende manier:

Emailleer een koperen plaatje van ongeveer 2,5 x 15 cm aan één kant. Leg het plat op een brandroostertje en leg het in de oven. Als het uit de oven komt, zal het plaatje volkomen vlak liggen, maar binnen 20 à 30 seconden zullen de uiteinden omhoog komen (punt 2 in figuur 2 en foto 1).

45 – 60 seconden later komen de uiteinden van de strip koper weer omlaag, en na ongeveer 60 seconden zal de strip weer vlak liggen: punt 3 in figuur 2 en foto 2. Korte tijd later zal het midden van de koperstrip omhoog komen: punt 4 in figuur 2 en foto 3. De krimp van het metaal is nu eerst even groot als en vervolgens groter geworden dan de krimp van het email. Hierdoor is de lichte (slechte) spanning vervangen door een (goede) spanning. De noodzaak om gecontroleerd af te koelen is daarmee verdwenen. Anders zou, bij opnieuw verhitten, de grotere uitzetting van het koper weer extra spanning oproepen en er zouden grote barsten kunnen ontstaan of het email zou zelfs van het werkstuk af kunnen springen.