مقدمه: شیشه همانند دیگر مواد سرامیکی ماده ای ترد و شکننده است و در نتیجه استخکام خمشی و کششی آن کم است. هنگامی که این ماده بر اثر ضربه، فشار و یا اختلاف و گرادیان حرارتی در سطح و قسمت های داخلی شیشه ترک برداشته و می شکند به قطعات تیز و برنده ای تبدیل می گردد که بسیار خطرناک می باشند. تمپر کردن در حقیقت روشی است که در این روش همانند آنیلینگ با استفاده از حرارت دادن شیشه و سردکردن کنترلی آن می توان به افزایش استحکام شیشه کمک نمود و هم چنین از تبدیل شیشه به قطعات ریز تیز و برنده جلوگیری نمود.
شیشه تمپر شده استحکامی در حدود دو برابر و یا بیشتر از شیشه های آنیل شده دارد. این شیشه ها پس از شکست به ذرات بسیار ریزی تبدیل می شود که خطرات ناشی از مجروح شدن را کاهش می دهد. کاربرد شیشه های تمپر شده: شیشه نمای سردر، درب های شیشه ای، ورودی ساختمان ها، حمام، حصارهای شیشه ای و کلاً مواردی که نیاز به استحکام بالا و خواص محافظتی دارد.
روش های تمپرینگ:
روش حرارتی:
در این روش یک شیشه آنیل شده؛ تا 680 درجه سانتیگراد حرارت داده شده و به یکباره سرد می شود. اگر سرعت سردکردن بالا باشد، شیشه تا چهار برابر استحکام شیشه های آنیل شده مستحکم می شود و به هنگام شکست به ذرات بسیار ریز تبدیل می گردد. اگر سرعت کردن کمی آرام تر باشد افزایش استحکام تا دو برابر استحکام اولیه خواهد رسید.

تمپرينگ۱

روش شیمیایی:
در این روش شیشه درون محلول شیمیایی قرار داده شده تا استحکام مکانیکی آن افزایش یابد. شیشه هایی که تمپر شیمیایی شده اند، خواص مشابهی با تمپر حرارتی دارند اما این نوع شیشه ها کاربردهایی در شیشه های پنجره ندارد ولیکن در صنعت و در جایی که نیاز به شیشه های مستحکم نازک باشد مورد مصرف قرار می گیرد.
فرآیند تمپرینگ:
پروسه و فرآیند تپمرینگ شیشه های معمولی سودالایم بسیار ساده است. برای این کار می بایست شیشه را به صورت یکسان در تمامی نقاط آن تا بالای نقطه نرم شوندگی آن حرارت داد به طوری که شیشه حالت تخت خود را از دست ندهد. پس از حرارت دهی می بایست شیشه سرد شده و این سرد کردن باید به طور یکسان در سطوح بالایی و پایینی صورت گیرد. در این مرحله دمای سطح شیشه نسبت به دمای داخل شیشه کمتر خواهد بود و با توجه به اینکه شیشه تا زیر نقطه نرم شوندگی آن سرد شده است، شیشه به جامدی سخت تبدیل شده است. با سرد کردن بدنه، هنگامی که بدنه شیشه تبدیل به جامد می گردد، قسمت های داخلی شیشه دمای بالاتری نسبت به سطح شیشه دارند و این موضوع موجب می گردد که قسمت های داخلی نسبت به بیرون تحت انقباض قرار بگیرند. این موضوع موجب ایجاد فشار بر سطح و در نتیجه افزایش استحکام شیشه می گردد.
از نظر علمی می دانیم که نقطه نرم شوندگی شیشه در حدود 550 درجه سانتیگراد است. در زیر این دما ما می دانیم که شیشه کاملاً حالت جامد دارد و در بالای این دما حالت شیشه تبدیل به حالت پلاستیک می گردد. اگر در این حالت ما افزایش 9 درجه ای در دما را داشته باشیم شاهد خواهیم بود که ویسکوزیته شیشه نصف می گردد و به راحتی قابلیت شکل دادن پیدا می کند.
برای اینکه به بیشترین سطح تنش (منظورایجاد تنش فشاری در سطح است) در شیشه دست یابیم و در نتیجه عملیات تمپرینگ تحت شرائط استاندارد صورت پذیرد، در هنگامی که ما به سرد کردن شیشه از بالای نقطه نرم شوندگی آن به دمای محیط مشغول هستیم نیاز به ایجاد اختلاف دمایی در حدود 100 تا 170 درجه سانتیگراد بین سطح و قسمت های داخلی شیشه است. (این میزان بسته به استاندارد متفاوت است). در شیشه هایی که ضریب انبساط حرارتی کمی دارند، همانند شیشه های بوروسیلیکات (پیرکس)، سخت شیشه از طریق حرارتی دشوار است.
شکل 1، تفاوت دمایی و تنش های زودگذر را در شیشه در طول فرآیند تمپرینگ نشان می دهد.
در فرآیند تمپرینگ در زمان های مختلفچه اتفاقاتی می افتد؟
ثانیه صفر- شیشه وارد کوره نشده است و در نتیجه هنوز بر شیشه هیچ تنشی وارد نمی گردد.
ثانیه 20 – شیشه در درون کوره قرار گرفته و در نتیجه انبساط سطح بر اثر حرارت موجب فشار می گردد.
ثانیه 70 - در این حالت اندک اندک اختلاف دمایی که بین سطح و داخل در ابتدا وجود داشت رو به کاهش می گذارد.
ثانیه 140 – شیشه در بالای نقطه نرم شوندگی خود قرار گرفته است و مشاهده می شود که هیچ تنشی بر شیشه وارد نمی گردد.
ثانیه 160 – شیشه کوینچ می شود.
ثانیه 165 – کوینچ شیشه یه پایان می رسد و کشش کمی در سطح مشاهده می شود.
ثانیه 175 – سرعت سردکردن بالاست و در نتیجه در سطح کشش مشاهده می شود.
ثانیه 230 – دمای نرمالیزاسیون – در این مرحله تنش های نرمال ایجاد می گردد.
ثانیه 320 – شیشه تمپر شده است.
برای یک شیشه 4 میلیمتری و استفاده از کوینچ توسط جریان هوا مطابق استاندارد، نیاز به حدود 5 ثانیه برای ایجاد اختلاف 170 درجه ای بین سطح و قسمت های داخلی شیشه می باشد و قسمت های داخلی شیشه در این مرحله با سرعتی در حدود 12 درجه سانتیگراد بر ثانیه شروع به سرد شدن می کنند. اگر قبل از اینکه مرکز شیشه سخت گردد (565 درجه سانتیگراد)، می خواهیم که به اختلاف دمایی مورد نظر دست یابیم، با توجه به پنج ثانیه زمان سردکردن با سرعت سرد کردن 12 درجه سانتیگراد بر ثانیه (60 درجه سانتیگراد)، می بایست از دمای 625 درجه سانتیگراد آغاز کنیم.  هرچقدر به دماهای بالای 625 درجه سانتیگراد برویم زمان بیشتری برای رسیدن به اختلاف دمایی مورد نظر وجود دارد و در نتیجه نیاز به جریان هوای کمتری برای سرد کردن است. اما مشکل اینجاست که هرچه دما بالاتر می رود شیشه نرم تر می گردد و هم چنین خصوصیت اپتیکی شیشه نیز کاهش می یابد. در زیر 625 درجه سانتیگراد شیشه سفت تر و مستحکم تر است و خصوصیات اپتیکی مناسب تر است، اما زمان کمی داریم و در نتیجه باید از هوای بیشتری برای کوینچ استفاده کنیم تا به اختلاف دمایی مورد نظر دست یابیم. این سرد کردن سریع تر موجب ایجاد تنش های ناپایدار بیشتری در شیشه شده و کیفیت استحکامی شیشه را بهبود می بخشد اما مشکل اینجاست که ممکن است موجب شکسته شدن شیشه بر اثر تنش های وارده بر شیشه در حین کوینچ گردد.
برای دستیابی به دمای برون رفت کوره (Texit)، می بایست دمای کوره را در 625 درجه سانتیگراد تنظیم نمود و شیشه را برای چند ساعت در کوره قرار داد و باید اطمینان حاصل نمود که دمای کوره در این زمان تغییر نمی کند. اما شرایط هیچ گاه به این صورت نمی باشد و بنابراین دمای کوره را بالا می بریم و زمان ماندن در آن دما را کاهش می دهیم. حال با در نظر گرفتن فرمول زیر می توانیم زمان مورد نظر را محاسبه نماییم:
Texit=((TFurnace-Tambient)(1-e-k) + Tambient)/17.5
ضخامت شیشه / زمان ماندن در کوره برحسب ثانیه K=
اگر شرایط حرارتی در سیستم ثابت باشد مقدار 5/17 در فرمول بالا به 2/11 تبدیل می گرددُُحال بسته به زمان ماندن در کوره و شرایط دیگر این میزان سنجیده می شود. هرچقدر دمای برون رفت شیشه با دمای کوره نزدیک تر باشد حرارت دهی کوره آرام تر صورت می پذیرد و در نتیجه یکسانی دمایی بیشتری در شیشه ایجاد می گردد

تمپرينگ ۲

کوره های مورد استفاده تمپرینگ:
کوره های تمپرینگ از نوع کوره های رولری بوده و رولرهای آن می تواد از نوع فیوز سیلیکا انتخاب گردند. استفاده از رولرهای فیوز سیلیکای توخالی برای کوره های تمپرینگ مزیت هایی دارد که در زیر آورده شده است:
استحکام مکانیکی مناسب مقاومت به شوک حرارتی بسیار خوب و حالت هموژن و یکدست سیلیکا مقاومت شیمیایی بالای آن و عدم واکنش آن با شیشه در طول فرآیند تمپرینگ ذخیره سازی حرارتی کم آن و در نتیجه کاهش زمان افزایش دما در آن وزن کم آن و در نتیجه آسانی شریط نگهداری قابلیت استفاده تا دمای 800 درجه سانتیگراد باتوجه به اینکه مقداری از حرارت از طریق تشعشع به سیستم منتقل می گردد در شیشه های مختلف، زمان حرارت دهی متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال در شیشه های کم گسیل با توجه به اینکه تابش گرمایی به دلیل وجود لایه های پوششی به خوبی انجام نمی گیرد، زمان حرارت دهی افزایش می یابد. در سیستم های حرارتی FCH با توجه به اینکه انتقال حرارتی به وسیله همرفت یا جابجایی به میزان زیادی صورت می گیرد زمان گرمادهی از حدود 40 ثانیه برای هر میلیمتر ضخامت شیشه به حدود 33 تا 30 ثانیه برای هر میلیمتر کاهش می یابد. 
هنگامی که یک شیشه در کوره قرار داده می شود، در ابتدا دمای قسمت های مرکزی شیشه از قسمت های سطح شیشه پایین تر است و موجب می شود که سطح شیشه تحت فشار قرار بگیرد (در این حالت تنش ایجادی همانند شیشه های تمپرشده است) و در نتیجه شیشه بسیار مستحکم است. در شیشه های ضخیم (ضخامت بیش از 10 میلیمتر)، تنش ایجاد شده در حین عملیات تمپرینگ زیاد شده و اگر درز و یا ترکی در شیشه وجود داشته باشد شیشه ممکن است بشکند و اگر این اتفاق بیفتد شیشه به به قطعات بسیار ریزی تبدیل می گردد.
هنگامی که شیشه در دمای بالای نقطه نرم شوندگی اش حرارت می بیند، حالت پلاستیک در آن اتفاق می افتد و تنش های موجود در شیشه آزاد می گردد. اگر دمای حرارت دهی شیشه به دماهای بسیار بالاتر از نقطه نرم شوندگی اش برسد، شیشه بسیار نرم شده و در نتیجه گوشه ها و لبه های آن خم می شود و در نتیجه شیشه ما در نهایت یک شیشه موج دار خواهد بود. هم چنین اگر رولرها به خوبی هم مرکز نشده باشند، این موضوع نیز باعث توزیع موج در شیشه می گردد. هنگامی که شیشه وارد مرحله کوینچ می شود، سطح شیشه به سرعت سرد می شود اما قسمت های داخلی شیشه حرارت خود را آرام تر از سطح خارج می کنند. برآیند تفاوت حرارتی در سرد کردن شیشه است که میزان تنش نهایی در شیشه را مشخص می کند. ایجاد اختلاف دمایی بین سطح و مرکز شیشه در شیشه های ضخیم، قیل از اینکه شیشه سخت شود آسان است و در نتیجه می توان شیشه را در دماهای پایین تر از کوره خارج نمود. هم چنین فشار هوای لازم برای کوینچ در این شیشه ها نسبت به شیشه های نازک، به مراتب کم تر است. این به این معنی است که فشار هوای سردکردن، که موجب رسیدن دمای شیه به دمای اطاق می گردد بسیار بیشتر از فشار هوای کوینچ است. اگر فشار هوای کوینچ به اندازه فشار هوای سرد کردن افزایش یابد؛ تنش های کششی زیادی در سطح ایجاد می شود که ممکن است موجب ایجاد ترک در قطعات شیشه ای در حین سرمایش گردد.
از چهمیزان فشار هوا باید در کوینچ استفاده نمود؟
موارد زیر همگی بر روی این موضوع تاثیرگذارند:
طراحی محفظه نازل پاشش هوای کوینچ، دانسیته شیشه، دانسیته و دمای هوای پاشش.
در حقیقت کار سیستم فشار هوای کوینچ به این صورت است که مقداری هوای سرد را برحسب کیلوگرم بر ثانیه بر روی شیشه می پاشد و موجب خروج گرما از شیشه شده و هم چنین با جایگزینی هوای گرم با هوای سرد و تازه بازدهی سیستم را افزایش دهد. مقدار انرژی که از شیشه خارج می شود به ضریب انتقال حرارتی مشهور است. در سیستم های قدیمی کوینچ نیاز به حدود 97/6 کیلوپاسکال (28 Inch water column)برای تمپر شیشه 4 میلیمتری بود. بازده سیستم های امروزی بهبود یافته و این میزان به حدود 73/3 کیلوپاسکال (15 Inch water column)رسیده است. با افزایش ضخامت شیشه میزان فشار هوای مورد نیاز کاهش می یابد.
در کوینچ استاندارد برای شیشه های با ضخامت بیش از 4 میلیمتر میزان فشار هوای مورد نیاز به شرح زیر است:
شیشه 5 میلیمتری: 28*(4/5)^3=14.34 in wg
شیشه 6 میلیمتری: 28*(4/6)^3=8.29 in wg
شیشه 10 میلیمتری: 28*(4/10)^3=1.79 in wg
شیشه 15 میلیمتری: 28*(4/15)^3=0.53 in wg
در کوینچ با بازدهی برای شیشه های با ضخامت بیش از 4 میلیمتر میزان فشار هوای مورد نیاز به شرح زیر است:
شیشه 5 میلیمتری: 15*(4/5)^3=7.68 in wg
شیشه 6 میلیمتری: 15*(4/6)^3=4.4 in wg
شیشه 10 میلیمتری: 15*(4/10)^3=0.96 in wg
شیشه 15 میلیمتری: 15*(4/15)^3=0.28 in wg
ثابت کوینچ (Qc) می تواند طبق فرمول زیر محاسبه شود:
Qc = P * (a)^3 e.g. 28 * 4^3 = 1792
P فشار و a ضخامت شیشه است.
محاسبه فشار برای شیشه های دیگر ساده است:
Qc/a e.g. 1792/10^3 = 1.79 in wg
همانگونه که اشاره شد دانسیته شیشه بر روی میزان خروج حرارت از شیشه تاثیرگذار است. دانسیته هوا در حالت استاندارد در یک روز با 15 درجه سانتیگراد دما، 1013 میلی بار می باشد که برابر 224/1 کیلوگرم بر مترمکعب می باشد که هم دما و هم فشار هوا بر دانسیته تاثیر می گذارد.
دانسیته در صفر درجه سانتیگراد= دانسیته در 15 درجه سانتگراد * (15+273)/ (0+273) با افزایشی در حدود 5/5 درصد
هم چنین فشار هوای جوی اعم از کم فشار و پرفشار نیز بر روی دانسیته هوا تاثیرگذار است:
در یک روز پرفشار:
دانسیته در 1040 میلی بار = دانسیته در 1013 میلی بار * 1040 / 1013 با افزایشی در حدود 7/2 درصد
بنابراین میزان سرعت فن سیستم بسته به پرفشار بودن و کم فشار بودن هوا می بایست کم و یا زیاد گردد تا میزان نهایی جریان هوایی که به شیشه برای سرد کردن آن دمیده می شود در هر دو حالت یکسان بماند.