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Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung eines Gegenstandes, der mindestens teilweise aus Glas oder vitrokristallinem
Material besteht
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insbesondere mit chemischen Temperverfahren unter Austausch von Alkaliionen. Es ist jedoch eine Tatsache, dass die oben beschriebenen Feststellungen, auf denen die Erfindung beruht, ebenso für Verfahren gelten, welche die Diffusion von Ionen in vitrokristalline Materialien (unabhängig vom Grad der Kristallisation) und Mineralien, z. B. Marmor, gelten. Überdies ist die Brauchbarkeit nicht auf Verfahren beschränkt, bei welchen Ionenaustausch erfolgt, sondern erstreckt sich auf die sogenannten Zementierungsverfahren, bei welchen Atome oder Moleküle in das zu behandelnde Material eingeführt werden, beispielsweise in Glas, um seine Beständigkeit gegen Wasser zu verbessern.
Die Erfindung kann daher bei einem Verfahren angewendet werden, bei welchem gepulvertes Titan oder Aluminium in ein Bad eines flüssigen Mediums eingebracht wird und Atome eines solchen Metalles durch die Oberflächenschichten des zu behandelnden Erzeugnisses dringen, bei einem Verfahren, bei welchem Atome von Helium oder einem andern Edelgas in ein Erzeugnis durch Verwendung eines mit diesem Gas übersättigten Behandlungsbades, so dass es in vielen kleinen Blasen vorliegt, eingeführt wird, oder bei einem Verfahren, bei welchem Moleküle einer Substanz, wie Bacul2, mit sehr hohem Schmelzpunkt in das Erzeugnis eingeführt werden.
Die Erfindung kann demgemäss als Verfahren zur Behandlung eines Gegenstandes, der mindestens teilweise aus Glas oder vitrokristallinem Material besteht, wobei Diffusion von Teilchen, Atome oder Moleküle, aus einem Bad eines im wesentlichen flüssigen Stoffes in mindestens einen Teil der Oberfläche des Gegenstandes, insbesondere Austausch von Alkaliionen zwischen Glas und dem flüssigen Medium erfolgt, definiert werden, bei welchem nahe der zu behandelnden Oberfläche mindestens eine geregelte Strömung des flüssigen Stoffes erzeugt wird, wobei keine Bewegung des Gegenstandes und/oder des das Bad enthaltenden Behälters stattfindet.
Vorzugsweise wird mindestens eine zur Oberfläche des Gegenstandes im wesentlichen parallele Strömung umlaufen gelassen, z. B. eine laminare Strömung entlang der Oberfläche des Gegenstandes erzeugt.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird also eine Menge oder werden Mengen des flüssigen Mediums unmittelbar an einer Oberfläche des zu behandelnden Materials, wo die Diffusion von Teilchen erfolgt, vor einer Verschiebung durch regellose Ströme kontinuierlich aktiv entfernt und durch Flüssigkeit aus andern Teilen des Bades ersetzt. Regellose Ströme mit den nachteiligen angegebenen Effekten treten nicht auf, wenn aktive Schritte unternommen werden, um das flüssige Medium in einem Zustand der Bewegung zu halten, und diese Bewegung kann mittels eines Propellers oder eines andern Rührers im flüssigen Medium bewirkt werden.
Jede derartige Bewegung des flüssigen Mediums, vorausgesetzt, dass sie ausreichend energisch ist, sorgt für eine kontinuierliche Erneuerung der Flüssigkeitsmenge in unmittelbarem Kontakt mit dem Erzeugnis, so dass keine regellosen Veränderungen in ihrer Zusammensetzung erfolgen. Die Bewegung verhindert auch das Auftreten von regellosen Diffusionsströmen in der Nähe des Erzeugnisses durch deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung zwischen den Schichten des flüssigen Mediums unmittelbar an der Erzeugnisoberfläche und Teilen des Mediums, die sich im Abstand vom Erzeugnis befinden als Folge einer Anreicherung örtlicher Teile des
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diffundieren.
Solche Ungleichgewichte der Zusammensetzung zwischen verschiedenen Teilen des Mediums scheinen eine Ursache der unerwünschten regellosen Veränderungen in den Wirkungen der Behandlung zu sein, welche bei den bisher durchgeführten chemischen Temperverfahren auftreten. Das Bewegen des flüssigen Mediums kann brauchbar sein, um eine disperse feste Phase im Zustand der Suspension zu halten, wenn eine solche disperse Phase vorliegt.
Wenn eine Platte oder Bahn behandelt und senkrecht so eingesetzt wird, dass eine Oberfläche oder beide Oberflächen nur geringen Abstand von einer senkrechten Wand haben, bildet sich eine aufwärtsoder abwärtsgerichtete Strömung in der oder in jeder Flüssigkeitszwischenschicht, wenn die Diffusion fortschreitet. Im Verlaufe eines Ionenaustauschprozesses sind solche Ströme, wenn Ionen des Mediums durch schwerere Ionen aus der Platte ersetzt werden, absteigende Ströme, während in dem Fall, wo die Ionen aus der Platte ein leichteres Gewicht haben, die Ströme nach oben steigen.
Durch das Vorhandensein der Wand oder der Wände jedoch sind diese Ströme stationäre Ströme, die nicht durch irgendwelche zufälligen seitlichen Strömungen, die an verschiedenen Niveaus des Bades entstehen können, gestört sind, so dass die Wirkungen der Diffusion sehr schön gesteuert werden können. Durch die aufsteigende oder absteigende Bewegung der Flüssigkeitsschichten, aus welchen die Ionendiffusion erfolgt, ändert sich die Konzentration der abgegebenen Ionen in diesen flüssigen Schichten entlang den Schichten in Richtung der Strömung, so dass ein Gradient in den Wirkungen der Behandlung längs der Oberfläche des Erzeugnisses erfolgt, doch kann ein solcher Gradient vorbestimmt werden und kann für
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gewisse Erzeugnisse sehr brauchbar für die anschliessende Verwendung des Erzeugnisses sein.
Irgendwelche derartigen stationären Strömungen entlang der Oberfläche eines Erzeugnisses können durch ein Pumpsystem oder ein anderes System oder durch überlagerung thermischer Konvektionsströme, beispielsweise durch Bereitstellung einer Heizquelle oder mehrerer Heizquellen längs der Strömungswege oder unter dem Boden des Badbehälters verstärkt werden. Absteigende Ströme können durch eine Kühlwirkung verstärkt werden. Anderseits sei darauf hingewiesen, dass die Stärke irgendwelcher solcher stationärer Strömungen entlang der Oberfläche eines Erzeugnisses von der Viskosität des flüssigen Mediums abhängt, und durch Erhöhung dieser Viskosität, beispielsweise durch Einbringen diskreter Festteile in Suspension, kann die Stärke solcher Strömungen erniedrigt werden.
Zur Begünstigung der Diffusion der Ionen zwischen dem Gegenstand und mindestens einem Teil des Bades aus flüssigem Stoff wird vorzugsweise ein elektrisches Feld angelegt. Ein solches Feld kann zwischen Elektroden in dem Bad des flüssigen Mediums erzeugt werden. Ein zu behandelndes Erzeugnis kann selbst als Elektrode benutzt werden, vorausgesetzt, dass es warm genug ist, um elektrisch leitfähig zu sein.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung, die sich zur Verwendung im hier beschriebenen Verfahren eignet. Die Vorrichtung mit einer Wanne zur Aufnahme eines Bades eines im wesentlichen flüssigen Stoffes, Einrichtungen zum Halten des Bades auf einer Temperatur bei der die Diffusion von Teilchen aus dem Bad möglich ist und Einrichtungen mit denen das Bad und der Gegenstand in Berührung gebracht und voneinander getrennt werden können, ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erzeugung mindestens einer geregelten Strömung des flüssigen Stoffes nahe der Oberfläche des Gegenstandes vorgesehen ist.
Vorzugsweise sind mindestens ein im wesentlichen nicht horizontaler Schirm, Einrichtungen zum Halten des Gegenstandes in der Nähe des Schirmes und Verbindungen des oberen und unteren Bereiches des Raumes zwischen dem Schirm und dem Gegenstand mit dem Bad ausserhalb des Raumes zwischen dem Schirm und dem Gegenstand vorgesehen. Die Vorrichtung kann eine mechanische Einrichtung, beispielsweise eine Pumpe zur Bewegung des Bades aufweisen. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind mindestens zwei leitende voneinander isolierte Elektroden in Form von Platten vorgesehen und so angeordnet, dass zwischen ihnen der zu behandelnde Gegenstand vorgesehen werden kann, und sind die Elektroden mit einer elektrischen Stromquelle verbunden. Die Vorrichtung kann auch Rühreinrichtungen für das Bad des flüssigen Stoffes enthalten.
Es werden nun verschiedene Ausführungsformen der Erfindung als Beispiele unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen Fig. l bis 3 beschrieben, welche senkrechte Schnitte verschiedener Ausführungsformen der Vorrichtung darstellen.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Fig. 1 zeigt einen Behälter der in einem Ofen (nicht gezeigt) angeordnet sein kann. Der Behälter kann aus Metall, Keramik oder einem andern schwer schmelzenden Material, z. B. rotstreiem Stahl, gefertigt sein. Der Behälter-11-enthält ein Bad-12--, das Kaliumionen aufweist, die in eine Platte aus Spiegelglas oder Tafelglas bzw. Fensterglas --13-- im Austausch für Natriumionen
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tragen zwei senkrechte Platten--16--mit grösseren Längen-und Breitenabmessungen als diejenigen der Platte-13-. Der Abstand zwischen diesen Platten kann mit Einrichtungen (nicht gezeigt) eingestellt werden.
Der Abstand ist so eingestellt, dass die Platten in geringem Abstand von den entgegengesetzten Flächen der Platte --13-- angeordnet sind, z. B. in einem Abstand von einigen Millimetern.
Der lonenaustausch, welcher zur Härtung des Glases führt, kann in dem Temperaturbereich von 300 bis 550 C, z. B. bei etwa 450 C, durchgeführt werden. Wenn der Ionenaustausch fortschreitet, werden die Schichten von geschmolzenem Salz, welche die engen Zwischenräume --17-- zwischen der Platte--13--und den Platten--16--einnehmen, an Natriumionen angereichert und verarmen an Kaliumionen. Die Natriumionen haben geringeres Gewicht als die Kaliumionen, und daher wird das Medium in den Zwischenräumen-17-weniger dicht als das Medium im Rest des Bades, und es werden in den Zwischenräumen --17-- aufsteigende Strömungen erzeugt.
Die Platten-16-schirmen die aufsteigenden Schichten des Mediums vor Störungen durch regellose Ströme im Bad --12-- ab und verhindern die seitlichen Diffusionsströme, welche sonst zwischen der Flüssigkeit in
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unmittelbarem Kontakt mit der Platte--13--und der Hauptmasse des Mediums als Folge des Unterschiedes in den Kalium-und Natriumionenkonzentrationen auftreten würden. Die Härtungsbehandlung läuft daher ohne willkürliche Veränderungen über der gesamten Fläche der Platte --13-- ab.
Jede gegebene Menge des Mediums in einem der Zwischenräume --17-- wird progressiv an Kaliumionen angereichert, wenn sie in diesem Zwischenraum steigt, und als Folge dieser Tatsache besteht ein gleichmässiger Gradient im Grad der Temperung der Platte--13-vom Boden zum Oberteil der Platte in der gezeigten Figur.
Obwohl die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Glastemperbehandlung beschrieben wurde, welche den Ersatz von Natriumionen durch Kaliumionen bei einer Temperatur unter dem oberen Entspannungspunkt bzw. oberen Kühlpunkt des Glases umfasst, kann die gleiche Vorrichtung zur Durchführung einer andern Art von Temperbehandlung benutzt werden, wobei Natriumionen durch Lithiumionen bei einer Temperatur über dem oberen Entspannungspunkt des Glases, z. B. bei einer Temperatur von etwa 600 C, ersetzt werden. Auch andere Behandlungen können mit der Vorrichtung durchgeführt werden.
Um ein weiteres Beispiel zu nennen, kann der Ersatz von Ionen im Glas durch kleinere Ionen, wie Lithiumionen, bei einer Temperatur unter dem oberen Entspannungspunkt, oder durch grössere Ionen, wie Kaliumionen, bei einer Temperatur über dem oberen Entspannungspunkt durchgeführt werden, und führt bei sorgfältiger Kontrolle zur Bildung von Mikrorissen im Glas, was dem Glas ein milchiges Aussehen verleiht und es ermöglicht, das Glaserzeugnis sehr leicht mit einem andern Glaserzeugnis oder einem Erzeugnis aus anderem Material zu vereinigen oder zu verschmelzen.
In Fig. 2 sitzt die zu behandelnde Glasplatte --13-- zwischen zwei Waanden-18, 19-, von
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schachtförmigen Hohlraum umgrenzt, der nur unten und oben offen ist. Die Zu-und Ableitungen --20 bzw. 21--einer Pumpe--22--stehen mit dem Inneren des Behälters an solchen Stellen in Verbindung, dass das flüssige Medium durch den flachen schachtförmigen Hohlraum nach oben in Zirkulation gehalten werden kann. Auf diese Weise können aufwärts gerichtete Strömungen in den Schichten--17--des Mediums in Kontakt mit der Platte--13--eingestellt werden, um einen vorbestimmten Gradienten der Spannungen in der Platte zu erzeugen.
Durch Erhöhung der Geschwindigkeit der nach oben gerichteten Strömungen kann die Geschwindigkeit des Ionenaustausches erhöht werden, da in den Räumen --17-- die Kaliumionen schneller nachgefüllt werden.
Die Wände--18 und 19--enthalten elektrische Widerstandsheizer und sind mit Leitungsdrähten--23--an eine Stromquelle --24-- angeschlossen. Wenn der Heizstrom eingeschaltet wird, werden die nach oben gerichteten Ströme in den Räumen--17--durch die Heizwirkung beschleunigt. Das Erhitzen kann zur Unterstützung der Pumpenwirkung oder anstatt der Pumpe benutzt werden.
In Fig. 3 ist eine Glasflasche --25-- im Verlauf der Temperung im Bad --12-- gezeigt. Eine Menge an flüssigem Medium, die mit--26--bezeichnet ist, ist im Erzeugnis --25-- vorhanden, so dass der Ionenaustausch sowohl an der Innenseite als auch an den Aussenflächen des Erzeugnisses erfolgen kann. Das Medium --26-- innerhalb der Flasche kann die gleiche Zusammensetzung haben
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der Flasche kontinuierlich aktiv erneuert wird.
Ohne Rühren haben regellose Strömungen, welche in Kontakt mit dem Erzeugnis aufsteigen, die Neigung, regellose Veränderungen im Grad der Härtung von einem Teil des Erzeugnisses zu einem andern Teil hervorzurufen. Die Behandlung kann beschleunigt werden, indem ein nieder-frequentes elektrisches Wechselfeld über die Grenzflächen zwischen Glas und den berührenden Mengen des Flüssigkeitsmediums angelegt wird. Bei der gezeigten Ausführungsform wird dieses Feld durch einen Generator--30--erzeugt, der einerseits mit dem Bad--12--durch einen leitenden Draht - und anderseits mit einer Elektrode--32--, die in das Medium--26--in dem Kolben eintaucht, verbunden ist.
In der obigen Erörterung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wurde besonders die Behandlung von Glasscheiben und Hohlglasware berücksichtigt, jedoch können in entsprechender Weise Pressglas und Erzeugnis aus vitrokristallinem Material und Gesteinen bzw. Mineralien, z. B. Marmor, behandelt werden.