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Verfahren zur Veränderung einer Eigenschaft eines Gegenstandes aus Glas od. ähnl. Material
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Modifizierung der Eigenschaften von Feststoffen durch Ionenaustausch oder Ionenwanderung.
Die Erfindung bezieht sich in erster Linie auf die Behandlung von Glas und in der folgenden Beschreibung wird in erster Linie auf diesen Stoff Bezug genommen. Die Behandlung anderer Stoffe ist jedoch nicht ausgeschlossen, weil die Erfindung auch sehr wirkungsvoll auf die Modifizierung von Eigenschaften anderer Stoffe, insbesondere vitrokristalliner Stoffe verwendet werden kann.
Es ist bekannt, dass die Eigenschaften von Glas dadurch verändert werden können, dass Ionen veranlasst werden, aus einem das Glas umgebenden, gasförmigem Medium in das Glas zu wandern oder zu diffundieren. Abhängig von der Natur der in das Glas eintretenden Ionen und den herrschenden Temperatur-und anderen Bedingungen wird das Glas in einer oder mehreren Eigenschaften verändert, z. B. der Farbe, im Hinblick auf seine Resistenz gegenüber chemischen Veränderungen unter der Einwirkung verschiedener Agentien oder im Hinblick auf seine mechanischen Eigenschaften. Besonders ist der sogenannte chemische Temperungsprozess zu erwähnen, bei welchem ein Ionenaustausch zwischen dem gasförmigen Medium und dem Glas vor sich geht, wobei Druckspannungen in den äusseren Schichten des Glases hervorgerufen oder verstärkt werden.
Bei einer Art von chemischem Temperungsprozess wird der Ionenaustausch bei einer genügend hohen Temperatur für den Spannungsabbau im Glas durchgeführt, und die Ionen, welche in das Glas eintreten sind solcher Art, dass sie einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten in den Oberflächenschichten des Glases hervorrufen. Bei einer andern Art von Verfahren werden Ionen in den Oberflächenschichten des Glases durch grössere Ionen ersetzt, und der Ionenaustausch findet bei einer Temperatur unterhalb des oberen Kühlpunktes (entsprechend einer Viskosität von 1013, 2 Poise) statt, so dass ein Spannungsabbau nicht eintritt.
Gemäss dieser Erfindung wird eine Veränderung einer Eigenschaft eines Gegenstandes aus Glas od. ähnl. Material durch Ionendiffusion oder-austausch, wobei Alkalimetallionen durch andere Alkalimetallionen ersetzt bzw. Ionen der Elemente Calcium, Magnesium, Barium, Blei, Zinn, Eisen, Mangan, Nickel, Kobalt, Kupfer oder Selen eindiffundiert werden, dadurch erhalten, dass der Gegenstand mit einer gasförmigen Substanz in Kontakt gebracht wird, die in unmittelbarer Nähe des Körpers ganz oder teilweise ionisiert oder in ionisiertem Zustand gehalten wird.
Die Erfindung kann entweder angewandt werden auf Verfahren, bei welchen Ionen im Austausch gegen andere Ionen in den Körper eindringen, und auch in Verfahren, bei welchen Ionen in den Körper unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ohne Diffusion von Ionen aus dem Körper eindringen. Zum Beispiel kann die Erfindung bei chemischen Glastemperungsverfahren angewandt werden, bei welchen
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ein Austausch von Alkalimetallionen zwischen dem Glas und dem damit in Berührung stehenden Medium vorgenommen wird, und auch in Verfahren, wobei die Widerstandfähigkeit des Glases gegen chemische Korrosion verbessert wird durch Einführung von Calciumionen, oder bei welchen der Glanz oder andere optische Eigenschaften des Glases verbessert werden durch die Einführung von Blei oder andern Metallionen.
Eine grosse Anzahl ionisierter Substanzen können durch ein Verfahren gemäss dieser Erfindung in Glas oder anderes Material eingeführt werden. Spezielle Beispiele von andern Metallen als Alkalimetalle, Calcium und Blei, welche bereits erwähnt wurden, sind : Magnesium, Barium, Zinn, Eisen, Mangan, Nickel, Kobalt, Kupfer und Selen.
Die Ionisierung der gasförmigen Substanz kann durch eine elektrische Entladung erfolgen, die einen Funken oder Lichtbogen bildet, jedoch ist es möglich, den ionisierten Zustand ganz oder teilweise mit einer Glimmentladung aufrechtzuerhalten. Es ist auch möglich, eine oder mehrere Flammen zu verwenden.
Ein Fortschritt dieser Erfindung ist, dass vorgegebene Resultate schneller als bisher möglich erzielt werden können. Ein anderer Fortschritt ist die Tatsache, dass der Erwärmungsgrad des Körpers während der Behandlung und die Menge der Ionen, welche in den Körper eindringen, sehr leicht geregelt werden können. Darüberhinaus können die Effekte lokalisiert werden auf eine vorbestimmte Stelle oder Stellen des Körpers und/oder veranlasst werden, von einer Stelle auf eine andere zu wechseln.
Um ein Beispiel zu nennen, kann eine Glasscheibe selektiv chemisch getempert werden durch Begrenzung des Einflusses der elektrischen Entladung oder Flamme auf einen oder mehrere Teile der Scheibe, die Behandlung kann verschieden stark erfolgen durch Variation der Länge des Entladungsweges und/oder der Stellung der Elektroden bezüglich des Artikels und/oder des elektrischen Feldes im Falle einer elektrischen Entladung und/oder der Brennstoffzufuhr oder Zahl oder Lage der Brennöffnungen bei Flammen von einer Behandlungszone zu einer andern. Unterschiedliches Tempern ist vorteilhaft, z.
B. bei der Herstellung von Fahrzeug-Windschutzscheiben, bei welchen es aus Sicherheitsgründen erwünscht ist, eine oder mehrere Sichtzonen in geringerem Ausmass zu tempern, als andere Zonen, wegen der Tatsache, dass hochgetempertes Glas seine Durchsichtigkeit bei einem Bruch vollkommen verliert. Ein weiteres Beispiel ist die Behandlung eines Glasartikels, z. B. eines Hohlglasartikels, welcher für Dekorationszwecke unterschiedlich gefärbt werden kann, indem geeignete Metallionen unter dem Einfluss eines elektrostatischen Feldes veranlasst werden in das Glas zu diffundieren, u. zw. aus einer Substanz, welche im ionisierten Zustand gehalten wird durch einen elektrischen Funken oder eine Flamme der (die) reguliert wird, um seinen (ihren) Einfluss von einer Behandlungszone zu einer andern zu variieren.
Durch Anwendung von zwei oder mehr elektrischen Entladungen oder Flammen können Ionen veranlasst werden, in zwei oder mehr verschiedene Zonen eines Artikels gleichzeitig einzudiffundieren.
Eine kontinuierliche oder intermittierende Relativbewegung zwischen dem behandelten Körper und der Entladung oder Flamme kann während des Verfahrens stattfinden. Es ist deshalb z. B. möglich, ein kontinuierlich hergestelltes Glasband, wie es aus dem Ziehkanal kommt, zu behandeln.
Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zu einer gegebenen Zeit beeinflusst das Ausmass, in welchem eine Zone oder Zonen des behandelten Körpers beeinflusst werden.
Die oder eine Substanz, aus der Ionen in den Körper aus Glas oder anderem Material eingeführt werden sollen, können in ionisierter Form in die Nähe der Entladung oder Flamme gebracht werden.
Beispielsweise kann die ionisierte Substanz durch eine hohle Elektrode oder durch ein getrenntes Zuführungsrohr eingespeist werden, oder die Elektroden oder eine Elektrode kann aus einer Substanz, die verdampft und die erforderlichen Ionen bereitstellt, hergestellt sein bzw. diese nbstanz z. B. in Form eines festen Kernes enthalten. Als Alternative oder zusätzlich kann die oder eine Substanz, von welcher Ionen in den Körper eingeführt werden sollen, im nichtionisierten oder nur teilweise ionisierten Zustand in die Nähe der Entladung oder Flamme gebracht werden. Die nichtionisierte oder nur teilweise ionisierte fibstanz kann in gleicher Weise durch eine Hohlelektrode oder eine getrennte Zuführung eingespeist werden.
Ein elektrisches Feld kann angebracht werden, um das Eindringen der Ionen in den behandelten Körper zu veranlassen oder zu beeinflussen, z. B. um die Eindringgeschwindigkeit solcher Ionen zu erhöhen ; wenn ein solches elektrisches Feld benutzt wird, ergibt sich hiedurch ein weiteres Mittel zur Regelung der Behandlung.
Die Menge der Ionen, die in einer gegebenen Zeitspanne in den behandelten Körper eintritt, hängt unter anderem von der Temperatur ab, und es ist möglich, einen vorbestimmten unterschiedlichen Effekt im Influssbereich der elektrischen Entladung oder Flamme hervorzurufen, wenn eine oder
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mehrere Oberflächenbereiche des Körpers innerhalb dieser Einflusszone der Wirkung einer Kühlvorrichtung, z. B. einem Kühler, durch welchen ein Kühlmedium strömt, oder einem Strom nichtionisierten Kühlgases ausgesetzt werden. Abhängig von der Widerstandsfähigkeit des Körpers gegenüber Abschreckung, darf die Kühlung nicht zu schroff sein, jedoch ausreichend, um die Diffusion der Ionen in den Körper an dem oder den fraglichen Bereichen zu verhindern.
Wenn ein Kühlkörper benutzt und gegenüberliegend dem besonderen Bereich des Körpers während der Behandlung angebracht ist, weist der behandelte Körper eine nichtbehandelte oder nur schwach behandelte Zone entsprechend der Lage und der Grösse des Kühlers auf. Dieses Verfahren ist deshalb sehr brauchbar für das chemische Tempern einer Glasscheibe, aus der eine Windschutzscheibe mit einer Sicherheits-Sichtzone hergestellt wird. Es ist natürlich möglich, die Wirkung eines Kühlkörpers mit der Wirkung eines Kühlgases zu kombinieren. So kann z.
B., wenn eine chemische getemperte Windschutzscheibe unter Benutzung eines Kühlkörpers, wie oben beschrieben, hergestellt wird, um einen ungetemperten oder relativ schwach getemperten Sicherheits-Sichtbereich zu erhalten, Kühlgas gegen die Scheibe geblasen werden, um eine ansteigende Temperung von dieser Zone nach aussen zu den Scheibenrändern zu erhalten.
Eine differentierte Temperung kann erreicht werden, indem ein Inertgas, z. B. Stickstoff, gegen einen Teil oder Teile des behandelten Körpers geblasen werden, oder indem ein Edelgas benutzt wird, das nur in geringem Ausmass ausserhalb des Feldes der Entladung oder Flamme ionisiert, jedoch eine ertragreiche Ionenquelle bildet, wenn es in das Feld gelangt. Diese Erscheinung kann beispielsweise nutzbar gemacht werden für das Tempern einer Windschutzscheibe, um eine oder mehrere Sicherheits-Sichtbereiche zu erhalten, wo das Glas weniger getempert ist als die umgebende Fläche.
Es kann auch eine intermittierende Kühlwirkung während des Prozesses angewandt werden. Auf diese Weise kann ein unterschiedlicher Effekt während eines Prozesses erreicht werden, bei welchem Ionen veranlasst werden, kontinuierlich in ein sich kontinuierlich bewegendes Glasband zu diffundieren. So ergeben sich bei einer intermittierend vorgenommenen Kühlung an dem Band entlang einer Querlinie, bezogen auf die Laufrichtung des Bandes, ungetemperte oder schwach getemperte Streifen in dem Band, an denen das Band leicht geschnitten werden kann, um es in Scheiben aufzuteilen. Dieser Effekt kann durch einen Kühlkörper, der eine vorbestimmte Zeitlang intermittierend wirksam gemacht wird, oder durch intermittierende Anwendung eines nichtionisierten Kühlgases an einer vorbestimmten Stelle oder Stellen entlang des Bandweges erreicht werden.
Gemäss einer andern, wahlweisen, jedoch sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Wirkung einer elektrischen Entladung durch eine oder mehrere Flammen, die in oder dicht bei dem Entladungsweg angebracht sind, ergänzt. Eine so placierte Flamme unterstützt die Aufrechterhaltung des ionisierten Zustandes des Gases im Entladungsweg. Diese Ausführungsform ist wertvoll, da sie einen stabilen elektrischen Funken bei niedrigerer Spannung aufrechtzuerhalten erlaubt, wodurch folglich die Intensität des Funkens erniedrigt wird und die Gefahr der Narbenbildung auf der Oberfläche des behandelten Körpers vermindert wird. Die Gegenwart einer Flamme macht die Ionenkonzentration einheitlicher.
Eine Flamme trägt auch dazu bei, den Körper zu erwärmen, die Penetration der Ionen in den Körpern zu fördern, und die Diffusionsfront in dem behandelten Körper flacher zu halten. Die Diffusionsfront ist der Teil der Ionenpenetrationskurve, wie sie z. B. durch eine elektronische Sonde erhalten werden kann, der einen ziemlich scharfen Abfall in einer bestimmten Tiefe unterhalb der Oberfläche, durch welche die Ionen in den Körper eintreten, zeigt. Diese Penetrationskurve ist von besonderer Bedeutung für den chemischen Temperungsprozess von Glas. Eine steile Diffusionsfront zeigt einen entsprechend steilen Gradient der Druckspannungsverteilung in die Tiefe von der Glasoberfläche an und ein sehr steiler Gradient verleiht dem Glas eine Bruchcharakteristik, die für manche Zwecke, z.
B. die Herstellung von Fahrzeug-Windschutzscheiben, nicht befriedigend ist.
Eine ionisierbare Substanz kann direkt in die Nähe der oder einer Flamme eingespeist werden und wenn Ionen noch an anderer Stelle eingeführt werden, z. B. durch Verdampfung einer Elektrode, kann die in die Flamme eingespeiste Substanz so ausgewählt werden, dass sie Ionen der gleichen oder andern Art ergibt.
Wenn Ionen veranlasst werden, in eine Oberfläche oder Oberflächen zu diffundieren, die senkrecht angeordnet sind oder mit einer Neigung zur senkrechten, ist die Flamme vorzugsweise gerade unterhalb der unteren Grenze des elektrischen Entladungsweges anzuordnen. Jedoch ist diese Anordnung der Flamme oder der Flammen nicht wichtig ; die Flamme oder die Flammen können innerhalb des Entladungsweges angeordnet sein oder von einem Niveau oder Niveaus eben überhalb der unteren Grenze eines solchen Entladungspfades nach abwärts gerichtet sein.
Die wirkungsvollste Lage ist bei oder nahe der Grundebene des Entladungspfades in einer Lage oder Lagen, wo die heissen Gase, die von der Flamme erzeugt werden, aufsteigen und einen mit dem in Behandlung befindlichen Körper
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umgebenden Schirm erzeugen und die Entladung über die ganze vertikale Ausdehnung seines Weges beeinflusst. Diese Beobachtungen sind erheblich in Fällen, wo eine horizontale Entladung zwischen übereinanderliegenden Elektroden, die auf einer Seite des Körpers angeordnet sind, vorgenommen wird.
Wenn eine Flamme oder Flammen benutzt werden, können sie so angeordnet werden, dass sie die elektrische Entladung nicht einheitlich über den Querschnitt des Weges beeinflussen. Andern ausgedrückt kann eine Flamme auch zur Erreichung differentieller Effekte beitragen. Wenn z. B. ein Glasband, wie es gezogen ist, getempert werden soll, kann eine zentrale Zone des Bandes einer Reihe von Flammen, die auf den gegenüberliegenden Seiten der Bahn des Bandes angeordnet sind, ausgesetzt werden, mit Ausnahme eines oder beider seitlichen Ränder. Der Rand oder die Ränder, die nicht direkt den Flammen ausgesetzt sind, bleiben dann ungetempert oder in geringerem Ausmass getempert als der Rest des Bandes zwar abhängig von der Spannung, welche die elektrische Entladung aufrechterhält, so dass das Band in der üblichen Weise abgeschnitten werden kann.
In Abwesenheit der Flammen müsste das notwendige Potential zum Tempern des zentralen Teiles des Bandes höher sein, und folglich würde eine schädliche oder schädlicher Entladung über die Seitenkanten des Bandes hinaus erfolgen.
Eine Reihe verschiedener Behandlungseffekte kann durch geeignete Anwendung von Flammen in Verbindung mit verschiedenen Kühleinrichtungen, wie zuvor beschrieben, erreicht werden. So kann beim chemischen Tempern einer rechteckigen Glasscheibe, die vertikal aufgestellt ist und den aufsteigenden heissen Gasströmen von Flammen ausgesetzt ist, das Tempern der vier Randzonen der Scheibe dadurch verhindert werden, dass diese Randzonen einem nichtionisierten Kühlgasstrom und/oder den zuvor hier beschriebenen Kühlkörpern während des Temperungsprozesses ausgesetzt werden. Der Kühleffekt an der oberen Randzone der Scheibe kann einen Funkenüberschlag über die Oberkante der Scheibe verhindern, wie er andernfalls unter dem Einfluss der heissen, aufsteigenden Gase vorkommen könnte.
Die Erfindung kann angewandt werden zur Modifizierung eines Körpers aus Glas oder aus anderem Material das einen Oberzug über einen andern Körper bildet. Zum Beispiel kann ein Artikel, der mit einer dünnen Schicht eines flüssigen Materials überzogen ist, z. B. geschmolzenes Salz, oder der eine feste überzugsschicht trägt, z. B. eine Titan-oder andere Metallschicht, gemäss dieser Erfindung behandelt werden, so dass ein Ionenaustausch stattfindet zwischen dieser Schicht und dem umgebenden gasförmigen Medium ; es kann auch ein Ionenaustausch zwischen der Uberzugsschicht und dem überzogenen Artikel stattfinden.
Die Erfindung schliesst auch passende Vorrichtungen zur Durchführung eines Verfahrens, wie hier zuvor definiert, ein, mit einer Halterung für den Artikel, wenigstens einer Ionisierungseinrichtung für gasförmige Substanz in unmittelbarer Nähe des Artikels und Einrichtungen zur Einführung ionisierter oder ionisierbarer Gase in die Ionisierungseinrichtung. Die lonisierungseinrichtung umfasst vorzugsweise mindestens ein Paar Elektroden, zwischen denen eine Elektrizitätsentladung erfolgen kann. Wie bereits ausgeführt wurde, können Ionen zur Diffusion in den Artikel aus einem Bestandteil oder Bestandteilen der oder einer Elektrode stammen. Die Einrichtung zur Einführung ionisierter oder ionisierbarer Gase in den Weg der elektrischen Entladung, kann, wenn man sich auf die vorhergehende Definition der Vorrichtung bezieht, ein Teil der Elektrode oder einer von ihnen sein.
Die Ionisiereinrichtung kann aber auch aus einem Brenner bestehen, der eine Flamme liefert.
Die Einrichtung, die den Artikel trägt, kann verschiebbar sein, um den Artikel während seiner Behandlung zu bewegen, und/oder die Elektroden oder Brenner können auf einen verschiebbaren Träger oder verschiebbare Träger montiert sein, damit die elektrische Entladung oder Flamme aufeinanderfolgende Bereiche des Artikels überstreichen kann.
Die Vorrichtung kann Hilfselektroden enthalten, durch welche ein elektrisches Feld durch die Oberfläche eines Artikels während der Behandlung aufrechterhalten werden kann, wodurch die Diffusion von Ionen in den Artikel verursacht oder beeinflusst wird.
Die den Artikel tragende Einrichtung und die Ionisierungsmittel können in eine Kammer eingebaut sein, welche verschliessbar und vor der Behandlung des Artikels in der Kammer evakuierbar sein kann. Nach einer wichtigen Ausführungsform der Erfindung sind jedoch die Einrichtung zum Tragen des Artikels und die Elektroden und/oder Brenner in der Ziehkammer oder dem Turm einer Glasziehmaschine, z. B. einer Maschine vom Pittsburgh-oder einer Maschine vom Libbey-Owens-Typ.
Die Vorrichtung gemäss dieser Erfindung kann auch Einrichtungen zur lokalen Kühlung eines Artikels während der Behandlung enthalten, z. B. einen oder mehrere Kühlkörper und/oder Einrichtungen zum Aufbringen von Kühlgas z. B. Inertgas, auf den Artikel, und/oder kann die Vorrichtung eine oder mehrere Gasbrenner enthalten, so dass ein Artikel während seiner Behandlung einer oder mehreren Flammen zu dem bereits beschriebenen Zweck ausgesetzt werden kann.
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Verschiedene spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der folgenden schematischen Zeichnungen beschrieben : Fig. 1 ist ein vertikaler Längsschnitt durch einen Teil einer Glasziehmaschine, die mit einer Vorrichtung gemäss der Erfindung ausgerüstet ist ; die Fig. 2 und 3 sind vertikale Querschnitte, wechselseitig im rechten Winkel, einer Vorrichtung zur chemischen Temperung von Glasscheiben, Fig. 2 ist ein Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 3, und Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 2 ; Fig. 4 ist ein senkrechter Längsschnitt einer Vorrichtung zum Färben der Ränder von Glasgefässen.
Fig. 1 bezieht sich auf eine Maschine zum Glasziehen nach dem Pittsburgh-Prozess. Die Zeichnungen zeigen einen Teil der senkrechten Ziehsäule In der Säule --1-- sind Walzenpaare --3a bis 3c--, welche (zusammen mit andern Walzen, die nicht zu sehen sind) ein Glasband--2--senkrecht nach oben aus der Ziehkammer ziehen. Das Glasband ist 3 m breit. Paare von horizontalen Leitschienen-4, 5 und 6, 7-- sind an gegenüberliegenden Seiten der senkrechten Bahn des Glasbandes angeordnet. Die Paare von Leitschienen haben Nuten-8, 9 bzw. 10, 11--, welche Gleitbahnen für die Trager-12 und 13--bilden.
Diese Träger sind aus elektrisch nichtleitendem, nichtschmelzendem Material hergestellt und mit Gleitstücken --12a, 12b und 13a, 13b-- versehen, welche in die Gleitbahnen passen.
Der Träger --12-- hält zwei hohle Metallelektroden--14, 15-- mit einer gegenseitigen Neigung von 900, wobei sich die Mittellinien der Elektroden in der Ebene des Glasbandes--2-schneiden. Der Träger --13-- hält hohle Metallelektroden --16, 17--, welche ebenso geneigt und angeordnet sind bezüglich der Ebene des Bandes.
Speiserohre sind mit den Elektroden und ihren Öffnungen --14a, 15a und 16a, 17a-- verbunden, so dass gasförmige Substanzen, die ionisiert werden sollen, durch die hohlen Elektroden in den Raum zwischen den Elektrodenpaaren eingespeist werden können.
Jedes Elektrodenpaar ist mit einer Wechselstromquelle von 100 V und 50 Hz verbunden und während des Glasziehprozesses, bei welchem das Glas mit einer Geschwindigkeit von 90 m/h gezogen wird, wird ein elektrischer Bogen von 10 m Höhe und 30 cm Breite (gemessen senkrecht zur Ebene der Zeichnungen) zwischen jedem Elektrodenpaar aufrechterhalten. Die Stromstärke beträgt 3 A. Jeder Träger wird durch eine nichtgezeigte Einrichtung in 7 sec einmal auf seinen Gleitschienen hin-und herbewegt, d. h. quer zur Breite des Glasbandes. Die Temperatur der das Glasband --2-- umgebenden Atmosphäre bewegt sich zwischen 700 C in Höhe der Walzen --3c-- bis 6000C in Höhe der Walzen
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-3a--.
DämpfeBrennerrohre--22, 23--, welche von Positionen ausserhalb der Saule --1-- mit Brennergas gespeist werden und Brenneröffnungen --24, 25-- entlang der Oberseite der Röhren in Abständen von 1 cm haben ; die äussersten Offnungen jeder Serie sind von den entsprechenden Kanten des Glasbandes 6 cm entfernt, so dass die Flammen --26, 27-- sich über das Glasband bis etwa 6 cm von jeder Seitenkante erstrecken. Wasserstoff wird in die Zuführungen --28, 29-- in den Trägern --12, 13-- durch nichtschmelzbare Stahlröhren (nicht gezeigt), welche koaxial mit den Zuführungen angeordnet sind und sich als Teil der Träger mit hin-und herbewegen, eingespeist.
Der Wasserstoff strömt in der Nähe der Flammen aus durch eine Reihe von Rohren--30--, die in Abständen von 12 mm entlang der Tiefe des Trägers --12-- und durch eine Reihe von Röhren--31--, die in der gleichen Weise auf dem
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elektrischen Bogen abgegebene Wärmemenge zu regulieren. In der konzentrierten Hitze der Bogen wird das aus den Elektroden ausströmende Lithiumnitrat, das mit der Oberfläche des Glases in Kontakt steht, im ionisierten Zustand gehalten. Unter diesen Bedingungen werden Natriumionen im Glas durch Lithiumionen ersetzt.
Wenn die Brenner gezündet haben, ist die durch jede der Flammen --26, 27-- erzeugte Wärme äquivalent einer Leistung von 50 W, und unter diesen Bedingungen kann die Stromstärke der Bogen auf 1, 2 A reduziert werden, ohne räumlichen oder zeitlichen Verlust an Stabilität. Gleichzeitig wird Wasserstoff in die unmittelbare Nähe der Flammen aus den Rohren--30, 31-- eingespeist.
Die 6 cm breite Randzone des Bandes wird nicht gehärtet und die Kanten des Bandes können leicht von dem gekühlten Band, das die Ziehsäule verlassen hat, abgeschnitten werden.
Es wurde nun gefunden, dass in einem Verfahren, wie eben beschrieben, der Gradient der Lithiumkonzentration, und deshalb der Gradient der Druckspannung in den äusseren Schichten des Glases nicht so steil ist, wie bei einem Glas, das in demselben Verfahren aber ohne brennendes Gas an den Brennerrohren--22, 23-- getempert wurde. In dem beschriebenen Prozess ist die Konzentration
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des Lithiums an der Oberfläche des behandelten Bandes nicht mehr als halb so hoch wie die Konzentration in dem vergleichbaren Prozess (ohne Flammen), und die Penetration des Lithiums im beschriebenen Verfahren ist 20Mm tiefer als in dem vergleichbaren Verfahren. Bei dem beschriebenen Verfahren ergibt sich auch ein niedriger Konzentrationsgradient für die Wasserstoffionen von der Oberfläche des Glases bis zu einer Tiefe von 1 mm.
Es ist jedoch nicht wesentlich, Flammen irgendeiner Art zu verwenden, und eine Vorrichtung wie in Fig. 1 gezeigt, jedoch ohne Gasbrenner, ist in den Bereich dieser Erfindung einzubeziehen.
Ein Glasband, welches durch das beschriebene Verfahren getempert wurde, kann leicht eingeritzt und in Scheiben geschnitten werden. Im Falle eines Bruches zerfällt das getemperte Glas spontan in kleine, nicht schneidende Teilchen.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Glasscheibe der Abmessungen 70 X 90 X 0, 5 cm, die durch eine Einrichtung (nicht gezeigt) in einem, mit einem Rohrrahmen--52--versehenen Behalter--51- befindet. Der Rohrrahmen-52-ist mit einer Reihe von Öffnungen --53a,53b-- in regelmässigen Abständen auf gegenüberliegenden Seiten der Fläche der Glasscheibe versehen. In das Rohr-52- wird durch den EinlaB-54-verhaltnismaSig kuhie Luft (1800C) und KNOa-Dampf in einer Menge von 50 1/min eingespeist.
Die Luft wird kontinuierlich durch die Rohre-55a, 55b- aus dem Behälter abgezogen. Plattenelektroden--56a, 56b-- sind mit einer Wechselstromquelle von 220 V, 50 Hz verbunden, um ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden, d. h. durch die Glasscheibe hindurch zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Dieses Feld beschleunigt die Diffusion der Ionen in das Glas. Unter diesen Bedingungen wird die Glasscheibe auf einer Temperatur von 4000C gehalten.
Die Flammen-59a, 59b- werden durch brennendes Gas erzeugt, welches durch die Offnungen - -58a, 58b-- der Brennerrohren--57a, 57b- stromt. Kaltes Wasser strömt durch die Zu-und Ablaufverbindungen--61, 62-- durch einen Kühler--60--, der nahe bei und gegenüberliegend dem Zentrum der Glasscheibe angeordnet ist. Weiterhin wird Brennergas durch das Brennerrohr--63eingespeist, welches oberhalb des Kühlers --60-- angebracht ist und zwei Reihen Brenneröffnungen hat, aus welchen Flammen-64, 65--, wie in den Zeichnungen zu sehen ist, austreten.
Kaltes Wasser zirkuliert auch durch Kühlbehälter --66, 67-- (die Zuführungen sind nicht gezeigt), welche an den elektrisch isolierenden Platten--68, 69-- an den Elektroden--56a, 56b-- befestigt sind.
Der mit Luft vermischte KNOg-Dampf ist bei 180 C, wenn überhaupt nur leicht ionisiert, wenn er die Öffnungen --53a, 53b-- des Rohres --52-- verlässt. Jedoch wird das Kaliumnitrat stark ionisiert, sobald es die Flammen--59a, 59b, 64 und 65--erreicht.
Gasförmiges Medium, das zwischen dem Kühler --60-- und der Glasscheibe durchströmt, wird deionisiert, so dass der Verstärkungseffekt in diesem Bereich der Scheibe praktisch zu vernachlässigen ist. Der Kühler kann weiter von der Scheibe entfernt angebracht werden, aber in diesem Fall ist es ratsam, eine Abschirmung vorzusehen, so dass die kühlende Strahlung auf den erwünschten zentralen Bereich der Glasscheibe begrenzt bleibt. Die Kühler--66, 67-- verursachen Deionisation des gasförmigen Mediums im oberen Bereich der Glasscheibe, und verhindern jeden Kurzschluss über die obere Kante der Scheibe.
Es wurde gefunden, dass Kurzschlüsse über die senkrechten Kanten der Scheibe--50--nicht stattfinden, aber falls bei einem besonderen Verfahren eine Tendenz für solche Kurzschlüsse bestände, könnte sie durch die Anbringung von Kühlelementen entlang der senkrechten Kanten der Scheibe--50--oder durch Erhöhung der aus den senkrechten Seitenteilen des Rohres --52-- einströmenden Luftmenge verhindert werden.
Eine Glasscheibe wurde 10 min lang mit dem beschriebenen Verfahren in dem Behalter-51-- behandelt. Nach der Herausnahme aus dem Behälter wurde die Scheibe allmählich abgekühlt. Es wurde gefunden, dass die Scheibe widerstandsfähiger war. Kaliumionen wurden in einer Tiefe von 35,um gefunden, ausgenommen die Rand-und Mittelbereiche, welche durch das gasförmige Medium und die Kühler--66, 67 und 60--beeinfluss waren.
An den Randzonen waren die Kailumionen nur 2 bis 3,um eingedrungen; die Penetrationstiefe in der mittleren Zone der Scheibe gegenüberliegend dem Kûhler--60--war 5 Hm. Wenn genügend grosse Kräfte aufgebracht wurden um die Scheibe zu brechen, brach zunächst das am meisten verstärkte Glas, welches die Mittelzone umgibt, wobei sich zunächst Sprünge um Stücke bestimmter Grösse abzeichneten, und nach wenigen Sekunden zerbrachen diese Stücke in kleine nichtschneidende Fragmente.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, die aus einem Ständer --18-- besteht, welcher an einer waagrechten Metallplatte--19--befestigt ist und einen waagrechten Arm --20-- trägt. Der Arm --20-- kann in jeder beliebigen Lage an dem Ständer festgestellt werden. Vier kräftige, elektrisch leitende Teile --21, 22, 23 und 24-sind an dem waagrechten Arm-20--, der selbst aus elektrisch nichtleitendem Material besteht, befestigt. Die Zuleitungen--21 bis 24-tragen zwei senkrecht
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die in den Körper einzubringenden Ionen erzeugen, und den leitenden Umhüllungen --25b, 26b--. Die Hilfselektroden--27, 28-- sind gebogene Metallplatten, die in waagrechtem Abstand in Höhe der Ebene angeordnet sind, welche die Achse der Hauptelektroden enthält.
Ein Drehtisch --29-- ist
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und der horizontale Arm wird in eine Lage gebracht, in welcher die Oberkanten der Hilfselektroden --27, 28-- in Hohe des Randes des Gefässes sind. Eine hochfrequente Wechselspannung wird an die Hauptelektroden-25, 26- gelegt, um einen Funken zu erzeugen. Dieser Funken wird durch eine Drossel stabilisiert, um die durch den Funken erzeugte Wärmemenge zu regulieren. Die Substanz, welche in das Glas diffundieren soll, wird von den Kernen--25a, 26a-- in ionisierter Form abgegeben. Eine passende Gleichspannung wird an die Hilfselektroden--27, 28-- gelegt, um ein elektrisches Feld quer zum Rand des Gefässes zu legen. Der Drehtisch wird in Rotation gebracht. Der Mündungsbereich des Gefässes erhitzt sich rasch.
Eine geregelte Konzentration von Ionen, welche in den Mündungsbereich des Gefässes eindiffundieren sollen, wird in der Nachbarschaft dieses Mündungsbereiches aufrechterhalten und ein kontrollierter Ionenaustausch findet statt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Drehtisches --29-- und die Gleichspannung, welche an die Hilfselektroden angelegt wird, sind so eingestellt, dass eine gleichmässige Einfärbung des Mündungsbereiches des Gefässes erfolgt.
Beispielsweise kann eine gleichmässige, rote Einfärbung des Mündungsbereiches eines Gefässes dadurch erreicht werden, dass Kupferelektroden benutzt werden, und freigesetzte Kupferionen Alkalimetallionen in den äusseren Glasschichten am Mündungsbereich des Gefässes ersetzen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Veränderung einer Eigenschaft eines Gegenstandes aus Glas od. ähnl. Material durch lonendiffusion oder-austausch, wobei Alkalimetallionen durch andere Alkalimetallionen ersetzt bzw. Ionen der Elemente Calcium, Magnesium, Barium, Blei, Zinn, Eisen, Mangan, Nickel, Kobalt,
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mit einer gasförmigen Substanz in Kontakt gebracht wird, die in unmittelbarer Nähe des Körpers ganz oder teilweise ionisiert oder in ionisiertem Zustand gehalten wird.
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