Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes unter Aneinalederschmelzen von Teilen aus Glas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes unter Aneinanderschmelzen von mindestens zwei Teilen aus thermisch kristallisierbarem Glas. Bei dem herzustellenden Gegenstand kann es sich insbesondere um einen Teleskopspiegelrohling handeln.
Schwierig zu lösende Probleme treten auf in der Herstellung von Teleskopspiegelrohlingen aus thermisch kristallisierbarem Glas, besonders wenn diese Rohlinge verhältnismässig grosse Abmessungen haben. Da der Zustand und die Form der reflektierenden Fläche des fertiggestellten Spiegels die Genauigkeit des gespiegelten Bildes bestimmen und da der Spiegel genügend starr sein muss, um auch die geringste Bewegung oder Verformung der reflektierenden Spiegelfläche zu verhindern, muss die Dicke des Spiegels recht gross sein, damit sich die genügende Festigkeit und Starrheit ergibt.
Zunehmende Dicke ergibt aber zusätzliches Gewicht und dies gibt zusätzliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Abstützung von grossen Spiegeln.
Da das Verhältnis des Durchmessers des Spiegelrohlings zur Dicke desselben meistens etwa sechs zu eins beträgt, ist leicht einzusehen, dass ein Spiegelrohling mit leinem Durchmesser von 254, 508, 1016 oder gar
1524 cm eine recht grosse Glasmenge enthält. Das Giessen eines solchen Spiegelrohlings aus Quarzglas, Borsilikatglas oder aus anderen bekannten Gläsern stellt einen langen und mühsamen Vorgang dar. Die Schwierigkeiten, die sich beim Abkühlen und Anlassen des Glases einstellen, um eine gleichmässige Ausdehnung desselben sicherzustellen in allen Abschnitten, sind vielfältig. Natürlich wird eine Veränderung der Ausdehnungscharakteristiken eines bestimmten Abschnittes des Glases mit denen eines anderen Abschnittes die reflektierende Fläche ungünstig beeinflussen, ebenso wie die Güte des durch eine solche Fläche gespiegelten Bildes.
Es ist wichtig, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient sehr niedrig und im Idealfall nullwertig ist, damit praktisch keine Ausdehnung erfolgt, wenn der Spiegel während der Benützung des Teleskopes ver änderlichen Temperaturen ausgesetzt ist.
Es wurde bereits versucht, das Gesamtgewicht von solchen Teleskopspiegeln herabzusetzen durch Anfertigung eines Spiegelrohlings von minimaler Dicke und nachträgliches Verbinden der Unterseite des Spiegelrohlings mit Glasgliedern derselben Zusammensetzung, welche Glas glie der als Ganzes dem letztendlich erhaltenen Spiegel eine gewisse Starrheit verleihen.
Ein Beispiel einer solchen Konstruktion sieht die Verwendung einer sogenannten Eiertragros.konstruktion vor, in welcher eine Vielzahl von länglichen, üblicherweise rechteckigen Glasstreifen, die an ihrem einen Längsrand in regelmässigen Abständen Einschnitte haben, mit ähnlichen Glasstreifen verbunden sind, die sich rechtwinklig zu ihnen erstrecken, wobei die Verbindung jeweils im Bereich der Einschnitte vollzogen wird, so dass die letztendlich erhaltene Struktur die gleiche Dicke oder Höhe hat wie der einzelne Glasstreifen, ähnlich wie dies der Fall ist bei miteinander verbundenen Kartongliedern, die in Eiertragrosten verwendet werden, um die einzelnen Eier voneinander getrennt zu haften.
Wegen der Gesamtgrösse der Glasstreifen und der Dicke des Spiegelrohlings ergeben sich aber erhebliche Schwierigkeiten, wenn die Glas streifen Temperaturen ausgesetzt werden, bei denen ein Zusammenschmelzen von benachbarten Abschnitten der Glas streifen und auch der Oberseite der Tragrostkonstruktion mit der Unterseite des Spiegelrohlings erfolgt. Eine gläserne Rückwand von genügender Dicke, um dem Spiegel Starrheit zu verleihen, wird üblicherweise auch an die andere Oberfläche der Tragrostkonstruktion angeschmolzen. Da die Fertigung von Spiegeln ein sehr heikler Vorgang ist und die Temperatur, welcher das Glas bei dessen Abkühlung ausgesetzt ist, sehr sorgfältig gesteuert werden muss, treten mannigfaltige Schwierigkeiten auf, sobald man versucht, die Tragrostkonstruktion an die Unterseite des gläsernen Spiegelrohlings und an die Rückwand anzuschmelzen.
Dies mit Erfolg durchzuführen, verlangt sehr viel sorgfältige und zeitverschlingende Arbeit, welche den Gestehungspreis des Endproduktes erheblich erhöht.
Die oben erläuterten Schwierigkeiten treten schon auf bei der Herstellung von Spiegeln, die etwa aus Borsilikatglas bestehen, werden aber noch viel grösser, wenn der Spiegel aus einem thermisch kristallisierbaren Glas herzustellen ist, das nachträglich kristallisiert wird.
Zu den zusätzlichen Schwierigkeiten gehört unter anderem die vorzeitige Keimbildung und demzufolge die unerwünschte Kristallisation. Wegen der hohen Temperatur, die erforderlich ist, um die Einzelteile aneinander zu schmelzen, besonders wenn Spiegelrohlinge von gro ssem Durchmesser herzustellen sind, ist es schwierig, die Erhitzungsgeschwindigkeit und auch die Keimbildung und Kristallisation, welche während der Erhitzung und während dem Zusammenschmelzen erfolgen, zu steuern. Es ist ebenfalls schwierig, die Einzelteile miteinander zu verbinden unter gänzlicher oder weitgehender Vermeidung der Keimbildung und der Kristallisation.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes unter Aneinanderschmelzen von mindestens zwei Teilen aus thermisch kristallisierbarem Glas, dadurch gekennzeichnet, dass man Flächen dieser Teile in Berührung hält in einem Temperaturbereich, in welchem die Keimbildung des Glases mit dem Aneinanderschmelzen einhergeht und in welchem das Glas eine Viskosität zwischen 1010 und 1014 Poise hat, bis das Aneinanderschmelzen der Glasteile und die Keimbildung in denselben vollzogen ist.
Beispielsweise ist die individuelle Formung der Teile eines Spiegelrohlings aus thermisch kristallisierbarem Glas vorgesehen, wobei diese Teile einem Abschreckvorgang unterworfen werden, um das Glas bis unter den Entspannungspunkt abzukühlen. Die geformten Glasteile werden vorzugsweise so rasch abgeschreckt wie dies tunlich ist unter Vermeidung eines thermischen Schocks, der zu Sprüngen oder dergleichen im Glas führen könnte. Das rasche Abschrecken vermindert weitgehend die Bildung von Keimen, wenn der Keimbildungstemperaturbereich durchlaufen wird. Danach werden die Teile zur gewünschten Spiegelrohlingskonstruktion zusammengesetzt und wird die Konstruktion erhitzt.
Sobald hierbei das Glas über seinen Entspannungspunkt hinaus erhitzt ist, wird es rasch weiterhin erhitzt auf eine Temperatur, bei der sich das Zusam menschmelzen der miteinander in Berührung stehenden Flächenabschnitte vollzieht, worauf diese Temperatur beibehalten wird, bis das Zusammenschmelzen vollzogen ist. Danach wird das Glas kristallisiert in der oben angeführten Vorgehensweise.
Ein Merkmal einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung besteht darin, dass man den zusammengesetzten Spiegelrohling aus thermisch kristallisierbarem Glas auf eine im wesentlichen konstante Temperatur erhitzt, die genügend hoch ist, um eine Verbindung von einander berührenden Flächen herbeizuführen, die Keimbildung in der so erhaltenen Einheit und die Kristallisation des Glases herbeizuführen, wobei die Einheit auf dieser Temperatur während genügend langer Zeit gehalten wird, um einen einheitlichen, starren, thermisch kristallisierten Spiegelrohling zu erhalten.
Ferner kann vorgesehen sein, dass man die verbundene und der Keimbildung unterworfene Glaseinheit einem Kristallisationsvorgang unterwirft bei einer Temperatur, die höher ist als jene, bei welcher die Verbindung und die Keimbildung vollzogen wurden. um so die Kristallisationsgeschwindigkeit des verbundenen Spiegelrohlings zu erhöhen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass man eine Fläche an einen Teil aus thermisch kristallisierbarem Glas mit einer Fläche in einem entsprechenden anderen Teil verbindet, durch Erhitzen des Teiles bis über seinen Entspannungspunkt hinaus mit einer normalen Geschwindigkeit, um einen thermischen Schock auf den Teil zu vermeiden, und dann den Teil rasch, und zwar mit einer Geschwindigkeit von mehr als 100 C pro Minute, auf eine Temperatur zu erhitzen, bei welcher die Viskosität des Glases zwischen 10 und 109 Poise beträgt.
Der Teil wird dann auf dieser Temperatur gehalten, bis die Flächen zusammengeschmolzen sind. Dieser Vorgang ist insbesondere anwendbar für das Zusammenschmelzen von einander berührenden Flächen von Teilen aus thermisch kristallisierbarem Glas.
In einer Variante werden die Glasteile bei ihrer ursprünglichen Formung abgeschreckt ohne vorsätzlich verzögertes Anlassen, zwecks möglichst weitgehender Vermeidung der Keimbildung.
Wir haben überraschend entdeckt, dass zwei thermisch kristallisierbare Gläser, speziell jene der Lithium Alumino-Silikatgattung, bei niedrigen Temperaturen zusammengeschmolzen werden können, indem man die Oberflächen der Glasteile bei Temperaturen in gegenseitiger Berührung hält, die einer ursprünglichen Glasviskosität von 1010 bis 1014 entsprechen, insbesondere einer ursprünglichen Glasviskosität von 101 bislol Poise, während einer ausgedehnten Zeitperiode, unter gleichzeitiger Durchführung der Keimbildung in den Glasteilen. In der vorliegenden Anmeldung versteht man unter Keimbildung die Trennung eines kleinen Teiles einer zweiten Phase entweder als submikroskopische kristalline Phase oder als getrennte glasige Phase, oder beides, durch den ganzen Glaskörper hindurch.
Es ist nicht bekannt, durch welchen Prozess das Zusammenschmelzen bei solch niedrigen Viskositäten durchgeführt werden kann, es mag aber sein, dass die Keimbildung das Zusammenschmelzen in irgend einer Weise fördert, etwa durch Förderung der Diffusionsgeschwindigkeiten von Ionen im Glas. Diese Eigenheit der Erfindung ermöglicht es, thermisch kristallisierbare Gläser aneinanderzuschmelzen bei Temperaturen, bei welchen die Kristallisationsgeschwindigkeiten extrem niedrig sind, wodurch eine Oberflächenkristalli- sation vermieden wird.
Fig. 1 ist eine isometrische Ansicht einer Aus führungsform des Teleskopspiegelrohlings aus thermisch kristallisierbarem Glas.
Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie II-II von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine isometrische Ansicht von Teilen von zwei Abstandhaltegliedern und veranschaulicht, wie diese Glieder miteinander verbunden werden.
Fig. 4 ist eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform eines Teleskopspiegelrohlings aus durchsichtigem thermisch kristallisierbarem Glas.
Fig. 5 ist eine isometrische Ansicht von noch voneinander getrennten Bestandteilen dieses Spiegelrohrings, und
Fig. 6 ist eine isometrische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines im Sinne der Erfindung verwendbaren Abstandhaltegliedes.
In einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung erhält man einen Teleskopspiegelrohling durch Zusammenschmelzen von zwei Lagen mit einer Vielzahl von einzelnen Abstandhaltegliedern, die unter sich entweder verbunden sein können oder voneinander getrennt sein können. Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Teleskopspiegelrohlings 9 weist eine obere Lage 10 aus thermisch kristallisiertem Glas auf, deren untere Oberfläche an ein aus Abstandhaltegliedern 11, 12 gebildetes Gitter angeschmolzen ist, welche Glieder ebenfalls aus thermisch kristallisiertem Glas bestehen und an eine Fläche einer anderen Lage 13 aus thermisch kristallisiertem Glas angeschmolzen sind.
Die obere Fläche 14 der Lage 10 kann nachträglich geschliffen, poliert und bis zur Erreichung der gewünschten Krümmung nachbehandelt werden und dann in bekannter Weise mit einem Aluminiumüberzug versehen werden zur Bildung der spiegelnden Fläche eines Teleskopspiegels. Obwohl die Lage 10 flach und rechteckförmig dargestellt ist, kann sie irgend eine andere z. B. kreisförmige oder ovale Form haben. Desgleichen ist die Oberfläche 14 flach dargestellt, obwohl sie nachträglich bearbeitet sein kann zur Bildung der spiegelnden Fläche; diese Oberfläche kann aber von Anfang an konkav ausgebildet sein, um die nachfolgenden Bearbeitungsvorgänge auf ein Minimum zu reduzieren.
Jedes der Abstandhalteglieder 11, 12 ist als länglicher, rechteckiger Streifen gezeigt, dessen Querschnitt eine Höhe hat, die dem Abstand zwischen der Bodenfläche 15 der Lage 10 und der oberen Fläche 16 entspricht, welche Höhe über der ganzen Länge des Streifens gleichmässig ist. Dies gibt dafür Gewähr, dass die oberen Flächen 17, 17' und die unteren Flächen 18, 18' der Abstandhalteglieder 11, 12 mit den benachbarten Flächen 15 bzw. 16 der Lagen 10 bzw. 13 in voller Berührung stehen. Somit können die Abstandhalteglieder 11, 12 als Tragglieder für die Platte 10 angesehen werden, deren äussere Fläche 14 schlussendlich behandelt wird zur Bildung der spiegelnden Fläche.
Ausserdem ist jedes der Abstandhalteglieder 11, 12 mit einer Vielzahl von Spitzen bzw. Einschnitten 19 bzw. 20 versehen, die in wesentlichen Abständen voneinander angeordnet sind und in eine der Oberflächen
18, 17' der Glieder 11 bzw. 12 einmünden. Nach dem Zusammensetzen der Glieder erstreckt sich jedes der Glieder 11 winkelrecht zu jedem der Glieder 12, und da die Abstände zwischen den Einschnitten 19, 20 einheitlich gross sind, ergibt sich eine Eiertragrost konstruktion .
An sich ist es möglich, die Einschnitte 19, 20 zur genauen Einhaltung der Masse zu schleifen; dies ist aber für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. Ebensowenig ist es erforderlich, dass die Seitenflächen 21, 22 der Einschnitte 19 und 20 die entsprechenden äusseren Flächen der Abstandhalteglieder
11, 12 nach dem Zusammensetzen berühren. Eine genügende Steifigkeit ergibt sich schon, wenn nur die Flächen 17, 17' und 18, 18' der Glieder 11, 12 an die Bodenflächen 15, 16 der Lagen 10 bzw. 13 ange schmolzen sind. Es schadet aber auch nichts, wenn die Flächen 21, 22 nach dem Zusammensetzen der Aussenflächen der Glieder 11, 12 berühren und danach an sie angeschmolzen werden; unter Umständen kann auf diese Weise eine besonders grosse Steifigkeit des Ganzen erzielt werden.
Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 werden die untere Lage 24 und die obere Lage 23, beide aus thermisch kristallisierbarem Glas, in gleichmässigem Abstand voneinander gehalten durch eine Vielzahl von einzelnen Abstandhaltegliedern 25, welche im Querschnitt die Form eines Kreuzes haben, dessen Schenkel zueinander winkelrecht stehen. Alle diese Abstandhalteglieder haben eine einheitliche, gleichmässige Höhe, so dass die obere Fläche 26 jedes solchen Gliedes 25 mit der unteren Fläche 27 der Lage 23 und die untere Fläche 28 jedes solchen Gliedes 25 mit der oberen Fläche der Lage 24 in Berührung steht. Dies ergibt ein Anschmelzen der in gegenseitiger Berührung stehenden Flächen und eine grosse Steifheit des ganzen Rohlings.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Anzahl und die gegenseitige Anordnung der Abstandhalteglieder 25 nicht von Belang ist. Es genügt, dass eine hinreichende Anzahl von Abstandhaltegliedern 25 zwischen den Lagen 23, 24 vorgesehen ist, um die erforderliche Steifigkeit zu gewährleisten. Vorzugsweise können die Glieder in Reihen, etwa gemäss Fig. 4, angeordnet sein. Anstelle von Abstandhaltegliedern 25 können z. B. solche 29 gemäss Fig. 6 verwendet werden oder solche mit anderer Form. Es ist aber wichtig, dass alle Abstandhalteglieder eine einheitliche Höhe haben, damit sich ein gleichmässiger Abstand zwischen den Lagen 23, 24 ergibt.
Es können auch verschiedenartige Abstandhalteglieder Verwendung finden.
In ähnlicher Weise kann die gegenseitige Anordnung der Abstandhalteglieder nach Fig. 1 abgewandelt werden, so dass sie nicht mehr winkelrecht zueinander stehen. Schliesslich wäre es denkbar, das Gitter aus einem einheitlichen gegossenen Stück von gleichmässiger Höhe vorzusehen.
In der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion sind zwischen der oberen und der unteren Lage und zwischen den Abstandhaltegliedern mehrere Hohlräume vorhanden. Es kann in diesem Falle vorgesehen werden, in den Hohlraumwandungen Öffnungen vorzusehen, um die Hohlräume mit der Aussenatmosphäre in Verbindung zu halten; dadurch wird vermieden, dass sich in den Hohlräumen Drücke aufbauen könnten, die zu Verformungen führen könnten. Ausserdem ist es möglich, durch solche Öffnungen hindurch ein Fluidum in die Hohlräume hinein und aus ihnen herauszuführen zwecks Temperaturregulierung. Hierbei hat natürlich die Temperatur des Fluidums in der mittleren Region des Spiegelrohlings im wesentlichen gleich zu sein wie an den Aussenoberflächen.
Das Erfindungskonzept kann auch verwendet werden, wenn die Bodenfläche einer oberen Lage aus thermisch kristallisierbarem Glas eine konvexe Form hat. Es ist dann nur erforderlich, der oberen Fläche der Abstandhalteglieder eine entsprechende konkave Form zu geben, damit sich eine gute gegenseitige Berührung ergibt. In einer solchen Konstruktion werden aber nicht alle Abstandhalteglieder die gleiche Höhe haben, es sei denn, die untere Lage habe eine obere Fläche mit konkaver Form, die der konvexen Bodenfläche der oberen Lage entspricht.
Bei der Fertigung des zusammengesetzten Teleskopspiegelrohlings aus thermisch kristallisiertem Glas wird das aus den Abstandhaltegliedern 11, 12 gebildete Gitter auf die obere Fläche der Lage 13 aufgesetzt und danach die Lage 10 auf die Oberseite des Gitters aufgesetzt, damit sich eine Konstruktion etwa nach Fig. 1 er gibt. Die Flächen 17, 17', 18, 18' stehen dann mit den Flächen 15 bzw. 16 in Berührung. Das Ganze kann dann auf ein nichtgezeigtes Stützglied aufgesetzt werden vor Durchführung der Wärmebehandlung, aus der sich dann ein steifer einheitlicher Spiegelrohling aus kristallisierter Glaskeramik ergibt.
Meistens wird das Gewicht der oberen Lage 10 genügen zum Ausüben des erforderlichen Berührungsdruckes auf die Flächen 17, 17'; es mag aber erforderlich sein, auf die Lage 10 einen zusätzlichen Druck auszuüben zur Unterstützung des Anschmelzens derselben an die Gegenflächen der Konstruktion. Diese letztere wird danach genügend lang und bei genügend hoher Temperatur wärmebehandelt, um das Anschmelzen zu vollziehen.
In der vorliegenden Erfindung bestehen alle Komponenten der Spiegelrohlingkonstruktion aus thermisch kristallisierbarem Glas. Vorzugsweise sollen die Glasteile nach dem Formen gekühlt werden durch relativ rasches Abkühlen, eher als durch einen verzögerten Anlassvorgang. Ein geeigneter Vorgang besteht darin, die Glasteile in Luft abzuschrecken, um die Bildung von Keimen auf ein Mindestmass zu verringern.
Vor dem Zusammensetzen können die Abstandhalteglieder 11, 12 an ihren anzuschmelzenden Flächen
17, 17' und 18, 18' flach geschliffen und poliert werden, damit sich eine enge Berührung an den Flächen 15 und 16 ergibt, die auch flach geschliffen und poliert sein können. Ein sehr heikles Problem, nämlich die Oberflächenkristallisation, kann während des Anschmelzvorgangs auftreten. Die Oberflächenkristallisa- tion wird begünstigt auf geschliffenen und polierten, gesägten oder anderweitig un gesäuberten Glasflächen, und die Glaskristallisation an der Oberfläche erfolgt sehr rasch bei Anschmelztemperaturen und kann eine gute Verbindung der Teile miteinander verhindern.
Die Oberflächenkristallisation kann jedoch verzögert werden durch Abwaschen mit Säure oder durch Ionenaustausch (Ersetzen von Li+- durch Na+- oder K+-Ionen). Nachdem die Abstandhalteglieder 11, 12 und die Lagen 10, 13 in der oben besprochenen Weise miteinander verbunden worden sind, wird der Verband auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher die Verbindung in einem ersten Schritt durchgeführt wird, um das gegen seifige Anschmelzen der Glasteile zu vollziehen. In einem ersten Ausführungsbeispiel wird dieses Anschmelzen bei einer Temperatur durchgeführt, die in einem Bereich liegt, der erheblich über dem Temperaturbereich des nachfoi genden Keimbildungsvorganges liegt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Verband nach dem Erhitzen auf ungefähr Anlasstemperatur rasch weiter erhitzt bis über die Keimbildungstemperatur des Glases hinaus auf eine Temperatur, bei welcher die Viskosität der einander berührenden Flächen eine solche ist, dass das Verschmelzen stattfindet, somit die Bestandteile aneinander gleichsam angeschweisst werden zur Bildung des einheitlichen Spiegelrohlings. Während des raschen Erhitzens werden Kerne, die sich im Glas gebildet haben mögen, aufgelöst. Durch rasches Erhitzen des Glases auf die Schmelztemperatur wird die Bildung von grossen Keimen, deren Auflösung mit Schwierigkeiten verbunden wäre, vermieden.
Die drei grossen Schritte, die bei der thermischen Behandlung beteiligt sind, sind das Schmelzen, die Keimbildung und die Kristallisation. Obwohl es möglich ist, den ganzen Prozess isotherm durchzuführen, werden sie doch wie in diesem ersten Beispiel mit verschiedenen Schritten auf verschiedenen Temperaturniveaus bzw. in verschiedenen Temperaturbereichen durchgeführt. Zweckmässig werden Glastemperaturen ausgedrückt durch Nennung der Viskosität des Glases bei der betreffenden Temperatur, da es für eine grosse Anzahl von verschiedenen Giaszusammensetzungen notwendig sein könnte, eine entsprechende Anzahl von Temperaturen zu nennen, die für das Verständnis nicht förderlich wären. Deshalb wird besser die Temperatur für ein bestimmtes Glas durch Nennung der gewünschten Viskosität für das Arbeiten an diesem Punkt genannt.
In diesem Beispiel ist der Temperaturbereich, in welchem der Hochtemperaturschmelzvorgang durchgeführt wird derjenige, bei welchem die Viskosität der Gläser etwa zwischen 109 und 1S Poise beträgt und vorzugsweise zwischen 107 und 108 beträgt. Beim Aufheizen auf den Schmelztemperaturbereich, nach Erreichen des ungefähren Entspannungspunktes durch Erhitzen bei normaler Geschwindigkeit zur Vermeidung von Schäden durch thermischen Schock, ist die Aufheizgeschwindigkeit vorzugsweise gross, nämlich mit mehr als 100 C pro Minute, damit sehr kleine Keime, die sich gebildet haben mögen, wieder aufgelöst werden und damit die Bildung und das Anwachsen von Keimen verhindert wird. Sobald das Glas über den Anlasstemperaturbereich hinaus erhitzt worden ist, kann es sehr rasch weiter erhitzt werden, da die Spannung schon weg ist.
Sobald der Temperaturbereich für den Anschmelzvorgang erreicht worden ist, wird der Verband bei dieser Temperatur bzw. in diesem Temperaturbereich belassen, bis das Anschmelzen vollzogen ist. Das Verbinden der Teile miteinander erfolgt durch Anschmelzen und geringfügiges Einsinken, ohne dass eine vorzeitige Oberflächenlcristallisation stattfinden würde, die das Verbinden verunmöglichen würde.
Die Zeitdauer, die erforderlich ist für das Anschmelzen, die Keimbildung und die Kristallisation, hängt von der Glaszusammensetzung ab und auch von der Grösse des Teleskopspiegelrohlings oder sonstigen Gegenstandes, um den es sich handelt. Die Zeit mag zwei bis hundert Stunden betragen für einen kleinen Spiegelrohling; es können aber 1000, 3000 oder noch mehr Stunden erforderlich sein für einen Teleskopspiegelrohling, der einen Durchmesser von mehreren hundert Zoll und eine Dicke von etwa 1 dieses Durchmessers hat. Dies ist erforderlich, weil Glas ein sehr schlechter Wärmeleiter ist und deshalb viel Zeit erforderlich ist, um alle Abschnitte des Spiegelrohlings gleichmässig aufzuheizen.
Es wurde entdeckt, dass das vorbesprochene Verfahren zum Anschmelzen einer Fläche eines Teiles aus thermisch kristallisierbarem Glas an eine Fläche eines anderen Teiles, insbesondere eines solchen aus thermisch kristallisierbarem Glas, es in überraschend hohem Mass ermöglicht, die Schwierigkeiten zu vermeiden, die auftreten, wenn es sich darum handelt, Verbindungen unter thermisch kristallisierbaren Gläsern herzustellen unter Vermeidung von vorzeitiger, unkontrollierter und nicht homogener Kristallisation.
Beträchtlich längere Gesamtwärmebehandlungszei- ten sind erforderlich, wenn isothermisch gearbeitet wird. Es ist dann die erforderliche Zeit notwendigerweise länger, da es erforderlich ist, eine Temperatur anzuwenden, die beträchtlich niedriger ist als jene, die einer Viskosität des Glases von 108 Poise entspricht, weil die Geschwindigkeit der Keimbildung bei solch hohen Temperaturen sehr gering und fast gleich null ist. In diesem isothermischen Verfahren ist die ge eignet Temperatur jene, die einer Viskosität von etwa 1011,5 Poise entspricht oder eine solche, die im Bereich von Temperaturen liegt, die einer Viskosität von 1010 bis 1014 Poise entsprechen.
In jedem Fall muss die Temperatur so gewählt sein, dass es möglich ist, das Anschmelzen und auch die Keimbildung des Glases auf der selben Temperatur durchzuführen. Nachdem das Anschmelzen vollzogen worden ist, mit damit einhergehender Keimbildung, kann die Wärmezufuhr fortgesetzt werden bei derselben Temperatur, solange wie dies erforderlich ist, um das Glas zu kristallisieren, bis es den gewünschten niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der praktisch gleich null ist. Anderseits ist es auch möglich und oft erwünscht, die Temperatur nach dem Anschmelzen und nach der Keimbildung stufenweise zu erhöhen, so dass die Kristallisation vollzogen wird, während des langsamen Temperaturanstiegs und/oder während des Haltens der Temperatur auf einem erhöhten Niveau.
Ein Grund dafür, dass das Ausführen der Keimbildung und das Anschmelzen bei den verhältnismässig niedrigen Temperaturen, die im vorhergehenden Abschnitt erwähnt wurden, nicht bevorzugt wird, liegt darin, dass bei solchen Viskositäten praktisch kein Absinken der Teile in lenge gegenseitige Berührung stattfindet. Offensichtlich werden nur die sich berührenden Stellen miteinander verbunden; damit aber grössere Flächen von gegenseitiger Berührung zwischen den Teilen vorliegen, müssen sehr flache, eng aneinanderpassende Flächen vorbereitet werden, was ein sehr sorgfältiges Schleifen bis zur nahezu absoluten Flachheit erforderlich macht. Eine solche Prozedur ist offensichtlich zeitraubend und kostspielig.
Wird die Kristallisation bei im wesentlichen der gleichen niedrigen Temperatur ausgeführt wie das Anschmelzen und die Keimbildung, so kann die hierfür erforderliche Zeitdauer sehr lange sein, beispielsweise 500 bis 2000 Stunden und noch mehr betragen.
Teleskopspiegelrohlinge vorliegender Erfindung werden aus Gläsern besonderer Zusammensetzung hergestellt, nämlich aus thermisch kristallisierbaren Gläsern und insbesondere solchen des Lithium-Aluminosat-Sy- stems, die fähig sind, thermisch an Ort und Stelle kristallisiert zu werden und sogenannte Glaskeramiken zu bilden - vorzugsweise durchsichtige - die einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der sehr niedrig ist und gleich null sein kann. Solche Glaskeramiken enthalten als vorherrschende kristalline Arten lithiumhaltige kristalline Phasen, entweder als Beta-Eucryptit- oder als Beta-eucryptitähnliche Kristalle oder als Beta-Spodumen oder Beta-spodumenähnliche Kristalle oder beide, wie aus X-Strahlen-Diffraktions- messungen hervorgeht.
Eine Vielheit von solchen Kristallen in zufälliger Orientierung und verteilt in einer glasigen Matrix, die übrigbleibt als Folge der an Ort und Stelle durchgeführten Kristallisation, kann in dem glaskeramischen Spiegelrohling gefunden werden. Für einen durchsichtigen Spiegel sind praktisch alle Kristalle des thermisch kristallisierten Glases mit Abmessungen versehen, die einem Durchmesser von weniger als 1/3 Mikron entsprechen, gemessen als grösste Abmessung.
Obwohl glaskeramische Teleskopspiegelrohlinge, die nach der Erfindung hergestellt sind, vorzugsweise durchsichtig sind, können sie in anderen Fällen undurchsichtig bleiben. Es ist aber beträchtlich weniger schwierig, einen durchsichtigen Teleskopspiegel auf seinen Stützen zu montieren und sich Gewissheit zu verschaffen, dass er sich in spannungsfreiem Zustand befindet, als dies für einen undurchsichtigen Spiegel der Fall ist. Der Grund hierfür liegt natürlich darin, dass das Innere eines durchsichtigen Spiegels inspiziert werden kann während des Montagevorgangs.
Teleskopspiegelrohlinge aus Glaskeramik mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten können gebildet werden, indem man an Ort und Stelle die thermische Kristallisation von sich hiezu eignenden Gläsern durchführt. Diese thermisch kristallisierbaren Gläser haben eine Zusammensetzung mit im wesentlichen den folgen den Komponenten:
:
Tabelle A
Komponente Gewichtsprozent
SiO2 56-70 AlnOs 18-27
Li2O 3,4-4,5
CaO
ZnO 0-2
B203 0-4 TiO2 0-6
ZrO2 0-3
MgO 0-3 Nach 0-1 PoO5 0-3 (SiOo+Al2O ) mindestens 82 (SiO + A1203 + B203 + P2O1) 86-91 (CaO +MgO +ZnO +Na2O) 2,5-6 (SiO2 + Al2O3' + P2O5 + Li2O) nicht mehr als 93 (TiO2+ZrO2) 2-6 wobei das Verhältnis von (CaO + MgO + ZnO + Na2O + B2O3) zu LioO kleiner als 2,4 und das Verhältnis von SiO2 zu Alu03 kleiner ist als 3,8.
Die Gründe für die Notwendigkeit niedriger Keimbildungsgeschwindigkeit und niedriger Kristallwachstumsgeschwindigkeit in diesem Beispiel sind vielfältig.
Erstens, wenn die Glasteile vor dem Zusammensetzen gekühlt werden, und zwar sogar rasch, so werden sich Keime bilden und sogar bis zu einer Grösse anwachsen, dass sie nicht mehr aufgelöst werden beim raschen Anheizen auf die Anschmelztemperatur, falls die Keimbildungsgeschwindigkeit zu hoch ist. Sodann könnten sich noch mehr Keime bilden beim Übergang durch den Temperaturbereich mit hoher Keimbildungsgeschwindigkeit (entsprechend etwa einer Viskosität von 1012 bis 1011 Poise). Wenn solches stattfindet, so können sich Kristalle zu rasch bilden, als dass noch Zeit übrigbleibt für das Anschmelzen von Glas an Glas, da nämlich ein solches Anschmelzen meistens bei Temperaturen durchgeführt wird, bei welchen die Kristallwachstumsgeschwindigkeit für ein gegebenes Glas ihren Höchstwert erreicht.
Um diese, sowohl die Keimbildungsgeschwindigkeit als auch die Kristallwachstumsgeschwindigkeit, zu begrenzen, speziell beim Anschmelzen von verhältnis mässig massiven Teilen in diesem Ausführungsbeispiel mit hoher Anschmelztemperatur, sollen vorzugsweise die Glaszusammensetzungen aus dem nachfolgenden, gegenüber dem weiter oben angegebenen Bereich einge engten Bereich gewählt werden.
Tabelle B
Komponente Gewichtsprozent SiO 56-70 Al.O 18-27 LioO 3,4-4,5
CaO 0-3
ZnO 0-weniger als 0,5 B2O 0-4 TiOa 0-2
ZrO 0-3
MgO 0-3 Na2O 0-1 P Oa O-weniger als 1,5 (SiO +Al O.,) mindestens 82 (SiO + AlO.a +B2O3 + PO5) 86-91 (CaO+MgO +ZnO+Na2O) 2,5-6 (SlO+Al2O3+POs+LieO) nicht mehr als 93 (TiOa+ZrO2) 2-3,5 wobei das Verhältnis von (CaO+M,gO+ZnO+NaaO-°B rOn) zu LiaO kleiner ist als 2,4 und das Verhältnis von SiO. zu
Al2O höchstens gleich 3,8 ist.
Noch weiter vorzuziehen ist, dass in der oben angegebenen Zusammenstellung der Gehalt an TiOo = 0-1,5 % und der Gesamtgehalt an TiO.+ZrO = 2-3 Ph beträgt.
Andere Zusammensetzungen, die sich für die Produkte eignen und für die Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens, sind in den spezifischen Beispielen angeführt.
Die wie oben angegeben gebildete durchsichtige kristallisierte Glaskeramik enthält als vorherrschende Kristallart Lithium, welches kristalline Phasen enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus Beta Eucryptit oder Beta-eucryptitähnlichen Kristallen und Beta-Spodumen oder Beta-spodumenähnlichen Kristallen oder Mischungen derselben besteht, wie aus X-Strah- len-Diffraktionsmessungen hervorgeht. Das erhaltene keramische Produkt enthält eine Vielzahl von solchen Kristallen, die in zufälliger Orientierung durch die ganze kristallisierte Glaskeramik verteilt sind und in einer glasigen Matrix verstreut sind, welche als Folge der an Ort und Stelle durchgeführten Kristallisation sich ergibt.
Es haben im wesentlichen alle Kristalle dieser Keramik einen Durchmesser von weniger als 1 :. Mikron, gemessen als grösste Abmessung der Kristalle. Die Glaskeramik hateinen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa - 10 . 10 -7 bis +10 . 10 -7 (0-300 C) und vorzugsweise von etwa -3.110--7 bis 43.10-7, wobei auch Glaskeramiken mit nullwertigem Ausdehnungskoeffizienten ohne weiteres erhalten werden können.
Der schlussendlich erhaltene Teleskopspiegelrohling und der daraus angefertigte Teleskopspiegel haben einen durchschnittlichen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Glaskeramik von etwa +10.10-7 bis -10.10-7 pro C im Temperaturbereich zwischen 0 und 3000 C, und er beträgt vorzugsweise etwa gleich O in diesem Temperaturbereich oder im Temperaturbereich, dem der Spiegel bei seiner Benützung ausgesetzt ist. Ferner ist zu erwähnen, dass obwohl der Durchmesser der Kristalle innerhalb der durchsichtigen Keramik vorzugsweise weniger als 1 Mikron als grösste Abmessung der Kristalle beträgt, dieser Durchmesser noch besser kleiner als etwa 1/4 Mikron ist; die besten Resultate ergeben sich, wenn dieser Durchmesser kleiner ist als etwa l/lo Mikron.
Wie schon erwähnt, ist der schlussendliche Wärmeausdehnungskoeffizient der Glaskeramik bestimmt durch die Zusammensetzung des thermisch kristallisierbaren Glases und durch die Eigenheiten der Wärmebehandlung, welcher das Glas unterworfen wird. Die Wichtiglçeit der Durchsichtigkeit liegt darin, dass sie das Schleifen und Polieren der reflektierenden Fläche 14 vor der Anbringung des Aluminium überzuges erleichtert. Es kann jedoch die Konstruktion undurchsichtig gemacht werden, indem man der Kristallisation erlaubt, bis zum Punkt fortzuschreiten, bei welchem die Kristalle gross genug sind, um den Rohling undurchsichtig zu machen. Dies kann erreicht werden, indem man eine schlussendliche Kristallisationstemperatur von über etwa 8200 C während einer längeren Zeitperiode oder über etwa 8700 C während einer kürzeren Zeitperiode einhält.
Die Variablen Zeit und Temperatur hängen von der Zusammensetzung und von ihrer Viskosität bei der betreffenden Temperatur ab. Es können gelegentlich gewisse Schwierigkeiten auftreten wegen dem Vorliegen von grossen Kristallen, weil solche das Schleifen und Polieren der reflektierenden Oberfläche behindern können. Werden beispielsweise nur grosse Kristalle entfernt so kann die Oberfläche nicht bis zur gewünschten Glattheit geschliffen werden. Es zeigt sich ferner, dass wenn eine undurchsichtige Struktur benützt wird, der thermische Ausdehnungskoeffizient im allgemeinen wesentlich grösser ist als jener der durchsichtigen Glaskeramik der gleichen Zusammensetzung.
Es muss deshalb darauf geachtet werden, dass das bis zur Undurchsichtigkeit kristallisierte Glas nicht einen zu hohen Ausdehnungskoeffizienten hat; dieser soll im Grössenbereich zwischen + 10.10-7 und - 10.10-7 (0-3000 C) liegen.
Ein Spiegelrohling mit konkaver Oberfläche kann nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden und nach dem üblichen Verfahren (Schleifen, Polieren und Nachbearbeiten) weiterbehandelt werden, um die erwünschte Krümmung zu erhalten. Die Krümmung kann auch schon von Anfang an vorgesehen sein, damit der Arbeitsaufwand für das Schleifen, Polieren und Nachbearbeiten erheblich verringert wird. Danach wird in üblicher Weise ein Aluminiumüberzug aufgebracht.
Die Begriffe Beta-Eucryptit-Krist alle und gBeta- eucrvptitähnliche Kristalle sind als Alternativ-Begriffe benützt worden. Unter Beta-Eucryptit versteht man meistens eine Kristallart mit einem Mol Lithium, einem Mol Tonerde und zwei Molen Kieselerde: die beiden Begriffe werden im vorliegenden Zusammenhang verwendet für kristalline Arten, welche gemäss X-Strahlen-Diffraktion die Beta-Eucryptit-Struktur aufweisen, wobei aber die Spitzen leicht verschoben sein können, falls die tatsächlich vorhandene Menge von Kieselerde nicht genau zwei Mole beträgt, und zwar entweder etwas mehr oder etwas weniger.
In ähnlichem Sinne sind die Begriffe Beta-Spodumen-Kristalle und Beta-spodumenähnliche Kristalle zu verstehen, wobei erstere genau 4 Mole Kieselerde auf ein Mol Tonerde und ein Mol Lithium enthalten, wogegen bei den letzteren der Gehalt an Kieselerde etwas nach unten oder oben von 4 Molen abweicht. In den Ansprüchen sind die Begriffe Beta-Eucryptit und Beta-Spodumen in diesem erweiterten Sinne zu verstehen.
Beispiel I
Eine Glaszusammensetzung nach folgender Tabelle eignet sich für einen Spiegelro-hling:
SiO2 68,4
Al203 22
CaO 2 Li0O 3,9
TiO2 1
ZrO2 1,5 Na0O 0,7 KiO 0,2 Sb203 0,3
Das geschmolzene Glas wird in geeignete Formen gegossen zum Bilden der mit Einschnitten versehenen Glieder 11, 12 und der zwei Lagen 10 und 13; es folgt die Abschreckung in Luft, um die Keimbildung auf ein Mindestmass herabzusetzen. Danach werden die Bauteile zusammengesetzt und der Anschmelztemperatur von etwa 9550 C ausgesetzt während zwei Stunden.
Daraufhin wird der erhaltene Verband einer Wärmebehandlung bei 7330 C während 260 Stunden und 8730 C während etwa einer Stunde ausgesetzt. Es wurde auf diese Weise ein zufriedenstellend durchsichtiger, kristallisierter Spiegelrohling erhalten, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient beinahe gleich 0 (0 bis 3000 C) ist.
Beispiel II
Es wird ein Glas folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozenten verwendet: SiO2 68,1 Al203 20,9
CaO 3,5 Li2O 3,8 TiO2 1,8
ZrO2 1,5 Na2O 0,1 Sb20s 0,3
Auch in diesem Beispiel werden die Bestandteile 11, 12, 10 und 13 in geeignete Formen gegossen und danach an Luft abgeschreckt, um die Keimbildung möglichst weit herabzusetzen.
Danach werden die Be standteile zusammengesetzt und anschliessend einer isothermischen Wärmebehandlung bei 7750 C (die Viskosität dieses Glases bei 7800 C beträgt ungefähr 1011,5 Poise) ausgesetzt während einer Zeitdauer von 1000 Stunden, wobei das Anschmelzen, die Keimbildung und die Kristallisation bei der gleichen Temperatur erfolgen. Man erhält einen durchsichtigen kristallisierten Spiegelrohling, mit einem durchschnittlichen Wärme aus dehnungskoeffizienten (0-3000 C) von - 0,3.10-7.
Beispiel III
Zur Herstellung eines kleinen Spiegelrohlings wird die folgende Glaszusammensetzung verwendet: SiO2 69,3 Alu03 20,2
CaO 2,9 LisO 3,8 ZrOe 2,6 P2O5 1,2
Es wurden die Teile nach Fig. 1 bis 3 für einen kleinen Spiegelrohling angefertigt und vor dem Zusammensetzen geschliffen und poliert. Nach dem Zusammensetzen wurde das Ganze der folgenden Wärmebehandlung unterworfen:
Die Konstruktion wurde während einer Stunde auf 5940 C lerhitzt, dann langsam auf den Entspannungspunkt von etwa 7330 C erhitzt; danach wurde die Erhitzung fortgesetzt mit einer Temperaturzunahme von mehr als 100 C pro Minute bis auf 9820 C, diese Temperatur wurde dann während zwei Stunden behalten.
Das Ganze wurde dann rasch auf 7330 C abgekühlt, während 264 Stunden auf dieser Temperatur belassen und danach auf 8600 C erhitzt, welche Temperatur während 144 Stunden eingehalten wurde. Man erhält einen durchsichtigen kristallisierten Spiegelrohling mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (0-3000 C) von weniger als + 10.10-7/0 C.
Beispiel IV
Beispiel III wird in dem Sinne abgewandelt, dass die Wärmebehandlung bei 7330 C während 264 Stunden, gefolgt von einer solchen bei 8600 C während 144 Stunden, ersetzt wird durch eine solche bei 7330 C während 480 Stunden, gefolgt von einer solchen bei 8600 C während 24 Stunden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des durchsichtig kristallisierten Spiegelrohlings beträgt in diesem Fall 0,5.10-7/0 C.
Nebst Teleskopspiegefrohlingen können gemäss der Erfindung auch andere Artikel aus Glas oder kristallisiertem Glas hergestellt werden, beispielsweise solche, die Verwendung finden als Trennwände, Feuertüren, Flüssigkeitsbehälterauskleidungen, dort wo auf Festigkeit ein grosser Wert gelegt wird, Bodenbelagsblöcke, Behälter u.a.m.
Process for the manufacture of an article by melting parts of glass together with an anale leather
The invention relates to a method for producing an object by melting together at least two parts made of thermally crystallizable glass. The object to be manufactured can in particular be a telescope mirror blank.
Problems that are difficult to solve arise in the production of telescope mirror blanks from thermally crystallizable glass, especially when these blanks have relatively large dimensions. Since the condition and shape of the reflective surface of the finished mirror determine the accuracy of the mirrored image, and since the mirror must be rigid enough to prevent even the slightest movement or deformation of the reflective mirror surface, the thickness of the mirror must be quite large, so there is sufficient strength and rigidity.
However, increasing thickness results in additional weight and this gives rise to additional difficulties with regard to supporting large mirrors.
Since the ratio of the diameter of the mirror blank to the thickness of the same is usually about six to one, it is easy to see that a mirror blank with a diameter of 254, 508, 1016 or even
1524 cm contains quite a large amount of glass. The casting of such a mirror blank from quartz glass, borosilicate glass or other known glasses is a long and arduous process. The difficulties that arise when cooling and tempering the glass in order to ensure an even expansion of the same in all sections are manifold. Of course, a change in the expansion characteristics of a certain section of the glass with those of another section will adversely affect the reflective surface, as will the quality of the image reflected by such a surface.
It is important that the coefficient of thermal expansion is very low and ideally zero, so that practically no expansion occurs when the mirror is exposed to variable temperatures while using the telescope.
Attempts have already been made to reduce the total weight of such telescopic mirrors by making a mirror blank of minimal thickness and subsequently connecting the underside of the mirror blank with glass members of the same composition, which glass as a whole give the mirror ultimately obtained a certain rigidity.
An example of such a construction provides the use of a so-called egg carrier construction, in which a large number of elongated, usually rectangular glass strips, which have incisions on one longitudinal edge at regular intervals, are connected to similar glass strips which extend at right angles to them, The connection is made in the area of the incisions so that the structure ultimately obtained has the same thickness or height as the individual glass strips, similar to the case with cardboard links connected to one another that are used in egg grids to separate the individual eggs from one another to adhere separately.
Because of the overall size of the glass strips and the thickness of the mirror blank, however, there are considerable difficulties when the glass strips are exposed to temperatures at which adjacent sections of the glass strip melt together and the top of the support grid structure with the underside of the mirror blank takes place. A glass back wall of sufficient thickness to give the mirror rigidity is usually also fused to the other surface of the support grid structure. Since the manufacture of mirrors is a very delicate process and the temperature to which the glass is exposed when it is cooled must be controlled very carefully, various difficulties arise as soon as one tries to attach the support grid structure to the underside of the glass mirror blank and to the rear wall to melt.
Carrying out this successfully requires a great deal of careful and time-consuming work, which considerably increases the cost price of the end product.
The difficulties explained above already arise during the production of mirrors made of borosilicate glass, for example, but are much greater if the mirror is to be produced from a thermally crystallizable glass that is subsequently crystallized.
The additional difficulties include premature nucleation and, consequently, undesirable crystallization. Because of the high temperature required to fuse the individual parts together, especially when producing mirror blanks of large diameter, it is difficult to control the rate of heating and also the nucleation and crystallization that occur during the heating and during the fusing together Taxes. It is also difficult to connect the individual parts to one another while entirely or largely avoiding nucleation and crystallization.
An object of the present invention consists in a process for the production of an object by melting together at least two parts made of thermally crystallizable glass, characterized in that surfaces of these parts are kept in contact in a temperature range in which the nucleation of the glass is accompanied by the melting together and in which the glass has a viscosity between 1010 and 1014 poise, until the melting of the glass parts and the nucleation in them is complete.
For example, the individual shaping of the parts of a mirror blank from thermally crystallizable glass is provided, these parts being subjected to a quenching process in order to cool the glass to below the stress relief point. The molded glass parts are preferably quenched as quickly as possible while avoiding thermal shock which could lead to cracks or the like in the glass. The rapid quenching largely reduces nucleation when the nucleation temperature range is passed. The parts are then assembled to form the desired mirror blank construction and the construction is heated.
As soon as the glass is heated above its relaxation point, it is rapidly further heated to a temperature at which the surface sections in contact are melted together, whereupon this temperature is maintained until the melting is complete. The glass is then crystallized using the procedure outlined above.
A feature of another embodiment of this invention is that the composite mirror blank of thermally crystallizable glass is heated to a substantially constant temperature which is sufficiently high to bring about a connection of contacting surfaces, the nucleation in the resulting unit and the Bring about crystallization of the glass, the unit being held at this temperature for a time long enough to obtain a uniform, rigid, thermally crystallized mirror blank.
It can further be provided that the bonded and nucleated glass unit is subjected to a crystallization process at a temperature which is higher than that at which the bond and nucleation were carried out. in order to increase the crystallization speed of the connected mirror blank. Another possibility is to connect a surface on a part made of thermally crystallizable glass to a surface in a corresponding other part by heating the part above its stress relief point at a normal rate in order to avoid thermal shock on the part , and then to heat the part rapidly, at a rate of more than 100 ° C. per minute, to a temperature at which the viscosity of the glass is between 10 and 109 poise.
The part is then held at that temperature until the surfaces have melted together. This process is particularly applicable for the melting together of contacting surfaces of parts made of thermally crystallizable glass.
In a variant, the glass parts are quenched in their original shaping without deliberately delayed tempering in order to avoid the formation of nuclei as much as possible.
We have surprisingly discovered that two thermally crystallizable glasses, especially those of the lithium alumino-silicate type, can be melted together at low temperatures by keeping the surfaces of the glass parts in mutual contact at temperatures which correspond to an original glass viscosity of 1010 to 1014, in particular an original glass viscosity of 101 to 10 poise, for an extended period of time, with simultaneous nucleation in the glass parts. In the present application, nucleation is understood to mean the separation of a small part of a second phase either as a submicroscopic crystalline phase or as a separate glassy phase, or both, through the entire glass body.
It is not known by which process the fusion can be carried out at such low viscosities, but it may be that the nucleation promotes the fusion in some way, for example by promoting the diffusion rates of ions in the glass. This peculiarity of the invention enables thermally crystallizable glasses to be fused together at temperatures at which the crystallization speeds are extremely low, as a result of which surface crystallization is avoided.
Fig. 1 is an isometric view of an embodiment of the telescope mirror blank made of thermally crystallizable glass.
FIG. 2 is a section along the line II-II of FIG. 1.
Figure 3 is an isometric view of portions of two spacer members and illustrates how these members are connected together.
4 is a top plan view of another embodiment of a telescope mirror blank made from clear thermally crystallizable glass.
5 is an isometric view of the components of this mirror tube being separated from one another, and FIG
Figure 6 is an isometric view of another embodiment of a spacer member useful in the present invention.
In an exemplary embodiment of the invention, a telescope mirror blank is obtained by fusing together two layers with a multiplicity of individual spacer members which can either be connected to one another or can be separated from one another. The embodiment of a telescope mirror blank 9 shown in Fig. 1 has an upper layer 10 made of thermally crystallized glass, the lower surface of which is fused to a grid formed from spacer members 11, 12, which members are also made of thermally crystallized glass and to one surface of another Layer 13 of thermally crystallized glass are melted.
The upper surface 14 of the layer 10 can subsequently be ground, polished and post-treated until the desired curvature is achieved and then provided with an aluminum coating in a known manner to form the reflective surface of a telescope mirror. Although the sheet 10 is shown flat and rectangular, it may be any other z. B. circular or oval shape. Likewise, surface 14 is shown flat, although it may be post-processed to form the reflective surface; however, this surface can be concave from the start in order to reduce the subsequent machining operations to a minimum.
Each of the spacer members 11, 12 is shown as an elongated, rectangular strip whose cross-section has a height which corresponds to the distance between the bottom surface 15 of the layer 10 and the upper surface 16, which height is uniform over the entire length of the strip. This ensures that the upper surfaces 17, 17 'and the lower surfaces 18, 18' of the spacer members 11, 12 are in full contact with the adjacent surfaces 15 and 16 of the layers 10 and 13, respectively. The spacer members 11, 12 can thus be viewed as support members for the plate 10, the outer surface 14 of which is finally treated to form the reflective surface.
In addition, each of the spacer members 11, 12 is provided with a plurality of tips or incisions 19 and 20, which are arranged at substantial distances from one another and in one of the surfaces
18, 17 'of the members 11 and 12 open. After the links have been assembled, each of the links 11 extends at right angles to each of the links 12, and since the distances between the incisions 19, 20 are uniform, an egg grid construction results.
In and of itself, it is possible to grind the incisions 19, 20 in order to precisely maintain the dimensions; but this is not necessary for the purposes of the present invention. Nor is it necessary that the side surfaces 21, 22 of the incisions 19 and 20 the corresponding outer surfaces of the spacer members
11, 12 touch after assembly. Sufficient rigidity is obtained if only the surfaces 17, 17 'and 18, 18' of the links 11, 12 are melted to the bottom surfaces 15, 16 of the layers 10 and 13, respectively. However, it does not do any harm if the surfaces 21, 22 touch the outer surfaces of the links 11, 12 after the assembly and are then fused to them; under certain circumstances a particularly great rigidity of the whole can be achieved in this way.
In the embodiment according to FIGS. 4 and 5, the lower layer 24 and the upper layer 23, both made of thermally crystallizable glass, are held at an even distance from one another by a plurality of individual spacer members 25, which have the shape of a cross in cross section, the legs of which stand at right angles to each other. All of these spacer members are of a uniform, uniform height so that the upper surface 26 of each such member 25 is in contact with the lower surface 27 of the layer 23 and the lower surface 28 of each such member 25 is in contact with the upper surface of the layer 24. This results in a melting of the surfaces in mutual contact and great rigidity of the whole blank.
It should be noted that the number and the mutual arrangement of the spacer members 25 are not important. It is sufficient that a sufficient number of spacer members 25 is provided between the layers 23, 24 in order to ensure the required rigidity. The links can preferably be arranged in rows, for example as shown in FIG. Instead of spacer members 25 z. B. those 29 according to FIG. 6 are used or those with a different shape. However, it is important that all spacer members have a uniform height so that there is a uniform spacing between the layers 23, 24.
Different types of spacing members can also be used.
In a similar way, the mutual arrangement of the spacer members according to FIG. 1 can be modified so that they are no longer at right angles to one another. Finally, it would be conceivable to provide the grid from a uniform cast piece of uniform height.
In the construction shown in Figure 1, there are a plurality of cavities between the upper and lower layers and between the spacer members. In this case, provision can be made to provide openings in the cavity walls in order to keep the cavities in connection with the outside atmosphere; this prevents pressures from building up in the cavities, which could lead to deformations. It is also possible to feed a fluid into the cavities and out of them through such openings for the purpose of temperature regulation. Here, of course, the temperature of the fluid in the central region of the mirror blank has to be essentially the same as on the outer surfaces.
The concept of the invention can also be used when the bottom surface of an upper layer of thermally crystallizable glass has a convex shape. It is then only necessary to give the upper surface of the spacer members a corresponding concave shape so that there is good mutual contact. In such a construction, however, not all of the spacer members will be the same height unless the bottom tier has a top surface of concave shape that corresponds to the convex bottom surface of the top tier.
In the manufacture of the assembled telescope mirror blank from thermally crystallized glass, the grid formed from the spacer members 11, 12 is placed on the upper surface of the layer 13 and then the layer 10 is placed on the top of the grating so that a construction as shown in FIG gives. The surfaces 17, 17 ', 18, 18' are then in contact with the surfaces 15 and 16, respectively. The whole can then be placed on a support member (not shown) before the heat treatment is carried out, which then results in a rigid, uniform mirror blank made of crystallized glass ceramic.
Most of the time, the weight of the upper layer 10 will be sufficient to exert the required contact pressure on the surfaces 17, 17 '; however, it may be necessary to exert additional pressure on the layer 10 to assist in melting it onto the opposing surfaces of the structure. The latter is then heat-treated long enough and at a sufficiently high temperature to complete the melting.
In the present invention, all components of the mirror blank construction are made from thermally crystallizable glass. Preferably, after molding, the glass parts should be cooled by relatively rapid cooling, rather than a delayed tempering process. A suitable procedure is to quench the glass parts in air in order to reduce the formation of germs to a minimum.
Before assembly, the spacer members 11, 12 can be attached to their surfaces to be fused
17, 17 'and 18, 18' are ground flat and polished so that there is close contact on the surfaces 15 and 16, which can also be ground flat and polished. A very delicate problem, namely surface crystallization, can occur during the melting process. The surface crystallization is favored on ground and polished, sawn or otherwise uncleaned glass surfaces, and the glass crystallization on the surface takes place very quickly at melting temperatures and can prevent a good connection between the parts.
The surface crystallization can, however, be delayed by washing with acid or by ion exchange (replacement of Li + - by Na + - or K + -ions). After the spacer members 11, 12 and the layers 10, 13 have been connected to one another in the manner discussed above, the dressing is heated to a temperature at which the connection is carried out in a first step in order to effect the soapy melting of the glass parts . In a first embodiment, this melting is carried out at a temperature which is in a range that is significantly above the temperature range of the subsequent nucleation process.
In this exemplary embodiment, after heating to approximately the tempering temperature, the dressing is rapidly further heated up to above the nucleation temperature of the glass to a temperature at which the viscosity of the surfaces in contact is such that fusing takes place, so that the components are, as it were, welded to one another to form the uniform mirror blank. During the rapid heating, cores that may have formed in the glass are dissolved. Rapid heating of the glass to the melting temperature prevents the formation of large nuclei, which would be difficult to dissolve.
The three big steps involved in thermal treatment are melting, nucleation and crystallization. Although it is possible to carry out the whole process isothermally, as in this first example they are carried out with different steps at different temperature levels or in different temperature ranges. Glass transition temperatures are expediently expressed by naming the viscosity of the glass at the relevant temperature, since for a large number of different glass compositions it might be necessary to name a corresponding number of temperatures that would not be helpful for understanding. Therefore it is better to state the temperature for a particular glass by specifying the desired viscosity for working at that point.
In this example, the temperature range in which the high-temperature melting process is carried out is that in which the viscosity of the glasses is approximately between 109 and 1S poise and is preferably between 107 and 108. When heating to the melting temperature range, after reaching the approximate relaxation point by heating at normal speed to avoid damage from thermal shock, the heating speed is preferably high, namely at more than 100 C per minute, so that very small germs that may have formed be dissolved again and thus the formation and growth of germs is prevented. As soon as the glass has been heated beyond the tempering temperature range, it can be further heated very quickly because the tension is already gone.
As soon as the temperature range for the melting process has been reached, the association is left at this temperature or in this temperature range until the melting has been completed. The parts are connected to one another by melting and slightly sinking in, without premature surface crystallization that would make the connection impossible.
The time required for melting, nucleation and crystallization depends on the glass composition and also on the size of the telescope mirror blank or other object that is involved. The time may be two to a hundred hours for a small mirror blank; however, it may take 1,000, 3,000, or even more hours for a telescope mirror blank that is several hundred inches in diameter and about 1 that diameter in thickness. This is necessary because glass is a very poor conductor of heat and therefore a lot of time is required to heat up all sections of the mirror blank evenly.
It has been discovered that the above-discussed method for fusing one surface of a part made of thermally crystallizable glass to a surface of another part, in particular one made of thermally crystallizable glass, makes it possible to a surprisingly high degree to avoid the difficulties which arise when it is It is a matter of making connections under thermally crystallizable glasses while avoiding premature, uncontrolled and non-homogeneous crystallization.
Considerably longer total heat treatment times are required when working isothermally. The time required is then necessarily longer, since it is necessary to apply a temperature considerably lower than that corresponding to a viscosity of the glass of 108 poise, because the rate of nucleation at such high temperatures is very slow and almost zero is. In this isothermal process, the suitable temperature is that corresponding to a viscosity of about 1011.5 poise or that which is in the range of temperatures corresponding to a viscosity of 1010-1014 poise.
In any case, the temperature must be chosen so that it is possible to carry out the melting and also the nucleation of the glass at the same temperature. After the partial melting has taken place, with accompanying nucleation, the application of heat can be continued at the same temperature as long as is necessary to crystallize the glass until it has the desired low coefficient of thermal expansion which is practically zero. On the other hand, it is also possible and often desirable to gradually increase the temperature after the melting and after the nucleation so that the crystallization takes place during the slow temperature increase and / or while the temperature is kept at an elevated level.
One reason that nucleation and fusing is not preferred at the relatively low temperatures mentioned in the previous section is that at such viscosities there is practically no sagging of the parts into close contact. Obviously only the touching points are connected to each other; but so that there are larger areas of mutual contact between the parts, very flat, tightly fitting surfaces must be prepared, which requires very careful grinding to almost absolute flatness. Obviously, such a procedure is time consuming and costly.
If the crystallization is carried out at essentially the same low temperature as the melting and the nucleation, the time required for this can be very long, for example 500 to 2000 hours and even more.
Telescope mirror blanks of the present invention are made from glasses of a special composition, namely from thermally crystallizable glasses and in particular those of the lithium aluminosate system, which are capable of being thermally crystallized on the spot and to form so-called glass ceramics - preferably transparent ones have a linear thermal expansion coefficient which is very low and can be zero. Such glass-ceramics contain lithium-containing crystalline phases as predominant crystalline types, either as beta-eucryptite or beta-eucryptite-like crystals or as beta-spodumene or beta-spodumene-like crystals or both, as can be seen from X-ray diffraction measurements.
A plurality of such crystals in random orientation and dispersed in a vitreous matrix that remains as a result of the on-site crystallization can be found in the glass-ceramic mirror blank. For a transparent mirror, practically all the crystals of the thermally crystallized glass are provided with dimensions which correspond to a diameter of less than 1/3 micron, measured as the largest dimension.
Although glass ceramic telescope mirror blanks made in accordance with the invention are preferably transparent, in other cases they can remain opaque. However, it is considerably less difficult to mount a transparent telescope mirror on its supports and to be certain that it is in a stress-free state than is the case for an opaque mirror. The reason for this, of course, is that the inside of a clear mirror can be inspected during the assembly process.
Telescope mirror blanks made of glass ceramic with a low coefficient of expansion can be formed by performing the thermal crystallization of glasses suitable for this purpose on site. These thermally crystallizable glasses have a composition with essentially the following components:
:
Table A.
Component weight percent
SiO2 56-70 AlnOs 18-27
Li2O 3.4-4.5
CaO
ZnO 0-2
B203 0-4 TiO2 0-6
ZrO2 0-3
MgO 0-3 After 0-1 PoO5 0-3 (SiOo + Al2O) at least 82 (SiO + A1203 + B203 + P2O1) 86-91 (CaO + MgO + ZnO + Na2O) 2.5-6 (SiO2 + Al2O3 ' + P2O5 + Li2O) not more than 93 (TiO2 + ZrO2) 2-6 where the ratio of (CaO + MgO + ZnO + Na2O + B2O3) to LioO is less than 2.4 and the ratio of SiO2 to Alu03 is less than 3 ,8th.
The reasons for the need for a low rate of nucleation and a low rate of crystal growth in this example are varied.
First, if the glass parts are cooled before they are assembled, and even quickly, then nuclei will form and even grow to a size that they will no longer be dissolved when heated rapidly to the melting temperature if the nucleation rate is too high. Then even more nuclei could form when passing through the temperature range with a high nucleation rate (corresponding approximately to a viscosity of 1012 to 1011 poise). When this occurs, crystals can form too quickly for there to be time left for melting glass onto glass, since such melting is usually carried out at temperatures at which the crystal growth rate for a given glass reaches its maximum value.
In order to limit both the rate of nucleation and the rate of crystal growth, especially when melting relatively massive parts in this embodiment with a high melting temperature, the glass compositions should preferably be selected from the following range, which is narrower than the range given above.
Table B.
Component weight percent SiO 56-70 Al.O 18-27 LioO 3.4-4.5
CaO 0-3
ZnO 0-less than 0.5 B2O 0-4 TiOa 0-2
ZrO 0-3
MgO 0-3 Na2O 0-1 P Oa O-less than 1.5 (SiO + Al O.,) at least 82 (SiO + AlO.a + B2O3 + PO5) 86-91 (CaO + MgO + ZnO + Na2O) 2.5-6 (SlO + Al2O3 + POs + LieO) not more than 93 (TiOa + ZrO2) 2-3.5 whereby the ratio of (CaO + M, gO + ZnO + NaaO- ° B rOn) to LiaO is smaller is than 2.4 and the ratio of SiO. to
Al2O is at most equal to 3.8.
It is even more preferable that in the above compilation the content of TiOo = 0-1.5% and the total content of TiO. + ZrO = 2-3 Ph.
Other compositions which are suitable for the products and for practicing the method according to the invention are given in the specific examples.
The transparent crystallized glass-ceramic formed as indicated above contains lithium as the predominant type of crystal, which contains crystalline phases selected from the group consisting of beta eucryptite or beta-eucryptite-like crystals and beta-spodumene or beta-spodumene-like crystals or mixtures thereof, such as emerges from X-ray diffraction measurements. The ceramic product obtained contains a large number of such crystals, which are distributed in random orientation throughout the crystallized glass-ceramic and are scattered in a vitreous matrix which results as a result of the crystallization carried out on the spot.
Essentially all crystals of this ceramic have a diameter of less than 1:. Micron, measured as the largest dimension of the crystals. The glass ceramic has a coefficient of linear thermal expansion of about -10. 10 -7 to +10. 10 -7 (0-300 C) and preferably from about -3.110-7 to 43.10-7, whereby glass ceramics with zero-valent expansion coefficients can also be easily obtained.
The telescope mirror blank finally obtained and the telescope mirror made from it have an average linear thermal expansion coefficient of the glass ceramic of about + 10.10-7 to -10.10-7 per C in the temperature range between 0 and 3000 C, and it is preferably approximately equal to 0 in this temperature range or in Temperature range to which the mirror is exposed when it is in use. It should also be mentioned that although the diameter of the crystals within the clear ceramic is preferably less than 1 micron as the largest dimension of the crystals, this diameter is even better less than about 1/4 micron; the best results are obtained when this diameter is less than about 1/10 microns.
As already mentioned, the final coefficient of thermal expansion of the glass ceramic is determined by the composition of the thermally crystallizable glass and by the peculiarities of the heat treatment to which the glass is subjected. The importance of transparency is that it makes it easier to sand and polish the reflective surface 14 prior to applying the aluminum overlay. However, the construction can be made opaque by allowing the crystallization to proceed to the point at which the crystals are large enough to make the ingot opaque. This can be achieved by maintaining a final crystallization temperature above about 8200 C for an extended period of time or above about 8700 C for a shorter period of time.
The variables time and temperature depend on the composition and on its viscosity at the temperature in question. Occasionally, there may be some difficulty due to the presence of large crystals as these can interfere with the grinding and polishing of the reflective surface. If, for example, only large crystals are removed, the surface cannot be ground to the desired smoothness. It is also found that if an opaque structure is used, the coefficient of thermal expansion is generally much greater than that of the transparent glass-ceramic of the same composition.
Care must therefore be taken that the glass, which has crystallized to the point of opacity, does not have too high a coefficient of expansion; this should be in the size range between + 10.10-7 and - 10.10-7 (0-3000 C).
A mirror blank with a concave surface can be produced according to the method according to the invention and further treated according to the usual method (grinding, polishing and finishing) in order to obtain the desired curvature. The curvature can also be provided from the start so that the workload for grinding, polishing and reworking is considerably reduced. An aluminum coating is then applied in the usual way.
The terms beta-eucryptite-crystals and beta-eucryptite-like crystals have been used as alternative terms. Beta-eucryptite is usually understood to mean a type of crystal with one mole of lithium, one mole of alumina and two moles of silica: the two terms are used in the present context for crystalline types which, according to X-ray diffraction, have the beta-eucryptite structure, where but the tips may be slightly displaced if the actual amount of silica present is not exactly two moles, either a little more or a little less.
The terms beta-spodumene crystals and beta-spodumene-like crystals are to be understood in a similar sense, with the former containing exactly 4 moles of silica for one mole of alumina and one mole of lithium, while the latter has a silica content slightly below or above 4 Moles deviates. In the claims, the terms beta-eucryptite and beta-spodumene are to be understood in this broader sense.
Example I.
A glass composition according to the following table is suitable for a mirror blank:
SiO2 68.4
Al203 22
CaO 2 LiOO 3.9
TiO2 1
ZrO2 1.5 Na0O 0.7 KiO 0.2 Sb203 0.3
The molten glass is poured into suitable molds to form the indented members 11, 12 and the two sheets 10 and 13; the quenching in air follows in order to reduce the nucleation to a minimum. The components are then put together and exposed to the melting temperature of around 9550 C for two hours.
The bandage obtained is then subjected to a heat treatment at 7330 ° C. for 260 hours and 8730 ° C. for about one hour. In this way, a satisfactorily transparent, crystallized mirror blank was obtained, the thermal expansion coefficient of which is almost equal to 0 (0 to 3000 ° C.).
Example II
A glass of the following composition in percent by weight is used: SiO2 68.1 Al203 20.9
CaO 3.5 Li2O 3.8 TiO2 1.8
ZrO2 1.5 Na2O 0.1 Sb20s 0.3
In this example too, the components 11, 12, 10 and 13 are poured into suitable molds and then quenched in air in order to reduce the formation of nuclei as much as possible.
The components are then put together and then subjected to an isothermal heat treatment at 7750 C (the viscosity of this glass at 7800 C is approximately 1011.5 poise) for a period of 1000 hours, with melting, nucleation and crystallization at the same temperature respectively. A transparent, crystallized mirror blank is obtained, with an average thermal expansion coefficient (0-3000 C) of - 0.3.10-7.
Example III
The following glass composition is used to manufacture a small mirror blank: SiO2 69.3 Alu03 20.2
CaO 2.9 LisO 3.8 ZrOe 2.6 P2O5 1.2
The parts according to FIGS. 1 to 3 were made for a small mirror blank and ground and polished before assembly. After assembly, the whole was subjected to the following heat treatment:
The construction was heated to 5940 C for one hour, then slowly heated to the relaxation point of about 7330 C; thereafter, the heating was continued with a temperature increase of more than 100 ° C. per minute up to 9820 ° C., this temperature was then maintained for two hours.
The whole was then rapidly cooled to 7330 ° C., left at this temperature for 264 hours and then heated to 8600 ° C., which temperature was maintained for 144 hours. A transparent, crystallized mirror blank is obtained with a coefficient of thermal expansion (0-3000 C) of less than + 10.10-7 / 0 C.
Example IV
Example III is modified in the sense that the heat treatment at 7330 C for 264 hours, followed by one at 8600 C for 144 hours, is replaced by one at 7330 C for 480 hours, followed by one at 8600 C for 24 hours Hours. The thermal expansion coefficient of the transparent crystallized mirror blank is in this case 0.5.10-7 / 0 C.
In addition to telescopic mirror blanks, other articles made of glass or crystallized glass can also be produced according to the invention, for example those that are used as partition walls, fire doors, fluid container linings, wherever strength is of great importance, flooring blocks, containers, etc.