CS240148B1

CS240148B1 - Method of boricosilicate glass hardening

Info

Publication number: CS240148B1
Application number: CS847918A
Authority: CS
Inventors: Josef Matousek; Martin Maryska; Vlastimil Vykouk
Original assignee: Josef Matousek; Martin Maryska; Vlastimil Vykouk
Priority date: 1984-10-18
Filing date: 1984-10-18
Publication date: 1986-02-13
Also published as: CS791884A1

Abstract

Vynález se týká způsobu zpevňování. předmětů z boritokřemičitého skla, obsahujícího alkálie do 5 % hmotnostní koncentrace. Výměna iontů v povrchové vrstvě skla za alkalické ionty většího průměru probíhá ponořením předmětu ze skla do roztavené solí alkalického kovu při teplotách 100 °C až 200 °C pod bodem transformace skla působením stejnosměrného elektrického pole o proudové hustotě 1 až 5 A . m-2 a hustotě prošlého náboje 7 až 11 kC . m-2. S výhodou se stejnosměrný proud zavádí do lázně pomocí platinové elektrody. Hlavní využití vynálezu se předpokládá v oblasti technických skel,' u trubek nebo potrubí po svařování a při sestavování nebo spojování aparatur z různých tlouštěk skla.The invention relates to a method of strengthening. articles of borosilicate glass containing alkali to 5% by weight concentration. Ion exchange in the surface layer glass with alkaline ions of larger diameter takes place by immersing the glass article in the molten state alkali metal salts at temperatures 100 ° C to 200 ° C below the transformation point glass by DC electric fields with a current density of 1 to 5 A. m-2 a the charge density of 7 to 11 kC. m-2. Preferably, the direct current is introduced into the bath using a platinum electrode. The main use of the invention is contemplated in the field of technical glasses, for pipes or pipes after welding and when assembling or joining apparatuses from different glass thicknesses.

Description

Vynález se týká způsobu zpevňování. předmětů z boritokřemičitého skla, obsahujícího alkálie do 5 % hmotnostní koncentrace. Výměna iontů v povrchové vrstvě skla za alkalické ionty většího průměru probíhá ponořením předmětu ze skla do roztavené solí alkalického kovu při teplotách 100 °C až 200 °C pod bodem transformace skla působením stejnosměrného elektrického pole o proudové hustotě 1 až 5 A . m^-2 a hustotě prošlého náboje 7 až 11 kC . m^-2.The invention relates to a method of strengthening. articles of borosilicate glass containing alkali up to 5% by weight. The exchange of ions in the surface layer of glass for alkaline ions of larger diameter occurs by immersing the glass article in molten alkali metal salts at temperatures of 100 ° C to 200 ° C below the glass transformation point under the effect of a DC electric field of 1 to 5 A current density. m ^-2 and a charge density of 7 to 11 kC. m ^-2 .

S výhodou se stejnosměrný proud zavádí do lázně pomocí platinové elektrody.Preferably, the direct current is introduced into the bath using a platinum electrode.

Hlavní využití vynálezu se předpokládá v oblasti technických skel,' u trubek nebo potrubí po svařování a při sestavování nebo spojování aparatur z různých tlouštěk skla.The main application of the invention is envisaged in the field of technical glasses, tubes or pipes after welding and in assembling or joining apparatuses of different glass thicknesses.

//4014 3// 4014 3

I Vynález se'týká způsobu zpevňování bo! ritckřenričitých skel, obsahujících alkálie i do 5 % hmotnostní koncentrace, výměnou > iontů v povrchové vrstvě skla za alkalické |ionty většího průměru, ponořením předmě! tu ze skla do lázně roztavené soli alkalic„ kého kovu při teplotách pod transformač>. ním bodem skla, přičemž předmět i lázeň ú jsou vystaveny účinkům stejnosměrného elektrického pole.The invention relates not to a method of reinforcing boilers. ricritical glasses containing alkali up to 5% by weight by exchanging> ions in the surface layer of the glass for alkaline ions of larger diameter, by immersion in an object! from a glass to a bath of molten alkali metal salt at temperatures below the transformer. the object and the bath are exposed to the effects of a direct electric field.

Pevnost skleněných výrobků lze zvyšovat výměnou alkalických iontů ze skla za alkalické ionty z okolního prostředí, a to jak pod, tak i nad teplotou transformace skla. Celý proces se urychlí, probíhá-li tento děj pod vlivem vnějších sil, například < elektrického pole. Čas potřebný pro vznik dostatečně silné tlakové vrstvy na povrchu, tj. 50 až 100 μΐη, se oproti prosté iontové výměně zkrátí řádově z hodin na minuty.The strength of the glassware can be increased by exchanging alkali ions from the glass with alkaline ions from the surrounding environment, both below and above the glass transformation temperature. The whole process is accelerated when this process is under the influence of external forces, for example an electric field. The time required for the formation of a sufficiently thick pressure layer on the surface, ie 50 to 100 μΐη, is shortened in the order of hours to minutes compared to simple ion exchange.

Nejčastěji se používá stejnosměrné elektrické pole, kdy je usměrněn pohyb iontů jedním směrem a tlaková vrstva, která způ⁵ sobuje zpevněni, vzniká na jednom povrchu skleněného předmětu. Jako výměnné médium se obvykle používá tavenina dusičnanu draselného KNOs. Převážná část patentové literatury popisuje iontovou výměnu pod bodem transformace zpevňovaných skel, což je výhodné především při zpevňování již vytvarovaných výrobků, protože nedochází k jejich deformaci. Jsou chráněny i různé materiály elektrod, například podle čs. AO č. 183 125 katoda sestává z materiálu ze skupiny zahrnující hliník, arsen,’ zlato, antimon, berylium, chrom, měď, germanium, mangan, tellur, titan apod. V praví jsou zpevňována pod vlivem stejnosměrného elektrického pole, nejčastěji skla s výšíš ším obsahem alkalických iontů, cca 10 až 15 % hmotnosti. V paďentu NDR č. 88 841 je popsán způsob zpevňování boritokřemičitých skel s obsahem alkálií do cca 5 % hmotnosti v roztaveném dusičnanu draselném KNOs s využitím stejnosměrného elektrického pole, přičemž se užívá hustota prošlého, náboje 35 kC . m~² a do katodového prostoru se přidávají různé chemické sloučeniny, pro odstranění povrchového zákalu upravovaných výrobků, v množství 0,25 ažThe most commonly used directional electric field which is directed movement of ions in one direction and a compressive layer, which FTS ⁵ not cause hardening, is formed on one surface of the glass article. Potassium nitrate melt KNOs are usually used as the exchange medium. Most of the patent literature describes the ion exchange below the transformation point of the reinforced glasses, which is advantageous especially when consolidating already formed products because they do not deform them. Various electrode materials are also protected, for example according to CS. AO No. 183 125 cathode consists of a material selected from the group consisting of aluminum, arsenic, gold, antimony, beryllium, chromium, copper, germanium, manganese, tellurium, titanium and the like. In the right they are consolidated under the influence of DC electric field. 10 to 15% by weight. In the GDR No. 88 841, a method of strengthening borosilicate glasses having an alkali content of up to about 5% by weight in molten potassium nitrate KNOs using a direct electric field using a charge density of 35 kC is described. m ~ ² and various chemical compounds are added to the cathode compartment to remove surface haze of the treated products in an amount of 0.25 to

7,5 % hmotnosti. Výměna iontů se provádí při teplotě 500 °C.7.5% by weight. The ion exchange is carried out at a temperature of 500 ° C.

Při použití stejnosměrného elektrického pole dochází k rozkladu taveniny alkalické soli a ke korozi zpevňovaných skleněných předmětů. Jsou doporučovány různé přísady, které zamezují této korozi a usazování rozkladných produktů na povrchu skleněného předmětu, jak je uvedeno například v čs. AO č. 183 125.When using a direct electric field, the alkali salt melt decomposes and the reinforced glass objects corrode. Various additives are recommended to prevent this corrosion and the deposition of decomposition products on the surface of the glass article, as disclosed, for example, in U.S. Pat. AO No 183 125.

Nevýhodou těchto dosud známých postupů je, že při aplikaci na boritokřemičité sklo s obsahem alkálií do 5 % hmotnosti se nedosahuje při udaných hodnotách dostatečných hodnot zpevnění a při daných hustotách prošlého náboje dochází k optickým změnám na povrchu předmětu. Maximální vložená napětí sa pohybují na hranici elektrické pevnosti skla.A disadvantage of these hitherto known processes is that when applied to borosilicate glass with an alkali content of up to 5% by weight, sufficient reinforcement values are not achieved at the stated values and optical changes on the surface of the object occur at given charge densities. The maximum input voltages are at the limit of the electrical strength of the glass.

Uvedené nevýhody se odstraní nebo podstatně omezí- u způsobu zpevňování boritokřemičitých skel podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se zpevňování výměnou alkalických iontů provádí při teplotách 100 až 200 ^CC pod transformačním bodem skla působením stejnosměrného proudu o proudové hustotě 1 až 5 A. m^-2 a hustotě prošlého náboje 7 až 11 kC . m^-2. Stejnosměrný proud se zavádí do lázně roztavené soli alkalického kovu s výhodou pomocí platinových elektrod.These disadvantages are avoided or substantially reduced by the method of strengthening the borosilicate glasses according to the invention, which consists in that the alkaline ion exchange strength is carried out at temperatures of 100 to 200 ^° C below the glass transformation point by direct current of 1 to 5 A m ^-2 and a charge density of 7 to 11 kC. m ^-2 . The direct current is introduced into the bath of molten alkali metal salt, preferably by means of platinum electrodes.

Zpevňování boritokřemičitých skel s obsahem alkálií do 5 % hmotnosti potom probíhá při nižších teplotách, s nižšími proudovými hustotami a s nižší hustotou prošlého náboje, než je známo. Tím se stává celý proces efektivnější a energeticky méně náročný. Získaná tloušťka tlakové vrstvy na povrchu předmětu je optimální pro praktické použití zpevněných výrobků. Při využití platinové elektrody není třeba přidávat další chemikálie do lázně. Pevnost skleněného výrobku se zvýší v průměru 2,0- až 3.2krát.The strengthening of borosilicate glasses with an alkali content of up to 5% by weight then takes place at lower temperatures, with lower current densities and with a lower charge density than is known. This makes the whole process more efficient and less energy intensive. The obtained thickness of the pressure layer on the surface of the object is optimal for practical use of reinforced products. When using a platinum electrode, it is not necessary to add additional chemicals to the bath. The strength of the glass product is increased by an average of 2.0 to 3.2 times.

Způsobu zpevňování podle vynálezu je možno použít v oblasti technického skla, zvláště u výrobků po svařování, například trubek, potrubí, chemických kolon, nebo po sestavování a spojování aparatur z různých tlouštěk skla.The reinforcing method according to the invention can be used in the field of technical glass, in particular for post-welding products, for example tubes, pipes, chemical columns, or after assembling and joining devices of different glass thicknesses.

Způsob podle vynálezu je blíže objasněn následujícími příklady provedení, přičemž se však vynález na příklady provedení neomezuje.The process according to the invention is illustrated in more detail by the following non-limiting examples.

PřikladlHe did

Bylo použito skla, obsahujícího v hmotnostní koncentraci 80,4 % oxidu křemičitého S1O2, 13 % oxidu boritého B2O3, 2,4 % oxidu hlinitého AI2O3, 3,6 % oxidu sodného iNazO, 0,4 % oxidu draselného K2O, 0,06 % oxidu vápenatého CaO, 0,04 %' oxidu hořečnatého MgO a 0,02 % oxidu železitého Fe.-:Oj.Glass containing 80.4% SiO2, 13% B2O3, 2.4% Al2O3, 3.6% iNazO, 0.4% K2O, 0.06% was used. CaO, 0.04% MgO and 0.02% FeO3.

Trubice z tohoto skla s vnějším průměrem 12 mm a tloušťkou stěny 1 mm byly podrobeny výměně iontů v tavenině dusičnanu draselného KNOs při teplotě 400 °C a za přítomnosti vnějšího stejnosměrného elektrického' pole. Proudová hustota byla 4,62· A. m^-2 a hustota prošlého náboje 5,5 kC . mm². Elektrody tvořil platinový drát.Tubes of this glass having an outer diameter of 12 mm and a wall thickness of 1 mm were subjected to ion exchange in the potassium nitrate melt KNOs at a temperature of 400 ° C and in the presence of an external DC electric field. The current density was 4.62 · A. m ^-2 and the charge density was 5.5 kC. mm ² . The electrodes formed platinum wire.

Za těchto podmínek se optické vlastnosti skla nezměnily, pevnost v ohybu se zvýšila v průměru 2,7krát, tloušťka tlakové vrstvy byla 30 ,um, maximální vložené napětí bylo 380 V.Under these conditions, the optical properties of the glass did not change, the bending strength increased on average 2.7 times, the thickness of the pressure layer was 30 µm, the maximum input voltage was 380 V.

Příklad 2Example 2

Sklo uvedené v příkladu 1 bylo zpevňováno při teplotě 425 °C za stejných podmínek jako je popsáno v příkladu 1.The glass of Example 1 was consolidated at 425 ° C under the same conditions as described in Example 1.

4 0 54 0 5

V tomto případě: optické vlastnosti se nezměnily, pevnost v ohybu se zvýšila v průměru 2,5krát, tloušťka tlakové vrstvy byla 30 /im, maximální vložené napětí bylo 190 V. Příklad 3In this case: the optical properties did not change, the bending strength increased on average 2.5 times, the pressure layer thickness was 30 µm, the maximum input voltage was 190 V. Example 3

Sklo podle příkladu 1 bylo zpevňováno při teplotě 450 ^CC za podmínek uvedených v příkladu 1.The glass of Example 1 was consolidated at 450 ^° C under the conditions of Example 1.

V tomto případě: optické vlastnosti se nezměnily, pevnost v ohybu se zvýšila v průměru 2,3krát, tloušťka tlakové vrstvy byla 30 μΐη, maximální vložené napětí bylo 120 V.In this case: the optical properties did not change, the bending strength increased on average 2.3 times, the pressure layer thickness was 30 μΐη, the maximum input voltage was 120 V.

Příklad 4Example 4

Sklo uvedené v příkladu 1 bylo zpevňováno při teplotě 400 °C. Proudová hustota byla 3.08 A. m~² a hustota prošlého náboje 7,4 kC . m~². Elektrody' tvořil platinový drát.The glass of Example 1 was consolidated at 400 ° C. The current density was 3.08 A. m ~ ² and the charge density was 7.4 kC. m ~ ² . The electrodes' formed platinum wire.

Za těchto podmínek: optické vlastnosti se nezměnily, pevnost v ohybu se zvýšila v prů-Under these conditions: the optical properties did not change, the flexural strength increased in the

Claims

FREDMST

A method of strengthening borosilicate glasses containing alkali up to 5% by weight by exchanging ions in a glass surface layer for larger diameter alkali ions by immersing an article of glass in a bath of molten alkali metal salt at temperatures below the glass transformation point, DC electric field, you measure 8 times 3.2 times, the pressure layer thickness was 50 µm, the maximum input voltage was 390 ¾. voitů. . '; \

Example5

The glass of Example 1 was consolidated under the conditions of Example 4 at 425 ^° C. In this case: the optical properties did not change, the flexural strength increased 3 times on average, the pressure layer thickness was 50 μπι, the maximum input voltage was 220 volts.

Example 6

The glass of Example 1 was exposed at 450 ^° C and under the conditions of Example 4.

In this case: the optical properties did not change, the bending strength increased 2.5 times on average, the pressure layer thickness was 50 μπι, the maximum input voltage was 130 V.

The invention is characterized in that the consolidation is carried out at temperatures of 100 ^° C to 200 ° C below the glass transformation point under the influence of direct current of a current density of 1 to 5 A. m ^-2 and a charge density of 7 to 11 kC. m ^-2 .

2. Method according to claim 1, characterized in that the direct current is introduced into the bath by means of a platinum electrode.