DE102014116798A1 - Chemically toughened or toughened glass and process for its production - Google Patents
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Abstract
Die Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer einfach herstellbaren Glasscheibe, insbesondere in Form eines Dünnglases mit einer Scheibendicke von höchstens 1,5 mm, die bzw. das auch nach dem Vorspannen keine oder lediglich eine sehr geringe Verwölbung aufweist. Dazu ist eine Glasscheibe, insbesondere eine Float-Glasscheibe (1), aus einem chemisch vorspannbaren oder vorgespannten Glas mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen (2, 3) vorgesehen, wobei das Glas der Glasscheibe natriumhaltig ist, wobei das Glas an den Seitenflächen (2, 3) mit einer Oberseite (4) (top) und einer Unterseite (5) (bottom) einen unterschiedlichen Zinn-Gehalt aufweist, und wobei der Na2O-Gehalt an den beiden Seitenflächen (2, 3) ebenfalls unterschiedlich ist, wobei der Na2O-Gehalt an der Seitenfläche (3) mit dem höheren Zinn-Gehalt höher ist als an der gegenüberliegenden Seitenfläche (2), wobei für die Oberflächen-Auslaugungs-Differenz der Na2O-Gehalte (ΔNa2O) der beiden Seitenflächen (2, 3) in Massenprozent gilt: ΔNa2O = –0,00078·ΔTinCountx,wobei ΔTinCount die Differenz der TinCounts ist, welche die Differenz der über Röntgenfluoreszenzanalyse bestimmten, massenbezogenen Oberflächengehalte von SnO2 der beiden Seitenflächen (2, 3) in ppm (parts per million) bezeichnet, und wobei der Exponent x im Bereich von 0,5 bis 0,7, bevorzugt bei 0,62, liegt.The object of this invention is to provide a glass pane which is easy to produce, in particular in the form of a thin glass having a slice thickness of at most 1.5 mm, which has no or only a very slight warping even after prestressing. For this purpose, a glass pane, in particular a float glass pane (1), of a chemically prestressed or tempered glass with two opposite side surfaces (2, 3) is provided, wherein the glass of the glass pane is sodium-containing, wherein the glass on the side surfaces (2, 3 ) having a top (4) (top) and a bottom (5) (bottom) has a different tin content, and wherein the Na 2 O content at the two side surfaces (2, 3) is also different, wherein the Na 2 O content is higher on the side surface (3) with the higher tin content than on the opposite side surface (2), wherein for the surface leaching difference of the Na2O contents (ΔNa2O) of the two side surfaces (2, 3) in percentage by mass: ΔNa2O = -0.00078 · ΔTinCountx, where ΔTinCount is the difference of the TinCounts, which is the difference between the mass-related surface contents of SnO2 of the two side surfaces (2, 3) determined by X-ray fluorescence analysis in ppm (parts p he million), and wherein the exponent x is in the range of 0.5 to 0.7, preferably at 0.62.
Description
Die Erfindung betrifft allgemein ein chemisch vorspannbares oder vorgespanntes Glas und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention generally relates to a chemically toughened or toughened glass and a process for its production.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein über einen Ionenaustausch chemisch vorspannbares oder vorgespanntes, hochfestes Glas, vorzugsweise als Deckglas mit sehr gutem Kratzverhalten. Das Glas kann als Schutzglas (Cover) in elektronischen Geräten, wie z. B. Smartphones, Tablets, Computer, Navigationsgeräten etc., eingesetzt werden.In particular, the invention relates to an ion exchange chemically preloaded or biased, high-strength glass, preferably as a cover glass with very good scratching behavior. The glass can be used as protective glass (cover) in electronic devices such. As smartphones, tablets, computers, navigation devices, etc., are used.
Smartphones, Tablets, Computer, Navigationsgeräte etc. werden heutzutage im Allgemeinen über Touchscreens bedient. Als Schutz des Displays und des Sensors können dünne, ionenausgetauschte (chemisch vorgespannte) Gläser verwendet werden. Die chemische Vorspannung des Glases wird durch den Austausch von kleinen Alkali-Ionen (z. B. Na+) durch größere Homologe (z. B. K+) erreicht. Hierbei wird ein Spannungsprofil in das Glas eingebracht.Smartphones, tablets, computers, navigation devices, etc. are now generally served via touch screens. To protect the display and the sensor, thin, ion-exchanged (chemically tempered) glasses can be used. The chemical bias of the glass is achieved by exchanging small alkali ions (eg, Na + ) with larger homologs (eg, K + ). Here, a tension profile is introduced into the glass.
Chemisch vorgespannte Gläser weisen je nach Herstelltechnologie, Geometrie, Glasdicke und Vorspannbedingungen typischerweise eine mehr oder weniger große Verwölbung, auch als „Warp” bezeichnet, auf.Depending on the manufacturing technology, geometry, glass thickness and prestressing conditions, chemically toughened glasses typically have a more or less large warping, also referred to as "warp".
Je nach Herstell- und Vorspannbedingungen kann der Warp die Spezifikation des Geräteherstellers überschreiten. Auf der anderen Seite ist manchmal auch eine bestimmte Verwölbung einer Glasscheibe (konvex oder konkav) gefordert. Durch den Verarbeitungsprozess kann eine gewünschte Verwölbung eingestellt werden.Depending on the manufacturing and tempering conditions, the warp may exceed the specification of the equipment manufacturer. On the other hand, sometimes a certain warping of a glass pane (convex or concave) is required. By the processing process, a desired warping can be set.
Der Warp bzw. die Verwölbung kommt durch unsymmetrischen Ionenaustausch auf Ober- bzw. Unterseite des Glases zustande. Dies führt zu Unterschieden in der eingebrachten Druckspannung und/oder der Ionenaustauschtiefe, die als ΔCS (Differenz der CS, Compressive Stress, Druckspannung) bzw. ΔDoL (Differenz der DoL, Depth of Layer, Austauschtiefe) messbar sind. In der Konsequenz kommt es zum „Ausweichen” oder Ausbalancieren der Druckspannungsunterschiede des Glases in Form einer Verwölbung (Warp).The warp or the warping comes about through asymmetric ion exchange on top or bottom of the glass. This leads to differences in the introduced compressive stress and / or the ion exchange depth, which can be measured as ΔCS (difference of the CS, compressive stress, compressive stress) or ΔDoL (difference of the DoL, depth of layer, exchange depth). As a consequence, it comes to "dodging" or balancing the compressive stress differences of the glass in the form of a warp.
Dieser Effekt kann insbesondere auch bei Float-Gläsern beobachtet werden.This effect can be observed especially with float glasses.
In der
Die
Die
Die
Die Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer einfach herstellbaren Glasscheibe, insbesondere in Form eines Dünnglases mit einer Scheibendicke von höchstens 1,5 mm, die bzw. das auch nach dem Vorspannen keine oder lediglich eine sehr geringe Verwölbung aufweist.The object of this invention is to provide a glass pane which is easy to produce, in particular in the form of a thin glass having a slice thickness of at most 1.5 mm, which has no or only a very slight warping even after prestressing.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is solved by the subject matter of the independent claim. Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.
Es wurde erkannt, dass durch die Intensität der Oberflächen-Auslaugungs-Differenz der Na2O-Gehalte (ΔNa2O) zwischen den beiden Seitenflächen (Ober- und Unterseite/top-bottom) der Glasscheibe die Primärwechselwirkungen bzw. die Primärasymmetrien, die im Float-Bad beim Float-Prozess verursacht werden, kompensiert werden müssen.It was recognized that the intensity of the surface leaching difference of the Na 2 O- Contents (ΔNa 2 O) between the two side surfaces (top and bottom / top-bottom) of the glass pane, the primary interactions or the primary asymmetries, which are caused in the float bath in the float process, must be compensated.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Figuren erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying figures. Show it:
In Versuchsreihen zu verschiedenen Auslagerungsintensitäten im Float-Bad, bei denen jeweils oberseitig (top) und unterseitig (bottom) der Glasscheibe die Druckspannung (CS, Compressive Stress) und die Ionen-Austauschtiefe (DoL, Depth of Layer) bestimmt wurde, hat sich der TinCount als gut messbare Größe herausgestellt, wobei der TinCount die oberflächlichen massenbezogenen Zinn-Gehalte gemessen mit Röntgenfluoreszenz bezeichnet, an welchen sich eine entsprechende Kompensationsmaßnahme für im Float-Bad verursachte Primärasymmetrien bzw. eine Optimierung der Verwölbung des Glases ausrichten kann.In series of tests on different deposition intensities in the float bath, in which the compressive stress (CS, Compressive Stress) and the ion exchange depth (DoL, Depth of Layer) were respectively determined on the top (top) and bottom (glass) of the glass pane, the TinCount identified as a well-measurable size, the TinCount the superficial mass-related tin levels measured by X-ray fluorescence, to which a corresponding compensation measure for caused in the float bath primary asymmetries or an optimization of the warpage of the glass can align.
Genauer wird hier als TinCount der über Röntgenfluoreszenzanalyse bestimmte, massenbezogene Oberflächengehalt von SnO2 im Glas verstanden, ausgedrückt in ppm (parts per million). Der TinCount ist eine beim Floaten übliche Größe, der bei Bedarf umgerechnet werden kann in den Anteil von SnO2 in Gewichtsprozent bzw. Massenprozent, indem der TinCount-Wert durch 10^4 dividiert wird. Ein TinCount-Wert von 110 ist also gleichbedeutend mit einem Anteil von 0,011 Gew.-% SnO2 in der Oberfläche.More specifically, TinCount is understood here to mean the mass-related surface content of SnO 2 in the glass determined by X-ray fluorescence analysis, expressed in ppm (parts per million). The TinCount is a float size, which can be converted as needed into SnO 2 in weight percent or mass percent by dividing the TinCount value by 10 ^ 4. A TinCount value of 110 is thus equivalent to a proportion of 0.011 wt .-% SnO 2 in the surface.
Es wurde eine klare Abhängigkeit des Verwölbungsmoments bzw. der Kraftdifferenz (ΔS in N/mm ([CStop·DoLtop] – [CSbottom·DoLbottom])/2000)) von der TinCount-Differenz (ΔTinCount) bezüglich Unter- und Oberseite festgestellt, wie in
Zur Messung der Werte bezüglich Druckspannung (CS) und Ionen-Austauschtiefe (DoL) an beiden Seitenflächen der Glasscheibe wurde keine Standard-FSM-Messung (Surface Stress Meter/Oberflächenspannungs-Meter) eingesetzt, da diese bereits bei leichten Verwölbungen (warps) signifikante systematische Messfehler zeigen kann. Stattdessen wurde eine eigens für diese Untersuchung optimierte Messapparatur erstellt, bei welcher die zu messende Glasscheibe eingeebnet wird, um auch für dünne Scheiben plausible Unterschiede der Druckspannung und Ionen-Austauschtiefen für die beiden Oberflächen der Ober- und Unterseite zu erhalten. Zur Messung der Druckspannung (CS) und der Ionen-Austauschtiefe (DoL) wurde ein kommerziell erhältliches Messgerät (Hersteller „Orihara Industrial”, Modell „FSM-6000 LE”) modifiziert, um auch an dünnen und gegebenenfalls leicht gewölbten Glasscheiben zuverlässige Messungen durchführen zu können. Das Messverfahren erfordert einen engen Kontakt zwischen Probe und Prisma (als Teil des Messgerätes zur Einkopplung des Messlichts), der insbesondere auf der konkaven Seite von gewölbten Proben nicht immer gewährleistet ist. Die Probe wird daher durch Auflegen eines kleinen Gewichts in eine ebene Form gebracht. Das „Einebnen” gelingt besonders gut, wenn das Prisma bündig mit der Oberfläche des Messtisches abschließt. Hierzu wird der Prismenhalter nachbearbeitet, um das Prisma in der gewünschten, für diesen speziellen Anwendungsfall besonders günstigen Position einbauen zu können.No standard FSM (surface stress meter) measurement was used to measure compressive stress (CS) and ion exchange depth (DoL) values on both side surfaces of the glass, as this is significantly systematic even at slight warps Can show measurement error. Instead, a specially optimized for this investigation measuring apparatus was created, in which the glass pane to be measured is leveled to obtain even for thin slices plausible differences in compressive stress and ion exchange depths for the two surfaces of the top and bottom. To measure the compressive stress (CS) and the ion exchange depth (DoL), a commercially available measuring device (manufacturer "Orihara Industrial", model "FSM-6000 LE") was modified to perform reliable measurements on thin and slightly curved glass panes can. The measurement method requires close contact between the sample and the prism (as part of the measuring device for coupling the measuring light), which is not always guaranteed, especially on the concave side of curved samples. The sample is therefore made by placing a small weight in a flat shape. The "leveling" succeeds particularly well when the prism is flush with the surface of the measuring table. For this purpose, the prism holder is reworked in order to install the prism in the desired, for this particular application, particularly favorable position.
Durch die Beaufschlagung der Glasscheibe mit Schwefeldioxid (SO2) oder Schwefliger Säure (H2SO3), wie beispielsweise in der
Die Befunde der Daten aus Kraftdifferenz (ΔS) und der TinCount-Differenz (ΔTinCount) bezüglich Unter- und Oberseite (bottom-top) sind in
Soll diese Kraftdifferenz (ΔS) durch eine entsprechende Entgegengerichtete durch ΔNa2O kompensiert werden, so bedeutet das, dass das Na-verursachte ΔSNa und das Floatbad-verursachte ΔSTinCount sich gerade zu Null kompensieren sollen, also
Es ergibt sich durch Einsetzen mit der Formel:
Daraus ergibt sich die in
Somit wird erfindungsgemäß mindestens die Oberseite der beiden gegenüberliegenden Seitenflächen der Glasscheibe so lange mit Schwefeldioxid (SO2) oder Schwefliger Säure (H2SO3) beaufschlagt, bis für die Differenz der oberflächlichen Na2O-Gehalte (ΔNa2O) der beiden Seitenflächen in Massenprozent gilt:
Die günstigste Oberflächen-Auslaugungs-Differenz der Na2O-Gehalte (ΔNa2O) kann somit bei Kenntnis der TinCount-Differenz des infrage stehenden Glases direkt abgelesen werden.The most favorable surface leaching difference of the Na 2 O contents (ΔNa 2 O) can thus be read directly, knowing the TinCount difference of the glass in question.
Die Float-Glasscheibe
Insbesondere durch das Eindiffundieren von Zinn aus dem Float-Bad ist der oberflächliche Zinn-Gehalt auf der Float-Glasseite
Durch die Beaufschlagung mindestens der Oberseite
Auch bei der chemischen Vorspannung des Glases werden Natrium-Ionen an der Oberfläche des Glases gemäß der Erfindung bevorzugt durch Kalium-Ionen ausgetauscht. Folglich beeinflusst auch der Kalium-Gehalt (K+) den Natrium-Gehalt (Na+) und somit die Oberflächen-Auslaugungs-Differenz (ΔNa2O) zwischen den zwei gegenüberliegenden Seitenflächen
Mit der Erfindung werden Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden und auch nach dem Vorspannen bessere Werte hinsichtlich der Verwölbung erzielt.The invention avoids the disadvantages of the prior art and achieves better values for warping even after tempering.
Mit der Erfindung ist es nun möglich, eine Dünnglasscheibe mit einer standardisierten Verwölbung bzw. einem standardisierten Warp (Ws) nach dem chemischen Vorspannen von weniger als 300 μm, bevorzugt von weniger als 200 μm und besonders bevorzugt von weniger als 100 μm, bereitzustellen, vorzugsweise mit einer Druckspannung (CS, Compressive Stress) in der Oberfläche des Glases von mindestens 800 MPa und einer Austauschtiefe (DoL, Depth of Layer) der Alkali-Ionen der vorgespannten Schicht von mindestens 30 μm.With the invention, it is now possible to provide a thin glass pane with a standardized warp (W s ) after chemical tempering of less than 300 μm, preferably of less than 200 μm and particularly preferably of less than 100 μm, preferably with a compressive stress (CS, Compressive Stress) in the surface of the glass of at least 800 MPa and a depth of exchange (DoL, Depth of Layer) of the alkali ions of the prestressed layer of at least 30 μm.
Bevorzugt sieht die Erfindung ein Glas mit folgenden Bestandteilen im Inneren der Glasscheibe in Massenprozent vor:
Weitere günstige Nebenbedingungen ergeben sich insbesondere auch durch die Mengenverhältnisse beziehungsweise durch die Quotienten der Gesamtgehalte verschiedener bestimmter Komponenten.Further favorable secondary conditions result in particular from the quantitative ratios or from the quotients of the total contents of various specific components.
Eine günstige Nebenbedingung ist die Summe aller Anteile von Alkali- und Erdalkalioxiden. Dabei umfassen die Alkalioxide die Oxide der Elemente Li, Na, K und die Erdalkalioxide die Oxide der Elemente Mg, Ba und Ca. Die Summe der Alkali- und Erdalkalioxide sollte größer als 13 Massenprozent, bevorzugt größer als 15 Massenprozent betragen. LiO2 sollte weniger als 1 Massenprozent, bevorzugt weniger als 0,1 Massenprozent, betragen.A favorable constraint is the sum of all shares of alkali and alkaline earth oxides. In this case, the alkali oxides include the oxides of the elements Li, Na, K and the alkaline earth oxides, the oxides of the elements Mg, Ba and Ca. The sum of the alkali and alkaline earth oxides should be greater than 13% by mass, preferably greater than 15% by mass. LiO 2 should be less than 1 mass%, preferably less than 0.1 mass%.
Die Summe der Erdalkalioxide beträgt bevorzugt 7 Massenprozent oder weniger.The sum of the alkaline earth oxides is preferably 7% by mass or less.
Darüber hinaus enthält das Glas wenige Verunreinigungen, die durch die Wahl des Rohstoffes unvermeidbar sind.In addition, the glass contains few impurities, which are unavoidable by the choice of the raw material.
Weiterhin kann das Glas 0–2%, vorzugsweise 0–1% weitere Komponenten, wie Läutermittel, Chloride, Sulfate, CaO, SrO, BaO, aufweisen. Bevorzugt ist das Glas, wie oben gesagt, frei von CaO. Ebenso wird bevorzugt, dass das Glas frei von ZrO2 ist. Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass der Begriff „frei von” jeweils so zu verstehen ist, dass durch die Wahl des Rohstoffes und der Kontaktmaterialien unvermeidbare Spuren der vorgenannten Materialien CaO und ZrO2 noch enthalten sein können.Furthermore, the glass may have 0-2%, preferably 0-1%, further components such as refining agents, chlorides, sulfates, CaO, SrO, BaO. Preferably, as stated above, the glass is free of CaO. It is also preferred that the glass is free of ZrO 2 . It is obvious to the person skilled in the art that the term "free from" is to be understood in each case as meaning that unavoidable traces of the abovementioned materials CaO and ZrO 2 can still be contained by the choice of the raw material and the contact materials.
ZrO2 ist zwar gut für das Kratzverhalten und verhält sich im Hinblick auf den Ionentausch neutral. Bei zu hohen Gehalten an ZrO2 steigt die Entglasungsneigung des Glases während des Schmelz- und Formgebungsprozesses deutlich an, was sich insbesondere bei der Heißformgebung mit Overflow-Fusion störend bemerkbar macht. Daher sollte das Glas frei von ZrO2 sein.Although ZrO 2 is good for the scratching behavior and is neutral with respect to the ion exchange. At too high levels of ZrO 2 , the devitrification tendency of the glass increases significantly during the melting and shaping process, which is particularly noticeable in hot forming with overflow fusion. Therefore, the glass should be free of ZrO 2 .
Nachfolgend werden weitere Aspekte der Glaszusammensetzung und deren Eigenschaften, insbesondere auch die erhöhte Kratztoleranz bei gleichzeitig guter Vorspannbarkeit, erläutert.In the following, further aspects of the glass composition and its properties, in particular also the increased scratch tolerance and at the same time good prestressability, will be explained.
SiO2 ist als Majoritätskomponente und Glasbildner wichtig für die Stabilisierung des Netzwerkes. Dies ist unter anderem für ausreichende chemische Resistenzen des Glases vorteilhaft. Zu geringe SiO2-Gehalte führen zu einer erhöhten Entglasungsneigung. Auf der anderen Seite bringen sehr hohe Gehalte an SiO2 auch hohe Schmelztemperaturen mit sich. Weiterhin besitzt ein Glas mit hohem SiO2-Gehalt eine sehr dichte Struktur, was für den Ionenaustausch schädlich ist.SiO 2 is important as a majority component and glass former for the stabilization of the network. This is advantageous, inter alia, for sufficient chemical resistance of the glass. Insufficient SiO 2 contents lead to an increased devitrification tendency. On the other hand, very high levels of SiO 2 also entail high melting temperatures. Furthermore, a glass with a high SiO 2 content has a very dense structure, which is detrimental to ion exchange.
Al2O3 verbessert das Kratzverhalten und erweist sich gleichzeitig für den Ionenaustausch als positiv. Letzteres zeigt sich auf eindrucksvolle Weise im Vergleich der CS- und DoL-Werte von Alkali-Alumosilicatgläsern im Vergleich zu Kalk-Natron Varianten. Erstere erreichen beim Ionenaustausch deutlich höhere Werte. Al2O3 verhindert die Ausbildung von nicht verbrückenden Sauerstofffunktionen (NBO, non bridging oxygen) in der Glasstruktur, die sich in rein silicatischen Gläsern durch die Netzwerkwandler ergeben. Jedoch wird durch Al2O3 der Schmelzpunkt deutlich erhöht und allzu große Mengen verschlechtern die Entglasungsneigung sowie die Resistenz gegenüber Säuren. Auch hier wird mit der Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Gläser eine gute Balance zwischen nicht zu hohem Erweichungspunkt und geringer Entglasungsneigung einerseits und andererseits guter Kratztoleranz und guter Ionenaustauschbarkeit andererseits erzielt.Al 2 O 3 improves the scratching behavior and at the same time proves to be positive for ion exchange. The latter can be seen in an impressive manner when comparing the CS and DoL values of alkali aluminosilicate glasses compared to soda lime variants. The former achieve significantly higher values during ion exchange. Al 2 O 3 prevents the formation of non-bridging oxygen (NBO) in the glass structure that results in purely silicatic glasses through the network transducers. However, the melting point is significantly increased by Al 2 O 3 , and excessively large amounts deteriorate the devitrification tendency as well as the resistance to acids. Again, the composition of the glasses according to the invention achieves a good balance between not too high softening point and low devitrification tendency on the one hand and good scratch tolerance and good ion exchange on the other.
B2O3 zeigt bezüglich des Kratzverhaltens einen stark positiven Einfluss, gleiches gilt für das Schmelzverhalten. Allerdings behindert es den Ionenaustausch sehr deutlich und die Prozesszeiten werden zu lang. Anderenfalls müssen die Prozesstemperaturen beim Ionentausch erhöht werden. Um dies zu verhindern, ist der Einsatz von B2O3 auf ein maßvolles Gehalt zu beschränken. Nach der
Nach der
Fluor hat bei zu hohen Gehalten einen negativen Einfluss auf das Kratzverhalten des Glases und überdies auf den Ionentausch. Bei geringen Borgehalten im Glas ist die Einführung von Fluor als Glasbestandteil jedoch überraschend positiv. Ist der Fluorgehalt zu niedrig, ergibt sich ein schlechtes Einschmelzverhalten des Glasgemenges. Weiterhin macht sich ein schlechter Ionentausch und wiederum ein schlechtes Kratzverhalten bemerkbar. At too high a level, fluorine has a negative influence on the scratch behavior of the glass and, moreover, on ion exchange. At low boron levels in the glass, however, the introduction of fluorine as a glass component is surprisingly positive. If the fluorine content is too low, this results in a poor melting behavior of the glass batch. Furthermore, a bad ion exchange and again a bad scratching behavior is noticeable.
Die Alkali- (Na2O, K2O) und Erdalkalioxide (MgO, CaO, SrO, BaO) vermindern die Kratztoleranz. Dies ist vermutlich auf die Generierung von nicht verbrückenden Sauerstoffen (NBO, non bridging oxygen) in der Glasstruktur zurückzuführen. CaO, SrO und BaO sowie ZnO behindern den Ionenaustausch und sind daher nur in geringen Mengen zu verwenden.The alkali (Na 2 O, K 2 O) and alkaline earth oxides (MgO, CaO, SrO, BaO) reduce the scratch tolerance. This is probably due to the generation of non-bridging oxygen (NBO) in the glass structure. CaO, SrO and BaO as well as ZnO impede the ion exchange and therefore can only be used in small amounts.
P2O5 begünstigt den Ionenaustausch. Des Weiteren kann durch Zugabe von P2O5 der negative Einfluss von B2O3 vermindert werden. Zu geringe Mengen P2O5 wirken positiv gegen Entglasung, zu hohe reduzieren die chemische Resistenz und erhöhen die Verdampfung während des Schmelzprozesses.P 2 O 5 promotes ion exchange. Furthermore, by adding P 2 O 5, the negative influence of B 2 O 3 can be reduced. Too low amounts of P 2 O 5 have a positive effect against devitrification, too high reduce the chemical resistance and increase the evaporation during the melting process.
CeO2 und bevorzugt SnO2 dienen als redoxaktive Läutermittel. Zu niedrige Werte führen zu vielen Blasen im Glas, zu hohe erzeugen Schmelzrelikte und bringen unerwünschte Farbe ins Glas.CeO 2 and preferably SnO 2 serve as redox-active refining agents. Too low values lead to many bubbles in the glass, too high produce melting relics and bring unwanted color into the glass.
Das Glas soll vorzugsweise ferner frei von den konventionellen aber gesundheitsgefährdenden bzw. umweltschädlichen Läutermitteln As2O3 und Sb2O3 sein.The glass should preferably also be free from the conventional but harmful or environmentally harmful refining agents As 2 O 3 and Sb 2 O 3 .
Mit einem Glas der oben angegebenen Zusammensetzung lassen sich auch hohe Vorspannwerte und/oder eine schnelle chemische Vorspannung erzielen. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung daher zur Erhöhung der Festigkeit auch ein chemisch vorgespanntes Glas mit der oben genannten Zusammensetzung, wobei das Glas durch Austausch von Natrium- gegen Kalium-Ionen an dessen Oberfläche chemisch vorgespannt ist.With a glass of the above composition also high bias values and / or a fast chemical bias can be achieved. According to a further aspect, the invention therefore also relates to a chemically toughened glass having the above-mentioned composition for increasing the strength, the glass being chemically toughened by exchanging sodium ions for potassium ions on its surface.
Mit einer solchen Vorspannung durch Austausch von Natrium- durch Kaliumionen weist das Glas eine standardisierte Verwölbung bzw. einen standardisierten Warp (Ws) nach dem chemischen Vorspannen von weniger als 300 μm auf, bevorzugt von weniger als 200 μm und besonders bevorzugt von weniger als 100 μm, und die Druckspannung (CS, Compressive Stress) in der Oberfläche des Glases beträgt mindestens 800 MPa und die Austauschtiefe (DoL, Depth of Layer) der Alkaliionen der vorgespannten Schicht beträgt mindestens 30 μm.With such a bias by exchanging sodium with potassium ions, the glass has a standard warp (W s ) after chemical tempering of less than 300 μm, preferably less than 200 μm, and more preferably less than 100 μm, and the compressive stress (CS, Compressive Stress) in the surface of the glass is at least 800 MPa, and the depth of exchange (DoL) of the alkali ions of the prestressed layer is at least 30 μm.
Die erfindungsgemäßen Gläser zeichnen sich weiterhin durch Glasübergangstemperaturen (Tg) von größer als 580°C aus. Da bei ausreichenden Spannungen im Glas auch unterhalb des Glasübergangs Relaxationsvorgänge im Glas relevant werden, ist ein hoher Tg-Wert für das chemische Vorspannen relevant und von besonderem Vorteil.The glasses according to the invention are furthermore distinguished by glass transition temperatures (T g ) of greater than 580 ° C. Since relaxation processes in the glass become relevant if there are sufficient stresses in the glass, even below the glass transition, a high Tg value for the chemical tempering is relevant and of particular advantage.
Um als Deckglas, insbesondere für elektronische Anzeigen zu dienen, wird das Glas besonders bevorzugt scheibenförmig hergestellt. Die Formgebung für solche Glasscheiben kann durch Floaten, Ziehen (Up- bzw. Downdraw), Walzen oder Overflow-Fusion erfolgen.In order to serve as a cover glass, in particular for electronic displays, the glass is particularly preferably made disc-shaped. The shaping for such glass panes can be done by floating, pulling (up or downdraw), rolling or overflow fusion.
Erfindungsgemäße Gläser weisen im Allgemeinen Arbeitstemperaturen, beziehungsweise einen Arbeitspunkt (Viskosität von 104 dPas) von kleiner bzw. gleich 1380°C auf. Die Gläser können somit in gängigen Wannentypen für Spezialgläser geschmolzen werden, und die Heißformgebung kann durch die oben genannten Heißformungsverfahren Floaten, Ziehen (Up- bzw. Downdraw), Walzen oder Overflow-Fusion problemlos erfolgen.Glasses according to the invention generally have working temperatures, or an operating point (viscosity of 10 4 dPas) of less than or equal to 1380 ° C. The glasses can thus be melted in common types of special glass jars, and the hot forming can easily be accomplished by the above-mentioned hot forming techniques such as floating, drawing (up- or downdrawing), rolling or overflow fusion.
Daher betrifft die Erfindung gemäß noch einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Glases, bei welchem ein erfindungsgemäßes Glas bereitgestellt und durch Heißformung zu einem Glas in Form einer Glasscheibe verarbeitet wird, wobei die Heißformung eines der Verfahren Floaten, Ziehen, Walzen oder Overflow-Fusion umfasst.Therefore, according to yet another aspect, the invention relates to a process for producing a disc-shaped glass in which a glass according to the invention is provided and processed by heat-forming into a glass in the form of a glass pane, wherein the hot-forming of one of the processes comprises floating, drawing, rolling or overflowing. Includes fusion.
Im Speziellen ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Glasscheibe, insbesondere einer Float-Glasscheibe, vorgesehen, mit den Schritten:
- – Ziehen eines Glasbandes, aus welchem die Glasscheibe abgetrennt wird, aus einer Glasschmelze durch einen Float-Prozess,
- – Abkühlen des Glasbandes oder der aus dem Glasband bereits abgetrennten Glasscheibe, wobei
- Drawing a glass ribbon from which the glass sheet is separated, from a molten glass by a float process,
- - Cooling of the glass ribbon or the already separated from the glass sheet glass, wherein
Diese oben genannte Abkühlung kann noch am Float-Glasband, oder an der zuvor abgetrennten Float-Glasscheibe erfolgen. Allgemein kann daher das Abtrennen der Float-Glasscheibe vom Glasband vor oder nach der Abkühlung mit einem symmetrischen oder unsymmetrischen beziehungsweise gleichartigen Temperatur-/Zeit-Verlaufs erfolgen. Es ist ebenso auch möglich, das Abtrennen während dieses Abkühlvorgangs vorzunehmen. In beiden Fällen kann auch eine vorhergehende Aufheizung erfolgen, um dann die kontrollierte Abkühlung bezüglich der beiden Seiten der Float-Glasscheibe oder des Glasbandes mit einem symmetrischen oder unsymmetrischen Temperatur-Zeit-Verlauf vorzunehmen.This cooling above can still be done on the float glass ribbon, or on the previously separated float glass. In general, therefore, the separation of the float glass from the glass ribbon before or after cooling can be done with a symmetrical or asymmetrical or similar temperature / time curve. It is also possible to perform the separation during this cooling process. In both cases, a previous heating can be done to then perform the controlled cooling with respect to the two sides of the float glass or the glass ribbon with a symmetrical or asymmetrical temperature-time course.
Die Temperatureinstellung beziehungsweise der symmetrische oder unsymmetrische Abkühlvorgang wird vorzugsweise direkt nach der Heißformgebung am Ende des Float-Bads bzw. nach der Formgebung im Ziehprozess gewährleistet. Sie kann auch je nach Prozessführung zu Beginn des Kühlprozesses realisiert werden.The temperature setting or the symmetrical or asymmetrical cooling process is preferably ensured directly after the hot forming at the end of the float bath or after shaping in the drawing process. It can also be realized at the beginning of the cooling process, depending on the process.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, durch asymmetrische Aufheizung einer Glasseite beziehungsweise durch unterschiedliche Beheizung der beiden Seitenflächen des Glasbandes, gegebenenfalls auch der bereits abgetrennten Float-Glasscheibe, die Temperaturen an den beiden Seitenflächen beziehungsweise Ober- und Unterseite gezielt einzustellen. Auf diese Weise kann im kritischen Bereich der Struktureinstellung der Gläser im Viskositätsbereich von 1011,3 dPas bis 1014,5 dPas während der Abkühlung zumindest zeitweise, vorzugsweise durchgehend, eine symmetrische oder eine definiert unsymmetrische Temperaturverteilung in Richtung von einer Seitenfläche zur anderen gegenüberliegenden Seitenfläche hergestellt werden. Dadurch können sich die Strukturen an den Seitenflächen, beziehungsweise der Ober- und Unterseite entsprechend einstellen.For this purpose, it may be advantageous, by asymmetrically heating a glass side or by different heating of the two side surfaces of the glass ribbon, optionally also the already separated float glass, the temperatures at the two side surfaces or top and bottom set specifically. In this way, in the critical region of the structural adjustment of the glasses in the viscosity range from 10 11.3 dPas to 10 14.5 dPas during cooling at least temporarily, preferably continuously, a symmetrical or a defined asymmetrical temperature distribution in the direction from one side surface to the other opposite side surface getting produced. As a result, the structures on the side surfaces, or the top and bottom can adjust accordingly.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Float-Glasscheibe nach dem Schritt des Abkühlens, bei welchem im Temperaturbereich zwischen dilatometrischem Erweichungspunkt und unterem Kühlpunkt die beiden gegenüberliegenden Seitenflächen der Float-Glasscheibe mit einem symmetrischen oder asymmetrischen Temperatur-/Zeit-Verlauf beaufschlagt werden, in einem Salzbad chemisch vorgespannt wird.In a further development of the invention, it is provided that the float glass pane after the cooling step, wherein in the temperature range between the dilatometric softening point and the lower cooling point, the two opposite side surfaces of the float glass pane with a symmetrical or asymmetric temperature / time history applied be chemically pre-stressed in a salt bath.
Das Vorspannen erfolgt bevorzugt durch Austausch von im Glas enthaltenen Natrium-Ionen durch Kalium-Ionen aus einem Salzbad. Demgemäß wird in Weiterbildung des Verfahrens nach der Heißformung, vorliegend bevorzugt nach dem Floaten, zu einer Glasscheibe ein Ionenaustausch in einem Kalium-Ionen enthaltenen Salzbad durchgeführt.The biasing is preferably carried out by exchange of sodium ions contained in the glass by potassium ions from a salt bath. Accordingly, in a further development of the method after the hot forming, in this case preferably after floating, an ion exchange is carried out in a salt bath containing potassium ions to form a glass pane.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist dabei ein Verfahren zur Herstellung eines chemisch vorgespannten Glases vorgesehen, wobei ein scheibenförmiges Glas, bevorzugt mit einer Länge (l0) von 217 mm, einer Breite (b0) von 130 mm und einer Scheibendicke (D0) von 0,7 mm, aus einem oben genannten Glas geschnitten und anschließend für eine Dauer von mindestens 1,5 Stunden, gemäß einem standardisierten chemischen Vorspannprozess bevorzugt für 4 Stunden in einem Salzbad, welches Kalium-Ionen enthält gelagert wird. Dabei beträgt die Temperatur mindestens 300°C, bevorzugt 200 K weniger als die Glasübergangstemperatur (Tg). Die Natrium-Ionen des Glases werden an dessen Oberfläche durch Kalium-Ionen des Salzbades zumindest teilweise ausgetauscht. Oberseite und Zinnbadseite der Float-Glasscheiben werden dabei mit dem gleichen Temperatur-Zeitprofil beaufschlagt, so dass Asymmetrien in der chemischen Vorspannung der Oberseite und Zinnbadseite nicht aus dem Vorspannprozess resultieren können.According to one embodiment of the invention, a method for producing a chemically tempered glass is provided, wherein a disk-shaped glass, preferably with a length (l 0 ) of 217 mm, a width (b 0 ) of 130 mm and a disk thickness (D 0 ) of 0.7 mm, cut from a glass mentioned above and then stored for a period of at least 1.5 hours, according to a standardized chemical tempering process preferably for 4 hours in a salt bath containing potassium ions. The temperature is at least 300 ° C, preferably 200 K less than the glass transition temperature (Tg). The sodium ions of the glass are at least partially replaced by potassium ions of the salt bath at its surface. The upper side and the tin bath side of the float glass panes are subjected to the same temperature-time profile, so that asymmetries in the chemical pretensioning of the upper side and tin bath side can not result from the tempering process.
Nach dem standardisierten chemischen Vorspannprozess beträgt typischerweise die Austauschtiefe (DoL) der Alkali-Ionen mindestens 30 μm, und die Druckspannung (CS) an der Oberfläche beträgt typischerweise mindestens 800 MPa.Typically, according to the standard chemical tempering process, the exchange depth (DoL) of the alkali ions is at least 30 μm, and the compressive stress (CS) at the surface is typically at least 800 MPa.
Für den Ionenaustausch haben sich eine Temperatur des Salzbads im Bereich von 380°C bis 460°C und eine Lagerungsdauer der Glasscheibe im Salzbad im Bereich von 1 bis 10 Stunden als besonders günstig erwiesen.For the ion exchange, a temperature of the salt bath in the range of 380 ° C. to 460 ° C. and a storage period of the glass pane in the salt bath in the range of 1 to 10 hours have proven to be particularly favorable.
Das chemische Vorspannen erfolgt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch Lagern in einem Salzbad, welches überwiegend KNO3 enthält. Optional können weitere kaliumhaltige Komponenten, wie K3PO4, K2SO4 und KOH im Salzbad enthalten sein. Bevorzugt wird eine reine KNO3-Schmelze mit vorzugsweise mehr als 99,9% KNO3. Gegebenenfalls kann auch ein silberhaltiges Salz, wie beispielsweise AgNO3, enthalten sein. Durch das Eindiffundieren von Silber-Ionen beim Ionenaustausch können dem Glas auf diese Weise auch antibakterielle Wirkungen verliehen werden.The chemical toughening is carried out according to an embodiment of the invention by storing in a salt bath containing predominantly KNO 3 . Optionally, further potassium-containing components such as K 3 PO 4 , K 2 SO 4 and KOH may be contained in the salt bath. A pure KNO 3 melt with preferably more than 99.9% KNO 3 is preferred. Optionally, a silver-containing salt, such as AgNO 3 , may be included. By diffusing silver ions during ion exchange, the glass can also be given antibacterial effects in this way.
Mit dem erfindungsgemäßen Glas kann weiterhin eine hohe Druckspannung und hohe Eindringtiefe mittels eines einstufigen Vorspannens erzielt werden. Eine einstufige Vorspannung ist gegenüber mehrstufigen Verfahren, bei denen das Glas nacheinander in verschiedenen Salzbädern gelagert wird, weniger aufwändig und schneller.With the glass according to the invention can continue to be achieved by means of a single-stage biasing a high compressive stress and high penetration depth. A single-stage bias is less expensive and faster compared to multi-stage processes in which the glass is stored successively in different salt baths.
Die Scheiben werden anschließend der Salzschmelze entnommen und gereinigt. Anschließend wird die Verwölbung bzw. der Warp gemäß
Die in dieser Beschreibung angegebenen Warp-Werte beziehen sich grundsätzlich auf den vorgespannten Zustand und nicht auf den unvorgespannten Zustand, soweit nicht explizit angegeben.The warp values given in this description basically refer to the prestressed condition and not to the unbiased condition, unless explicitly stated.
Der standardisierte Warp (Ws) entspricht vom Betrag her dem Warp gemäß
Für Float-Glasscheiben abweichender Scheibendicken kann der standardisierte Warp (Ws) nach dem chemischen Vorspannen näherungsweise ermittelt werden, indem der Warp (W) entsprechend dem beschriebenen Verfahren bestimmt wird und anhand der folgenden Formel auf die vorgegebene Scheibendicke (D0) für den standardisierten Warp (Ws) umgerechnet wird:
Ebenso kann der standardisierte Warp (Ws) nach dem chemischen Vorspannen für Float-Glasscheiben abweichender Scheibenabmessungen mit einer Länge (1) und einer Breite (b) entsprechend dem beschriebenen Verfahren näherungsweise ermittelt werden und anhand der folgenden Formel auf die vorgegebene Scheibenabmessung für den standardisierten Warp (Ws) umgerechnet werden:
Die Abmessungen b, 1 und D der Scheiben sollten dabei allerdings nicht zu stark, insbesondere nicht mehr als zwischen 50% und 200%, von den standardisierten Abmessungen b0, l0 und D0 abweichen, da es sich um mathematische Näherungsformeln handelt.However, the dimensions b, 1 and D of the disks should not deviate too much, in particular not more than between 50% and 200%, from the standardized dimensions b 0 , l 0 and D 0 , since these are mathematical approximations.
Eine mögliche Weiterverarbeitung der Glasscheibe kann auch das Einbringen von Löchern, Aussparungen oder Vertiefungen, beispielsweise durch Bohren oder Fräsen umfassen. Das Weiterverarbeiten, wie insbesondere das Zuschneiden auf ein vorgesehenes Format oder Fräsen, Bohren, Ätzen, Sandstrahlen kann vor dem Lagern in einem Salzbad durch zumindest einen der Schritte Schneiden, Brechen oder Schleifen erfolgen. Wird die Glasscheibe durch Floaten geformt, ist auch eine polierende Nachbearbeitung der Oberfläche vorteilhaft, um Zinn-Verunreinigungen zu entfernen. Die Weiterverarbeitung erfolgt vorzugsweise vor dem chemischen Vorspannen, um Beschädigungen beim Bearbeiten aufgrund der nach dem Vorspannen vorhandenen Spannungen zu vermeiden.A possible further processing of the glass sheet may also include the introduction of holes, recesses or depressions, for example by drilling or milling. The further processing, such as, in particular, the cutting to a designated format or milling, drilling, etching, sandblasting can be done prior to storing in a salt bath by at least one of the steps cutting, breaking or grinding. When the glass sheet is formed by floating, polishing of the surface is also advantageous for removing tin impurities. The further processing preferably takes place before the chemical pretensioning in order to avoid damage during processing due to the stresses existing after prestressing.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Float-GlasscheibeFloat glass
- 22
- Seitenflächeside surface
- 33
- Seitenflächeside surface
- 44
- Oberseite (top)Top (top)
- 55
- Float-Glasseite/Unterseite (bottom)Float glass side / bottom (bottom)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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