DE1421824B2

DE1421824B2 - Verfahren zum Erzeugen unterschiedlicher Spannungszonen in einem Glasgegenstand

Info

Publication number: DE1421824B2
Application number: DE19611421824
Authority: DE
Inventors: Jean Neuilly-sur-Seine Paymal (Frankreich)
Original assignee: Compagnie de Saint Gobain SA
Current assignee: Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date: 1960-01-08
Filing date: 1961-01-05
Publication date: 1970-03-05
Also published as: US3258352A; DE1421824A1; GB954576A; FR1253956A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen unterschiedlicher Spannungszonen in einem Glasgegenstand und richtet sich auch auf die Anwendung dieses Verfahrens zur Erzielung differenzierter Spannungsbereiche.

Es ist bekannt, daß Korpuskularstrahlen in Materialien Modifikationen hervorrufen, die zu merklichen Dimensionsänderungen führen können. Wenn diese Änderungen in jedem Augenblick an sämtlichen Stellen der Oberfläche und der Dicke des Gegenstandes gleichförmig sind, zeigt sich im Gegenstand keinerlei Spannung.

Andererseits war es bisher erforderlich, wenn Gläser mit differentiellen Spannungszuständen erzeugt werden sollten, d. h. Spannungszuständen, die sich von einer Zone der Oberfläche eines Gegenstandes zur nächsten änderten, differenzierte thermische Härtebzw. Vorspannlingsbehandlungen vorzunehmen, bei denen der Gegenstand bis in die Nähe seines Erweichungspunktes erwärmt werden mußte.

Erfindungsgemäß soll nun, möglichst unter Ausnutzung des Einflusses von Korpuskularstrahlen auf Glas ein Verfahren gefunden werden, mit dem Spannungszustände heterogen auf der Oberfläche des Glasgegenstandes sich verteilen lassen.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß der Glasgegenstand Korpuskularstrahlen ausgesetzt wird, wobei bestimmte Zonen des Gegenstandes durch einen die Strahlung vollständig oder teilweise absorbierenden Schirm abgedeckt sind.

Es wird also vermieden, daß der Glasgegenstand auf erhöhte Temperaturen gebracht werden muß, wie dies für die Härtung bzw. Vorspannung bisher notwendig war. Dies hat wiederum zur Folge, daß die Gefahren einer Verformung der Gegenstände ausgeschaltet werden.

Es ist auch möglich, Vorrichtungen zur Messung der Doppelbrechung nach dem neuen Verfahren herzustellen, die sich durch Eigenschaften auszeichnen, die denen der bisher bekannten Erzeugnisse für den gleichen Zweck erheblich überlegen sind.

Diese Meßvorrichtungen bestanden bisher in der Regel entweder aus unter Spannung gehärteten Kunststoffelementen oder aus Lamellen, die aus doppelbrechenden Kristallen ausgeschnitten wurden, Meßlamellen der ersten Art haben den Nachteil der mangelnden Stabilität, die der zweiten Art sind zu teuer. Demgegenüber würde es durch die erfindungsgemäße Maßnahme möglich, solche Meßlamellen durch ein billiges, zuverlässig arbeitendes Verfahren zu vergleichsweise niedrigen Kosten herzustellen.

Besteht der zu behandelnde Gegenstand aus einem Glas, dessen Dichte steigt, d. h., welches sich durch die Bestrahlung zusammenzieht, so werden die der Strahlung unterworfenen Zonen des Gegenstandes einer Zugspannung, die durch den Schirm geschützten Zonen einer Druckspannung ausgesetzt.

Erfindungsgemäß arbeitet man vorzugsweise mit Gläsern folgender Zusammensetzung in Molprozent :

SiO₂ zwischen 50 und 99,

Al₂O₃ zwischen O und 20,

B₂O₃ zwischen O und 50,

Li₂O + NaoO + M₂O zwischen O und 20,

MgO + CaO + SrO + BaO zwischen O und 30,

PbO zwischen O und 20,

mit folgenden Bedingungen:

SiO₂ + B₂O + Al₂O₃ höher als 75, M₂O + MO + PbO zwischen O und 25, B₂O₃ mehr als 1 oder Li₂O mehr als 10 (M₂ bedeutet Alkalimetalle, M = Erdalkalimetalle).

Besteht umgekehrt der behandelte Gegenstand aus einem Glas, welches sich unter dem Einfluß der Bestrahlung ausdehnt, so erscheinen die Druckspannungen in den freiliegenden Zonen, während die durch einen Schirm abgedeckten Zonen einer Zugspannung ausgesetzt sind.

Derartige Gläser haben zweckmäßig folgende Zusammensetzung in Molprozent:

SiO₂ zwischen 10 und 70,
Al₂O₃ zwischen O und 20,
B₂O₃ zwischen O und 50,
L^₂O + Na₂O + K₂O zwischen O und 30, MgO + CaO + SrO + BaO zwischen O und 30, PbO zwischen O und 85,

mit folgenden Bedingungen:

SiO₂ + B₂O₃ + Al₂O₃ geringer als 85, M₂O + MO + PbO höher als 15, B₂O₃ höher als 1 oder Li₂O höher als 10.

(M₂ bedeutet Alkalimetalle, M = Erdalkalimetalle).

Das Verfahren kann mit einer großsn Anwendung sfeinheit durchgeführt werden. Man kann dem Schirm jede gewünschte Form gaben. Der Schirm kann, um die Strahlung vollständig zu absorbieren, ziemlich stark gewählt werden oder im Gegensatz hierzu so ausgebildet sein, daß ein Teil der Strahlung durchzutreten vermag.

Man kann auch einen Schirm von unterschiedlicher Stärke verwenden, so daß hierdurch eine progressive Veränderung der Bestrahlungswirkung erzielt wird, und zwar ausgehend von der der Bestrahlung unmittelbar ausgesetzten Zone bis zu der durch Zwischenschaltung des Schirmes vollständig abgeschirmten Zone,

Zur Durchführung der Erfindung wird vorzugsweise ein thermischer Neutronenstrahl verwendet, der beispielsweise durch einen Atommeiler erzielt wird. In diesem Fall wird der Schirm vorzugsweise aus einer Cadmiumscheibe gebildet oder durch ein Material, welches ein Element hoher Absorptionswirkung enthält, wie beispielsweise Bor-10, Lithium-6 oder Gadolinium-159.

Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung, da sie es insbesondere ermöglicht, in sehr einfacher Weise Druckspannungen an den Kanten behandelter Gegenstände zu erzielen, wodurch eine bessere mechanische Widerstandsfähigkeit dieser Gegenstände erzielt wird.

Die Zugspannungen, die die Druckspannungen ausgleichen, können sehr gering sein, wenn, wie dies in den nachfolgenden Beispielen aufgezeigt wird, die entsprechenden Flächenverhältnisse zwischen den ausgesetzten und abgeschützten Zonen gewählt werden.

Die Erläuterung der Beispiele erfolgt an den Fig. 1 bis 12, die in einfacher schematischer Weise Darstellungen der Platten, der Eichgeräte und der erzielten Ergebnisse aufzeigen.

Beispiel 1

Es wird eine rechtwinklige, 15x50x1 mm große Glasplatte verwendet. Die Analyse des Glases ergab

3 4

folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent: angeordnet. Die so abgedeckte Platte wird einer

Q-Q η? /- thermischen Neutronenbestrahlung entsprechend einer

ü Q² 15'^ Gesamtdosis von 8,7 · 10¹⁷ n/cm² mit einer Intensität,

a²I ο 2*3 ^w'^{e s}'^e 'ⁿ ^^{en vor}h^erg²h^3ncien Beispielen erwähnt

_CaQ³ Q₄ 5 wurde, ausgesetzt.

03 Die Platte erhält dadurch in den Randzonen, d. h.

/2 den Zonen, die nicht durch einen Schirm abgedeckt

£ Q -γη sind, Druckspannungen, die einen mittleren Wert von

² ' 435 m/i/cm, d. h. 275 kg/cm², betragen, während in

Zwei Randbereiche dieser Platte, und zwar die der 10 der mittleren Zone Zugspannungen entstehen, die

beiden großen Flächen sind auf ihren beiden Seiten einen Mittelwert von 630 m/i/cm, d. h. 325 kg/cm²,

(Fig. 1 und 2) durch die Schirme 1, la, welche aufweisen.

aus Cadmiumfolien von 0,4 mm Dicke bestehen, ab- Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann in

gedeckt, wobei ihre Breite 3,75 mm beträgt. einer Glasscheibe eine Barriere gegen die Fortpflanzung

Unter diesen Bedingungen ist die Gesamtoberfläche 15 eines Bruchs erzielt werden.

der abgedeckten Zonen gleich der ausgesetzten Ober- Verwendet man ein Glas, welches sich unter der fläche 2. Die gesamte Anordnung wird einem Neutro- Bestrahlung ausdehnt, wird die Zone, die die Barriere nenfluß von 10¹² n/cm²/Sek. bei einer Temperatur bilden soll, der Bestrahlung ausgesetzt, während der von 70 bis 8O⁰C ausgesetzt. Die Bestrahlungsdosis übrige Teil der Glasscheibe abgeschirmt wird,
beträgt 3 · 10¹⁷/ n/cm². 20 Verwendet man ein Glas, welches sich unter der Anschließend wird die Platte untersucht. Es wurde Wirkung der Bestrahlung zusammenzieht, wird ledigfestgestellt, daß Spannungen vorhanden sind, deren lieh die Barriere während der Bestrahlung abgedeckt, graphische Darstellungen in Abhängigkeit der Ent- Arbeitet man mit einem vorher gehärteten Glas, fernung der Längsseite L, L' entsprechend der Dar- werden selbstverständlich die durch das Härten stellung in F i g. 3 sind, in denen Druckspannungen c 25 entstandenen Spannungen durch die erfindungsgemäße und Zugspannungen e in ihrem absoluten Wert im Behandlung verändert,
wesentlichen gleich sind und einen mittleren Wert

von 1000 m μ/cm haben, was unter Berücksichtigung Beispiel 5
der photoelektrischen Konstante der so bestrahlten

Platte etwa 270 kg/cm² entspricht. 30 Herstellung von Eichmaßstäben

zur Feststellung von Gangunterschieden

Beispiel 2 Zur Beurteilung der Differenz des optischen Weges

in Spannungen unterworfenen Gegenständen werden

Es wird wie im Beispiel 1 gearbeitet, jedoch unter Eichmaßstäbe benutzt. Diese Eichmaßstäbe bestehen Verwendung von Schirmen, deren Breite nur 1,5 mm 35 in den meisten Fällen aus unter Spannungen gehärteten beträgt. Man erzielt nunmehr eine Verteilung der Kunststoff lamellen oder aus zugeschnittenen Lamellen Spannungen, wie in F i g. 4 dargestellt, wobei die in doppelbrechenden Kristallen. Die erstgenannten Druckspannungen an den Kanten einen mittleren Eichmaßstäbe haben den Nachteil, unstabil zu sein, Wert von 3900 m/i/cm, d. h. etwa 1000 kg/cm², haben, während die zweiten kostspielig sind. Man kann während die Zugspannungen in dem mittleren Teil 40 derartige Eichmaßstäbe auch dadurch herstellen, daß nur einen mittleren Wert von 720 m/i/cm, d.h. Glaslamellen, die teilweise durch absorbierende Schirme 200 kg/cm², besitzen. entsprechender Form und Stärke abgedeckt werden,

*' einer Bestrahlung ausgesetzt werden.

Beispiel3 So kann beispielsweise eine quaderförmige Borglas-

45 platte von 2 X 7 X 0,1 cm verwendet werden, deren

Eine Scheibe des gleichen Glases wie in den vorher- beide große Seiten durch eine Cadmiumfolie von gehenden Beispielen von 21 mm Durchmesser und 0,5 mm Stärke abgedeckt sind. Diese Folien sind derart 1,3 mm Stärke, an den Kanten durch einen Cadmium- ausgeschnitten, daß eine trapezförmige Zone der kranz von 3 mm Breite und 0,4 mm Stärke geschützt, Platte frei bleibt (F i g. 5 und 6). Die jede Seite wurde mit 8 · 10¹⁷ n/cm² bestrahlt, und zwar unter 50 bedeckenden Cadmiumbänder können voneinander den gleichen Bedingungen wie in den vorhergehenden unabhängig sein und können durch beliebige Mittel Beispielen. gehalten werden. Man kann auch ein entsprechend

Nach der Bestrahlung herrscht in der Kante ein breites und entsprechend geformtes Band so umbiegen, mittlerer Druck von 2500 ΐημ/cm, d.h. etwa 700 kg/cm². daß jede Kante der beiden Seiten durch das gleiche

55 Cadmiumblatt abgedeckt wird. Eine Ausführungsform

Beispiel 4 mit umgebogenem Blatt ist i η der Zeichnung dargestellt.

An den Enden beträgt die nicht abgedeckte Breite

Es wird eine Glasplatte von 36 X 20 X 0,5 mm auf der großen Basisseite 10 mm und an der kleinen verwendet, wobei das Glas folgende Zusammen- Basisseite 5 mm.
Setzungen (Molprozent) aufweist: 60 Bestrahlt man eine durch diese Abschirmung teil-

) 40 weise abgedeckte Platte mit einem Fluß von 0,7 · 10¹²

' 20 n/cm² 80 Stunden lang bei einer Temperatur von

" ^''''""'"''""_ 30 80 bis 120° C, wird eine Glasplatte erzielt, die längs

LJ O 10 ^mrer Achse eine von einem Ende zum anderen ver-

65 änderliche Dappelbrechung autweist. Di sich das

Auf jede der beiden Seiten dieser Platte wird im bestrahlte Glas bei der Bestrahlung zusammenzieht, mittleren Bereich parallel zu ihrer langen Seite eine wird die bestrahlte Zone unter Zugspannungen gesetzt. Cadmiumfolie von 0,4 mm Stärke und 10 mm Breite Die Randzonen weisen ebenfalls eine gewisse Düppel-

brechung auf Grund der Druckspannungen, welche die Zugspannungen der mittleren Zone ausgleichen, auf. Eine gewisse Zeit nach der Bestrahlung, etwa 1 Woche, ist die in das Glas eingeführte Radioaktivität praktisch verschwunden, und die Platte kann als Doppelbrechungsmeßgerät verwendet werden. Hierfür können beispielsweise die Randzonen mit einer opaken Einfassung versehen werden und die Doppelbrechung durch an den Kanten der Einfassung vorgesehene Maßstäbe angezeigt werden (F i g. 7, 8). Man kann auch eine Einfassung vorsehen, die schmale öffnungen solcher Größe aufweist, daß die Doppelbrechung in den Oberflächen dieser öffnungen als konstant betrachtet werden kann (F i g. 11, 12). Eine Verbesserung besteht noch darin, eine Lamelle nicht nur für eine kontinuierliche Doppelbrechung vorzusehen, sondern die absatzweise variabel ist, indem während der Bestrahlung ein mit Absätzen versehener Schirm (F i g. 9, 10) verwendet wird. In diesem Fall weist das Eichgerät in jedem Fenster homogene Doppelbrechungen auf, die sich z. B. um 25 : 25 η\μ staffeln (F i g. 11, 12).

In allen Fällen kann, wenn die Bestrahlungsbedingungen für sämtliche der hergestellten Platten gleich sind, die Eichung der Doppelbrechung ein für allemal vorgenommen werden. Bei den oben aufgezeigten Bedingungen für den kontinuierlichen Eichstab erhält man Doppelbrechungen, deren Wert sich kontinuierlich von 25 bis 300 ταμ erstreckt.

Man kann derart geeichte Geräte auch herstellen, indem Randschirme von konstanter Breite, aber auf ihrer Länge abnehmender Stärke verwendet werden, um dadurch nur teilweise die Neutronenstrahlen, und zwar in variabler Weise abzuschirmen. Der unterschiedliche Effekt auf die nicht geschützten und die abgeschirmten Zonen bedingt eine variable Doppelbrechung der gleichen Art, wie sie bei Benutzung eines einen trapezförmigen und eine konstante Stärke aufweisenden Schirms erzielt wird.

Wie aus diesen Erläuterungen ersichtlich, ist es möglich, die Form und die Stärke der verwendeten Schirme derart zu verändern, daß eine Veränderung der Doppelbrechung entsprechend jedem gewünschten Gesetz von einem Ende zum anderen der Platte erreicht wird.

In den vorhergehenden Beispielen sind nur einfache Fälle an Hand einer rechtwinkligen oder scheibenförmigen Platte erläutert. Selbstverständlich kann die Erfindung auch auf jede andere Form von Glasgegenständen angewendet werden, und zwar mit einem Schirm beliebiger geometrischer Form, welche die Erzielung der gewünschten Spannungssysteme ermöglicht. So kann die Erfindung beispielsweise ebenfalls in vorteilhafter Weise auf nicht ebene Glasgegenstände, z. B. Kanten von Behältern, wie Trinkgläser, Teller, Schalen, und Flaschenhälse usw., angewendet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen unterschiedlicher Spannungszonen in einem Glasgegenstand, d adurch gekennzeichnet, daß der Glas-

60 gegenstand Korpuskularstrahlen ausgesetzt wird, wobei bestimmte Zonen des Gegenstandes durch einen die Strahlung vollständig oder teilweise absorbierenden Schirm abgedeckt sind.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Erzeugung von Zugspannungen in den der Bestrahlung ausgesetzten Zonen und von Druckspannungen in den durch einen Schirm geschützten Zonen auf Glasgegenstände, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in Molprozent:

SiO₂ zwischen 50 und 99,

Al₂O₃ zwischen 0 und 20,

B₂O₃ zwischen 0 und 50,

Li₂O + Na₂O + K₂O zwischen O und 20, MgO + CaO + SrO + BaO zwischen O und 30,

PbO zwischen O und 20,

mit folgenden Bedingungen:

SiO₂ + B₂O -t- Al₂O₃ höher als 75, M₂O + MO + PbO zwischen O und 25, B₂O₃ mehr als 1 oder Li₂O mehr als 10 (M₂ bedeutet Alkalimetalle, M = Erdalkalimetalle).

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Erzeugung von Druckspannungen in den der Bestrahlung ausgesetzten Zonen und von Zugspannungen in den durch einen Schirm geschützten Zonen auf Glasgegenstände, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in Molprozent:

SiO₂ zwischen 10 und 70,

Al₂O₃ zwischen O und 20,

B₂O₃ zwischen O und 50,

Li₂O + Na₂O + K₂O zwischen O und 30, MgO + CaO + SrO + BaO zwischen O und 30,

PbO zwischen O und 85,

mit folgenden Bedingungen:

SiO₂ + B₂O₃ + Al₂O₃ geringer als 85, M₂O + MO + PbO höher als 15, B₂O₃ höher als 1 oder Li₂O höWbr als 10 (M₂ bedeutet Alkalimetalle, M = Erdalkalimetalle).

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Korpuskularstrahlen thermische Neutronen verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm aus einer Cadmiumscheibe besteht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm ungleichmäßige Stärke aufweist.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzielung von Druckspannungen an den Kanten der derart behandelten Glasgegenstände.

8. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur Erzielung von Bruchbarrieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen