DE1421846B2 - Verfestigter glasgegenstand mit einer das glasinnere umgeben den druckspannungsschicht an der oberflaeche des glases und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Verfestigter glasgegenstand mit einer das glasinnere umgeben den druckspannungsschicht an der oberflaeche des glases und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
1 2
Die vorliegende Erfindung betrifft einen verfestigten mit einem Durchmesser von etwa 0,635 cm mechanisch
Glasgegenstand mit einer das Glasinnere umgebenden befestigt und rasch etwa 30 Sekunden in Kontakt mit
Druckspannungsschicht an der Oberfläche des Glases, Siliciumcarbidpapier (0,1 mm) unter geringem, aber
dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand aus konstantem Druck gedreht, um einen gleichmäßigen
einem Alkali-Zirkonoxid-Silikat-Glas besteht, das im 5 Kontakt aufrechtzuerhalten. Eine zweite Art bezeichwesentlichen
aus Alkalioxid, Siliciumdioxid, wenigstens net man als Schüttelabrieb. In diesem Falle werden
5 Gewichtsprozent Zirkonoxid und 0 bis 20 Gewichts- zehn Glasstäbe von ähnlicher Größe mit 2CO ecm
prozent anderen glasbildenden Bestandteilen zu- Siliciumcarbidteilchen (0,6 mm) gemischt und 15 Misammengesetzt
ist, wobei die Oberflächenschicht nuten in einer Kugelmühle Nr. 0 bei einer Umeinen
gegenüber dem Glasinneren niedrigeren Gehalt io drehung von 90 bis 100 UpM einer schüttelnden
an dem Alkalimetall und einen entsprechenden Gehalt Bewegung ausgesetzt. Die bei der ersten Abriebsart
an einem größeren einwertigen Ion aufweist und die entstehenden Oberflächenrisse ähneln Rissen, die im
Tiefe dieser Oberflächenschicht mehr als 5 Mikron Gebrauch infolge des Reibens gegen harte Materialien,
beträgt, und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Der z. B. aneinanderreihende Glasgegenstände auftreten,
erfindungsgemäße Gläsgegenstand hat eine verbesserte 15 Die bei der letztgenannten Art entstandenen Risse
mechanische Festigkeit, insbesondere Festigkeit nach ähneln jenen, die bei einer Kombination von Reibung
Abrieb, die durch die Bildung einer unter Druck- und tatsächlichem Stoß entstehen.
Spannung stehenden Oberflächenschicht möglich wird. Die Festigkeit von Glas mit einer unbeschädigten
Spannung stehenden Oberflächenschicht möglich wird. Die Festigkeit von Glas mit einer unbeschädigten
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem ein frischen Oberfläche ist sehr hoch, wie dies die gemesse-Alkalimetallion
in der Oberflächenschicht des Glas- 20 nen Festigkeiten von mehreren tausend kg/cm2 auf
gegenstands mit einem aus einer außerhalb befind- frisch gezogenen Glasfasern und -stangen zeigen,
liehen Quelle stammenden Ion thermochemisch aus- In der Praxis jedoch schwankt die Festigkeit von
gewechselt wird, und zwar das Alkaliion aus dem gewöhnlichen handelsüblichen Glaswaren je nach der
Glas gegen ein größeres einwertiges Ion aus der Art des Glases, der Herstellungsart und der Nachbeaußerhalb
befindlichen Quelle, ist dadurch gekenn- 25 handlungsart zwischen etwa 350 und 1750 kg/cma.
zeichnet, daß der Glasgegenstand aus Alkali-Zirkon- Bekanntlich kann man die Festigkeit eines Glasoxid-Silikat-Glas
hergestellt wird, das im wesentlichen gegenstandes dadurch steigern, daß man in einer
aus Alkalioxid, Siliciumdioxid, wenigstens 5 Gewichts- - Schicht der Glasoberfläche eine Spannung mit im
prozent Zirkonoxid und 0 bis 20 Gewichtsprozent wesentlichen gleichmäßigem Druck hervorruft. Zu den
anderen glasbildenden Bestandteilen besteht, und daß 30 bekannten Verfahren zur Erzielung einer derartigen
der Austausch des Alkalimetallions gegen größere unter Spannung stehenden Oberflächenschicht zählen
einwertige Ionen in einer Tiefe von mehr als 5 Mikron die physikalische Anwendung des Umhüllens, Vorohne
molekulare Umlagerung des Glases bei einer spannen in der Wärme und Ionenaustausch.
Temperatur unterhalb des Entspannungspunktes des Das übliche Verfahren zum »Umhüllen« von Glas
Temperatur unterhalb des Entspannungspunktes des Das übliche Verfahren zum »Umhüllen« von Glas
Glases herbeigeführt wird. 35 besteht darin, daß man eine Glasart mit einer zweiten
Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Glasart mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungs-Ausdruck
»Festigkeit« bezieht sich auf die Zugfestigkeit koeffizienten als die erste bedeckt und das zusammeneines
Materials oder Gegenstandes, die als Bruchmodul gesetzte Glasmaterial durch Blasen verformt. Wenn
(B. M.) ermittelt wurde. Dies ist die Scherfestigkeit der zusammengesetzte Glasgegenstand abgekühlt wird,
eines Versuchsstücks, gewöhnlich einer Stange oder 40 neigt das innere Glas mit dem höheren Wärmeeines
Stabes mit bekanntem Querschnitt, und wird ausdehnungskoeffizienten dazu, sich mehr als das
auf die übliche Weise ermittelt. Zuerst wird die Oberflächenglas zusammenzuziehen, so daß eine
Bruchbelastung dadurch ermittelt, daß man das ständige Druckspannung in der Außenglasschicht
Versuchsstück über zwei in deutlichem Abstand von- entsteht. Die Anwendung dieses Verfahrens war
einander befindliche Messerkanten legt, ein zweites 45 wegen der Schwierigkeiten bei der Herstellung eines
Paar Messerkanten in gleichmäßigem Abstand zwi- gleichmäßig überzogenen Glasgegenstandes außerschen
den beiden ersten Messerkanten befestigt und ordentlich beschränkt.
das zweite Paar belastet, bis das Glas bricht. Die Beim Vorspannen in der Wärme wird ein Glashöchstmögliche
Zugbelastung in kg/cm2, die auf der gegenstand bis nahe der Glaserweichungstemperatur
Unterfläche des Versuchsstücks erzeugt wird, läßt sich 5° erhitzt. Danach wird der Gegenstand rasch bis
sodann aus der Belastung, der Größe und Form der unterhalb des Glasentspannungspunktes abgeschreckt,
Probe und der Versuchsgeometrie errechnen und damit sich in der Oberflächenschicht eine Druckwird
als Bruchmodul (B. M.) angegeben. spannung entwickelt. Gewöhnlich wird der Gegen-
Der Ausdruck »Festigkeit nach Abrieb« bezieht sich stand erhitzt und in der Luft abgekühlt, doch können
auf die nach der obigen Beschreibung ermittelte 55 gelegentlich auch geeignete Salzbäder für jede Stufe
Zugfestigkeit eines Körpers mit mehrfachem Abrieb, verwendet werden. Die wirksame Zeit für entweder
d. h. sichtbaren Kratzern oder Fehlern, die absichtlich Erhitzen oder Abkühlen übersteigt normalerweise
auf seiner Oberfläche vorgenommen wurden. Die Art nicht 1 oder 2 Minuten und beträgt bei Verwendung
und der Umfang der auf einer Glasoberfläche im eines Salzbades nur wenige Sekunden. Das Vor-Gebrauch
auftretenden Abschleiferscheinungen 60 spannen in der Wärme ist das übliche Industrieschwanken
je nach den Gebrauchsbedingungen. verfahren zur Verfestigung von Glasgegenständen,
Dementsprechend wurden genormte Abriebversuche wobei die gewöhnliche Festigkeit eines vorgespannten
entworfen, um eine gültige Grundlage für Vergleichs- Glasgegenstandes etwa dem 21I2- bis 3V2fachen der
zwecke sowie zur Nachahmung bekannter Gebrauchs- Festigkeit eines entsprechenden abgekühlten Glasbedingungen
zu liefern. 65 gegenstandes entspricht. Vorzugsweise sollten in vielen
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wurden Glasarten beträchtlich höhere Festigkeiten erzielt
zwei Abriebarten verwendet. Bei der einen Art wurde werden. Außerdem ist das Vorspannverfahren in der
ein Versuchsstück, z. B. ein 10 cm langer Glasstab Wärme gewöhnlich nicht durchführbar bei dünnen
3 4
Glasgegenständen, bei Gegenständen mit stark schwan- Verformung des Materials auf ein Minimum herab-*
kender Dicke und bei Gegenständen, deren Innen- setzen würde. Ebenso erwünscht war eine größere
flächen sich nicht leicht abschrecken lassen, z. B. bei Festigkeit ohne Kristallentwicklung zur Erzielung
enghalsigen Flaschen. eines vollkommen durchsichtigen Produktes. Dies ist
Das Ionenaustauschverfahren zur Herstellung einer 5 wesentlich bei Brillengläsern und anderen Verwen-
Druckschicht besteht darin, daß man eine Glasfläche dungszwecken auf dem Gebiet der Optik, wo eine
einer Quelle von Ionen aussetzt, die sich bei einer Lichtstreuung unerwünscht ist, ferner von Vorteil bei
erhöhten Temperatur gegen ein im Glas anwesendes anderen Arten von Glaswaren wie z. B. Tafelgeschirr
Ion austauschen. Dies führt zur Herstellung einer aus Glas, bei dem ein Hauptvorteil des Glases seine
Oberflächenglasschicht, deren Zusammensetzung sich io Klarheit ist.
von der Glasgrundmasse unterscheidet, und ist im Zur Verbesserung von im Handel erhältlichen
wesentlichen ein thermochemisches Verfahren zur Sodakalkgläsern lassen sich angeblich durch den
Umhüllung von Glas. Austausch von Kaliumionen gegen die Natriumionen Die USA.-Patente 2 075 446 und 2 779 136 be- unter optimalen Bedingungen ziemlich hohe mechaschreiben
ein bei hoher Temperatur durchgeführtes 15 nische Festigkeiten erzielen. Eine weitere Unter-Ionenaustauschverfahren,
worin Alkaliionen innerhalb suchung zeigte jedoch, daß sich zwar hohe Festigeines
Glas2s (durch Kupfer- oder Silber- bzw. Lithium- keiten erzielen lassen, daß sie jedoch größtenteils oder
ionen) durch Eintauchen des Glases in ein Salz- vollständig verlorengehen, wenn ein derartig vergüteter
schmelzbad mit hoher Temperatur, das die Ersatzionen Glasgegenstand dem Abrieb ausgesetzt wird. In der
enthält, ersetzt werden. Nach den Lehren dieser 20 Praxis werden die meisten Glasgegenstände im
Patente wird der Ionenaustausch oberhalb des Ent- Gebrauch einem gewissen Abrieb ausgesetzt. Dementspannungspunktes
des Glases bewirkt, so daß eine sprechend ist hohe Festigkeit gewöhnlich von geringem
Glasumhüllung mit verhältnismäßig niedrigem Aus- Interesse, wenn es sich nicht um Festigkeit nach Abrieb
dehnungskoefnzienten entsteht und Oberflächenrisse handelt, d. h. die Festigkeit, die ein Glasgegenstand
oder -kratzer vermieden werden, die sonst auftreten 25 nach dem Gebrauch oder nach Abriebversuchen hat.
und schädlich für die Verstärkung sind. Im übrigen Es wurde nun gefunden, daß R2O — ZrO2 — SiO2-läßt
sich die optimale Verbesserung der Festigkeit Gläser, d. h. Gläser, die mindestens 5 Gewichtsprozent
mit den beim Vorspannen in der Wärme erhaltenen .. Zirkonoxid enthalten, auf überraschende und bis jetzt
Werten vergleichen, mit Ausnahme des Falles, daß ungeklärte Weise beeinflußt werden, wenn man sie
sich in der Glasoberfläche eine Kristallphase bildet. 30 einer Ionenaustauschbehandlung bei niedriger Tem-Douglas
und I s a r d beschreiben in »Trans- peratur, d. h. unterhalb der Entspannungstemperatur,
actions of the Society of Glass Technology«, Bd. 33, aussetzt. Diese besondere Wirkung des Ionenaus-S.
289 bis 335 (1949), ein Verfahren zur Entfernung tausches auf R2O — ZrO2 — SiO2-Gläser zeigt sich in
von Natriumionen, das durch Schwefelöxide kataly- der Art der entstandenen Ionenaustauschschicht,
siert wird, wobei in Anwesenheit von Wasserstoff- 35 insbesondere in der Art der Festigkeit, die sich bei
ionen zwischen den Natriumionen aus dem Glas und der Bildung einer derartigen Druckspannungsschicht
den Wasserstoffionen aus der Atmosphäre ein Ionen- auf einem Glasgegenstand ergibt. Nach der vorliegenaustausch
stattfindet. Wie aus dem USA.-Patent den Erfindung kann man die Festigkeit eines Gegen-2
075 446 hervorgeht, ist dieser Ionenaustausch auch Standes nach Abrieb innerhalb 1 bis 16 Stunden je
eine Vorstufe zum Glasfärben, wobei Silber- oder 40 nach Glas, der Art des Ionenaustauschverfahrens und
Kupferionen gegen Natriumionen ausgetauscht werden der Behandlungstemperatur auf Werte zwischen 1400
und sich in kolloidaler Form unter Erzeugung einer und mehr als 7000 kg/cm2 steigern. Dies steht im
gelben oder dunkelroten Färbung niederschlagen. Gegensatz zu den bisherigen Erfahrungen mit handels-In
letzter Zeit wurde eine Tneorie zur Glasver- üblichen Sodakalkgläsern, bei denen normalerweise
festigung durch Ionenaustausch bei niedriger Tem- 45 durch entsprechende Behandlung nur geringe Steigeperatur
vorgeschlagen. Nach dieser Theorie kann rungen der Festigkeit nach Abrieb erzielt werden
man eine Druckspannungsschicht dadurch erzielen, können.
daß man Alkaliionen mit kleinerem Durchmesser Die Ionenaustauschbehandlung bei niedriger Temin
einer Oberflächenschicht eines Glasgegenstandes peratur ist im allgemeinen wirksam zur Erzeugung
durch Alkaliionen mit größerem Durchmesser von 50 erhöhter Festigkeit nach Abrieb bei R2O—ZrO2-SiO2-einer
Außenquelle ersetzt. Die Druckspannungs- Gläsern, wenn große einwertige Metallionen kleinere
schicht in der Glasoberfläche wird dadurch herbei- Alkalimetallionen im Glas ersetzen, z. B. wenn
geführt, daß das Glasvolumen bei der Durchführung Kaliumionen Natriumionen ersetzen. Offensichtlich
des Ionenaustausches zur Ausdehnung neigt, jedoch übt die Anwesenheit von Zirkonoxid in verhältnisan
dieser Ausdehnung gehindert wird, da die Tempe- 55 mäßig großen Mengen einen ungewöhnlichen Einfluß
ratur zu niedrig ist, um einen normalen viskosen Fluß aus, dessen Natur besonders schwer zu erklären ist.
des Glases in einem Umfang zu erlauben, der ausreicht, Trotz der Tatsache, daß ein Ionenaustausch bis zu
um die eingeführten Spannungen aufzuheben. Zur einer Tiefe von mehreren Mikron offenbar wesentlich
Unterstützung dieser Theorie wurde berichtet, daß ist, genügt die Eindringtiefe oder der Umfang des
durch Austausch von Kaliumionen gegen Natrium- 60 Ionenaustausches nicht zur Erklärung. So kann man
ionen in einem Sodakalkglas bei einer Temperatur bei einem R2O — ZrO2 — SiO2-GIaS nach einem
unterhalb des Glasentspannungspunktes Zunahmen Ionenaustausch bis zu einer gegebenen Tiefe (wie die
der Festigkeit erzielt wurden. Diese Temperatur wurde Gewichtszunahme und die chemischen Analysen
als notwendig erachtet, um einen Spannungsnachlaß zeigen) eine beträchtliche Zunahme der Festigkeit
zu vermeiden. 65 nach Abrieb beobachten, während ein gleich großer Ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit, das oder sogar größerer Austausch in einem Sodakalkglas
bei niedriger Temperatur und mit Ionenaustausch nicht zu einer entsprechenden Steigerung der Festigdurchführbar
ist, war besonders erwünscht, da es die keit nach Abrieb führt. Offensichtlich ist mit dieser
5 6
schwer zu erklärenden Erscheinung irgendeine uner- ein Diffusionsverfahren, bei dem der Umfang des
klärliche Wirkung über die Tiefe und den Umfang des Ionenaustausches linear mit der Quadratwurzel der
Ionenaustausches hinaus verbunden. Ferner scheint Behandlungszeit zunimmt, wenn die anderen Faktoren
diese Wirkung das Zirkonoxid nicht direkt zu be- gleichbleiben. Da die Diffusionsgeschwindigkeit mit
treffen oder zu verändern, wie dies der Fall ist, wenn 5 der Temperatur zunimmt, sollte die Behandlungs-Kristalle
mit geringer Ausdehnung, die Tonerde temperatur gewöhnlich so hoch wie nur möglich sein,
enthalten, ausgefällt werden. ohne daß ein beträchtliches Nachlassen der Spannung,
Versuche ergaben, daß man die Festigkeit einer eine Verformung des Gegenstandes oder andere
abriebfreien Glasfläche durch einen Ionenaustausch nachteilige Wärmewirkungen auftreten. Dies bedeutet
an oder sehr nahe bei der Glasoberfläche, d. h. inner- io eine Temperatur unterhalb des Entspannungspunktes
halb etwa 1 Mikron, um das Vielfache steigern kann, des Glases. Andererseits ist normalerweise eine
daß diese Oberflächenverfestigung jedoch größtenteils Temperatur von mindestens 2000C erforderlich, und
oder vollständig verlorengeht, sobald die Oberfläche höhere Temperaturen werden bevorzugt, die sich dem
abgeschliffen wird. Logischerweise kann dies dem Glasentspannungspunkt nähern, wobei gewöhnlich
Oberflächenabrieb zugeschrieben werden, der durch 15 Temperaturen im Bereich von 350 bis 5000C Verdie
verstärkte Schicht schneidet oder verläuft, so daß Wendung finden. Bei diesen Temperaturen wird die opdiese
unwirksam wird. Da jedoch erhöhte Festig- timale Verfestigung von Li2O — ZrO2 — SiO2-Gläsern
keiten in R2O — ZrO2 — SiO2-Gläsern nach Abrieb normalerweise innerhalb von etwa 1 bis 4 Stunden
mit Tiefen und einem Ionengesamtaustausch erzielt und bei Na2O — ZrO2 — SiO2-Gläsem innerhalb 4 bis
werden können, die bei Sodakalkgläsern unwirksam 20 16 Stunden erreicht. Für manche Zwecke kann eine
sind, scheinen verstärkte Tiefe und erhöhter Ionen- angemessene Verfestigung jedoch auch innerhalb
austausch allein nicht die ungewöhnliche Verfestigung kürzerer Zeiten erzielt werden. In jedem Falle darf der
in R2O — ZrO2 — SiO2-Gläsern zu bewirken. maximale Temperatur-Zeit-Kreislauf oder das Be-
Auf der anderen Seite ist auch bei handlungsschema nicht so ausfallen, daß eine be-R2O
— ZrO2 — SiO2-Gläsern eine gewisse Tiefe des 25 trächtliche Umordnung der Glasstruktur und ein
lonenaustausches oder Dicke der erzeugten Druck- anschließendes Nachlassen der Spannung auftreten
schicht erforderlich, um Festigkeit nach Abrieb zu kann.
verleihen. Chemische Analysen bei aufeinanderfolgen- " Unter Berücksichtigung der Temperaturwirkung
den dünnen Schichten, die von verstärkten Gläsern kann man etwa gleiche Verfestigungsgrade in einem
chemisch abgetrennt wurden, zeigen, daß im allge- 30 Glas mit genügend hohem Entspannungspunkt unter
meinen eine Tiefe von über 5 Mikron erforderlich ist, sonst konstanten Bedingungen nach dem folgenden
um eine erhöhte Festigkeit nach Abrieb mit Schmirgel- Ionenaustaifschplan erzielen: erstens 16 Stunden bei
material mit einer Korngröße von 0,1 mip.zu erzielen. 3000C, zweitens 8 Stunden bei 3500C, drittens 4 Stun-Im
übrigen nimmt die Festigkeit nach Abrieb bei einer den bei 400° C, viertens etwa 1 Stunde bei 5000C und
Steigerung der Behandlungszeit oder -temperatur im 35 fünftens etwa 15 Minuten bei 550° C. Der Behandallgemeinen
bis zu einem Höchstwert zu. Dies zeigt lungsplan ist in erster Linie von der erforderlichen
eine komplizierte Beziehung zwischen der Dicke der Tiefe des lonenaustausches für die gewünschte Ver-Ionenaustauschschicht,
der Tiefe der Schwächungs- festigungswirkung abhängig, d. h. der Tiefe der darisse
in einer Glasoberfläche sowie der Festigkeit und durch erzeugten Druckschicht, und zweitens von Eranderen
unbekannten Faktoren. 4° wägungen der wirtschaftlichen Zweckmäßigkeit, wobei
Den verbesserten thermochemischen Ionenaustausch sich ein optimaler Plan für jedes gegebene Glas oder
erreicht man dadurch, daß man einen vorgeformten Glasgegenstand leicht durch Routineversuche er-R2O
— ZrO2 — SiO2-Glasgegenstand bei einer er- mitteln läßt.
höhten Temperatur unterhalb der Entspannungs- Der Ionenaustauschplan ist auch von den Ionen ab-
temperatur des Glases in innigen Kontakt mit einem 45 hängig, die ausgetauscht werden sollen. Die AusMaterial
bringt, das thermisch austauschbare Ionen tauschgeschwindigkeit und -tiefe sind bei Paaren von
enthält. Während des folgenden durch die Wärme- geringerer Größe größer. Der schnellste Austausch
einwirkung herbeigeführten lonenaustausches werden kann daher im Falle des Lithium-Natrium-Austausches
Ionen aus dem Glas durch eine entsprechende Anzahl erwartet werden. Es ergibt sich ferner für ein geIonen
aus dem Kontaktmaterial ersetzt, um im Glas 50 gebenes Ion im Glas, daß der rascheste Austausch mit
einen elektrischen Ausgleich aufrechtzuerhalten. Die dem nächstgrößeren Alkaliion im periodischen System
Tiefe dieses lonenaustausches oder -ersatzes nimmt erzislt wird, z. B. Lithium-Natrium, Natrium-Kalium,
sowohl mit Zeit und Temperatur zu, so daß — unter Kalium-Rubidium und Rubidium-Zäsium. An Stelle
der Voraussetzung, daß die Temperatur nicht so hoch der Alkaliionen können auch andere einwertige Ionen
ist, daß die Spannung nachlassen kann — die Schicht- 55 in den Ionenpaaren verwendet werden, z. B. Lithiumtiefe und der Gesamtumsatz größer wird. Kupfer und Natrium-Silber.
Vor der thermochemischen Ionenaustauschstufe des Das zur Bewirkung des lonenaustausches in Kontakt
erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf übliche Weise mit der Glasoberfläche gebrachte Material kann jedes
eine R2O — ZrO2 — SiO2-GlasschmeIze hergestellt und ionisi urbare Material sein, das austauschbare Ionen
daraus durch ein übliches Glasformungsverfahren, z.B. 60 enthält, und kann sich in Dampf-, flüssiger oder fester
durch Blasen, Pressen oder Ziehen, ein Glasgegen- Form befinden. Die wesentliche Bedingung scheint die
stand in eine gewünschte Form gebracht. Der geformte Herbeiführung eines innigen Kontaktes von austausch-Glasgegenstand
wird sodann entweder durch Unter- baren Ionen mit der alkalihaltigen Glasoberfläche zu
brechen seiner Abkühlung nach dem Formen oder sein. Daher bezeichnet man das Verfahren ah thcrmodurch
erneutes Erhitzen auf eine vorher bestimmte 65 chemischen Ionenaustausch, d. h. einen Ionenaus-Ionenaustauschtemperatur
unterhalb der Entspan- tausch, der durch den Einfluß der Temperatur zwischen mmgstemperatur des Glases gebracht. zwei chemisch vereinigten Materialien herbeigeführt
Das erfindungsgemäße Ionenaustauschverfahren ist wird.
Die Ionenaustauschbehandlung bei einer Temperatur
unterhalb der Entspannungstemperatur kann durch Eintauchen des vorgeformten Glasgegenstandes
in ein geschmolzenes Salzbad, z. B. ein Sodaglas in einem Kaliumnitratbad, erfolgen. Es kann jedes Alkalisalz
verwendet werden, welches das gewünschte Ion liefert, bei der Behandlungstemperatur nicht zerfällt
und die Glasoberfläche nicht durch chemischen Angriff oder auf sonstige Weise nächteilig angreift.
Gemischte Salze können verwendet werden, doch sollte eine wesentliche Menge des vom Glas zu entfernenden
Alkaliions oder ein kleineres Ion normalerweise vermieden werden. Bekanntlich wurden bisher
für das Vorspannen in der Wärme geschmolzene Alkalimetallsalzbäder verwendet. Hier handelte es sich
jedoch um eine physikalische Behandlung unter Wärmeentzug, die von sehr kurzer Dauer ist und unterhalb
des Entspannungspunktes des Glases unwirksam ist.
Der gewünschte Ionenaustausch kann auch mit einem pastenförmigen Material bewirkt werden, das
vor der Wärmebehandlung auf die Glasoberfläche aufgetragen wird. Die Paste kann man dadurch herstellen,
daß man ein Alkalimetallsalz mit einer kleinen Menge eines bekannten inerten Bindemittels und/oder
Füllstoffs, wie z. B. Ocker, und einem Träger mischt. , Vom Standpunkt der Ionenaustauschgeschwindigkeit
bevorzugt man die Verwendung von Lithiumoxid-Zirkonoxid-Silikat-Gläsern,
in denen Lithiumionen im Glas gegen Natriumionen ausgetauscht werden. Die mit dem Schmelzen und Verformen solcher
Lithiumoxidgläser zusammenhängenden technischen und wirtschaftlichen Probleme verschieben
häufig den Faktor der Ionenaustauschzeit. Infolgedessen werden für viele Zwecke Soda-Zirkoiioxid-Silikat-Gläser
bevorzugt und ein Natrium-Kalium-Ionenaustausch bewirkt. Im allgemeinen besteht nur geringes
wirtschaftliches Interesse an größeren Ionenaustauschpaaren. Soda- und Lithiumoxid-Gläser können im
Zusammenhang mit Silber oder Kupferionen-Austauschmaterialien verwendet werden, bei denen die
besonderen Wirkungen dieser Ionen im Glas entweder erwünscht oder zulässig sind.
Die für den erfindungsgemäßen Ionenaustausch zwischen Natrium- und Kaliumionen unter Erhöhung
der Festigkeit nach Abrieb geeigneten Soda-Zirkonoxid-Silikat-Gläser
bestehen aus mindestens 10 Gewichtsprozent Na2O, mindestens 5 Gewichtsprozent
ZrO2 und SiO2 als Rest. Je nach Wunsch können bis
zu etwa 15 Gewichtsprozent anderer verträglicher glasbildender Bestandteile anwesend sein. Gläser, in denen
entweder der Na2O-Gehalt oder der ZrO2-Gehalt über
etwa 25 Gewichtsprozent liegt, haben im allgemeinen eine zu geringe chemische Beständigkeit und/oder sind
zu schwer schmelzbar, um von praktischem Interesse zu sein. Wenn der Na2O- oder der ZrO2-Gehalt herabgesetzt
wird, nimmt der Verfestigungsumfang innerhalb einer gegebenen Zeit ab. Ihr Gesamtgehalt sollte daher
gewöhnlich nicht weniger als etwa 20 Gewichtsprozent ausmachen, falls eine wesentliche Festigkeit nach Abrieb
verliehen werden soll.
ίο Die Zeichnung erläutert den Einfluß der Änderungen
in der Glaszusammensetzung auf die Festigkeit nach Abrieb.
In der Zeichnung ist die Festigkeit nach Abrieb
(Schmirgelmaterial mit einer Korngröße von 0,1 mm) als Bruchmodul in kg/cm2 entlang der senkrechten
Achse und die Menge ZrO2 in Gewichtsprozent im Glas entlang der waagerechten Achse dargestellt. Aus
den Kurven geht deutlich hervor, daß die Festigkeit der Glasoberfläche nach Abrieb bei konstantem
Na2O-Gehalt laufend zunimmt, wenn in einfachen
Na2O-ZrO2—SiO2-Gläsern mit einem Na2O-Gehalt
20 Gewichtsprozent SiO2 durch ZrO2 ersetzt wird. Die
gleiche allgemeine Neigung wird für äh nliche Vergleiche bei anderen Sodagehalten gefunden, wenn auch die
eigentlichen Festigkeitswerte abweichen.
Die Daten, nach denen die Kurve in der Zeichnung dargestellt wurde, erhielt man durch Schmelzen einer
Reihe von Gläsern, die aus 20 Gewichtsprozent NaO2, 5 bis 20 Gewichtsprozent ZrO2 und 75 bis 60 Gewichtsprozent
SiO2 bestanden. Bei der Mischung dieser Glasreihe
wurde ZrO2 in zunehmendem Maße auf Kosten von SiO2 erhöht. Jede Glasschmelze wurde zu Glasstäben
mit einem Durchmesser von 0,635 cm gezogen, und der Stab wurde in 10 cm lange Stücke geschnitten.
Für jedes Glas wurde eine Gruppe von fünf Stabproben 16 Stunden in ein Kaliumnitratbad eingetaucht,
das bei einer Temperatur von etwa 380° C gehalten wurde. Danach wurden die Stabproben herausgenommen,
abgekühlt, und das anhängende Salz wurde von ihrer Oberfläche abgewaschen. Die Proben wurden mit
Siliziumcarbidpapier (Korngröße 0,1 mm) abgeschliffen, und an jedem Stab wurden nach der obigen Beschreibung
Festigkeitsmessungen vorgenommen. Aus den auf diese Weise für jede Stabgruppe erzielten errechneten
Bruchmodulwerten wurde der Mittelwert gebildet, um die graphisch dargestellten Werte zu
erhalten.
In der folgenden Tabelle 1 sind die entsprechenden Daten für diese Gläser sowie für zwei weitere Gläser
mit einem Gehalt von 15 Gewichtsprozent Na2O zusammengestellt:
SiO2, Gewichtsprozent
ZrO2, Gewichtsprozent
Na2O, Gewichtsprozent
Entspannungstemperatur, ° C
Erweichungstemperatur, °C .
Bruchmodul, kg/cm2 · 10~3 .
Entspannungstemperatur, ° C
Erweichungstemperatur, °C .
Bruchmodul, kg/cm2 · 10~3 .
20 460 689 2,39 70
10
20
491
725
2,67
530
755
4,71
70
15
15
561
853
2,25
65
20
15
613
906
3,45
Andere Oxide als die drei vorgeschriebenen scheinen eine wenig günstige Wirkung auf die Verfestigung eines
Glases auszuüben. In kleinen Mengen jedoch können sie für sekundäre Zwecke, wie z. B. für die Verbesserung
der Schmelzeigenschaften eines Glases und zur Modifizierung der Glaseigenschaften, z. B. des Ausdehnungskoeffizienten
und des Brechungskoeffizienten, erwünscht sein. Diese frei zur Wahl stehenden Zusätze
sind z. B. zweiwertige Oxide, K2O, B2O3, P2O5,
TiO2 und F. Im allgemeinen können diese Zusätze, in
109 516/267
Mengen bis zu etwa 10 Gewichtsprozent einzeln und etwa 15 Gewichtsprozent gemischt, in Gläser mit
hohem Verfestigungspotential eingeführt werden. Diese Höchstmengen können den maximalen Bruchmodul
nach dem Ionenaustausch um sogar die Hälfte herabsetzen. Normalerweise sollte Li2O 1 Gewichtsprozent
nicht übersteigen. Die üblichen Zusätze, wie z. B. Färb- und Verfeinerungsstoffe, können nach der Glasherstellungspraxis
zugesetzt werden.
Zur Erläuterung der Zunahme der Festigkeit nach Abrieb (Schmirgelmaterial mit einer Korngröße von
0,1 mm), die nach der vorliegenden Erfindung erreicht wird, sei darauf hingewiesen, daß Glasstäbe, die in
jeder Beziehung jenen entsprechen, deren Daten in der Zeichnung aufgetragen sind, mit der Ausnahme, daß
die Stäbe ohne Ionenaustausch oder andere Behandlungen abgekühlt und abgeschliffen wurden, normalerweise
einen Bruchmodul von 560 bis 840 kg/cm2 aufweisen.
Zur Erläuterung der vergleichbaren Verfestigungswirkungen, die sich durch Behandlung der handelsüblichen
Kalkgläser erzielen lassen, wurden entsprechende Festigkeitsmessungen an Stäben vorgenommen,
die aus einem im Handel in Stabform erhältlichen Allzweck-Kalkglas mit hoher chermischer
Haltbarkeit und folgender Zusammensetzung gezogen wurden: 69,9 Gewichtsprozent SiO2, 2,0 Gewichtsprozent
Al2O3,12,1 Gewichtsprozent Na2O, 6,0 Gewichtsprozent
K2O, 4,1 Gewichtsprozent CaO, 2,9 Gewichtsprozent
MgO und 3,0 Gewichtsprozent B2O3. Die Stäbe
wurden 16 Stunden bei 35O0C in einem KNO3-SaIzbad
behandelt. Bei ungeschliffenen Stäben betrug der durchschnittliche Bruchmodul 3920 kg/cm2; bei den
mit einem Schmirgelmaterial mit einer Korngröße von
ίο 0,1 mm abgeschliffenen Stäben 1260 kg/cm2 und bei
den unter Schütteln abgeschliffenen Stäben 98 kg/cm2. Zum Vergleich sei erwähnt, daß der entsprechende
Bruchmodul bei unbehandelten Stäben 1470, 630 bzw. kg/cm2 betrug.
is Im allgemeinen gleicht die Wirkung von Zirkonoxid
in Lithiumsilikatgläsern der für die Sodagläser beschriebenen Wirkung. Dies geht aus der folgenden
Tabelle 2 hervor, die eine Reihe von Li2O-ZrO2-SiO2-Glaszusammensetzungen
in Gewichtsprozent und die entsprechenden durchschnittlichen Bruchmodulwerte zeigt, die aus Bruchbelastungsmessungen bei Stäben
errechnet wurden, die durch 4stündige Behandlung in einem Natriumbad bei 400° C und Abschleifen unter
Schütteln verfestigt wurden.
25
6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
75,0 | 74,0 | 70,8 | 76,5 | 68/2 | 63,5 | 70,0 | 64,2 | 74,0 |
19,7 | 20,0 | 20,0 | 15,0 | 15 J | 20,3 | 20,5 | 25,7 | 18,0 |
4,8 | .-- - 5,5 | 8,7 | 8,0 | 5,1 | 5,1 | 6,4 | 4,6 | 5,5 |
— | — | — | 10,5 | 10,6 | 2,6 | — | ||
— | — | — | — | — | —. | 5,0 | 2,0 | |
0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
640 | 662 | 570 | 552 | 495 | 537 | 585 | 683 | 619 |
887 | 910 | 820 | 802 | 731 | 772 | 836 | 946 | 887 |
2,03 | 2,73 | 4,48 | 3,71 | 2,1 | 1,68 | 3,5 | 1,96 | 1,75 |
SiO2, Gewichtsprozent
ZrO2, Gewichtsprozent
LiO,, Gewichtsprozent
Na2O
CaO, Gewichtsprozent
As2O3, Gewichtsprozent
Entspannungstemperatur, ° C
Erweichungstemperatur, "C..
Bruchmodul, kg/cm3 · 10~3 ..
Entspannungstemperatur, ° C
Erweichungstemperatur, "C..
Bruchmodul, kg/cm3 · 10~3 ..
531
802
1,96
1,96
Zwar kann mit einem Gehalt an Lithiumoxid von nur 1 bis 2 Gewichtsprozent ein beträchtlicher Verfestigungsgrad
erzielt werden, doch sollte das Glas vorzugsweise etwa 5 bis etwa 20 Gewichtsprozent enthalten.
Verhältnismäßig große Mengen von Lithiumoxid machen das Glas sehr weich und schwer verarbeitbar,
wobei etwas weniger als optimale Verfestigungseigenschaften erzielt werden. Der Zirkonoxidgehalt
sollte so hoch wie nur möglich sein und mindestens 10 Gewichtsprozent betragen.
Je nach Wunsch können auch andere glasbildende Oxyde, z. B. K2O, Na2O, zweiwertige Oxide, wie PbO,
TiO2, B2O3 und P2O5, sowie Fluor in Mengen bis zu
15 Molprozent je nach dem entsprechenden Oxid anwesend sein, wobei die Gesamtmenge etwa 20 Molprozent
nicht übersteigt. Im allgemeinen sind diese Oxide nicht günstig für die Verfestigung und können,
insbesondere in großen Mengen, ernstlich die potentielle Festigkeit in einem Glas vermindern. Die frei
zur Wahl stehenden Oxide können von Vorteil als Hilfe beim Schmelzen sein, insbesondere dann, wenn
der Lithiumoxidgehalt gering ist, als Hilfe bei der Herabsetzung der Entglasungsneigungen und als Hilfe
bei der Verbesserung der Beständigkeit und Modifizierung von Eigenschaften wie z. B. dem Brechungskoeffizienten.
55
Claims (7)
1. Verfestigter Glasgegenstand mit einer das Glasinnere umgebenden Druckspannungsschicht
an der Oberfläche des Glases, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand aus einem Alkali-Zirkonoxid-Silikat-Glas besteht, das
im wesentlichen aus Alkalioxid, Siliciumdioxid, wenigstens 5 Gewichtsprozent Zirkonoxid und 0 bis
20 Gewichtsprozent anderen glasbildenden Bestandteilen zusammengesetzt ist, wobei die Oberflächenschicht
einen gegenüber dem Glasinneren niedrigeren Gehalt an dem Alkalimetall und einen
entsprechenden Gehalt an einem größeren einwertigen Ion ausweist und die Tiefe dieser Oberflächenschicht
mehr als 5 Mikron beträgt.
2. Verfahren zur Herstellung eines verfestigten Glasgegenstands gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Glasgegenstand aus Alkali-Zirkonoxid-Silikat-Glas hergestellt wird, das im
wesentlichen aus Alkalioxid, Siliciumdioxid, wenigstens 5 Gewichtsprozent Zirkonoxid und 0 bis
20 Gewichtsprozent anderen glasbildenden Bestandteilen besteht, und daß die Alkalimetallionen
gegen größere einwertige Ionen aus einer äußeren Quelle in einer Tiefe von mehr als 5 Mikron ohne
molekulare Umlagerung des Glases bei einer Temperatur unterhalb des Entspannungspunktes des
Glases thermochemisch ausgetauscht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalimetallionen aus dem Glas
gegen größere Alkalimetallionen aus der außerhalb befindlichen Quelle ausgetauscht werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als größere Alkalimetallionen Kaliumionen verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere
Quelle aus einem Salzschmelzbad besteht, das ein
Salz mit dem austauschbaren einwertigen Ion enthält und in das die Oberfläche des zu verfestigenden
Glases eingetaucht wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem
Glas durchgeführt wird, das 10 bis 25 Gewichtsprozent Na2O, 5 bis 25 Gewichtsprozent ZrO2 und
Siliciumdioxid als Rest enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Soda-Zirkonoxid-Siliciumdioxid-Glas
mindestens ein verträglicher Glaszusatz in einer 15 Gewichtsprozent nicht übersteigenden
Menge zugemischt wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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US18188862A | 1962-03-23 | 1962-03-23 |
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Publication Number | Publication Date |
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DE1421846A1 DE1421846A1 (de) | 1968-11-07 |
DE1421846B2 true DE1421846B2 (de) | 1971-04-15 |
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ID=26877601
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DE19621421845 Expired DE1421845C3 (de) | 1962-03-23 | 1962-06-09 | Verfestigter Glasgegenstand mit einer das Glasinnere umgebenden Oberflächen-Druckspannungsschicht und Verfahren zu seiner Herstellung |
DE19621421846 Withdrawn DE1421846B2 (de) | 1962-03-23 | 1962-06-09 | Verfestigter glasgegenstand mit einer das glasinnere umgeben den druckspannungsschicht an der oberflaeche des glases und verfahren zu seiner herstellung |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19621421845 Expired DE1421845C3 (de) | 1962-03-23 | 1962-06-09 | Verfestigter Glasgegenstand mit einer das Glasinnere umgebenden Oberflächen-Druckspannungsschicht und Verfahren zu seiner Herstellung |
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