DE1496097A1

DE1496097A1 - Mehrschichtiger Glasgegenstand und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1496097A1
Application number: DE19641496097
Authority: DE
Inventors: Teeg Robert O
Original assignee: Teeg Research Inc
Current assignee: Teeg Research Inc
Priority date: 1963-11-21
Filing date: 1964-11-18
Publication date: 1969-03-20
Also published as: US3428475A; GB1081759A

Description

DtPI INQ. M.SC. HÖGER - EUG. MAIER - STELLRECHT 1 496097

TELEFON: (O71T) 2*1βββ/8β TELEQRAMME! FIDES

PATENTANWÄLTE

7 STUTTGART 1, UHLANDSTR. 16

DRESDNER BANK A. -Q.

STUTT3ART NR. 3837 43 POSTSCHECK STQT. SBTOO

A 33 643 η h - ta

16.Hot.1964

Cadillac Gage Company Viarren, Michigan, U,S.A.

Mehrschichtiger Slasgegenstand und Verfahren 2a seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf neuartige, eine hohe Bruchfestigkeit aufweisende Glasarten und auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Glaaarten mit ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften.

909812/0813

-12-

U96097

A 33 643 h

h - ta

16.Nov. 1964 - 2 -

Obwohl Glas schon seit vielen Jahrhunderten bekannt ist, fand es doch bis vor kurzer Zeit infolge seiner Zerbrechlichkeit beim Gebrauch als Bauelement nur sehr beschränkte Anwendung. Es ist auch schon vor längerer Zeit bekannt geworden, dass Glas starken Drücken standhält, während es gegen Dehnung oder Abbiegen nicht widerstandsfähig ist. J£s wurde errechnet, dass der theoretische Bruchmodul für gewöhnliches Siliziumglas in der Grössenordnung von 1-2 Millionen Pfund/Quadratzoll liegt. Diese theoretische Grenze wird jedoch bei weitem nicht erreicht, da gewöhnlich geschmolzenes Siliziumglaa einen Bruohmodul von etwa 7 000 Pfund/Quadratζoll, physikalisch gehärtetes Glas einen solchen von 20 000 bis 40 000 Pfund /Quadratzoll und chemisch verstärktes Glas einen solchen von 80 000 bis 100 000 Pfund/Quadratzoll hat, was alles weit unter der theoretischen Grenze liegt.

In einem Artikel von Joseph S. Oleott, erschienen im "Scienee^H-liagazin vom U.Juni 1963, S. 1189- 1193, ist eine ausgezeichnete und erschöpfende Obersicht über den Fortschritt niedergelegt, der während der Jahre erzielt wurde, in denen eine Verfahrenstechnik zur Verfestigung von Glas durch Abschrecken (physikalisch gehärtetee Glas) und durch chemische Behandlung der Glasoberfläche

- 3 909812/08 13 »*n ^CuN

U96097

A 33 643 h

h - ta

16.Nov.1964 - 3 -

(chemisch verstärktes Glas) erzielt wurde.

iSs scheint, wie dies von A.A.Griffith 1920 angenommen wurde (Phil. Trans. Roy. Soo. London 221A, 163), dass die sehr niedrige Festigkeit von Glas, die unter niedrigem Druck einen spröden Bruoh ergibt, auf das Vorhandensein sehr feiner, mikroskopisch kleiner Risse auf der Glasoberfläche zurückzuführen ist. Diese Risse bewirken eine Erhöhung von Spannungen und veranlassen den Beginn von Brüchen, wodurch das Glas bei Zug, beim Biegen und wenn es verhältnismLssig niedrigen Spannungen ausgesetzt wird, bricht.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Physikalisehen Verfestigung von Glas, durch das alle auf dem Glas vorhandenen mikroskopisch kleinen Risse auf der Glasoberfläche ausgeschaltet werden und durch das eine Glasfläche geschaffen wird, bei welcher solche Risse weder auftreten noch verstärkt werden können. Dies wird durch Eintauchen eines festen Glasgegenetandes in ein Bad aus flüssigem Glas oder durch Überziehen des Glaegegen Standes mit einer äusseren Glasschicht erzielt, deren Erweichungstemperatur niedriger als diejenige des Glases ist, das den inneren Glaegegenstand bildet.

909812/08 13 ' ~4'* BAD OSiölNAL

U96097

A 33 643 h

h - ta

16.Nov.1964 - 4 -

Bb ist daher Aufgabe der Erfindung, Glas von beträchtlicher physikalischer Festigkeit zu schaffen, die der durch das übliche Abschrecken oder die chemische Behandlung erzielten Festigkeit weit überlegen ist. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor» Ee zeigen:

Fig.l eine schematische Ansicht eines Glasgegenetandes mit einer bestimmten Erweichungstemperatur, der zwischen zwei Aussenschicbten einer Glaszusammensetzung von niedrigerer Erweichungstemperatur eingelegt wurde, und zwar vor dem Verschmelzen mit diesen,

Pig.2 den in Fig.1 dargestellten Gegenstand nach dem Verschmelzen,

Fig.3 eine schematische Darstellung, die die Veränderung der Erweichungstemperatur in dem in Fig.2 dargestellten Glasgegenstand zeigt.

■Das Prinzip der Erfindung besteht d..rin, eine: ersten Glassorte einer bestimmten Erweichungstemperatur mit einer dünnen Schicht einer zweiten Glassorte mit niedrigerer Erweichungstemperatur zu überziehen. Dies kann entweder durol

— 5 «. 909812/0813

U96097

A 33 643 h

h - ta

16.Nov.1964 - 5 -

Eintauchen eines aus der ersten Glassorte gefertigten Gegenstandes in ein Schmelzbad der zweiten Glassorte erfolgen, oder es kann-beispielsweise bei plattenförmigen Gegenständen die aus der ersten Glaasorte bestehende plattenartige Glasschicht 10 zwischen zwei dünne, aus der zweiten Glaesorte bestehende Aussenschiohten 12 gelegt werden (siehe"¥ig.1), worauf die einzelnen Schichten an ihren Berührungsflächen 14 durch Anwendung von Wärme genügender Höhe miteinander verschmolzen werden (s.Flg.2).

Der fertige Gegenstand besteht also aus einer Grundsohioht 10 (Pig.2) einer Glaesorte mit höherer Erweichungstemperatur und zwei Aussenschichten 12 einer Glassorte mit wesentlich niedrigerer Erweichungstemperatur, wobei sich Zwischenschichten 14 zwischen den Ausoenschiohten und der inneren Grundeohicht befinden, die eine eich progressiv verändernde Lösung der beiden Glassorten darstellen. Die Grundeohicht und die Ausaenaohichten müssen aua gleichartigen Glassorten bestehen, die eine A—fflnitöt zueinander aufweisen, so dass aich ein starker, dauerhafter Verbund ergibt·

Wie in Fig.3 dargestellt, schwanken bei einer Inneren Grundsohicht 10 einer ersten Glaszusammensetzung mit der

- 6 -BAD 909812/081 3

U96097

A 33 643 h

h - ta

16.Nov. 1964· - 6 -

Erweichungstemperatur Tg und zwei Aussenschichfcen 12 einer zweiten Glaszusainciensetzung mit der Erweichungstemperatur T₁ (die Erweichungstemperatur einer Glaszusämmensetaung ist die Temperatur, "bei welcher das Glas eine Viskosität von 10' Poise hat) die Verhältnisse der Grundschicht und der Aus>en3Chichten entlang einem Querschnitt durch den behandelten Glasgegenstand von 100$ der ersten Glasausammensetzung an der Oberfläche des Gegenstandes bis 100$ der zweiten Glaszusammensetzung innerhalb des Grundmaterials 10, wobei sich die Verhältnisse in den Zwischenzonen 14 ständig ändern, so dass sich unterschiedliche Erweichungstemperaturen entlang des Querschnitts ergeben, wie die graphische Darstellung gemäss Fig.3 zeigt« Der praktische Temperaturbereich, bei welchem dem behandelten Glasgegenstand eine erheblich grössere Festigkeil verliehen wird, liegt zwischen den Temperaturen T, und T., welche einer Temperatur, die etwas höher als die Erweichungstemperatur der Aussenschichten ist, bzw. einer Temperatur , die etwas niedriger als die Erweichungstemperatur der inneren Grundeohicht ist, entsprechen. Ea sei bemerkt, dass innerhalb dieses zwischen T, und T. liegenden Temperaturbereichs das Glas der inneren Grundschicht in fester Phase verbleibt, während das Glas der Ausaenaohichten in flüssiger Phase 1st«

- 7 -909812/0813

U96097

A 33 643 h

h - ta

16.ϊον.1964 - 7 -

BelBPiel 1

Es wurden verschieden lange Prüfstäbe von 2, 3 und 4 mm Durchmesser aus Borsiliziuraglas der folgenden Zusammensetzung

Ha₂O 3,8*

SiO₂ 80,5J⁶

B₂O₃ 12,9*

und einer Erweichungstemperatur von 820° 0 von wenigen Minuten ab bis zu mehreren Stunden in ein Schmelzbad auf Bleibaeis (Corning Glase Works Code No. 8363) einer Erweichungstemperatur von 380° C eingetaucht.

Beim Prüfen dieser Glasstäbe bei verschiedenen Tempera«· türen auf ihre Biegefestigkeit in einer üblichen Glasfestigkeita^Prüfeinriohtung wurden folgende Ergebnisse erzielt.

909812/0813

Λ 33 643 h	Versuche	- 8 -	Bruchmodul	pai
h - ta	temperatur		2,000	η
16.Nov.1964	63O⁰C		145,000	ti
Versuch	600		160,000	Il
Nr.	595		260,000	It
•1	580		220,000	Il
2	■ 565		190,000	Il
3	565		360,000	Il
4	565.		190,000	Il
5	555		410,000	■1
6	-555		465,000	It
7	^;' 540		490,000	η
8	540		480,000	It
9	525		460,000	η
10 • *	525		74O₄OOO	Il
11 . ,	525		420,000	η
12	520		560,000	η
13	520		490,000	It
14	515		530,000	It
15	515		720,000	n
16	515		510,000	η
17	515		540,000	η
18	505		70OyOOO	η
19	505		590,000	It
20	505		900,000	η
21	505		500,000	Il
22	485		590,000	η
23	485		520,000	It
24	475		580,000	η
25	475		590,000-	η
26	460		32p,000	η
27	440		100,000	η
28	440		90_r000
29	420	-
30
31
32

909812/0813 _ΛΒΙ__ΙΜ

ORJQlMAL INSPECTED

H96097

A 33 643 h

h - ta

l6.Hov.1964 - 9 -

Die meisten der Prüfstäbe wiesen keinen spröden Bruch auf, doch wurde angenommen, dass sie der Prüfung nicht standgehalten hatten, wenn sie eine plastische Nachgiebigkeit zeigten, die nicht mehr rückgängig gemacht werden konnte. Zum Vergleich wurden unbehandelte Prüfstäbe bei gleiohen Temperaturen geprüft, welche Bruchmodule zwischen 10 000 und 20 000 Pfund/Quadratzoll entwickelten, und bei ihnen . trat unter Prüfbedingungen ein spröder Bruch auf.

Beispiel 2

Ee wurden PrUfstäbe aus Arsen-Schwefelglas folgender Zusammensetzung

Ae 61 1»

S 39 #

und einer Erweichungstemperatur von 200° C in ein Schmelzbad aus Arsen-Schwefelglas der folgenden Zusammensetzung

Ae 15 #

S 85 *

und einer Erweichungstemperatur von etwa 25° 0 eingetaucht. Die behandelten Glasstäbe ergaben die folgenden Bruchmodulex

Versuch Hr. Versuchetemperatür Bruchmodul

1 100° 0 5,000 psi

2 100 " 4,800 "

3 100 · : 5,000 » .

Unbehandeltes Arsen-Sohwefelgfee hat normalerweise einen

909812/0813 " ¹⁰ " BAD OWSINAL

A 33 643 h

h - ta

16.ϊϊον.1964 - 10 -

Bruchmodul von etwa 900 Pfund/Quadratsoll.

Aus diesem Ausführungsbeispiel geht hervor, dass dem erfin- · dungagemäßa behandelten G-IaB 50 bis 90 mal höhere Bruchmodulc als unbehaiideltem Glas verliehen wurden.

- 11 -

909812/0813

Claims

A 33 643 h U96097 h - ta l6.Uov.1964 -U- Patentanspriiche:

1. Mindestens eine Aussenschicht aufweisender, gegebenenfalls auch schichtartig auegebildeter, aus Glas bestehen der Gegenatand hoher Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Grundmaterial, beispielsweise einer Grundschicht, beotehende Gegenstand eine hohe und die Aussenschioht eine niedrige Erweichungstemperatur hat.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweichungstemperatur des Grundmaterials wesentlich höher, beispielsweise ein Vielfaches, beziehungsweise mindestens das Doppelte, der Erweichungstemperatur der Aussenschicht ist«

3. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch'gekennzeichnet, dass der Gegenstand beiderseits durch eine Aussenschicht abgedeckt ist.

4. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche.; dadurch gekennzeichnet, dass die Grundechicht verhältnis massig dick ist und die Aussenschichten verhiiltnismUasig dünn sind.

- 12 -

909812/0813

α «643 h H96097

h - ta

16.Nov.1964 - 12 -

5. Gegenstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Grundschicht ein Vielfaches, vorzugsweise mindestens das Dreifache, der Stärke der" Aussenschichten ist.

6. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundechioht derart ist, dass sie innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches in festem Zustand verbleibt und die Grundsohicht eine derartige Aussenschicht hat, dass diese

innerhalb dieses Temperaturbereiches flüssig ist. j

7. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundsch Loht in fester Phase und die Abdecksohicht in flüssiger Phase ,

"■■-■.. «

ist. j

8. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschichten mit dem Grundmaterial verschwelest sind.

9. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundmaterial und den Aussenschichten ein Materialswiechenbereich voj handen ist, der eich von einem im wesentlichen reinen, 909812/0813 - 13 - _BAD

U96097

A 33 643 h

b . ta

16.Hot.1964 - 13 -

eine niedrige Erweichungstemperatur aufweisenden alas nächst der Auesenschioht bis su eines Ib wesentlichen reinen, eine hohe Erweichungstemperatur aufweisenden Glas nächst den Grundmaterial allmählich ändert.

10. Verfahren sur Herstellung eines Gegenstandes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet» dass eine Auasenachicht auf das Grundmaterial atigelegt wird, das auf eine solohe Temperatur erwärmt wird, dass das Grundmaterial in Lösung mit dem Material der Aueaen-Bohioht kommt.

11. Verfahren naoh Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sohlenten miteinander Terschwelest werden· .

12. Verfahren naoh einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurob gekennzeichnet, dass der Gegenstand in ein Bad aus gesohmolsenem Material der Aussenschlobt eingetaucht wird.

909812/0813