DE1496463A1 - Verfestigter Glasgegenstand - Google Patents

Verfestigter Glasgegenstand

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DE1496463A1 DE19651496463 DE1496463A DE1496463A1 DE 1496463 A1 DE1496463 A1 DE 1496463A1 DE 19651496463 DE19651496463 DE 19651496463 DE 1496463 A DE1496463 A DE 1496463A DE 1496463 A1 DE1496463 A1 DE 1496463A1
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Description

Dr. Walter Beil , Alfred Hoeppener z 0- Juli 1965
Dr.Haris Joachim Wolff Dr. Hans Chr. Beil
Rechtsanwälte
Frankiuf t a. M. - Höchst
Adeionstraße 58 - Tel. 312649
Unsere Nr. 11844
Coming Glass Works
Corning, N.Y., V.St.A.
Verfestigter Glasgegenstand.
Gegenstand der Erfindung ist die Verfestigung eines Glasgegenstandes durch Entwicklung einer druckgespannten Oberflächenschicht auf dem Gegenstand. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Entwicklung einer druckgespannten Oberflächenschicht auf bestimmten Lithiumsilikatgläsern durch Ersetzen des Lithiumions durch ein größeres Ion in wenigstens einem Teil des Lithiumionen enthaltenden Oberflächenschi chtglases .
Eine früher eingereichte Patentanmeldung oder Patentschrift bezieht sich auf die Verfestigung der Lithiumsilikat-Glasgegenstände durch ein derartiges Ionenaustausch verfahren. Aue dieser Patentanmeldung geht insbesondere hervor, dafl Ionenaustausch bei dieser Glaeart eine unge-
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wohnliche Verfestigungswirkung hervorruft, wodurch sich die Abriebfestigkeit eines Glasgegenstandes in der verhältnismäßig kurzen Zeit von etwa einer Stunde mehrfach steigern läßt. Nach den Beschreibungen ist die Abrieb festigkeit eines Gegenstandes die mechanische Festigkeit, ausgedrückt als Bruchmodul, nachdem die Oberfläche des Gegenstandes in gesteuertem Umfang durch dynamischen Kontakt mit einem besonderen Abriebmaterial wie z.B. Siliziumcarbidteilchen abgerieben oder abgekratzt wurde.
Wie aus der früheren Patentanmeldung hervorgeht, sind die Verfestigungseigenschaften von Lithiumsilikatgläsern, insbesondere Li2OAl2O5-SiO2 und Li2O-ZrO2-SiOg-Gläser insbesondere dann sehr' günstig, wenn ein Natriumion für Austauschzwecke verwendet wird. Beim Schmelzen und Verfahren dieser Gläser können jedoch ziemlich ernste Fertigungsprobleme sowohl wirtschaftlicher als auch technischer Art auftreten. Selbstverständlich sollten sowohl die Kosten der Rohstoffe in der Grundmasse als auch die Notwendigkeit der chemischen Heaktion dieser Stoffe während des Schmelzens verringert werden. Zu diesem Zweck erweist es sich als vorteilhaft, als Stoff für die Glasmasse so weit als möglich ein natürliches Mineral wie z.B. Petalit zu verwenden. Sobald jedoch dieser Rohstoff allein geschmolzen wird, zeigt er solche Viskositäts-Temperatureigenschaften, daß sich die Schmelze bei den üblichen Glasschmelztemperaturen, d.h. bis zu 160O0O nicht ohne außergewöhnliche Schwierigkeit genügend homogenisieren läßt. Außerdem hat der Stoff eine zu hohe Fließtemperatur, als daß er sich z.B. beim Ziehen von Tafelglas ohne Kristallisierung handhaben ließe.
Infolgedessen sind weitere Flußmittel notwendig, um diesen Rohstoff bei der Herstellung eines Arbeitsglases erfolgreich zu verwenden. Sie frühere Patentanmeldung zeigt jedooh, daß die Gegenwart von anderen Flußmitteln als Lithiumoxyd in einem Lithiumsilikatglas im allgemeinen eine nachteilige Wirkung auf die Verfeitigungefähigkeit
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des Glases hat. Daraus ergab sich das Problem der Herstellung eines Lithiumsilikatglases mit günstigen Schmelz- und Glasbearbeitungseigenschaften ohne wesentlichen Verlust der ihm eigenen Ionenaustausch-Verfestigungsfähigkeit.
Das Problem der Bntglasung, d.h. die Neigung des Glases, zu kristallisieren, ist besonders ernst, wenn das Glas für den Verformungsvorgang auf die erforderliche Temperatur erhitzt werden muß, z.B. beim Biegen einer gekrümmten Autowindschutzscheibe. Bs wurde gefunden, daß Lithiumsilikatgläser bei derartiger Verarbeitung ziemlich ungünstige Entglasungsneigungen zeigen, sodaß ihre Verwendung für derartige Glasgegenstände beschränkt ist. Ein weiteres Problem besteht darin, eine günstige Entglasungsbeständigkeit in einem solchen Glas herbeizuführen, ohne daß ein ernsthafter Verlust der Verfestigungsfähigkeit eintritt.
Es wurde nun ganz unerwartet eine Ausnahme von der allgemeinen Kegel entdeckt, daß sekundäre Flußmittel, d. h. Flußmittel mit Ausnahme von Lithiumoxyd, schädlich für die Verfestigungsfähigkeit eines Lithiumsilikat glases sind, Insbesondere wurde gefunden, daß das Oxyd des Gegenaustauschions, d.h. das Ion, das im Austausch für das Lithiumion eingeführt wird, in einer begrenzten Menge anwesend sein kann, ohne daß das Glasverfestigungspotential, d.h. die unter optimalen Bedingungen beim Glas erreichbare Festigkeit wesentlich herabgesetzt wird.
Die begrenzte Menge des Gegenaustauschionoxyds ist vom Lithiumoxyd- sowie Tonerde- oder Zirkonerdegehalt des Glases abhängig. Soll z.B. das Natriumion im Aus tausch für das Lithiumion zur Verfestigung eines Lithiumsilikatglases eingeführt werden, so können begrenzte Mengen Natriumoxyd in das Grundglas als sekundäres Flußmittel eingeführt werden, ohne das Verfestigungspotential
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des Glases herabzusetzen. Wenn jedoch das Natriumoxyd in solchen Mengen eingeführt wird, daß die gesamten Mole Alkalimetalloxyd im Glas die Molmenge von Tonerde oder Zirkonerde im Glas übersteigen, dann nimmt das Verfestigungspotential des Glases ab, sobald in zunehmendem Maße steigende Mengen Soda zugesetzt werden.
Im Gegensatz hierzu ist der Zusatz eines Oxyds eines Alkalimetallions, das größer als das in das Glas im Ionenaustauschverfahren eingeführte Ion ist, schädlich für das Verfestigungspotential.
Die Gegenwart von Kaliumoxyd (KgO) in einem Lithiumsilikatglas ist daher recht nachteilig für das Verfestigungspotential des Glases, wenn Lithiumionen durch Natriumionen ersetzt werden.
Es wurde ferner gefunden, daß die Gegenwart des durch Ionenaustausch in das Glas eingeführten Oxyds des Alkalimetallions die Verstärkung der Entglasungsbeständigkeit des Glases während eines Erhitzungsvorgangs begünstigt. Diese Eigenschaft verschwindet jedoch recht überraschend, sobald das Molverhältnis der gesamten Alkalimetalloxyde gegenüber Tonerde oder Zirkonoxyd etwa 1:1 überschreitet.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Li2O-Al2O5-SiO2- oder Li20-Zr02-Si02-Glasgegenstand mit einer druckgespannten Oberflächenschicht, in dem ein Alkalimetallion, das größer als das Lithiumion ist, wenigstens teilweise an die Stelle des Lithiumions im Glas der gespannten Oberfläche tritt, wobei die Grundglaszusammen setzung im wesentliohen aus Li„0 , SiO21 dem Oxyd des substituierten Ions und einem Oxyd wie z.B. AIgO- oder ZrOg besteht und wobei die gesamte Molmenge des Alkalimetalloxyds imtGlas die Gesamtmolmenge von Al2Ov oder nicht überschreitet.
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Die vorliegende Erfindung beruht ferner auf einem Verfahren zur Herstellung eines LipO-AloO^-SiOp oder LigO-ZrQp-SiOo-Grlasgegenstandes mit einer ver besserten Abriebfestigkeit duroh Bildung einer druckgespannten Oberflächenschicht, in der ein Alkalimetallion, das größer als das Idthiumion ist, wenigstens teilweise an die Stelle des Lithiumions bei einer lemperatur, die unter dem G-lasverformungspunkt liegt, tritt, dadurch gekennzeichnet, daß die G-rundglaszusammensetzung als sekundäres Flußmittel das Oxyd des Ions enthält, welches anschließend durch Ionenaustausch in das Glas eingeführt werden soll, wobei die Molgesamtmenge des Alkalimetalloxyds im Glas die Molgesamtzahl von AlpO, oder ZrOp nicht überschreitet.
Bei der Durchführung des Verfahrens dieser Anmeldung wird eine Glasmasse aus entsprechenden Mengenverhältnissen der Bestandteile geschmolzen, sodaß man ein Li2O-Al2O5-SiO2 oder LigO-ZrOg-SiOg-Glas erhält, welches als sekundäres Flußmittel ein zweites Alkalimetalloxyd enthält. Aus diesem Glas wird ein Gegenstand der gewünschten Form durch irgend ein übliches Verfahren hergestellt und dann in Kontakt mit einem Salz des zweiten Alkalimetalls der Glaszusammensetzung gebracht. Als Salz kann jedes ionisierbare Salz in jeder zweckmäßigen Form verwendet werden. Am zweckmäßigsten wird der Gegenstand in ein Schmelzbad eines Salzes wie z.B. Natriumnitrat eingetaucht. Das Salz wird bei erhöhter 'femperatur, bei der das Alkalimetallion des Salzes sich gegen das Lithiumion im Glas austauscht, in Kontakt mit dem Glas gebracht, wodaß auf Grund der unterschiedlichen Ionengröße in der vom Ionenaustausch betroffenen Oberflächenzone des Glases Druckspannungen hervorgerufen werden. Sie Austauschtemperatur muß niedrig genug sein, sodaß keine Molekülumordnung auftritt, duroh die die entwickelten Spannungen aufgehoben würden. Dies bedeutet gewöhnlioh, daß der Austausch unter dem Verformungs-
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punkt des Glases stattfinden muß. Das Salz wird eine genügende Zeit in Kontakt mit dem Glasgegenstand gehalten, um den Ionenaustausch in einer Tiefe zu bewirken, die ausreicht, um dem Gegenstand Abriebfestigkeit zu verleihen . Diese Tiefe ist jeweils vom Abriebsgrad abhängig und kann zwischen 10 und 20 Mikron bis zu etwa 100 Mikron bei stark abzureibendem Glas betragen.
Die vorliegende Erfindung wird ferner im Zusammenhang mit den folgenden spezifischen Beispielen und im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung beschreiben. Letztere ist eine graphische Darstellung der Wirkung auf das Yerfestigungspotential, die durch den gesteigerten Zusatz von Natriumoxyd als sekundäres Flußmittel bei zwei typischen LipO-AlpO^-SiO -Gläsern hervorgerufen wird.
Es wurden zwei Reihen von Glaszusammensetzungen hergestellt, wobei jede Reihe auf einem LigO-AlgO^-SiÖg-Glas beruhte, dem Natriumoxyd (Na2O) in zunehmendem Maße auf Molbasis gegen Kieselerde (SiOg) ausgetaucht wurde, während das Molverhältnis von Lithiumoxyd und Tonerde konstant gehalten wurde. Übliche Rohstoffe, z.B. Sand, Natriumnitrat, Petalit und Tonerde, wurden in Mengenverhältnissen, die durch die Struktur angezeigt waren, gemischt, sodaß man eine Grundmasse erhielt, die jeder Struktur in jeder Reihe entsprach. Diese Grundmassen wurden dann 16 Stunden lang bei 155O0C geschmolzen und danach wurde das geschmolzene Glas in Stäbe mit einem Durchmesser von 0,64 cm gezogen.
Der auf diese Weise erhaltene Stab wurde in Längen von je 10, 16cm für Versuchszwecke geschnitten und für jede Schmelze wurde eine Gruppe von Proben ausgesucht. Diese Gruppen wurden einer Ionenaustausohbehandlung unterzogen, welche durch Erfahrung ermittelt wurde, um dieser Glasart eine optimale Verfestigung zu verleihen. Diese Ionenaustausohbehandlung bestand darin, daß man die Gruppe von Probββtaben .2 Stunden lang in ein
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— Ύ —
Schmelzbad eintauchte, welches aus 85 $ NaNO~ und 15 # SO^ bestand, während das Bad auf einer konstanten
2^
Temperatur von 450°ö gehalten wurde. Nach dieser Behandlung wurden die Probestäbe entfernt und gereinigt und wurden vor der Ermittlung ihrer mechanischen Festigkeitseigenschaften einer strengen Abriebbehandlung unterzogen.
Als Abriebbehandlung wendete man den sogenannten Scheuerabrieb an, bei dem durch die Verbindung von Abschleifen und Stoßen auf die Oberfläche Sprünge im Glas hervorgerufen werden. Die Behandlung besteht darin, daß man 10 Probestäbe von der angegebenen Größe mit 200 ecm Siliziumcarbidteilchen (30 grit) mischt und das Gemisch 15 Minuten einer Schüttelbewegung in einer Kugelmühle (Nummer 0) mit 90-100 ü.p.M. unterzieht.
Nach dieser Abriebbehandlung wurde jede ionenaustausch-behandelte Probe auf in entsprechendem Abstand voneinander befindlichen Messerschneiden in einer Tinius-Olsen-Maschine zur Prüfung der Festigkeit befestigt und es wurde eine ständig zunehmende Belastung auf den Stab entgegengesetzt zu und zwischen den Haltern angewandt, bis der Probestab an der Biegung durchbrach. Aus der gemessenen Belastung, welche erforderlich war, um die Probe zu zerbrechen, wurde ein Bruchmodulwert (MOR) für den einzelnen Probestab berechnet und es wurde der Durchschnitt der Werte für eine Gruppe von Proben ermittelt, sodaß man einen Durchschnittswert für das Glas erhielt. Dieser errechnete durchschnittliche MOR-Wert bezieht sich hier auf die durch Scheuerabrieb erhaltene Festigkeit des Glases.
Die beiden in den folgenden !Tabellen aufgeführten Glasreihen sind in Molprozent der Oxyde dargestellt. Außerdem sind in den Tabellen das Molverhältnis von Na2O und LigO/AlgO- und der durchschnittliche MOR-Wert (in Sausenden kg/cm ) pro Stoffzusammensetzung aufgeführt,
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wobei aich letztere nach der obigen Beschreibung ermitteln lassen.
In jeder Tabelle ist das erste Glas das Grundglas, d .h. das Glas ohne Na2O. Die Reihe wird dann dadurch entwickelt, daß man zunehmende Mengen Na9O und den SiOg-Gehalt entsprechend verringert.
C.
Al2O3 Li2O Tabelle I: II: durchschn. MOE
SiO2 Na2O Na2O + Li2O Na2O + Li2O
14 8 Al2O3 Al2O3 3,23
78 14 8 __ 0,57 0,71 3,23
77 14 8 1 0,64 0,79 3,45
76 14 8 2 0,71 3,23
74 14 8 4 0,86 3,16
73 14 8 5 0,93 3,23
72 14 8 6 1,00 2,95
71 14 8 7 1,07 2,81
70 14 8 8 1,14 2,53
69 14 8 9 1,21 2,11
68 14 8 10 1,28 2,11
67 14 8 11 1,35 1,69
66 14 8 12 1,43 1,41
65 13 1,50
Al2O3 Li2O Tabelle durchschn. MOR
SiO2 Na2O
14 10 3,73
76 14 10 __ 4,08
75 1
009820/05 1
Tabelle II (Fortsetzung) 1496463
Al2O3 Li2O 1 Ia2O Ha2O + Li 2( 3 durchschn.MOR
Al2O3
14 10 2 0,86 3,87
14 10 3 0,93 3,80
14 10 5 1,07 3,87
14 10 6 1,14 3,30
14 10 7 1,21 2,81
14 10 9 1,35 1,62
In der Zeichnung sind die durchsclinittliehen MQR-Y/erte (x 10" ) auf der senkrechten Achse dargestellt, während der Ha20-Molzusatz bei jedem Glas (und infolgedessen die Glaszusammensetzung) entlang der horizontalen Achse dargestellt ist. Es ist leicht ersichtlich, daß die MOR-Werte im wesentlichen konstant bleiben, bis das Molverhältnis von Na2O + LigO/AlgO- etwa 1 erreicht. Danach sinken die MOR-Werte rasch ab. Ein beträchtlicher Na?0 Überschuß über das IjI-Verhältnis hinaus beschränkt daher ernstlich das Verfestigungspotential von jedem Lithiumoxydglas.
Die Wirkung des Molverhältnisses des Alkalimetalloxyds zur Tonerde (oder Zirkonerde) auf die Entspannungsbeständigkeit während des Erhitzens wird durch den Vergleich von Gläsern mit den folgenden Zusammensetzungen, ausgedrückt in Oxyden auf Mol basis, erläutert;
Tabelle IHt 1 92
04
2 92
04
3 92
04
SiO2 10,
2,
30 10,
2,
30 10,
2,
30
Li2O 1, If 1,
009820/05U
tabelle III (Fortsetzung)
0,97 0,81 0,64
0,25 0,50 0,75
0,25 . 0,25 0,25
0,03 0,03 0,03
Na2O
MgO
ZnO
Sb2O5
In Gewichtsprozent sind diese Gläser gleich, mit der Ausnahme, daß ein Prozent MgO ein Prozent Na2O in den aufeinanderfolgenden Zusammensetzungen ersetzt.
Bs wurden Grundmassen für diese Gläser nach der vorhergehenden Beschreibung hergestellt und geschmolzen und das Glas wurde zu Stäben gezogen. Proben der Stäbe wurden dann einem Temperaturwechselturnus unterworfen, bei dem das Glas abwechselnd auf den Glühpunkt und den Erweichungspunkt erhitzt wurde, um die potentielle Wärmebehandlung beim Glasbiegen nachzuahmen.
Bei einem spezifischen Vergleichsversuch wurden Glasversuchsstücke bis zu 30 Minuten lang immer wieder auf 6800O erhitzt. Die Proben wurden dann abgekühlt und wurden dann sowohl mit dem bloßen Auge als auch unter einem Mikroskop auf Kristallbildung hin untersucht. Die Gläser 2 und 3 der Tabelle III waren nach einer halben Stunde visuell klar, doch konnte unter dem Mikroskop eine verstreute Kristallentwicklung beobachtet werden. Dies erwies sich jedoch weder auf das Aussehen noch auf die Festigkeit als nachteilig. Das Glas 1 jedooh kristallisierte so stark, daß es innerhalb 30 Minuten sichtbar wurde. Unter dem Mikroskop wurde die Kristallbildung naoh fünf minütigem Temperaturwechsel siohtbar und wurde innerhalb einer halben Stunde ziemlich stark.'
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Daraus geht hervor, daß die Entglasungsbeständigkeit bei vielen Wiedererwärmungszwecken verlorengeht, sobald das Molverhältnis des Alkalis zur Tonerde 1 beträchtlich übersteigt (z.B. in Glas 1, worin das Verhältnis 1,1 beträgt). Weitere Versuche mit ähnlichen Gläsern zeigen, daß dieses Ergebnis ziemlich feststehend ist.
Nach diesen Leitprinzipien wurde die folgende Glaszusammensetzung als ein besonders geeignetes Glas für die Herstellung von Tafelglas entwickelt, welches sich auf etwa 3520 kg/cm MOR (Scheuerabrieb) verfestigen läßt, welches an seinem Fließpunkt eine Viskosität von etwa 50 000 poises hat, welches sich für Biegezwecke ohne schädliche Kristallisierung immer wieder erhitzen läßt und eine gute chemische Beständigkeit hat. Dieses Glas hat die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent, bezogen auf die Oxyde:
Tabelle IV: SiO2 62,0
Al2O3 24,2
Na2O 7,2
κ2ο 0,1
Li2O 3,6
MgO 1,9
Sb2O- 1,0
In dieser Zusammensetzung dient MgO als Flußmittel, das weggelassen werden kann, wobei jedoch das Schmelzen erschwert wird, d.h. die Schmelztemperatur steigt. Auch das Antimonoxyd ist für Läuterungezwecke vorhanden und kann auch durch andere Mittel ersetzt werden. Paa K2O ist eine zulässige Verunreinigung, welche in den verwendeten Rohstoffen anwesend ist.
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Die übrigen Bestandteile sind wesentlich und ihre Mengenverhältnisse vermitteln zwischen kritischen Eigenschaften wie z.B. Grlasviskosität bei der Fließtemperatur, ■Verfestigungspotential, Entspannungsbeständigkeit und chemischer Beständigkeit dar. Durch Abänderung der Mengenverhältnisse kann man eine Eigenschaft verbessern, wobei jedoch normalerweise eine andere Eigenschaft Einbußen erleidet. Man kann daher die Tonerdemenge senken, um den Liquidus herabzusetzen, aber das Verfestigungspotential nimmt dann ebenfalls ab.
Selbstverständlich dienen die vorliegenden Beschreibungen und Vergleiche allgemein zur Erläuterung der allgemein innerhalb des Bereichs der Erfindung erzielbaren Ergebnisse, die in den folgenden Patentansprüchen definiert sind.
0 9 8 2 0/051'.

Claims (4)

-X5- f Patentansprüche:
1. Li2O-Al2O3-SiO2- oder Li2O-ZrO3-SiO2-GIaS-gegenstand mit einer druckgespannten Oberflächenschicht, in dem ein Alkalimetallion, das größer als das Lithiumion ist, wenigstens teilweise an die Stelle des Lithiumions im Glas der gespannten Oberfläche tritt, in dem die Grundglaszusammensetzung im wesentlichen aus LiO31 SiO2, dem Oxyd des substituierten Ions und einem Oxyd wie z.B. AIpO, oder ZrO2 besteht und worin die Molgesamtmenge des Alkalimetalloxyds im Glas die Molgesamtmenge von Al3O5 oder ZrO2 nicht überschreitet.
2. Glasgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das substituierte größere Alkalimetallion aus Natrium besteht.
3. Glasgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaszusammensetzung, in Gew.-$» bezogen auf die Oxyde, im wesentlichen aus etwa 62-64 Gew.-SiO2, 24-25 Gew.-# Al3O5, 7-7,5 Gew.-# Na3O, 3,5 - 4,0 Gew.-# LiO t 0-2 Gew.-^ MgO und 1 Gew.-^ eines Läuterungsmittels besteht.
4. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes nach Anspruch 1, bei dem eine druckgespannte Oberflächenschicht gebildet wird, in der ein Alkalimetallion, das größer als das Lithiumion ist, wenigstens teilweise an die Stelle des Lithiums bei einer !Temperatur unterhalb des Glasverformungspunktes tritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundglaszueammensetzung ale sekundäres Flußmittel
009820/05U
das Oxyd des Ions enthält, das anschließend durch Ionenaustausch in das Glas eingeführt werden soll, wobei die gesamten im Glas enthaltenden Mole Alkalimetalloxyd die gesamte Molmenge von AIpO, oder ZrOp nicht über steigen sollen.
Für Corning Glass Works
Rechtsa:
009820/05U
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