DE1496470B2 - ALKALINE SILICATE SOLIDIFIED BY ION EXCHANGE, THE ENVIRONMENTAL SURFACE LAYER AND THE PROCESS FOR ITS MANUFACTURING ARE CONSTRUCTED BY THE GLASS SUBSTANCE WITH A CORE AND A PRESSURE - Google Patents

ALKALINE SILICATE SOLIDIFIED BY ION EXCHANGE, THE ENVIRONMENTAL SURFACE LAYER AND THE PROCESS FOR ITS MANUFACTURING ARE CONSTRUCTED BY THE GLASS SUBSTANCE WITH A CORE AND A PRESSURE

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DE1496470B2 DE19651496470 DE1496470A DE1496470B2 DE 1496470 B2 DE1496470 B2 DE 1496470B2 DE 19651496470 DE19651496470 DE 19651496470 DE 1496470 A DE1496470 A DE 1496470A DE 1496470 B2 DE1496470 B2 DE 1496470B2
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Description

Die vorliegende Erfindung betrift einen durch Ionenaustausch verfestigten Alkalisilikat-Glasgegenstand mit verbesserter mechanischer Festigkeit und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gegenstandes. The present invention relates to an ion exchange strengthened alkali silicate glass article having improved mechanical strength and methods of making such an article.

Es ist bekannt, Glasgegenstände durch Ionenaustausch, welcher den Austausch von relativ großen Ionen in dem Glas gegen relativ kleine Ionen aus einer äußeren Quelle bei Temperaturen oberhalb des unteren Kühlpunktes des Glases (1014lS Poise) umfaßt, zu verfestigen. Diese Art des Ionenaustausches wird z. B. in der USA.-Patentschrift 2 779 136 beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift wird die Behandlung eines Alkalisilikatglases, in dem das Alkalimetall Natrium und/oder Kalium ist, mit einem Lithiumionen enthaltenden Material bei einer Temperatur zwischen dem Spannungspunkt und dem Erweichungspunkt des Glases beschrieben. Die Lithiumionen werden im Austausch gegen Natrium- und/oder Kaliumionen aus der Oberfläche des Glases in die Glasoberfiäche eingeführt, um auf dem Gegenstand eine Schicht aus neuem Glas herzustellen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer ist als der des ursprünglichen Glases. Dadurch werden, wenn der Gegenstand abgekühlt wird, in der neuen Glasoberfläche Druckspannungen erzeugt.It is known to strengthen glass articles by ion exchange, which involves the exchange of relatively large ions in the glass for relatively small ions from an external source at temperatures above the lower cooling point of the glass (10 14 lS poise). This type of ion exchange is z. In U.S. Patent 2,779,136. This patent describes the treatment of an alkali silicate glass in which the alkali metal is sodium and / or potassium with a material containing lithium ions at a temperature between the stress point and the softening point of the glass. The lithium ions are introduced into the glass surface in exchange for sodium and / or potassium ions from the surface of the glass in order to produce a layer of new glass on the object, the coefficient of thermal expansion of which is lower than that of the original glass. As a result, when the object is cooled, compressive stresses are generated in the new glass surface.

Eine zweite bekannte Art der Verfestigung des Glases durch Ionenaustausch umfaßt den Austausch von relativ kleinen Ionen im Glas gegen relativ große Ionen aus einer äußeren Quelle bei Temperaturen unterhalb des unteren Kühlpunktes des Glases. Diese Art des Ionenaustausches ist z. B. aus den französischen Patentschriften 1 329 124 bis 1 329 126 bekannt. A second known way of strengthening the glass by ion exchange involves exchange of relatively small ions in the glass versus relatively large ions from an external source at temperatures below the lower cooling point of the glass. This type of ion exchange is z. B. from the French Patents 1,329,124 to 1,329,126 are known.

Bei dieser Art des Ionenaustausches entstehen Druckspannungen eher direkt durch den Ionenaustausch selbst als durch die Bildung einer neuen Glasoberfläche. With this type of ion exchange, compressive stresses tend to arise directly from the ion exchange even than through the formation of a new glass surface.

Die Festigkeitsverbesserung, die auf diese Weise erhalten wird, kann jedoch ziemlich schnell verlorengehen, wenn der Gegenstand anschließend einer Temperatur von 3000C oder mehr während eines ausgedehnten Zeitraums bei anschließender Behandlung unterworfen wird. Ferner findet häufig ein ernsthaftes Nachlassen der chemischen Beständigkeit der Glasoberfläche durch den Ionenaustausch statt. Vom Standpunkt der Rohglasherstellung sind die zur Verfügung stehenden lithiumhaltigen Rohmaterialien verhältnismäßig teuer, und die Viskositäts- und Entglasungseigenschaften des Lithiumsilikatglases machen es häufig schwierig, übliche Glasherstellungsverfahren anzuwenden. Diese verschiedenen Probleme werden nun durch den erfindungsgemäßen verstärkten Glasgegenstand und das erfindungsgemäße Verfestigungsverfahren vermieden.The improvement in strength obtained in this way can, however, be lost quite quickly if the article is subsequently subjected to a temperature of 300 ° C. or more for an extended period of time with subsequent treatment. Furthermore, there is often a serious decrease in the chemical resistance of the glass surface due to the ion exchange. From a raw glass production standpoint, the available lithium-containing raw materials are relatively expensive, and the viscosity and devitrification properties of the lithium silicate glass often make it difficult to use conventional glassmaking processes. These various problems are now avoided by the reinforced glass article and method of consolidation of the present invention.

Der erfindungsgemäße Gegenstand ist ein durch ionenaustausch verfestigter Glasgegenstand aus einem Alkalisilikatglas-Kern mit einem größeren Alkaliion als Lithium und aus einer unter Druckspannung stehenden Alkalisilikatglas-Oberflächenschicht mit gegenüber d£tn Kern unterschiedlicher Struktur, aber gleicher molarer Zusammensetzung, in der ein niedrigerer molarer Gehalt der im Kern enthaltenden Alkaliionen durch einen entsprechenden molaren Gehalt an Lithiumionen ausgeglichen ist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens ein Teil der Lithiumionen in der äußeren Randzone der umhüllenden Oberflächenschicht durch größere einwertige Metallionen ohne Änderung der Struktur der Oberflächenschicht ersetzt ist.The object according to the invention is a glass object made of a solidified by ion exchange Alkali silicate glass core with a larger alkali ion than lithium and made of one under compressive stress Standing alkali silicate glass surface layer with a different structure than the core, but same molar composition, in which a lower molar content of the alkali ions contained in the core is balanced by a corresponding molar content of lithium ions, which is characterized by is that at least some of the lithium ions in the outer edge zone of the enveloping Surface layer through larger monovalent metal ions without changing the structure of the surface layer is replaced.

Bei der Herstellung eines derartig verfestigten Glasgegenstandes kann der Gegenstand zunächst aus einem Alkalimetallsilikatglas hergestellt werden, das ein verhältnismäßig großes Ion als primäres Alkaliion enthält. Dieser Gegenstand wird dann von einer Schicht aus einem Lithiumsilikatglas durch Austausch der Lithiumionen gegen die größeren Alkalimetallionen in einer Oberflächenschicht oder -zone des Gegenstandes umhüllt. Diese Oberflächenzone wird dann einem weiteren Ionenaustausch unterworfen, wobei die Lithiumionen dieser Zone durch größere Alkalionen bei einer Temperatur ausgetauscht werden, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Spannung im Glas rapide nachläßt.In the production of such a solidified glass object, the object can initially be made from an alkali metal silicate glass which has a relatively large ion as the primary alkali ion contains. This item is then replaced by a layer of a lithium silicate glass of lithium ions against the larger alkali metal ions in a surface layer or zone of the object enveloped. This surface zone is then subjected to a further ion exchange, the lithium ions of this zone being exchanged for larger alkali ions at a temperature below the temperature at which the tension in the glass rapidly decreases.

Die größeren Ionen, die an diesem zweiten Ionenaustausch teilnehmen, können z. B. aus einer Salzschmelze stammen, die mit der Oberfläche des Gegen-Standes in Berührung steht, oder sie können aus dem Inneren des Glasgegenstandes durch Gegendiffusion oder Eindringen von Alkaliionen während des weiteren Erhitzens des Glasgegenstandes stammen. Beispielsweise können größere Alkaliionen aus dem Stammglas im Inneren des Gegenstandes nach außen wandern, um mit den Lithiumionen aus dem neugeschaffenen Glas an der Oberfläche des Gegenstandes ausgetauscht zu werden, wobei die Lithiumionen tiefer in den Gegenstand im Austausch mit den größeren Ionen wandern. In beiden Fällen ist der erhaltene Gegenstand durch eine verbesserte Festigkeit gekennzeichnet, die während wesentlicher Zeiträume bei Temperaturen von bis zu 600° C beibehalten wird.The larger ions that take part in this second ion exchange can e.g. B. from a molten salt originate, which is in contact with the surface of the object, or they can come from the Inside the glass object by counter-diffusion or penetration of alkali ions during the further Originate from heating the glass object. For example, larger alkali ions from the Stem glass inside the object migrate to the outside in order to keep up with the lithium ions from the newly created Glass on the surface of the object get exchanged, with the lithium ions migrate deeper into the object in exchange with the larger ions. In both cases the obtained article characterized by an improved strength, which during substantial periods of time is maintained at temperatures up to 600 ° C.

Der Gegenstand kann beispielsweise eine flache Glastafel oder -scheibe sein, wie sie bei Gebäudeoder Fahrzeugfenstern verwendet werden, oder er kann ein Hohlkörper sein, wie z. B. ein Behälter oder Gefäß, das beim Verpacken, Herstellen oder zum Servieren von Speisen und Getränken verwendet werden kann. Die für den neuen Gegenstand charakteristische Beibehaltung der Festigkeit bei hoher Temperatur ist von besonderer Bedeutung bei zum Kochen verwendeten und ähnlichen Gegenständen, die notwendigerweise erhöhten Temperaturen während längerer Zeiträume ausgesetzt werden. Für Test- und Versuchszwecke haben sich jedoch kurze Glasrohre oder Glasstangen mit einem Durchmesser von 6,3 mm als besonders geeignet erwiesen.The object can be, for example, a flat sheet of glass or pane of glass, as is the case with building or Vehicle windows are used, or it can be a hollow body, such as. B. a container or Container that is used in the packaging, manufacture or serving of food and beverages can be. The retention of strength at high temperature characteristic of the new item is of particular importance in items used in cooking and similar items that are necessarily exposed to elevated temperatures for prolonged periods of time. For test and Experimental purposes, however, have short glass tubes or glass rods with a diameter of 6.3 mm proved to be particularly suitable.

Das in dem Stammglas enthaltene größere Alkaliion ist vorzugsweise ein Ion, das gewöhnlich als Flußmittel beim Schmelzen von Glas verwendet wird, d. h. Natrium, Kalium oder ein Gemisch dieser beiden Elemente. Andere Alkalimetalle, wie z. B.The larger alkali ion contained in the stem glass is preferably an ion usually known as Flux is used in melting glass; d. H. Sodium, potassium or a mixture of these both elements. Other alkali metals such as B.

Rubidium und Cäsium, können ebenfalls verwendet werden, sind jedoch von geringerem Interesse wegen ihrer größeren Kosten und ihrer geringeren Beweglichkeit während des Ionenaustausches. Die Ausdrucksweise »Alkalimetallsilikat« wird im herkömmliehen Sinne verstanden, um eine Glaszusammensetzung zu bezeichnen, bei der Kieselerde (SiO2) das einzige oder primäre Glas bildende Oxid ist und ein oder mehrere Alkalimetalloxide die Hauptglasmodifikationen darstellen.Rubidium and cesium can also be used, but are of lesser interest because of their greater cost and their lower mobility during ion exchange. The expression "alkali metal silicate" is understood in the conventional sense to denote a glass composition in which silica (SiO 2 ) is the only or primary glass-forming oxide and one or more alkali metal oxides represent the main glass modifications.

Außerdem enthält das Glas normalerweise wenigstens 5 Gewichtsprozent Al2O3 und/oder ZrO2, um die Festigkeitseigenschaften zu verbessern. Gläser, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind,In addition, the glass normally contains at least 5 percent by weight Al 2 O 3 and / or ZrO 2 in order to improve the strength properties. Glasses suitable for the present invention,

können daher im wesentlichen aus 5 bis 25 Gewichtsprozent Na2O und/oder K2O, 5 bis 25 Gewichtsprozent Al2O3 und/oder ZrO2, 45 bis 80 Gewichtsprozent SiO2 und O bis 20 Gewichtsprozent anderen herkömmlichen Glasherstellungsmaterialien bestehen.can therefore consist essentially of 5 to 25 percent by weight Na 2 O and / or K 2 O, 5 to 25 percent by weight Al 2 O 3 and / or ZrO 2 , 45 to 80 percent by weight SiO 2 and 0 to 20 percent by weight of other conventional glassmaking materials.

Die chemische Beständigkeit einer Glasoberfläche kann auf zahlreichen Wegen in Abhängigkeit von der besonderen Natur und dem Grad der Haltbarkeit der für den jeweiligen Verwendungszweck erforderlich ist, bestimmt werden. Für die erfindungsgemäßen Zwecke ist die Säurefestigkeit, die durch die herkömmlichen Heißsäureversuche bestimmt wird, von besonderem Interesse. Bei diesem Test wird ein Stück der Glasware in eine 5%ige Salzsäurelösung bei 95° C 24 Stunden lang eingetaucht, wobei die Säurefestigkeit durch den Gewichtsverlust des Glases in Milligramm je Quadratzentimeter ausgedrückt wird. Im allgemeinen ist man der Ansicht, daß ein Glas, dessen Gewichtsverlust höher als 0,5 mg/cm2 ist, als Glas von unzureichender Festigkeit anzusehen ist.The chemical resistance of a glass surface can be determined in a number of ways, depending on the particular nature and degree of durability required for the particular application. For the purposes of the invention, the acid resistance, which is determined by the conventional hot acid tests, is of particular interest. In this test, a piece of the glassware is immersed in a 5% hydrochloric acid solution at 95 ° C. for 24 hours, the acid resistance being expressed by the weight loss of the glass in milligrams per square centimeter. In general, it is considered that a glass whose weight loss is greater than 0.5 mg / cm 2 should be regarded as a glass of insufficient strength.

Um einen Glasgegenstand herzustellen, der in der Lage ist, diesen Qualifikationen nach der chemischen Verfestigung durch ein Ionenaustauschverfahren zu entsprechen, werden bei der vorliegenden Erfindung Gläser verwendet, die im wesentlichen aus 45 bis 75 Gewichtsprozent SiO2, 2 bis 20 Gewichtsprozent P2O5, 5 bis 25 Gewichtsprozent Al2O3 und 8 bis 25 Gewichtsprozent Na2O und vorzugsweise im wesentlichen aus 45 bis 70 Gewichtsprozent SiO2, 10 bis 22 Gewichtsprozent Na2O, 10 bis 22 Gewichtsprozent Al2O3 und 4 bis 15 Gewichtsprozent P2O5 bestehen.In order to produce a glass article which is able to meet these qualifications after chemical strengthening by an ion exchange process, glasses are used in the present invention which consist essentially of 45 to 75 percent by weight SiO 2 , 2 to 20 percent by weight P 2 O 5 , 5 to 25 weight percent Al 2 O 3 and 8 to 25 weight percent Na 2 O and preferably essentially 45 to 70 weight percent SiO 2 , 10 to 22 weight percent Na 2 O, 10 to 22 weight percent Al 2 O 3 and 4 to 15 weight percent P 2 O 5 exist.

Gläser, die . ausschließlich aus Alkalimetalloxid und Kieselsäure bestehen, haben im allgemeinen schlechte Festigkeitseigenschaften und sind für die chemische Verfestigung, insbesondere für die Tiefenverfestigung, um der Abnutzung standzuhalten, nicht gut geeignet. Es wurde daher gefunden, daß man vorzugsweise entweder Tonerde oder Zirkonoxid zufügt,, um das Glas zu stabilisieren und ihm gleichzeitig eine wesentliche verbesserte Festigkeit zu verleihen. Tonerde wird im allgemeinen für Schmelzzwecke bevorzugt, und wenigstens 5 Gewichtsprozent sind für die Verbesserung der Festigkeit und Haltbarkeit erforderlich. Die Haltbarkeit erreicht gewöhnlich einen Maximalwert in Gläsern, die etwa 15 bis 18 Gewichtsprozent Tonerde enthalten, und fällt dann so ab, daß Gläser, die mehr als etwa 20 Gewichtsprozent Al2 O3 enthalten, eine unzureichende Haltbarkeit haben, insbesondere bei höherem Sodagehalt. Bei einem Sodagehalt von 8 bis 15 Gewichtsprozent kann daher ein etwas höherer Tonerdegehalt verwendet werden, bevor das Absinken der Haltbarkeit wesentlich 0,5 mg/ cm2 überschreitet.Glasses that. composed solely of alkali metal oxide and silica, generally have poor strength properties and are not well suited for chemical strengthening, particularly deep strengthening to withstand wear. It has therefore been found that it is preferred to add either alumina or zirconia in order to stabilize the glass while giving it significantly improved strength. Alumina is generally preferred for fusing purposes and at least 5 weight percent is required for strength and durability improvement. The shelf life usually peaks in glasses containing about 15 to 18 weight percent alumina and then drops so that glasses containing more than about 20 weight percent Al 2 O 3 have inadequate shelf life, especially with higher soda content. With a soda content of 8 to 15 percent by weight, a slightly higher alumina content can therefore be used before the drop in shelf life significantly exceeds 0.5 mg / cm 2.

Kieselsäure ist das grundlegende glasbildende Oxid. Wenigstens 45 Gewichtsprozent sind erforderlich, um ein Glas mit ausreichender Haltbarkeit und Festigkeit zu erhalten.Silica is the basic glass-forming oxide. At least 45 percent by weight is required to obtain a glass with sufficient durability and strength.

Es wurde gefunden, daß durch die Gegenwart von P2O5 in Soda-Tonerdesilikatgläsern die Oberflächendefekte der Kristallstruktur, nämlich Sprüngebildung und/oder Schrumpfen, was sonst normalerweise während des Lithiumionenaustausches stattfindet, vermieden wird. Verhältnismäßig kleine Mengen können die Kristallbildung in einigen Gläsern hemmen. Normalerweise sind jedoch wenigstens 2 Gewichtsprozent P2O5 erforderlich, und ein Gehalt von 4 Gewichtsprozent ist der Optimalwert. Geeignete Phosphatrohstoffe sind im allgemeinen teurer als Tonerdesilikatstoffe, wie z. B. Feldspate u. dgl. Es ist daher erwünscht, daß der P2O5-Gehalt etwa 10 Gewichtsprozent nicht überschreitet. Andererseits können jedoch bis zu etwa 20 Gewichtsprozent verwendet werden.It has been found that the presence of P 2 O 5 in soda-alumina silicate glasses avoids the surface defects of the crystal structure, namely cracking and / or shrinking, which otherwise normally takes place during lithium ion exchange. Relatively small amounts can inhibit crystal formation in some glasses. Usually, however, at least 2 percent by weight P 2 O 5 is required and a level of 4 percent by weight is the optimum. Suitable phosphate raw materials are generally more expensive than alumina silicate materials, such as. B. feldspars and the like. It is therefore desirable that the P 2 O 5 content does not exceed about 10 percent by weight. On the other hand, however, up to about 20 percent by weight can be used.

Natriumoxid (Na2O) ist der Grundglasmodifikator und liefert gleichfalls Ionen zum Austausch mit Lithium beim ersten Austausch. Wenigstens 8 Gewichtsprozent sind für diesen Zweck erwünscht, und 15 bis 18 Gewichtsprozent stellen die optimale Menge dar. Bis zu etwa 25 Gewichtsprozent können unter bestimmten Umständen vorhanden sein, jedoch neigen derartige größere Mengen dazu, eine geringere chemische Beständigkeit und eine höhere Verflüssigungstemperatur zu verleihen. Dieses letztere macht das Schmelzen und Formen schwieriger.
Andere bekannte glasbildende Oxide, wie z. B.
Sodium oxide (Na 2 O) is the base glass modifier and also provides ions for exchange with lithium during the first exchange. At least 8 percent by weight is desirable for this purpose and 15 to 18 percent by weight is the optimal amount. Up to about 25 percent by weight may be present in certain circumstances, but such larger amounts tend to impart lower chemical resistance and higher liquefaction temperature. The latter makes melting and molding more difficult.
Other known glass-forming oxides, such as. B.

die anderen Alkalimetalloxide, die Erdalkalimetalloxide, PbO, TiO2, Glasfärbemittel und Läuterungsmittel, können in begrenzten Mengen von 1 bis 5 Gewichtsprozent jeweils enthalten sein. Größere Mengen neigen im allgemeinen zur Kristallisation im Glas, zu einem Verlust des Verfestigungspotentials oder zu anderen nachteiligen Auswirkungen.the other alkali metal oxides, the alkaline earth metal oxides, PbO, TiO 2 , glass colorants and fining agents can each be contained in limited amounts of 1 to 5 percent by weight. Larger amounts generally tend to crystallize in the glass, to lose the solidification potential or to have other adverse effects.

Der verfestigte Silikatglasgegenstand der vorstehend beschriebenen Art wird dadurch erhalten, daß zunächst ein Glasgegenstand aus einem Alkalisilikatglas hergestellt wird, bei dem das Alkaliion überwiegend ein anderes Ion als Lithium ist, darauf wird auf dem Gegenstand eine Oberflächenschicht aus einem Silikatglas mit unterschiedlicher Zusammensetzung und Struktur als das Stammglas des Gegen-Standes gebildet, wobei dieses Oberflächenglas dadurch charakterisiert ist, daß es einen wesentlich höheren Gehalt an Lithiumionen bezüglich des Gehaltes des Stammglases hat, und dann die Lithiumionen aus der Glasoberflächenschicht mit austauschbaren Ionen mit größerem Ionenradius ohne wesentliche Umordnung der Glasstruktur ausgetauscht werden, wodurch eine druckgespannte Oberfläche auf dem Gegenstand entsteht. Vorzugsweise enthält das Grundglas des Gegenstandes wenigstens ein Oxid, wie z. B. Na2O oder K2O, und eine Lithiumsilikatglasoberflächenschicht wird dadurch erhalten, daß der Gegenstand bei einer Temperatur oberhalb des Glasspannungspunktes mit einem Stoff in Berührung gebracht wird, der Lithiumionen enthält, wodurch diese Lithiumionen mit dem größeren Alkalimetall· ionen des Stammglases wenigstens teilweise ausgetauscht werden, so daß die Oberflächenschicht eine unterschiedliche Zusammensetzung und Struktur erhält. The solidified silicate glass object of the type described above is obtained by first producing a glass object from an alkali silicate glass in which the alkali ion is predominantly an ion other than lithium The main glass of the object is formed, this surface glass being characterized in that it has a significantly higher content of lithium ions than the content of the main glass, and then the lithium ions from the glass surface layer are exchanged with exchangeable ions with a larger ionic radius without significant rearrangement of the glass structure, whereby a pressure-tensioned surface is created on the object. Preferably, the base glass of the object contains at least one oxide, such as. B. Na 2 O or K 2 O, and a lithium silicate glass surface layer is obtained in that the object is brought into contact at a temperature above the glass tension point with a substance containing lithium ions, whereby these lithium ions with the larger alkali metal ions of the main glass at least be partially exchanged, so that the surface layer has a different composition and structure.

Durch den Austausch des Lithiumions oder eines anderen kleineren Ions gegen ein größeres Alkalimetallion oberhalb des Glasspannungspunktes bildet sich eine dünne Glasschicht, die sich sowohl strukturell als auch in ihrer Zusammensetzung von dem ursprünglichen Alkalimetallglas, aus dem der Gegenstand hergestellt wurde, unterscheidet. Das neue Glas wird als Silikatglas insofern bezeichnet, als es dem Stammglas entspricht, außer daß in dem neuen Glas der Lithiumgehalt wesentlich höher und der Natriumionengehalt wesentlich geringer ist, wobei jedoch der molare Gesamtalkalimetalloxidgehalt im wesentlichen in beiden Gläsern gleich ist. Insoweit als der Austausch oberhalb des Glasspannungspunktes stattfindet, ord-By exchanging the lithium ion or another smaller ion for a larger alkali metal ion A thin layer of glass forms above the glass tension point, which is structurally different as well as in their composition from the original alkali metal glass from which the object is made was produced differs. The new glass is referred to as silicate glass in that it is the Stammglas corresponds, except that in the new glass the lithium content is much higher and the sodium ion content is substantially less, but the total molar alkali metal oxide content is substantially is the same in both glasses. In so far as the exchange takes place above the glass tension point, ord-

net sich die Stammglasstruktur so um, daß sie sich hinsichtlich der Größe der vorhandenen Alkalimetallionen, d.h. dem Austausch von Natriummit Lithiumionen in der Glaszusammensetzung anpaßt.net the stem glass structure so that it differs in terms of the size of the alkali metal ions present, i.e., accommodates the exchange of sodium for lithium ions in the glass composition.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das primäre Alkalimetallion in dem Stammglas Natrium und die umhüllende Schicht ein entsprechendes Lithiumsilikatglas ist. Die Beschreibung bezieht sieh auf die Zeichnungen.The following description relates to embodiments of the invention in which the primary alkali metal ion in the main glass is sodium and the enveloping layer is a corresponding lithium silicate glass is. The description refers to the drawings.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines zylindrischen Glasstabs im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;F i g. 1 is a schematic representation of a cylindrical glass rod in cross section according to FIG Embodiment of the present invention;

Fig. 2 und 3 erläutern graphisch die Weise, in der die Natriumionenkonzentrationen in einem Gegenstand der in F i g. 1 gezeigten Art verändert werden kann;Figures 2 and 3 graphically illustrate the manner in which the sodium ion concentrations in an article the in F i g. 1 can be changed;

F i g. 4 erläutert graphisch die Beibehaltung der Festigkeit eines solchen Gegenstandes;F i g. Figure 4 graphically illustrates the retention of strength of such an article;

F i g. 5 ist eine schematische Darstellung eines zylindrischen Glasstabs im Querschnitt nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; F i g. 5 is a schematic illustration of a cylindrical glass rod in cross section according to FIG further embodiment of the present invention;

F i g. 6 erläutert zusammen mit F i g. 2 graphisch die Weise^ in der die Natriumionenkonzentration bei einem Gegenstand der in F i g. 5 gezeigten Art verändert werden kann.F i g. 6 explained together with FIG. 2 graphs the manner in which the sodium ion concentration in the case of an item of the type shown in FIG. 5 can be changed.

In dem Glasstab der F i g. 1 wird der Kernteil 10 von einer ihn kreisförmig umhüllenden Schicht 12 aus einem Glas mit einer Lithiumsilikatglasstruktur umgeben, d. h. einer Struktur, die sich von der des Glaskerns 10 insofern unterscheidet, als die Anzahl der Lithiumionenplätze in der Glasstruktur wesentlich größer ist als in dem Glaskern, wobei jedoch die Gesamtzahl der Alkalimetallionenplätze (der molare Gehalt des Alkalimetalloxids) gleich ist. Das Glas der Schicht 12 wird weiter dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Lithiumionenplätze in der Lithiumsilikatglasstruktur der Oberflächenschicht 12 durch größere Ionen, wie z. B. Natrium- oder Kaliumionen, eingenommen wird, ohne daß die Lithiumsilikatglasstruktur verändert wird. Die Gegenwart solcher größerer Ionen auf den kleineren Lithiumionenplätzen fuhrt zu einer Druckspannung in der Oberflächenschicht 12, die so lange bleibt, wie die Glasstruktur nicht umgeordnet wird, um sich den größeren Ionen anzupassen. Die Oberflächenschicht 12 ist normalerweise ziemlich dünn, vorzugsweise jedoch wenigstens 0,0508 bis 0,1016 mm stark, um einen Festigkeitsverlust bei dem Produkt infolge Abriebs zu verhindern. .In the glass rod of FIG. 1, the core part 10 is surrounded by a layer 12 which surrounds it in a circular manner surrounded by a glass with a lithium silicate glass structure, d. H. a structure that differs from that of the Glass core 10 differs in that the number of lithium ion sites in the glass structure is essential is larger than in the glass core, but the total number of alkali metal ion sites (the molar Content of the alkali metal oxide) is the same. The glass of layer 12 is further characterized by that at least some of the lithium ion sites in the lithium silicate glass structure of the surface layer 12 by larger ions, such as B. sodium or potassium ions, is taken without the lithium silicate glass structure is changed. The presence of such larger ions on the smaller lithium ion sites leads to a compressive stress in the surface layer 12, which remains as long as the Glass structure is not rearranged to accommodate the larger ions. The surface layer 12 is normally quite thin, but preferably at least 0.0508 to 0.1016 mm thick prevent loss of strength in the product due to abrasion. .

Die Zusammensetzung in der Oberflächenglasschicht 12 kann sehr verschieden sein. Zur Kennzeichnung und zur Unterscheidung von dem inneren Glas wird die Oberflächenschicht 12 jedoch als Einheit betrachtet.The composition in the surface glass layer 12 can be very different. For identification and to distinguish it from the inner glass, however, the surface layer 12 is used as a unit considered.

Die Weise, in der die Oberflächenschichtzusammensetzung variieren kann, wird in F i g. 2 erläutert, die die Natriumionenlinie eines typischen Natriumaluminiumsilikatglasgegenstandes zeigt, der 15 Minuten lang einem Lithiumionenaustausch unter Bedingungen ausgesetzt wurde, bei denen die gegenseitige Ionendiffusionsgeschwindigkeit 10~6 cm2/Sek. betrug.The manner in which the surface layer composition can vary is illustrated in FIG. 2, which shows the sodium ion line of a typical sodium aluminosilicate glass article subjected to lithium ion exchange for 15 minutes under conditions where the mutual ion diffusion rate is 10 ~ 6 cm 2 / sec. fraud.

In der Darstellung ist das Natriumionenverhältnis -q In the illustration, the sodium ion ratio is -q

an der Ordinate abgetragen, während die Eindringtiefe in die Glasoberfläche in tausendstel Zentimeter an der Abszisse abgetragen ist. Das Natriumionenverhältnis ist das Verhältnis des Natriumionengehalts bei jedem angezeigten Punkt zu dem Natriumionengehalt des Stammglases vor jedem Austausch. Es liegt auf der Hand, daß die Lithiumionenlinie auch dadurch erhalten werden kann, daß man die Natrium-plotted on the ordinate, while the depth of penetration into the glass surface in thousandths of a centimeter is plotted on the abscissa. The sodium ion ratio is the ratio of the sodium ion content at each indicated point to the sodium ion content of the stem glass before each exchange. It it is obvious that the lithium ion line can also be obtained by using the sodium

ionenlinie um 180° auf der ~- = 0,5-Achse dreht,ion line rotates 180 ° on the ~ - = 0.5 axis,

was gezeigt wird.what is shown.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß Natriumoxid oder Kaliumoxid oder ein Gemisch dieser Oxide als primäres Flußmittel für Kieselsäure in dem Glas, aus dem der Glasgegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, verwendet werden kann. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung wird eine Silikatglasmasse, die ein derartiges Flußmittel enthält, gemischt und geschmolzen, um eine Glasschmelze zu ergeben, aus der ein Gegenstand mit der gewünschten Form nach herkömmlichen Glasherstellungsverfahren geformt wird.A particular advantage of the present invention is that sodium oxide or potassium oxide or a mixture of these oxides as the primary flux for silica in the glass that makes up the glass article prepared in accordance with the present invention can be used. During execution According to the present invention, a silicate glass composition containing such a flux is mixed and melted to give a molten glass from which an article of the desired shape molded using conventional glassmaking techniques.

Der Glasgegenstand, der auf diese Weise erhalten wird, wird in ein geeignetes Lithiumsalzschmelzbad bei einer Temperatur oberhalb des Glasspannungspunktes für eine ausreichende Zeit eingetaucht, um eine gewünschte Tiefe des Ionenaustauschs zwischen dem Glas und dem Bad zu erwirken. Die wesentlichen Erfordernisse das Salzbades liegen darin, daß es ein austauschbares Lithiumion enthält, das in das Glas zum endgültigen Austausch durch ein größeres Ion in einer nachfolgenden Ionenaustauschstufe eingeführt wird. Folglich enthält das flüssige Glasbad normalerweise ein ionisierbares Lithiumsalz, entweder allein oder in Verbindung mit einem anderen Salz.The glass article obtained in this way is placed in a suitable molten lithium salt bath immersed at a temperature above the glass stress point for a sufficient time to to achieve a desired depth of ion exchange between the glass and the bath. The essential The salt bath's requirement is that it contain an exchangeable lithium ion that is contained in the glass introduced for final exchange by a larger ion in a subsequent ion exchange stage will. Thus, the liquid glass bath normally contains an ionizable lithium salt, either alone or in conjunction with another salt.

Ein gemischtes Salzbad kann notwendig sein, um eine Temperatur zu schaffen, die genügend oberhalb des Glasspannungspunktes liegt. Beispielsweise wurden Gemische aus 50 bis 95% Lithiumsulfat (Li2SO4) und 50 bis 5% Natriumsulfat (Na2SO4) verwendet, um Temperaturen von 600 bis 86O0C zu schaffen. Chloridbäder wurden gleichfalls verwendet, sind jedoch wegen der chemischen Einwirkung auf Metallbehälter und Anlagenteile sowie wegen des Glases selbst weniger geeignet.A mixed salt bath may be necessary to create a temperature sufficiently above the glass tension point. For example, mixtures were (Li 2 SO 4), and 50 used to 5% of sodium sulfate (Na 2 SO 4) from 50 to 95% of lithium sulfate to temperatures of 600 to provide up to 86o C 0. Chloride baths were also used, but are less suitable because of the chemical action on metal containers and plant components and because of the glass itself.

Die Begriffe »Spannungspunkt« oder »Spannungstemperatur« bezeichnen eine Temperatur, bei der das Glas einen bestimmten Zustand in bezug auf die Entspannung erreicht hat. Im allgemeinen geben sie eine maximale Temperatur an, bei der die Entspannung unter den gegebenen Umständen noch nicht stattfindet und einer Viskosität von etwa 1014·5 Poises entspricht.The terms "stress point" or "stress temperature" denote a temperature at which the glass has reached a certain state with regard to relaxation. In general, they indicate a maximum temperature at which relaxation does not yet take place under the given circumstances and corresponds to a viscosity of about 10 14 · 5 poises.

Die zum anfänglichen Lithiumionenaustausch erforderliche Zeit verändert sich mit der Austauschtemperatur. Die optimale Austauschzeit kann zwischen 5 Minuten bei einer Temperatur in der Nähe des Erweichungs- oder Verformungspunktes des Glases bis zu etwa 100 Stunden bei einer Temperatur gerade oberhalb des Spannungspunktes liegen. Gewöhnlich werden Temperaturen von etwa 50 bis 100° C unterhalb des Glaserweichungspunktes bei Zeiten von wenigen Minuten bis zu einer Stunde angewendet. Falls ejn anderes Ion als das Lithiumion verwendet wird, erfordert die geringere Beweglichkeit eine entsprechend längere Austauschzeit. In jedem Fall ist es notwendig, Bedingungen zu schaffen, unter denen eine Schicht aus einem Silikatglas zum anschließenden AustauschThe time required for the initial lithium ion exchange varies with the exchange temperature. The optimal replacement time can be between 5 minutes at a temperature near the The softening or deformation point of the glass up to about 100 hours at a temperature straight lie above the stress point. Usually temperatures of about 50 to 100 ° C will be below of the glass softening point at times of a few minutes to an hour. If ejn other ion than the lithium ion is used, the lower mobility requires a correspondingly longer replacement time. In any case, it is necessary to create conditions under which a layer from a silicate glass for subsequent exchange

von großen gegen kleine Ionen der nachstehend beschriebenen Art erhalten wird.large versus small ions of the type described below.

Der auf diese Weise erhaltene Glasgegenstand, der eine synthetische Lithiumsilikatglasschicht hat, kann nun mit einem Ionenaustauschmaterial, das größere Ionen als Lithiumionen liefert, in Berührung gebracht werden. Diese können die gleichen Ionen sein, wie sie ursprünglich in dem Glas geschmolzen und durch den anfänglichen Ionenaustausch entfernt wurden. Vorzugsweise findet der Oberflächenkontakt mittels eines Salzschmelzbades statt. Für einen Gegenstand, mit einer synthetischen Lithiumsilikatglasoberflächenschicht kann das Bad ein Natriumsalz, Kaliumsalz, Silbersalz oder ein Gemisch eines solchen Salzes mit einem modifizierenden Salz sein, bei dem eine geeignete Badtemperatur erhalten wird. Typischerweise kann ein Natriumnitratbad zur Einführung von Natriumionen verwendet werden.The glass article thus obtained, which has a synthetic lithium silicate glass layer, can now brought into contact with an ion exchange material that supplies ions larger than lithium ions will. These can be the same ions as originally melted in the glass and passed through the initial ion exchange was removed. The surface contact is preferably made by means of a molten salt bath instead. For an object with a synthetic lithium silicate glass surface layer The bath can contain a sodium salt, potassium salt, silver salt or a mixture of such a salt a modifying salt at which a suitable bath temperature is obtained. Typically a sodium nitrate bath can be used to introduce sodium ions.

Der kritische Faktor bei dieser Verfahrensstufe liegt darin, den Austausch eines größeren Ions gegen das kleinere Lithiumion des Glases bei einer ausreichend niedrigen Temperatur zu bewirken, so daß keine wesentliche molekulare Umordnung innerhalb des Glases stattfinden kann, wodurch sich das größere Ion anpassen kann. Dann wird der Glasgegenstand gewöhnlich bei einer Temperatur unterhalb oder nahe des Glasspannungspunktes behandelt, um die Austauschzeit abzukürzen.The critical factor at this stage of the process is to exchange a larger ion for to effect the smaller lithium ion of the glass at a sufficiently low temperature so that no substantial molecular rearrangement can take place within the glass, thus creating the larger Ion can customize. Then the glass article is usually at a temperature below or near of the glass tension point in order to shorten the replacement time.

Auch in diesem Fall hängt die zur optimalen Verstärkung erforderliche Zeit wesentlich von den be- 30; teiligten Ionen, der Glaszusammensetzung und der Austauschtemperatur ab. Bei einem gegebenen Glas kann ein optimaler Austausch von Natrium- gegen Lithiumionen zur Verstärkung bei Temperaturen von 50 bis 100° C unterhalb des Glasspannungspunktes etwa 1 Stunde erfordern. Als Faustregel gilt, daß sich diese Zeit etwa für jeden Temperaturabfall von 50 bis etwa 250° C verdoppelt. Wo größere Ionen als Kalium- oder Rubidiumionen verwendet werden, ist eine beachtlich längere Austauschzeit erforderlich, als auf Grund der Ionenbeweglichkeit zu erwarten wäre.In this case, too, the time required for optimal amplification essentially depends on the 30; ions, the glass composition and the exchange temperature. For a given glass an optimal exchange of sodium for lithium ions for reinforcement at temperatures of 50 to 100 ° C below the glass tension point require about 1 hour. The rule of thumb is that this time roughly doubles for every temperature drop from 50 to about 250 ° C. Where larger ions than Potassium or rubidium ions are used, a considerably longer exchange time is required, than would be expected based on the ion mobility.

F i g. 3 erläutert die Weise, in der die Natriumionenkonzentrationslinie der F i g. 2 durch diesen zweiten Ionenaustausch verändert wird. In F i g. 3 wird das Natriumionen verhältnis ig-J , d. h. das Verhältnis des bestehenden Natriumionengehalts zu dem des ursprünglichen Stammglases, wieder auf der Ordinate abgetragen, und die Eindringtiefe in das Glas (in tausendstel Zentimeter) wird auf der Abszisse abgetragen. Jede der verschiedenen Kurven zeigt die Natriumionenlinie zum Zeitpunkt »i« in Stunden, wo- * durch die Kurve als Zeit des zweiten Ionenaustaüschs identifiziert wird. Die Kurve dor F i g. 2 zeigt die Ionenverteilung zum Zeitpunkt 0 (i = 0). Diese Linie verändert sich allmählich innerhalb der Zeit und nähert sich unendlich, wo die Lithiumionen völlig ersetzt sind, was durch die gerade Linie in F i g. 3 gezeigt wird.F i g. 3 illustrates the manner in which the sodium ion concentration line the F i g. 2 is changed by this second ion exchange. In Fig. 3 the sodium ion ratio is ig-J, i.e. H. the Ratio of the existing sodium ion content to that of the original stem glass, again based on the The ordinate is plotted and the depth of penetration into the glass (in thousandths of a centimeter) is on the abscissa worn away. Each of the different curves shows the sodium ion line at time "i" in hours, where- * identified by the curve as the time of the second ion exchange. The curve dor F i g. 2 shows the Ion distribution at time 0 (i = 0). This line changes gradually over time and approaches infinity where the lithium ions are completely replaced, which is indicated by the straight line in FIG. 3 will be shown.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in F i g, 5 der Zeichnung erläutert. Die Glasstange der F i g. 5 wird zur Erläuterung als aus drei Zonen zusammengesetzte Glasstange gezeigt. Sie enthält eine- Kern- oder zentrale Zone 50, eine äußere oder Oberflächenzone 52 und eine Zwischenzone 54. Die zentrale oder Kernzone 50 stellt das Alkalimetallsilikatstammglas dar, aus dem der Gegenstand hergestellt wird. Die Oberflächenzone 52 besteht aus einer Lithiumsilikatglasschicht, die durch einen ersten Austausch zwischen Lithium- und Natriumionen erhalten und durch Natriumionen modifiziert wurde, die einen Teil der Lithiumplätze einnehmen. Die Zwischenzone 54 besteht aus dem Alkalimetallsilikatstammglas, aus dem die Natriumionen abgewandert sind und in die Lithiumionen während einer zweiten Wärmebehandlung eingedrungen sind.Another embodiment of the invention is illustrated in FIG. 5 of the drawing. The glass rod the F i g. 5 is shown as a glass rod composed of three zones for explanation. It contains a core or central zone 50, an outer or surface zone 52 and an intermediate zone 54. The central or core zone 50 represents the alkali metal silicate master glass from which the article is made will be produced. The surface zone 52 consists of a lithium silicate glass layer that passes through received a first exchange between lithium and sodium ions and modified by sodium ions which occupy part of the lithium sites. The intermediate zone 54 consists of the alkali metal silicate trunk glass, from which the sodium ions have migrated and into the lithium ions during a second heat treatment.

Die Stärken dieser Zonen stellen die Eindringtiefe in das Glas dar und sind zur Erläuterung übertrieben gezeichnet. Insbesondere die Oberflächenzone 52 ist normalerweise wesentlich flacher als sie in der Zeichnung dargestellt wurde. Ferner sind die Zusammensetzungen innerhalb der Zonen nicht konstant, sondern mehr von unregelmäßiger Natur, so daß die Zonen ineinander übergehen.The strengths of these zones represent the depth of penetration into the glass and are exaggerated for explanation drawn. In particular, the surface zone 52 is normally much shallower than it in FIG Drawing was shown. Furthermore, the compositions within the zones are not constant, but more of an irregular nature, so that the zones merge into one another.

Bei der Herstellung eines Gegenstandes nach F i g. 5 kann man wie bei der Herstellung eines Gegenstandes nach F i g. 1 bis zum Zeitpunkt des zweiten Ionenaustausches verfahren. Es wird daher ein Alkalimetallsilikat-Glasgegenstand mit einer Oberflächenschicht aus Lithiumsilikatglas nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt.When producing an object according to FIG. 5 can be used in the same way as in the production of an object according to FIG. 1 until the time of the second ion exchange. It therefore becomes an alkali metal silicate glass article produced with a surface layer of lithium silicate glass according to the method described.

Der Glasgegenstand wird nun einer weiteren Wärmebehandlung bei erhöhter Temperatur unterhalb des Verformungsbereichs unterworfen. Diese Temperatur ist so, daß das Glas nicht so niedrigviskos wird, daß eine Umordnung der Glasstruktur stattfinden kann. Normalerweise liegt sie unterhalb des Glasspannungspunktes. Die Wärmebehandlung muß nicht in einem bestimmten Medium oder in einer bestimmten Atmosphäre vorgenommen werden. Es.ist daher zweckmäßig, die Behandlung in normaler öder Umgebungsluft in einem Ofen oder einer anderen herkömmlichen Vorrichtung zur Wärmebehandlung, vorzunehmen.The glass object is now subjected to a further heat treatment at an elevated temperature below the Subject to deformation area. This temperature is such that the glass does not have such a low viscosity that a rearrangement of the glass structure can take place. Usually it is below the glass tension point. The heat treatment does not have to be in a specific medium or in a specific atmosphere be made. It is therefore advisable to carry out the treatment in normal or ambient air in an oven or another conventional method Device for heat treatment to make.

Die Wärmebehandlungszeit hängt vorwiegend von der Temperatur, bei der die Behandlung durchgeführt wird, und dem Grad des inneren Ionenaustaüschs und der erwünschten sich daraus ergebenden Verstärkung ab. Jede Wiedererwärmung hat einen gewissen Grad an innerem Ionenaustausch und einer sich daraus ergebenden Verstärkung zur Folge. Wie jedoch bei einem Ionenaustausch mit einer äußeren Quelle, steigt der effektive Grad des Austausche zur Verstärkung bis zu einem Optimalwert in verhältnismäßig kurzer Zeit. Dann ist eine weitere Wärmebehandlung von geringem* oder gar keinem Wert.The heat treatment time depends mainly on the temperature at which the treatment is carried out and the degree of internal ion exchange and the resulting enhancement desired away. Every rewarming has a certain degree of internal ion exchange and one of it resulting gain. However, like an ion exchange with an external source, increases the effective degree of exchange for reinforcement to an optimum value in a relatively short time. Then further heat treatment is of little * or no value.

Die Austauschgeschwindigkeit steigt mit der Temperatur, wobei Temperaturen von wesentlich über 200° C normalerweise erforderlich sind. Vorzugsweise liegt die Wärmebehandlung bei 50 bis 150° C unterhalb des Glasspannungspunktes. In diesem Temperaturbereich reichen Zeiten von etwa 4 bis etwa 16 Stunden im allgemeinen aus, um die maximale Verstärkung zu bewirken, die bei einem bestimmten Glas erreichbar ist.The rate of exchange increases with temperature, with temperatures well above 200 ° C are usually required. The heat treatment is preferably from 50 to 150 ° C. below Glass tension point. In this temperature range, times range from about 4 to about 16 hours im is generally used to achieve the maximum gain that can be achieved with a given lens.

Während dieser zweiten Erhitzungsstufe wird bewirkt, daß die größeren Alkalimetallionen in dem Stammglas, z. B. die als Beispiel angeführten Natriumionen, von dem Stammglas in dem mittleren Bereich des Gegenstandes zu und in das Glas der Oberflächenzone im Austausch mit Lithiumionen aus dieser Oberflächenzone-dringen. Wegen der geringen Temperatur, bei de^ der Austausch stattfindet, unterliegt jedoch keines der Gläser einer strukturellen Umordnung. Infolgedessen nehmen die Natriumionen, die in die Oberflächenzone gelangen, ,Lithiumionenplätze in diesem Glas ein. Dadurch werden DruckspannungenDuring this second heating stage, the larger alkali metal ions are caused to be in the Stem glass, e.g. B. the exemplified sodium ions, from the stem glass in the middle area of the object to and into the glass of the surface zone in exchange with lithium ions from this Surface zone penetrate. Because of the low temperature at which the exchange takes place, is subject to however, none of the glasses of structural rearrangement. As a result, the sodium ions contained in reach the surface zone,, lithium ion sites in this glass. This creates compressive stresses

109531/279109531/279

innerhalb der Oberfläche entwickelt, die durch Spannungen im Inneren ausgeglichen werden, so daß eine größere mechanische Festigkeit in dem Glasgegenstand erhalten wird.developed within the surface caused by tension be balanced inside, so that greater mechanical strength in the glass object is obtained.

F i g. 6 erläutert die Weise, in der die Natriumionenkonzentrationslinie der F i g. 2 durch einen weitergehenden Austausch verändert wird, der während der Hitzebehandlung stattfindet. In F i g. 6 ist das Natriumionverhältnis, d.h. das Verhältnis des Natriumionengehaltes nach der Behandlung zu dem im ursprünglichen Glas, wieder an der Ordinate und die Eindringtiefe in das Glas (in tausendstel Zentimeter) ist an der Abszisse abgetragen. Die abgetragene Linie des Natriumionengehalts ist typisch für ein Natriumaluminiumsilikatglas, das 4 Stunden lang auf 450° C nach anfänglichem Lithiumionenaustausch wie in F* g. 2 hitzebehandelt wurde.F i g. 6 illustrates the manner in which the sodium ion concentration line the F i g. 2 is changed by a more extensive exchange that takes place during the heat treatment takes place. In Fig. 6 is the sodium ion ratio, i.e. the ratio of the Sodium ion content after treatment to that in the original glass, again on the ordinate and the depth of penetration into the glass (in thousandths of a centimeter) is shown on the abscissa. The worn one Sodium ion content line is typical of a sodium aluminum silicate glass that is on for 4 hours 450 ° C after initial lithium ion exchange as in F * g. 2 has been heat treated.

Die Natur der Erfindung, ihre Durchführung und die Vorteile, die sich aus derselben ergeben, werden nun mit Bezug auf spezifische Beispiele beschrieben und erläutert.The nature of the invention, its practice and the advantages arising therefrom will be discussed will now be described and illustrated with reference to specific examples.

Bei diesen Beispielen bezieht sich der Ausdruck »Festigkeit« auf die Bruchfestigkeit eines Materials oder eines Gegenstandes, die als Bruchmodul (B.M.) dadurch ermittelt wird, daß man ein Teststück über zwei in einem bestimmten Abstand angeordnete Messerschneiden legt, ein zweites Paar Messerschneiden auf dem Teststück in gleichmäßigem Abstand zwischen den ersten beiden Messerschneiden anordnet und das zweite Paar bis zum Bruch des Glases belastet. Die maximale Bruchfestigkeit, die an der unteren Oberfläche des Teststücks festgestellt wird, wird dann als B.M. in kg/cm2 der Belastung, der Größe und Form der Probe und der Testgeometrie berechnet.In these examples, the term "strength" refers to the breaking strength of a material or object, which is determined as the modulus of rupture (BM) by placing a test piece over two spaced knife edges, a second pair of knife edges on the test piece evenly spaced between the first two knife edges and loaded the second pair until the glass breaks. The maximum breaking strength found on the lower surface of the test piece is then calculated as BM in kg / cm 2 of the load, the size and shape of the sample and the test geometry.

Der Ausdruck »Abriebfestigkeit« bezieht sich auf die wie vorstehend ermittelte Bruchfestigkeit eines Körpers mit einer Vielzahl von Abrieben, d. h. sichtbaren Kratzern oder Defekten, die willkürlich auf der Oberfläche erzeugt wurden. Die Natur und der Grad der Abriebe auf der Glasoberfläche hängen von den Benützungsbedingungen ab. Es wurden daher Standardabriebteste geschaffen, um eine gültige Basis zum Vergleich sowie zur Nachahmung von bekannten Benutzungsbedingungen zu haben.The term "abrasion resistance" refers to the breaking strength of a as determined above Body with a variety of abrasions, d. H. visible scratches or defects that are random on the Surface were generated. The nature and degree of abrasion on the glass surface depend on the Conditions of use. Standard abrasion tests have therefore been put in place on a valid basis to have for comparison and imitation of known conditions of use.

Für die vorliegenden Zwecke wurden zwei Abriebarten angewendet. Bei einem Typ wurden ein Teststück, z. B. ein Glasrohr mit einem Durchmesser von etwa 6,3 mm und einer Länge von etwa 10 mm, mechanisch montiert und schnell etwa 30 Sekunden lang in Kontakt mit einem Siliconcarbidpapier von 150 Grit unter einem geringen konstanten Druck so gedreht, daß ein gleichmäßiger Kontakt beibehalten wurde. Eine zweite Art wird als Scheuerabrieb bezeichnet. In diesem Fall werden zehn gleich große Glasstäbe mit 200 ecm Siliconcarbidteilchen von 30 Grit gemischt und einer Scheuerbewegung während 15 Minuten in einer Kugelmühle Nr. 0 mit 90 bis 100 U/Min, unterworfen. Bei dem ersten Abriebtyp wurden Oberflächenfehler nachgeahmt, die bei der Benutzung entstehen,- wenn sie gegen harte Materialien scheuern, beispielsweise wenn Glasgegenstände gegeneinander scheuern. Fehler, die auf diese Weise erzeugt werden, ahmen Beschädigungen nach, die aus einer Kombination von Abrieb durch scheuern und direktem Stoß entstehen.Two types of abrasion were used for the present purposes. For one type, a test piece, z. B. a glass tube with a diameter of about 6.3 mm and a length of about 10 mm, mechanically mounted and quickly in contact with 150 grit silicon carbide paper for about 30 seconds rotated under a low constant pressure so that uniform contact was maintained. A second type is called chafing. In this case, ten equal sized glass rods are used 200 ecm silicone carbide particles of 30 grit mixed and a scrubbing motion for 15 minutes in a No. 0 ball mill at 90 to 100 rpm. The first type of abrasion became surface imperfections imitated that arise during use - when they rub against hard materials, for example when glass objects rub against each other. Errors generated in this way mimic damage caused by a combination of abrasion from chafing and direct impact develop.

Die Festigkeit des Glases mit einer nicht beschädigten frischen Oberfläche ist sehr hoch, was durch gemessene Festigkeiten von mehreren 100 kg/cm2 bei frisch gezogenen Glasfaden und -stäben gezeigt wird. In der Praxis liegt jedoch die Festigkeit von normalen, handelsüblichen Glasgegenständen zwischen 350 und 1757 kg/cm2 in Abhängigkeit von dem Glastyp, dem Herstellungsverfahren und der Natur der anschließenden Behandlung.The strength of the glass with an undamaged fresh surface is very high, which is shown by measured strengths of several 100 kg / cm 2 in freshly drawn glass threads and rods. In practice, however, the strength of normal, commercially available glass objects is between 350 and 1757 kg / cm 2 , depending on the type of glass, the manufacturing process and the nature of the subsequent treatment.

Beispiele 1 bis 8Examples 1 to 8

Die folgenden Zusammensetzungen, die in Gewichtsteilen auf Grundlage einer Oxidbasis angegeben sind, erläutern die bei diesen Beispielen verwendeten Gläser.The following compositions, given in parts by weight on an oxide basis, explain the glasses used in these examples.

Tabelle ITable I.

SiO2..
Al2O3
Na2O
Li2O .
TiO2 .
As2O3
CaO .
B2O3 .
ZrO2 .
SiO 2 ..
Al 2 O 3
Na 2 O
Li 2 O.
TiO 2 .
As 2 O 3
CaO.
B 2 O 3 .
ZrO 2 .

MgO.
Sb2O3
MgO.
Sb 2 O 3

11 22 33 44th 55 66th 77th 88th 62,162.1 64,464.4 65,465.4 64,564.5 59,259.2 62,862.8 55,255.2 64,764.7 24,124.1 26,026.0 23,623.6 15,015.0 24,024.0 24,824.8 19,419.4 - 7,27.2 6,46.4 9,09.0 20,020.0 9,59.5 9,99.9 16,316.3 19,919.9 3,63.6 1,91.9 1,51.5 - 1,81.8 1,01.0 - - —·- · 0,80.8 - - 5,05.0 1,01.0 4,64.6 - - 0,50.5 0,50.5 0,50.5 0,50.5 0,50.5 0,50.5 0,50.5 - - - - - - 2,02.0 - - - - - - - 2,02.0 - - - - - - - 14,914.9 0,10.1 - - - - - - 1,91.9 - - - - - - 1,11.1 - - - - - -

72,072.0

11,0
1,0
11.0
1.0

16,016.0

Im allgemeinen wurden diese Gläser nach herkömmlichen Verfahren aus Fritten geschmolzen, die aus üblichen Rohmaterialien bestanden. Eine Fritte von 2,7 kg wurde in einem Schmelztiegel, der 16 Stunden in einem Elektroofen auf etwa 1550 bis 1600°C erhitzt wurde, geschmolzen und dann zu einem Rohr gezogen.In general, these glasses have been melted from frits using conventional methods consisted of common raw materials. A 2.7 kg frit was in a crucible that lasted 16 hours Was heated in an electric furnace to about 1550 to 1600 ° C, melted and then into a tube drawn.

Die Bedingungen der verschiedenen spezifischen Beispiele und der gemessene Bruchmodul in kg/cm2 werden in der folgenden Tabelle wiedergegeben, wobei die Beispielnummer in der nachfolgenden Tabelle der Nummer des vorstehenden Glases entspricht, so daß ein Glas der Zusammensetzung 1 in dem nachfolgenden Beispiel 1 verwendet wurde. Bei jedem BeispielThe conditions of the various specific examples and the measured modulus of rupture in kg / cm 2 are given in the following table, the example number in the table below corresponding to the number of the above glass, so that a glass of composition 1 was used in example 1 below . In every example

sind die Glastestproben Glasstangen mit einem Durchmesser von 6,3 mm und einer Länge von 10 cm, die von Glasrohren oder -stangen abgeschnitten wurden, die aus einer Schmelze des angegebenen Glases gezogen wurden/Derartig geformte Glasproben sind besonders für Festigkeitsmessungen geeignet. Entsprechende unbehandelte Proben, die geglüht und dann einem Abrieb mit einem Siliconcarbidpapier von 150 Grit unterworfen wurden, zeigen Bruchmodulwerte von etwa 350 bis 492 kg cm2. Die Temperatur ist in 0C, die Zeit ist in Minuten, falls nicht anderweitig vermerkt, und die Salzbäder sind in Gewichtsprozent angegeben.the glass test samples are glass rods with a diameter of 6.3 mm and a length of 10 cm that have been cut from glass tubes or rods drawn from a melt of the specified glass / Glass samples shaped in this way are particularly suitable for strength measurements. Corresponding untreated samples, which were annealed and then subjected to abrasion with a silicon carbide paper of 150 grit, show breaking modulus values of approximately 350 to 492 kg cm 2 . The temperature is in 0 C, the time is in minutes, unless otherwise noted, and the salt baths are given in percent by weight.

Tabelle IITable II

Beispielexample SalzbadSalt bath ZeitTime Tempe
ratur
0C
Tempe
rature
0 C
B. M.
(kg/cm2)
BM
(kg / cm 2 )
11 80% Li2SO4
20% LiCl
80% Li 2 SO 4
20% LiCl
2 Min.2 min. 750750
85% NaNO3
15% Na2SO4
85% NaNO 3
15% Na 2 SO 4
2Std.2 hours. 450450 47104710
22 95% Li2SO4
5% Na2SO4
NaNO3
95% Li 2 SO 4
5% Na 2 SO 4
NaNO 3
10 Min.
5Std.
10 min.
5h
800
400
800
400
38673867
33 50% Li2SO4
50% Na2SO4
NaNO3
50% Li 2 SO 4
50% Na 2 SO 4
NaNO 3
IStd.
6Std.
IStd.
6h
650
400
650
400
46894689
44th 60% Li2SO4
40% Na2SO4
NaNO3
60% Li 2 SO 4
40% Na 2 SO 4
NaNO 3
15 Min.
4Std.
15 minutes.
4h
650
400
650
400
26232623
55 80% Li2SO4
20% Na2SO4
NaNO3
80% Li 2 SO 4
20% Na 2 SO 4
NaNO 3
15 Min.
4Std.
15 minutes.
4h
800
400
800
400
40994099
66th wie Nr. 5like No. 5 38323832 77th 60% Li2SO4
40% Na2SO4
NaNO3
60% Li 2 SO 4
40% Na 2 SO 4
NaNO 3
. 15 Min.
4Std.
. 15 minutes.
4h
650
400
650
400
29532953
88th wie Nr. 7like No. 7 36983698

Wenn ein Glasgegenstand oberhalb des Glasspannungspunktes auf eine Temperatur im Verformungs- oder Glühbereich erhitzt wird, verändert sich die Glasstruktur schnell unter anschließendem Nachlassen eventueller Spannungen. Die durch Druckspannung bewirkte Verstärkung bei Gläsern mittels einer Ionenaustauschbehandlung, bei der große gegen kleine Ionen ausgetauscht werden, kann jedoch leicht dadurch verlorengehen, daß man den Gegenstand aufIf a glass object is above the glass tension point at a temperature in the deformation or the annealing area is heated, the glass structure changes quickly afterwards Any tension easing. The reinforcement caused by compressive stress in glasses by means of however, an ion exchange treatment in which large ions are exchanged for small ions can easily get lost by opening the object

ι ο wesentlich geringere Temperaturen längere Zeit erhitzt. Es wird angenommen, daß dies gleichfalls das Ergebnis des Nachlassens der Druckspannung ist, jedoch durch Ionenwanderung oder Diffusion innerhalb des Glases, statt durch das Viskoswerden des Glases.ι ο significantly lower temperatures heated for a long time. It is believed that this is also the result of the relaxation of compressive stress, however, by ion migration or diffusion within the glass, instead of becoming viscous Glass.

Im Gegensatz dazu ist ein besonderes Kennzeichen oder eine besondere Eigenschaft eines erfindungsgemäß verstärkten Gegenstandes die Beibehaltung seiner Festigkeit bei hoher Temperatur. Dies beruht auf der Fähigkeit, die erhöhte Festigkeit unter der anschließenden Hitzebehandlung bei verhältnismäßig hohen Temperaturen unterhalb des Glühbereichs beizubehalten. Die Natur dieser außerordentlich vorteilhaften Eigenschaft wird in dem nachfolgenden Vergleichsbeispiel erläutert.In contrast to this, a special characteristic or a special property is one according to the invention reinforced object to maintain its strength at high temperature. This is based on the ability to maintain the increased strength under the subsequent heat treatment at relatively maintain high temperatures below the glow range. The nature of this extraordinarily beneficial Property is explained in the following comparative example.

Beispiel 10Example 10 Beispiel 9Example 9

Eine Reihe von fünf Glasteststangen, die aus einer Schmelze der Zusammensetzung 9 hergestellt worden war, wurde in ein Salzschmelzbad getaucht, das aus 80 Gewichtsteilen Li2SO4 und 20 Gewichtsteilen Na2SO4 bestand und dort 15 Minuten auf 7200C gehalten. Nach dem Kühlen und Säubern wurde die Reihe dann 4 Stunden bei einer Temperatur von 400° C in ein Natriumnitratschmelzbad gegeben. Der berechnete durchschnittliche Bruchmodul für diese Reihe von Proben betrug nach der angegebenen Behandlung 3213kg/cm2.A series of five glass test rods which had been produced from a melt of composition 9 were immersed in a molten salt bath consisting of 80 parts by weight Li 2 SO 4 and 20 parts by weight Na 2 SO 4 and held there at 720 ° C. for 15 minutes. After cooling and cleaning, the series was then placed in a molten sodium nitrate bath for 4 hours at a temperature of 400 ° C. The calculated average modulus of rupture for this series of samples after the indicated treatment was 3213 kg / cm 2 .

Für Vergleichszwecke wurde eine ähnliche Reihe von fünf Glasstangen mit dem angegebenen Lithiumsulfatbad behandelt und dann getestet. Der berechnete durchschnittliche Bruchmodul für diese Reihe von Proben betrug 984 kg/cm2.For comparison purposes, a similar series of five glass rods were treated with the indicated lithium sulfate bath and then tested. The calculated average modulus of rupture for this series of samples was 984 kg / cm 2 .

Um den Vergleich zu vervollständigen, wurde eine dritte Reihe von Glastestproben nur 4 Stunden in dem Natriumnitratbad behandelt. Der berechnete durchschnittliche Bruchmodul betrug 1055 kg/cm2. Glasrohrproben der in den vorstehenden Beispielen beschriebenen Axt werden aus einem Glas mit der folgenden ungefähren, in Gewichtsprozent ausgedrückten Zusammensetzung auf Oxidbasis hergestellt: 50% SiO2, 23% Al2O3, 7% P2O5, 18% Na2O, 1% Li2O und 1% K2O. Das Glas hat einen Spannungspunkt von etwa 5800C.To complete the comparison, a third series of glass test samples were treated in the sodium nitrate bath for only 4 hours. The calculated average modulus of rupture was 1055 kg / cm 2 . Glass tube samples of the ax described in the preceding examples are made from a glass having the following approximate composition, expressed in percent by weight, on an oxide basis: 50% SiO 2 , 23% Al 2 O 3 , 7% P 2 O 5 , 18% Na 2 O, 1% Li 2 O and 1% K 2 O. The glass has a stress point of about 580 ° C.

Eine Reihe der Rohrproben, die nachfolgend als Reihe A bezeichnet wird, wurde einer einstufigen große gegen kleine Ionenaustauschverstärkungsbehandlung unterworfen. Diese Behandlung bestand darin, daß man die Probenreihe 16 Stunden lang in ein Kaliumnitratschmelzbad mit einer Temperatur von 4500C (KNO3) eintauchte. Die Behandlung bewirkte einen Austausch der Kaliumionen aus dem Bad gegen die Natrium- und Lithiumionen aus dem Glas.A number of the pipe samples, hereinafter referred to as Series A, were subjected to a one-step large versus small ion exchange enhancement treatment. This treatment was that one for 16 hours immersing the samples in a series Kaliumnitratschmelzbad with a temperature of 450 0 C (KNO 3). The treatment caused the potassium ions from the bath to be exchanged for the sodium and lithium ions from the glass.

Eine zweite Reihe von Rohrproben, die nachfolgend als Reihe B bezeichnet wird, wurde erfindungsgemäß so behandelt, daß ein doppelter Ionenaustausch stattfand. Diese Behandlung bestand darin, daß man die Probenreihe 10 Minuten in ein Bad eintauchte, das aus 75% Li2SO4 und 25% Na2SO4 bestand, wobei die Badtemperatur bei 7500C lag. Dies führte zu einer Einführung von Lithiumionen in das Glas im Austausch gegen Natrium- und Kaliumionen, aus dem Glas. Die Rohrproben wurden dann gereinigt und in ein Schmelzbad von 4500C gebracht, das aus 85% NaNO3 und 15% Na2S04bestand und dort 2 Stunden belassen. Diese zweite Badbehandlung diente zur Einführung von Natriumionen in das Glas im Austausch gegen einen Teil der Lithiumionen, die durch vorherigen Ionenaustausch eingeführt worden waren. Die beiden großen Probensätze wurden dann in kleinere Gruppen unterteilt, und alle Proben wurden erneut in Luft auf 5000C erhitzt, wobei eine kleine Gruppe eines jeden Probetyps periodisch für Festigkeitsmessungen entfernt wurde. Die Festigkeit wurde bei jedem einzelnen Rohr nach Scheuerabrieb der vorstehend beschriebenen Art gemessen.A second series of pipe samples, hereinafter referred to as series B, was treated according to the invention in such a way that a double ion exchange took place. This treatment consisted in that the set of samples was immersed for 10 minutes in a bath, was consisting of 75% Li 2 SO 4 and 25% Na 2 SO 4, wherein the bath temperature at 750 0 C was. This led to an introduction of lithium ions into the glass in exchange for sodium and potassium ions from the glass. The tube samples were then purified and brought into a molten bath of 450 0 C, which consisted of 85% NaNO3 and 15% Na 2 S0 4 and left for 2 hours. This second bath treatment served to introduce sodium ions into the glass in exchange for some of the lithium ions introduced by previous ion exchange. The two large sets of samples were then divided into smaller groups, and all samples were again heated in air to 500 0 C, with a small group of each sample type was removed periodically for strength measurements. The strength was measured on each individual tube after abrasion of the type described above.

Der durchschnittliche Bruchmodul für die Gruppe A und für die Gruppe B wurde für die verschiedenen Wiedererwärmungszeiten berechnet, und diese Werte werden in F i g. 4 der Zeichnung eingetragen. Diese Figur ist eine graphische Darstellung, bei der die Wiedererwärmungszeit an der Abszisse und der durchschnittliche Bruchmodul (in tausend kg/cm2) an der Ordinate abgetragen sind. Die beiden Kurven, die die vorstehenden Daten verkörpern, sind, wie vorstehend beschrieben, als A und B bezeichnet, so daß sie den Bezeichnungen der Beispiele und den darin vorgenommenen Ionenaustauschbehandlungen, die miteinander verglichen werden, entsprechen.The average modulus of rupture for Group A and for Group B was calculated for the various rewarming times and these values are shown in FIG. 4 of the drawing. This figure is a graph with reheating time on the abscissa and average modulus of rupture (in thousands of kg / cm 2 ) on the ordinate. The two curves embodying the foregoing data are designated A and B , as previously described, to correspond to the names of the Examples and the ion exchange treatments therein which are compared.

Es wird darauf hingewiesen, daß zwar die einzelne Ionenaustauschbehandlung, die als Kurve A abgetragen wurde, die höhere anfängliche Festigkeit hat, diese Festigkeit jedoch schnell bei der erneuten Erwärmung absinkt und nach etwa 250 Stunden völlig verlorengegangen zu sein scheint. Im Gegensatz dazu unterliegen die erfindungsgemäß verstärkten Proben, die als Kurve B abgetragen wurden, einem kleinen anfänglichen Abfall, dann erholen sie sich leicht und bleiben verhältnismäßig konstant, selbst nach 1000 Stunden dauernder Wiedererwärmung. Wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich ist, findet dann schließlich ein Verlust der Festigkeit statt. Glasgegenstände, die durch das doppelte Austauschverfahren verstärkt wurden, behalten den wesentlichen Teil ihrer erhöhten Festigkeit während einer ausreichenden Gebrauchsdauer bei 5000C bei.It should be noted that although the single ion exchange treatment plotted as curve A has the higher initial strength, this strength quickly drops on rewarming and appears to be completely lost after about 250 hours. In contrast, the inventive reinforced samples, plotted as curve B, experience a small initial drop, then recover easily and remain relatively constant even after 1000 hours of rewarming. Finally, as can be seen from the graph, there is a loss of strength. Glass objects that have been reinforced by the double replacement process retain the essential part of their increased strength for a sufficient period of use at 500 ° C.

Beispiel 11Example 11

Stäbe mit 6,3 mm Durchmesser wurden aus einer großen Tiegelschmelze eines Glases gezogen, das die folgende, in Gewichtsprozent wiedergegebene, auf Oxidbasis berechnete Zusammensetzung hatte: 50% SiO2, 20% Al2Q1, 10% P2O5, 18% Na2O, 1% K2O und 1% Li2O. Dieses Glas wurde aus einer herkömmlichen Rohmaterialmasse in 16 Stunden bei 15500C geschmolzen und hatte einen gemessenen Spannungspunkt von 5760C und einen Erweichungspunkt von 86O0C. Der gezogene Stab wurde in Stücke von 10 cm Länge geschnitten, um vergleichende Ionenaustauschbehandlungen und Versuche daran vorzunehmen.Rods 6.3 mm in diameter were drawn from a large crucible melt of a glass which had the following composition, expressed in percent by weight, calculated on the oxide basis: 50% SiO 2 , 20% Al 2 Q 1 , 10% P 2 O 5 , 18 % Na 2 O, 1% K 2 O and 1% Li 2 O. This glass was melted from conventional raw material mass in 16 hours at 1550 0 C and had a measured voltage point of 576 0 C and a softening point of 86o 0 C. The drawn rod was cut into pieces 10 cm in length for comparative ion exchange treatments and experiments.

Alle Stabstücke wurden dann zunächst 10 Minuten in ein Salzschmelzbad eingetaucht, das aus 75 Molprozent Li2SO4 und 25 Molprozent Na2SO4. bestand, wobei das Bad auf 75O0C gehalten wurde. Die Testrohre wurden dann entnommen und vor der weiteren Behandlung gereinigt. Die verschiedenen Testrohre wurden nun in vier Gruppen eingeteilt, und jede Gruppe wurde in einen Ofen gegeben, um an der Luft auf verschiedene Temperaturen erhitzt zu werden, wobei alle Temperaturen unterhalb des Glasspannungspunktes lagen. Während der Hitzebehandlung einer jeden Gruppe wurden einzelne Gruppen von sechs Proben entnommen, so daß die Wirkung der unterschiedlichen Wärmebehandlungszeit bestimmt werden konnte.All rod pieces were then immersed for 10 minutes in a molten salt bath consisting of 75 mol percent Li 2 SO 4 and 25 mol percent Na 2 SO 4 . was, the bath was held at 75O 0 C. The test tubes were then removed and cleaned prior to further treatment. The various test tubes were now divided into four groups, and each group was placed in an oven to be heated to different temperatures in air, all temperatures being below the glass tension point. During the heat treatment of each group, individual groups of six samples were taken so that the effect of the different heat treatment times could be determined.

Nach der Heißluft behandlung wurde jede Stabprobe einer jeden Gruppe einem Scheuerabrieb unterzogen, nach dem ein Bruchmodulwert für den einzelnen Stab und ein durchschnittlicher Wert für jede Gruppe berechnet wujrde.After the hot air treatment, each bar sample from each group was subjected to abrasion, after which a modulus of rupture for the individual bar and an average value for each group would be calculated.

In der folgenden Tabelle sind für die einzelnen Probegruppen die Temperaturen in ° C und die Heißluftbehandlungszeiten in Stunden angegeben. Die Tabelle gibt die durchschnittlichen Bruchmodulwerte (in kg/cm2) für jede Probegruppe wieder.The following table shows the temperatures in ° C and the hot air treatment times in hours for the individual sample groups. The table shows the average breaking modulus values (in kg / cm 2 ) for each sample group.

Tabelle IIITable III

Zeit (Std.)Time (hours) 525° C525 ° C 450° C450 ° C 00 18981898 18981898 VaVa 21802180 - 11 26722672 24612461 4"4 " 35863586 33053305 1616 36563656 37973797 6464 41484148 40784078 240240 35863586 41484148

Ähnliche Bruchmoduldaten, die im verstehenden nicht angegeben werden, wurden für entsprechende Gruppen von Rohrproben ermittelt, die keinem Abriebtest unterworfen wurden. Im allgemeinen stimmen diese Werte eng mit den vorstehenden Werten überein, mit dem Unterschied, daß sie etwa 10 bis 20% höher lagen.Similar modulus of rupture data not given in the Understanding have been given for corresponding ones Groups of pipe samples identified that were not subjected to abrasion testing. In general do these values closely agree with the preceding values, with the difference that they are approximately 10 to 20% higher.

B e i s ρ i e I 12B e i s ρ i e I 12

Eine Reihe von Glasstäben, die im allgemeinen denen des Beispiels 11 entsprachen, wurden aus einer Glasschmelze hergestellt, die die folgende berechnete Zusammensetzung in Gewichtsprozent, bezogen auf Oxidbasis, hatte: 72% SiO2, 16% ZrO2, 11% Na2O und 1% Li2O.A series of glass rods, generally corresponding to those of Example 11, were made from a glass melt having the following calculated composition in percent by weight on an oxide basis: 72% SiO 2 , 16% ZrO 2 , 11% Na 2 O and 1% Li 2 O.

Verschiedene Reihen solcher Stäbe wurden in ein Salzschmelzbad getaucht, das aus 80 Molprozent Li2SO4 und 20 Molprozent Na2SO4 bestand, und in diesem Bad 15 Minuten bei einer konstanten Badtemperatur von 7200C gehalten. Nach dem Kühlen und Reinigen wurden die Stabprobereihen in zwei Gruppen geteilt. Eine Gruppe wurde dann an der Luft auf 450° C erhitzt, während die andere Gruppe in ähnlicher Weise auf 5500C erhitzt wurde. Periodisch wurde eine Reihe von Proben entfernt, um einen Vergleich bei Veränderung der Wärmebehandlung zu ermöglichen. Jede einzelne Stabprobe wurde dann einem Scheuerabrieb unterworfen und beim Biegen zerbrochen.Various rows of such rods were immersed in a molten salt bath, which consisted of 80 mol percent Li 2 SO 4 and 20 mol percent Na 2 SO 4 , and held in this bath at a constant bath temperature of 720 ° C. for 15 minutes. After cooling and cleaning, the rod sample sets were divided into two groups. One group was then heated in air to 450 ° C, while the other group was heated in a similar manner to 550 0 C. A number of samples were periodically removed to allow comparison when the heat treatment was changed. Each individual rod sample was then rubbed and broken when bent.

Die folgende Tabelle gibt die durchschnittlichen Bruchmodulwerte (in 1000 kg/cm2) für jede Probengruppe wieder, wobei für jede Probengruppe Temperatur und Zeit der Heißluft behandlung in 0C bzw. Stunden angegeben wird.The following table shows the average breaking modulus values (in 1000 kg / cm 2 ) for each group of samples, the temperature and time of the hot air treatment being given in 0 C or hours for each group of samples.

Tabelle IVTable IV

Zeit (Std.)Time (hours) 550° C550 ° C 450° C450 ° C 00 984984 984984 22 16171617 15471547 44th 16171617 18981898 88th 15471547 21092109

Beispiele 13 bis 23Examples 13-23

Die folgende Tabelle gibt die Zusammensetzung einer Reihe von Gläsern in Gewichtsprozent auf Oxidbasis wieder, die aus den entsprechenden Glasmassen erhalten wurden. Die Tabelle gibt ferner bestimmte sachdienliche Messungen von Eigenschaften bei den Gläsern entsprechend der nachfolgenden Beschreibung wieder. · '■":'■■ ■■■■.■The following table gives the composition of a number of glasses in percent by weight on an oxide basis, which were obtained from the corresponding glass compositions. The table also sets forth certain pertinent measurements of properties on the glasses as described below. · '■ ":' ■■ ■■■■. ■

Tabelle VTable V

1313th 1414th 1515th 1616 1717th 1818th 1919th 45
15
20
45
15th
20th
SiO2 SiO 2 60
18
5
60
18th
5
60
16
7
60
16
7th
59
20
4
59
20th
4th
65
15
5
65
15th
5
60
20
5
60
20th
5
55
15
10
55
15th
10
1818th
Ai-,α. Ai-, α. 1515th 1515th 1515th 1313th 1313th 1818th 1
1
1
1
P7Os P 7 Os 1
1
2953
1
1
2953
1
1
3305
1
1
3305
1
1
2672
1
1
2672
1
1
2812
1
1
2812
1
1
2461
1
1
2461
1
1
3023
1
1
3023
26732673
Na2O Na 2 O 4219
0,05
klar
4219
0.05
clear
3797
klar
3797
clear
3867
0,33
leicht
3867
0.33
easy
3305
0,03
klar
3305
0.03
clear
4078
0,28
leicht
4078
0.28
easy
4008
0,08
leicht
4008
0.08
easy
32343234
Li-,0 Li-, 0 getrübtclouded getrübtclouded opalopal leichteasy K7O K 7 O opalopal Bruchmodul
(1) Heißluft
Modulus of rupture
(1) hot air
(2) DoDDelsalz (2) DoD gel salt Gewichtsverlust (mg/cm2)..
Aussehen
Weight loss (mg / cm 2 ) ..
Appearance

Eine Glasmasse, die jeder der vorstehenden Zusammensetzungen entsprach, wurde gemischt, geschmolzen, und das Glas wurde zu Stäben mit einem Durchmesser von 6,3 mm gezogen. Diese Stäbe wurden in 10 cm Längen geschnitten und in drei Gruppen zur weiteren Behandlung und Untersuchung geteilt.A glass mass corresponding to each of the above compositions was mixed, melted, and the glass was drawn into rods 6.3 mm in diameter. These wands were Cut into 10 cm lengths and divided into three groups for further treatment and examination.

Jede Reihe von Proben wurde gewogen, in eine 5%ige Lösung von Salzsäure bei 95° C 24 Stunden eingetaucht und dann erneut gewogen, um den Glasverlust in mg/cm2 der Oberfläche des Gegenstandes zu messen. Die Beständigkeitseigenschaft, die von Bedeutung ist, bezieht sich auf die Oberfläche nach dem Ionenaustausch. Jedoch wurden bei den aufeinanderfolgenden Austauschen, die mit diesen Gläsern durchgeführt wurden, Oberflächen, die im wesentliehen dem Original entsprachen und entsprechende Beständigkeitswerte innerhalb der Testgenauigkeit besaßen, geschaffen. Die chemischen Beständigkeitsmessungen wurden daher zweckmäßigerweise bei dem Stammglas vorgenommen.Each set of samples was weighed, immersed in a 5% solution of hydrochloric acid at 95 ° C. for 24 hours, and then weighed again to measure the glass loss in mg / cm 2 of the surface of the object. The resistance property that is important relates to the surface after ion exchange. However, in the successive exchanges that were carried out with these glasses, surfaces were created which essentially corresponded to the original and had corresponding resistance values within the test accuracy. The chemical resistance measurements were therefore expediently carried out on the trunk glass.

Die verbleibenden zwei Gruppen von Rohrproben wurden in ein Salzschmelzbad getaucht, das aus 75 Gewichtsprozent Lithiumsulfat und 25% Natriumsulfat bestand. Die Badtemperatur wurde konstant auf 7500C gehalten. Jede Reihe von Proben wurde 10 Minuten bei dieser Temperatur eingetaucht, um einen Austausch von Lithium- gegen Natriumionen in der Oberflächenschicht des Glasrohres zu bewirken. Nach dieser Ionenaustauschbehandlung wurden die Rohrproben durch Inaugenscheinnahme ihrer Oberfläche überprüft.The remaining two sets of pipe samples were immersed in a molten salt bath consisting of 75 percent by weight lithium sulfate and 25 percent sodium sulfate. The bath temperature was kept constant at 750 0 C. Each series of samples was immersed for 10 minutes at this temperature in order to cause an exchange of lithium for sodium ions in the surface layer of the glass tube. After this ion exchange treatment, the pipe samples were examined by visual inspection of their surface.

Eine Reihe wurde dann in ein zweites Salzschmelzbad getaucht, das aus 85% Natriumsulfat und 15% Natriumchlorid bestand, und dort 2 Stunden auf einer konstanten Temperatur von 4500C gehalten. Die andere Reihe wurde in einen elektrisch geheizten Ofen gegeben, der auf 450° G gehalten wurde, und blieb dort 16 Stunden. Nach dieser aufeinanderfolgenden Ionenaustauschbehandlung wurde jede Probe einem Scheuerabrieb unterworfen, nach dem Bruchmodulmessungen vorgenommen wurden.One row was then immersed in a second molten salt bath, which consisted of 85% sodium sulfate and 15% sodium chloride, and was kept there at a constant temperature of 450 ° C. for 2 hours. The other row was placed in an electrically heated oven held at 450 ° G and remained there for 16 hours. After this sequential ion exchange treatment, each sample was scrubbed after which modulus of rupture measurements were made.

Die auf diese Weise erhaltenen Bruchmodulaten werden in Tabelle V in 1000 kg/cm2 unter der Bezeichnung »B.M. x 10 3 kg/cm2« angegeben. Die Daten für diese Probereihen, die einer aufeinanderfolgenden Ionenaustauschverstärkungsbehandlung durch Eintauchen in zwei aufeinanderfolgende Salzbäder unterworfen wurden, werden durch die Bezeichnung »Doppelsalz« gekennzeichnet. Die Daten für die Proben, die einem Lithiumionenaustausch und anschließend einer Hitzebehandlung an der Luft unterworfen wurden, werden durch die Bezeichnung »Heißluft« gekennzeichnet. Die Daten für die chemische Beständigkeit bezüglich der verschiedenen Gläser werden durch die Bezeichnung »Gewichtsverlust (mg/cm2)« gekennzeichnet. The fracture moduli obtained in this way are given in Table V in 1000 kg / cm 2 under the designation “BM x 10 3 kg / cm 2 ”. The data for these series of samples, which were subjected to successive ion exchange enhancement treatment by immersion in two successive salt baths, are identified by the designation "double salt". The data for the samples that were subjected to a lithium ion exchange and then a heat treatment in air are identified by the designation »hot air«. The data for the chemical resistance with regard to the various glasses are identified by the designation »weight loss (mg / cm 2 )«.

Außer diesen Daten wird das Aussehen der Proben entweder als »klar« oder »leicht trüb« bezeichnet. Die erstere Bezeichnung bezeichnet eine Glasoberfläche, die im wesentlichen frei von sichtbarer Kristallisation ist, die letztere zeigt an, daß eine leichte Bildung von Kristallen auf der Glasoberfläche festgestellt werden konnte.In addition to these data, the appearance of the samples is described as either "clear" or "slightly cloudy". The former designation denotes a glass surface that is essentially free of visible crystallization the latter indicates that slight formation of crystals was noted on the glass surface could be.

Im Fall der Beispiele 18 und 19 war die Glasoberfläche klar, jedoch konnte eine Opalglasbildung im Körper des Glases beobachtet werden. Eine derartige Trennung einer opaken Kristallphase ist charakteristisch für Gläser mit verhältnismäßig hohem P2O5-Gehalt. Sie kann akzeptabel sein oder nicht, je nachdem, welche Forderungen an die Durchsichtigkeit eines bestimmten Gegenstandes gestellt werden.In the case of Examples 18 and 19, the glass surface was clear, but opal glass formation could be observed in the body of the glass. Such a separation of an opaque crystal phase is characteristic of glasses with a relatively high P 2 O 5 content. It may or may not be acceptable, depending on the demands placed on the transparency of a particular object.

Die in Tabelle V angegebenen Daten erläutern die Fähigkeit, die Kristallisation und andere Oberflächendefekte auf ein Minimum herabzusetzen, während des aufeinanderfolgenden Ionenaustauschs zur Verstärkung von Glasgegenständen, was durch Bruchmodulwerte nach Scheuerabrieb von 1752 bis 4219 kg cm2 und eine entsprechende ausgezeichnete Säurefestigkeit gezeigt wird.The data presented in Table V illustrate the ability to minimize crystallization and other surface defects during sequential ion exchange for reinforcement of glass articles, as evidenced by rupture modulus values after abrasion of 1752 to 4219 kg cm 2 and a correspondingly excellent acid resistance.

Eine weitere Gruppe von erläuternden Glaszusammensetzungen sowie Daten für die charakteristischen Eigenschaften, die bei den entsprechenden Gläsern ermittelt wurden, werden in Tabelle VI nachfolgend, angegeben. Die Daten wurden in allen Fällen auf die gleiche Weise wie in Tabelle V ermittelt und angegeben.Another group of explanatory glass compositions, as well as data for the characteristic ones Properties that were determined for the corresponding glasses are shown in Table VI below, specified. The data were obtained in the same manner as in Table V in all cases and specified.

109 53.1/279109 53.1 / 279

Tabelle VITable VI

2020th 2121

2323

SiO2 SiO 2

Al2O3 Al 2 O 3

P2O5 P 2 O 5

Na2O Na 2 O

Li2O Li 2 O

Bruchmodul x 10~3 kg/cm2 Rupture modulus x 10 ~ 3 kg / cm 2

(1) Heißluft (1) hot air

(2) Doppelsalz (2) double salt

Gewichtsverlust (mg/cm2) ..
Aussehen
Weight loss (mg / cm 2 ) ..
Appearance

50 2550 25

5 185 18

3305 47803305 4780

15,2 leicht trübe 55
25
15.2 slightly cloudy 55
25th

5
13
5
13th

1687
3023
1687
3023

33,8
gesprungen
33.8
jumped

63
18
63
18th

2
15
2
15th

1687 .
1967
0,07
1687.
1967
0.07

schwere
Kristallbildung
heavy
Crystal formation

50 3050 30

18 1 118 1 1

Proben BruchSpecimen breakage

Die Beispiele 20 und 21 der Tabelle VI erläutern, daß man verstärkte Glasgegenstände mit an der Grenze liegendem Oberflächenaussehen bei einem Maximalgehalt an Tonerde erhält. Die Säurebeständigkeit solcher Gläser ist jedoch, wie angegeben, sehr schwach. Beispiel 22 erläutert die Tendenz zur Oberflächenkristallisation bei verhältnismäßig kleinen Mengen von P2O5 im Glas und einem etwas geringeren Maß an Verstärkung im Vergleich zu Glas 13 der Tabelle V. Beispiel 23 erläutert die extremen Probleme, die bei einem Glas auftreten können, das eine übergroße Menge an Tonerde und kein P2O5 enthält. Im allgemeinen zeigen, diese Daten, daß wenigstens 2% P2O5 und vorzugsweise 5% dieses Oxids in einem Glas für die vorliegenden Zwecke zugegen sein sollten. Sie zeigen ferner, daß der kombinierte Gehalt von Al2O3 + R2O aus Gründen der Säurefestigkeit etwa 38% nicht überschreiten soll.Examples 20 and 21 of Table VI illustrate that reinforced glass articles with marginal surface appearance are obtained with a maximum content of alumina. However, as stated, the acid resistance of such glasses is very poor. Example 22 illustrates the tendency for surface crystallization with relatively small amounts of P 2 O 5 in the glass and a somewhat lower level of reinforcement compared to glass 13 of Table V. Example 23 illustrates the extreme problems that can arise with a glass, the one Contains excessive amount of clay and no P 2 O 5. In general, these data indicate that at least 2% P 2 O 5, and preferably 5%, of this oxide should be present in a glass for the present purposes. They also show that the combined content of Al 2 O 3 + R 2 O should not exceed about 38% for reasons of acid resistance.

Claims (11)

Patentansprüche: 40Claims: 40 1. Durch Ionenaustausch verfestigter Glasgegenstand aus einem Alkalisilikatglas-Kern mit einem größeren Alkaliion als Lithium und aus einer unter Druckspannungen stehenden Alkalisilikatglas-Oberflächenschicht mit gegenüber dem Kern unterschiedlicher Struktur, aber gleicher molarer Zusammensetzung, in der ein niedrigerer molarer Gehalt der im Kern enthaltenen Alkaliionen durch einen entsprechenden molaren Gehalt an Lithiumionen ausgeglichen ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Lithiumioneri in der äußeren Randzone der umhüllenden Oberflächenschicht durch größere einwertige Metallionen ohne Änderung der Struktur der Oberflächenschicht ersetzt ist.1. Glass object strengthened by ion exchange made of an alkali silicate glass core with a larger alkali ion than lithium and from an alkali silicate glass surface layer under compressive stress with a different structure than the core, but the same molar composition, in which a lower molar content of the alkali ions contained in the core due to a corresponding molar content of lithium ions is balanced, characterized in that at least part of the Lithium Ioneri in the outer edge zone of the enveloping surface layer by larger monovalent metal ions is replaced without changing the structure of the surface layer. 2. Durch Ionenaustausch verfestigter Glasgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Oberflächenschicht und dem Kern eine Glaszwischenschicht befindet, die die Struktur des Alkalisilikatglases im Kern hat, jedoch sich von diesem in der Zusammensetzung dadurch unterscheidet, daß sie einen geringeren Gehalt an im Kern enthaltenen Alkaliionen und einen entsprechend höheren Gehalt des Lithiumions der Oberflächenschicht besitzt, wobei jedoch die molare Menge der gesamten Alkaliionen die gleiche bleibt.2. Glass object strengthened by ion exchange according to claim 1, characterized in that that there is an intermediate glass layer between the surface layer and the core, which the The structure of the alkali silicate glass has in the core, however it differs from this in the composition differs in that it has a lower content of alkali ions and contained in the core has a correspondingly higher content of the lithium ion of the surface layer, although the molar amount of total alkali ions remains the same. 3. Durch Ionenaustausch verfestigter Glasgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verhältnismäßig großen Alkaliionen die gleichen sind wie die im Kern enthaltenen Alkaliionen. 3. Glass object strengthened by ion exchange according to claim 1, characterized in that that the relatively large alkali ions are the same as the alkali ions contained in the core. 4. Durch Ionenaustausch verfestigter Glasgegenstand nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kern enthaltenen größeren Alkaliionen Natrium, Kalium oder ein Gemisch dieser Stoffe sind.4. Glass object strengthened by ion exchange according to one of the preceding claims, characterized in that the larger alkali ions contained in the core are sodium, potassium or a mixture of these substances. 5. Durch Ionenaustausch verfestigter Glasgegenstand nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalisilikatglas im Kern 5 bis 25 Gewichtsprozent Al2O3 oder ZrO2 und Gemische von Al2O3 und ZrO2 enthält.5. Glass object strengthened by ion exchange according to one of the preceding claims, characterized in that the alkali silicate glass contains 5 to 25 percent by weight Al 2 O 3 or ZrO 2 and mixtures of Al 2 O 3 and ZrO 2 in the core. 6. Durch Ionenaustausch verfestigter Glasgegenstand nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernglas 8 bis 25 Gewichtsprozent Na2O und/oder K2O, 5 bis 25 Gewichtsprozent Al2O3 und/oder ZrO2, 45 bis 75 Gewichtsprozent SiO2 und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent andere beliebige, zur Glasherstellung verwendete Bestandteile enthält.6. Solidified by ion exchange glass object according to one of the preceding claims, characterized in that the core glass 8 to 25 percent by weight Na 2 O and / or K 2 O, 5 to 25 percent by weight Al 2 O 3 and / or ZrO 2 , 45 to 75 percent by weight SiO 2 and no more than 20 percent by weight of any other ingredients used in glass manufacture. 7. Durch Ionenaustausch verfestigter Glasgegenstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernglas 5 bis 25 Gewichtsprozent Al2O3 und 2 bis 20 Gewichtsprozent P2O5 enthält.7. A glass object strengthened by ion exchange according to claim 6, characterized in that the core glass contains 5 to 25 percent by weight Al 2 O 3 and 2 to 20 percent by weight P 2 O 5 . 8. Verfahren zur Herstellung eines durch Ionenaustausch verfestigten Gegenstandes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein Gegenstand aus einem Alkalisilikatglas-Kern mit einem größeren Alkaliion als Lithium hergestellt wird, Lithiumionen gegen einem Teil der Alkaliionen, die sich ursprünglich in der äußeren Zone des Glasgegenstandes befanden, bei einer Temperatur oberhalb des Spannungspunktes des Glases ausgetauscht werden, wobei sich eine Oberflächenglasschicht auf dem Gegenstand bildet, die sich in der Zusammensetzung und Glasstruktur von dem Kernglas unterscheidet, und dann bei einer Temperatur unterhalb des unteren Kühlpunktes ein Teil der Lithiumionen aus dem Glas der Oberflächenschicht, die auf diese Weise erhalten wurde, durch Ionen von größerem Ionendurchmesser ohne Umordnung der Glasstruktur in der Oberfläche ersetzt wird.8. A method for producing an ion-exchange solidified article according to a of the preceding claims, characterized in that first an object from a Alkali silicate glass core is made with a larger alkali ion than lithium, lithium ions against some of the alkali ions that were originally in the outer zone of the glass object found to be exchanged at a temperature above the stress point of the glass, whereby a surface glass layer is formed on the article which is in the composition and glass structure differs from the core glass, and then at a temperature below of the lower cooling point some of the lithium ions from the glass of the surface layer, which are on this Way was obtained by ions of larger ion diameter without rearranging the glass structure is replaced in the surface. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithiumion aus einem Salz-9. The method according to claim 8, characterized in that the lithium ion consists of a salt schmelzbad, das aus 50 bis 90 Molprozent Lithiumsulfat und 10 bis 50 Molprozent Natriumsulfat
besteht, bei einer Temperatur zwischen 650 und
8500C ausgetauscht wird.
Molten bath consisting of 50 to 90 mole percent lithium sulfate and 10 to 50 mole percent sodium sulfate
exists, at a temperature between 650 and
850 0 C is exchanged.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Ionenaustausch
dadurch erzielt wird, daß der Glasgegenstand mit
einem Salzschmelzbad des Salzes mit dem größeren
Austauschion in Berührung gebracht wird.
10. The method according to claim 8 or 9, characterized
characterized in that the second ion exchange
is achieved in that the glass object with
a molten salt bath of salt with the larger one
Exchangeion is brought into contact.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Ionenaustausch
11. The method according to claim 8 or 9, characterized
characterized in that the second ion exchange
IOIO durch Erhitzen des Glasgegenstandes, der durch den ersten Ionenaustausch erhalten wurde, bei einer Temperatur durchgeführt wird, die geringer ist als die beim ersten Ionenaustausch verwendete Temperatur, so daß die Alkaliionen von dem inneren Teil des Gegenstandes einen Austausch mit Lithiumionen aus der Oberflächenzone des Gegenstandes vornehmen, ohne daß eine wesentliche Umgruppierung der Glasstruktur und eine Entspannung während dieses zweiten Austausche stattfindet.by heating the glass object obtained by the first ion exchange is performed at a temperature less than that used in the first ion exchange Temperature so that the alkali ions from the inner part of the object are exchanged with lithium ions from the surface zone of the object without any substantial Regrouping the glass structure and relaxing during this second exchange takes place. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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