DE1946345B2

DE1946345B2 - Verfahren zur chemischen Verfestigung mindestens eines Teils eines Korpers aus Glas, Glaskeramik, Keramik oder Gestein durch Ionenaustausch und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1946345B2
Application number: DE1946345A
Authority: DE
Inventors: Emile Gilly Plumat (Belgien)
Original assignee: Glaverbel Mecaniver SA
Current assignee: Glaverbel Mecaniver SA
Priority date: 1968-09-12
Filing date: 1969-09-12
Publication date: 1978-07-06
Also published as: DE1946345C3; BR6912407D0; CA930954A; US3674454A; NL167398C; CH518244A; FR2019422A1; NO125228B; BE738015A; DK141658C; LU56873A1; IL32979A0; FI50331B; NL6913966A; BR6912409D0; IL32979A; ES371395A1; AT310974B; SE357191B; CS176120B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemischen Verfestigung mindestens eines Teils eines Körpers aus Glas, Glaskeramik, Keramik oder Gestein durch Ionenaustausch, um die mechanischen Eigenschaften von solchen Körpern zu verbessern, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bekanntlich ist die Bruchfestigkeit eines Erzeugnisses aus Glas geringer als sie aufgrund seines Querschnittes theoretisch sein müßte. Es ist auch bekannt, daß die Bruchfestigkeit durch Tempern solcher Glaskörper, beispielsweise durch Erzeugung oder Erhöhung von Oberflächendruckspannungen innerhalb des Glases, verbessert werden kann.

Ein Körper aus Glas oder Glaskeramik kann in der Weise getempert werden, daß man in den Körper ein mit ihm in Kontakt stehendes Medium eindringen läßt, wobei die Temperatur während und nach diesem Eindringen in geeigneter Weise geregelt wird. Diese chemische Verfestigung, auch chemisches Tempern genannt, besteht darin, daß man in den Glas- oder Glaskeramikkörper Ionen im Austausch gegen andere Ionen eindringen läßt. So können beispielsweise Oberflächendruckspannungen in Glas dadurch hervorgerufen oder verstärkt werden, daß man die Ionen, die den äußeren Schichten des Glases einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten verleihen, gegen andere Ionen austauscht, wobei der Ionenaustausch oberhalb der unteren Entspannungstemperatur des Glases durchgeführt wird und das Glas unmittelbar danach abgekühlt wird. Andererseits können Oberflächenspannungen auch dadurch erzeugt oder verstärkt werden, daß man die Ionen in den Außenschichten des Glases durch größere Ionen ersetzt, während man die Oberflächenschichten des Glases auf erhöhte Temperatur bringt, die jedoch nicht ausreicht, um eine vollkommene Entspannung zu erzielen; anschließend wird das Glas dann abgekühlt. Die chemische Verfestigung bzw. das chemische Tempern besteht jedoch nicht notwendigerweise in einem Ionenaustausch. So ist es beispielsweise auch möglich, Oberflächenspannungen dadurch zu erzeugen, daß man Ionen aus einem mit dem Glas in Kontakt stehenden Medium unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes eindringen läßt, ohne daß Ionen aus dem Glas verdrängt werden. Es ist auch möglich, Oberflächenspannungen dadurch zu erzeugen oder zu erhöhen, daß man Atome oder Moleküle aus einem damit in Berührung stehenden Medium in das Glas eintreten läßt. Der hier verwendete Ausdruck »chemische Verfestigung bzw. chemische Temperung« umfaßt alle diese Vorgänge. Solche Verfahren können nicht nur auf Körper aus Glas und Glaskeramik, sondern auch auf solche aus Keramik und Gestein angewendet werden, vorausgesetzt ist jedoch, daß eine ausreichend gleichmäßige Verteilung einer oder mehrerer glasartiger Phasen auf der Oberfläche des Materials vorliegt, damit Oberflächendruckspannungen in der erwähnten Weise durch Einführung von Ionen oder Ionenaustausch erzeugt oder verstärkt werden können.

Es ist bekannt, daß eine chemische Verfestigung eines Körpers aus Glas, Glaskeramik, Keramik oder Gestein durch Eintauchen des zu verfestigenden Körpers in ein Bad eines flüssigen Behandlungsmediums durchgeführt werden kann (vgl. z. B. die französische Patentschrift 14 86 271). Damit ist es zwar möglich, die Bruchfestigkeit von Körpern aus den genannten Materialien zu verbessern, die damit erzielbare Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist jedoch für die heutigen Anforderungen nicht mehr ausreichend, und außerdem treten bei einem solchen Verfahren technische Probte-

me insofern auf, als es schwierig ist, während der kostspieligen Durchführung eines solchen Verfahrens für eine stets gleichmäßige Zusammensetzung der Behandlungsfiüssigkeit zu sorgen. Ferner tritt bei diesem Verfahren das Problem auf, daß an der Grenzfläche zwischen der Behandlungsflüssigkeit und dem zu behandelnden Körper eine Diffusionssperre entsteht, die mit zunehmender Behandlungsdauer den Eintritt von Ionen in den zu behandelnden Körper verlangsamt und schließlich sogar verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren zur chemischen Verfestigung mindestens eines Teils eines Körpers aus Glas, Glaskeramik, Keramik oder Gestein durch Ionenaustausch dahingehend zu verbessern, daß die vorstehend geschilderten Probleme nicht mehr auftreten und eine gleichmäßige, kontinuierliche Behandlung des zu verfestigenden Körpers erzielt wird, ohne daß während der Behandlung eine lonendiffusionssperre entsteht.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst werden kann, daß man bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das flüssige Austauschmedium auf die Oberfläche des Körpers aufsprüht und es als Film an dieser Oberfläche entlanglaufen läßt.

Gegenstand dieser Erfindung ist somit ein Verfahren zur chemischen Verfestigung mindestens eines Teils eines Körpers aus Glas, Glaskeramik, Keramik oder Gestein durch Ionenaustausch, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man das flüssige Austauschmedium auf die Oberfläche des Körpers aufsprüht und es als Film an dieser Oberfläche entlanglaufen läßt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch mindestens einen Sprühkopf zum kontinuierlichen Aufsprühen des flüssigen Austauschmediums auf den zu behandelnden Körper, einen Behälter zum Sammeln des an der Oberfläche des Körpers heruntergelaufenen flüssigen Austauschmediums, der mit einem Rückführungskreislauf verbunden ist, der das flüssige Austauschmedium wieder in den Sprühkopf zurückführt, sowie Einrichtungen, welche den zu behandelnden Körper tragen, so daß er in der Einwirkungszone des Sprühkopfes gehalten wird, wobei die Behandlungszone in einem Behälter angeordnet ist, der den Sprühkopf zur Abgabe des flüssigen Austauschmediums enthält, und wobei die Einrichtungen dazu dienen, einen Gasstrom in den Behälter einzuführen.

Mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung der Erfindung ist es möglich, einen Körper aus Glas, Glaskeramik, Keramik oder Gestein oder einen Teil davon durch Ionenaustausch so chemisch zu verfestigen (zu tempern), daß auf technisch einfache und kontinuierliche Weise eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eines solchen Körpers erzielt wird, ohne daß auch bei längerer Durchführung des Verfahrens eine lonendiffusionssperre zwischen dem zu behandelnden Körper und dem umgebenden Behandlungsmedium entsteht. Dadurch ist eine sehr gleichmäßige Behandlung des zu verfestigenden Körpers erzielbar, die zur Folge hat, daß die Bruchneigung eines in dieser Weise behandelten Körpers deutlich verringert wird (wie die weiter unten folgenden Beispiele zeigen werden). Insbesondere ist es mit dem hier beanspruchten Verfahren möglich, die bei der Durchführung des bekannten Tauchverfahrens auftretenden Brüche an den Kanten oder Umrandungen von Glasscheiben zu vermeiden, die eine Folge der Konzentrationsunterschierle der Ionen an den Glasscheibenkanten oder in der Nähe derselben einerseits und der Ionen an den weiter innen liegenden Bereichen der Glasscheiben andererseits sind. Die Brüche treten bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht auf, wenngleich auch die Vorgänge, die sich dabei abspielen, noch nicht völlig geklärt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können zur Behandlung des η Gesamtkörpers aus einem oder mehreren der obengenannten Materialien oder eines Teils davon angewandt werden; z. B. kann die Erfindung zur chemischen Verfestigung der Kanten oder Randabschnitte einer Glasscheibe angewendet werden.

ιϊ Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf die Behandlung eines Körpers aus Glas, Glaskeramik, Keramik oder Gestein angewendet werden, bei dem das Glas, die Glaskeramik, die Keramik oder das Gestein nur einen Teil des Körpers, beispielsweise den Überzug, bildet.

Eine gleichmäßige Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist selbst bei ungleichmäßiger Zuführung des Behandlungsmediums auf die zu verfestigende Oberfläche möglich, ohne daß eine merkliche Schwankung des Verfestigungseffektes auf verschiedenen Abschnitten der Oberfläche auftritt. Diese verbesserte Gleichmäßigkeit der Behandlung äußert sich in einer geringeren Anzahl von Brüchen, jo beispielsweise bei Glasscheiben, die erfindungsgemäß behandelt worden sind.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verändert man die Lage des Körpers relativ zu der Sprühquelle. Dadurch wird die Verfestigung der äußeren Teile des behandelten Körpers, z. B. Verfestigung der äußeren Kanten einer Glasscheibe, verbessert. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden der Körper und die Sprühquelle relativ zueinander hin- und herbewegt und der Körper 4ü wird gegebenenfalls durch den Sprühstrahl hindurchbewegt. Dadurch kann bei der Behandlung von großen Körpern die Behandlungsstation kleiner gehalten werden und/oder die Anzahl der verwendeten Sprühköpfe kann herabgesetzt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden verschiedene Teile der Oberfläche des zu behandelnden Körpers mit verschiedenen Mengen des flüssigen Austauschmediums pro Zeiteinheit oder mit verschiedenen flüssigen Austauschmedien besprüht. Auch dadurch wird die Gleichmäßigkeit der Behandlung innerhalb eines Behandlungsraumes gegebener Größe verbessert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Besprühen des zu behandelnden Körpers mit dem flüssigen Austauschmedium in Gegenwart von Gasmedien durchgeführt, die wenigstens eine Komponente enthalten, welche die Diffusion einer oder mehrerer Substanzen in den behandelten Körper hinein beeinflußt. Dabei verwendet man vorzugsweise ein solches Gasmedium, das als wirksame Komponente H₂O, CO₂, SO₂, SO₃ oder Halogene enthält. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung reguliert man mit dem Gas die Temperatur der Behandlung mit dem flüssigen Austauschmedium.

Vorzugsweise sammelt man das flüssige Austauschmedium nach dem Herunterlaufen an dem damit behandelten Körper und führt es im Kreislauf zurück,

wobei man es gegebenenfalls vor der Wiederverwendung regenerieren kann.

Nach dem Verfahren der Erfindung können verschiedene Teile der Oberfläche des zu behandelnden Körpers mit verschiedenen Mengen des flüssigen Behandlungsmediums pro Zeiteinheit behandelt werden. Damit ist es möglich, den Grad der induzierten Spannungen in der Nähe der Seitenkante beispielsweise einer Glasscheibe in beliebiger Weise auszuwählen, um das Bruchrisiko an den Begrenzungsflächen der Glasscheibe zu vermindem. Auf diese Weise ist es auch möglich, verschiedene Teile des zu behandelnden Körpers einer unterschiedlichen chemischen Verfestigung (Temperung) zu unterwerfen. So kann beispielsweise die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges so behandelt werden, daß sie eine Sicherheitssichtzone aufweist, innerhalb der das Glas bei einem Bruch der Windschutzscheibe nicht in derart kleine Teilchen zerfällt, daß dadurch die Sicht des Fahrers nach vorne behindert wird. Die Mengen der mit dem zu behandelnden Körper in Berührung kommenden Behandlungsflüssigkeiten können an verschiedenen Stellen unterschiedlich sein, z. B. in bezug auf die Temperatur, die Konzentration oder auch in bezug auf die Art der Austauschionen oder in bezug auf die Art oder Konzentration der Hilfsstoffe (falls solche verwendet werden), welche die Diffusion in den zu behandelnden Körper fördern, oder in bezug auf den Säure- oder Basengrad des Behandlungsmediums. Durch Variieren einer oder mehrerer dieser Eigenschaften kann die Intensität der Behandlung oder die Art der Ionendiffusion über die Oberfläche des behandelten Körpers an den speziellen Verwendungszweck angepaßt werden. So kann beispielsweise die Oberflache eines flachen Körpers stärker chemisch verfestigt werden als eine andere Fläche oder es kann eine unterschiedliche chemische Verfestigung an der Innenseite eines hohlen Körpers durchgeführt werden. Wenn die Substanz, die bei der Diffusion in den Körper eintritt, diesen anfärbt, können verschiedene Teile des Körpers unterschiedlich gefärbt werden.

Durch Durchführung der Behandlung in Gegenwart eines Gasmediums kann die Geschwindigkeit der chemischen Verfestigung drastisch erhöht werden. Auch kann in einem solchen Falle ein Gas verwendet werden, welches den Diffusionsgrenzschichtwiderstand herabsetzt, der den Eintritt von Ionen in den zu behandelnden Körper behindert. Zweckmäßig wird ein Gasmedium verwendet, das H₂O, CO2, SO2, SOj oder Halogene enthält. Durch diese Substanzen ist es möglich, den Säure- oder Basengrad des mit der Oberfläche des zu behandelnden Körpers in Berührung stehenden Mediums zu verändern und so die Diffusion in beträchtlichem Ausmaß zu erhöhen. Durch Verwendung eines Gasstromes kann auch die Ausbreitung des flüssigen Behandlungsmediums in Form eines Films auf der Oberfläche des zu behandelnden Körpers gefördert und/oder die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit entlang der Oberfläche des zu behandelnden Körpers reguliert werden. Durch Verwendung eines Gasstromes kann auch die Diffusionstemperatur so geregelt werden, daß sie an verschiedenen Stellen der behandelten Oberfläche verschieden ist. Dadurch ist es auch möglich, die Behandlung durch Erhöhung der Behandlungslcniperatur zu beschleunigen.

Zweckmäßig wird beim flüssigen Bchandlungsmcdi· um der zu behandelnde Körper während der Behandlung mindestens /um Teil der Wirkung eines elektrischen I eldes ausgesetzt. Das elektrische Feld kann dazu dienen, den Eintritt von Substanzen aus dem flüssigen Medium in den zu behandelnden Körper zu beschleunigen. Die Ionendiffusion kann dadurch lOmal oder gar lOOmal schneller durchgeführt werden als in Abwesen-■> heit eines elektrischen Feldes. Bei dem elektrischen Feld kann es sich um ein Wechselfeld handeln oder es kann eine wechselnde Komponente aufweisen. Mit Hilfe eines solchen Feldes kann der Ionenaustausch auf zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen eines Kör-

K) pers gleichzeitig durchgeführt werden.

Da das flüssige Behandlungsmedium nach Durchführung der Behandlung zurückgewonnen und nach einer gegebenenfalls durchgeführten Regenerierung wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird, kann die Menge

ι¹) der Behandlungsflüssigkeit minimal gehalten werden und außerdem treten bei einem eventuellen Defekt in der Anlage keine großen Verluste an flüssigem Behandlungsmedium auf, wie dies bei den üblichen chemischen Verfestigungsverfahren nach derTauchmethode der Fall ist.

Die erforderlichenfalls durchgeführte Regenerierung ist häufig zweckmäßig, weil in den meisten Fällen das flüssige Behandlungsmedium beim Herunterlaufen an dem behandelten Körper sich mit Ionen anreichert, die

2^r> aus dem behandelten Körper austreten, und an Ionen verarmt, die aus der Flüssigkeit in den behandelten Körper hineindiffundieren. Die Regenerierung wird zweckmäßig in der Weise durchgeführt, daß man die aus dem behandelten Körper stammenden Ionen daraus

j« entfernt und die in den behandelten Körper hineindiffundierten Ionen in der erforderlichen Konzentration zuführt. Die Rückführung im Kreislauf und die Regenerierung sind insbesondere bei der großtechnischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah-

i^ri rcns erwünscht.

Die Einrichtungen zum Tragen des zu behandelnden Körpers in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen vorzugsweise aus einem Fördermechanismus, einer Anordnung, mit deren Hilfe es möglich ist, den zi

4<i behandelnden Körper von einer Aufgabestation durch die Zonen zu fördern, in welcher die Behandlung mil dem flüssigen Medium nach dem erfindungsgemäßer Verfahren erfolgt, wobei bei einer Austragsstalion dei behandelte Körper wieder abgenommen werden kann

« Gewünschtenfalls kann die Fördereinrichtung den zi behandelnden Körper nach dem Verlassen der Aufga bestation durch einen Vorbehandlungsabschnitt trans portieren und/oder er kann nach der Behandlung mi dem flüssigen Medium, bei der eine Diffusion auftritt

■vi durch einen Nachbehandlungsabschnitt transportier werden.

Nachfolgend werden einige bevorzugte Ausführungs formen der Erfindung anhand von Beispielen untci Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen nähe

'>'■> erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zurr chemischen Verfestigen im Aufriß entlang der Linie I-dcr F i g. 2,

Fig. 2 einen Grundriß der erfindungsgemäßer Vorrichtung entlang der Linie M-Il gemäß Fig. I,

F i g. 3 einen Aufriß der erfindungsgemäßen Vorrich lung entlang der Linie MI-III der Fig. 1 und

F i g. 4 einen Grundriß einer anderen crfindungsge _(r> mäßen Vorrichtung, die einen Gasstromkrcislauf cn1 hiilt.

In cli·η Zeichnungen sind alle gleichen Teile mi Ziffern gekennzeichnet.

Beispiel 1

Senkrecht angeordnete Scheiben aus Natronkalkglas der Zusammensetzung:

SiO₂	72%
Al₂O₃	3%
Na₂O	13%
CaO	12%

30

10

wurden mit geschmolzenem Kaliumnitrat aus einem rotierenden Sprühkopf besprüht, der aus einem zylindrischen, horizontal über den Scheiben angeordneten Rohr bestand. Das Sprührohr wies pro cm 10 Bohrungen auf, die entlang einer gedachten Schraubenlinie auf dem Rohr angeordnet waren. Jede Bohrung hatte einen Durchmesser von einem halben Millimeter. Die pro 5 Minuten und Bohrung versprühte Salzmenge betrug 1 Liter. Die Behandlung wurde 24 Stunden lang bei 450⁰C durchgeführt. Die verwendete Flüssigkeit wurde ständig im Kreislauf geführt.

Die mechanische Festigkeit der so behandelten Scheibe erreichte 105 kg/mm² (gegenüber 6 kg/mm² vor der Behandlung). Keine von 100 behandelten Scheiben Tbrach. In einem Vergleichsversuch in einem Bad von Kaliumnitrat brachen 6 von 100 Scheiben. Der Bruch begann oft an den Seitenkanten der Scheibe, die senkrecht im Bad angeordnet war.

Beispiel 2

Glaskeramik-Scheiben von 60 cm Höhe und 120 cm Breite wurden mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt:

35

40

Die Scheiben wurden 7 Stunden lang bei 510°C mit Kaliumnitrat mit einem Sprührohr wie in Beispiel 1 besprüht. Vom Beginn des Sprühens wurde ein CO₂-Strom 5 Stunden lang von unterhalb der Scheiben schräg nach oben auf die Glaskeramik-Scheiben in einer Menge von 10 l/min geblasen. Die restliche Zeit von 2 Stunden wurde, während das Besprühen mit Kaliumnitrat fortgesetzt wurde, SO3 in einer Menge von 5 l/min auf die Scheiben geblasen. Keine der 50 behandelten Scheiben brach, jedoch brachen 3 Scheiben von 50, die in einem KNO3-Bad bei der gleichen Temperatur behandelt wurden waren. Darüber hinaus erhöhte die Verwendung von Gasströmen (CO₂ und SO3), die Elemente enthielten, welche den Diffusions-Grenzschichtwiderstand verminderten, beträchtlich das Eindringen von K+-Ionen in die Scheiben. Eine Eindringtiefe von 60μπι wurde nach 7stündiger Behandlung beobachtet, während in einem Vergleichstest 25 Stunden Behandlungsdauer erforderlich waren, um die gleiche Eindringtiefe in Abwesenheit der Gasströme zu fao erzielen.

Beispiel 3
Stücke aus Keramik mit der Zusammensetzung:

b'i

SiO₂	48%
AI₂O₃	320/0
Na₂O	10%
CaO	20/0
TiO₂	8%

AI₂O₃	42%
SiO₂	46%
Na₂O	12%

wurden mit KNO₃ aus den Sprühköpfen besprüht. Die Behandlungstemperatur erreichte 520⁰C und die Behandlung dauerte 24 Stunden. Die mechanische Festigkeit der Proben nach der Behandlung war fünfmal höher als diejenige der unbehandelten Proben. Auch in diesem Fall verminderte sich die Anzahl der Brüche, beginnend in der Umrandungsfläche, verglichen mit Stücken, die gleich lang und bei der gleichen Temperatur in einem KNO₃-Bad behandelt worden waren, von 5 auf 2%.

Beispiel 4

Ein Stück Nephelin (Na₃KAUSi₄O₁₆) wurde 10 Stunden lang aus Sprühköpfen mit KNO₃ besprüht Die Behandlungstemperatur erreichte 510⁰C. Es wurde gefunden, daß die mechanische Festigkeit der Probe durch die Behandlung wesentlich erhöht wurde. Die Eindringtiefe der K+-Ionen in das Mineral erreichte 25 μπι. Brüche, die an den Umrandungsflächen begannen, wurden durch die Behandlung von 4 auf 2% vermindert, verglichen mit Stücken, die in einem Bad aus einem flüssigen Medium behandelt worden waren.

Beispiel 5

Glasscheiben der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 1 wurden mit Strömen aus 2% LiNO₃ und 98% NaNO₃ behandelt, die auf einer Temperatur von 58O⁰C gehalten wurden. Die Behandlung dauerte 20 Minuten und die Scheiben wurden dann langsam abgekühlt Die mechanische Festigkeit der Scheiben nach dem Kühlen betrug 14 kg/mm². Brüche, beginnend in den Umrandungsflächen, wurden von 3% auf 1% vermindert, verglichen mit gleichen Scheiben, die in einem Bad mit dem gleichen flüssigen Medium behandelt worden waren.

Beispiel 6

Eine Scheibe aus Natronkalkglas mit den Abmessungen 1,30 m χ 56 cm wurde in senkrechter Richtung gehalten und Kaliumnitrat aus einem Sprührohr oberhalb der Scheibe auf die Scheibe gesprüht Das geschmolzene Salz wurde kontinuierlich bei einer Temperatur von 46O⁰C eine Stunde lang auf die Scheibe aufgebracht. Während dieser Behandlung wurden zwei Stahlplatten an die gegenüberliegenden Seiten der Glasscheibe gehalten, wobei jede Platte einen Abstand von einem Millimeter von der Oberfläche des Glases hatte, um das kontinuierliche Herabfließen des Films aus Kaliumnitrat entlang der Glasoberfläche zwischen der Oberfläche und den Stahlplatten zu erlauben. Die Platten wurden während der Behandlung mit einer Stromquelle verbunden, deren Polarität 240mal in der Stunde umgekehrt wurde. Die Stromdichte wurde bei 2 mA/cm² gehalten. Obwohl die Behandlung nur eine Stunde lang dauerte, drangen Kaliumionen bis zu einer Tiefe von 35 μΐη von jeder der beiden Glasoberflächen in die Scheibe ein. Infolge des Herabfließens des Behandlungsmediums entlang der Glasoberfläche war die Temperung über die ganze Fläche der Scheibe sehr gleichmäßig.

Die in den Beispielen 1 bis 6 beschriebenen Behandlungen können in Vorrichtungen, wie sie in den F i g. 1 bis 4 schematisch gezeigt sind, durchgeführt werden.

Die in den Fi g. 1 bis 3 gezeigte Vorrichtung besteht aus folgenden fünf Abschnitten: einem Aufgabeabschnitt 1, einem Vorheizabschnitt 2, einem Abschnitt für die Diffusionsbehandlung 3, einem Kühlabschnitt 4 und

einem Austragsabschnitt 5. Glasscheiben 6 bewegen sich durch die Abschnitte 1 bis 5 in Körben 7, die mit Hilfe von Kabeln 8 an einer Schiene 8, die sich in Längsrichtung über die fünf aufeinanderfolgenden Abschnitte erstreckt, aufgehängt sind. Der Mechanismus für den Antrieb der Körbe 7 ist nicht dargestellt. Die drei mittleren Abschnitte 2, 3 und 4 werden durch Seitenwände 10, den Boden 11 und zwei Abdeckteile 12 und 13 aus rostfreiem Stahl gebildet; die Wände des Aufgabeabschnittes 1 und des Austragsabschnittes 5 können aus weniger teurem Material hergestellt werden, weil diese Teile keiner Zerstörung durch chemischen Angriff ausgesetzt sind. Die zwei Abdeckteile 12 und 13 der drei mittleren Abschnitte sind durch einen Schlitz 14 getrennt, durch welchen die Verbindungskabel 8 laufen. Eine hermetische Abdichtung 15 bekannter Art verhindert den Gasaustritt durch den Schlitz 14. Die zwei Halbdeckel 12 und 13 und die Schiene 9 werden von fünf Balken 16 getragen, welche sich quer über die Vorrichtung erstrecken und entlang ihrer Länge angeordnet sind. Die verschiedenen Abschnitte sind durch bewegliche Teile 17,18,19 und 20 aus rostfreiem Stahl voneinander getrennt.

Nach dem Einstellen in den Korb 7 im Aufgabeabschnitt 1 wird das bewegliche Teil 17 kurzzeitig geöffnet und die Glasscheibe 6 in den Vorheizabschnitt 2 transportiert Im Abschnitt 2 werden die Scheiben durch elektrische Strahlungsheizer 21 und 22 aufgeheizt, bis die Scheiben die Temperatur erreicht haben, bei welcher die Diffusionsbehandlung durchgeführt werden soll; in dem hier diskutierten Beispiel beträgt diese Temperatur 470"C. Nach der für das Vorheizen erforderlichen Zeit wird das Teil 18 kurzzeitig geöffnet und der Korb bewegt sich in den Diffusionsabschnitt 3. Im Abschnitt 3 wird das flüssige Behandlungsmedium, wie bei 23 gezeigt, auf die Glasscheibe aufgesprüht oder aufgespritzt. Das Behandlungsmedium ist z. B. geschmolzenes Kaliumnitrat. Dieses Medium wird mit Hilfe des dicken Verteilungsrohres 24 zugeführt, mit dem Spritz- oder Sprührohre 25 verbunden sind. Die Rohre 25 sind mit Bohrungen 26 versehen. Mit einem nicht gezeigten Mechanismus wird den Spritzrohren 25 eine seitliche Hin- und Herbewegung in der von den Teilen 27 angezeigten Richtung verliehen, so daß die Sprühöffnungen sich in bezug auf die Glasscheiben hin- und herbewegen. Gleichzeitig werden die Glasscheiben im Diffusionsabschnitt 3 langsam vorwärts bewegt in der durch den Pfeil 28 angezeigten Richtung. Die Relativbewegungen der Sprühstrahlen und der Glasscheiben ergeben mit Sicherheit einen gleichmäßigen Flüssigkeitsstrom über die gesamte Oberfläche der Glasscheiben. Das flüssige Medium fällt, nachdem es entlang der Oberflächen und der Umrandungsflächen der Glasscheiben herabgelaufen ist, in eine seitlich geneigte Rinne 29 und fließt durch eine Bodenfläche 30, von der es durch die Pumpe 31 abgepumpt wird. Diese abgezogene Flüssigkeit passiert die Filter 32, die die gröbsten Verunreinigungen festhalten. Die Substanz passiert dann ein zweites Filtersystem (nicht gezeigt), welches durch einen sekundären Ionenaustausch an einem Ionenaustauschmaterial diejenigen Ionen entfernt, die aus dem Glas in das Medium eingetreten sind. Eine Konditioniereinrichtung 33 sorgt dafür, daß das

ίο eingespeiste flüssige Medium genau die erforderliche Zusammensetzung des Salzes und der Hilfsstoffe (falls vorhanden) hat, bevor das Medium wieder in die Sprührohre eingeführt wird. Wenn ein Korb und seine Ladung die Vorderseite des Teiles 19 des Abschnittes 3 erreichen, wird die Diffusionsbehandlung beendet. Das Teil 19 öffnet und der Korb bewegt sich vorwärts in den Abschnitt 4, in welchem die Glasscheiben durch den Kühler 34 und 35, durch welche ein flüssiges Kühlmedium fließt, gekühlt werden. Wenn die Scheiben auf 60° C abgekühlt sind, öffnet sich das Teil 20 und die Scheiben treten in den Abschnitt 5 ein, wo sie aus dem Korb herausgenommen werden; letzterer kehrt in den Aufgabeabschnitt 1 zurück.

Bei einer anderen Ausführungsform führt der Korb eine Hin- und Herbewegung in Längsrichtung der Vorrichtung aus, z. B. parallel zu dem Pfeil 28, wodurch es möglich wird, den Abschnitt 3 wesentlich kürzer zu machen und so die Herstellungskosten zu vermindern. Zum Beispiel kann der Diffusionsabschnitt 3 10 m lang sein, und die Körbe können innerhalb von 24 Stunden in ihm entlangbewegt werden. Die mittlere Vorschubgeschwindigkeit beträgt dabei 7 mm/min. Gleichzeitig können die Körbe eine Hin- und Herbewegung parallel zu ihrer Vorschubbewegung durchführen, wobei die Geschwindigkeit 7 mm/sec und ihre Amplitude 50 cm betragen kann. Bis zu 1000 Glasscheiben täglich können in einer solchen Anordnung behandelt werden, wobei Körbe benutzt werden, in denen die Scheiben in einem Abstand von einem Zentimeter voneinander gehalten werden.

Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Gas, z. B. CO2, in den Abschnitt 3 eingeblasen. Der Abschnitt kann mit einem Gasumwälzsystem, wie in Fig.4 gezeigt, versehen sein. Das Gas wird aus einer Zuführung 36 in den Abschnitt 3 eingeblasen und über die ganze Länge des Abschnittes 3 mit Hilfe von Röhren 37 verteilt. Das Gas wird auf die Oberfläche der Glasscheiben geblasen, wo es mit der Behandlungssubstanz — in diesem Falle KNO₃ — reagiert und die

so Diffusion der K⁺-Ionen in die Oberfläche der Glasscheibe fördert. Das Gas wird dann durch ein mit dem zentral angebrachten Rohr 39 verbundenes Gebläse 38 abgesaugt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur chemischen Verfestigung mindestens eines Teils eines Körpers aus Glas, Glaskeramik, Keramik oder Gestein durch Ionenaustausch, dadurch gekennzeichnet, daß man das flüssige Austauschmedium auf die Oberfläche des Körpers aufsprüht und es als Film an dieser Oberfläche entlanglaufen läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage des Körpers relativ zu der Sprühquelle verändert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper und die Sprühquelle relativ zueinander hin und her bewegt werden und daß der Körper gegebenenfalls durch den Sprühstrahl hindurchbewegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Teile der Oberfläche des Körpers mit verschiedenen Mengen des flüssigen Austauschmediums pro Zeiteinheit oder mit verschiedenen flüssigen Austauschmedien besprüht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 2·> dadurch gekennzeichnet, daß das Besprühen des Körpers mit dem flüssigen Austauschmedium in Gegenwart von Gasmedien durchgeführt wird, die wenigstens eine Komponente enthalten, welche die Diffusion einer oder mehrerer Substanzen in den jo behandelten Körper hinein beeinflußt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gasmedium verwendet, das als Komponente H₂O, CO₂, SO₂, SO3 oder Halogene enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man mit dem Gas die Behandlungstemperatur mit dem flüssigen Austauschmedium reguliert.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das flüssige Austauschmedium nach dem Herunterlaufen an dem behandelten Körper sammelt, im Kreislauf zurückführt und gegebenenfalls vor der Wiederverwendung regeneriert.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens einen Sprühkopf (25) zum kontinuierlichen Aufsprühen des flüssigen Austauschmediums auf den zu behandelnden Körper (6), einen Behälter (29) zum Sammeln des an der Oberfläche des Körpers (6) heruntergelaufenen flüssigen Austauschmediums, der mit einem Rückführungskreislauf (30, 31, 32, 33) verbunden ist, der das flüssige Austauschmedium wieder in den Sprühkopf (25) zurückführt, sowie Einrichtungen (9, 16), welche den zu behandelnden Körper (6) tragen, so daß er in der Einwirkungszone des Sprühkopfes (25) gehalten wird, wobei die Behandlungszone in einem Behälter (3) angeordnet ist, der den Sprühkopf (25) zur Abgabe des flüssigen Austauschmediums enthält, und die Einrichtungen (37) dazu dienen, einen Gasstrom in den Behälter (3) einzuführen.

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