DE19643870C2 - Verwendung eines Glaskörpers zur Erzeugung eines chemisch vorgespannten Glaskörpers - Google Patents
Verwendung eines Glaskörpers zur Erzeugung eines chemisch vorgespannten GlaskörpersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Glaskörpers, insbesondere in Form einer Glasplatte oder Glasscheibe, zur
Erzeugung eines chemisch vorgespannten Glaskörpers.
Die Festigkeit von Glasgegenständen kann dadurch verbessert werden, daß die dem Glas gefährlich werdenden Zugs
pannungen in der Oberfläche gemildert werden. Dies wird erreicht, indem die Glasoberfläche unter Druckspannungen
gesetzt wird. Dieser Vorgang wird oft auch als Härtung bezeichnet. Ein Bruch tritt erst dann ein, wenn eine Beanspru
chung mindestens die Höhe der Druckspannungen erreicht hat.
Neben dem thermischen Härten, dem Abschrecken von Glasgegenständen sind verschiedene Verfahren des chemi
schen Vorspannens bekannt. Sie beruhen auf Ionenaustauschvorgängen. Es gibt dabei sowohl Verfahren, die oberhalb der
Transformationstemperatur Tg des jeweiligen Glases durchgeführt werden, als auch solche, bei denen unterhalb Tg ge
arbeitet wird. Die erstgenannten haben den Nachteil, daß oberhalb Tg eine Deformation des Glasgegenstandes eintreten
kann.
Um unterhalb von Tg im praktisch starren Glasnetzwerk durch Ionenaustausch Druckspannungen zu erzeugen, müs
sen in Glas vorhandene Ionen mit kleinem Durchmesser an der Oberfläche durch Ionen mit größerem Durchmesser er
setzt werden.
Zu diesem Austausch sind aufgrund ihrer guten Beweglichkeit Alkaliionen befähigt. So werden beispielsweise bei ei
nem Kalk-Natron-Glas in einem Kaliumsalzbad Na+-Ionen aus dem Glas in das Salzbad und K+-Ionen aus dem Bad in
das Glas wandern. Es handelt sich hierbei um Diffusionsprozesse. Ein diffundierendes Ion überschreitet eine der Ladung
proportionale Potentialbarriere; daher ist es, wie schon von Schröder und Gliemeroth (Naturwissenschaften, 1970, 57,
537) dargelegt, nicht zu erwarten, daß Ionen mit zweifacher positiver Ladung und mit gegenüber den Alkalien relativ
kleinem Radius bei den für die Diffusion von Alkaliionen ausreichenden mäßig hohen Temperaturen, wie sie aufgrund
der beschriebenen Bedeutung von Tg für diese Verfahren zur chemischen Härtung erforderlich sind, wanderungsfähig
sind. So konzentriert sich auch die Fach- und Patentliteratur auf Verfahren zum Austausch von Alkaliionen (Li+, Na+) aus
dem Glas heraus bzw. Alkaliionen (Na+, K+) oder auch anderen einwertigen Ionen (Ag+, Au+) ins Glas hinein.
Ein zum chemischen Vorspannen geeignetes Glas benötigt einen ausreichenden Gehalt an austauschfähigen Ionen,
nach Lehrmeinung also an Alkaliionen.
Die für viele Verwendungszwecke erforderliche Temperaturunterschiedsfestigkeit von Glasgegenständen, d. h. die Ei
genschaft, beispielsweise einer Scheibe, der Temperaturdifferenz zwischen heißer Scheibenmitte und kaltem Scheiben
rand standzuhalten, wird nun gerade durch eine Verringerung des Alkaligehalts im Glas erreicht bzw. verbessert. Be
rühmtes Beispiel ist die Gruppe der Borosilicatgläser, die aufgrund ihres geringen thermischen Ausdehnungskoeffizien
ten α sehr gute Temperaturwechsel- und Temperaturunterschiedsfestigkeiten aufweisen.
Und so galten Borosilicatgläser seit Jahrzehnten (s. wieder Schröder und Gliemeroth, Naturwissenschaften 1970, 57,
538) als nicht chemisch härtbar, was auch durch erfolglose Versuche des chemischen Vorspannens bei einem der bekann
testen Vertreter der Borosilicatgläser, einem Borosilicatglas 3.3 (Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis: SiO2 80,9;
B2O3 12,8; Al2O3 2,4; Na2O 3,3; K2O 0,6) noch bekräftigt wurde (s. unten).
Zwar soll laut Aufgabe zur in WO 96/01792 A1 beschriebenen Erfindung, die ein Verfahren des mehrfachen thermi
schen oder chemischen Vorspannens betrifft, dieses Verfahren auch für Borosilicatgläser anwendbar sein, jedoch wird in
der gesamten Schrift in keinster Weise darauf eingegangen, wie Borosilicatgläser welcher Zusammensetzung konkret
unter welchen Verfahrensbedingungen mit welchen Ergebnissen chemisch vorspannbar sein sollen. Es wird lediglich
pauschal behauptet, alle Gläser mit a zwischen 3,0 und 9,5 × 10-6 K-1 und E zwischen 6.0 und 9,0 × 104 N/mm2 seien ge
eignet, ohne daß zur Lösung dieses Aspekts der Aufgabe eine Lehre zum technischen Handeln mit experimentellen Hin
weisen gegeben würde. Sämtliche Ausführungsbeispiele betreffen das thermische Vorspannen von Natron-Kalk-Glas
scheiben.
Die in der Patentschrift DE 44 30 710 C1 beschriebene Erfindung hat u. a. die Aufgabe ein Borosilicatglas zur Verfü
gung zu stellen, das chemisch härtbar ist. Es wird da belegt daß Gläser, die keine Lithiumionen enthalten, damit nicht zur
chemischen Härtung unterhalb der Transformationstemperatur Tg geeignet seien.
Zwar ist Li2O im Hauptanspruch nur fakultative Komponente der borsäurearmen (1
bis < 9 Gew.-% B2O3) Borosilicatgläser gemäß jener Erfindung, jedoch ist es in ih
ren bevorzugten Ausführungsformen zwingender Bestandteil, und auch aus der
Beschreibung geht hervor, daß Li2O als ausschlaggebend für ein unterhalb von Tg
chemisch härtbares Glas angesehen wird.
Lithiumoxid hat nun, wie auch die anderen Alkalioxide, im Glas den Nachteil, die
Wärmedehnung zu erhöhen und die chemische Beständigkeit herabzusetzen. Au
ßerdem setzt es die Viskosität herab, erhöht so die Entmischungs- und Keimbil
dungsneigung des Glases, wodurch Trübungen auftreten können.
Aus JP 4-70262 B2 ist bekannt, daß Borosilicatgläser mit einem für diese Gläser
sehr hohen Anteil an Alkalioxiden (10-32 Gew.-% R2O) durchaus chemisch vor
spannbar sind. Jedoch weisen die Gläser aufgrund dieses hohen Alkaligehalts ei
ne hohe thermische Ausdehnung auf.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Glas zu finden, das eine geringe thermische
Ausdehnung und damit eine hohe Temperaturunterschiedsfestigkeit besitzt und
das sich chemisch vorspannen läßt und nach dem Vorspannen eine erhöhte Bie
gezugfestigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Verwendung ei
nes Glaskörpers gelöst.
Gläser der in Anspruch 1 genannten, kein Li2O und nur wenig Na2O enthaltenden
Zusammensetzung (SiO2 70-85; B2O3 9-15; Na2O 1-5; K2O 1-< 5; Al2O3 1-5;
CaO 0-3; MgO 0-3; SrO + BaO 0-2; ZnO 0-3; ZrO2 0-3,5 mit CaO + ZnO 2-6
in Gew.-% auf Oxidbasis) weisen eine geringe Wärmeausdehnung und eine gerin
ge spezifische Wärmespannung auf, die eine besonders hohe Temperaturunter
schiedsfestigkeit kennzeichnet. Glaskörper dieser Zusammensetzung können
thermisch vorgespannt werden, und überraschenderweise, nämlich entgegen der
Lehrmeinung, können sie auch in herkömmlichen Ionenaustauschverfahren unter
halb von Tg chemisch vorgespannt werden.
Die Glaskörper werden in Salzbädern, vorzugsweise in Bädern, die aus 100 Gew.-
% bis mindestens 90 Gew.-% Kaliumsalzen bestehen, bei Badtemperaturen zwi
schen 400 und 550°C, bevorzugt zwischen 450°C und 520°C, besonders bevor
zugt bei höchstens 500°C 2 bis 25 h, bevorzugt zwischen 5 und 10 h, besonders
bevorzugt mindestens 6 h belassen. Durch eine solche Behandlung werden Ionen
austauschtiefen zwischen 10 und 40 µm bei einer Oberflächenkonzentration des
Kaliumoxid von 4 bis 8 Gew.-% erreicht, wobei niedrigere Temperaturen höhere Verweilzeiten erforderlich machen.
Für das Kaliumsalzbad können alle gängigen Kaliumsalze verwendet werden, deren Anionen im angegebenen Tempera
turbereich stabil sind. Vorzugsweise wird KNO3 verwendet. Das Salzbad (in der Regel mit 100% Kaliumsalz beginnend)
wird dann erneuert, wenn durch den Austausch der Kaliumionen-Gehalt soweit abgesunken ist, daß die gewünschte Aus
tauschtiefe nicht mehr erreicht wird. Das ist in der Regel bei < 90 Gew.-% Kaliumsalzen der Fall. Vorzugsweise wird das
Bad bereits erneuert, wenn der Kaliumsalz-Gehalt unter 97 Gew.-% sinkt, da mit sinkendem K+-Gehalt die benötigte Io
nenaustauschzeit ansteigt.
Daß Glaskörper der genannten Zusammensetzung unterhalb der Transformationstemperatur Tg erfolgreich chemisch
vorspannbar sind, ist unerwartet und daher um so erfreulicher. Die Gläser enthalten keine Lithiumionen und nur wenig
Natriumionen (1-5 Gew.-% Na2O). Damit enthalten sie teilweise weniger Na-Ionen als das schon erwähnte nicht che
misch vorspannbare Borosilicatglas 3.3 mit 3,3 Gew.-% Na2O. Schon ein Na2O-Gehalt von 1-3 Gew.-% ist hier für das
Vorspannen ausreichend. Ein etwas höherer Gehalt (-5 Gew.-%) kann jedoch zur Verbesserung der schmelztechnischen
Eigenschaften sinnvoll sein.
Daß in der Oberfläche der Gläser dennoch eine Druckspannung aufgebaut wird kann an der durch die Zusammenset
zung bedingten Glasstruktur liegen und auch daran, daß auch zweiwertige Ionen, insbesondere Ca2+ und Zn2+, die im
Glas zu insgesamt mindestens 2 Gew.-% vorhanden sind, gegen K+ aus dem Salzbad ausgetauscht werden. Außerdem
fördert der höhere Transformationsbereich des Glases die Bildung einer erhöhten Druckspannung in der Oberfläche
durch die geringere Neigung der Relaxation während des chemischen Vorspannprozesses.
Aufgrund der besonderen Güte der Gläser hinsichtlich der glastechnischen Eigenschaften, der Temperaturunter
schiedsfestigkeit und der Festigkeit nach dem Vorspannen wird die Verwendung von Gläsern des folgenden Zusammen
setzungsbereiches (in Gew.-% auf Oxidbasis) bevorzugt: SiO2 73-78; B2O3 9-12; Na2O 1-5; K2O 1-< 5; Al2O3 1-4;
CaO 1-3; ZnO 1-2; ZrO2 0,5-3.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Glaskörper der genannten Zusammensetzun
gen verwendet, die auf einer Floatanlage hergestellt wurden. Anscheinend erhöht diese "Vorbehandlung" die Fähigkeit
des Glases, chemisch vorgespannt zu werden. Vermutlich kommt es während des Floatprozesses zu Wechselwirkungen
zwischen Schutzgasatmosphäre (i. a. Formiergas) und Glas und/oder zwischen Zinnbad und Glas, wodurch der Aus
tausch mit Kaliumionen gefördert wird.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung der Gläser des genannten Zusammensetzungsbereiches zur Erzeugung che
misch vorgespannter Gläser erhält man Glaskörper, die die hervorragenden Eigenschaften von alkaliarmen Borosilicat
gläsern, beispielsweise bzgl. thermischer Belastungen, und die sehr guten Festigkeitseigenschaften von chemisch gehär
teten Gläsern in sich vereinen.
Diese Gläser sind für alle Anwendungszwecke für chemisch gehärtete Gläser, z. B. als Lampenglas, Glas für die Va
kuumtechnik, für den Chemieanlagenbau und für technische Anlagen, Zentrifugengläser in der Flugzeugindustrie, Ab
deckscheiben für Fotokopierer usw. bestens geeignet.
Diese chemisch vorgespannten Borosilicatglaskörper, vorzugsweise in Form von Glasplatten oder -scheiben, sind be
sonders aufgrund ihrer hohen Temperaturunterschiedsfestigkeit sehr gut geeignet für die Verwendung als Brandschutz
glas, z. B. nach DIN 4102 Teil 13.
Die Gläser zerfallen bei mechanischer Zerstörung nicht in kleine Krümel, sie erfüllen also die Anforderungen bzgl.
Krümelbruch für ein Sicherheitsglas nicht und sind in diesem Bereich den entsprechenden thermisch vorgespannten Glä
sern unterlegen.
Ausgesprochen vorteilhaft gegenüber den thermisch vorgespannten Gläsern ist jedoch, daß auch nicht-ebene, also in
beliebigen Formen gebogene Glaskörper, speziell Glasplatten oder -scheiben, vorgespannt werden können und deren
Form bei diesem Prozeß erhalten bleibt.
Die erfindungsgemäße Verwendung wird anhand eines Ausführungsbeispiels (A) und eines Vergleichsbeispiels (V),
eines Borosilicatglases 3.3 der bereits genannten Zusammensetzung näher erläutert. In der Tabelle sind die Glaszusam
mensetzungen sowie einige relevante Eigenschaften der Gläser vor und nach dem Vorspannen aufgeführt.
Bei ähnlicher Oberflächenkonzentration an K2O im Vergleichs- und im Ausführungsbeispiel weist das Glas gemäß der
Erfindung aufgrund einer größeren Ionenaustauschtiefe große Festigkeitssteigerungen auf, während im Vergleichsglas
die Festigkeitseigenschaften nicht nennenswert verbessert werden. Daß das Vergleichsbeispiel überhaupt geringfügige
Verbesserungen der Festigkeitseigenschaften aufweist, mag auf seine Herstellung im Float-Verfahren zurückzuführen
sein.
Die Gläser wurden aus üblichen Rohstoffen erschmolzen und auf einer herkömmlichen Floatanlage hergestellt. Aus
den so erhaltenen Borosilicat-Flachglasscheiben wurden pro Beispiel 50 Proben der Abmessungen 100 mm × 100 mm ×
3.3 mm hergestellt. Diese wurden mit Schmirgelpapier von 220er Körnung naß verletzt und nach 24stündiger Lagerung
geprüft. Die so vorbereiteten Proben wurden in einer KNO3-Schmelze (KNO3-Gehalt < 99%) bei 480°C 8 h chemisch
vorgespannt.
Zur Bestimmung der in der Tabelle genannten Eigenschaften und Größen wurden folgende physikalische Untersu
chungsmethoden angewandt:
Der Konzentrationsverlauf von Ionen in der Austauschzone wurde mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX,
quantitativer line scan) bestimmt. So konnten die Ionenaustauschtiefe und die Oberflächenkonzentration an K2O ermit
telt werden.
Die Biegezugfestigkeit wurde nach DIN 52292 T1 bestimmt. Als Wert angegeben sind die 5%-Fraktile der Weibull-
Verteilung.
Die Stoßprüfung wurde analog dem Federhammer nach EN 60 335 T1 durchgeführt. Mit einem Fallkörper der Masse
250 g, der eine Polyamid-Halbkugel (Rockwellhärte R 100 mit Radius 10 mm) an der Spitze trägt, wurde die Stoßfestig
keit geprüft, indem der Fallkörper aus steigenden Höhen (durchgeführt in Stufen von 5 cm) auf die Probe fallengelassen
wurde. In den Stoßfestigkeitswert ging die Höhe ein, bei der das Probestück zu Bruch ging. Angegeben sind auch hier die
5%-Fraktile aus der Weibull-Verteilung.
Claims (5)
1. Verwendung eines Glaskörpers mit einer Zusammensetzung (in Gew.-% auf
Oxidbasis von:
SiO2 70-85
B2O3 9-15
Na2O 1-5
K2O 1- < 5
Al2O3 1-5
MgO 0-3
SrO + BaO 0-2
CaO 0-3
ZnO 0-3
mit CaO + ZnO 2-6
ZrO2 0-3,5
und ggf. Läutermittel in den üblichen Mengen
zur Erzeugung eines chemisch vorgespannten Glaskörpers in einem her
kömmlichen Ionenaustauschverfahren unterhalb der Transformationstempera
tur Tg des Glases.
2. Verwendung eines Glaskörpers nach Anspruch 1, in einem zu mindestens 90 Gew.-% aus Kaliumsalzen beste
henden Ionenaustauschbad.
3. Verwendung eines Glaskörpers nach Anspruch 2, bei einer Temperatur zwischen 400 und 550°C und bei einer
Verweilzeit zwischen 2 und 25 h.
4. Verwendung eines Glaskörpers nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Zusammensetzung (in
Gew.-% auf Oxidbasis) von
SiO2 73-73
B2O3 9-12
Na2O 1-5
K2O 1- < 5
Al2O3 1-4
CaO 1-3
ZnO 1-2
ZnO2 2 < 6
ZrO2 0,5-3
und ggf. Läutermittel in den üblichen Mengen.
5. Verwendung eines auf einer Floatanlage hergestellten Glaskörpers nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4.
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