DE2254118B2 - Verfestigte Glaskeramik aus Kern und druckgespannter Mantelschicht aus Glas oder Glaskeramik und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Verfestigte Glaskeramik aus Kern und druckgespannter Mantelschicht aus Glas oder Glaskeramik und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Dn
20
positiv ist
2. Glaskeramik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der prozentualen
Verdichtungsdifferenz D, errechnet nach der Gleichung
x(lOO),
wenigstens 0,5% beträgt
3. Glaskeramik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert D1 bis 5% ist.
4. Glaskeramik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmedehnungskoeffizient
des Kerns und der Mantelschicht D gleich sind.
5. Glaskeramik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmedehnungskoeffizient
des Kerns etwas größer ist als der des Mantels.
6. Verfahren zum Herstellen der Glaskeramik nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ,gekennzeichnet,
daß zunächst ein Schichtkörper aus einem Kern und einem Mantel zusammengesetzt und anschließend
durch Wärmebehandlung der thermisch kristallisierbare Glasteil in situ kristallisiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer der Wärmebehandlung lang genug zur Kristallisierung, jedoch nicht lang genug
zum vollständigen Spannungsabbau in der Mantelschicht ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Mantelschicht aus einem
bei niedrigerer Temperatur und höherer Viskosität als der Kernteil kristallisierbaren Glas durchgeführt
wird.
Die Erfindung betrifft verfestigte Glaskeramiken, die aus einem glaskeramischen Kern und einer an diesen
geschmolzenen und ihn umhüllenden druckgespannten Mantelschicht aus Glas oder Glaskeramik bestehen,
sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Bekanntlich bricht Glas meistens unter einer die Fortpflanzung von Rissen oder Sprüngen in der
Oberfläche begünstigenden Zugspannung, ist aber unter dem Einfluß einer Druckspannung wesentlich fester.
Glaskörper können daher durch eine druckgespannte Haut, eine unter Druckspannung stehende Oberflächenoder
Mantelschicht, verfestigt werden.
Die Erzeugung der druckgespannten Mantelschicht durch Ionenaustausch erfolgt meist durch Behandlung in
einer Salzschmelze und ist daher ziemlich umständlich. Die druckgespannte Haut ist sehr dünn und kann z. B.
durch Abrieb leicht beschädigt werden. Auch besteht bei Erhitzen bis dicht an den unteren Spannungspunkt die
Gefahr des Spannungsabbaus.
Weniger aufwendig ist die Verfestigung durch Aufbau
eines Schichtkörpers mit Schichten unterschiedlicher Wärmedehnung, wobei sich z. B. der Kern beim
Abkühlen stärker zusammenzieht als die Oberflächenschicht Da aber mindestens eine Schicht eine hohe
Wärmedehnung besitzt, ist die Wärmeschockfestigkeit für manche Anwendungen unbefriedigend. Auch ist bei
stärkerer Erhitzung die Möglichkeit einer Umkehrung der Spannungsverhältnisse der einzelnen Schichten
gegeben, so daß der Verstärkungseffekt verlorengeht
Die Erfindung hat eine verfestigte Glaskeramik mit guter Wärmeschockfestigkeit und Beständigkeit der
Verfestigung auch beim Erhitzen auf höhere Temperaturen zur Aufgabe, sowie ein einfaches Verfahren zu
ihrer Herstellung.
Es werden folgende Indices verwendet:
Jt = Kern
m = Mantel
a = Anfangsdichte
e = Enddichte
30 Die Aufgabe wird durch die verfestigte Glaskeramik mit einem glaskeramischen Kern und einer an diesen
geschmolzenen und ihn im wesentlichen umhüllenden druckgespannten Mantelschicht aus Glas oder Glaskeramik
dadurch gelöst, daß der Kern aus einer durch Wärmebehandlung eines thermisch kristallisierbaren
Glases der Dichte Du vor und der Dichte Danach der in
situ Kristallisierung entstandenen Glaskeramik und die druckgespannte Mantelschicht aus einem Glas oder
einem thermisch kristallisierbaren Glas der Dichte Dma
vor und der Dichte Dme nach der Wärmebehandlung
besteht, wobei der Wert des Ausdrucks
45
Dke-Dka Dme-D„
positiv ist, d. h.
D1
k-glas.
D1
m-glas.
Die Verfestigung beruht hier auf der größeren Volumenschrumpfung des glaskeramischen Kerns im
Verhältnis zur Haut oder Mantelschicht infolge von Phasenänderungen bei der Wärmebehandlung und
Kristallisation. Die Haut kann aber auch aus einem bei der Umwandlung zur Glaskeramik sich ausdehnenden
Glas bestehen. Der Erfindungseffekt beruht also auf einer Volumenänderung, die meistens negativ ist, weil
Glaskörper bei Entstehung von Kristallphasen in der Regel dichter werden.
Da die Schichtung oberhalb der Erweichungstemperatur des Glases oder der Gläser der Schichten
vorgenommen wird, können Mantelschichten größerer Dicke und Robustheit gebildet werden. Die Schichten
können aus Glaskeramiken sehr niedriger Wärmedehnung bestehen, weil eine unterschiedliche Wärmedehnung
für die Verfestigung nicht erforderlich ist. Die
Schichtkörper haben daher gute Wärmeschockfestigkeit Schließlich ist die Festigkeit auch beim Erhitzen auf
höhere Temperaturen, wie 10000C, beständig, da der
Verstärkungseffekt auf permanenten unci durch Erhitzen nicht beeinflußten Phasenänderu 'gen beruht
Die Dichte der einzelnen Schichten ist als solche gleichgültig, d. h. der Kern kann dichter oder weniger
dicht als der Mantel sein. Wesentlich ist aber, daß die Dichteänderung des Kerns im Verhältnis zur Haut bei
der Phasenänderung positiv ist d. h. entweder muß der
Kern stärker schrumpfen oder die Mamelschicht muß sich stärker ausdehnen, um eine druckgespannte
Oberflächenschicht zu erzeugen.
In den Zeichnungen zeigen die Fig. 1—3 je ein Schaubild der Temperatur Γ und Dichte D (senkrechte
Achse) in Abhängigkeit von der Zeitdauer (waagerechte Achse) während der Kernbildung und Kristallisierung
eines erfindungsgemäßen Schichtkörpers, wobei das untere Plateau eine Haltezeit bei der Kerubildungstemperatur
und das obere Plateau eine Haltezeit bei der Kristallisationstemperatur darstellt; der Zeit-Temperaturkurve
überlagert sind die Kennlinien der relativen Dichte für den Kern Dt und die Mantelschicht Dm wobei
Dk, bzw. Dm1 die Anfangsdichte Dke bzw. Dmc die
Enddichte und ADk und ADm die relative Dichteänderung
von Kern und Mantel bezeichnen. Wie die F i g. 1 zeigt, wird der Kern bei der Wärmebehandlung stärker
verdichtet als der Mantel (im Beispielsfall zum größeren Teil nach der Kernbildung und im Anfangsstadium der
Kristallbildung), so daß die Oberflächenschicht druckgespannt wird.
Im Falle der F i g. 2 hat der Kern zwar eine geringere absolute Dichte als der Mantel, wird aber stärker
verdichtet als der Mantel, so daß auch hier die Vs /festigungswirkung eintritt
Im Beispielsfall der Fig.3 erfährt der Kern keine
Volumen- oder Dichteänderung, aber der Mantel expandiert infoige entstehender Kristallphasen niedriger
Dichte stärker als der Kern, so daß auch hier eine Druckspannung und Verfestigung entsteht. In jedem
Fall ist also ADk-ADn, positiv. Wie Berechnungen
ergeben, kann für je 0,1% Verdichtungsdifferenz eine Erhöhung des Bruchmoduls um 280 kg/cm2 theoretisch
erzielt werden. Wie unten erläutert wird die tatsächliche Festigkeit aber durch eine Reihe von Faktoren
eingeschränkt, so daß praktisch eine Verdichtungsdifferenz von 0,1 -20% oder sogar höher erforderlich sein
kann.
Obwohl die Zusammensetzungen und Kristallphasen des Kerns und Mantels für die Verfestigung nicht
kritisch sind, müssen eine Reihe von physikalischen Bedingungen eingehalten werden. Außer dem Erfordernis
der positiven differenziellen Dichteänderung des Kerns im Verhältnis zum Mantel bei der Kristallisierung
soll das Glas oder die Glaskeramik der Mantelschicht bei den Kristallisationstempera tu ren eine hohe Viskosität
bzw. eine große Kriechfestigkeit aufweisen, damit der Spannungsabbau während der Wärmebehandlung
möglichst gering bleibt. Wird eine Oberflächenschicht aus nicht kristallisierbarem Glas gewählt, so soll das
Glas einen möglichst hohen unteren Spannungspunkt besitzen. Eine Oberflächenschicht aus thermisch kristallisierbarem
Glas soll das Glas vor Verdichtung des Kerns vorzugsweise sehr stark kristallisieren und die
kristallisierte Oberflächenschicht gut kriechfest sein, d. h. beim Zusammenziehen des Kerns möglichst nicht
fließen, weil andernfalls die Oberflächendruckspannung abgebaut würde. Vorzugsweise kristallisiert das Glas
der Mantelschicht daher schneller und/oder bei niedrigeren Temperaturen sowie bei höherer Viskosität
als das Kernglas, wenn auch eine gewisse Spannungsent'astiHig
in der Oberflächenschicht bei der bei höheren Temperaturen vorgenommenen Umwandlung
zur Glaskeramik zu erwarten ist
Bevorzugt, wenn auch nicht Bedingung, ist ferner auch eine zumindest gleiche oder etwas größere
Wärmedehnung des Kerns vor und nach der Kristallisierung als des Mantels, da die sonst entstehenden
Oberflächenspannungen die Druckspannung vermindern und die Verfestigungswirkung beeinträchtigen.
Als Vorbedingung für eine nennenswerte Steigerung der Festigkeit wurde eine errechnete Verdichtungsdifferenz
von Kern und Mantel von wenigstens 0,5% gefunden. Vorzugsweise beträgt diese nach der oben
angegebenen Formel errechnete Differenz D etwa 1 -5%, und noch höhere Werte, z. B. 20%, können zur
Anwendung gelangen, wenn die Oberflächenschicht bei der Wärmebehandlung einen geringen Widerstand
gegen einen Spannungsabbau zeigt
Zweckmäßig wird die Verdichtung durch solche Änderung der Zusammensetzung und/oder der Wärmebehandlung
bewirkt, daß entweder die Hauptkristallphase des Kerns dichter als die des Mantels ist oder daß
im Kern ein größerer Anteil einer stark dichten, kristallinen Nebenphase entsteht als in der Mantelschicht
So führt in einer Li2O-AI2O3-SiO2 Glaskeramik
mit Beta-Spodumen in fester Lösung als Hauptkristallphase
eine Steigerung des Li2O-Al2Oa Gehalts zur
Bildung eines stark gestopften Gitters und wegen des größeren Gitterabstands zu einer festen Lösung
geringerer Dichte. Cordierit-Glaskeramiken
(MgO-Al2O3-SiO2)
sind in der Regel als Material für die Oberflächenschicht
weniger geeignet weil sie bei sehr hoher Viskosität kristallisieren und sehr wenig verdichtet werden oder
sich sogar leicht ausdehnen.
Am einfachsten kann der Dichteunterschied zwischen Kern und Mantel durch Dispersion sehr dichter
Nebenphasen im Kern erhöht werden. So läßt sich der Anteil sehr dichcer Phasen, wie Gahnit (ZnAl2OO oder
Spinell (MgAl2O^, durch sehr geringe Änderungen in
der Zusammensetzung sehr stark erhöhen. Durch den Anteil solch dichter Phasen ist der Verdichtungsgrad in
einfacher Weise einstellbar.
Bei der an sich routinemäßigen Wahl der zur in situ Kristallisation geeigneten Wärmebehandlung in bekannter
ein- oder zweistufiger Weise muß erfindungsgemäß Sorge getragen werden, daß eine zu starke, die
Spannung in der Oberflächen- bzw. Vlantelschicht abbauende Kristallisation vermieden wird. Der zeit-
bzw. temperaturabhängige Spannungsabbau geht bei Temperaturen über dem unteren Spannungspunkt
langsam vonstatten und wird bei Annäherung an den Erweichungspunkt zunehmend schneller. Die auszuwählende
Kristallisationstemperatur muß daher einerseits so hoch sein, daß die Kristallisation einen positiven
Dichteunterschied zur Folge hat, muß andererseits aber unter einer die vollständige Spannungsentlastung der
Oberflächenschicht bewirkenden Höhe liegen.
Lne Tabelle I enthält eine Reihe von Beispielen für
erfindungsgemäß durch differentielle Verdichtung verstärkte Gegenstände. Die Bruchmodulwerte bei verschiedenen
Temperaturen wurden an abgeriebenen Stäben aus den betreffenden Glaskeramiken gemessen.
Die Abriebfestigkeit des glaskeramischen Materials
liegt im kristallisierten aber unverfestigten Zustand bei etwa 700-980 kg/cm2. Die Tabelle enthält auch die
Wärmedehnung von Kern und Mantel als Durchschnittswert im Bereich von Zimmertemperatur bis
etwa 700-80O0C, die zur Kristallisierung verwendete Wärmebehandlung, die durch Röntgendiffraktionsanalyse festgestellten Kristallphasen von Kern und Mantel
und die nach Anfangs- und Enddichte von Kern und Mantel errechnete prozentuale Verdichtungsdifferenz.
Zur Herstellung der Probestäbe wurde ein erschmolzener Glaskern mit dünnen Schichten aus geschmolze-
nem Mantelglas überzogen; das Schmelzmaterial wurde durch siebartige ösen gezogen, wobei zylindrische
Stäbe mit Durchmessern von 2,54 — 635 mm (durchschnittlich etwa 5 mm) und etwa 0,127 mm dicken
zylindrischen Oberflächenschichten entstanden. Die Tabellenangaben zur Wärmebehandlung beziehen sich
auf die Haltezeiten und Temperaturen der Kernbildungs- und Kristallisierungsstufen, bei Steigerungsgeschwindigkeiten von 100-300°C/Std. und Abkühlungsgeschwindigkeiten nach erfolgter Kristallisierung von
etwa 300° C/Std.
| Kern 1 | Mantel | Kern 2 | Mantel | Kern 3 | Mantel | |
| SiO2 | 72,2 | 72,5 | 65,8 | 72,5 | 69,7 | 68,0 |
| Al2O3 | 20,4 | 22,5 | 19,5 | 22,5 | 17,9 | 20,5 |
| Li2O | 2,0 | 3,0 | 3,6 | 3,0 | 2,7 | 3,5 |
| MgO | 5,4 | 4,0 | 1,8 | 4,0 | 2,6 | 1,7 |
| ZnO | - | - | 2,2 | - | 1,1 | 1,2 |
| TiO2 | 4,0 | 4,5 | 4,3 | 4,5 | 4,7 | 4,7 |
| ZrO2 | 1,5 | - | - | - | 0,1 | - |
| B2O3 | - | - | 2,0 | - | - | - |
| Na2O | - | - | 0,3 | - | 0,3 | - |
| As2O3 | 0,75 | 0,75 | 1,0 | 0,75 | 0,9 | 0,4 |
| K2O | - | - | - | - | - | - |
| Kristallphasen | jS-Quarz | j8-Quarz | j8-Spodumen | jff-Quarz | jß-Spodumen | jS-Spodumen |
| Spinel | jS-Spodumen | Gahnit | j8-Spodumen | Spinel | Anatase | |
| Rutil, ZrO2 | Cordierit | Rutil | Cordierit | Rutil | ||
| Rutil | Rutil | |||||
| Wärmedehnung | ||||||
| (x 10"7/°C, RT-T0C) | 18,5 (700°) | 14,8 (700°) | 23,0 (700°) | 14,8 (700°) | 15,0 (800°) | 13,5 (800°) |
| Wärmebehandlung | 780° 2 Std. | 1000° 2 Std. | 800° 2 Std. | 900° 2 Std. | 800° 2 Std. | 1030° 2 Std. |
| % Verdichtungs- | ||||||
| differenz | 4,8% | 1,4% | 0,9% | |||
| Bruchmodul in | ||||||
| kg/cm2 Λ-7" | 2450 | 4900 | 2100-2450 | |||
| 500X | 2590 | - | 1750 | |||
| 70O0C | 2730 | - | 1750 | |||
| 8000C | - | - | - | |||
| Tabell I (Fortsetzung) | ||||||
| Kern 4 | Mantel | Kern 5 | Mantel | Kern 6 | Mantel |
Al2O3
As2O3
69,7 17,9
2,7
2,6
1,1 4,7 0,1 0,3 0,9
j8-Spodumen
Spinel
Rutil
65,1 23,1
3,77
1,77
1,46
2,01
1,89
0,75
0,15
jS-Spodumen Spinel ZrO2, Rutil
jS-Quarz
jS-Spodumen
ZrO2, Rutil
Spinel
68,7
17,9
3,3
1,4
1,9
5,5
0,3
1,0
ji-Spodumen
Spinel
Anatase
69,3
18,7
3,6
0,3
2,6
4,5
72,0 17,7 4,5 0,3 0,1 4,4
jS-Spodumen
Gahnit
Rutil
jß-Spodumen Anatase
Fortsetzung
Wärmedehnung
(x 10"7/°C, RT-rC)
(x 10"7/°C, RT-rC)
Wärmebehandlung
% Verdichtungs-
difTerenz
Bruchmodul in
kg/cm2 R-T
5000C
7000C
8000C
15,0 (800°)
800° 2 Std.
800° 2 Std.
1,6%
2030
2030
12,0 (800°)
1030° 2 Std.
1030° 2 Std.
16,8 (700°)
800° 2 Std.
800° 2 Std.
9,0 (800°) 5,7 (800°)
1000° 2 Std. 800° 2 Std.
1000° 2 Std. 800° 2 Std.
2,0%
1820-2240
1820-2240
1680-1960
5,7 (800°)
1130° 2 Std.
1130° 2 Std.
Das Beispiel 1 der Tabelle zeigt die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung verfestigter
Gegenstände, die ihre Festigkeit auch bei höheren Temperaturen behalten und beweist zugleich,
daß die Verfestigung nicht auf unterschiedlicher Wärmedehnung beruht Die beobachtete Festigkeit
nimmt nicht nur mit steigender Temperatur zu, sondern liegt auch weit über der auf dem meßbaren Wärmedehnungsunterschied
zurückführbaren Festigkeitssteigerung.
Wahrscheinlich auf dem Spannungsabbau in dem Mantel während der Wärmebehandlung beruht der
Umstand, daß die beobachtete Festigkeit von 2450 kg/cm2 erheblich unter der theoretischen Festigkeit
des geschichteten Stabs mit einer Verdichtungsdifferenz von 4,8% liegt Diese Verdichtungsdifferenz
beruht auf dem höheren MgO-Gehalt im Kern, der seinerseits eine geringe, dichte Spinelphase (MgAbO4)
bildet, sowie auf einem höheren Li2O und AI2O3 Gehalt
des Mantels, wodurch eine stark gestopfte, etwas Cordierit enthaltende Beta-Spodumenphase fester Lösung
und verhältnismäßig geringer Dichte entsteht In dem Schichtkörper hat der Mantel einen weiter
fortgeschrittenen Phasenzustand als der Kern, weil die größere Menge Li2O die Bildung von Beta-Spodumen in
fester Lösung bei niedrigeren Temperaturen fördert
Das Beispiel 2 zeigt eine Festigkeit bei Zimmertemperatur von etwa 4900 kg/cm2; das ist in etwa gleich der
aus der errechneten prozentualen Verdichtungsdifferenz von ca. 1,4% erzielbaren theoretischen Festigkeit
Diese hohe Festigkeit beruht wahrscheinlich auf der Kristallisierung bei der vergleichsweise niedrigen
Temperatur von etwa 9000C; der Spannungsabbau ist daher sehr viel kleiner. Jedoch bedingt die Wärmedehnungsdifferenz
von etwa 8xlO-7/°C zwischen Kern
und Mantel eine Verfestigung von höchstens ca. 700 kg/cm2. Hierzu kommt noch eine natürliche
Festigkeit von 700 kg/cm2. Es verbleibt als Folge der differentiellen Verdichtung, vornehmlich bedingt durch
die geringe Menge von sehr dichtem Gahnit (ZnAI2O*)
im glaskeramischen Kern, eine Verfestigung von etwa 3500 kg/cm2.
Das Beispiel 3 zeigt eine Verfestigung von ca. 1400
kg/cm2 über die natürliche Festigkeit hinaus, oder
annähernd 50% der aufgrund der Verdichtungsdifferenz von 0,9% zu erwartenden theoretischen Festigkeit.
Die Verfestigung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnung von 1,5 χ 10-7/°C ist hier vernachlässigbar klein. Die Verdichtungsdifferenz beruht hauptsächlich auf dem höheren Li2O · Al2O3-GeIIaIt des
Mantels und damit stärkerer Beta-Spodumenbildung,
sowie auf einer gewissen Spinelbildung im Kern.
Das Beispiel 4 zeigt eine Festigkeit bei Zimmertemperatur von etwa 2030 kg/cm2, was etwa 1330 kg/cm2
über der natürlichen Festigkeit liegt. Die Verfestigung beruht wohl vornehmlich auf einer Verdichtungsdiffe renz von etwa 1,6%, in erster Linie aufgrund des
höheren AI2O3 und Li2O Gehalts des Mantels, der
wiederum eine stärker gestopfte Beta-Spodumen-Kristallstruktur und damit eine geringere Verdichtung bei
der Kristallbildung zur Folge hat.
Das Beispiel 5 zeigt eine Verfestigung, die um etwa 1750 kg/cm2 über der ursprünglichen Festigkeit bei
Zimmertemperatur liegt, und überwiegend durch Verfestigung infolge unterschiedlicher Verdichtung von
Kern und Mantel entsteht Letztere beruht auf der erhöhten Spinelbildung im Kern infolge des größeren
ZnO Gehalts und der Beibehaltung von etwas Beta-Quarz im Kern nach der Keramisierung, der etwas
dichter als die Spodumenphase ist Etwa 560 kg/cm2 der Festigkeitszunahme können auf eine unterschiedliche
Wärmedehnung von Kern und Mantel zurückgeführt werden.
Das Beispiel 6 zeigt die Möglichkeit der Verfestigung durch differentielle Verdichtung im Falle eines glaskerar
mischen Systems sehr niedriger Wärmedehnung. Ein hoher ZnO Anteil und niedriger Li2O Anteil in der
Zusammensetzung des Kerns führt zu stärkerer Verdichtung des Kerns infolge der größeren Gahnitmenge
und der Beta-Spodumen-Festlösung mit größerem Kieselsäuregehalt Von Bedeutung sind auch Rutil
im Kern und Anatase im Mantel, da das Erstere viel
dichter als das Letztere ist Mit der geringfügigen Wärmedehnungsdifferenz wäre eine Verfestigung nicht
möglich.
Weitere Zusammensetzungen können durch unterschiedliche Verdichtung bei einer Kernkontraktion
und/oder Mantelexpansion verfestigt werden, wie z. B.:
| Tabelle Π | Kern 7 | Mantel | Kern 8 | Mantel |
| 62,2 26,0 |
62,8 26.4 |
65,2 20.8 |
46,8 28.2 |
|
| SiO2 Al2O3 |
||||
| 9 | Kern 7 | 22 54 118 | 10 | Kern 8 | Mantel | |
| 4,7 | 2,8 | - | ||||
| Fortsetzung | - | 1,2 | 13,2 | |||
| - | Mantel | 4,8 | - | |||
| Li2O | 5,1 | 4,7 | 3,3 | 11,4 | ||
| MgO | - | - | 1,4 | - | ||
| ZnO | 1,0 | - | 0,5 | 0,4 | ||
| TiO2 | 1,0 | 5,1 | - | - | ||
| ZrO2 | j3-Spodumen | - | jS-Spodumen | Cordierit | ||
| As2O5 | Rutil | 1,0 | jß-Quarz | Rutil | ||
| F | Mullit | - | α-Quarz | |||
| Kristallphasen | Topas | jß-Spodumen | Spinel | |||
| Rutil | Rutil | |||||
| Mullit | Zirkoniumoxid | |||||
| 20 | 18 | 20 | ||||
| 8000C 4 Std. | 8000C 2 Std. | HOO0C 2 Std. | ||||
| Wärmedehnung | 1,4% | 12,0% | ||||
| (x 1(T7/DC) | 13 | |||||
| Wärmebehandlung | 3500 | 110O0C 4 Std. | 2o00 | |||
| % Verdichtungsdifferenz | ||||||
| Geschätzte Festigkeit in | ||||||
| kg/cm2 | ||||||
Im Beispiel 7 beruht die Verfestigung hauptsächlich auf einer sehr dichten Topasphase im Kernmaterial;
eine geringe weitere Festigkeitsverbesserung kommt infolge der unterschiedlichen Wärmedehnung zustande.
Im Beispiel 8 spielt die Manteldehung für die Verdichtungsdifferenz eine erhebliche Rolle. Die Kernkontraktion
erzeugt hier eine Verdichtung von etwa 7,4%, und die Mantelexpansion infolge Cordieritbildung
eine negative Verdichtung (Expansion) von —4,7%. Die Verdichtungsdifferenz von ca. 12% erzeugt eine starke
Verfestigung.
Außer der Beibehaltung der Verfestigung bei hoher Temperatur wird auch die physikalische Beständigkeit
besser als bei chemischer Verfestigung. Die Mantelschicht kann so dick wie zur Widerstandsfähigkeit
gegen Abrieb erforderlich ausgebildet werden. Eine genaue maximale Manteldicke ist nicht festzustellen; in
der Regel sollte das Verhältnis der Querschnittsfläche des Mantels zu der des Kerns kleiner als etwa 1 :5 sein
und im Normalfall ca. 1 :10 bis 1 :30 betragen. Zur guten Abriebfestigkeit soll die Manteldicke mehr als
0,05 mm, vorzugsweise wenigstens 0,12 mm betragen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Verfestigte Glaskeramik mit einem glaskeramischen Kern und einer an diesen geschmolzenen und
ihn umhüllenden druckgespannten Mantelschicht aus Glas oder Glaskeramik, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern aus einer durch Wärmebehandlung eines thermisch kristallisierbaren
Glases der Dichte Du vor und der Dichte Du
>° nach der in-situ-Kristaüisiening entstandenen Glaskeramik
und die druckgespannte Mantelschicht aus einem Glas oder einem thermisch kristallisierten
Glas (Glaskeramik) der Dichte Dm, vor und der
Dichte Dax nach der Wärmebehandlung besteht,
wobei der Wert des Ausdrucks
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