DE2300014A1 - Ophthalmisches glas grosser festigkeit - Google Patents
Ophthalmisches glas grosser festigkeitInfo
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Description
Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, N. Y., USA
Corning, N. Y., USA
Ophthaimisches Glas grosser Festigkeit
Die Erfindung betrifft chemisch verfestigtes, ophthaimisches
Glas mit hoher Aufschlagfestigkeit auch nach Abrieb und einem
die Gefährdung oder Verletzung des Auges weitgehend ausschliessenden Bruchverhalten.
Augengläser haben entweder nur einen Brennpunkt (Einfachlinsen) oder mehrere Brennpunkte (Doppel- oder Mehrfachlinsen).
Einfachlinsen werden aus Glaskrone in Form einer Scheibe durch Schleifen und Polieren hergestellt. Mehrfachlinsen sind entweder
einstückig mit verschiedenen Krümmungsradien oder bestehen aus aneinandergeschmolzenen Linsen, z. B. einer Scheibe
und einem in diese eingeschmolzenen sogenannten Knopf aus Flintglas mit hohem Brechungsindex.
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Der für Glaskrone wichtige Brechungsindex liegt meist zwischen
1,515 - 1>53O und beträgt fü z. Z. verwendete Augengläser
1,523.
Wichtig für ophthalmische Gläser sind auch eine gute chemische
Beständigkeit und niedrige Liquidus- und Erweichungstemperaturen im Bereich von 720 - 760°.
Zur Verwendung in Doppel- oder Mehrfabhlinsen soll die Glaskrone
ferner einen Wärmedehnungskoeffizient im Bereich von 0 300°
von 92-95 x 10~7/°0 aufweisen.
Die bisher üblichen Natrium-Kalkgläser enthalten 55-75% SiO2,
15-20% Na2O + K2O und 8-15% Kalk (GaO), sowie bis zu 2% Al3O5
und die üblichen Läuterungs- und Färbemittel, aber auch Gläser der Systeme R2O-ZnO-TiO2-SiO2 wurden anstelle dieser oder der
für Schweissbrillen verwendeten Bleigläser vorgeschlagen, siehe die USA Patente 2,913,34-5 und 3,14-8,073. Zur besseren Farbsteuerung
dient auch ein ZnO Gehalt in EpO-ZnO-SiOp Gläsern,
vgl. die USA Patente 2,688,561 und 3,094-,423.
Ungünstig und bisweilen gefährlich ist der Bruch von Augengläsern.
Für Schweissbrillen verwendet man daher dickeres Glas. Versucht wurde auch die Verfestigung durch Tempern an
der Luft, das aber bei dünnen Gläsern sehr schwer durchführ-
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bar ist, besonders bei den üblichen Stärken von nur 2 - 3 mm
und ausserdem die Oberfläche und der Krümmungsradius verzerrt.
Die chemische Verfestigung durch Ionenaustausch galt bisher als brauchbar nur bei einem wenigstens 5% AIpO^, oder ZrOp enthaltenden
Glas (s. die britischen Patentschriften 966,732 und 966,733) während die verhältnismässig flache, druckgespannte
Schicht und der Verfestigungseffekt in anderen- Gläsern, insbesondere auch Natrium-Kalkgläsern, schon nach geringem Abrieb
verloren geht. Aluminium-oder Zirkonoxid enthaltende Gläser
sind so hart, dass Linsen kaum schleif- und polierbar sind, vgl. Shand, Glass Engineering Handbook, 2. Aufl., S. 42. Sie
sind härter als Natrium-Kalkgläser. Auch ist die Viskosität und die Erweichungstemperatur zum Abdichten oder Verschmelzen
zu hoch. Auch der Schmelzpunkt liegt sehr hoch. Sie werden daher als ungeeignet für Augengläser bezeichnet.
Aus Sicherheitsgründen werden die Anforderungen an die Bruchfestigkeit
schärfer (vgl. z. B. die US-Gesetzgebung, die eine Aufschlagfestigkeit gegenüber dem Aufschlag einer 5/8 Inch
Stahlkugel aus einer Höhe von 50 Inch auf die konvexe Linsenfläche
verlangt). Besonders wichtig ist die dauernde !Festigkeit auch nach Abrieb durch täglichen Gebrauch, Waschen usw.
Im Notfall soll bei doch eintretendem Bruch eine Gefährdung
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der Augen möglichst ausgeschlossen werden. Erwünscht ist daher
ein Zerbrechen nicht explosiver Art in nur wenige, grosse Stücke. Dies setzt eine genaue Beherrschung der inneren
Spannungskräfte voraus. Die Schaffung solcher Augengläser ist Aufgabe der Erfindung.
Zur Lösung wird ein chemisch verfestigtes Glas vorgeschlagen, das eine innere Zone mit einer Zugspannung von weniger als
3 kg/mm und eine wenigstens 0,1 mm tiefe, durch Ionenaustausch behandelte, druckgespannte Oberflächenzone mit einem durch die
Druckspannungen erzeugten Bruchmodul über 2450 kg/cm aufweist
und in der Zusammensetzung aus einem kalkarmen oder im wesentlichen kalkfreuen'Silikatglas besteht, im wesentlichen enthaltend
3-15% Na2O, 3-15% K2O, Na2O + K2O = 12-20%, 0-15% ZnO,
0-15% MgO, 0-5% TiO2, ZnO + MgO = 8-20%, ZnO + MgO + TiO2 =
10-20%, 1-5% Al2O3, 0-5% ZrO2, 0-2% B3O5, 0-5% andere Alkalimetalloxide
und wahlweise geringe Mengen glasfärbende Zusätze wie Fe2O5, CoO, NiO, Or2O5, MnO2, OeO2, OuO.
Vorzugsweise ist das Glas kalkfrei, denn es wurde gefunden, dass CaO den Ionenaustausch zwischen Kalium- und Natriumionen
blockiert oder hemmt. Jedoch kann ein niedriger Kalkgehalt, nämlich bis zu etwa 3% toleriert werden, um die Schmelz- und
Formbarkeit des Glases zu verbessern und die Einstellung des Brechungsindex zu erleichtern.
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Es wurde überraschenderweise gefunden, dass ein Glas der angegebenen
Zusammensetzung durch Austausch von Kaliumionen für Natriumionen bei niedriger !Temperatur so verfestigt werden
kann, dass genau steuerbare Spannungsverhältnisse entstehen, das Glas auch nach Abrieb bruchfest ist, notfalls aber weitgehend
gefährdungsfrei bricht.
Die Zugspannung in der inneren Zone des erfindungsgemässen
Glases muss zumindest aus den folgenden beiden Gründen unter einem Wert von 3 kg/mm liegen. Eine Zugspannung unter diesem
Wert verhindert die Fortpflanzung von in dem Glas etwa entstehenden kleineren Schäden oder Fehlern. (Tritt doch ein Bruch
ein, wie z.B. bei einem mittleren Aufschlag mit niedrigerer Energie, so zerfällt das Glas im Segelfall in zwei Stücke oder
wenigstens in nur wenige grosse Stücke. Bei höherer innerer Spannung bricht das Glas heftig in viele feine Stücke, die z.
B. in das Auge des Brillenträgers fliegen oder andere Verletzungen oder Schaden verursachen können.
Die durch Ionenaustausch in der Oberfläche erzeugte Druckspannungsschicht
muss so tief sein, dass die Verfestigung auch bei Abrieb der Oberfläche erhalten bleibt. Gewöhnliche Kalkgläser
können zwar bis zur vorgeschriebenen Stärke verfestigt
werden, verlieren diese Festigkeit aber schon nach bei gewöhnlichem
Gebrauch eintretendem leichten Abrieb.
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Zur Messung der gewöhnlichen Gebrauchsbeschädigung wurden mehrere hundert Linsen nach Gebrauch mikroskopisch untersucht
und die Kratztiefe auf der Oberfläche beobachtet. 99% aller Kratzer waren weniger als 4- mils = 0,1 mm tief. Die Druckspannungschicht
muss zur dauernden Verfestigung daher wenigstens 4- mils = 0,1 mm tief sein. Ferner muss die erzeugte
Druckspannung zur Erzielung der erforderlichen Aufschlagbruchfestigkeit
grosser als 35*000 psi = 24-50 kg/cm sein. Pu
einen optimalen Schutz wird ein Bruchmodul von wenigstens 60.000 psi = 4200. kg/cm bevorzugt. Die Bruchmodul werte werden
in bekannter Weise durch Biegebelastung eines auf im Abstand angeordneten Messerschneiden liegenden Glasstabs gemessen. Die
liefe der Schicht und die innere Spannung wird in ebenfalls bekannter Weise polarimetrisch gemessen.
Die Einhaltung der angegebenen Zusammensetzungsgrenzen ist Voraussetzung der erwähnten Spannungsmerkmale und der gewöhnlichen
optischen Eigenschaften ophthälmischer Linsen. Ein geeignetes
Glas muss wenigstens 3% NapO enthalten, damit die
ausreichende Ionenmenge für den Ionenaustausch und die Verfestigung
zur Verfügung stehen. Der Kaligehalt (K^O) ist notwen dig, um. den Ionenaustausch im Glas zu beschleunigen. Er muss
hierzu grosser als 3% sein· Beide dieser Oxide erhöhen den
WärEedehnungskoeffizient und erniedrigen die Erweichungstemperaturj
um beide Werte für die Verschmelzung von Linsen mit mehrfachem Brennpunkt auf geeigneter Höhe zu halten, sollte
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der Gehalt an Na2O und K2O daher jeweils 15% "und zusammen 20%
nicht; übersteigen. Zur optimalen Abdichtung und Verfestigung
werden 6-11% Na2O und 7-12% K2O bevorzugt. Die übrigen Alkalimetalloxide,
insbesondere Sb2O, Cs2O und Li2O können bis zu
5% des Gesamtgewichts betragen, werden aber meist vermieden, es sei denn zur Einstellung bestimmter Glaseigenschaften wie
der Viskosität oder der Wärmedehnung.
Wie die Erfahrung zeigt, kann Kalk (OaO) den Ionenaustausch der Kalium- und Natriumionen blockieren oder hemmen, so dass
die Druckspannungschicht sehr flach bleibt und bei an sich guter Festigkeit ohne Abrieb die Abriebfestigkeit, d. h. die
Festigkeit nach Oberflächenabrieb, gering ist. Kalk wird daher am besten entweder ganz weggelassen oder nur in geringen
Mengen belassen bzw. zugesetzt.
Vorzugsweise ist das Glas kalkfrei, denn es wurde gefunden, dass GaO den Ionenaustausch zwischen Kalium- und Natriumionen
blockiert oder hemmt. Jedoch kann ein niedriger Kalkgehalt, nämlich bis zu etwa 5% toleriert werden, um die Schmelz- und
!Formbarkeit des Glases zu verbessern und die Einstellung des Brechungsindex zu erleichtern.
Der Brechungsindex kann anstatt durch OaO auch über andere zweiwertige Metalloxide eingestellt werden. Überraschender-
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weise sind hierfür die Oxide von Zink und/oder Magnesium geeignet,
ohne die schädliche Wirkung von CaO zu erzeugen, also ohne den Ionenaustausch zu "beeinträchtigen. So können Gläser,
deren Brechungsindex mit Zink- und/oder Magnesiumoxid eingestellt wurde, im Wege des Kalium-Natrium-Ionenaustauschs in
"brauchbarer Zeitdauer "bis zu einer 0,1 mm übersteigenden Tiefe
verfestigt werden. Für einen brauchbaren Brechungsindex und einen die erforderliche Austauschtiefe und damit Druckspannung
in brauchbarer Zeitdauer erzeugenden Ionenaustausch muss das Glas wenigstens 10% ZnO + Mg + TiOp enthalten, wobei
die Summe von ZnO + MgO wenigstens 8% und wenn TiO2 fehlt,
wenigstens 10% betragen muss. Bei mehr als jeweils 15% oder
zusammen 20% MgO und ZnO wird der Brechungsindex zu hoch und
infolge der erhöhten Liquidustemperatur entstehen Entglasungsprobleme.
Wegen unerwünschter Verfärbung darf der TiO2 Gehalt
5% nicht übersteigen.
Die Oxide von Aluminium und Zirkonium beschleunigen den Ionenaustausch.
Hierfür, sowie für die chemische Beständigkeit werden daher mindestens 1% Al2O-, benötigt. Einzeln oder zusammen
sollten diese Oxide jedoch etwa 5 Gew.% nicht übersteigen, weil
sonst das Erschmelzen, Schleifen und Polieren des Glases zu schwierig wird.
309 830/1057
Weichere Gläser erhält man mit BoO,, das aber eine ungünstige
Wirkung auf die Verfestigungsfähigkeit des Glases ausübt. Sein Anteil soll daher etwa 2 Gew.% nicht überschreiten.
Geringe Mengen anderer glasbildender Oxide, Glasfärber und Läuterer können in bekannten Mengen zugesetzt werden. Den Rest
der Zusammensetzung bildet Kieselsäure.
Zur weiteren Erläuterung sei auf die folgende Tabelle hingewiesen.
Diese enthält zur Herstellung erfindungsgemässer
ophthalmiaeher Linsen besonders geeignete Zusammensetzungen in
Gewichts-% und auf Oxidbasis, sowie folgende wichtige Eigenschaften derselben:
Glaserweichungspunkt Erw. Pt. C
Glasspannungspunkt (strain point) Sp. Pt. 0O
Wärmeausdehnungskoeffizient n
von 0 - 300° Denk, χ 10"V 0
Brechungsindex Ind.
Zeitdauer d. Ionenaustauschs Zt. (in Std.)
Temperatur des Ionenaustauschs , Temp. 0O
Tiefe der Kompressionsschicht Tiefe in Mil
Zentrale Zugspannung CT (kg/mm )
Bruchmodul MOE χ 10~5 (psi)
Mindestbruchhöhe durch Abfall
einer 5/8 Inch Kugel Kugelaufprall (Inch)
- 10 309830/1057
- ίο -
23000U
ij- (T* ^ K\ OO ^ IPv
ir\ H I CM it H it IO
VD H H
C^-CMINCOCJNKNO^O^ I
VD
H I O IS H ^" I O* I
H H
CVJOJOJOOÖ^HOOO
VD H
KNCMCMCNHOOCM IO I
VD H
CJCM IC0CT>itOOOO
VD H
CM r-l " I ■ ifr it H it I Ol
VD HH
KN ι-Γ I IN H* h" it* I O* 1
VD H r-i
KN KN KN
O CMQ CMOOO CMCMO •H H S) co CM p| -H ,Q Μ CM
CQ<«iai25MlSlBai4m
- 11 -
309830/10S7
I 2 2 4 £ 6 2
Erw. Pt. 0O 746 774 742 752 739 728 766 716
Sp. Pt. 0O 513 527 506 509 " 505 503 507 496
Denk, χ 10-7/°0 95,0 93,8 92,6 95,7 93,6 92,4 94,4 91,8
Ind. 1,53 1,529 1,524 1,524 1,524 1,53 1,515 1,53
Zt. (in Std.) 16 16 16 16 16 16 16 16
Temp. 0O 420 420 460 460 460 440 460 460
<*> Tiefe in Mil 5,1 4,8 4,0 6,0 4,2 4,1 4,1 4,3
co
ca
° OT (kg/mm2) 1,8 1,3 2,35 2,6 1,9 1,8 1,7 1,8
Ξ MOExIO"3 (psi) 64 67 63 , 59 67 64 69 51
S Kugelaufprall ^ ^ ?g ^ ^ ^ _ ^
ω m
ro
O O O
23000H
Für jede Zusammensetzung der Tabelle I wurde ein Ansatz aus
den in der Praxis meist verwendeten und zugänglichen Stoffen wie Sand, Aluminiumhydrat, Alkalimetallnitrate und -sulfate,
gebranntes Magnesiumoxid, Oxide von Zink, !Titan, Antimon und Arsen bereitet, während 5 Std. bei 1450 erschmolzen und zu
platten Kuchen ausgegossen. Diese wurden auf die gewöhnliche Grö.sse optischer Rohlinge (2 mm Dicke) oder auf rechtwinklige
Belastungsstäbe (1/4- χ 0,080 χ 4 Inch oder χ 1,1/2 Inch Länge)
zugeschnitten. Die 4 Inch langen Stäbe wurden durch Auflegen auf Messerschneiden, die 1.1/2 Inch langen Stäbe polarimetrisch
geprüft.
Vor der Prüfung wurden alle Probestücke bei einer unter dem Spannungspunkt liegenden Temperatur in eine Kaliumnitratschmelze
eingetaucht und in dem Bad 16 Std. lang belassen, wobei die Natriumionen einer Oberflächenschicht des G-lases gegen
Kaliumionen aus der Schmelze ausgetauscht wurden. Bekanntlich entstehen hierdurch in der Austauschschicht Druckspannungen
und in der vom Austausch nicht betroffenen Schicht Zugspannungen.
Anschliessend an diese Verfestigung wurden die Glasproben abgekühlt,
gewaschen, getrocknet und in verschiedener Hinsicht untersucht. Die polarimetrische Untersuchung ermöglicht die
Bestimmung der Tiefe der Druckschicht und die Messung der zen-
"■ - 13 -
309830/1057
" 13 " 23000H
tralen Zugspannung im Glasinnern. Die Kompression wird als Bruchmodul, d. h. der zum Brechen des gebogenen Glasstabs
erforderlichen Kraft gemessen.
Beim Ionenaustausch muss die Temperatur der Salzschmelze unter dem Glasspannungspunkt gehalten werden, weil sonst die
Druckspannungen wieder abgebaut werden. Bevorzugt werden Austauschtemperaturen, die etwa 20 - 120° unter dem Spannungspunkt
liegen. Die Mindesttemperatur für den Austausch muss aber etwa bei 350° liegen, weil sonst der Ionenaustausch viel
zu langsam vor sich geht. Meist wird durch eine 8-24- Std. währende Behandlung, je nach der Temperatur, die gewünschte
Austauschtiefe erreicht. Längere Behandlungszexten, etwa 24 48
Std. kommen besonders bei niedrigeren Temperaturen ebenfalls in Frage, solange die zentrale Zugspannung 3 kg/mm
nicht übersteigt. Es wurde gefunden, dass beim Bruch optischer Linsen die kritische Stelle die Innenfläche der Linse nach
Einsatz in das Brillengestell ist. Wie zuvor erwähnt, entstehen beim Gebrauch auf dieser Fläche feine Kratzer bis zu
einer Tiefe von etwa 4 Mil. Zur Nachahmung der Gebrauchsabnutzung wurden 10 ecm Sand einer Korngrösse von -18+25 Tyler Mesh
aus einer Höhe von 1,80 m auf die Innenfläche einer frisch geschliffenen Linse geschüttet. Die Bruchhöhe ist in der Tabelle
I aus Kugelbruchhöhe wiedergegeben.
- 14 309830/1057
Die "blockierende Wirkung der Kalziumionen für den Ionenaustausch,
im Vergleich zu Zink- oder Magnesiumionen, ergibt, sich
aus einem Vergleich der Ergebnisse der erfindungsgemässen Behandlung
gem. Beispiel 5 m.it der gleichen Behandlung einer bekannten
ophthalmischen Linse aus gewöhnlichem Natriumkalkglas,
z. B. dem mit Glas A bezeichneten optischen Glas Code 8361 der Corning Glass Works. Für den Versuch wurden Linsen mit einer
Dicke von annähernd 3 Mil Dicke verwendet. Die Tabelle 2 enthält die Glaszusammensetzung mit den der Tabelle I entsprechenden
Eigenschaftsangaben.
309830/1057
MgO Na2O
ZnO
Sb0O,
c-
| TABELLE II | 1 | A |
| 62,1 | 67,8 | |
| 2,8 | 2,0 | |
| 2,9 | — | |
| 8,5 | 8,0 | |
| 9,5 | 9,2 | |
| 11,8 | 3,5 | |
| 0,7 | 0,5 | |
| 0,4 | 0,5 | |
| 0,2 | 0,1 | |
| 1,0 | _ | |
OaO
Erw. Pt. 0G Sp. Pt. °0 Ehk. χ 10~7/°C
Ind.
Zt. (in Std.) Temp. 0C
Tiefe in Mil GT (kg/mm2) MOH χ 10"5 (ppi)
Kugelaufprall (Inch) 8,4
| 739 | 726 | 523 |
| 505 | 500 | |
| 93,6 | 94 | |
| 1,524 | 1, | 4 |
| 16 | 16 | 7 |
| 460 | 460 | |
| 4,2 | 2, | |
| 1,9 | O, | |
| 67 | 50 | |
| 172 | ||
- 16 -
3098 30/1057
23000H
Die einander sehr ähnlichen Zusammensetzungen wurden in der
gleichen Weise behandelt, nämlich durch Eintauchen in ein Kaliumnitratbad von 460° während 16 Std. Die Tiefe des Ionenaustauschs
in dem bekannten Glas betrug weniger als die Hälfte der Austauschtiefe im Zinkglas. Der gute Bruchmodul des Kalkglases
ohne Abrieb verschlechterte sich nach Abrieb der Glasoberfläche.
Die Verschlechterung zeigt sich besonders deutlich bei den Versuchen mit der aufprallenden Kugel. Bei einer Aufprallhöhe
von 50 Inch ist das bekannte Glas nur vor Abrieb bruchfest,
während das Glas 5 auch nach Abrieb bis. zu einer !Fallhöhe von
172 Inch bruchfest war.
Ein Vergleich der Beispiele J und 5 der Tabelle I verdeutlicht
die Wirkung einer Ersetzung von ZnO durch MgO auf der Gewichtsbasis 1:1. Eine merkliche Änderung ist nicht feststellbar. Dagegen
hat ein Ungleichgewicht von Alkalimetalloxid einen erheblichen Einfluss. Dies zeigt ein Vergleich des Glases des
Beispiels I der Tabelle I mit dem Glas B der Tabelle 3 mit
niedrigem K5O Gehalt. Die folgende Tabelle 3 zeigt die Glaszusammensetzung
in Gew.% und die Eigenschaften gemäss der Tabelle I.
- 17 -
309830/1057
Na2O
| 1 | 23000U | |
| TABELIiE III | 63,6 | |
| 1,8 | B | |
| 7,4 | 65,4 | |
| 11,2 | 1,9 | |
| ii,5 | 13,4 | |
| 4,2 | 2,6 | |
| 0,3 | 11,8 | |
| 746 | 4,4 | |
| 513 | 0,5 | |
| 95,0 | 717 | |
| 1,53 | 498 | |
| 16 | 90,1 | |
| 420 | 1,533 | |
| 5,1 | 16 | |
| 1,8 | 420 | |
| 64 | 2,5 | |
| 1,5 | ||
| 68 |
Erw. Pt. 0C Sp. Pt. 0O
Dehk. χ 10~7/°G Ind.
Zt. (in Std.) Temp. 0G Tiefe in Mil
GT (kg/mm2) MOR χ 10~5 (psi)
Das Glas gemäss Beispiel 1 hat eine zweimal so grosse Tiefe
der Druckschicht wie das Glas B mit niedrigem K2O Gehalt. Ein
grösserer KpO Gehalt ist für die Beschleunigung des Ionenaustuaschs
also sehr wichtig.
- 18 -
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23000H
Die Tabelle I? vergleicht das Glas gemäss Beispie 5 mit einem
ähnlichen Glas G mit niedrigem AIpO , und BpO, Gehalt.
| SiO2 | 3 |
| Al2O | |
| MgO | |
| Na2O | |
| κ2ο | |
| ZnO | |
| TiO2 | 3 |
| STd2O | 3 |
| As2O | |
| B2Oj | Ft. 0G |
| Erw. | Pt. °G |
| Sp. : | . χ 10"7/ |
| Denk | |
| Ind. | (in Std.) |
| Zt. | . 0G |
| Temp | |
Tiefe in Mil
GT (kg/mm ) MOE χ 10~5 (psi)
| TABELLE IV | 62,1 | G |
| 2,8 | 65,5 | |
| 2,9 | 0,7 | |
| '8,5 | 2,9 | |
| 9,5 | 8,4 | |
| 11,8 | 9,4 | |
| o,7 | 11,8 | |
| 0,4 | 0,7 | |
| 0,2 | 0,4 | |
| 1,0 | 0,2 | |
| 739 | — | |
| 505 | 744 | |
| 93,6 | 500 | |
| 1,524 | 92,3 | |
| 16 | 1,519 | |
| 460 | 16 | |
| 4,2 | 460 | |
| 1,9 | 3,6 | |
| 67 | 1,9 | |
| 63 |
- 19 309830/1057
23000U
Die Austauschtiefe im Glas O ist für die Verwendung als Linse
nicht tief genug, obwohl das die Austauschtiefe verschlechternde BgO^ weggelassen wurde. Ferner fällt mit abnehmendem
AIpO,, und BoOj der Index. Auch ist das Glas 5 sehr viel wetterfester
und säurebeständiger, was auf den höheren Al-O, Gehalt
zurückzuführen ist.
Die Tabelle 5 vergleicht das Glas des Beispiels 4 der Tabelle
I mit einem ähnlichen Glas D in dem der Gesamtgehalt von ZnO + MgO + TiOp unter dem erfindungsgemäss erforderlichen Mindestwert
liegt.
SiO2
MgO Na2O
As0O 2
| TABELLE V | 4 | D |
| 63,0 | 68,8 | |
| 2,8 | 2,8 | |
| 2,9 | - | |
| 7,6 | 7,6 | |
| 11,5 | 11,5 | |
| 8,8 | 8,8 | |
| 2,9 | - | |
| 0,5 | 0,5 | |
- 20 -
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| TABELLE V | Erw. Pt. 0G | (Fortsetzung) | 4 | D |
| Sp. Pt. 0G | 752 | 732 | ||
| Denk, χ 10"7/°G | 509 | 464 | ||
| Ind. | 95,7 | 9^,3 | ||
| Zt.· (in Std.) | 1,524 | 1,505 | ||
| Temp. 0C | 16 | 16 | ||
| Tiefe in Mil | 460 | 420 | ||
| OT (kg/mm2) | 6,0 | 5,2 | ||
| MOE χ ΙΟ"5 (psi) | 2,6 | 1,4 | ||
| Im Glas D sind MgO und Ti | 59 | 45 | ||
| .Op durch SiOp ersetzt, | der Ges | |||
gehalt entspricht also 8,8, dem ZnO Gehalt. Dadurch entsteht ein merklich niedrigerer Brechungsindex und Bruchmodul. Um
diese Werte auf die erforderliche Höhe zu "bringen, muss daher entweder MgO oder TiOp zugesetzt oder der ZnO Gehalt erhöht
werden, oder beide Massnahmen zusammen vorgenommen werden.
Wie wiederholt betont, sind die bevorzugten Gläser im wesentlichen
kalkfrei, weil bei Fehlen von CaO die höchsten Festigkeitswerte
nach Abrieb und die tiefesten Kompressionsschichten erzielt werden. Offenbar blockieren Ga+ Ionen den Austausch.
Geringe Mengen, etwa bis 3% sind aber vertretbar; dies ermöglicht den Ansatz mit billigem Dolomit und verbessert
- 21 -
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23000U
u. U. die Schmelz- und Formbarkeit des Glases. Der Zusatz von OaO muss aber scharf überwacht und begrenzt werden, denn wie
die Tabelle VI zeigt ist der Einfluss auf den Ionenaustausch sehr stark.
Die Tabelle vergleicht die Abriebfestigkeit (Festigkeit nach
Abrieb) bei Ersetzen von MgO + ZnO durch OaO bei im wesentlichen gleichem Brechungsindex. Probestücke der Abmessungen der
Tabelle I wurden 16 Std. bei 480° in eine Kaliumnitratschmelze getaucht.
Zur Nachahmung von Gebrauchsschaden in der Oberfläche wurden
die Probestücke einer Abriebbehandlung unterzogen. Hierzu wurden die Stücke 30 Sek. im Kontakt mit Siliziumkarbidpapier
(150 grit) unter geringem, konstantem Anpressdruck rotiert und
anschliessend polarimetrisch untersucht.
- 22 -
309830/1057
23000H
| co | LA | CVl | KN | VD | VD | LA | H | H | 739 | H O LfN |
LA | KN CVJ LfN r-T |
32.000 | O O O H LfN |
H | |
| LfN VD |
CVl | H | ω | Ch | O | ° | KN | O | O | KN CVJ LA |
O O r-i |
O O |
KN | |||
| OO | co | CVI | KN | VD | VD | LA | H | H |
J
o- |
4" | i | H | 35. ( | 57. < | Ch | |
| M1IA | cvj | H | CO | Ch | co | O | O | CV? | ° | co | H CVI LA |
O O |
O O |
KN | ||
| CO | CVl | H | KN | VD | LfN | O | H | O LA D- |
O LfN |
KN Ch |
H | VD KN |
VD LA |
Ch | ||
| CVi | CVi | co | Ch | O | O | H | cT | H | H LA |
O O r~\ |
O O o |
KN | ||||
| ω | VD | H | KN | VD - *» |
VD | LfN | H | H IA D- |
LA O LA |
LfN Ch |
Ι-Γ | 39.( | LA | ρ-) | ||
| CVl | CVI | OO | Ch | H | o~ | O | I | cT | O | LA | O O |
O O o |
||||
| co | Ch | H | KN | VO | VD | LA | H | D- VD |
H LA |
r-T | 42.< | Ο ΙΑ |
LA | |||
| CAJ | CVI | ω | H | O | O | O | ||||||||||
CV) KN KN KN
OO O CVlO O
•H CVJQ CVlOOO CVJO CVJ
CQHODOf CVl ς) -H ,Q Bl IQ
| Ό O |
• | •Η | Leb | •H | ,a Φ |
|
| CO | fH | CQ | •Η | |||
| ι | Pt | Pi | ||||
| O | I O H |
KN I |
KN | |||
| M | O | O | O | |||
| • | H | cd | H | O | ||
| • | ||||||
| Pi CO |
O | O | ||||
23000H
Der nachteilige Einfluss von GaO auf die Abriebfestigkea/b und
die Kompressionstiefe wird aus der Tabelle deutlich. Bei y/o
OaO haben diese Werte die noch zulässige Mindesthöhe erreicht. Andererseits sind aber diese Gläser noch brauchbar.
Die besonders günstige, bevorzugte Zusammensetzung besteht aus:
| SiO2 | + K2O | 55 - 65 |
| Al2O5 | 2-3 | |
| Na2O | 6-11 | |
| K2O | MgO | 7-12 |
| Na2O | 16 - 20 | |
| ZnO | 0-15 | |
| MgO | + As2O-, | 0-15 |
| ZnO + | 13 - 17 | |
| TiO2 | 0-4- | |
| B2O3 | o - 1,5 | |
| Sb0Ox | 0 - 0,8 | |
Das Beispiel 5 der Tabelle I stellt eine optimale Kombination
für die Verwendung als ophthalmische, verfestigte Linsen dar.
- 24- -
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Claims (5)
1. Chemisch verfestigtes Augenglas, dadurch gekennzeichnet,
dass es eine innere Zone mit einer Zugspannung von weniger
als 3 kg/mm und eine wenigstens 0,1 mm tiefe, durch Ionenaustausch
behandelte, druckgespannte Oberflächenzone mit
einem die Druckspannungen erzeugten Bruchmodul über 2450 kg/cm
aufweist und in der Zusammensetzung aus einem kalkarmen oder im wesentlichen kalkfreien Silikatglas besteht, im wesentlichen
enthaltend 3-15% Na3O, 3-15% K3O, Fa3O+ K3O = 12-20%,
0-15% ZnO, 0-15% MgO, 0-5% TiO2, ZnO + MgO = 8-20%, ZnO +
MgO + TiO2 = 10-20%, 1-5% Al2O5, 0-5% ZrO51 0-2% B3O , 0-5%
andere Alkalimetalloxide und wahlweise geringe Mengen glasfärbende Zusätze wie Fe5O5, CoO, NiO, Cr2O5, MnO2, CeO2, CuO.
2. Augenglas gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
es 55-65% SiO2, 2-3% Al3O5, 6-11% Na3O, 7-12% K3O, Na3O +
K3O = 16-20%, 0-15% ZnO, 0-15% MgO, ZnO + MgO = 13-17%,
0-4% TiO2, 0-1,5% B2O5 und As2O5 + Sb3O5 = 0-0,8% enthält.
3. Augenglas gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es 62,1% SiO3, 2,8% Al3O5, 2,9% MgO, 8,5% Na3O, 9,5%
K3O, 11,9% ZnO, 0,7% Ti02* °,6% Sb3O5 + As2O5 und 1,0% B2O
enthält.
- 25 309 8 30/1057
" 25 " 23000H
4. Verfahren zum Herstellen des Augenglases gemäss Anspruch
1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,· dass eine geformte
Glaslinse der entsprechenden Zusammensetzung in eine austauschbare Hatriumionen enthaltende Salzschmelze mit einer
über 350 aber unter der Entspannungstemperatur des Glases
liegenden Temperatur eingetaucht wird, bis die gewünschte Austauschtiefe und Spannungsverteilung und -intensität erreicht
ist,
5. Verfahren gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperatur der Salzschmelze 20 - 120° unter der Entspannungstemperatur des Glases liegt.
309830/1057
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