DE2635140A1 - Brillenlinse mit hoher mechanischer festigkeit - Google Patents

Brillenlinse mit hoher mechanischer festigkeit

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Description

A M E R I . C A IJ OPTICAL CO R P O R L T I O .J Southbridge, ZJass. 01550, USA
Brillenlinse mit hoher mechanischer Festigkeit
Es v/ird eine Brillenglas-Linse: geschaffen, die dadurch hergestellt v/erden kann, daß ein Alkalimetalloxid-Silikatglas einem Ionenaustauscnverfahren ausgesetzt wird, bei dem das Glas chemisch eine Verbesserung seiner Festigkeit durch einen Austausch von Kaliumionen für Natriumioner» in der Oberflächenschicht der Linse bei einer Temperatur entweder über oder unter der unteren Kühlteinperatur des Glases erfährt. Die hergestellten Gläser sind im wesentlichen frei von Aluminiumoxid, besitzen ausreichende mechanische Festigkeit und wesentlich erhöhte Eindringtiefe der neutralen Zone selbst dann, wenn bis zu etwa 6% Calciumoxid bei der Herstellung des Glases angewandt werden. Die Wirkung des Calciumoxides als ein die Diffusion verzögerndes "iittel während des Ionenaustauschverfahrens kann dadurch überwunden werden, daß (1) eine geeignete Menge an Zinkoxid oder i'agnesiumoxid oder Gemischen derselben angeaandt werden, so daß eine ausreichende Diffusionsgeschvrindigkeit währen des Ionenaustausches aufrechterhalten wird oder (2) indem das Glas im wesentlichen frei von Aluminiumoxid hergestellt wird.
Der ERfindungsgegenstand liegt allgemein auf dem Gebiet der chemischen Ionenaustauschbehandlung eines Silikatglases zwecks Entwickeln mechanischer Festigkeit vermittels unter Druckspannung setzen einer Oberflächenschicht des Glases. Es werden Kaliumionen in diese Oberflächenschicht im Austausch für Natriumionen eingeführt.
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ORIGINAL iNÖPECTBD
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Es ist bekannt, einen Natriumionen enthaltenden Glasgcgenstancl Lezäglich seiner mechanischen Festigkeit dadurch zu verbessern, daß derselbe nvit einem Alkaliraetallionen enthaltenden geschmolzenen Salz in Berührung gebracht wird, wobei diese Alkalimotallionen einen größeren Durchmesser als die Natriumionen in dem Glas aufweisen. Dort wo Natriumionen gegen Kaiiumionen ausgetauscht v/erden, entwickelt sich in der Oberflüche des Glasgegenstandes eine Druckspannung, v/ie es in dem Journal of the American Ceramic Society Band 45, Wr. 2 (Februar 1962) Seiten 59-68"beschrieben ist. Bei den in dieser Veröffentlichung beschriebenen Verfahren wird der Ionenaustausch bei einer Temperatur unter der unteren Kühltemperatur des Glases durchgeführt, wodurch eine molekulare Umordnung und viskoser Fluß wahrend des Ionenaustausches der in die Glasoberflächen hineinwandernden einwertigen üetallionen'inhibiert wird. Die größeren aus dem geschmolzenen Salz stammenden Ionen v/erden praktisch in diejenigen Stellen hineingequetscht, die ursprünglich durch die kleineren Alkalimetallionen eingenommen wurden. Die durch diesen Überfüllungseffekt bedingte Druckspannung führt zu einer wesentlichen' Verbesserung der Schlagfestigkeit des Glases.
In einer Veröffentlichung mit dem Titel "'Strenghtening by Ion Exchange" in dem Journal of the American Ceramic Society, Band 47, Jr. 5, Mai 1964, Seiten 215-219 werden Gläser beschrieben, die erhebliche i-Iengen an Aluminiumoxid oder Sirkonoxid enthalten. Bezüglich dieser Gläser wurde ausgeführt, daß man denselben in einzigartiger Weise erhöhte mechanische Festigkeit vermittels eines Ionenaustauschverfahrens vermitteln kann, das unter der unteren Kühltemperatur des Glases zur Ausführung kommt. Derartige Gläser behalten auch nach einem Abrieb zwecks L-Tachahmen einer üblichen Benutzung noch eine sehr hohe mechanische Festigkeit bei.
Die Ionenaustauschbehandlung von Alklaimetall-Silikatgläsern ist bei Temperaturen sowohl oberhalb der unteren Kühltemperatur des Glases als auch unterhalb der unteren Kühltemperatur des Glases durchgeführt worden. Bei diesem Verfahren ersetzt das
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kleinere Lithiumion die größeren Hatrium- und/oder Kai iuTt ionen im Gegensatz su'dem v;eiter oben beschriebenen Verfahren, .wo ein größeres Ion(Kalium) ein kleineres Ion (Natrium) unterhalb der unteren Kühl temperatur des Glases ersetzt. Wach einein Verfahren zur Chornischen Vermittlung erhöhter mechanischer Festigkeit nach der US-PS 2 779 136 wird ein austauschbare Kalium- oder iiatriumionen enthaltendes Silikaglas bei einer Temperatur über der unteren Kühltemperatur'mit einer Lithiumionen'juelle behandelt, z.3. unter Anv/enden geschmolzenen Lithiumsalzes. Uie Lithiumionen wandern in das Glas unter Austausch der Kalium- oder jgatriumionen, die nach außen in das Lithiumsalz wandern. Während ojes Austauschverfalirens tritt in dein Glas eine molekulare Umordnung ein, da der Austausch bei einer Temperatur über der unteren Kuh-1-temperatur des Glases erfolgt. Die kleineren Lithiuraionen bildan ■ eine neue Oberflächenschicht auf dem Glas, das einen-niedrige- --_ ren Ausdehnungskoeffizienten als das ursprüngliche Glas besitzt. Bei Abkühlen des Gegenstander, werden durch die "differenzielle · " Viärmeausdehnung Druckspannungen aufgebaut.
In der US-PS (US Patentanmeldung Scr. ιίο. 390 742) wird ein Verfahren zur Behandlung eines Alkalimetallsilikat-Erillenglases vermittels eines Ionenaustauschverfahrens beschrieben, bei de,n ein geschmolzenes Bad aus Kaliumnitrat Lei einer Temperatur von 405-515°C angewandt v/ird. Diese letztere Temperatur liegt über der unteren Kühltemperatur dieses Brillenglases, jedoch erheblich unter dem Erweichungspunkt des Glases. Das Verfahren hat den Vorteil, daß hierdurch eine kürzere Ionenaustauschiieitspanne ermöglicht wird.
Die vermittels IJochte.aperatur- und Niedrigtemperatur-Ionenaustauschvcrfahren erhaltenen Vergleiclisergebnisse zeigen, daß das Niedrigtemi-eratur-Ionenaustauschverfahren, d.h. dasjenige, das bei einer Temperatur unter der unteren Kihltemperatür des Glases zur Durchführung kommt, in einem Glas resultiert, das eine unter Druckspannung stehende Oberflächenschicht aufweist,
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die normalerweise relativ flach ist, und daß man zur Erzielung eines tieferen Eindringens längere BehancLlungszeiten benötigt. Bei dem Hochteniperatur-Tonenaustauschverfahren, d.h. das Verfahren, bei dem die Temperatur über der unteren Kühltemperatur des Glases angewandt wird, erhält man eine unter Druckspannung stehende Schicht, die normalerweise relativ tief im Vergleich zu den unter Druckspannung stehenden Schichten ist, die vermittels des Niedrigtemperatur-Ionenaustauschverfahrens erhalten werden. Wahrscheinlich aufgrund des Eintretens molekularer ümordnungen werden in der unter Druckspannung stehenden Schicht des Glases geringere Druckspannungen bei diesem Verfahren aufgebaut.
Damit eine in ihren mechanischen Festigkeitswerten verbesserte Brillenlinse als zufriedenstellend angesprochen werden kann, muß dieselbe nicht nur einem Zerbrechen aurch Schlageinwirkung kurz nach der Herstellung derselben widerstehen, sondern muß auch aus praktischen Überlegungen heraus Schlagfestigkeit aufweisen, nachdem die Linsenoberflächen abgerieben worden sind, wie dies durch die Handhabung und Säuberung sowohl des Herstellers als auch des Benutzers eintritt. Es wurde gefunden, daß die liefe des Eindringens wenigstens von gleicher Wichtigkeit im Vergleich zu der angestrebten Verbesserung der Druckspannung ist.
In der US-PS 3 790 260 findet sich die Erkenntnis, daß die Lindringtiefe der unter Druckspannung stehenden Oberflächenshicht (neutrale Sonentiefe) von Wichtigkeit ist, um so eine zufriedenstellende brillenlinse zu erhalten, die selbst nach einem Abrieb bedingt durch die normale Benutzung einem Linsenbruch widersteht. Die in der US-PS 3 790 260 beschriebene Brillenlinse hoher mechanischer Festigkeit wird dadurch erhalten, daß der Calicumoxidgehalt in der dem Ionenaustausch unterworfenen Glasmasse begrenzt wird, da gefunden wurde, daß dasCalciumoxid in dem Glas eine nachteilige Wirkung auf die mechanische Festigkeit nach Abrieb ausübt, sowie zu einer Verringerung der Tiefe der unter Druckspannung stehenden Oberflächenschicht führt. Diese Patentschrift lehrt somit das Anwenden von lediglich sehr geringen .'!engen an Calciumoxidbis zu etv/a 3%, ohne daß es zu einer Aufhebung der angestrebten mechanischen Festigkeit der Lin-
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tr
se kommt.
In typischer Weise hat die Brillenglasindustrie Gläser auf der Grundlage von ITatriumoxid-Caliciumoxid-Siliziumdioxid für das Herstellen von Brillenlinsen angewandt, wobei 8 bis 15% Calciumoxid vorliegen. Das Glas der Calciumoxidtype ist allgemein bevorzugt worden, da dasselbe eine gute chemische Dauerhaftigkeit besitzt, Rohmaterialien hohen Reinheitsgrades leicht bei relativ niedrigen Kosten zugänglich sind und da das Calciumoxid für ein gutes Niederschmelzen, sowie die Verformungs- und Verarbeitungseigenschaften des Glases erforderlich ist.
Die Erfindung betrifft ein Glas der Natriuraoxid-Siliziumdioxid Type oder der Natriumoxid-Calciumoxid-Siliziumdioxid-Type, und dasselbe ist insbesondere für das Herstellen von Brillenglaslinsen nit verbesserter Festigkeit vermittels eines chemischen Ionenaustauschverfahrens geeignet, wobei z.B. ein Bad aus Kaliumnitrat bei einer Temperatur entweder über oder unter der unteren Kühltemperatur angewandt wird. Die Zusammensetzung ist recht ähnlich den herkömmlichen Zusammensetzungen für Brillengläser, wobei in der einschlägigen Industrie Natriumoxid-Calciuinoxid-Siliziumdioxidgläseröfür das Herstellen von Brillenlinsenrohlingen angewandt worden sind mit der Ausnahme, daß die Zusammensetzung so gewählt wird, daß diselbe sich insbesondere für eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit durch Ionenaustausch eignet, und zwar indem (1) eine geeignete Menge an Magnesiumoxid oderZinkoxid oder Gemischen derselben angewandt werden unter Austausch für einen Anteil der üblichen Menge an Calciumoxid ausreichend dergestalt, daß sich ein Ausgleich für den durch das Calciumoxid bei dem Ionenaustauschverfahren bedingten Effekt der Geschwindigkeitsverringerung ergibt oder indem (2) ein Glas hergestellt wird, das im wesentlichen frei von Aluminiumoxid ist. Durch den praktischen Ausschluß von Aluminiumoxid oder durch das Anwenden einer ausreichenden Menge an Magnesiumoxid oder Zinkoxid oder Gemischen derselben in dem Glas wird die Diffusion der Kaliumionen in die Oberfläche des Glases erhöht, ohne daß sich
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eine nachteilige Beeinflussung der angestrebten Eigenschaften ergibt. Dies ergibt eine Kompensation bezüglich der unzweckmäßigen Geschwindigkeitsverzögerung, die dort beobachtet wird, wo das Calciumoxid in der Masse in einer erheblichen Menge vorliegt. Weiterhin weist die Masse ebenfalls einen erheblichen Anteil an Kaliumoxid auf, wodurch sich eine Vergrößerung der Dicke der unter Druckspannung stehenden Schicht ergibt.
Eine in ihren mechanischen Festigkeitseigenschaften verbesserte Brillenlinse muß nicht nur einem Zerbrechen durch Schlageinwirkung unmittelbar nach ihrer Herstellung widerstehen, sondern aus praktischen Überlegungen heraus auch einem Bruch widerstehen, nachdem die Linsenoberflächen einen Abrieb erfahren haben, wie dies durch die Handhabung und die Säuberung durch den Benutzer eintritt. Die Entwicklung eier geeigneten und durch chemische Einwirkung in ihren mechanischen Festigkeitseigenschaften verbesserte Brillenlinse ist durch einschlägige Gesetzgebung beschleunigt worden, dier es erforderlich macht, daß derartige Brillenlinsen ein Minimum an Schlagfestigkeit aufweisen. So ist es insbesondere erforderlich, daß die Linsen der Schlageinwirkung widerstehen, die sich dadurch ergibt, daß eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von 16 mm über eine Strecke von 1,26 cm auf die konvexe Oberfläche der Glaslinse fallengelassen wird.
Es wurde nun gefunden, daß eine geeignete in ihren mechanischen Festigkeitseigenschaften verbesserte Brillenglaslinse, die in reproduzierbarer Weise dem oben angegebenen Test entspricht, dadurch ausgezeichnet ist, daß dieselbe eine unter Druckspannung stehende Oberflächenschicht aufweist, die eine Tiefe von wenigstens etwa 60 Mikron besitzt, wobei die Oberflächenschicht ausreichend unter Druckspannung dergestalt steht, daß sich ein Bruchmodul von wenigstens 1050 kg/cm ergibt. Die entsprechende Zerreißspannung, die notwendigerweise in der mittleren Linsenzone im Inneren der unter Druckspannung stehenden Oberflächen-
2 schichten erzeugt wird, sollte unter 3 kg/mm gehalten werden.
Es wurde gefunden, daß eine für die Erzielung derartiger Charakteristika durch ein chemisches Ionenaustauschverfahren entweder
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über oder unter der untren Kühltemperatur des Glases geeignete Glaszusammensetzung ein Silikatglas ist, das Siliziumdioxid und die folgenden Bestandteile auf der Gewichtsgrundlage enthc.lt: etwa 3 bis etwa 11% Natriumoxid, etwa 7 bis etwa 15% Kaliumoxid, etwa 3 bis etwa 6% Calciumoxid, etwa 3 bis etwa 11 % Zinkoxid oder Hagnesiumoxid oder Gemische derselben und etwa 0,2 - 0,5% Aluminiumoxid oder Sirkonoxid. Su wahlweisen Bestandteilen gehören bis zu 5% Titanoxid, bis zu 2 % Boroxid und bis zu 5% v/eitere Alkalimetalloxide. Bei der Herstellung des Glases werden üblicherweise bis zu 2% Läuterungsmittel, bestehend aus ^ntimonoxid, Ceroxid oder Arsenoxid angewandt.
Es wurde gefunden, daß die weiter oben angegebenen verschiedenen Grenzwerte der Bestandteile sorgfältig beobachtet v/erden müssen, um ein Glas zu erhalten, das in der Lage ist ihm die verschiedenen weiter oben angegebenen Spannungscharakfleristxka sowie die herkömmlichen optischen Charakteristika einer Brillenlinse zu vermitteln. So wurde z.B. gefunden, daß derartige Brillengläser wenigstens 7% Kaliumoxid enthalten müssen, um eine ausreichende Tiefe der unter Druckspannung stehenden Schicht zu erzielen, so daß die Linse ihre mechanischen Festigkeitscharakteristika nach einer abreibenden Beschädigung der Glasoberflüche unter den üblichen Benutzungsbedingungen beibehält.
Calciumoxid führt zu einem guten Niederschmelzen sowie Verformungs- und Verarbeitungseigenschaften, dasselbe neigt jedoch dazu die Diffusionsgeschwindigkeit während des Ionenaustauschverfahrens zu verzögern, bei dem die Kaliumionen gegen die Natriumionen ausgetauscht werden und somit muß eine ienge von etwa 3 bis etwa 6^ angewandtem Calciumoxid durch eine !'enge von etwa 3 bis etwa 11% Zinkoxid oder Magnesiumoxid oder Gemischen derselben ausgeglichen v/erden, damit die Diffusiongeschwindigkeit und die während des Ionenaustauschverfahrens erzielte Eindringtiefe bei einem geeigneten Wert gehalten werden könaan. Die erfindungsgomäßen Gläser beruhen auf der Feststellung, daß Zinkoxid und/oder /lagnesiumoxid oder Gemische derselben für den
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Zweck eines Ausgleichs der nachteiligen Wirkung des Calciumoxides auf die Diffusionsgeschwindigkeit und die Eindringtiefe während der lonenaustauschbehandlung des Glases angewandt werden können. Calciumoxid, Zinkoxid und Magnesiumoxid werden ebenfalls in herkömmlicher Weise für die Verbesserung der chemischen Stabilität von Brillenglas angewandt.
Wenn es auch bekannt ist nach dem Stand der Technik, daß die Widerstandsfähigkeit gegenüber Bewitterung und Säureangriff eines Glases wesentlich dadurch verbessert werden kann, daß in der Glasmenge eine ..erfeebliche Menge an Aluminiumoxid angewandt wird, sowie das Anwenden von 5 bis 25% Aluminiumoxid zu einer Verbesserung der durch Ionenaustausch bedingten verbesserten mechanischen Festigkeit führte wurde nun gefunden r daß in ihrer mechanischen Festigkeit wesentlich verbesserte Brillenlinsen dadurch hergestellt werden können, daß lediglich 0,2% Aluminiumoxid angewandt werden. Allgemein führen etwa 0,2 bis etwa 0,5% Aluminiumoxid oder Zirkonoxid in den erfindungsgemäßen Hassen zu Glasmassen, die eine verbesserte Eindringtiefe der lonenaustauschschicht zeigen.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform können herkömmliche Mengen von etwa 1 bis etwa 5% Aluminiumoxid oder Zirkonoxid in den erfindungsgemäßen Brillenglasmassen vorliegen. Derartige Glasmassen zeigen während des Ionenaustauschverfahrens eine verringerte Diffusionsgeschwindigkeit und somit wesentlich geringeres Eindringen der Ionenaustauschflache. Trotzdem können geeignete Brillenglasmassen hergestellt werden, die auf der Gewichtsgrndlage bis zu 6% und vorzugsweise etwa 3 bis etwa 6% Calciumoxid enthalten. Es können geeignete, in ihrer mechanischen Festigkeit verbesserte Brillenglaslinsen dadurch hergestellt werden, daß eine sorgfältige Steuerung des Alkalimetalloxidgehaltes erfolgt, insbesondere des Verhältnisses von Natriumoxid zu Kaliumoxid. Es wurde gefunden, daß zur Erzielung einer optimalen mechanischen Festigkeit und Tiefe der unter Druckspannung stehenden lonenaustauschschicht (1) der Anteil an Kaliumoxid größer als der Anteil an Natriumoxid sein sollte, sowie (2) der Anteil
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an Zinkoxid oder Magnesiumoxid oder Gemischen derselben sollte proportional gegenüber dem Anteil des vorliegenden Calicumoxides erhöht werden, um so eine Kompensation für die die Diffusionsgeschwindigkeit verzögernde und die Eindringtiefe verringernde Neigung des Calciumoxides zu bewirken.
Wenn es auch nach dem Stand der Technik bekannt ist, ein bezüglich der mechanischen Festigkeitseigenschaften verbessertes
Brillenglas dadurch herzustelen, daß der Calciumoxidgehalt bei einem geringsten Wert von bis zu 3% gehalten wird, ist es doch zweckmäßig 2/lengen von etwa 3 bis etwa 6% Calciumoxid in dati Glas anzuwenden, um so die allgemein bekannten Vorteile eines guten ISfiederschmelzens sowie der Verformungs- und Verarbeitungseigenschaften zu erzielen.
Es ist bekannt, daß ein nicht ausreichender Gehalt an Siliziumdioxid zu einer leichten Entglasdung führt und die Verformung
der Brillenglaslinse schwierig gestaltet. Andererseits ergibt
sich bei einem zu hohen Gehalt an Siliziumdioxid, daß das Glas hart und das Niederschmelzen sowie Verformen des Glases schwierig wird. Somit sollte der Gehalt an Siliziumdioxid möglichst hoch sein und sich zweckmäßigerweise auf etwa 60 bis etwa7o% belaufen.
Es ist zweckmäßig, daß wenigstens 7% Kaliumoxid in den erfindungsgemäßen Brillenglasmassen vorliegen, jedoch ist ein Überschuß an Kaliumoxid unzweckmäßig, da sich hierdurch eine Erhöhung der Glasviskosität erigibt. Somit sollten nicht mehr als 15%
Kaliumoxid in den erfindungsgemäßen Massen angewandt v/erden.
Das in den erfindungsgemäßen Glasmassen vorliegende Natriumoxid ist die Quelle der vermittels Ionenaustausch gegen Kaliumionen ausgetauschten Natriumionen. Dort v/o der Natriumoxidgehalt des erfindungsgemäßen Glases über etwa 11 Gew.% liegt, ergibt sich eine Verringerung der Glasviskosität und eine Erniedrigung der unteren Kühltemperatur. Bei Vorliegen von weniger als etwa 3%
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Natriumoxidgehalt erleiden die erfindungsgemäßen Brillenglasmassen eine Verschlechterung ihrer Niederschmelz- und Verformungseigenschaften aufgrund einer Viskositätserhöhung des Glases. Weiterhin zeigt die Linse eine Neigung zu entglasen.
Das Anwenden erheblicher Anteile von zweiwertigen Metalloxiden, v/ie Calciumoxid, Zinkoxid und Magnesiumoxid bedingt eine Verbesserung der Niederschmelzeigenschaften des Glases, wie es durch eine verringerte Viskositätskurve angezeigt wird. Das Glas wird hierdurch geeigneter für die Ausformung der Brillenlinsen gemacht. Der Calciumoxidgehalt sollte möglihst hoch sein zwecks Verringern der Kosten, ohne daß jedoch eine Einbuße an Qualität eintritt. Erf indungsgeiaäß können größtmögliche Mengen an Calciumoxid in dem Glas vorliegen. Das Anwenden von Boroxid, das üblicherweise für die Verringerung des Schmelzbereiches der Brillenglaslinsen herangezogen wird, braucht somit für diesen Zweck nicht benutzt zu werden . Die bekannte nachteilige Wirkung des in der Glasmasse enthaltenen Boroxides bei der sich anschließenden Verbesserung der mechanischen Festigkeit durch Ionenaustausch wird somit vermieden.
Bei der Durchführung der IOnenaustauschbehandlung v/erden die Linsen nach deren Ausbildung in geeigneter Weise geschliffen, poliert und die Kanten derselben behandelt und anschließend der Ionenaustauschbehandlung dadurch unterworfen, daß ein Eintauchen in ein geschmolzenes Salzbad erfolgt, das Kaliumionen enthält, die im wesentlichen durch Kaliumnitrat, Kaliumsulfat oder ein Gemisch derselben geliefert werden. Das Salzbad wird bei einer erhöhten Temperatur entweder über oder unter der unteren Kühltemperatur gehalten. Dort wo die IOnenaustauschbehandlung bei einer Temperatur unter der unteren Kühltemperatur durchgeführt wird zwecks Vermeiden eines Aufhebens der erzeugten Druckspannungen wird die IOnenaustauschbehandlung allgemein bei einer Temperatur von etwa 20 bis etwa 120°C unter der unteren Kühltemperatur des Glases ausgeführt. Die Temperatur, bei der der ionenaustausch zur Durchführung kommt, liegt jedoch vorzugsweise bei wenigstens etwa 350 C. Es wurde festgestellt, daß die Dicke der lonenaustauschschicht angenähert proportional zu der Quadratwurzel der Behandlungszeit
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Vermittels Durchführen der lonenaustauschbehandlung bei einer Temperatur unter der unteren Kühltemperatur des Glases wird die unter Druckspannung liegende Oberflächenschicht mit einer Dicke
von etwa 60 bis etwa 140 Mikron erhalten, und die erzielte
2 Druckspannung beäuft sich auf etwa 1400 bis etwa 3500 kg/cm . Die bei einer Temperatur über der unteren Kühltemperatur des Glases durchgeführte lonenaustauschbehandlung bedingt eine erhöhte Eindringtiefe und eine entsprechend verringerte Druckspannung. Entsprechende Werte sind eine Dicke der unter der Druckspannung stehenden Oberflächenschicht von etwa 70 bis etwa 170 Mikron und
eine Druckspannung von etwa 980 bis etwa 3150 kg/cm . Die Verbesserung der mechanischen Festigkeit ist direkt proportional dem Druckspannungswert bei der Tiefe der Fehlstellen in dem Glas. Die Dicke der Druckspannungsschicht muß somit tiefer als die Fehlstellen in dem Glas sein, um ein Glas mit verbesserter mechanischer Festigkeit zu ergeben.
Die erfindungsgemäße lonenaustauschbehandlung des Glases kann bei einer Temperatur entweder über oder unter der unteren Kühltemperatur des Glases durchgeführt werden. Bei Behandlungstemperaturen von etwa 454 bis etwa 510 C, die erheblich unter dem Erweichungspunkt der erfindungsgemäßen Glasmassen liegt, wird eine geeignete Verbesserung der mechanischen Festigkeit erzielt.
Der hier in Anwendung kommende Ausdruck "Alkalimetallsilikat" ist im herkömmlichen Sinne zu verstehen und gibt eine Glasmasse wieder, bei der Siliziumdioxid das einzige oder wesentliche Glasbildungsoxid ist, und ein oder mehrere Alklaimetalloxide stellen die wesentlichen Glasmodifizierungsmittel dar. Normalerweise liegt wenigstens ein weiteres zweiwertiges Metalloxid vor, das das Glas modifiziert.
Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend anhand einer Reihe Ausführungsbeispiele erläutert. Die hier offenbarten Gläser werden unter Anwenden herkömmlicher Glasherstellungsverfahren in Platintiegeln hergestellt. Die Rohmaterialien bestehen aus hochreinem Siliziumdioxid, Aluminiumhydroxid, Magnesiumoxid, Nitraten und Carbonaten des Natriums und Kaliums, Zinkoxid usw., die vor dem
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Niederschmelzen gründlich vermischt werden. Es wird ein Platintiegel nit einem Fassungsvermögen von 2,5 1 angewandt. Derselbe xtfird in einem elektrischen Ofen auf 1425°C vorerhitzt. Der Ansatz wird in den Tiegel in Anteilen von 400 bis 500 g überführt. Nachdem der Tiegel ausreichend gefüllt, wird die Temperatur 3 Stunden lang auf 1480 C gebracht. Die Schmelze wird 16 Stunden bei 137O°C gehalten und sodann 6 Stunden bei 134O°C gerührt. Anschließend wird bei dieser Temperatur in eine Scheibe gegossen. Das Glas wird sodann in einen Temperofen überführt und vermittels Halten des Glases in dem Tetnperungsbereich von etv/a 565 C etwa
I Stunde lang getempert. Anschließend wird das Glas mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 C pro Stunde abgekühlt bis Raumtemperatur erreicht ist.
Die photoelastische Analyse der Proben wird ausgeführt unter Anwenden eines Polarisationsmikroskops mit einem Quarzkeilkompensator für das Durchführen der Spannungsmessungen. Die Tiefe der Druckspannungsschicht wird mit einem Polarisationsmikroskop gemessen unfler Anwenden der Freidel-Arbeitsweise mit einem Filarokular. Die nachfolgenden Beispiele geben Vergleiche der mechanischen Festigkeit der erfindungsgemäßen Glasmassen mit den Festigkeitseigenschaften einer herkömmlichen Brillenkronglasmasse, die in ähnlicher Weise einem Ionenaustausch unterworfen worden ist. Die Beispiele zeigen deutlich, daß die erfindungsgemäßen Massen zu Glasmassen führen, die entweder verbesserte Druckfestigkeitseigenschaften oder Tiefe der unter Druckspannung stehenden Schicht (Neutralzone) aufweisen.
Beispiele 1-11
Die in der Tabelle I wiedergegebenen Glasproben werden gemäß der oben angegebenen-Verfahrensweise hergestellt. Anschließend v/erden aus der erhaltenen Glasscheibe Stangen geschnitten und wie oben angegebenen, bei Temperaturen von entweder 510 C oder 454 C, die über bzw. unter der unteren Kühltemperatur eines herkömmlichen Brillenglases, siehe das Beispiel 11 (Kontrolle), liegen, einem Ionenaustausch unterworfen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen
II und III wiedergegeben.
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Tabelle I Glaszusammensetzung für den Ionenaustausch
Bei. 1 Bei.2 Bei.3 Bei.4 Bei.5 Bei.6 Bei.7 Bei.3 Bei. 9 Bei.10 Bei.11 (Kontrolle)
SiO2 65.00 65.00 65.00 63.35 62.70 69.80 69.30 69.50 69.50 69.50 68.00
Al2O3 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 0.20 0.20 0.50 0.50 0.50 1.90
CaO 3.00 4.00 5.00 3.10 3.30 3.50 4.50 3.50 4.50 - 8.50
MgO 2.00 2.00 2.00 3.25 3.25 - -
ZnO 3.00 7.00 6.00 7.65 7.60 8.00 7.00 8.00 7.00 11.50 3.00
■^3 Na2O 8.50 8.50 8.50 7.00 8.45 7.00 7.00 7.00 7.00 7.00 3.20
K2O 8.50 3.50 8.50 I0.8O 9.50 11.00 11.00 11.00 11.00 11.00 8.90
B~0_ 1.00 1.00 1.00 1.10 1.10 - - '
TiO2 0.70 0.70 0.7D 0.75 1.10 - - 0.50 ω
Il As2°3 °·40 °*40 °·40 °·25 °·25 °·25 °·25 °·25 °·25 °*25 °·50 '
"*° Sb0O- 0.40 0.40 0.40 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.50
* JL j
Tabelle II Physikalische Eigenschaften des Glases für den Ionentausch
Brechungs- 1,522 1,523 1,524 1,523 1,524 1,512 1,515 1,512 1,514 1,508 1,523 index
Kühltemp.
unt. C 504 502 503 517 511 434 488 488 487 476 Erweich.
punkt 0C 737 736 729 750 726 731 729 732 733 744 731 ^0
Ausdehn. CD
koeffizeint
C χ 10© 6 9,4 9,4 9,9 9,4 9,9 9,3 9,8 9,3 9,0 8,8 10,3 cn
CD, CO O
to
Tabelle III
mechanische Festigkeit der Glasmassen nach dem Ionenaustausch
Ionenaustauschober f1ächendruck
kraft (kg/cm2)
Bei.1 Bei.2 Bei.3 Bei.4 Bei.5 Bei.6 Bei.7 Bei.8 Bei.9 Beil.10 Bei.11
-2100 1960
50
454°C - 16 Std. 3240 3200 3930 2980 3420 2040 1870 2030 2080 1670
510°C - 6 Std. 3100 2780 3170 3080 2400 1360 1290 1270 1210 980
Tiefe der Druck- •
kraft (μπι)
454°C - 16 Std. 63 61 57 84 67 96 87 114 84 134
5100C - 6 Std. 71 69 63 72 71 94 99 117 90 160
IO
UI
CO
co
cn
CD

Claims (10)

  1. - 15 Patentansprüche
    1„ Vermittels chemischen Ionenaustausch in ihrer mechanischen Festigkeit verbesserte Brillenglaslinse, die eine durch den Ionenaustausch unter Druckspannung stehende Oberflächenzone besitzt, die eine Tiefe von wenigstens 60 Mikron aufweist und aus einem Silikatglas besteht, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe auf der Gewichtsgrundlage etwa 3 bis etwa 11% Natriumoxid, etwa 7 bis etwa 15 % Kaliumoxid, bis zu etwa 5% weitere Alkalimetalloxide, etwa 12 bis etwa 20% einer Gesamtmenge an Natriumoxid und Kaliumoxid und weitere Alkalimetalloxiden, etwa 3 bis etwa 11% eines Metalloxides aus der Gruppe Zinkoxid, Magnesiumoxid und Gemischen derselben, sowie den Rest Siliziumdioxid enthält.
  2. 2. Brillenglaslinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dieselbe auf der Gewichtsgrundlage 11 % Kaliumoxid, 11,5% Zinkoxid, 7% Natriumoxid, 0,5% Aluminiumoxid, 0,25% Arsenoxid, 025% Antimonoxid und den Rest Siliziumdioxid enthält.
  3. 3. Brillenglaslinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe weiterhin ötwa 3 bis etwa 6% Calciumoxid und etwa 0,2 bis etwa 0,5% Aluminiumoxid oder Zirkonoxid enthält.
  4. 4. Brillenglaslinse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas auf der Gewichtsgrundlage aus 11% Kaliumoxid, 8% Zinkoxid, 7% Natriumoxid, 3,5% Calciumoxid, 0,2% Aluminiumoxid, 0,25% Arsenoxid, 0,25% Antimonoxid und dem Rest Siliziumdioxid besteht.
  5. 5. Brillenglaslinse nach Anspruch 3, dadurch ge k e η η zeichnet, daß dieselbe auf der Gewichtsgrundlage aus 11% Kaliumoxid, 7% Natrium oxid, 7% Zinkoxid, 4,5% Calicumoxid, 0,2% Aluminiumoxid, 0,25% Arsenaxid, 0,25% Antimonoxid und dem Rest Siliziumdioxid besteht.
  6. 6. Brillenglaslinse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe auf der Gewichtsgrundlage aus 11% Kaliumoxid, 7% Natriumoxid, 8% Zinkoxid, 3,5% Calciumoxid
    709809/1212 " 16 "
    2635H0
    0,25% Arsenoxid/ 0,25% Antimonoxid, 0,2% Aluminiumoxid und dem Rest Siliziumdioxid besteht.
  7. 7. Brillenglaslinse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe auf der Gewichtsgrundlage 11% Kaliumoxid, 7% Natriumoxid, 8% Zinkoxid, 3,5% Calciumoxid, 0,5% Aluminiumoxid, 0,25% Arsenoxid, 0,25% Antimonoxid und den Rest Siliziumdioxid enthält.
  8. 8. Vermittels chemischen Ionenaustausch in ihrer mechanischen Festigkeit verbesserte Brillenglaslinse, die eine durch den Ionenaustausch unter Druckspannung stehende Oberflächenzone besitzt, die eine Tiefe von wenigstens 60 Mikron aufweist und aus einem Silikatglas besteht, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe auf der Gewichtsgrundlage etwa 3 bis etwa 11% Natriumoxid, etwa 7 bis etwa 15 % Kaliumoxid, bis zu etwa 5% weiterer Alkalimetalloxide, etwa 12 bis etwa 20% einer Gesamtmenge an Natrium- und Kaliumoxiden und weiteren Alkalimetalloxiden, etwa 3 bis etwa 11% eines Metallxoides ausgewählt aus der Gruppe Zinkoxid, Magnesiumoxid und Gemischen derselben, etwa 3 bis etwa 6% Calciumoxid und den Rest Siliziumdioxid enthält.
  9. 9. Brillenglaslinse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe weiterhin etwa 1 bis etwa 5% Aluminium-'oder Zirkonoxid enthält.
  10. 10. Brillenglaslinse nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet , daß dieselbe auf der Gewichtsgrundlage 10,8% Kaliumoxid, 7% Natriumoxid, 7,7% Zinkoxid, 3,3% Magnesiumoxid, 2,5% Aluminiumoxid, 1,1% Boroxid, 0,8% Titandioxid, 0,25% Arsenoxid, 0,25% Antimonoxid und den Rest Siliziumdioxid enthält.
    709809/1212
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