DE2952045C2 - Thermisches Vorspannen von Gläsern mit niedrigem Wärmespannungsfaktor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Glasartikeln mit hoher Temperaturunterschiedsfestigkeit, hoher mechanischer Festigkeit und feiner Krümelung bei mechanischer Zerstörung.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum thermischen Vorspannen von Gläsern mit einem Wärmespannungsfaktor von 0,2 bis 0,5 N/(mm²K) durch Aufheizen der Gläser auf eine Temperatur oberhalb ihrer Erstarrungstemperatur, aber unterhalb ihrer Erweichungstemperatur und Abschrecken des erwärmten Glases mit einem Luft-Flüssigkeits-Gemisch.

Als Wärmespannungsfaktor gilt das Verhältnis aus « ■ £/(1— μ) N/(mm²K), wobei «der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (K-¹) zwischen 20 und 300⁰C, E der Elastizitätsmodul (N/mm²) und μ die Poissonsche Zahl des Glases sind.

Unter einer hohen Temperaturunterschiedsfestigkeit wird hier eine Temperaturdifferenz innerhalb des Glasartikels z. B. zwischen dem Scheibenrand und der Scheibenmitte von > 280 K, vorzugsweise von

> 350 K, bei einer Beanspruchungszeit von ^ 4 Minuten verstanden. Solche Temperaturdifferenzen können beispielsweise in Brandschutzscheiben, deren Randbereich > 20 mm abgedeckt ist, bei der Prüfung nach DIN 4102, Teil 5 auftreten. Als hohe mechanische Festigkeit wird eine mittlere Biegezugfestigkeit von

> 100 N/mm² nach Abrieb mit 220er Naßschleif papier angesehen. Der Begriff der feinen Krümelung ist für Einscheibensicherheitsglas definiert

Da solche Glasartikel vorzugsweise als Abdeckung von Lampen, von Kamin- und Ofenverglasungen oder als Brandschutzsicherheitsgläser (>G90 nach DIN 4102, Teil 5) eingesetzt werden sollen, Finden hierfür vorzugsweise Ausgangsgläser mit hohen Erweichungstemperaturen (£ 800° C) Anwendung. Als Erweichungstemperatur £Wgilt die Glastemperatur bei einer Viskosität von ΙΟ⁶·⁶ (Pas).

Durch die Erzeugung einer Druckvorspannung in der Oberflächenschicht eines Glases kann sowohl die mechanische Festigkeit als auch dessen Temperaturunterschiedsfestigkeit erhöht werden. Daher wurden in der Vergangenheit auch eine Vielzahl von Verfahren zur Erhöhung der Druckvorspannung in der Oberflächenschicht entwickelt

Das in der Praxis am häufigsten angewandte Verfahren zur Herstellung von Windschutzscheiben und Einscheibensicherheitsglas für das Bauwesen ist das thermische Vorspannen von Glas. Bei diesem Verfahren wird Calcium-Natrium-Silicat-Glas mit einer Wärmeausdehnung > 8,5 · 10-⁶ K-¹ auf eine Temperatur, die zwischen der Transformationstemperatur und Erweichungstemperatur liegt, aufgeheizt und anschließend rasch durch Anblasen mit Luft abgeschreckt Bei einer Glasdicke von > 5 mm wird hierbei eine ausreichende mechanische Festigkeit und feine Krümelung erreicht Die geforderte Temperaturunterschiedsfestigkeit von > 280 K wird von diesen Gläsern jedoch nicht erzielt

Ό Durch das chemische Vorspannen, bei dem 50 bis 100 K unterhalb der Transformationstemperatur kleine Alkaliionen im Glas gegen größere Alkaliionen aus einem geschmolzenen Salz ausgetauscht werden, können höhere Druckvorspannungen und damit auch höhere Temperaturunterschiedsfestigkeiten erzielt werden. Feine Krümelungen werden bei diesem Verfahren jedoch nur bei dünnen (1 bis 2 mm dicken) Glasartikeln erhalten. Solche dünnen Gläser sind jedoch für eine Reihe von Anwendungen (z. B. als Brandschutzgläser bei Außenverglasungen) ungeeignet Das chemische Vorspannen ist ein sehr zeit- und kostenaufwendiges Verfahren, das ein Spezialgas voraussetzt

Weitere Verfahren zur Erzeugung einer hohen Druckvorspannung sind die Oberflächenkristallisation (DE-PS 22 63 234) und das Überfangen. Bei beiden Verfahren wird eine Oberflächenschicht mit niedriger Wärmeausdehnung gebildet Die Oberflächenkristallisation ist für den hier vorgesehenen Zweck ungeeignet da die Glasartikel nicht klar durchsichtig sind. Überfangglaser müssen bereits bei ihrer Herstellung auf Endmaß gefertigt werden. Wie beim chemischen Vorspannen werden für beide Verfahren Spezialgläser benötigt und die feine Krümelung erfolgt nur bei dünnen Glasartikeln.

Die gestellte Forderung nach einer Temperaturunterschiedsfestigkeit von > 280 K, vorzugsweise > 350 K wird durch die bekannten Glaskeramiken mit «-Werten zwischen ±0 und 1 · 10-⁶K-¹ erfüllt die als Kristallphase Hochquarzmischkristalle enthalten. Die Nachtei-Ie dieser Glaskeramik sind ihre fehlende Transparens bzw. ihr brauner Farbton, der durch den Keimbildner Titandioxid verursacht wird, ihre hohen Rohstoffkosten, ihre teueren Fertigungskosten und die fehlende mechanische Festigkeit bzw. die fehlende Krümelbildung bei ihrer mechanischen Zerstörung.

Die Forderung nach einer Temperaturunterschiedsfestigkeit von > 280 K wird auch durch die bevorzugt im Randbereich vorgespannten Gläser, wie sie in der DE-AS 2313442, DE-AS 2413 552 und DE-AS 24 24 172 beschrieben sind, erfüllt Diese Gläser sind klar durchsichtig und lassen sich preiswert herstellen und vorspannen. Die vorzugsweise im Scheibenrand eingebrachte Druckvorspannung bewirkt zwar eine hohe Temperaturunterschiedsfestigkeit zwischen Scheibenrand und Scheibenmitte, verleiht aber der Gesamtscheibe keine wesentlich höhere mechanische Festigkeit und führt bei einer mechanischen Zerstörung der Scheibe zu keiner feinen Krümelung.
Ziel der Erfindung sind Glasartikel, die folgende Eigenschaften gleichzeitig aufweisen:

— Temperaturunterschiedsfestigkeit > 280 K, vorzugsweise > 350°C über 4 Minuten Belastungsdauer,

— mittlere Biegezugfestigkeit von > 120 N/mm² nach Naß-Schmirgelung mit 220er Korn und

— mittlere Krümelgröße nach mechanischer Zerstörung von <■. 0,5 cm².

Ziel der Erfindung sind insbesondere 5 bis 7 mm dicke klar durchsichtige Glasartikel mit einem Ew > 800° C₁ welche die obengenannten Eigenschaften gleichzeitig aufweisen.

Dieses Ziel wird mit einem Verfahr ϊη gemäß den Patentansprüchen erreicht

Es ist bekannt (1. Blank, K-: Thermisch vorgespanntes Glas, Teil 2. Glastechn. Ben 52 [1979], Nr. 2, S. 51 -54; 2. Akeyoshi, K.; Kanai, E; Yamamoto, K. und ardere: Study on the physical tempering of glass plutes. Part 1 and 2. Rep. Res. Lab. Asahi Glass 17 [1967], S. 23—36, 53-68. [Teil 1 ref. Glastechn. Ber. 41 {1968}, S. 379]), daß zur Erzielung einer mittleren Krümelgröße von < 0,5 cm² bei 5 bis 7 mm dicken Gläsern eine Druckvorspannung von > 75 N/mm² (loc. cit 1.) bzw. > 80 N/mm² (loc. cit Z) benötigt wird. Die Forderung ist im wesentlichen unabhängig von der Glasart

Es ist weiterhin bekannt daß beim thermischen Vorspannen in Gläsern mit niedriger Wärmeausdehnung nur eine geringe Vorspannung e^eugt werden kann. Für eine gegebene VorspannanJage, d. h. bei einer konstanten Wärmeübergangszahl und einer festen Temperaturdifferenz zwischen Glasoberfläche und Kühlmedium ist die erzeugte Vorspannung proportional dem Wärmespannungsfaktor <p(<p=a · El{\— μ)) (Blank, IC: Thermisch vorgespanntes Glas, Teil 1. Glastechn. Ber. 52 [1979], Nr. I₁S. 1 -13).

Zur Verbesserung der Vorspannung wurden bereits Gläser mit einem Wärmespannungsfaktor von 0,2 bis 0,5 N/(mm²K) in Mineralölen und Salzschmelzen vorgespannt (Gora P.; Kiefer, W.; Sack, W. und Seidel, H.: Thermisches Vorspannen von Spezialgläsern durch Abschrecken in Mineralölen und geschmolzenen Salzen. Glastechn. Ber. 50 [1977], Nr. 12, S. 319-327). Rißfreie Proben wurden hierbei erst bei Aufheiztemperaturen nahe oder sogar oberhalb der Erweichungstemperatur erhalten. Diese hohen Aufheiztemperaturen sind jedoch für die deformationsfreie Herstellung von Glasartikeln nicht zu akzeptieren.

Ein weiterer Nachteil des Vorspannens in Flüssigkeiten besteht darin, daß die zuerst in die Flüssigkeit eintauchende Kante zusätzlich durch hydrodynamische Vorgänge abgekühlt wird und Risse enthält (DE-OS 22 38 645).

Neben Mineralöl und Salzschmelzen wurden auch andere organische Flüssigkeiten wie z. B. 1,2,4-Trichlorbenzol (US-PS 21 98 739) oder Verbindungen mit mindestens einer OH-Gruppe (US-PS 3! 86 816) verwendet. In der US-PS 31 86 816 wird darauf hingewiesen, daß jedoch Wasser, Methanol, Glykol und Glyzerin als Abschreckflüssigkeit ungeeignet sind, da bei dem Verfahren die sich bildende Dampfschicht und nicht die umgehende Flüssigkeit das wirksame Abschreckmittel sind. Bei der Verwendung von Wasser wird der sich bildende Wasserdampfmantel nicht lange genug aufrechterhalten bis das Glas ausreichend tief abgekühlt ist, um einen direkten Kontakt mit dem Wasser auszuhalten.

Neben dem Eintauchen in Flüssigkeiten wurde auch das Sprühen mit Flüssigkeiten versucht Der diesbezügliche Stand der Technik wurde von G. Frikell (Das Härten des Glases, Glas-Email-Keramo-Technik 9 [1958], Heft 6, S. 201-204) zusammengestellt. Er kommt dabei zu dem Schluß, daß die zunächst naheliegende Verwendung von Wasser als Kühlflüssigkeit sich aufgrund seiner starken Kühlwirkung als unzweckmäßig, wenn nicht gar als unmöglich erwies. Die mit Wasser behandelten Gläser bekamen Oberflächenrisse oder zersprangen ganz.

Gemäß der DE-PS 6 33 214 wird der Anblasluft fein zerstäubtes Wasser oder überhitzter Wasserdampf zugegeben. Die Menge des zugegebenen zerstäubten Wassers darf hiernach jedoch nur so groß sein, daß das Wasser bei der Berührung mit dem Glasgegenstand verdampft werden kann und jedes Rieseln der Flüssigkeit auf der Glasoberfläche vermieden wird. Auf dem gleichen Prinzip beruht auch die CH-PS 1 90 948,

ίο gemäß welcher die Flüssigkeit mit einer Zweistoffdüse auf das Glas aufgesprüht wird: Anstelle von Wasser werden wäßrige oder nichtwäßrige Flüssigkeiten empfohlen. Bei diesen beiden bekannten Verfahren werden Wärmeübergangszahlen und thermische Vorspannungen erzielt, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung völlig unzureichend sind.

Analog der DE-PS 6 33 214 wird in der JP-PS 5 31212 ein Verfahren beschrieben, bei dem der Anblasluft durch Ultraschall zerstäubtes Wasser mit einem Teilchendurchmesser von 1 bis 80 um und in einem Wasser-Luft-Verhältnis von 5 - 10-² bis 5 · 10-' l/m³ beigemischt wird. Durch die Zugabe des zerstäubten Wassers zur Anblasluft läßt sich die Kühlleistung um 25 bis 30% steigern. Eine Steigerung des Wasser-Luft-Verhältnisses über den Wert von 0,2 l/m³ bringt keine weitere Verbesserung mehr. Da in dieser JP-PS Angaben über die verwendeten Luftmengen fehlen, können über die Wassermengen, die pro Oberflächeneinheit auftreffen, keine Aussagen gemacht werden.

Obwohl es bekannt war, daß für das Vorspannen von Gläsern mit niedrigem Wärmespannungsfaktor ähnlich wie bei dünnen (1,5 bis 3 mm) Gläsern mit hohem Wärmespannungsfaktor Vorspannverfahren benötigt werden, die einen erhöhten Wärmeübergang zwischen Glas und Abkühlmedium ermöglichen, konnte bisher mit keinem der beschriebenen Verfahren z. B. ein Glas mit der Wärmeausdehnung « von 3,25 · 10-⁶K-' so hoch vorgespannt werden, daß es bei seiner mechanischen Zerstörung in feine Krümel zerfällt.

Bei den durchgeführten Versuchen zum Abschrecken von Gläsern durch Ansprühen mit einem Luft-Wasser-Gemisch hat sich überraschend gezeigt, daß unter gleichen Versuchsbedingungen bei Gläsern wesentlich andere Wärmeübergangszahlen in Abhängigkeit von der Temperatur auftreten als bei Metallen. Dies ist u. a. darauf zurückzuführen, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, im Gegensatz auch zu dem Verfahren nach der DE-PS 6 33214, sich immer ein Flüssigkeitsfilm ausbildet, der nicht vollständigverdampft.

Zunächst wurde versucht, die Wärmeübergangszahl nach der in der DE-OS 22 54 780 beschriebenen Methode zu bestimmen. Hierzu wurde ein Aluminiumblock von 50 χ 50 χ 6 mm³ mit einem Thermoelement im Innern auf 400⁰C erhitzt und anschließend mit einem Luft-Wasser-Gemisch angesprüht Die Temperatur-Zeit-Kurve zeigt von 400 bis 250°C einen langsamen und unterhalb 250⁰C einen sehr raschen Temperaturabfall. Der unterschiedliche Temperaturabfall war nach den bisherigen Erkenntnissen zu erwarten. Oberhalb 250° C bildet sich auf der Oberfläche des Aluminiums ein Dampfmantel, der einen raschen Wärmeaustausch verhindert Bei 250⁰C bricht dieser Dampfmantel plötzlich zusammen, und es erfolgt ein sehr hoher Wärmeübergang. Das Zusammenbrechen des Dampfmantels wurde daher auch als Ursache für das Zerbrechen der Glasproben beim Abschrecken mit Wasser erkannt.
Zur direkten Messung der auftretenden Temperatur-

differenz zwischen der Glasoberfläche und dem Glasinneren während des Abschreckprozesses wurde ein Thermoelement in eine transparente Glaskeramik mit der Wärmeausdehnung Null eingeführt. Die Glaskeramikprobe wurde auf 700⁰C aufgeheizt und anschließend rasch zum Abschrecken zwischen zwei Zweistoffdüsen gebracht. Während des Abschreckprozesses durch Ansprühen mit einem Luft-Wasser-Gemisch wird sowohl die Temperatur im Innern der Glaskeramik über das Thermoelement als auch die Temperatur an der Oberfläche der Glaskeramik mit Hilfe eines Infrarot-Temperatur-Meßgerätes gemessen. Bei diesen Versuchen hat sich überraschenderweise gezeigt, daß sich an der Glasoberfläche unter gleichen experimentellen Bedingungen eine wesentlich andere Wärmeübergangszahi einstellt ais bei Metaiien wie z. B. Aluminium, Kupfer oder Stahl.

Die Versuche haben ergeben, daß durch Ansprühen eines Luft-Wasser-Gemisches mittels einer Zweistoffdüse bei Glas im Gegensatz zu den Metallen ein einheitlicher Wärmeübergang erzeugt werden kann, wenn die Flüssigkeitsmenge pro Düse zwischen 0,1 l/h und 10 l/h, die Luftmenge pro Düse zwischen 0,1 und 5 l/h und das Verhältnis Flüssigkeitsmenge zur Luftmenge zwischen 0,1 und 5 l/m³ liegen.

Der unterschiedliche Wärmeübergang bei Glas und Metall läßt sich damit erklären, daß beim Glas aufgrund der geringeren Wärmeleitung an die Glasoberfläche in der Zeiteinheit weniger Wärme zur Verfugung steht als bei den Metallen. Wird ein Luft-Flüssigkeits-Gemisch im Rahmen der obengenannten Mengen auf die Glasoberfläche gesprüht, dann bildet sich beim Glas kein so dichter Dampfmantel wie beim Metall, sondern der Dampfmantel ist für die Flüssigkeitströpfchen zum Teil durchlässig. Da diese Durchlässigkeit mit sinkenden Temperaturen zunimmt, bleibt die Wärmeübergangszahl konstant

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß in Gläsern mit einem Wärmespannungsfaktor zwischen 0,2 und 0,5 N/(mm²K) durch das beanspruchte thermische Vorspannverfahren eine Druckvorspannung von > 75 N/mm² erzeugt werden kann. Hierzu werden die Gläser auf eine Temperatur oberhalb der Entspannungstemperatur, aber unterhalb der Erweichungstemperatur aufgeheizt und mit einem Luft-Flüssigkeits-Gemisch abgeschreckt Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß zum Abschrecken ein Luft-FIüssigkeits-Gemisch mittels Zweistoffdüsen auf die Glasoberfläche gesprüht wird, wobei die Luftmenge pro Düse zwischen 0,1 und 1OmVh, die Flüssigkeitsmenge pro Düse zwischen 0,1 und 5 l/h und das Verhältnis von Flüssigkeitsmenge zu Lurtmenge zwischen ö,i und 5 l/m³ liegen sollen.

Die Zweistoffdüsen müssen so beschaffen sein, daß bei dem vorgeschriebenen Verhältnis von Flüssigkeitsmenge zu Luftmenge die mittlere Tröpfchengröße zwischen 1 und 100 μπι liegt

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Vorspannung über die gesamte Fläche des Glasartikels sollte der Abstand der Düsen untereinander so gewählt werden, daß sich die Strahlenkegel beim Auftreffen auf die Glasoberfläche gerade berühren. Dieser Abstand kann im Durchlicht sehr rasch ermittelt werden. Er liegt bei Rundstrahlern unter Berücksichtigung eines optimalen Glas-Düsen-Abstandes zwischen 30 und 60 nun.

Die höchste Abschreckwirkung wird erzielt, wenn die Glasproben in die Entfernung zu den Düsen gebracht werden, bei der sich die Strahlenkegel der Düsen gerade berühren. Bei geringerer Entfernung wird eine ungleichmäßige Vorspannung und bei größerer Entfernung eine verminderte Abschreckwirkung erzielt. Der Abstand Glas zu Düsen sollte zwischen 30 und 200 mm liegen. Die Gleichmäßigkeit des Wärmeüberganges kann durch Messung des Temperaturabfalles an der Glasoberfläche mit Hilfe eines Infrarot-Meßgerätes kontrolliert werden.

Die steilsten Temperaturabfälle werden mit einem ίο Luft-Wasser-Gemisch erzielt. Durch Zugabe von Alkoholen zu Wasser wird die Abkühlgeschwindigkeit erheblich herabgesetzt. Es entsteht anscheinend zwischenzeitlich ein stärkerer Dampfmantel, der erst bei tieferen Temperaturen wieder von Flüssigkeitströpfchen durchdrungen wird.

Es ist bekannt, daß bei gegebener Abschreckvorrichtung die erzeugte Druckvorspannung um so kleiner ist je dünner die Glasprobe und je kleiner der Wärmespannungsfaktor :st Um eine Vorspannung von > 75 N/mm² bei Gläsern mit einem niedrigen Wärmespannungsfaktor von 0,2 bis 0,5 N/(mm²K) erreichen zu können, muß eine Optimierung der Luft- und Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit vom Wärmespannungsfaktor des Glases und der Glasdicke erfolgen. Liegt der Wärmespannungsfaktor der vorzuspannenden Gläser im oberen Bereich, dann liegt die verwendete Flüssigkeitsmenge im unteren geforderten Bereich. Eine Verminderung der Abschreckgeschwindigkeit kann auch durch Vergrößerung des Abstandes zwischen Glasoberfläche und Düsen oder durch Zugabe von Alkohol zum Wasser erzielt werden.

Zum Vorspannen von Gläsern, deren Wärmespannungsfaktor im unteren Bereich liegen, muß die verwendete Flüssigkeitsmenge im oberen geforderten Bereich liegen. Für Gläser mit dem Wärmespannungsfaktor < 0,26 N/(mm²K) hat sich Wasser als Flüssigkeit bewährt Die Gläser sollten hierbei in die beschriebene Entfernung zur Düse gebracht werden..

Es ist bekannt und hat sich bei den hier vorliegenden Versuchen erneut gezeigt, daß das Vorspannen von Gläsern mit höheren Wärmespannungsfaktoren wesentlich einfacher ist als das Vorspannen von Gläsern mit niedrigen Wärmespannungsfaktoren. Die folgenden Beispiele beziehen sich daher im wesentlichen auf die schwierigeren Gläser mit niedrigem Wärmespannungsfaktor.

Der Einfluß der Dicke auf die Vorspannung ist wesentlich geringer als der Einfluß des Wärmespannungsfaktors.

Die Fig. 1 zeigt die Temperatur-Zeit-Kurven beim Abschrecken von Aluminium und Glas mit einem Luft-Fiüssigkeits-Gemisch. Die Luftmenge pro Düse betrug 2m³/h, die Flüssigkeitsmenge 2,4 l/h und der Luftdruck an der Zweistoffdüse 3 bar. Die Kurve a in Fig. 1 zeigt den TemperaturabfalT bei Aluminium, wobei die Flüssigkeit aus Wasser bestand.

Der geringe Temperaturabfall bis 240⁰C läßt sich durch die Bildung eines Dampfmantels erklären. Bei 240°C bricht der Dampfmantel zusammen und die Wärmeablagerung steigt steil an. Da aufgrund der hohen Wärmeleistung zwischen Oberfläche und Innerem kein großer Temperaturunterschied besteht, wurde nur die Temperatur im Inneren des Aluminiumblockes gemessen.

Die Kurve b in Fig. 1 zeigt den Temperaturabfall einer 5 mm dicken Glasprobe mit dem Wärmespannungsfaktor von 0,26 N/(mm²K). Die Abschreckbedingungen waren die gleichen wie beim Aluminium. Die

aufgezeigte Temperatur wurde an der Glasoberfläche mit einem Infrarot-Meßgerät gemessen. Der Temperaturabfall ist wesentlich rascher und über den gesamten Temperaturbereich gleichmäßig. Die Ausbildung eines ausgeprägten Dampfmantels konnte nicht festgestellt > werden.

Wird anstelle von Wasser als Flüssigkeit z. B. ein Alkohol-Wasser-Gemisch im Verhältnis 1 :1 verwendet (Kurve ein Fig. 1),dann kann sich unter sonst gleichen Versuchsbedingungen vorübergehend ein Dampfmantel ι ο ausbilden. Für eine gute Vorspannung ist es wichtig, daß der Temperaturabfall in der Glasoberfläche zunächst rasch erfolgt und der Dampfmantel sich erst mit einiger Verzögerung ausbildet.

Die mit Wasser als Flüssigkeit abgeschreckte Glasprobe (Kurve b) weist eine Druckvorspannung von 95 N/mm² und die mit dem Alkohol-Wasser-Gemisch abgeschreckte Probe eine Druckvorspannung von nur 50 N/mm² auf.

Die F i g. 2 zeigt die an der Glasoberfläche (Kurve b) -o und im Glasinneren (Kurve abgemessenen Temperaturabfälle einer 5 mm dicken klar durchsichtigen Glaskeramikprobe beim Abschrecken mit einem Lufr-Wasser-Gemisch. Die Luftmenge pro Düse betrug 1,2 mVh, die Wassermenge 2,4 l/h und der Luftdruck 0,1 · 10⁶Pa.

In F i g. 3 ist die Temperaturdifferenz Δ T, die sich zwischen der Glasoberfläche und dem Glasinneren während dem Abschreckprozeß ausbildet, gegen die Temperatur T im Glasinneren (Kurve a) bzw. gegen die Temperatur T an der Glasoberfläche (Kurve b) aufgetragen. Zusätzlich ist in Fig.3 die Transformationstemperatur ^eingezeichnet

Eine Abschätzung der zu erwartenden Druckvorspannung ergibt sich aus dem Produkt des Wärmespannungsfaktors φ des Glases und Δ T\ aus F i g. 3. Δ T_t ist die Temperaturdifferenz zwischen Glasoberfläche und Glasinnerem, oie vorliegt, wenn die Temperaturen im Glasinneren die 7^-Temperatur erreicht.

je kleiner der Wärmespannungsfaktor wird, desto größer muß die Temperaturdifferenz Δ 7i werden, um die gleiche Druckvorspannung zu erhalten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die maximale Temperaturdifferenz Δ Τ bereits nach wenigen Sekunden (F i g. 3 nach 4 Sekunden) erreicht, und zwar bevor die Temperatur der Probenmitte die Transformationstemperatur erreicht

Die Zugspannung, die während des Abschreckprozesses entstehen kann, läßt sich aus dem Produkt von Wärmespannungsfaktor φ und Δ T₂ (F i g. 3) abschätzen. ΔΤ2 ist die Temperaturdifferenz zwischen maximal auftretender Temperaturdifferenz Glasoberfläche und Glasinnerem und der Temperaturdifferenz die vorliegt, wenn die Glasoberfläche die Tjr-Temperatur erreicht Die während des Abschreckprozesses entstehende Zugspannung sollte 50 N/mm² nicht wesentlich überschreiten, da sonst mit Ausfällen beim Vorspannen zu rechnen ist.

Um AT₁ möglichst gering zu halten, muß die Wärmeabfuhr an der Glasoberfläche bis zur Erreichung der maximalen Temperaturdifferenz zwischen Glasoberfläche und Glasinnerem möglichst rasch erfolgen. Nach Erreichen der maximalen Temperaturdifferenz kann die weitere Abkühlung langsamer vonstatten gehen. Gerade diese Forderung wird mit dem erfindungsgemijen Verfahren besonders gut erfüllt, was aus F ϊg.i Kurve herden tuch ist

Bei Gläsern mit größerem Wärmespannungsfaktor kann die gewünschte Druckvorepannung durch Reduzierung der Flüssigkeitsmenge, durch Vergrößerung des Abstandes Glas zu Düse und durch Zusatz von leichter verdampfbaren Flüssigkeiten zum Wasser eingestellt werden.

Die gleichzeitige Messung der Oberflächentemperatur und der Temperatur im Glasinneren beim Ansprühen, verbunden mit den Aufträgen entsprechend F i g. 3, ermöglicht eine Abschätzung, ob ein vorgegebenes Glas mit einem bestimmten Wärmespannungsfaktor bei den eingestellten Sprühbedingungen vorgespannt werden kann ohne zu zerspringen bzw. wie hoch die zu erwartenden Vorspannungen liegen werden.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel des Borosilicatglases 8330 der Firma Jenaer Glaswerk Schott & Gen. mit dem Wärmespannungsfaktor φ =0,26 N (mm²K) erläutert. Das Borosilicatglas mit φ=0,26 N (mm²K) ist das z. Z. auf dem Markt befindliche Massenglas mit dem niedrigsten φ-Wert Das beanspruchte Verfahren kann auch auf Gläser mit niedrigeren und höheren φ-Werten und größere und kleinere Dicken angewendet werden.

Beispiel 1

Glasproben vom Glas 8330 mit den Abmessungen 50-20-5 mm³ werden 5 Minuten lang in einem 760⁰C heißen Ofen aufgeheizt und in etwa 2 Sekunden zwischen zwei Zweistoffdüsen M 970 der Firma Schlick gebracht und durch Ansprühen mit einem Luft-Wasser-Gemisch rasch abgeschreckt. Bei konstanter Wassermenge von 1,5 l/h und Luftmenge von 1,4 mVh (Luftdruck 0,3 · 10⁶ Pa) wurde der Abstand Glas zu Düse variiert und die Druckvorspannung in den Glasproben gemessen.

Tabelle 1

Druckvorspannung in Abhängigkeit vom Abstand Glas-Düse

Abstand
(mm)

Druckvorspannung (N/mm²)

106
100
95
90
69
65

Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die Druckvorspannung mit zunehmendem Abstand geringer wird.

Beispiel 2

Wie in Beispiel 1 werden Glasproben von 2, 3,5 und 5 mm Dicke aufgeheizt und zum Abschrecken zwischen zwei Zweistoffdüsen gebracht Als Zweistoffdüsen werden zwei Flachstrahldüsen F2C der Firma Schaumlöffel verwendet Die Wassermenge pro Düse betrug 1 l/h, die Luftmenge 6m³/h und der Luftdruck 0,3 · 10« Pa. Der Abstand Düse—Glas betrug 50 mm. Die Größe der Wassertropfen lag bei 8±5μπι Durchmesser. Die Tabelle 2 zeigt unter den vorgegebenen Bedingungen die Abhängigkeit zwischen Druckvorspannung und Probendicke.

Tabelle 2

Druckvorspannung in Abhängigkeit von der Glasdicke

Glasdicke
(mm)

Druckvorspannung (N/mm²)

37 75 95

Mit abnehmender Probendicke sinkt die Druckvorspannung, ι '·>

Beispiel 3

Entsprechend dem Beispiel 2 werden 5 mm dicke Glasproben aufgeheizt und zum Abschrecken zwischen zwei Flachstrahldüsen vom Typ F2C gebracht. Der Abstand Düse—Glasprobe betrug 50 mm. Bei konstanter Luftmenge von 3,5 mVh und einem Luftdruck von 0,1 ■ 10⁶ Pa wurde die Wassermenge pro Düse zwischen 0,6 l/h und 3,6 l/h variiert.

Tabelle 3

Druckvorspannung in Abhängigkeit von der Wassermenge

Wussermenge

(l/h) Verhältnis
Wasser/Luft

(l/m³)

Druckvorspannung

(N/mm²)

0,6 1,0 2,0 3,6 0,17
0,29
0,57
1,03

80

92

100

150

Aus Tabelle 3 geht hervor, daß die Wassermenge einen wesentlichen Einfluß auf die zu erwartende Druckvorspannung hat.

Beispiel 4

Analog Beispiel 1 werden die Glasproben aufgeheizt und zum Abschrecken zwischen zwei Zweistoffdüsen gebracht. Bei den Zweistoffdüsen handelte es sich um die Rundstrahldüsen 1 der Firma Schaumlöffel. Der Abstand Düse—Glas betrug 170 mm und die Wassermenge pro Düse 2,0 l/h.

Tabelle 5

Druckvorspannung in Abhängigkeit von der Luftmenge

Luftmenge
(m³/h)

Luftdruck (Pa) Verhältnis Wasser/Luft
(l/m³)

Druckvorspannung (N/mm²)

1,9
1,2
0,75

1,1 1,7 2,7 93
91
90

Sobald die vorhandene Luftmenge ausreicht, um das Wasser fein zu verteilen, spielt die Luftmenge nur noch eine untergeordnete Rolle.

Beispiel 5

Glasproben von Glas 8330 und der Abmessung 70-70-5 mm³ wurden 5 Minuten in einen"; Ofen von 760° C aufgeheizt und in 2 Sekunden zwischen zwei Düsenbatterien gebracht Jede der Düsenbatterien bestand aus 6 Zweistoffdüsen vom Typ M 970. Der Abstand der Düsen untereinander betrug nach beiden Richtungen 30 mm und der Abstand der Düsen zum Glas 60 mm. Bei einem Luftdruck von 0,2 · 10⁶ Pa betrug die Wassermenge pro Düse 1,25 l/h. Die Wassermenge pro cm² Glasoberfläche errechnet sich zu 2,3 ml/(cm² · min). Die gefundene Druckvorspannung betrug 85 N/mm².

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum thermischen Vorspannen von Gläsern mit einem Wärmespannungsfaktor von 0,2 bis 0,5 N/(mm²K) durch Erwärmen der Gläser auf eine Temperatur oberhalb ihrer Entspannungstemperatur, aber unterhalb ihrer Erweichungstemperatur, und Abschrecken des erwärmten Glases mit einem Luft-Flüssigkeits-Gemisch, wobei das Luft-Flüssigkeits-Gemisch mittels einer Zweistoffdüse auf die Glasoberfläche gesprüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit einer Flüssigkeitsmenge pro Düse zwischen 0,1 und 5 l/h, einer Luftmenge pro Düse zwischen 0,1 und 10 mVh und bei einem Verhältnis Flüssigkeitsmenge zu Luftmenge zwischen 0,1 und 5 l/m³ durchgeführt wird.