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Verfahren zur Herstellung- von Glasgegenständen für Kochzwecke Bekanntlich
gibt man den aus Glas hergestellten Gegenständen durch Härten eine höhere mechanische
Festigkeit. Die auf die bekannte Art gehärteten Gegenstände haben jedoch den Nachteil,
beim Zerbrechen in eine sehr große Anzahl von kleinen Stücken zu zerfallen, die
im Augenblick des Bruches umhergestreut werden. Die Nachteile dieser Art des Zerbrechens,
die man explosiv nennen kann, sind vielfältig, einerseits wegen der Zerstreuung
vieler kleiner Glasstücke und andererseits wegen des Zerfalls des Gegenstandes selbst,
der in demselben Augenblick jede Funktion einstellt.
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Diese Nachteile machen sich besonders beim Küchengebrauch von Gegenständen
aus gehärtetem Glas bemerkbar. Dieses explosive Zerbrechen birgt, besonders beim
Hausgebrauch solcher Gegenstände, die Gefahr in sich, daß kleine Glasteilchen in
andere mit Lebensmitteln gefüllte Behälter geschleudert werden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glaswaren
aus gehärtetem Glas, das eine hohe thermische und mechanische Widerstandsfähigkeit
besitzt und diese Eigenschaften auch behält, wenn die Glasgegenstände im Gebrauch,
z. B. beim Kochen, hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß den Glasgegenständen
durch eine an sich bekannte Wärmebehandlung zwecks Härtung des Glases so hohe Spannungen
erteilt werden, daß diese unmittelbar
unterhalb der Grenze liegen,
bei der im Falle des Bruches der Glasgegenstände eine völlige Zerstörung in kleine
Stücke unter heftigem Zerspringen (sogenannter kristallinischer Bruch) eintreten
würde. Mit anderen Worten: Die Erfindung besteht darin, dem Glas einen Spannungszustand
zu geben, der einer potentiellen Energie entspricht, die niedriger ist als diejenige,
die an der Bruchgrenze des Glases mit explosivem Zerbrechen vorhanden ist.
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Zweckmäßig werden die Spannungen des Glasgegenstandes so gewählt,
daß im Falle eines Bruches (infolge Durchbohrens einer seiner Flächen) sich Bruchstücke
ergeben, die größer sind als 3 cm'.
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Eine besondere Art der Verwirklichung des Verfahrens gemäß der Erfindung
umfaßt folgende Phasen: Nachdem der Glasgegenstand bis in die Nähe seines Erweichungspunktes
erhitzt worden ist, wird er einer thermischen Behandlung unterworfen, indem er zu-
In dieser Gleichung ist T die höchste Spannung in Kilogramm pro Quadratmillimeter;
n ist das Verhältnis der höchsten Kompression zur- höchsten Spannung; E ist der
Elastizitätskoeffizient (Koeffizient Young) in Kilogramm pro Quadratmillimeter;
f ist die Zugfestigkeit des Glases in Kilogramm pro Quadratmillimeter; y ist das
Verhältnis der Kontraktion zur Ausdehnung in einem gezogenen Körper, und t ist die
Dicke des Glases in Millimeter. Weiter unten werden spezifische Ausführungsbeispiele
für Gegenstände aus rgehärtetem Glas mit diesem Spannungsgrad gegeben.
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Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung kann besonders für Gegenstände
angewandt werden, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger
als 65 X:10-' pro Grad Celsius haben, am besten weniger als 45 X ro-'. Verwendet
man ein Glas, mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten, so ist der Härtungsgrad,
der zur Herstellung eines Gegenstandes mit erhöhter thermischer Widerstandsfähigkeit
nötig ist, proportional vermindert, und da der Härtungsgrad verkleinert ist, wird
die Bruchgefahr mit explosivem Zerbrechen des Glases ebenfalls kleiner. Unter dem
Ausdruck explosives Zerbrechen wird ein Härtezustand des Glases mit einer potentiellen
Spannungsenergie verständen, die ausreicht, ein Zerbrechen des Glases in ungefähr
3 cm' große Stücke zu bewirken.
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Unter thermischer Widerstandsfähigkeit ist die höchste Temperatur
zu verstehen, auf welche ein Glasgegenstand gebracht und dann in eiskaltes Wasser
getaucht werden kann, ohne daß er zerspringt.
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Verwendet man nun ein Glas mit dem obengenannten schwachen Ausdehnungskoeffizienten
und härtet es auf einen Grad, der den obenerwähnten Wert der resultierenden Spannungen
nicht übersteigt, so ist es möglich, einen gehärteten Glasgegenstand zu erhalten,
der eine thermische Widerstandsfähigkeit von z2o° hat.
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Nachstehend wird ein Beispiel der Härtung von Glasgegenständen beschrieben,
deren Spannungen den von obenstehender Formel gegebenen Höchstwert nicht nächst
so schnell abgekühlt wird, daß die. durch die Abkühlung entwickelten Spannungen
ausreichen, um im Falle der Zerstörung des Gegenstandes durch Durchbohren einer
seiner Flächen eine Zerstörung in kleine Stücke, den sogenannten kristallinischen
Bruch hervorzurufen, der von einem heftigen Auseinanderspritzen der Stücke begleitet
ist; darauf wird der Glasgegenstand wieder auf eine Temperatur erhitzt, die unterhalb
des Erweichungspunktes, aber oberhalb der Temperatur liegt, bei der die Spannungen
zu verschwinden beginnen. Dadurch werden nacheinander die Spannungen in dem Glas
vermindert. Deren Dauer ist so bestimmt, daß man die Erniedrigung der Spannung auf
den gewünschten Wert erhält.
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Erfindungsgemäß ist besonders festgestellt worden, daß die Gefahr
des explosiven Bruches vermieden wird, wenn die Höchstspannung pro Quadratmillimeter
nicht die Werte der nachstehenden Gleichung überschreitet: überschreiten. Ein Glasgegenstand,
z. B. eine Küchenschüssel von 1,7 1 Inhalt mit einer Wanddicke von ungefähr 6 mm,
aus Borsilikat von 85 °/o Si02, 122,5 °/o Ba0$> 1,5 °/o. Nas0 und = °/o Sb203
mit einem Elastizitätskoeffizienten von 6,3zo bis 6,47o kg/mm2, einem Spannungswiderstand
von 4,7 bis 5 kg/mm2 und einem Verhältnis der Kontraktion zur Ausdehnung in einem
gezogenen Körper (Verhältnis Poisson) von o,2 wird auf eine Temperatur erhitzt,
die dem Erweichungspunkt des Glases entspricht oder in seiner Nähe liegt, d. h.
auf ungefähr 8zo° C.
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Der Gegenstand wird genügend lange in dieser Temperatur gehalten,
damit dieselbe vollkommen ausgeglichen ist; in diesem Augenblick stellt man die
Erhitzung ab und unterwirft sofort den Gegenstand einer Abkühlung, z. B. in einem
Flüssigkeitabkühlungsbad oder einem Luftstrom. Besteht das Abkühlungsbad aus einem
unter der Bezeichnung 6oo W bekanntem Schweröl, so muß das Bad eine Temperatur von
Zoo' C haben. Versuche haben gezeigt, daß die wirkliche Spannung eines Glasbehälters
mit obigen Abmessungen und obiger Zusammensetzung nicht 2,6 kg/mm2 übersteigt und
daß trotzdem der Gegenstand eine doppelt so hohe mechanische Festigkeit als gleiche,
jedoch geglühte Gegenstände besitzt. Dabei geschieht das Zerbrechen nicht in einer
explosiven Weise, sondern es ähnelt sehr dem Zerbrechen eines Gegenstandes aus geglühtem
Glas.
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Die gemäß der Erfindung hergestellten Glasgegenstände sind besonders
als Kochgefäß geeignet, die im Gebrauch auf der heißen Oberfläche des Kochherdes
stehen und bei denen gewisse Teile einer besonders hohen Temperatur im Gegensatz
zu den übrigen Teilen ausgesetzt sind, während die im Innern des Herdes stehenden
Gefäße gleichförmig durch eine verhältnismäßig niedrige Temperatur beeinflußt werden.
Die Verwendung von Glas (im Gegensatz zu geschmolzenem Quarz) für derartige Gegenstände
war bisher unmöglich. Die Erfindung geht in der Hauptsache darauf aus, Waren der
erwähnten Art herzustellen, kann aber auch
zur Erzeugung von Produkten
verwendet werden, die nicht so strengen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind.
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Die thermische Widerstandsfähigkeit eines nach vorstehendem `'erfahren
behandelten Behälters ist mindestens zweimal so groß wie die eines gleichen, jedoch
geglühten Behälters, und das durch thermischen Einfluß verursachte Zerbrechen eines
so behandelten Stülskes unterscheidet sich nicht von dem durch thermischen Einfluß
verursachten Zerbrechen eines geglühten Gegenstandes gleicher Abmessungen und gleicher
Zusammensetzung.
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Nicht nur die Borsilikatgläser obiger Art, sondern auch alle Glassorten
gemäß der Patentschrift 767 476 können durch ein begrenztes Härten eine größere
mechanische Festigkeit und eine größere Wärmewiderstandsfähigkeit erhalten, und
parallel dazu können Kalkglassorten oder andere Glassorten in vorher bestimmten
Grenzen gleichfalls mit befriedigenden Resultaten gehärtet werden.
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Wie im obigen Falle eines Borsilikatglases als auch eines Kalkglases
wurde ein Behälter von ungefähr z,71 Inhalt von nachstehender Zusammensetzung gehärtet
Si02 . . . . . . . . . . . . . . . . . 72,86 R203 . . . . . . . . . . . . . . .
. 1,37 Na20 . . . . . . . . . . . . . . . . 16,29 K20 ................. 1,65 Ca0
................. 5,00 M90 . . . . . . . . . . . . . . . . 3,36 BIO3 . . . . . .
. . . . . . . . . . . 0,56 Ein solches Glas, gewöhnlich Kalkglas genannt, hat einen
linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,00000935 pro Zentigrad, und es wird
bei ungefähr 695°C weich. Sein Elastizitätskoeffizient ist 6,86o kg/mm' und seine
Zugfestigkeit 3,3 kg,Imm2. Der Gegenstand wird ungefähr io :Minuten lang auf eine
Temperatur von 695' C erhitzt oder auf eine genügend lange Zeit zur Erreichung
einer gleichförmigen Temperatur und wird dann sofort in ein auf ungefähr 405' C
gehaltenes Kühlbad getaucht, das aus Natronsalpeter und Kalisalpeter besteht. Man
erhält dadurch einen gehärteten Glasbehälter, der trotz einer Wärmewiderstandsfähigkeit
von 170' C, d. h. höher als die eines gleichen Behälters aus geglühtem Borsilikatglas
obiger Zusammensetzung, und einer doppelt so hohen mechanischen Festigkeit als die
des vorgenannten geglühten Behälters aus Borsilikatglas, beim Bruch ein nicht explosives
Zerbrechen hervorruft, ähnlich dem eines geglühten Behälters.
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In bestimmten Fällen und besonders wenn man Gegenstände herstellen
will, die auf einem Küchenherd erhitzt werden und deren Glasmaterial einen kurzen
Bearbeitungsbereich hat, wurde es für vorteilhaft befunden, dem Gegenstand einen
übertriebenen Härtegrad zu geben im Verhältnis zu der endgültigen Härtung und danach
eine Wärmebehandlung nach Art eines Anlassens vorzunehmen, wodurch die Härtung auf
den endgültig gewünschten Grad heruntergebracht «,ird. In diesem Falle wählt man
ein Glas, wie z. B. das in der Patentschrift 767 476 beschriebene Glas B, und nachdem
man dem Gegenstand seine Gestalt gegeben hat, unterwirft man ihn für kurze Zeit
einer Temperaturausgleichsbehandlung in einem auf ungefähr goo' C erhitzten Ofen.
Nach dieser Erwärmung wird der Gegenstand derart abgekühlt, daß er einen Spannungsgrad
von ungefähr q. kg/mm' erhält, der viel höher als notwendig ist, denn für den üblichen
Gebrauch ist eine Spannung von ungefähr 3 kg/mm2 erforderlich. Nachdem der Gegenstand
so gehärtet worden ist, wird er einer Wärmebehandlung unterzogen, die beispielsweise
in einer Erwärmung auf ungefähr 535c C während einer Zeit von 2 Stunden oder einer
solchen auf ungefähr 5=o' C während einer Zeit von 7 Stunden besteht. Diese Behandlung
bringt die Spannung auf ungefähr 3 kg/mm2 zurück, und sie erwirkt eine molekulare
Wiederumlagerung oder Bewegung zur Stabilisierung, die die Tendenz des Glases zum
Spannungsverlust stark herabsetzt, wenn das Glas den auf den Kochherden oder in
ähnlichen Öfen vorkommenden Temperaturen ausgesetzt wird. Werden Glasgegenstände
so behandelt, so ist es möglich, die Eigenschaften des Glases so zu verändern, daß
die Gegenstände Betriebstemperaturen ausgesetzt werden können, die 25' C über denjenigen
liegen, denen ein ähnlicher, direkt auf 3 kg/mm2 gehärteter Gegenstand widersteht,
ehe ein Spannungsverlust eintritt.
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Zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen, begrenzten Härtung sind
weniger energische Abkühlungsmittel zu verwenden, als die für gewöhnliche Härtungen
gebräuchlichen.
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In dieser Hinsicht können die auf eine hohe Temperatur gebrachten
flüssigen Abkühlungsbäder vorteilhaft für die Abkühlung benutzt werden. Die Temperatur
dieser Bäder schwankt je nach der Natur des zu härtenden Glases. Handelt es sich
um ein Glas mit hoher Spannungstemperatur und Eigenschaften der in der Patentschrift
767 476 beschriebenen Gläser, so kann die Temperatur dieser Härtebäder ziemlich
hoch sein und 400' C erreichen.
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Wird der Gegenstand aus dem Bad genommen, so ist möglicherweise seine
Temperatur zu hoch, um sofort die Prüfung durch thermischen Schock zu ertragen,
die darin besteht, den Gegenstand in eiskaltes Wasser zu tauchen. Es kann also notwendig
sein, nach dem Herausnehmen aus dem Härtebad etwas zu warten, bis der Gegenstand
genügend auf eine für diesen Versuch verträglichen Temperatur abgekühlt ist.
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In der Praxis verwendet man ein Wasserbad von Laboratoriumstemperatur,
um die gehärteten Gegenstände der thermischen Schockprüfung zu unterwerfen. Von
diesen Gegenständen werden alle diejenigen zerspringen, die nicht richtig gehärtet
wurden oder die andere Fehler hatten, während diejenigen mit einer richtig verteilten
Härtung ganz bleiben. Hierdurch erreicht man automatisch eine Auswahl der richtig
und nicht richtig gehärteten Küchengeräte.
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Durch diese Kombination erhält man gehärteteGlasgegenstände, die sehr
hohe Temperaturen vertragen und ohne Gefahr für den Hausgebrauch geeignet sind und
außerdem eine große thermische Widerstandsfähigkeit besitzen. Sie sind also besonders
für Kochzwecke geeignet, jedoch ist es selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung
auch für die Herstellung aller Gebrauchsgegenstände Anwendung findet, die aus
gehärtetem
Glas jeder gewünschten Zusammensetzung hergestellt werden.