NO122095B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til økning av styrken til

glass- eller vitrokrystallinske materialer.

Foreliggende oppfinnelse vedrorer en fremgangsmåte til fremstilling av glass eller vitrokrystallinske materialer med ett eller flere overflatelag av glass.

Det er velkjent at glass er mye sterkere under kompressjons-belastninger enn under strekkbelastninger, og at dette skyldes små feil i glassets overflate. Strekkstyrken eller bruddstyrken kan for-bedres ved hjelp av en termisk herdeprosess som gir glassets overflatelag storre kompressjonsspenninger. Herdingen består i å oppvarme glasset til en temperatur oppunder dets mykningspunkt og deretter hur-tig avkjole glasset i en luftstrom, og denne metode kan bare brukes på glass i plateform hvis glasset har en tykkelse på omkring 3 ^ eller mer.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte hvor-med det er mulig å fremstille glass eller vitrokrystallinske materialer med ett eller flere overflatelag eller belegg av glass som befinner seg i en kompressjonstilstand, slik at materialet får en strekk-styrke eller bruddstyrke som vanligvis bare ville kunne oppnås ved herding.

If51ge oppfinnelse blir et mellomlag av glass- eller vitro-krystallinsk materiale ved avgrensede områder belagt med smeltet eller myknet glass som mykner ved lavere temperatur og har en lavere varmeutvidelseskoeffisient enn materialet, og det påforte glassbelegg utsettes for en kjemisk herding.

De beste resultater er oppnådd med glassbelegg som har en tykkelse på mellom 1 og 150 mikron.

Det belagte mellomlag foreligger fortrinnsvis i fast tilstand mens fremgangsmåten utfores. Den folgende beskrivelse og forklaring av oppfinnelsen vil hovedsakelig gjelde materialer i plateform, men det skal forståes at oppfinnelsen også omfatter materialer og fremgangsmåter hvor mellomlaget har en annen ytre form, f.eks. rorform, eller utgjor en del av veggen i en hul gjenstand. Man vil således forstå at mellomlaget ikke behover å være flatt, men kan folge en hvilken som helst krumning. Som betegnelsen "lag" angir, har det belagte underlag alltid lengde- og bredde-dimensjoner som er flere ganger storre enn tykkelsen. I de fleste tilfeller, f.eks. når oppfinnelsen anvendes på plater eller baner av trukket glass, eller stykker som banene kuttes opp i, vil lengde- og bredde-dimensjonene være mange hundre ganger storre enn tykkelsen, men relativt små underlagsstorrel-ser, med lengde og bredde som ikke er storre enn omtrent 10 ganger tykkelsen, utelukkes ikke.

Oppfinnelsen omfatter fremgangsmåter og materialer hvor bare en del av mellomlaget belegges med glasset, fordi hvis materialet på grunn av dets form eller anvendelse er spesielt sårbart på et spesielt område eller flere spesielle områder, vil oppfinnelsen likevel gi for-deler selv om glassbeleggene under spenning bare befinner seg på disse områder. F.eks. er glassplater spesielt sårbare for brudd ved at kantene stoter mot hårde gjenstander som £eks. en spiker. Deres ømfint-lighet for brudd på denne måten kan reduseres ved å danne glassbelegg i henhold til oppfinnelsen langs platens kantpartier, og eventuelt og-så på de motstående delflater av platens kanter, i bredder på f.eks. 1 - 5 mm eller mer. (Et belegg som dekker en av kantflatene som loper omkring en rektangulær plate kan sies å dekke to tilstotende soner, som hver dekker halve platetykkelsen, og som står overfor hverandre i forhold til platens midtplan, og oppfinnelsen omfatter fremgangsmåter hvor bare sidekanten eller sidekantene er belagt. Belegg som påfores langs platens sidekantområder, men på platens store side-flater, står selvfolgelig også overfor hverandre i forhold til platens midtplan). Som et annet eksempel er et vanlig melkeglass mye mer 5m-fintlig for brudd ved et svakt stot mot kanten enn ved et lignende stot mot siden. Hvis kanten og/eller innsiden og utsiden av melkeglasset langs kanten har belegg tilveiebragt ifolge oppfinnelsen, - har glasset mindre lett for å knuses.

Oppfinnelsen gj6r det mulig å frembringe overflate-kompressjonsspenninger som er betraktelig storre enn spenninger fremkalt ved termisk herding. Videre kan spenningsintensiteten og spennings-gradienten i dybde i belegget reguleres til på forhånd bestemte krav. annen fordel ved oppfinnelsen er at glassbelegg under kompressjons-trykk kan formes på tynne glassplater med under 3 nun tykkelse, like godt som på tykkere glassplater.

Vanligvis bor man benytte glass med samme sammensetning eller i hvert fall med samme utvidelseskoeffisient, for belegging på motstående sider av midtflaten. Det skal imidlertid bemerkes at hvis man onsker å fremstille et materiale med kompressjonsspenninger av forskjellig styrke på motstående sider av mellomlagets midtplan, kan dette enkelt gjores ved å benytte glass med forskjellig varmeutvidelseskoeffisient for de forskjellige belegg. Likeledes bor belegg på motstående sider av mellomlaget vanligvis dekke like flater. Med andre ord er det en fordel ikke å utstrekke belegget på den ene flate utover det område som er dekket av belegget på motstående flate, men et lite spillerom kan godtas selv om mellomlaget skal gis symmetriske spenninger ved belegget.

Valget av glass for belegging av mellomlaget kan gjores slik at produktet får farge eller bibringes annen optisk virkning.

Belegging av mellomlaget kan skje ved å påfore glass eller glassformende komponenter i smeltet tilstand på mellomlaget. F.eks. kan mellomlaget nedsenkes eller delvis neddyppes i smeltet glass, eller pulverisert glass eller glassformende stoffer kan sproytes på med en forstover som smelter pulveret og forstover smeiten.

En alternativ metode for belegging av smeltede glasslag er å smelte glass eller glassdannende komponenter i partikkelform, in situ på mellomlaget, Det er en fordel å smelte pulverisert glass in situ. Visse glassdannende komponenter kan påfores in vacuo ved fordampning eller katodisk fordampning. Glass eller glassdannende blanding kan påfores som en pasta. En foretrukken fremgangsmåte er imidlertid å påfore glass eller glassdannende blanding i partikkelform ved å be-legge underlaget med en væske, f.eks. en organisk væske, som inneholder partiklene i suspensjon. Tykkelsen av det faste belegg kan reguleres ved å regulere konsentrasjonen av suspensjonen. Suspensjonen kan påfores ved å neddyppe mellomlaget eller en del av dette i suspensjonen, ved sproyting eller på annen egnet måte.

Hvis glass eller glassdannende komponenter påfores på en del av mellomlaget ved sproyting eller fordampning eller forflyktigelse, kan resten av mellomlaget maskeres på hensiktsmessig måte om nodvendig.

En annen metode for å danne glassbelegg er å legge på pre-formede glassplater eller sjikt av glass på motstående flater av mellomlaget, oppvarme denne sammensetning i det minste så hoyt at ytter-sjiktene smelter eller mykner, og deretter avkjole platen fortrinnsvis mens den er under trykk.

Hvis mellomlagsmaterialet har relativt lav temperatur når belegget påfores, kan mellomlaget og belegget derpå oppvarmes i en ovn til en temperatur over den temperatur som er nodvendig for smelt-ing, mykning eller forming av glassbelegget, og hoy nok til å gi det påforte materiale den nodvendige varmeutvidelse. De kompressjonsspenninger som oppstår i glassbelegget vil avhenge på den ene side av sammentrekningen hos det materiale som er belagt under avkjolingen,

og hvis man vil oppnå maksimale kompressjonsspenninger bor materialet oppvarmes til en temperatur tett opptil og fortrinnsvis noen få grader over materialets deformasjonstemperatur, eller deformasjonstempera-turen for den glassaktige fase når det gjelder vitrokrystallinske materialer.

En annen metode for oppvarming av det belagte materiale og belegget er å rette brennerflammer mot materialet. Denne metode er spesielt egnet hvis bare en del eller deler av mellomlaget, f.eks. kantpartiene, skal oppvarmes.

Det er mulig å påfore glasset eller de glassdannende komponenter på mellomlaget mens sistnevnte allerede har en temperatur over glassmeltings- eller glassformingstemperaturen. I dette tilfelle er påfolgende oppvarming unodvendig, og mellomlaget behover bare avkjoles under den forutsetning at hvis man har påfort en glassdannende blanding, bor den hoye temperatur holdes tilstrekkelig lenge til at glasset kan dannes.

Styrken hos materialer som fremstilles ifolge oppfinnelsen oppnås ved å underkaste materialene en kjemisk herdeprosess som i og for seg er kjent, hvorved ioner bringes til å diffundere inn : glassbelegget fra et kontaktmedium, og hvor ionenes art og temperaturen under diffusjonen er valgt slik at kompressjonsspenningene i glassbelegget okes. Det er foretrukket å bringe kaliumioner til a diffundere inn i glassbelegget under utveksling med natriumioner ved en temperatur som ligger under glassets avspenningstemperatur. Hvi? glassbelegget inneholder litium, foretas den kjemiske herding ved utbytt-ing av litiumioner med natrium- eller kaliumioner, og den noye vand-ringshastighet for litiumionene letter ioneutvekslingen. Den kjemiske herding foretas videre ved å utveksle natriumioner med litiumioner mens glasset har en temperatur over avspenningstemperaturen. Ioneut-vekslerprosessen kan utfores ved å dyppe materialet med glassbelegget i en saltsmelte av det egnede alkalimetall, f.eks. smeltet kaliumnitrat.

En viktig anvendelse av foreliggende oppfinnelse er forsterk-ning av glassplatekanter for kjemisk herding av platen. Etter pålegg-ing av belegg på platen langs kantene, som omtalt tidligere, utsettes hele platen for kjemisk herding, f.eks. ved å neddyppe platen i et kjemisk herdebad. Man oppnår derved at hele platen herdes,men at kom-press jonsspenningene er storre i kantområdene enn andre steder. En slik metode har spesielt stor interesse hvis sammensetningen for det glasset som brukes i belegget velges slik at dette glasset herdes lettere kjemisk enn glasset i den belagte plate.

Nedenstående tabell viser tre glass-sammensetninger med line-ære utvidelseskoeffisienter på under 10 x 10"^, og som kan brukes for utforelse av oppfinnelsen ved belegging av glassplater eller glass i annen form, med en varmeutvidelseskoeffisient som er storre enn dette:

Alle ovenstående glasstyper kan f.eks. brukes for belegging av glass med folgende sammensetning, med en varmeutvidelseskoeffisient på 10,8 x 10"<6>:

En servisegjenstand i form av en tallerken av keramikk-porselen fremstilt ut fra f Sigende sammensetning, i vektprosent: ZnO 42<$, A120^ 20%, Si02 35$, P20p. 3% ble belagt med et glass som hadde den forste av de ovenstående sammensetninger (varmeutvidelseskoeffisient 9,27 x 10~<6>). Varmeutvidelseskoeffisienten for porselenet var 9.54 x 10 og dets mykningstemperatur lå på omkring 1.040°C. Belegging skjedde ved 1.000°C. Etter avkjoling var gjenstandens bruddstyrke tre ganger så stor som bruddstyrken for ubelagt porselen.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av glass- eller vitrokrystallinske materialer med ett eller flere overflatelag av glass, karakterisert ved at et mellomlag av materialet ved avgrensede områder belegges med smeltet eller myknet glass som mykner ved lavere temperatur og har en lavere varmeutvidelseskoeffisient enn materialet, og ved at det påforte glassbelegg utsettes for en kjemisk herding.

2. Fremgangsmåte ifolge krav 1, karakterisert ved at den kjemiske herding utfores slik at det innfores kaliumioner i nevnte glassbelegg ved utveksling mot natrium- eller litiumioner, ved en temperatur under glassbeleggets avspenningstemperatur.

3. Fremgangsmåte ifolge krav 2, karakterisert ved at ioneutvekslingen skjer mellom nevnte glassbelegg og smeltet kaliumnitrat.

4. Fremgangsmåte ifolge krav 1, karakterisert ved at den kjemiske herding utfores slik at det innfores litiumioner i glassbelegget ved utveksling mot natriumioner, ved en temperatur over glassbeleggets avspenningstemperatur.

5. Fremgangsmåte ifolge krav 1, karakterisert ved at mellomlaget er en plate og at platens motsatte overflater ved platens kantpartier belegges med smeltet eller myknet glass.

6. Fremgangsmåte ifolge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at mellomlaget har form av en plate og at platens sidekanter belegges med smeltet eller myknet glass.