NO122672B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til å forsterke et legeme av glass eller vitrokrystallinsk materiale ved ioneutveksling mellom legemet og et kontaktmedium, samt et apparat for bruk ved fremgangsmåten.

Foreliggende oppfinnelse vedrorer en fremgangsmåte til å forsterke et legeme av glass eller vitrokrystallinsk materiale ved ioneutveksling av alkalimetallioner mellom legemet og et kontaktmedium, samt et apparat for bruk ved fremgangsmåten.

Det er kjent at metallioner kan diffundere inn i glass fra

et medium som er i kontakt med glasset og utveksles med andre ioner fra glasset. Dersom arten av ioner som trenger inn i glasset og tem-peraturforholdene under ioneutvekslingen er hensiktsmessig valgt, forer ioneutvekslingen til kompresjonsspenninger i de ytre lag av glasset.

Med andre ord blir glasset kjemisk herdet.'

Kjemisk herding av glass er i og for seg kjent. Ved en type av prosesser, (referert til i det folgende som "hoytemperatur metode") finner en ioneutveksling sted ved en temperatur tilstrekkelig hoy til å frembringe avspenninger i glasset og ionene som trenger inn i glasset er slik at de frembringer en lavere grad av varmeutvidelse i de ytre glasslag. Ved andre typer av prosesser (referert til i det folgende som "lavtemperatur metode") blir ioner i de ytre lag av glasset utbyttet med storre ioner og ioneutvekslingen foregår mens de ytre glasslag harken temperatur under avspenningstemperaturen svarende til

' 1 o 1^ 2 o o

en viskositet på 10 - >' poise) så at avspenningen ikke vil foregå eller foregår i mindre utstrekning.

Det er blitt funnet, i samsvar med foreliggende oppfinnelse, at kjemisk h;erding ved hoye og lave temperaturtyper er mer effektiv dersom temperaturen av legemet avtar innen de temperaturområder som er tilgjengelige ved kjemiske herdeprosesser, under ioneutvekslingen.

Foreliggende oppfinnelse omfatter en hvilken som helst pro-sess for å oke styrken av en glassgjenstand ved en kjemisk herdeprosess ifolge hoytemperaturmetoden, som definert her, hvor der i den periode hvor ioneutveksling finner sted mellom glasset og kontaktmediet, avtar temperaturen- av glasset tilstrekkelig til å bevirke avspenning i glasset.

Oppfinnelsen omfatter en hvilken som helst kjemisk herding

av lavtemperaturtypen som definert ovenfor, hvor der i den periode hvor ioneutvéksling mellom glasset og kontaktmediet finner sted foretas en minskning av temperaturen i området under glassets avspennings-temperatur. ,

Oppfinnelsen er særlig egnet for anvendels-e ved herding av glass fra vanlige billige sammensetninger som.av kiselsyre, soda, kalk og feltspat. Ioneutvekslingen omfatter en utveksling av alkalimetallioner, dvs. iutveksling av natriumioner i glasset med litiumioner i tilfelle av hoytemperaturprosesser og med kalium i tilfelle av lav-temperaturprosesser.

Ifolge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt en fremgangsmåte til å forsterke et legeme av glass eller vitrokrystallinsk materiale ved ioneutveksling av alkalimetallioner mellom legemet og et kontaktmedium, hvor mediet inneholder alkalimetallioner som gir en lavere varmeutvidelseskoeffisient til legemets lag og som erstatter ionene i disse lag, slik at lagene etter avkjSling komprimeres, eller det anvendes et medium som inneholder alkalimetallioner med storre diameter enn diameteren til legemets ioner for å indusere trykkspenninger i lagene hvori ioneutvekslingen tilveiebringes, kjennetegnet ved at det anvendes et kontaktmedium i form av et flytende bad og at temperaturen til legemet og mediet under minst en del av ioneutvekslingen reduseres med minst QO°C, idet begynnelsestemperaturen under ioneutvekslingen er minst 1.05 Tg, hvor Tg er den temperatur ved hvilken legemets viskositet er 10 13 J' 2 poise, nar ionene fra mediet gir legemets ytre lag en lavere varmeutvidelseskoeffisient, eller idet begynnelsestemperaturen er under avspenningspunktet og er minst 0.6 Tg når ionene fra mediet har storre diameter enn ionene i legemet.

Ifolge oppfinnelsen er det også tilveiebragt et apparat for bruk i en kjemisk herdeprosess for å forsterke et legeme av glass eller vitrokrystallinsk materiale ifolge ovenfor angitte fremgangsmåte, omfattende minst en tank for et bad av et medium inneholdende ioner for diffusjon inn i legemet, og anordninger for å fore et legeme langs en bane inn og ut av nevnte tank, f.eks. anordninger omfattende minst en bæreinnretning på hvilken en gjenstand som skal behandles kan plaseres og som er anbragt på en drevet transportor eller anordninger omfattende valser hensiktsmessig anordnet for foring av et bånd av glass inn og ut av nevnte tank, kjennetegnet ved anordninger for opprettholdelse av en temperaturgradient i badet, idet temperaturen avtar langs nevnte bane i foringsanordningens bevegelsesretning.

Det er en fordel å begynne ioneutvekslingen ved en temperatur som ligger hoyt i det tillatte temperaturområde, for jo hoyere tempera-■ turen er, dess hoyere er diffusjonskoeffisienten for å få en bestemt ion inn i glasset. Effekten som oppnås med hensyn til mekaniske egen-skaper, er bedre dersom temperaturen avtar under ioneutvekslingen enn hvis den opprinnelige temperatur opprettholdes under prosessen. Åor-saken til forbedringen er ikke kjent med sikkerhet. Utforelse av ioneutvekslingen ved en temperatur som holdes hoy i det tillatte område under prosessen viser seg å fore til en uheldig okning av konsentra-sjonen av de substituerte ioner i glassets overflatelag i en tykkelse av 1 til 30 mikron. Disse ioner finnes i plasser ikke opptatt av alkalimetallioner i det usubstituerte glass. Dersom temperaturen er tilstrekkelig senket under ioneutvekslingsperioden, unngås eller mins-kes disse overdrevne konsentrasjoner og dette viser seg å medvirke til det forbedrede resultat. Utforelse av herdingsprosessen i samsvar med oppfinnelsen 6ker glassets strekkstyrke og okning av styrken er storre enn hva som kan oppnås ved å holde temperaturen konstant i en vesent-lig del av herdingen. Strekkstyrken som erholdes ved herdingen har også en tendens til å bibeholdes i lengre tid når herdingen utfores i samsvar med oppfinnelsen.

Det har også vist seg i mange tilfeller at overflaten av det herdede glass har en forbedret kjemisk motstandsevne mot påvirkning av været.

Ved utforelse av en hoytemperatur-herdingsprosess er begynnertemperaturen under ioneutvekslingen minst 1.05 Tg, hvor som nevnt Tg er temperaturen hvor glassets viskositet er 10 J' poise. For lav-temperaturprosessen er begynnertemperaturen minst 0.6 Tg.

Temperaturen under ioneutvekslingen reduseres som nevnt med minst 4-0°C, men den kan avta betraktelig mer enn dette, dvs. mer enn 100°C, f.eks. 150°C eller endog 200°C.

Ioneutvekslingen finner sted mellom glasset og et omgivende smeltet medium som består av ett eller flere bad i hvilke glasset er neddykket. Dersom det anvendes et bad av mediet, kan glasset bli for-oppvarmet for det bringes i kontakt med badet for å unngå eller redusere varmesjokk, og redusere prosesstiden. F,t belegg av mediet kan naturligvis bli påfdrt en forvarmet glassgjenstand. Fn smelte kan be-stå av et kaliumsalt, det vil si kaliumnitrat, et litiumsalt, det vil si litiumklorid, eller en blanding av salter omfattende kalium- eller litiumsalter.

Når det anvendes et kjemisk herdebad, kan en gjenstand som skal herdes béveges gjennom badet og en temperaturgradient kan opprettholdes i badet, så at det nodvendige temperaturfall oppnås når artikkelen fores fremover. Temperaturfallet kan lett oppnås ved å anbringe suksessive neddykkede hetelegemer i badet, hvilke har forskjellige temperaturer. Dessuten kan, ved å velge antallet, avstanden og rel. dimensjoner av hetelegemehe i badet, overflatetemperaturen av en hvilken som helst del av legemet under ioneutvekslingen gis en hvilken som helst forutbestemt temperatur. Hastigheten av legemet under passasjen gjennom badet kan også varieres. Ved utforelse av oppfinnelsen på denne måte kan hver av overflatedelene av legemet fra be-gynnelsen til enden utsettes for en temperatur som avtar under ioneutvekslingen.

Anvendelsen av kjemisk herdingsbad med en temperaturgradient som avtar i bevegelsesretningen av artikkelen er av særlig betydning for herding av, glassplater eller fibre som beveges kontinuerlig fra trekksonen, i hvilken glasset har h6y temperatur. T en trekkmaskin av Colburn-typen fores de trukne glassplater over en styrevalse og ned i et kjolebad hvor glasset kjoles suksessivt. Herding i samsvar med oppfinnelsen kan finne sted i et slikt kjolebad. Således kan et herdebad anvendes som kjolebad og glassplater kan fores gjennom badet således at herdingen finner sted ved en temperatur som avtar mot utlopet av badet.

Herdingen i samsvar med oppfinnelsen kan foretas i to eller flere bad etter hverandre, de etterfølgende bad gis suksessivt lavere temperaturer. Når man herder trukket glass, kan dette kuttes opp mellom suksessive badbehandlinger, for herdingen er så fremskredet at kutting er vanskelig.

Det er blitt funnet at oppfinnelsen også kan anvendes på glass-keramiske legemer med hvilken som helst grad av krystallisasjon. Kt glass-keramisk legeme kan herdes på kjemisk måte ved å substituere ioner i de ytre lag av legemet, ved en temperatur tilstrekkelig hoy for avspenning, med ioner som gir en lavere koeffisient med hensyn på varmeutvidelse i de ytre lag, eller ved å substituere ioner i de ytre lag med storre ioner, mens disse lag er ved en temperatur under avspenningspunktet for glassfasen eller glassfåsene av legemet. De for-holdsregler som er gitt i det folgende refererer seg til kjemisk herding av glass generelt anvendt på vitrokrystallinske materialer.

I det folgende beskrives noen utforelsesformer for oppfinnelsen under henvisning til tegningene omfattende fig. 1 og 2 som er oppriss av to forskjellige apparater.

Apparatet vist i fig. 1 omfatter en tank 1, en forvarmer-avdeling 2 og en kjoleseksjon 3. Tanken 1 omfatter en bunnvegg 4 °g endevegger 5 og 6, og inneholder et bad 7 med smeltet kaliumsalt. T tanken er det varmevekslere 8 som er anbragt nær bunnen 4 °g hvor der strommer væsker som sirkulerer for å opprettholde varmevekslerne ved temperaturer som avtar fra varmeveksleren til venstre og til varmeveksleren til hoyre i tanken.

Forvarmeravdelingen som befinner seg mellom sideveggene 9> 10 er forsynt med hetelegemer (ikke vist) for å sorge for svak eller tilstrekkelig forvarming av artiklene som de passerer gjennom avdelingen.

Kjoleavdelingen 3 som avgrenses av mellomvegger 11, 12 er forsynt med kjolere (ikke vist) for å sorge for langsom eller hurtig kjoling av artiklene etter at de har passert tanken 1.

Mellom forvarmeravdelingen 2 og tanken 1 og mellom kjoleavdelingen 3 og tanken 1 er det porter 13 som åpner og lukker for artiklene som skai gis passende temperatur, hvilket snart skal vises.

Videre porter 13 ved toppen av forvarmer- og kjoleavdelingen adskiller disse avdelinger fra en ovre avdeling 14 hvor tynne plater 15 av glass er anbragt i hyller 16 for herding og deretter fjernet etter temperer-ing. Hyllene 16 er opphengt i en endelos foring 17 som beveges i ret-ning mot urviseren, som vist.

Kn typisk anvendelse av apparatet vil nå bli beskrevet. Glass plater 15 av,2 mm tykkelse anbringes på hyller 16 som befinner seg i avdelingen 14. Ved rotasjon av foringen 17 fores glassplatene gjennom forvarmeravdelingen 2 hvor de oppvarmes til en temperatur av 500°C. Platene fores så inn i badene 7 av smeltet kaliumnitrat, og gjennom badet til hoyre side hvor platene loftes ut av badet og fores til av-kjolingssonen. Platene forblir i badet 4 i 15 timer, i hvilken tid temperaturen!av platene senkes fra 500° til 350°C. Denne senkning av temperaturen bestemmes av temperaturen i de suksessive varmevekslere 8, den forste av disse (varmeveksleren ved venstre side), holdes ved 500°C, og temperaturen av de andre avtar trinnvis 37»5°C.

Under neddykkingen av platene i badet blir natriumionene i badet utvekslet med kaliumioner og denne ioneutveksling forer til kompresjonsspenninger i de ytre glasslag. T den tid platene er ved hoy temperatur, foregår ioneutvekslingen hurtig. Noen reaksjoner som forer til å oppbygge kaliumionekonsentrasjoner i de ytre lag av glassplaten kan finne sted ved disse hoye temperaturer, men tendensen for denne oppbygging avtar når temperaturen avtar. I den beskrevne pro-sess vil en.betydelig del av ioneutvekslingen finne sted ved lavere temperaturer.

De herdede plater kjoles langsomt i kjolesonen 3 °g fjernes deretter fra-hyllene 16 etter at de igjen har nådd toppseksjonen 14.

En lignende behandling kan utfores med vitrokrystallinske plater som har folgende sammensetning i vektprosent:

Det vises nå til fig. 2. Denne tegning viser en del av en glass-trekkemaskin omfattende et trekk-kammer 18 i hvilket en glassplate trekkes oppover fra et smeltet forråd av glass og deretter passerer langs et horisontalt kjolekammer 20. En tank 21 er plasert i det horisontale kammer.

Trekk-kammeret 18 omfatter vegger 23,24 og overst i kammeret er det anbragt en valse 25 som avboyer glassplaten slik at den passerer inn i det horisontale kammer 20. Det horisontale kammer, som dels omfatter bunnveggen 29 og sidevegger 30> 31, inneholder et bad 32 be-stående av en blanding av natrium- og litiumsalt. T tanken er det varmevekslere 33 anbragt nær bunnen 29. Væskestrommer passerer ved forskjellige temperaturer i de suksessive varmevekslere for å opprettholde en temperaturgradient i badet. To valser 3, 4 er plasert i tanken og glassbåndet passerer under disse valser.

Kn typisk anvendelse av installasjonen ifolge fig. 2 er folgende : Hastigheten av glassplaten og dimensjonene på tanken 21 er slik at alle deler av platen blir neddykket i tanken 21 i 10 minutter. Varmeveksleren på venstre side.holdes på 800°C og temperaturen av de folgende varmevekslere faller 50°C fra en veksler til den neste, slik at temperaturen nær utlopet av tanken er 600°C, hvilket er over ut-glodningstemperaturen for glasset. Mens glassplaten er i badet, vil litiumioner trenge inn i overflatelagene av glasset og erstatte natriumionene og denne ioneutveksling finner sted mens temperaturen i glasset avtar som beskrevet. Etter å ha forlatt tanken, boyes glassplaten over valsen 28 og fortsetter sin bevegelse i kammeret 20. T

de folgende deler av kammeret fortsetter platen å kjoles, og under passasjen nedover fra herdebadet vaskes platen med vann for å fjerne spor av salt og torkes med varm luft. Vaske- og torke-sonene er ikke vist.

Det er klart at herdeeffekten kan varieres ved å avpasse temperaturen av varmeveksleren.

Som allerede vist til kan ioneutvekslingen finne sted mellom et glasslegeme og et stoff som er anbragt som et belegg på glasset. Det folgende er et eksempel på denne fremgangsmåte. En plate av natrium-kalkglass ble forvarmet til 490°C og hurtig neddykket og fjernet fra et bad av"kaliumnitrat av samme temperatur. Som et resultat av neddykkingen ble den fjernede plate fullstendig dekket med en tynn film av kaliumsalt. Etter fjernelsen fra badet ble platen kjolt langsomt fra 490° til 350°C i en periode av 10 timer i et kjolekammer. Glassplaten ble så vasket og torket. Som et resultat ble kompresjons-

krefter innfort i overflatelagene av glasset under behandlingen.

I eti sammenligningsforsok ble en glassplate av samme sammen-

setning som i eksempel 2 underkastet samme behandling, unntatt at temperaturen ble holdt ved 490°C under hele perioden på 10 timer. Kompresjonsspenningene oppnådd i overflatelagene av glasset var mindre

enn kompresjonsspenningene i eksempel 2. Videre var platene ifolge eksempel 2 mindre utsatt for angrep av vann enn platene som var herdet under konstante temperaturforhold.o

Claims (4)

1. Fremgangsmåte til å forsterke et legeme av glass eller vitrokrystallinsk materiale ved ioneutveksling av alkalimetallioner mellom legemet og et, kontaktmedium, hvor mediet inneholder alkalimetallioner som gir en lavere varmeutvidelseskoeffisient til legemets lag og som erstatter ionene i disse lag, slik at lagene etter avkjoling kompri-

meres, eller det anvendes et medium som inneholder alkalimetallioner med storre diameter enn diameteren til legemets ioner for å indusere trykkspenninger i lagene hvori ioneutvekslingen tilveiebringes,karakterisert ved at det anvendes et kontaktmedium i form av et flytende bad og at temperaturen til legemet og mediet under minst en del av ioneutvekslingen reduseres med minst 40 C, idet begynnelsestemperaturen under ioneutvekslingen er minst 1.05 Tg, hvor Tg er den temperatur ved hvilken legemets viskositet er 10 13 -" 2 poise, når ionene fra mediet gir legemets ytre lag en lavere varmeutvidelses-koef f isient, eller idet begynnelsestemperaturen er under avspenningspunktet og er;minst 0.6 Tg når ionene fra mediet har storre diameter enn ionene i legemet.

2. Fremgangsmåte ifolge krav 1, karakterisert ved at legemet, f.eks. i form av en glassplate, fores gjennom mediet inneholdende alkalimetallionene som diffunderer inn i legemet og utveksler andre alkalimetallioner, og ved at mediets temperatur avtar langs legemets bevegelsesbane.

3. Fremgangsmåte ifolge krav 1-2, karakterisert ved at glassplaten passerer kontinuerlig gjennom mediet fra trekksonen i en glasstrekkemaskin. .

4. Apparat for bruk i en kjemisk herdeprosess for å forsterke et legeme av glass eller vitrokrystallinsk materiale ifolge kravene 1-3, omfattende minst en tank (1,21) for et bad av et medium inneholdende ioner for diffusjon inn i legemet, og anordninger for å fore et. legeme langs en bane inn og ut av nevnte tank, f.eks. anordninger omfattende minst en bæreinnretning (16) på hvilken en gjenstand f15) som skal behandles kan plaseres og som er anbragt på en drevet trans-portør f 17) eller anordninger omfattende valser (25,28,34-) hensiktsmessig anordnet for foring av et bånd av glass (19) inn og ut av nevnte tank, karakterisert ved anordninger for opprettholdelse av en temperaturgradient i badet, idet temperaturen avtar langs nevnte bane i foringsanordningens bevegelsesretning..:-...<:.>5. Apparat ifolge krav 4, karakterisert ved at anordningene for opprettholdelse av temperaturgradienten i badet omfatter minst en varmeveksler (8) gjennom hvilken væske sirkuleres.