NO128488B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til forsterkning av glass ved ioneutveksling.

Det er kjent at man kan forsterke mekanisk en glassgjen-stand som inneholder alkaliske ioner ved å føre glasset i kontakt med er kilde for alkåliioner som har større dimensjoner enn alkaliionene som finnes i glasset, idet temperaturen hvorved glasset ione-utveksles ligger lavere enn spennings-temperaturen '( strain point) som i henhold til normen Afnor er karakterisert ved en viskositet 10^^'^pois.

I betraktning av de høye temperaturer det dreier seg om er kildene for de aktuelle ioner vanligvis smeltede salter eller bland-inger av saltsmelter.

Den forsterkning som man oppnår på denne måten forklares vanligvis slik: alkaliionene i glassets overflatesjikt vil under på-virkning av den høye temperatur veksles ut med alkaliioner i det om-givende miljø, hvilke ioner er større. De innvandrende ioner opptar således i glassets overflatesjikt områder som tidligere var opptatt av ioner med mindre dimensjoner og de innvandrende ioner skaper derfor en utvidelse av overflatesjiktene. Denne naturlige utvidelse vil hindres av bindingskreftene mellom overflatesjiktene og dé indre sjikt hvor slik utveksling ikke har funnet sted. Man får en spennings- eller kom-presjonstilstand i overflatesjiktene og bruddbestandigheten for en glass-gjenstand som er behandlet på denne måten øker således omtrent til samme nivå som overflatekompresjonsspenningene. I virkeligheten vil denne forsterkning bare opprettholdes under bruk av glassgjenstanden hvis tykkelsen av overflatesjiktet som har motatt innvandrende store ioner har en større dybde enn feil som oppstår på glassoverflaten.

For en gitt anvendelse av en.glassgjenstand må man derfor fast-legge em minimal tykkelse for nevnte overflatesjikt, som skal gi gjen-standen en varig forsterkning. Denne minimaltykkelse kan alt etter bruken variere mellom 10 og 200 mikron.

Imidlertid følger ionevekslingsprosessen som denne forsterkn-ingstype bygger på de klassiske diffusjonslover. Inntrengningsdybden for de store alkaliioner øker med varigheten og temperaturen av behandlingen og avhenger av det aktuelle glassets sammensetning. Man ser således at vhis man bestemmer en viss. kompresjonssjikt-tykkelse, må behandlingstiden være desto kortere jo høyere temperaturen er. I realiteten vil forholdet imidlertid være at jo høyere temperaturen er, jo raskere vil s<p>enningene som innføres ved ionevekslingen utlignes. Dette er grunnen til at forsterkningen ved en gitt kompresjonssjikttykelse vil minske ved økende temperatur. Derav følger at det finnes en optimal behandlings-temperatur som svarer til den minimale behandlingstid, dvs. den mest økonomiske prosess. F.eks. i forbindelse med et teknisk natronkalkglass vil man ved ioneveksling Na+ - K<+> øke bruddbestandigheten. med 30 kg/mm^ målt på et prøvestykke 120 x 40 x mm ved bøyning på fire punkter, og hvor tykkelsen av kompresjonssjiktet målt i polarisasjonsmikroskop er 40 mikron, og man finner under disse.forhold, idet ionekilden er kaliumnitrat, at optimaltemperaturen ligger på 450°c» Nedsenkningstiden for glasset i kaliumnitrat er 38 timer. Det er allerede konstatert at hvis glassgjenstanden som inneholder-natriumioner først, føres i kontakt med en kilde for kaliumioner ved .en temperatur som ligger over røtglødn-ings<p>unktet (annealing point), karakterisert i henhold til normen Afnor

o IS

ved en viskositet pa 10 pos, hvoretter man forlenger behandlingen ved

en temperatur som ligger lavere enn spenningspunktet (strain point)

svarende til en viskositet på 10^'^. pois i henhold ti,l .normen Afnor ovenfor, men høyere enn laveste utglødningstemperatur (lowé<r> annealing point) karakterisert ved én viskositet på 10 pois, vil den samlede tid for de to behandlinger for å oppnå en bestemt forsterknirigsgrad og en bestemt kompresjonssjikt-tykkelse være mye mindre enn varigheten av den enkelte behandling som må gjennomføres under spenningstemperaturen for å oppnå disse resultater. Søkeren har funnet at det er særlig gunstig for å oppnå de ønskede forsterkningstykkelser å benytte to på-følgende behandlinger i bad med forskjellig sammensetning. Man oppnår resultater som er bedre og raskere hvis man gjennomfører en forutgående behandling ved en temperatur på ca. 600°C i et bad hvor den relative konsentrasjon av forsterkende kationer er lavere enn i det badet hvor man gjennomfører sluttbehandlingen og som holder en temperatur på 450°C. Den brukbare behandlingstid for ovennevnte forutgående behandling ligger på omkring 1 time.

Med fordel kan man benytte et første forsterkningsbad som inneholder en betraktelig andel, omkring 50$» alkaliioner av samme type alkaliionene i utgangsglasset, og hvor det andre badet bare inneholder forsterkningsioner med større diameter. I praksis er det vanligvis gunstig å benytte som første bad en'blanding av natriumsulfat <p>g kaliumklorid og den avsluttende behandling i et bad av rent kaliumnitrat.

Nedenfor illustreres oppfinnelsen ved et kontret eksempel i forbindelse med et vanlig natronkalkglass. Spenningstemperaturen og utglødnings-temperaturen for glasset befinner seg respektivt på 5H»5 og 545»5°Q« Man nedsenker suksessivt prøvestykkende av glass først i en tid t^ i en smelteblanding med følgende sammensetning:

som holder 600°C, og deretter i tiden t2 i et rent kaliumnitratbad ved 450°C.

Den vedlagte tegning viser sjikttykkelsen av kompresjonssjiktet i glasset som funksjon av varigheten tg for den andre behandlingen, op<p>satt for diverse varigheter avdden første behandling. Kompresjonssjikttykkelsen målt i polarisasjonsmikroskopet er oppsatt

som ordinat på denne figuren. Langs abscissen har man avsatt kvadratroten av t2 uttrykt.i timer. Den rette linjen A som går gjennom origo viser oppbygningen av kompresjonssjiktets tykkelse som funksjon av nedsenkningstiden i KNO^-badet for et prøvestykke som ikke er underkastet første behandling. Man ser at for å oppnå en tytkels.e på 40 nyu kreves

en behandling på 3& timer.

Hvis glasset har gjennomgått en første behandling med varighet t-^, viser kurven B tykkelsesvariasjonene for kompresjonssjiktet som funksjon av kvadratroten av varigheten for den andre behandlingen og denne kurve dannes av to rette deler, for det første OM hvis lengde øker med varigheten av den første behandlingen, og MN som løper parallelt med linjen A som utgjør sammenligningsprøven.

På figuren har man vist forskjellige kurver B^, B2, B, B^, B^, som res<p>ektivt svarer til første behandlingstider på 9 minutter, -minutter, 25 minutter, 36 minutter og 64 minutter. Man har eksperimen-telt funnet at ordinaten for punktet M er omtrent lik den oppnådde dybden for kaliumion-inntrengningen etter første behandling. Siden 'stigningen for linjen OM er større enn for den ubehandlede sammen-lignings<p>røven ser man umiddelbart at for en bestemt tykkelse for kompresjonssjiktet er varigheten av den andre behandlingen mindre for glass som har gjennomgått første behandling, enn for sammenlign-ingsprøven. Hvis man f.eks. vil oppnå en kom<p>resjonssjikttykkelse på 40 mikron svarer de optimale behandlingsbetingelser til segmentet OM, dvs. 25 minutter for første behandling og 10 timer 30 minutter for andre behandling. Den totale behandlingstid er således 11 timer', mens den er 38 timer når man bare gjennomfører en enkelt behandling. Overflatespenningene målt optisk og den mekaniske styrke målt ved bøyning på fire punkter og uttrykt med et intervall på 80 % er følgende:

Selv om man for gjenstander som er underkastet første behandling har konstatert at kompresjonsspenningene som utvikles på overflaten fra starten av den andre behandlingen er betraktelig

mindre enn for gjenstander som ikke er behandlet på forhånd, ser man at de to fremgangsmåter fører til det samme kon<p>resjonssjikt- tykkelse med overflate-kompresjonsspenninger og bruddstyrker som ligger meget nær hverandre, men med meget forskjellig total behandlingstid, idet behandlingstiden i henhold til oppfinnelsen er mye-kortere. Dette bemerkelsesverdige resultat synes særlig å bygge på fenomener omkring spenningsutjevning, som synes å være meget forskjellige for de to prosesser.

Hvis man forandrer temperaturen eller- sammensetningen for badene, kan de oppnådde resultater presenteres på lignende måte og vise fordelene ved ovenstående dobbelte behandling, under forut-setning av at: 1) temperaturen for den første behandling ligger høyere enn øverste utglødningstemp'eratur, .men lavere enn den temperatur hvor glassets viskositet er 10^ pois, 2) temperaturen for den andre behandling ligger lavere enn avspenningstemperaturen og fortrinnsvis ved en temperatur lavere enn utglødningstemperaturen, 3) den relative konsentrasjon av kaliumioner i det andre badet er høyere enn i første bad.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte til forsterkning av alkaliione-holdig glass ved ioneutveksling ved hjelp av to <p>åfølgende behandlinger med de samme ioner hvor første behandling finner sted ved en temperatur som ligger over glassets utglødningstemperatur, og den andre behandling finner sted ved en temperatur lavere enn avspenningstemperaturen, karakterisert ved at man benytter to forskjellige kilder til forsterkningsioner, idet innholdet av forsterkningskat-ioner i det andre badet er høyere enn i det første.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at den første behandling finner sted i en blanding av natrium-salter og kaliumsalter, og den andre behandlingen i et bad av et- kali-umsalt.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at den første behandling finner sted i en blanding av natriumsulfat og kaliumklorid inneholdende minst 50 % natrium-kationer.

4. Fremgangsmåte sormangitt i krav 1, karakterisert ved at glassets viskositet under den første behandlingen holdes på IT : 11 mellom 10. og 10 pois.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4»karakterisert, ved at glassets viskositet under den andre behandlingen holdes på under 10 - pois.