Sposób polepszania wlasciwosci mechanicznych przedmiotów szklanych oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób polepszania wlasciwosci mechanicznych przedmiotów szklanych oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu.Znane jest polepszanie wlasciwosci mechanicz¬ nych przedmiotów szklanych przez obróbke cieplna lub chemiczna. Hartowanie cieplne obejmuje ogrze¬ wanie i nastepnie nagle ochladzanie szkla w celu wywolania naprezen sciskajacych w jego zewnetrz¬ nych warstwach w wyniku szybszego ochladzania tych warstw. W procesie hartowania chemicznego w zewnetrznych warstwach szkla powstaja napre¬ zenia sciskajace, spowodowane przenikaniem w od¬ powiednich warunkach do tych warstw atomów, czasteczek lub jonów ze stykajacego sie ze szklem osrodka. Hartowanie chemiczne polega zwykle na zastapieniu jonów jonami o róznej wielkosci pro¬ mienia dostajacymi sie do szkla w procesie wy¬ miany.(Mozliwe jest na przyklad wytworzenie naprezen sciskajacych przez zastapienie jonów w zewnetrz¬ nych warstwach szkla przez jony o mniejszym pro¬ mieniu, które nadaja tym warstwom nizszy wspól¬ czynnik rozszerzalnosci cieplnej, podczas gdy po¬ wierzchnie szkla posiadaja temperature wyzsza od temperatury odprezania (odpowiadajaca lepkosci 1013'2 puazów); naprezenia takie moga byc równiez wytworzone przez wymiane jonów w, zewnetrznych warstwach szkla przez jony o wiekszym promie¬ niu podczas, gdy powierzchnie szkla posiadaja temperature nizsza od temperatury odprezania. 10 15 20 25 30 Celem wynalazku jest polepszenie mechanicznych wlasciwosci przedmiotów szklanych przez poddanie ich obróbce hartowania cieplnego, nastepnie po¬ nowne ogrzanie i poddanie ich obróbce hartowania chemicznego.Wedlug wynalazku szklo lub material szklano- Hkrystaliczny ogrzewa sie, a nastepnie nagle ochla¬ dza sie w celu tworzenia w zewnetrznych war¬ stwach naprezen sciskajacych powstajacych jako wynik szybszego ochladzania tych warstw. Kiedy szklo w tej obróbce cieplnego hartowania posiada podwyzszona temperature nastepuje wymiana jo¬ nów miedzy szklem i stykajacym sie z nim osrod¬ kiem i powoduje powstawanie naprezen sciskaja¬ cych dodatkowo do naprezen spowodowanych zróz¬ nicowanym ochlodzeniem w zewnetrznych war¬ stwach szkla, podczas, gdy zachodzi to ochladzanie.Proces ten moze byc przeprowadzony bardziej ekonomicznie niz proces wymagajacy, aby material byl po pierwszym hartowaniu ponownie ogrzany.Poza tym moze byc uzyskany /bardziej lagodny sto¬ pien naprezenia sciskajacego. Proces ten pozwala równiez na uzyskanie stopnia naprezenia plytszego od stopni mozliwych do uzyskania w przypadku tylko hartowania chemicznego oraz naprezen po¬ wierzchniowych wiekszych niz otrzymywane tylko przez hartowanie cieplne.Sposób wedlug wynalazku nadaje sie, zwlaszcza do zwiekszania wytrzymalosci szkiel o zwyklym skladzie, to znaczy szkiel wyprodukowanych 68 9403 z latwo dostepnych i tanich skladników, na przy¬ klad krzemionki, sody, wapienia i skalenia.Dyfuzja jonów do szkla lub materialu szklano- -krystalicznego moze miec miejsce ze stykajacego sie z materialem osrodka gazowego, stalego lub 5 cieklego. Najlepiej jest pokryc material warstwa osrodka utworzonego tak, aby wymiana jonów, prowadzaca do zahartowania materialu, miala miejsce miedzy tym osrodkiem i szklem lub mate¬ rialem szklano-krystalicznym w odpowiednio pod- 10 wyzszonej temperaturze. Powloka moze byc utwo¬ rzona przez zanurzenie materialu w kapieli stopio¬ nego osrodka. Material moze byc ogrzany przed poddaniem go powleczeniu przez osrodek, jesli to jestpozadane. 15 Sposób wedlug wynalazku polega na tym, ze ply¬ te szkla sodowo-wapniowego pokrywa sie powloka ze stopionej soli litu, pokryta plyte ogrzewa sie do temperatury powyzej temperatury odprezania szkla, co powoduje dyfuzje jonów litu do szkla i zasta- 2Q pienie jonów sodu, nastepnie plyte ochladza sie do temperatury ponizej dolnej temperatury odprezania tak, ze nie moze nastapic relaksacja naprezen wewnetrznych. W wyniku tego, warstwy zewnetrz¬ ne plyty znajduja sie w stanie sciskania. Napreze¬ nia sa czesciowo vwynikiem ochladzania plyty od temperatury powyzej temperatury odprezania, a iglebokosc, do której siegaja w szkle naprezenia sciskajace jest tak duza, jak moglaby byc osiagnie¬ ta tylko przez samo hartowanie cieplne. Jednak wielkosci naprezen sciskajacych, szczególnie bezpo¬ srednio przy warstwach powierzchniowych, sa wyz¬ sze niz moglyby powstac tylko z samej obróbki cieplnej. Zastapienie jonów litu jonami sodu w zewnetrznych warstwach szkla zmniejsza wspól- 35 czynnik rozszerzalnosci cieplnej tych warstw szkla i wynikle efekty hartowania nakladaja sie na efek¬ ty przypisywane naglemu ochladzaniu od tempera¬ tury powyzej dolnej temperatury odprezania.Sposób wedlug wynalazku moze miec równiez 4e taki przebieg, ze plyte szkla sodowo-wapniowego pokrywa sie powloka stopionej soli potasu i powle¬ czona plyta jest ogrzewana za pomoca promienio¬ wania cieplnego, zawierajacego znaczne ilosci pro¬ mieni, które wnikaja do wewnetrznych warstw 45 plyty szklanej, podczas gdy powleczona plyta styka sie z ogrzanym osrodkiem gazowym.Promieniowanie cieplne i temperatura osrodka gazowego sa regulowane w ten sposób, ze wew¬ netrzne warstwy szkla sa podnoszone do tempera- 50 tury powyzej dolnej temperatury odprezania szkla, to znaczy powyzej temperatury odprezania, a na¬ wet powyzej temperatury miekniecia, ale tempera¬ tura plyity przy jej powierzchniach, wzrastajaca do¬ statecznie dla dyfuzji jonów potasu od powloki do 55 szkla dla zastapienia jonów sodu o mniejszym pro¬ mieniu jest utrzymywana ponizej dolnej tempera¬ tury odprezania. Powierzchnie plyty sa nastepnie nagle ochladzane. Wielkosc naprezen sciskajacych w plycie szklanej wykazuje, ze efekty hartowania 60 cieplnego i chemicznego pokrywaja sie.Podany wyzej opis odnosi sie do szkla sodowo- -wapniowego i hartowania chemicznego przez wy¬ miane jonów sodu na jony litu lub potasu, lecz ta sama zasadnicza procedura jest mozliwa do stoso- ^ 4 wania przy obróbce innych szkiel lub materialów szklano-4orystalicznych oraz gdy powoduje sie dy¬ fuzje innych jonów do materialu, aby uzupelnic wyniki obróbki hartowania cieplnego. Jako zródlo nagrzewania promiennikowego mozna stosowac elektryczne grzejniki oporowe lub powierzchnie ogrzane do zarzenia za pomoca gazu palnego.Sklad spektralny promieni emitowanych przez to zródlo musi wiazac sie ze skladem szkla lub ma¬ terialu szklano^krystalicznego poddawanego obrób¬ ce tak, aby zachodzilo odpowiednie pochlanianie promieniowania przez wewnetrzne warstwy mate¬ rialu. Jesli poddaje sie obróbce szklo sodowo-wap- niowe, ogrzanie "wewnetrznych warstw szkla mozna osiagnac przez napromieniowanie szkla podczerwo¬ nymi promieniami posiadajacymi zasadnicza ilosc fal o dlugosci ponizej 2,8 mikrona. Powloka dostar¬ czajaca jony, które maja dyfundowac do szkla, musi byc dostatecznie przepuszczalna dla promieni, które moga przenikac do wewnetrznych warstw szkla. Powloka wiec musi posiadac zasadniczo przepuszczalnosc promieni o dlugosci fali do 2,7 mikrona, najlepiej zas przepuszczalnosc promie¬ ni o dlugosci fali do 5 [mikronów. Oczywiscie moz¬ liwa jest takze dyfuzja jonów bezposrednio do szkla ze stykajacego sie z nim zjonizowanego osrodka gazowego. W kazdym przypadku elementy nagrzewania promiennikowego nagle ogrzewaja wewnetrzne warstwy plyty ciagnionego szkla so¬ dowo-wapniowego, jesli elementy te posiadaja temperature 1200°C lub wyzsza.Zródlo lub zródla nagrzewania promiennikowego stosowane do napromiennikowania szkla lub ma¬ terialu szklano-kirystalicznego moga byc umieszczo¬ ne w komorze do obróbki, w której istnieje cyrku¬ lacja osrodka gazowego dla utrzymania powierzchni materialu w odpowiedniej temperaturze tak, aby to zródlo nagrzewania promiennikowego ogrzewalo równiez osrodek gazowy.Wynalazek obejmuje równiez urzadzenie do sto¬ sowania sposobu hartowania plyt lub innych wyro¬ bów ze szkla lub materialu szklano-krystalicznego, zawierajace przyrzady do kontaktowania powierz¬ chni danego wyrobu z osrodkiem, z którego jony moga dyfundowac do wyrobu, grzejniki do ogrze¬ wania wyrobu tak powleczonego, aby co najmniej warstwy wewnetrzne materialu ogrzac do tempe¬ ratury powyzej dolnej temperatury odprezania oraz urzadzenia do naglego ochladzania powierzchni wyrobu.Urzadzenie do kontaktowania powierzchni wyro¬ bu z osrodkiem, z którego jony moga dyfundowac do materialu sklada sie co najmniej z jednego zbiornika zawierajacego kapiel osrodka cieklego.Urzadzenie sklada sie z komory do obróbki, w której moze byc umieszczony wyrób przeznaczo¬ ny do hartowania, urzadzenia do napromieniowania wyrobu w komorze tak, aby spowodowac ogrzanie wyrobu przez pochlanianie promieniowania oraz urzadzenia do cyrkulacji osrodka gazowego w ko¬ morze do utrzymania powierzchni wyrobu w tem¬ peraturze nizszej od temperatury jego czesci wew¬ netrznych w czasie napromieniowania. W sklad urzadzenia moze równiez wchodzic przenosnik do przenoszenia obrabianych wyrobów przez komore do obróbki.68 940 Przedmiot wynalazku jeat przedstawiony przy- kladowo na (rysunku, na którym fig, X pokazuje urzadzanie w przekroju pionowym, a fig. 2 — inny przyklad wykonania tego urzadzenia, równiez w przekrojupionowym. $ Urzadzenie wedkig wynalazku zawiera zwornik 1, piec 2 oraz komore chlodzaca 3 tworzace wspól¬ na calosc. Zbiornik 1 ma ksztalt odwróconej litery „L" i jest czesciowo otoczony tylna scianka 8, sta¬ nowiaca przedluzenie scianki 6 zbiornika 1, wew- iq netrzna scianka 9, górna scianka 10 1 scianka 11.Piec jest wyposazony w elementy ogrzewcze IB, na przyklad gazowe promiennikowe elementy ogrzew¬ cze, rozmieszczone w poblizu wewnetrznych po^ wierzchni pieca. Komora chlodzaca 3 jest otoczona W czesciowo wewnetrzna scianka 9 i tylna scianka 13, tworzaca calosc razem ze sciankami 11 i 5. Ko¬ mora chlodzaca jest wyposazona w chlodnice 14 rozmieszczone dookola wewnetrznych powierzchni komory. 30 Chlodnicami tymi sa powietrzne przewody chlo¬ dzace z dyszami rozpylajacymi strumienie zimnego, sprezonego powietrza. Przedmioty 15 poddawane obróbce, sa przymocowywane w punkcie wyjscio¬ wym 17 do przenosnika ciaglego 16, który przecho- 25 dzi cyklicznie przez zbiornik, piec i komore chlo¬ dzaca i nastepnie sa zdejmowane z przenosnika w punkcie odbiorczym 18. Polaczenie miedzy tymi trzema czesciami urzadzenia jest przedzielone przez wewnetrzne poziome scianki, Jesli to jest 90 pozadane, w czasie kiedy przenosnik 16 jest nieru¬ chomy, mozna dla zamkniecia polaczenia miedzy tymi trzema czesciami stosowac drzwiczki nie po¬ kazane na rysunku.Urzadzenie pokazane na fig. 2 sklada sie ze 35 zbiornika 20, pieca 21 i komory chlodzacej 22, two¬ rzacych jedna calosc. Zbiornik 20 z dnem 23, i bocznymi sciankami 24 i 25 zawiera kapiel 26 ze stopionej soli. Piec jest oddzielony czesciowo scian¬ kami bocznymi 27 i 28 i jest wyposazony w elek- 40 tryczne grzejniki oporowe 29 rozmieszczone dooko¬ la wewnetrznych powierzchni tych scianek. W dnie pieca znajduja sie dwie rury 30, 31, przez które wdmuchiwane jest gorace powietrze z dmuchawy 33 przez przewód 32 i (urzadzenie ogrzewcze 34. 45 Rury 30, 31 maja otwory wylotowe otwierane ku górze w piecu po przeciwnych stronach srodkowej plaszczyzny prostopadlej do plaszczyzny rysunku.W celu umozliwienia regulacji doplywu goracego powietrza przewidziane sa zawory 35. 50 Gorace powietrze dostarczane do pieca jest wy¬ ciagane przez dwie rury 36, 37 wyposazone w za¬ wory kontrolne 38. Komora chlodzaca 22 jest czes¬ ciowo oddzielana przez scianki boczne 39, 40 i jest wyposazona w chlodnice 41 podobne do chlodnic 14 55 w urzadzeniu pokazanym na fig. 1. Wyroby 41, które maja byc poddane obróbce, sa przymocowy¬ wane w punkcie wyjsciowym 43 na przenosniku ciaglym 42, który przenosi wyroby przez zbiornik, piec i komore chlodzaca i nastepnie zdejmowane 60 z przenosnika w punkcie odbiorczym 44. Polaczenie miedzy zbiornikiem, piecem i komora chlodzaca jest oddzielone przez wewnetrzne poziome scianki, tak jak w urzadzeniu przedstawionym na fig. 1.IV czasie gdy przenosnik jest nieruchomy, mozna <» w ceUl *arakniecja polaczenia miedzy Grzejna czes¬ ciami urzadzenia stosowac drzwiczki, nie pek^ane na ryjHMOtou.Nizej podano kilka przykladów stosowania spor aoby wedlug wynalazku.Przyklad I.! Plyty szklane zahartowano w itrzacjzeniu przedstawionym na fig. 1. Zbiornik 1 zaWiera kapiel z azotanu litu, utrzymywana w tem¬ peraturze 250°C. Predkosc przenosnika wyrobów jest regulowana tak, ze kazda plyta w czasie swo¬ jego przejscia przez kapiel zostaje pokryta war¬ stwa soli Jitu o jednolitej grubosci na swoich oby¬ dwóch powierzchniach. W piecu plyty szklane zo¬ staly poddane temperaturze o okolo 50°C wyzszej od dolnej temperatury odprezania szkla w celu uzyskania relaksacji naprezen wewnetrznych.W czasie zanurzenia i nastepnie ogrzania kazde) plyty, jony litu przenikaja do powierzchniowych warstw plyty w wymianie na jony sodu i warstwy te posiadaja znaczne stezenie jonów litu w okresie g i komora chlodzaca. W komorze chlodzacej pryty zostaja dostatecznie nagle ochlodzone dla wytwo¬ rzenia naprezen sciskajacych, powstalych w zew¬ netrznych warstwach szkla. W skrajnie zewnetrz¬ nych warstwach pod cisnieniem stwierdzono, ze wielkosc naprezen sciskajacych wystepuje czescio¬ wo dzieki wprowadzeniu jonów litu w wymianie na jony sodu, które zmniejszaja wspólczynnik roz¬ szerzalnosci cieplnej powierzchniowych Warstw szkla.Przyklad IX. Plyty szkla sodowo-wapniowego zostaja chemicznie zahartowane w urzadzeniu po¬ kazanym na fig. 2. Zbiornik zawiera kapiel.z azo¬ tanu potasu utrzymywana w temperaturze 380°C.Predkosc przenosnika wyrobów jest regulowana tak, ze kazda plyta w czasie przechodzenia przez kapiel gpstaga pokryta warstewka soli potasu o jednakowej (grubosci na swoich obydwóch po¬ wierzchniach. Elektryczne grzejniki oporowe 29 zo¬ staly doprowadzone do temperatury rzedu 1200°C, przy której osiagnieta zostala znaczna ilosc pro¬ mieniowania cieplnego o dlugosci fali w granicach 1,5 do 2 mikronów.Przez wewnetrzne warstwy szkla zostaly pochlo¬ niete znaczne ilosci promieni cieplnych oraz osiag¬ niete zostalo dostateczne promieniowanie dla pod¬ niesienia temperatury w wewnetrznych warstwach szkla powyzej dolnej temperatury odprezania.W tym samym czasie jest stale wdmuchiwane do pieca gorace powietrze o temperaturze takiej, aby utrzymac zewnetrzne warstwy szkla ponizej dolnej temperatury odprezania lecz dostatecznie wysokiej dla dyfuzji jonów potasu od powloki do powierz¬ chniowych warstw szkla w wymianie na jony sodu.W tym czasie, gdy plyta szklana znajduje sie w przejsciu miedzy piecem i komora chlodzaca, warstwy powierzchniowe maja znaczne stezenie jonów potasu. W komorze chlodzacej plyty zostaja ochlodzone dostatecznie nagle dla powstania na¬ prezen sciskajacych w zewnetrznych warstwach szkla. Stwierdzono, ze w skrajnie zewnetrznych warstwach pod cisnieniem wielkosc naprezen scis¬ kajacych wystapila czesciowo dzieki zastapieniu jo¬ nów sodu w szkle przez wieksze jony potasu.68 940 Przyklad III. Plyta szkla sodowo-wapniowego w pozycji "poziomej zostaje zanurzona w kapieli ze stopionego azotanu potasu, której temperatura wy¬ nosila 380°C, kontrolowana termostatem. Górna po¬ wierzchnia plyty szklanej znajduje sie 1 centymetr 5 ponizej powierzchni kapieli. Tak zanurzona plyta szklana zostaje napromieniowana promieniowaniem cieplnym z elementów nagrzewania promienniko¬ wego umieszczonych nad kapiela i posiadajacych temperature powierzchni okolo lOOO^C. Plyta zosta- 10 la w ten sposób napromieniowana w okresie dzie¬ sieciu minut, nastepnie odwrócona i poddana ta¬ kiej samej obróbce przez nastepne dziesiec minut.Plyta szklana zostala wyjeta z kapieli i ochlodzona do normalnej temperatury. Stwierdzono, ze w zew- 15 netrznych warstwach szkla wytworzyly sie napre¬ zenia sciskajace spowodowane czesciowo zastapie¬ niem w tych warstwach jonów sodu przez wieksze jony potasu. 20 Przyklad IV. Plyta ze szkla sodowo-wapnio¬ wego zostaje poddana dzialaniu par azotanu litu przy 620^C i promieniowaniu cieplnemu z elek¬ trycznego elementu nagrzewania, posiadajacego temperature powierzchni 1400°C. Znaczne ilosci pro- 25 mieni przeniknely do wewnetrznych warstw szkla i podniosly temperature tych warstw troche powy¬ zej temperatury miekniecia. Plyta zostala nastepnie ochlodzona dla wytworzenia naprezen sciskajacych w zewnetrznych warstwach szkla. Stwierdzono, ze 30 naprezenia sciskajace w skrajnie zewnetrznych warstwach byly czesciowo spowodowane zastapie¬ niem jonów sodu w szkle przez jony potasu. PL