DE1071298B

DE1071298B - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit von Hohlkörpern aus Glas

Info

Publication number: DE1071298B
Application number: DENDAT1071298D
Authority: DE
Inventors: Paris Bernard Long
Original assignee: Compagnies Reunies des Glaces et Verres Speciaux du Nord de la France
Current assignee: Compagnies Reunies des Glaces et Verres Speciaux du Nord de la France
Priority date: 1957-07-30
Publication date: 1959-12-17
Also published as: US3001329A

Description

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DEUTSCHES MfWf^ PATENTAMT

kl. 32 a 30

INTERNAT. KL. C 03

AUSLEGESCHRIFT 1071298

C 17281 IVc/32 a

ANMELDETAG: 3 0. JULI 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 17. DEZEMBER 1959

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von dünnwandigen Hohlkörpern aus Glas, insbesondere von solchen Hohlkörpern, die im Preß-Blasverfahren oder im Blas-Blasverfahren hergestellt werden.

Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung dünnwandiger Hohlkörper, wie z. B. Flaschen, Pokale, Becher u. dgl., wobei die Wandstärke dieser Hohlkör per verhältnismäßig gering ist. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hohlkörper haben bei geringem Gewicht eine verhältnismäßig große mechanische Festigkeit, insbesondere gegen Schlag und Druck von innen.

Diese Hohlkörper, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, können durch Härtung in ihrer mechanischen Festigkeit nur wenig verbessert werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die vorgeformte Wand des Gefäßes in einer ersten Verfahrensitufe auf eineTemperatur gebracht, bei der die Viskosität des Glases kleiner als 10⁹ Poise ist, worauf dann durch eine Kühlung der Außenfläche des Gefäßes ein wesentlicher Sprung der Viskosität zwischen den Oberflächen der Wand erzeugt wird, wobei der Mittelwert der Viskosität zwischen 10⁹ und 10¹² Poise liegt. In einer zweiten Verfahrensstufe bringt man im Inneren des Hohlkörpers so lange ein Druckgas zur Wirkung, dessen Temperatur gleich oder höher als die Temperatur der Wand des Hohlkörpers ist, bis die Außenfläche nahezu ihre endgültige Form erhalten hat. Schließlich wird in einer dritten Verfahrensstufe die Außenfläche rasch gekühlt, wodurch sich die Wand des Hohlkörpers verfestigt, während in der Dicke der Wand ein beachtlicher Gradient der Geschwindigkeit der durch Ausdehnung bedingten viskosen Deformation vorhanden ist.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Hohlkörper so herzustellen, daß die vorgeformte Wand des Hohlkörpers auf eine erhöhte Temperatur gebracht und dann die Außenfläche dieser Wand von außen gekühlt wurde. In diesem Fall wird die Kühlung jedoch auf einen Hohlkörper ausgeübt, dessen Wand nicht im Zustand einer durch Ausdehnung bedingten viskosen Deformation ist.

In dem oben angegebenen Viskositätsbereich ist der Temperaturkoeffizient der Viskosität sehr groß. Die Änderung der Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur ist unter etwa 10⁸ Poise und über 10¹³ Poise verhältnismäßig gering, während die Änderung zwischen diesen angegebenen Werten wesentlich rascher erfolgt. In diesem Viskositätsbereich erhält man also einen verhältnismäßig großen Viskositätsunterschied zwischen Außen- und Innenfläche des Gefäßes bei vorgegebenem Temperaturunterschied. Infolgedessen sind die Unterschiede der Geschwindigkeiten der viskosen Verfahren und Vorrichtung

zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit

von Hohlkörpern aus Glas

Anmelder:

Compagnies Reunies des Glaces et Verres

Speciaux du Nord de la France,

Paris

Vertreter:

Dr. F. Zumstein, Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Ässmann

und Dipl.-Chem. Dr. R. Koenigsberger, Patentanwälte,

München 2, Bräuhausstr. 4

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 30. Juli 1957

Bernard Long, Paris, ist als Erfinder genannt worden

Deformation infolge des im Inneren des Hohlkörpers wirkenden Gasdruckes sehr groß.

Die Hohlgläser, wie sie bisher hergestellt wurden, haben bekanntlich bei gleichen Temperaturen nicht die gleichen Viskositätswerte. Bei Kalk-Natron-Gläsern z. B. liegen die Temperaturen, die einer Vikosität von 10⁹ Poise entsprechen, etwa zwischen 620 und 670° C, je nach der Zusammensetzung, während einer Viskosität von 10¹² Poise Temperaturen zwischen etwa 550 und 600° C entsprechen. Bei anderen Glassorten entsprechen diesen Viskositäten andere Temperaturen.

Wenn nun der Innenraum des Hohlkörpers plötzlich unter Druck gesetzt wird, dann tritt zunächst eine elastische Deformation auf, und erst nach dem Abklingen dieser elastischen Deformation erfolgt eine rein viskose Deformation. .·

Die Temperatur des Gases, das auf die Innenfläche der Gefäßwand wirkt, muß gleich oder größer sein als die Temperatur dieser Innenfläche. Wäre die Temperatur des Druckgases geringer, dann würde in dieser Gefäßwand in einem gewissen Abstand von der Innenfläche dieser Wand eine Schicht mit einer maximalen Temperatur entstehen. Als Folge davon würde in der

9TO 689/147

Gefäßwand eine Glasschicht entstehen, die relativ zu den anderen Schichten gedehnt ist und die Festigkeit der Wand schwächen würde.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt das Prinzip zugrunde, daß die viskose Fließgeschwindigkeit in der Gefäßwand bei der \^rerformung kontinuierlich von der Innenfläche der Gefäßwand bis zur Außenfläche hin abnimmt. Das Gefälle der viskosen Fließgeschwindigkeit, das überall die gleiche Richtung hat, ist dabei ziemlich stark. Während der viskosen Deformation steht die Gefäßwand unter tangentialer Ausdehnung- bzw. Zugspannung, und diese Spannungen sind um so größer, je höher das Geschwindigkeitsgefälle ist.

Bei der schnellen Erstarrung des Glases kehren sich, was in der Glastechnik allgemein bekannt ist. diese Spannungen um. Nach der Erstarrung steht daher die Gefäßwand bei der Temperatur der Umgebung unter einer tangentialen Druckspannung.

Die Entspannung wird während der Abkühlung geringer, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit höher ist. Bei sonst gleichen Verhältnissen sind daher die endgültigen Spannungen um so größer, je schneller die Abkühlungsgeschwindigkeit während des Erstarrungsvorganges ist.

Die Stärke der tangentialen Druckspannungen in der Gefäßwand hängt also von dem Gefälle der Viskosität in der Gefäßwand ab, das während der Deformation vorhanden ist, sowie von der Erstarrungsgeschwindigkeit der Gefäßwand.

Die schnelle Erstarrung der Wand während der dritten Stufe des Verfahrens darf jedoch nicht mit der Härtung des Glases verwechselt werden. Die Härtung des Glases erkennt man an folgenden Merkmalen:

a) vor der raschen Abkühlung hat der zu härtende Gegenstand in seiner ganzen Dicke die gleiche Temperatur oder wenn die Temperatur nicht ganz gleichförmig ist, dann haben die Oberflächenschichten des Gegenstandes eine etwas höhere Temperatur,

b) die rasche Abkühlung erfolgt symmetrisch an den beiden Oberflächen des Gegenstandes.

Außerdem treten beim üblichen Härten, abgesehen von der Schwerkraft, keine äußeren Kräfte auf, während beim erfindungsgemäßen \^rerfahren während des Erstarrens des Hohlkörpers ein starker Druck auf die Innenfläche dieses Körpers ausgeübt wird.

Aus den obigen Ausführungen ergibt sich also eindeutig, daß es sich bei dem Erstarrungsvorgang, wie er gemäß der Erfindung vorgesehen ist, keinesfalls um eine Härtung handelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf Hohlkörper angewandt werden, die eine vorläufige Form haben, die der endgültigen Form bereits sehr ähnlich ist. Die Verformung der Gläser zu ihrer endgültigen Form erfolgt dann durch Aufblasen und rasches Erkalten des Hohlkörpers, wobei die thermischen Verhältnisse in den oben angegebenen Grenzen liegen.

Die Erwärmung des Hohlkörpers in seiner vorläufigen Form erfolgt vorzugsweise durch Strahlung, wobei der Hohlkörper so stark erwärmt wird, daß seine mittlere \^iskosität unter 10⁹ Poise liegt. Dann wird der Hohlkörper in eine Metallform eingebracht, deren Innenfläche Wärmestrahlen stark reflektiert. In dieser Form wird der Hohlkörper weiter so stark erwärmt, daß seine mittlere Viskosität zwischen 10⁹ und 10¹² Poise liegt, worauf er rasch aufgeblasen wird und dabei seine endgültige Form erhält, in der er dann rasch erkaltet.

Die Metallform hat eine große Anzahl enger Kanäle, durch die ein Gas eingeblasen werden kann, ferner eine weitere Anzahl von Kanälen, durch die das Gas aus dem Raum zwischen Metallform und Hohlkörper abgeführt werden kann.

Der Hohlkörper ist nur wenig kleiner als die Metallform, so daß er durch geringes Aufblasen in die endgültige Form gebracht werden kann.

Durch die Wärmebehandlung in der Metallform wird der Hohlkörper auf eine Temperatur gebracht, bei der seine Viskosität zwischen 10⁹ und 10¹² Poise liegt, und außerdem wird eine Temperaturdifferenz zwischen der

ίο Innenfläche und der Außenfläche des Hohlkörpers erzeugt, die eine entsprechende Differenz der Viskositäten zur Folge hat.

Damit der Hohlkörper während des Umsetzens vom Heizraum in die Metallform durch Strahlung oder Konvektion abkühlt, wird er außen angeblasen. Der Wärmeverlust durch Strahlung ist im Inneren der Metallform wegen des hohen Reflexionsvermögens der Wand sehr gering. Durch das Anblasen wird außerdem der obenerwähnte Temperaturunterschied hervorgerufen.

Nach dem Anblasen wird der Innenraum des Hohlkörpers unvermittelt unter Druck gesetzt, und die Wand des Hohlkörpers legt sich an die Wand der Metallform, durch die sie auch durch Leitung gekühlt wird. Wäh-

^a5 rend der Verformung bildet sich in der Gefäßwand ein starkes Gefälle der Fließgeschwindigkeit aus. Nach der raschen Erstarrung der Wand des Hohlkörpers sind in der ganzen Dicke dieser Wand tangentiale Druckspannungen vorhanden.

Der Abstand zwischen Hohlkörper und Innenwand der Metallform hängt von der Wandstärke des Hohlkörpers, von dem zulässigen Überdruck und schließlich noch davon ab, daß der Hohlkörper rasch elastisch verformt wird und anschließend verzögert elastisch und viskos verformt wird. Weiterhin spielt auch die Zusammensetzung des Glases eine Rolle.

Der Hohlkörper kann auch durch Konvektionskühlung rasch zum Erstarren gebracht werden, wobei man mittels eines Fühlers feststellt, wann der Hohlkörper die Wand der Metall form berührt und über diesen Fühler ein Gebläse auslöst, das dann in Tätigkeit tritt, wenn die viskose Deformation entsprechend weit fortgeschritten ist. Vorzugsweise werden durch den Fühler zwei elektromagnetisch betätigte Klappen gesteuert, durch die der Zustrom der Kühlluft reguliert wird.

Nach der Erstarrung darf die Wand des Hohlkörpers keiner Wärmebehandlung unterworfen werden, da sonst die mechanische Festigkeit verringert würde.
Um die Ausbildung schwacher Zonen um die Öffnung des Hohlkörpers zu vermeiden, kann man diesen Teil des Hohlkörpers einer Wärmebehandlung unterwerfen, die sich jedoch nicht auf die Wand des Hohlkörpers ausAvirken darf.

DieErhöhung der mechanischen Festigkeit dcsllohlkörpers durch das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die tangentialen Druckspannungen in der Gefäßwand bedingt. So kann man beispielsweise die Festigkeit gegen Innendruck auf mehr als den doppelten Wert vergrößern, wenn man mit dem Wert vergleicht, den man sonst bei langsamer Abkühlung erhalten würde. Die Festigkeit des Hohlkörpers gegen Schläge von außen kann auf das Dreifache des Wertes vergrößert werden, den man bei Hohlkörpern beobachten kann, die nach üblichen Verfahren hergestellt wurden. Diese Erhöhung der Festigkeit kann auch bei Hohlgläsern erreicht werden, deren Wandstärke nur einige Millimeter beträgt.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben, in der

Claims

Fig. I in einem Schnitt den Heizofen mit Hohlkörper zeigt; Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Metallform; Fig. 3 zeigt die Halterung des Hohlkörpers; Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer Metallform, die mit einer Einrichtung für eine Konvektionskühlung ausgestattet ist. Der Hohlkörper 1, der seine vorläufige Form beispielsweise durch das bekannte Preß-Blas-\^erfahren erhalten hat, wird im Innenraum 2 eines Ofens durch die Wärmestrahlung der Widerstände 3 erwärmt, die in Aussparungen der Wand 4 angeordnet sind. Die Wand 4 liegt auf Isolierziegeln 5 und ist zur Wärmeisolation in einem Isolierstoff 6, z.B. in Kieselgur oder Asbest eingebettet, der seinerseits durch ein Metallgehäuse 7 zusammengehalten wird. Der Heizraum des Ofens ist durch einen festen Deckel 8 sowie durch einen abnehmbaren Deckel 9 verschlossen, der aus leichtem feuerfestem Material besteht. Der Hohlkörper wird an einem Ringwulst 10 gehalten, der in eine Ringnut des Halteringes 11 eingreift, der wiederum von Stützen 12 getragen wird. Diese Stützen 12 sind gelenkig mit einer horizontalen Stange 13 verbunden, -die über einen Ring 15 und einen Haken 16 an der vertikalen Stange 14 aufgehängt ist. Der Deckel 9 hängt an einem Haken 17. Der Hohlkörper kann in dem Ofen rasch erwärmt werden, und die Temperaturdifferenzen sind in der Dicke der Wand nur gering, da das Glas hauptsächlich durch Strahlung erwärmt wurde. Aus der Fig. 2 ersieht man, daß die Metallform aus einer kräftigen Innenwand 19 und aus einer äußeren Blechhülle 20 besteht. Von der Blechhülle 20 führen Kanäle 22 zu und durch die Innenwand der Metallform, die außerdem noch mit Kanälen 21 ausgestattet ist. Das Gas. das in den Zwischenraum zwischen Form und Hohlkörper eingeführt wird, tritt bei 23 in den Zwischenraum der Form ein, strömt durch die Kanäle 21 in den Zwischenraum zwischen Hohlkörper und Form und verläßt die Form durch die Kanäle 22. Üblicherweise wird als Gas Luft verwendet. Die Innenwand der Metallform ist vorzugsweise mit einem Material verkleidet, das Wärmestrahlen nur schwach absorbiert, z.B. mit schwer oxydierbarem Metall wie Gold, Platin oder deren Legierungen, nichtrostender Stahl oder ein äußerst feines, pulverförmiges Material mit starkem diffusem Reflexionsvermögen wie z. B. Titanoxyd. Das ins Innere des Hohlkörpers 1 einzuleitende Druckgas wird über den Stutzen 24 und das daran angeflanschte Rohr 25 eingeführt, das über ein Ventil mit einem Druckgasbehälter in Verbindung steht. Durch das Einblasen des heißen Gases in den Hohlkörper 1 entsteht eine beachtliche Temperaturdifferenz zwischen der Innen- und Außenfläche des Hohlkörpers. Wenn sich dieser Hohlkörper dann infolge des Innendruckes ausdehnt, dann verfestigt er sich zunächst an der Außenfläche, die an der Innenwand 19 der Metallform anliegt, und diese Verfestigung schreitet von außen nach innen fort. Während des Erstarrens ist ein starkes Gefälle der viskosen Fließgeschwindigkeit innerhalb der Gefäßwand vorhanden. Die Fig. 3 zeigt den Hohlkörper 1' in seiner endgültigen Form. Der Ring wulst 10 muß unter Umständen nach dem Lösen aus dem Haltering 11 einer weiteren Glühbehandlung unterworfen werden. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung ist ein Fühler 26 vorgesehen, der durch den sich ausdehnenden Hohlkörper nach unten verschoben wird und dabei den Schalter 28 schließt, wodurch die beiden elektromagnetisch betätigten Ventile 29 geöffnet werden, so daß die Kühlluft durch die Leitungen in den Formzwischenraum eintreten können. Durch diese Konvektionskühlung erhält man den Vorteil, daß die reflektierende Verkleidung der Form nicht verändert wird. Patent \ χ s ρ r ü c η ε :

1. Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen Hohlkörpern aus nicht gehärtetem Glas, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Verfahrensstufe die vorgeformte Wand auf eine Temperatur gebracht wird, bei der die Viskosität des Glases unter 10⁹ Poise liegt, worauf durch eine Kühlung der Außenfläche ein beachtlicher Viskositätsunterschied zwischen den die Wand des Hohlkörpers begrenzenden Oberflächen erzeugt wird, wobei der Mittelwert der Viskosität zwischen 10⁹ und 10¹² Poise liegt, und daß in einer zweiten Verfahrensstufe ins Innere des Hohlkörpers ein Druckgas eingebracht wird, dessen Temperatur gleich oder größer als die Temperatur der Wand ist, wobei dieses Druckgas so lange auf die Wand einwirkt, bis die Außenfläche des Hohlkörpers nahezu ihre endgültige Form erhält, und daß in einer dritten Verfahrensstufe die Außenfläche rasch gekühlt wird, wodurch die AVand cTes HoTiIköVpers verfestigt wird, während in der Dicke der Wand ein beachtlicher Gradient der durch die Ausdehnung hervorgerufenen Geschwindigkeit der viskosen Deformation vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,· dadurch ge kennzeichnet, daß diese Form eine dicke Innenwand (19) und eine im Abstand davon angeordnete dünne Außenwand (20) hat, wobei ein Teil (21) der Kanäle vom Inneren der FOrm in den Zwischenraum zwischen Innen- und Außenwand führt und ein anderer Teil (22) der Kanäle von dem lnnenraum durch den Zwischenraum nach außen führt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formzwischenraum mit einem Vorratsbehälter oder einer Fördereinrichtung für Druckgas verbunden ist (23).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Form mit einem schwach oxydierbaren Metall wie Gold, Platin oder deren Legierungen oder mit nicht rostendem Stahl oder mit einem feinen, pulverförmigen Material verkleidet ist, das Wärmestrahlen stark reflektiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen in den lnnenraum der Form ragenden Fühler (26), der über ein Relais auf ein Preßluftventil (29) einwirkt, das beim Verschieben ■3es~Fühlers geöffnet wird und Preßluft zur Kühlung des Hohlkörpers austreten läßt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 297 361, 455 494, 756;

schweizerische Patentschrift Nr. 222 200.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen