DE1496074C - A transparent glass object with a partially crystalline surface layer having a mechanical strength of at least 2800 kg / cm 2 and a method for its manufacture - Google Patents
A transparent glass object with a partially crystalline surface layer having a mechanical strength of at least 2800 kg / cm 2 and a method for its manufactureInfo
- Publication number
- DE1496074C DE1496074C DE19631496074 DE1496074A DE1496074C DE 1496074 C DE1496074 C DE 1496074C DE 19631496074 DE19631496074 DE 19631496074 DE 1496074 A DE1496074 A DE 1496074A DE 1496074 C DE1496074 C DE 1496074C
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- glass
- minutes
- temperature
- lithium
- weight
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 239000011521 glass Substances 0.000 title claims description 81
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 6
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 title claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 19
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 18
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910000272 alkali metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052642 spodumene Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 claims description 12
- 229910000174 eucryptite Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 8
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims description 5
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 5
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 2
- 239000006060 molten glass Substances 0.000 claims description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 46
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 30
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 14
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 11
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical group [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 10
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 9
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 9
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- CNLWCVNCHLKFHK-UHFFFAOYSA-N aluminum;lithium;dioxido(oxo)silane Chemical compound [Li+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O CNLWCVNCHLKFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L lithium sulfate Inorganic materials [Li+].[Li+].[O-]S([O-])(=O)=O INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 5
- RBTVSNLYYIMMKS-UHFFFAOYSA-N tert-butyl 3-aminoazetidine-1-carboxylate;hydrochloride Chemical compound Cl.CC(C)(C)OC(=O)N1CC(N)C1 RBTVSNLYYIMMKS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 4
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 4
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 4
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M Lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- -1 lithium silicates Chemical class 0.000 description 3
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 3
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052644 β-spodumene Inorganic materials 0.000 description 3
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910001413 alkali metal ion Inorganic materials 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M lithium bromide Chemical compound [Li+].[Br-] AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Chemical compound [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- IIPYXGDZVMZOAP-UHFFFAOYSA-N lithium nitrate Chemical compound [Li+].[O-][N+]([O-])=O IIPYXGDZVMZOAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 239000002667 nucleating agent Substances 0.000 description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 2
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titanium dioxide Inorganic materials O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000004127 vitreous body Anatomy 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N ammonium sulfate Chemical compound N.N.OS(O)(=O)=O BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052921 ammonium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011130 ammonium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000000374 eutectic mixture Substances 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N lithium oxide Chemical compound [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001947 lithium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- VVNXEADCOVSAER-UHFFFAOYSA-N lithium sodium Chemical group [Li].[Na] VVNXEADCOVSAER-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
Description
Die Erfindung betrifft einen durchsichtigen Glasgegenstand mit einer teilweise kristallinen, eine mechanische Festigkeit von wenigstens 2800 kg/cm2 aufweisenden Oberflächenschicht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Glas (3) zu wenigstens 96 Gewichtsprozent aus folgenden Oxiden besteht:The invention relates to a transparent glass object with a partially crystalline surface layer with a mechanical strength of at least 2800 kg / cm 2 , which is characterized in that the glass (3) consists of at least 96 percent by weight of the following oxides:
ONa 2 O
O
bis
bisuntil
until
until
20
358th
20th
35
4
185
4th
18th
&,5 bis 20
11 bis 244 to 7
&, 5 to 20
11 to 24
und/oder K2
Al2O3 Li 2 O and / or
and / or K 2
Al 2 O 3
wobei das Verhältnis von Li2O zur 'Gesamtmenge an Alkalioxiden nicht mehr als 0,8 (bezogen auf das Gewicht) bzw. 0,9 (bezogen auf Mol) und das Verhältnis von Al2O3 zur Gesamtmenge an Alkalioxiden 1,1 bis 5,0 (bezogen auf das Gewicht) bzw. 1,0 bis 1,5 (bezogen auf Mol) beträgt, die teilweise kristalline Schicht (2) aus in Glasmatrix dispergierten /i-Spodumen- und/oder /i-Eukryptit-Kristallen besteht und sie sich vom Glas nur durch einen höheren Li2O- und entsprechend niedrigeren Gehalt an den anderen Alkalioxiden unterscheidet, in ihr der Gesamt-Molgehalt der Alkalioxide aber der gleiche ist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung, das dadurch gekennzeichnet, ist, daß ein Glassatz der vorstehenden Zusammensetzung geschmolzen, das geschmolzene Glas gleichzeitig verformt und unter seinen Transformatibnspunkt abgekühlt, diese Glasform 5 Minuten bis 5 Stunden einer Temperatur von 600 bis 7500C ausgesetzt, mit einem geschmolzenen, lithiumsalzhaltigen Stoff bis zur Erzielung einer Oberflächenkristallisation bei 800 bis 900° C in Kontakt gebracht und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird.the ratio of Li 2 O to the total amount of alkali oxides not more than 0.8 (based on the weight) or 0.9 (based on mol) and the ratio of Al 2 O 3 to the total amount of alkali oxides from 1.1 to 5.0 (based on weight) or 1.0 to 1.5 (based on mol), the partially crystalline layer (2) of / i-spodumene and / or / i-eucryptite crystals dispersed in a glass matrix exists and it differs from glass only by a higher Li 2 O and correspondingly lower content of the other alkali oxides, but in it the total molar content of the alkali oxides is the same, and a process for its production, which is characterized by, that a glass set of the above composition is melted, the melted glass is simultaneously deformed and cooled below its transformation point, this glass form is exposed to a temperature of 600 to 750 0 C for 5 minutes to 5 hours, with a molten substance containing lithium salts until an O is achieved Surface crystallization brought into contact at 800 to 900 ° C and then cooled to room temperature.
Aus der USA.-Patentschrift 2 779 136 ist ein Verfahren zur Herstellung von Glasgegenständen mit hoher mechanischer Festigkeit bekannt, die in der Oberfläche und parallel zu dieser eine im wesentlichen gleichmäßige Druckspannung erhalten. Dieses Verfahren beruht auf der Beobachtung, daß, wenn ein Na2O oder K2O enthaltender Glaskörper mit einem einen niederen Schmelzpunkt aufweisenden Lithiumsalz in Berührung gebracht wird, ein Austausch zwischen den Alkalimetallionen des Glases und des geschmolzenen Salzes stattfindet und daß die Lithiumionen im Austausch mit den Natrium- oder Kaliumionen in das Glas wandern oder diffundieren. Die Erfahrung zeigte, daß in dem Fall, wo , das geschmolzene Lithiumsalz eine unter dem unteren Spannungspunkt des Glases liegende Temperatur aufwies, auf der Oberfläche des Glaskörpers durch den Ionenaustausch eine derartige Zugspannung entstand, die auf die geringe Größe der Lithiumionen im Vergleich zu den Natrium- oder Kaliumionen zurückzuführen war, daß in der Oberfläche sehr kleine Risse oder Sprünge auftraten, die schließlich den Bruch verursachten. Untersuchungen im Laboratorium ergaben, daß diese Spannung und der'Bruch verhindert werden können, wenn der Gegenstand während des Ionenaustausches auf einer über dessen unterem Spannungspunkt liegenden Temperatur gehalten wird und wenn die ausgetauschte Lithiummenge gleich dem Moläquivalent der durch diese verdrängten Natrium- und Kaliummenge ist. Das auf diese Weise in das Glas eingeführte Lithiumgewicht, berechnet als Li2O, betrug etwa die Hälfte des Gewichts des verdrängten Na2O zuzüglich eines Drittels des Gewichts des verdrängten K2O. Diese prozentuale Verdrängung und Verringerung der Alkalimetalloxidmenge im Glas führt zu einem im Vergleich zu dem ursprünglichen Wärmeexpansionskoeffizienten des Glases niedrigen Wärmeexpansionskoeffizienten in dem Teil des Glases, in dem dieser Austausch stattgefunden hat. Da der Ionenaustausch progressiver Art ist und von der Oberfläche nach innen zu erfolgt, erhält der Glaskörper eine an der Oberfläche liegende Schicht mit einem niedrigeren Wärmeexpansionskoeffizienten als im Innern. Dieses Verfahren ergab also einen Körper mit einer Oberflächen-Druckspannungsschicht, die — was in der Keramikindustrie wohl erkannt wurde —, die mechanische Festigkeit des Körpers wesentlich erhöht.US Pat. No. 2,779,136 discloses a process for the production of glass objects with high mechanical strength which receive an essentially uniform compressive stress in the surface and parallel to it. This method is based on the observation that when a glass body containing Na 2 O or K 2 O is brought into contact with a lithium salt having a low melting point, an exchange takes place between the alkali metal ions of the glass and the molten salt and that the lithium ions are exchanged migrate or diffuse with the sodium or potassium ions into the glass. Experience has shown that in the case where the molten lithium salt had a temperature below the lower stress point of the glass, such a tensile stress arose on the surface of the glass body due to the ion exchange, which is due to the small size of the lithium ions compared to the sodium - Or potassium ions, that very small cracks or cracks appeared in the surface, which eventually caused the breakage. Laboratory studies have shown that this tension and breakage can be prevented if the object is kept at a temperature above its lower tension point during the ion exchange and if the amount of lithium exchanged is equal to the molar equivalent of the amount of sodium and potassium displaced by it. The weight of lithium introduced into the glass in this way, calculated as Li 2 O, was about half the weight of the displaced Na 2 O plus a third of the weight of the displaced K 2 O. This percentage displacement and reduction in the amount of alkali metal oxide in the glass results in one Compared to the original coefficient of thermal expansion of the glass, the coefficient of thermal expansion is low in the part of the glass in which this exchange has taken place. Since the ion exchange is of a progressive nature and takes place from the surface inwards, the glass body receives a layer on the surface with a lower coefficient of thermal expansion than on the inside. This process thus resulted in a body with a surface compressive stress layer which - as has been recognized in the ceramic industry - significantly increases the mechanical strength of the body.
In der genannten Patentschrift ist weiterhin beschrieben, daß die Lithiumionen in Tonerde enthaltenden Silikatgläsern sich beim Hineindiffundieren in das Glas unter bestimmten Bedingungen mit dem im Glas enthaltenen Al2O3 und SiO2 umsetzen und dort sehr kleine /i-Spodumen-Kristalle (Li2O -Al2O3 · 4SiO2) bilden. Hierdurch wird der Wärmeexpansionskoeffizient in der der Umsetzung unterworfenen, an der Oberfläche liegenden Schicht weiter beträchtlich herabgesetzt, da das ß-Spodumen einen Wärmeexpansionskoeffizienten aufweist, der fast Null ist, und durch die Umsetzung der Alkalimetalloxidgehalt des Glas(grund)gefüges der Oberflächenschicht nochmals erheblich verringert wird. Das Haupterfordernis bei dem Verfahren der genannten Patentschrift ist daher die Bildung von /i-Spodumen in der an der Oberfläche liegenden Druckschicht.In the cited patent it is further described that the lithium ions in silicate glasses containing alumina, when diffusing into the glass, react under certain conditions with the Al 2 O 3 and SiO 2 contained in the glass and there very small / i-spodumene crystals (Li 2 O -Al 2 O 3 · 4SiO 2 ). As a result, the coefficient of thermal expansion in the layer on the surface that is subject to conversion is further reduced considerably, since the ß-spodumene has a coefficient of thermal expansion that is almost zero, and the alkali metal oxide content of the glass (base) structure of the surface layer is again considerably reduced by the conversion will. The main requirement in the process of the cited patent is therefore the formation of / i-spodumene in the pressure layer lying on the surface.
Es wurde gefunden, daß die erzielbaren Bruchfestigkeiten zwischen 1050 und 5250 kg/cm2 liegen. Die Bildung von /i-Spodumen in der Oberfläche von Al2O3 enthaltenden Gläsern erfolgt spontan. Seine Entwicklung unter der Oberfläche erfordert jedoch das Vorhandensein eines die Kristallisation beschleunigenden oder Kristallisationskerne bildenden Mittels. TiO2 erwies sich als ideales Kristallisationskerne bildendes Mittel und ergab, in einer Menge von 3 · bis 15 Gewichtsprozent enthalten, gute Kernbildung, wenn das Glas abgekühlt wurde. /i-Spodumen-Kristalle bildeten sich und wuchsen um diese Kerne, wenn die Lithiumionen aus dem geschmolzenen Salz in das Glas hineindiffundierten, vorausgesetzt, daß das Verhältnis von Alkalimetalloxid zu Al2O3 und zu TiO2 nicht zu hoch war. Dieser Vorbehalt mußte gemacht werden, da die TiO2-Kerne in einer ausreichend hohen Alkalimetalloxid-Konzentration löslich sind und sich dann nicht bilden. Auch bilden sich an Stelle von /i-Spodumen und /i-Eukryptit große Kristalle, wie Lithiumsilikate. Wenn also das gewichtsprozentuale Verhältnis des Alkalimetalloxids in bezug auf das TiO2 zu hoch ist, so bleibt das Innere des Glases durchsichtig, und die ß-Spodumen-Kristalle bilden sich nur an der Oberfläche. Ist das Verhältnis von Alkalimetalloxid zu Tonerde zu hoch, so werden andere Kristalle als ./f-Spodumen und ß-Eukryptit gebildet.It has been found that the breaking strengths that can be achieved are between 1050 and 5250 kg / cm 2 . The formation of / i-spodumene in the surface of glasses containing Al 2 O 3 occurs spontaneously. However, its subsurface development requires the presence of a crystallization accelerating or nucleating agent. TiO 2 was found to be an ideal nucleating agent and, when contained in an amount of 3 to 15 percent by weight, gave good nucleation when the glass was cooled. / i-Spodumene crystals formed and grew around these nuclei when the lithium ions from the molten salt diffused into the glass, provided that the ratio of alkali metal oxide to Al 2 O 3 and to TiO 2 was not too high. This reservation had to be made because the TiO 2 cores are soluble in a sufficiently high alkali metal oxide concentration and then do not form. Also, instead of / i-spodumene and / i-eucryptite, large crystals such as lithium silicates are formed. So if the percentage by weight of the alkali metal oxide in relation to the TiO 2 is too high, the inside of the glass remains transparent and the β-spodumene crystals only form on the surface. If the ratio of alkali metal oxide to alumina is too high, crystals other than ./f- spodumene and ß-eucryptite are formed.
Die nach dem Verfahren der USA.-Patentschrift 2 779 136 herstellbaren Produkte weisen hohe Festigkeitsgrade von 2100 kg/cm2 und mehr nur dann auf, wenn der fertige Körper trüb und durchscheinend ist. Diese Körper eignen sich sehr gut zur Verwendung als Geschoßkonus, Tafelgeschirre, elektrische Isolatoren und für andere Zwecke, bei denen die Trübung kein Hindernis ist.The products which can be manufactured according to the process of US Pat. No. 2,779,136 have high degrees of strength of 2100 kg / cm 2 and more only when the finished body is cloudy and translucent. These bodies are very suitable for use as projectile cones, tableware, electrical insulators, and for other purposes where haze is not an obstacle.
Der erfindungsgemäße Glasgegenstand, der eine genau definierte Zusammensetzung hat und nach einem bestimmten Verfahren hergestellt wird, besitzt nicht nur eine außerordentlich hohe Festigkeit, sondern ist auch durchsichtig, so daß er sich für Glasscheiben für Flugzeuge, Automobile, Schulen und Raumschiffe eignet. ,The glass article according to the invention, which has a well-defined composition and after a certain process is produced, has not only an extremely high strength, but is also see-through, making it suitable for use with panes of glass for airplanes, automobiles, schools and Spaceships are suitable. ,
Die gemäß der vorliegenden Erfindung zur Glasherstellung geeignete Mischung besteht im wesentlichen aus 56 bis 73 Molprozent SiO2, 4 bis 7 Molprozent TiO2, 8,5 bis 20 Molprozent wenigstens eines Alkalimetalls, wie Li2O, Na2O und K2O, wobei das Verhältnis von Li2O zu R2O nicht mehr als 0,9 beträgt, und 11 bis 24 Molprozent Al2O3, wobei das Verhältnis von Al2O3 zu R2O wenigstens 1,0 jedoch nicht mehr als 1,5 beträgt. Gläser mit Zusammensetzungen, die in die genannten Bereiche fallen, werden aus Glassätzen hergestellt, bei denen es sich um Oxide oder andere Verbindungen handeln kann, die beim Zusammenschmelzen in den erforderlichen Mengen in die gewünschten Oxide umgewandelt werden. Die Glassätze werden entsprechend der Menge und Größe der gewünschten Gegenstände etwa 4 bis 16 Stunden in Glaspfannen oder Tanks bei etwa 1400 bis 160O0C geschmolzen. Die Bestandteile des Glassatzes werden vorzugsweise in einer Kugelmühle gemahlen und der Schmelzfluß gerührt, um die Einheitlichkeit des Glases sicherzustellen. Das geschmolzene Glas wird darauf nach herkömmlichen Glasbearbeitungsverfahren, wie Pressen, Ziehen, Walzen, Blasen u. dgl., zu verschiedenen Formen verarbeitet. Darauf wird die Form vorzugsweise in einem Kühlofen gekühlt und auf Raumtemperatur abgekühlt. The mixture suitable for glass production according to the present invention consists essentially of 56 to 73 mol percent SiO 2 , 4 to 7 mol percent TiO 2 , 8.5 to 20 mol percent of at least one alkali metal, such as Li 2 O, Na 2 O and K 2 O, wherein the ratio of Li 2 O to R 2 O is no more than 0.9, and 11 to 24 mole percent Al 2 O 3 , wherein the ratio of Al 2 O 3 to R 2 O is at least 1.0 but not more than 1 .5 is. Glasses with compositions falling within the stated ranges are made from glassware, which may be oxides or other compounds which, when melted together, are converted into the desired oxides in the required amounts. Depending on the quantity and size of the desired objects, the glass sets are melted in glass pans or tanks at about 1400 to 160O 0 C for about 4 to 16 hours. The components of the glassware are preferably ground in a ball mill and the melt flow stirred to ensure the uniformity of the glass. The molten glass is then processed into various shapes by conventional glass working methods such as pressing, drawing, rolling, blowing and the like. The mold is then preferably cooled in a cooling furnace and cooled to room temperature.
Die Tabelle I bringt Beispiele von Zusammensetzungen, die außerordentliche Festigkeit, verbunden mit Durchsichtigkeit, in den fertigen Produkten, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, ergeben, wobei die Angaben über die entsprechenden Glassätze in Molprozent auf der Grundlage der Oxide unter Abzug der Verunreinigungen berechnet wurden, die im Glassatz enthalten sein können.Table I gives examples of compositions that have exceptional strength associated with each other with transparency, in the finished products made by the method of the invention are, result, with the information about the corresponding glass sets in mol percent on the The basis of the oxides has been calculated after deducting the impurities contained in the glassware could be.
Na2O Na 2 O
Li2O Li 2 O
Ai2O3 ....:..Ai 2 O 3 ....: ..
SiO2 SiO 2
TiO2 TiO 2
K2O . K 2 O.
A12O3/R2O...
U2OfR2O ...A1 2 O 3 / R 2 O ...
U 2 OfR 2 O ...
6,96.9
6,9
15,1
66,26.9
15.1
66.2
4,94.9
1,02
0,501.02
0.50
14,314.3
16,016.0
64,064.0
5,65.6
1,12
01.12
0
11,811.8
2,42.4
15,715.7
65,065.0
5,15.1
1,11 0,171.11 0.17
9,29.2
4,7 15,4 66,04.7 15.4 66.0
5,05.0
1,11 0,341.11 0.34
9,29.2
14,9 65,6 6,3 3,6 1,17 014.9 65.6 6.3 3.6 1.17 0
8,1
14,4
69,0
4,3
1,11
0,634.8
8.1
14.4
69.0
4.3
1.11
0.63
7,0
13,3
70,0
4,7
1,12
0,584.9
7.0
13.3
70.0
4.7
1.12
0.58
6,7
14,1
69,9
4,9
1,25
0,64.5
6.7
14.1
69.9
4.9
1.25
0.6
3,2
14,5
68,2
5,0
1,19
0,269.0
3.2
14.5
68.2
5.0
1.19
0.26
7,7
14,9
67,3
4,5'
1,12
0,585.5
7.7
14.9
67.3
4.5 '
1.12
0.58
8,3
14,4
67,9
4 35.1.
8.3
14.4
67.9
4 3
0,621.08
0.62
Li2O/R2O A1 2 O 3 / R 2 O
Li 2 O / R 2 O
Im allgemeinen sind drei Stufen erforderlich, um die Glasgegenstände nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu bearbeiten und die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Zuerst wird der Gegenstand in Luft vorgewärmt, was als »Wärmevorgeschichte«, abgekürzt als WVG, bezeichnet wurde. Hierbei wird der Gegenstand etwa 5 Minuten bis 5 Stunden einer Temperatur von etwa 600 bis 750° C ausgesetzt, wobei die Dauer kurzer ist, wenn Temperaturen nahe dem oberen Bereich angewendet werden; dann läßt man den Gegenstand auf Raumtemperatur abkühlen.In general, three stages are required to achieve the To process glass objects according to the preferred embodiment of the invention and the desired To achieve properties. First, the object is preheated in air, which is known as the "heat history", abbreviated as WVG. Here, the object becomes one for about 5 minutes to 5 hours Exposed to temperatures of around 600 to 750 ° C, the duration being shorter when temperatures near the upper range are used; then lets one cool the object to room temperature.
Zweitens wird der Gegenstand noch einmal erhitzt, und zwar auf eine Temperatur, die sich der des Salzbades nähert, etwa 800 bis 9000C und mehrere Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Drittens, der Gegenstand wird dann sofort in ein Bad aus geschmolzenem Salz eingetaucht, und zwar so lange, bis sich der gewünschte Oberflächen-Ionenaustausch mit nachfolgender Kristallbildung entwickelt, im allgemeinen etwa 3 Minuten bis 1 Stunde.Second, the object is heated again, and to a temperature approaching that of the salt bath, about 800 to 900 0 C and maintained at this temperature for several minutes. Third, the article is then immediately immersed in a bath of molten salt until the desired surface ion exchange with subsequent crystal formation develops, generally about 3 minutes to 1 hour.
Um den Arbeitsvorgang zu beschleunigen und Brennstoffe zu sparen, braucht die Gläsform nach den Schmelz- und Formstufen nicht im Kühlofen auf Raumtemperatur gekühlt zu werden. Natürlich muß der Glaskörper vor Beginn der WVG-Stufe wenigstens unter seinen Transformationspunkt abgekühlt werden. Der Transformationspunkt wird als die Temperatur betrachtet, von der vermutet werden kann, daß sich der flüssige Schmelzfluß bei ihr in einen amorphen Feststoff umgewandelt hat; er liegt im allgemeinen nahe der Kühltemperatur des Glases (etwa 700° bei den erfindungsgemäß in Betracht kommenden Glassorten).In order to speed up the work process and save fuel, the shape of the glass needs according to the Melting and molding stages not to be cooled to room temperature in a cooling furnace. Of course you have to the vitreous body cooled to at least below its transformation point before the start of the WVG stage will. The transformation point is considered to be the temperature from which it can be presumed that the liquid melt flow has converted into an amorphous solid with her; he lies in general close to the cooling temperature of the glass (about 700 ° for those in accordance with the invention Types of glass).
Es wurde gefunden, daß die WVG die Klarheit des Glasgegenstandes stark beeinflußt. Eine WVG bei einer zu geringen Temperatur läßt das Glas in der Salzbehandlung durchscheinend werden, während eine fehlende WVG dazu führt, daß bei der Salzbehandlung nur durchscheinende oder trübe Gegenstände entstehen. Eine WVG bei einer zu hohen Temperatur läßt die Oberfläche bei der nachfolgenden Bearbeitung in dem Bad aus geschmolzenem Salz im allgemeinen (haar)rissig werden.It has been found that the WVG greatly affects the clarity of the glass article. A WVG at too low a temperature makes the glass translucent in the salt treatment, while a A lack of WVG means that only translucent or cloudy objects are created during the salt treatment. A WVG at too high a temperature leaves the surface in the subsequent processing will generally crack (hair) in the bath of molten salt.
Die WVG kann durchgeführt werden, indem man den Gegenstand angemessen lange auf jede kennzeichnende Temperatur innerhalb des vorgeschriebenen Bereiches erhitzt oder indem man ihn verschiedenen Temperaturen innerhalb dieses Bereiches aussetzt, z. B. indem man den Gegenstand mit einheitlicher Geschwindigkeit innerhalb dieses Bereiches erhitzt. Es wurde jedoch gefunden, daß kürzere Wärmebehandlungen geeignetere Produkte ergeben, da trübmachende Phasen weniger Gelegenheit haben aufzutreten, so daß das Glas durchsichtig bleibt. Die bevorzugte WVG besteht daher darin, daß der Glasgegen-The WVG can be carried out by giving the object a reasonable length of time on each characteristic Heating temperature within the prescribed range or by making it different Exposing to temperatures within this range, e.g. B. by making the object uniform Speed heated within this range. However, it has been found that shorter heat treatments result in more suitable products, since opacifying phases have less opportunity to occur, so that the glass remains transparent. The preferred WVG is therefore that the glass object
stand etwa 5 Minuten einer Temperatur von 75O0C ausgesetzt wird.stand for about 5 minutes at a temperature of 75O 0 C is exposed.
Die Dauer der WVG kann beträchtlich schwanken, eine zu lange WVG führt jedoch im allgemeinen dazu, daß der Glasgegenstand während der Wärmebehandlung wolkig oder milchig wird oder daß sich während der nachfolgenden Salzbadbehandlung Risse in der Oberfläche bilden. Ein verhältnismäßig einfacher Versuch zur Bestimmung der richtigen Dauer der WVG bei einer bestimmten Glaszusammensetzung und einer . speziellen Temperatur besteht darin, daß man eine Reihe Stabglas-Proben in einen Ofen der gewünschten Temperatur bringt und die einzelnen Probestücke in bestimmten Abständen aus dem Ofen herausholt und anschließend jedes Probestück der Salzbadbehandlung unterwirft. Die Probestücke, bei denen die Dauer der WVG nicht ausreichend war, werden in der Salzbadbehandlung wolkig oder milchig werden, während die Probestücke, bei denen die WVG zu lang war, vor der Salzbadbehandlung wolkig oder milchig werden oder beim Abkühlen nach der Salzbadbehandlung auf der Oberfläche Risse zeigen.The duration of the WVG can vary considerably, but too long a WVG generally leads to: that the glass object becomes cloudy or milky during the heat treatment or that during cracks form in the surface during the subsequent salt bath treatment. A relatively easy attempt to determine the correct duration of the WVG for a certain glass composition and a . special temperature consists in placing a number of rod glass samples in an oven of the desired temperature Bringing temperature and taking the individual specimens out of the oven at certain intervals and then subject each specimen to the salt bath treatment. The specimens for which the duration of the WVG was insufficient, will become cloudy or milky in the salt bath treatment, while the Specimens for which the WVG was too long, become cloudy or milky before the salt bath treatment or show cracks on the surface when cooling after the salt bath treatment.
Der Einfluß der WVG läßt sich nicht vollständig erklären, es wird jedoch angenommen, daß sie eine Phasenscheidung im Glas hervorruft, wobei sich in außerordentlich großer Anzahl TiO2-Kerne bilden, die gleichmäßig, wenngleich willkürlich ausgerichtet, in der amorphen Phase dispergiert sind, und daß diese Kerne während des nachfolgenden Ionenaustauschverfahrens die Kristallisierung anderer kristalliner Phasen hervorrufen. Diese anderen kristalle sind so klein, daß sie nur sehr, sehr wenig in der Lage sind, das sichtbare Licht zu brechen oder zu zerstreuen und daher die Durchsichtigkeit des Glases nicht nachteilig beeinflussen können. Es wird ebenfalls angenommen, daß eine unangemessene oder fehlende WVG zur Bildung großer TiO2-Kristalle und anderer Phasen führt, die die Trübung des Körpers hervorrufen.The influence of the WVG cannot be fully explained, but it is assumed that it causes a phase separation in the glass, with an extraordinarily large number of TiO 2 nuclei being formed which are uniformly, albeit randomly, dispersed in the amorphous phase, and that these nuclei cause the crystallization of other crystalline phases during the subsequent ion exchange process. These other crystals are so small that they have very, very little ability to refract or scatter visible light and therefore cannot adversely affect the transparency of the glass. It is also believed that inadequate or lack of WVG leads to the formation of large TiO 2 crystals and other phases that cause the body to be cloudy.
Der Gegenstand braucht nach der WVG nicht unbedingt auf Raumtemperatur gekühlt zu werden. Wenn dies geschieht, so im allgemeinen deshalb, um die Ware vor der Behandlung in dem geschmolzenen Salzbad einer visuellen Prüfung unterziehen zu können.According to the WVG, the object does not necessarily need to be cooled to room temperature. When this happens, it is generally therefore to put the goods in the molten state before treatment To be able to subject the salt bath to a visual inspection.
Die Stufe, in der der Gegenstand unmittelbar vor dem Eintauchen in das Salzbad in Luft auf die im Salzbad herrschende Temperatur erhitzt wird, ist zwar nicht unbedingt erforderlich, dient jedoch zwei Zwecken. Ein Brechen oder Absplittern des Körpers auf Grund des Wärmeschocks, das ein Problem darstellen kann, wenn der Gegenstand nach der WVG auf Raumtemperatur abgekühlt wird, kann verhindert werden. Durch dieses Vorerhitzen wird der Gegenstand auch auf die richtige Temperatur gebracht, so daß die Salzbadbehandlung einheitlich erfolgen kann. Diese Vorwärmstufe erfolgt gewöhnlich lediglich dadurch, daß man den Glaskörper in einen auf 800 bis 900° C gehaltenen Ofen bringt und etwa 2 bis 5 Minuten in diesem beläßt.The stage at which the item immediately before being immersed in the salt bath in air to the im Salt bath is heated to the prevailing temperature, is not absolutely necessary, but serves two purposes Purposes. Breaking or chipping of the body due to thermal shock, which is a problem can, if the object is cooled to room temperature after the WVG, can be prevented will. This preheating also brings the item to the right temperature, see above that the salt bath treatment can be carried out uniformly. This preheating stage is usually only carried out by that the glass body is placed in an oven maintained at 800 to 900 ° C. and for about 2 to 5 minutes left in this.
Jedes Lithiumsalz oder Gemisch derartiger Salze ist geeignet, dessen Schmelzpunkt unter dem Erweichungspunkt des Glases liegt (etwa 950° C bei diesen Glasarten) und das sich bei der Behandlungstemperaturnicht so weit zersetzt, daß das geschmolzene Salz so alkalisch wird, daß es das Glas beträchtlich ätzt. Erfindungsgemäß nicht geeignet sind im allgemeinen die organischen Lithiumsalze. Zu den anorganischen Lithiumsalzen, deren Schmelzpunkte niedrig genug liegen und die bei der Behandlungstemperatur ausreichend beständig sind, gehören unter anderem Lithiumnitrat, Li'thiumsulfat, saures Lithiumsulfat, Lithiumchlorid, Lithiumbromid und Lithiumjodid. Any lithium salt or mixture of such salts is suitable whose melting point is below the softening point of the glass (about 950 ° C for these types of glass) and that is not different at the treatment temperature decomposed to such an extent that the molten salt becomes so alkaline that it considerably affects the glass etches. In general, the organic lithium salts are not suitable according to the invention. To the inorganic Lithium salts whose melting points are low enough and which are sufficiently stable at the treatment temperature are included other lithium nitrate, lithium sulfate, acid lithium sulfate, lithium chloride, lithium bromide and lithium iodide.
Wenn der Schmelzpunkt eines Salzes über dem Erweichungspunkt eines Glases liegt, so kann es vorteilhafterweise mit einem anderen Lithiumsalz gemischt werden, wobei entweder ein eutektisches Gemisch entsteht oder eines, das einen mittleren Schmelzpunkt aufweist. Die Zersetzung des geschmolzenen Salzes kann unterdrückt werden, indem man es in geschlossenem Gefäß hält und die gesamten Partialdrücke der gasförmigen Zersetzungsprodukte während der Behandlung des Glaskörpers auf 1 at oder höher hält.If the melting point of a salt is above the softening point of a glass, it can be advantageous be mixed with another lithium salt, either being a eutectic mixture arises or one that has a medium melting point. The decomposition of the melted Salt can be suppressed by keeping it in a closed vessel and using the total partial pressures of the gaseous decomposition products during the treatment of the vitreous body to 1 at or holds higher.
Lithiumsulfat ist der bevorzugte Hauptbestandteil des erfindungsgemäßen Salzbades. Dieses Salz schmilzt bei 860° C, die Erfahrung zeigte jedoch, daß es bei 880° C oder mehr verwendet werden sollte. Lithiumchlorid (5 bis 15 Molprozent) wurde zugefügt, um den Schmelzpunkt auf 820 bis 850° C herabzusetzen, so daß nur die Lithiumionen für den Natrium-Lithium-Austausch zur Verfügung standen. Nachdem die Bäder kurze Zeit verwendet worden waren, trat durch Bildung von Lithiumhydroxid eine lästige Korrosion des Glases ein. Die Zugabe von Ammoniumsulfat half nur wenig. Die Weiterarbeit führte dazu, dem Lithiumsulfat an Stelle von Lithiumchlorid 5 bis 15 Gewichtsprozent Natriumsulfat zuzufügen. Das bevorzugte Bad, in dem 5 Gewichtsprozent Natriumsulfat mit Lithiumsulfat verwendet wird, kann im Bereich von 850 bis 900° C Verwendung finden. Es wurde gefunden, daß die Zugabe dieser geringen Menge eines nicht Lithium enthaltenden Salzes die Wirksamkeit und Geschwindigkeit der Ionenaustausch-Umsetzung nicht merkbar beeinflußt. Versuche zeigten, daß bereits eine Menge von wenigen Gewichtsprozent Lithiumsalz ausreicht, um den Austausch durchzuführen; die Umsetzung erfolgt jedoch sehr langsam, da in der Reaktionszone an der Oberfläche des Gegenstandes weniger Lithiumionen zur Verfugung stehen. Es läßt sich erkennen, daß, obwohl in der bevorzugten praktischen Durchführung, bei der ein konzentriertes Lithiumionengemisch verwendet wird, eine Tränkdauer von etwa 3 Minuten bis 1 Stunde für einen zufriedenstellenden Ionenaustausch und die Oberflächenkristallisierung ausreicht, unterschiedliche Lithiumionenkonzentrationen und Wirksamkeiten eine unterschiedliche Tränkdauer erfordern. Die Wahl der geeigneten Konzentrationen und Zeitspannen kann vom Fachmann im Rahmen der obigen'Beschreibung leicht getroffen werden.Lithium sulfate is the preferred main component of the salt bath according to the invention. This salt melts at 860 ° C, however experience has shown that it should be used at 880 ° C or more. Lithium chloride (5 to 15 mole percent) was added to lower the melting point to 820 to 850 ° C, see above that only the lithium ions were available for the sodium-lithium exchange. after the After baths had been used for a short time, annoying corrosion occurred due to the formation of lithium hydroxide of the glass. The addition of ammonium sulfate helped little. The further work led to the Add lithium sulfate instead of lithium chloride 5 to 15 percent by weight sodium sulfate. The preferred bath, in which 5 percent by weight sodium sulfate is used with lithium sulfate, can be in the range from 850 to 900 ° C are used. It has been found that the addition of this small amount of a non-lithium containing salt affects the efficiency and rate of the ion exchange reaction not noticeably affected. Experiments showed that already a few percent by weight of lithium salt sufficient to carry out the exchange; however, the implementation is very slow because in the Reaction zone on the surface of the object less lithium ions are available. It leaves recognize that, although in the preferred practice, in the case of a concentrated Lithium ion mixture is used, an impregnation time of about 3 minutes to 1 hour for a satisfactory Ion exchange and the surface crystallization is sufficient, different lithium ion concentrations and efficacies require different soaking times. Choosing the right one Concentrations and periods of time can easily be determined by the person skilled in the art in the context of the above description to be hit.
Das folgende Fließschema soll der Erläuterung der verschiedenen Verfahrensstufen der Erfindung dienen.The following flow sheet is provided to illustrate the various process steps of the invention.
Bei den Stufen werden soiche unterschieden, die für die Erfindung erforderlich sind, und solche, die — wenngleich fakultativ — oft durchgeführt werden, um das Produkt visuell zu prüfen, den Körper vor einem Wärmeschock zu schützen oder aus anderen Gründen.A distinction is made between the levels for the invention is necessary, and those that - albeit optional - are often carried out, to visually inspect the product, to protect the body from thermal shock or from others Establish.
Erforderliche Stufen
SchmelzenRequired levels
Melt
Fakultative StufenOptional levels
Kühlen und VerformenCooling and deforming
Kühlen und Prüfung.Cooling and testing.
_ „.Wiedererhitzung_ ". Reheating
WVGi'WVGi '
~~"-»Kühlen~~ "-» cooling
-Wiedererhitzen-Reheating
Salzbad*"'Salt bath * "'
KühlenCool
Nachdem der Glassatz geschmolzen und darauf durch Abkühlen unter den Transformationspunkt des Glases verformt wurde, kann der Körper direkt einem auf 600 bis 7500C gehaltenen Ofen zugeleitet werden, und die WVG kann durchgeführt werden, oder er kann im Kühlofen gekühlt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt werden, um ihn visuell zu prüfen oder lediglich, um ihn so lange zu lagern, bis die eigentlichen Wärmebehandlungen durchgeführt werden sollen. Wenn der Körper auf Raumtemperatur abgekühlt wird, muß er wieder auf den Temperaturbereich der WVG erhitzt werden. Dies kann dadurch geschehen, daß man den Körper in einen, auf diesem Temperaturbereich gehaltenen Ofen einführt, oder dadurch, daß man ihn bei Raumtemperatur in den Ofen bringt und auf den WVG-Bereich erhitzt.After the glass set has been melted and then deformed by cooling below the transformation point of the glass, the body can be fed directly to a furnace maintained at 600 to 750 0 C, and the WVG can be carried out, or it can be cooled in the cooling furnace and then cooled to room temperature to check it visually or simply to store it until the actual heat treatments are to be carried out. When the body is cooled to room temperature, it must be reheated to the temperature range of the WVG. This can be done by introducing the body into an oven maintained at this temperature range, or by bringing it into the oven at room temperature and heating it to the WVG range.
Nach der WVG-Stufe kann die Glasform direkt in das Salzbad gebracht oder wieder zur Prüfung auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Wenn der Körper auf Raumtemperatur abgekühlt wird, dann sollte eine Vorerwärmstufe eingeschaltet werden, um ihn in heißer Luft auf die Temperatur des Salzbades zu erwärmen, so daß das Brachrisiko durch den Wärmeschock ausgeschaltet wird.After the WVG stage, the glass mold can be placed directly in the salt bath or put back on for inspection Room temperature. If the body is cooled to room temperature, then one should The preheating stage can be switched on in order to warm it up in hot air to the temperature of the salt bath, so that the risk of breakage due to the thermal shock is eliminated.
Nach der Behandlung in dem Salzbad wird der Körper auf Raumtemperatur abgekühlt, etwa anhaftendes Salz wird möglichst mit Wasser abgewaschen. After the treatment in the salt bath, the body is cooled to room temperature, such as clinging Salt is washed off with water whenever possible.
Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung wurde das Salz in Tontöpfen und Tiegeln geschmolzen, die einen überzug aus 96%iger Kieselsäure aufweisen. Auch andere Stoffe, die eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion durch die Lithiumsalze zeigen, wie rostfreier Stahl, können verwendet werden.In practicing the present invention, the salt was melted in clay pots and crucibles, which have a coating of 96% silica. Also other fabrics that have good resistance Against corrosion by the lithium salts, such as stainless steel, can be used.
Die Analyse der Röntgenstrahlen-Beugungsbilder ergab, daß es sich bei den Kristallen in der an der Oberfläche befindlichen Druckschicht um /?-Spodumen (Li2O-Al2O3-4SiO2) oder jS-Eukryptit (Li2O-Al2O3 · 2SiO2) handelte. Die bereits erwähnte Verdrängung der Natrium- und/oder Kaliumionen durch Lithiumionen ist an der Glasoberfläche am größten und verringert sich zum Innern hin progressiv. Die Kristallbildung von /S-Spodumen und /?-Eukryptit verringert sich in gleicher Weise, erstreckt sich jedoch nicht so weit ins Innere des Glaskörpers wie die Eindringung des Lithiums. Die Grenze, bis zu der das Lithium eindringt, ist nicht scharf zu ziehen und läßt sich nicht genau messen, obwohl sie aus dem entstehenden Spannungsbild geschätzt werden kann. Die Grenze des Kristallwachstums kann mikroskopisch gemessen werden, und die hierüber hinaus erfolgende Eindringung des Lithiums kann durch einen sichtbaren Wechsel im Brechungsindex des Glases bestimmt werden. Die durchschnittliche Eindringungstiefe des Lithiums in die aus den in Tabelle I aufgeführten Zusammensetzungen hergestellten Gegenstände beträgt gewöhnlich weniger als 1 mm.The analysis of the X-ray diffraction patterns showed that the crystals in the printed layer on the surface were /? - spodumene (Li 2 O-Al 2 O 3 -4SiO 2 ) or jS-eucryptite (Li 2 O-Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) acted. The already mentioned displacement of sodium and / or potassium ions by lithium ions is greatest on the glass surface and decreases progressively towards the inside. The crystal formation of / S-spodumene and /? - eucryptite is reduced in the same way, but does not extend as far into the interior of the vitreous as the penetration of lithium. The limit up to which the lithium penetrates cannot be drawn sharply and cannot be measured precisely, although it can be estimated from the resulting stress image. The limit of crystal growth can be measured microscopically, and the penetration of lithium beyond this can be determined by a visible change in the refractive index of the glass. The average depth of penetration of lithium into articles made from the compositions listed in Table I is usually less than 1 mm.
Es ist klar, daß diese Kristallbildung und Eindringung in direkter Beziehung steht mit der Zeitspanne, die der Gegenstand in das geschmolzene Salzbad eingetaucht ist. Eine zu kurze Behandlung ergibt nicht den optimalen Unterschied der physikalischen Eigenschaften von Oberfläche und nicht behandeltem Kern. ß-Spodumen weist, wie bereits erwähnt wurde, einen geringen Ausdehnungskoeffizienten auf, während /?-Eukryptit einen negativen Ausdehnungskoeffizienten hat. Eine zu lange Behandlung würde also den Unterschied der Eigenschaften von Oberfläche und Kern verringern. Eine Behandlung, die ausreichend lange erfolgt, um den Austausch von Lithium für Natrium oder Kalium vollständig durchzuführen, würde eine fertige Glas-Keramik ergeben, die, obwohl beträchtlich fester als das ursprüngliche Glas, dennoch nicht so fest sein würde wie das durch an der Oberfläche erfolgenden Austausch erhaltene, mit einer Schicht versehene Glas. Diese Tatsachen erforderten die strikte Einhaltung der Zeitspanne von etwa 3 Minuten bis 1 Stunde bei dem tatsächlichen Ionenaustauschverfahren, wenn das die bevorzugte Zusammensetzung aufweisende Salzbad verwendet wird.It is clear that this crystal formation and penetration is directly related to the length of time that the object is immersed in the molten salt bath. Too short a treatment does not give the optimum difference in the physical properties of the surface and the untreated Core. As already mentioned, ß-spodumene has a low coefficient of expansion while /? - eucryptite has a negative expansion coefficient has. Too long treatment would therefore reduce the difference in the properties of the surface and the core. A treatment which takes a long enough time to completely replace lithium for sodium or potassium, would result in a finished glass-ceramic which, although considerably stronger than the original Glass, however, would not be as strong as that obtained by surface exchange, coated glass. These facts required strict observance of the period of about 3 minutes to 1 hour with the actual ion exchange process, if that is the preferred Composition comprising salt bath is used.
Das Molverhältnis von Li2O/R2O ist ein weiterer kritischer Faktor bei der Herstellung eines Gegenstandes, der eine hohe Festigkeit aufweisen soll. In Gläsern mit einem hohen Lithiumoxidgehalt würde, das Eintauchen in ein Salzbad aus Lithiumionen keine große Wirkung erzielen, da nur wenige Natriumionen enthalten sind, die durch das Lithium ersetzt werden können. Nimmt das Verhältnis von Na2O und/oder K2O zu Li2O im ursprünglichen Glas zu, so vergrößert sich auch die festmachende Wirkung der Lithiumbehandlung, da das Glasinnere dann einen progressiv ansteigenden Ausdehnungskoeffizienten aufweist, während die äußeren Schichten zu Spodumen oder Eukryptit kristallisieren und sich sehr wenig ausdehnen. Es erwies sich als möglich, durch geeignete Auswahl der Glaszusammensetzung und Salzbadbehandlung Körper zu bilden, deren Festigkeit zwischen 2800 und 8400 kg/cm2 liegt und die verschiedene Ausdehnungskoeffizienten von -10 bis +70 · 10~7/°C aufweisen. Die höheren Festigkeitswerte - treten zusammen mit höheren Ausdehnungswerten auf.The molar ratio of Li 2 O / R 2 O is another critical factor in the manufacture of an article that is to have high strength. In glasses with a high lithium oxide content, immersion in a salt bath of lithium ions would not have much effect because there are few sodium ions that can be replaced by the lithium. If the ratio of Na 2 O and / or K 2 O to Li 2 O in the original glass increases, the fixing effect of the lithium treatment also increases, since the inside of the glass then has a progressively increasing coefficient of expansion, while the outer layers become spodumene or eucryptite crystallize and expand very little. It proved to be possible to form by appropriate choice of glass composition and salt bath body whose strength is 2800-8400 kg / cm 2 and the different coefficients of expansion of -10 to +70 x 10 -7 / ° C. The higher strength values - occur together with higher expansion values.
Es wurde gefunden, daß . das Molverhältnis von A12O3/R2O zwischen 1 und 1,5 gehalten werden muß, oder es entstehen nur durchscheinende oder trübe Körper, unabhängig davon, welche WVG- und SaIzbad-Behandlungen angewendet werden. Es wird angenommen, daß diese Trübung auf die Bildung von Kristallphasen zurückzuführen ist, bei denen es sich nicht um Eukryptit und Spodumen handelt. TiO2-Konzentrationen von mehr als etwa 7 MoI-It was found that. the molar ratio of A1 2 O 3 / R 2 O must be kept between 1 and 1.5, or only translucent or cloudy bodies result, regardless of which WVG and salt bath treatments are used. It is believed that this haze is due to the formation of crystal phases other than eucryptite and spodumene. TiO 2 concentrations of more than about 7 MoI-
6S prozent rufen durch die Ausfällung von Rutil oder Anatas während der Verformung des Glasgegenstandes eine Trübung hervor. Höhere Prozentsätze an TiO2 vergrößeren die Gefahr, daß während einer 6 ½ percent cause the precipitation of rutile or anatase during deformation of the glass object. Higher percentages of TiO 2 increase the risk that during a
309 627/1 S3309 627/1 S3
ίοίο
künftigen Bearbeitung des Stoffes in der offenen Flamme, z. B. beim Feuerpolieren, eine Trübung eintritt. Das Vorhandensein von weniger als 4 Molprozent TiO2 führt zu einer unzureichenden Kernbildung bei der thermisch induzierten Phasenabscheidung, so daß während der Salzbehandlung ein durchscheinendes oder milchiges Glas entsteht. Diese unzureichende Kernbildung zieht auch eine wenig umfangreiche Kristallbindung nach sich, so daß die festmachende Wirkung sehr gering ist.future processing of the substance in the open flame, z. B. when fire polishing, a cloudiness occurs. The presence of less than 4 mol percent TiO 2 leads to insufficient nucleation in the thermally induced phase deposition, so that a translucent or milky glass is formed during the salt treatment. This inadequate nucleation also results in less extensive crystal bonding, so that the fixing effect is very poor.
Die Kieselsäuremenge sollte etwa 73 Molprozent nicht übersteigen, da sonst ein übermäßig viskoser Schmelzfluß entsteht, der höhere Schmelztemperaturen erfordert, als bei herkömmlichen feuerfesten Materialien praktisch zu erreichen ist.The amount of silica should not exceed about 73 mol percent, otherwise it will be excessively viscous Melt flow results, which requires higher melting temperatures than with conventional refractories Materials is practically accessible.
Es wurde gefunden, daß das Vorhandensein geringer Mengen anderer Oxide geduldet werden und sogar dienlich sein kann. Zu solchen Oxiden gehören: Rb2O und Cs2O, die R2O teilweise ersetzen können; B2O3, das als Flußmittel geeignet ist; ZrO2, durch das die Beständigkeit des Glases verbessert werden kann; UUdAs2O3 und Sb2O3, die geeignete Frischmittel darstellen. Die Menge eines einzelnen oder mehrerer solcher Oxide sollte etwa 4 Molprozent nicht übersteigen. It has been found that the presence of small amounts of other oxides can be tolerated and even be beneficial. Such oxides include: Rb 2 O and Cs 2 O, which can partially replace R 2 O; B 2 O 3 , which is suitable as a flux; ZrO 2 , which can improve the durability of the glass; UUdAs 2 O 3 and Sb 2 O 3 , which are suitable fresh agents. The amount of any single or more such oxides should not exceed about 4 mole percent.
In der Tabelle II werden Angaben gemacht über die WVG und die Salzbehandlung, außerdem enthält sie eine visuelle Beschreibung, den Ausdehnungskoeffizienten und den Bruchmodul der Gegenstände, die aus jeder der in Tabelle I aufgeführten Gemische hergestellt wurden, wobei das Schmelzen und Verformen in der beschriebenen Weise durchgeführt wurde. Der Bruchmodul wurde nach dem herkömmlichen Verfahren unter Verwendung von Stäben ermittelt, die mit Karborund (30-Grit) abgeschliffen worden waren. Das Verfahren zur Bestimmung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist ebenfalls bekannt, die in der Tabelle II aufgeführten Werte stellen den Ausdehnungskoeffizienten zwischen 25 und 30O0C dar. In den Beispielen 1 bis 6 wurde ein geschmolzenes Salzbad aus 85 Molprozent Li2SO4 und 15 Molprozent LiCl verwendet und in den Beispielen 7 bis 12 ein Bad aus 95 Molprozent Li2SO4 und 5 Molprozent Na2SO4.Table II gives details of the WVG and salt treatment, as well as a visual description, coefficient of expansion and modulus of rupture of the articles made from each of the mixtures listed in Table I, with melting and deformation in the manner described was carried out. The modulus of rupture was determined by the conventional method using rods ground with carborundum (30 grit). The method for determining the linear thermal expansion coefficient is also known; the values listed in Table II represent the expansion coefficient between 25 and 30O 0 C. In Examples 1 to 6, a molten salt bath of 85 mol percent Li 2 SO 4 and 15 mol percent LiCl and in Examples 7 to 12 a bath of 95 mol percent Li 2 SO 4 and 5 mol percent Na 2 SO 4 .
schreibungBe
writing
schreibungBe
writing
Aus der obigen Tabelle geht klar hervor, welche außerordentliche Festigkeit den Glasgegenständen, die aus den in der Tabelle I aufgeführten Gemischen hergestellt wurden, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verliehen wird. Beispiel 3 ist die bevorzugt verwendete Mischung, wenn nur Wert auf die mechanische Festigkeit gelegt wurde. Wird jedoch eine außerordentliche Festigkeit und eine ausgezeichnete Festigkeit gegen Wärmeschock gewünscht, so ist das Beispiel 8, ein Körper mit einem sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die bevorzugte Mischung.The table above clearly shows the extraordinary strength of the glass objects, which were prepared from the mixtures listed in Table I, according to the invention Procedure is awarded. Example 3 is the preferred blend used if only emphasis is placed on the mechanical Firmness was laid. However, it becomes excellent in strength and strength against thermal shock, example 8 is a body with a very low coefficient of thermal expansion, the preferred mix.
In allen angeführten Beispielen bildete /S-Eukryptit den überwiegenden Anteil der in situ ausfallenden Kristallphase.In all the examples given, / formed S-eucryptite the predominant part of the in situ precipitating crystal phase.
In A b b. 1 wird gezeigt, in welchen Zusammensetzungsbereichen die Bestandteile des Glassatzes erfindungsgemäß verwendet wurden. Um die Erfindung als ein System aus drei Bestandteilen zu erläutern, wurden die Alkalimetalloxide als R2O zusammengefaßt und die verhältnismäßig geringe TiO2-Menge mit der Kieselsäure vereinigt. Der Bereich, innerhalb dessen die Zusammensetzungen verwendbar sind, ist sehr klein, da das Verhältnis von Al2O3 zu R2O wenigstens 1,0, jedoch nicht mehr als 1,5 betragen soll. A b b. 1 hebt auch hervor, daß Eukryptit und Spodumen die Kristallphasen sind, die in Gläsern dieser Zusammensetzungen ausfallen·.In A b b. 1 shows the composition ranges in which the constituents of the glassware were used according to the invention. In order to explain the invention as a system of three components, the alkali metal oxides were combined as R 2 O and the relatively small amount of TiO 2 was combined with the silica. The range within which the compositions can be used is very small, since the ratio of Al 2 O 3 to R 2 O should be at least 1.0 but not more than 1.5. A b b. 1 also emphasizes that eucryptite and spodumene are the crystal phases that precipitate in glasses of these compositions.
A b b. 2 zeigt eine Zeit-Temperatur-Kurve für die erfindungsgemäß erforderliche WVG-Wärmebehandlung. Es wurde bereits gesagt, daß die Dauer der Wärmebehandlung zwischen etwa 5 Minuten und 5 Stunden liegt, wobei die höheren Temperaturen eine kürzere Dauer erfordern. Bei 750° C reicht z. B. eine Behandlung von 5 Minuten aus, und eine viel längere Behandlung würde eine Trübung hervorrufen. Durch Versuche konnte gezeigt werden, daß die Beziehung von Zeit zu Temperatur bei der maximal anwendbaren Behandlungsdauer, die einen durchsichtigen Körper ergibt, nicht genau linear ist, sondern im allgemeinen der in A b b. 2 gezeigten hyperbolischen Kurve folgt.A b b. 2 shows a time-temperature curve for the WVG heat treatment required according to the invention. It has already been said that the duration of the heat treatment is between about 5 minutes and 5 hours, with the higher temperatures requiring a shorter duration. At 750 ° C z. Legs 5 minutes of treatment, and a much longer treatment would cause haze. Through Experiments have shown that the relationship between time and temperature is at the maximum applicable Treatment time, which gives a transparent body, is not exactly linear, but in general the one in A b b. 2 follows the hyperbolic curve shown.
A b b. 3 zeigt eine Zeit-Temperatur-Kurve für die erforderliche Salzbadbehandlung, wobei entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konzentrierte Lithiumionensalzbäder verwendet werden. Die Verwendung eines Salzbades zur Förderung des Alkalimetallionenaustausches wird in der erwähnten USA.-Patentschrift 2 779 136 beschrieben. Diese graphische Darstellung wurde nur einbezogen, um das vollständige erfindungsgemäße Verfahren besser erläutern zu können. Die starke Linie stellt die Salzbadbehandlung eines speziellen Beispieles der Erfindung, nämlich des in den Tabellen I und II aufgeführten Beispiels 3, dar, wobei der Gegenstand, nachdem der Glassatz durch 16stündiges Erhitzen in einem Tiegel auf etwa 1600° C geschmolzen, verformt, im Kühlofen gekühlt und auf Raumtemperatur gekühlt worden war, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurde. Die WVG-Behandlung des Körpers erfolgte, indem er in einen auf 700° C gehaltenen Ofen gebracht und 1 Stunde dort belassen wurde, darauf aus dem Ofen entfernt wurde, so daß er auf Raumtemperatur abkühlen konnte. Anschließend wurde der Körper in einen auf 900° C gehaltenen Ofen gebracht, in diesem 5 Minuten belassen, um durch dieses Vorerhitzen ein Zerbrechen im Salzbad zu verhindern, unmittelbar danach in ein auf 900° C gehaltenes geschmolzenes Salzbad aus 85 Gewichtsprozent Li2SO4 und 15 Gewichtsprozent LiCl eingetaucht, 10 Minuten in diesem belassen, darauf aus dem Bad entfernt und abgekühlt; das anhaftende Salz wurde mit Wasser abgewaschen. Der Buchstabe A in der A b b. 3 stellt die Dauer und Temperatur der Vorerhitzstufe dar, während der Buchstabe B die Dauer und Temperatur der Salzbadbehandlung darstellt. Die durch die gestrichelten Linien eingegrenzten Flächen bezeichnen die Bereiche dieser Behandlungen. Die Anwendung einer Vorerhitzstufe ist fakultativ, sie ist in diese Kurve einbezogen, um die Beschreibung der Erfindung zu vervollständigen.A b b. Figure 3 shows a time-temperature curve for the required salt bath treatment using concentrated lithium ion salt baths in accordance with the preferred embodiment of the invention. The use of a salt bath to promote alkali metal ion exchange is described in U.S. Pat. No. 2,779,136 mentioned above. This graphic representation has only been included in order to be able to better explain the entire method according to the invention. The heavy line represents the salt bath treatment of a specific example of the invention, namely Example 3 listed in Tables I and II, wherein the article is deformed in the lehr after the glassware has been melted by heating in a crucible to about 1600 ° C for 16 hours had been cooled and cooled to room temperature, was treated according to the method of the invention. WVG treatment of the body was carried out by placing it in an oven maintained at 700 ° C. and leaving it there for 1 hour, then removing it from the oven so that it was allowed to cool to room temperature. The body was then placed in an oven maintained at 900 ° C., left in this for 5 minutes in order to prevent breakage in the salt bath through this preheating, immediately thereafter in a molten salt bath of 85% by weight Li 2 SO 4 and kept at 900 ° C. 15 percent by weight LiCl immersed, left in this for 10 minutes, then removed from the bath and cooled; the attached salt was washed off with water. The letter A in the A b b. 3 represents the duration and temperature of the preheat stage, while the letter B represents the duration and temperature of the salt bath treatment. The areas delimited by the dashed lines indicate the areas of these treatments. The use of a preheat stage is optional and is included in this curve to complete the description of the invention.
A b b. 4 zeigt den Teller eines Eßgeschirrs, der erfindungsgemäß hergestellt wurde. Der Teller, der als Seitenansicht im Querschnitt bei 1 gezeigt wird, besteht aus einer kristallinen Oberflächenschicht 2, die über einem glasartigen Rumpfteil 3 liegt.A b b. 4 shows the plate of a dinnerware made according to the invention was produced. The plate shown as a side view in cross section at 1 consists from a crystalline surface layer 2, which lies over a glass-like body part 3.
Claims (5)
5 bis 8
4 bis 20
18 bis 3545 to 70
5 to 8
4 to 20
18 to 35
4 bis 7
8,5 bis 20
11 bis 2456 to 73
4 to 7
8.5 to 20
11 to 24
und/oder K2O ...
Al2O3 Li 2 O and / or Na 2 O
and / or K 2 O ...
Al 2 O 3
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US19522362 | 1962-05-16 | ||
| US195223A US3282770A (en) | 1962-05-16 | 1962-05-16 | Transparent divitrified strengthened glass article and method of making it |
| DEC0029849 | 1963-05-04 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1496074A1 DE1496074A1 (en) | 1969-06-04 |
| DE1496074B2 DE1496074B2 (en) | 1971-06-24 |
| DE1496074C true DE1496074C (en) | 1973-07-05 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE2263234C3 (en) | Process for the production of high-strength glass objects which are resistant to temperature changes by surface crystallization using ion exchange within the glass | |
| DE1421845C3 (en) | Solidified glass object with a surface compressive stress layer surrounding the interior of the glass and process for its manufacture | |
| DE2034393C3 (en) | Application of the process to increase the mechanical strength of a glass by exchanging sodium ions for potassium ions on a glass, which enables shortened exchange times | |
| DE2337702C3 (en) | Flat glass of the system SiO2 -Na2 0-CaO-MgO-Al2 O3 -Fe2 O] -SO3 - (K2 O) with improved properties for thermal and chemical hardening, as well as processes for its production | |
| DE1016908B (en) | Process for the production of glass objects of high mechanical strength and glass objects produced thereafter | |
| DE2428678C2 (en) | Glass ceramic articles of great strength and methods of making them | |
| DE1771149A1 (en) | Highly heat-resistant glasses with low thermal expansion and ceramics made from them | |
| DE1496636A1 (en) | Process for the production of a surface crystallizable base glass | |
| DE1496627B2 (en) | Process for the production of reinforced glass objects | |
| DE3003016A1 (en) | CLEAR GLASS CERAMICS OF BROWN COLOR TINT | |
| DE1045056B (en) | Process for the production of crystalline or vitreous-crystalline products and articles produced according to this | |
| DE2704018A1 (en) | TRANSLUCENT CERAMIC GLASS AND METHOD OF MANUFACTURING | |
| DE2208236A1 (en) | Glass ceramic with tetrasilicic acid mica structure | |
| DE1596945B1 (en) | Thermally crystallizable Glaszu composition for the production of a transparent glass ceramic, with an average linear thermal expansion coefficient of 5 to + 5 10 to the power of 7 (0 to 300 degrees C), the object made therefrom and its use | |
| DE1421886B2 (en) | PROCESS FOR MANUFACTURING GLASS CRYSTAL MIXED BODIES OF LARGE MECHANICAL STRENGTH | |
| DE1239817B (en) | Process for the production of a glass body which has a crystal phase in its surface layers in addition to the glass phase | |
| DE2514226A1 (en) | METHOD OF MANUFACTURING SMALL PARTICULAR HYDRATED GLASS | |
| DE1496611B1 (en) | TRANSLUCENT CERAMIC GLASS WITH LOW THERMAL EXPANSION COEFFICIENT PROCESS FOR MANUFACTURING AN OBJECT OF YOUR EXISTING USE IN TELESCOPIC MIRRORS AND THERMAL CRYSTALIZABLE GLASS | |
| DE2101656B2 (en) | Glass-ceramic body with a marble-like appearance and process for its manufacture | |
| DE1902319A1 (en) | Glass ceramic articles | |
| DE1596755A1 (en) | Glass-crystal mixed body and process for its manufacture | |
| DE3345316A1 (en) | Glass ceramic, in particular for window glass in wood and coal furnaces | |
| DE1496074C (en) | A transparent glass object with a partially crystalline surface layer having a mechanical strength of at least 2800 kg / cm 2 and a method for its manufacture | |
| DE1596905A1 (en) | Method of manufacturing a ceramic glass | |
| DE1496074B2 (en) | TRANSPARENT GLASS OBJECT WITH PARTIAL CRYSTALS WITH A MECHANICAL STRENGTH OF AT LEAST 2800 KG CM HIGH 2 SURFACE LAYER AND PROCESS FOR PRODUCING IT |