CN1693247A - 具有高热稳定性的硅铝酸锂平板浮法玻璃 - Google Patents
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Abstract
具有高的热稳定性的硅铝酸锂平板浮法玻璃,它可进行化学和热回火,并且澄清时无需使用标准澄清剂氧化砷和/或氧化锑,基于总组成以重量%计,其组成含有以下主要成分:Li2O2.5-6.0,∑Na2O+K2O<4,B2O30-<4,Al2O315-30,SiO255-75,∑TiO2+ZrO2 <2(以避免不希望的β-石英和/或热液石英固溶体的结晶)以及这种玻璃的用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高热稳定性的硅铝酸锂平板浮法玻璃,它能进行化学和热回火。
背景技术
许多特种玻璃应用需要平板玻璃,例如以玻璃窗格形式作为观察窗,用于显示的目的和作为硬盘存储基片。利用已知的方法,例如滚压、拉制、铸造或浮法,由玻璃熔体生产这种平板玻璃。浮法由于经济并且能产生高表面质量的平板玻璃而被广泛使用。
由浮法生产碱石灰玻璃和特种玻璃,例如硼硅酸盐玻璃或硅铝酸盐玻璃,是已知的。
为了增加玻璃的强度,在这种技术中对它们进行化学或热回火。
已经开发了(热回火的)耐火玻璃,它满足耐火等级G的要求(DIN 4102第13部分,ISO 834)。按照耐火等级,耐火玻璃窗,包括框架和夹持装置,根据DIN 4102(或ISO 834)必须在单位温度-时间曲线下能经受住热负荷30到180分钟,并且因此防止火和烟穿过。
类似的规定适用于等级F30、F60、F90和F120,另外不允许玻璃被加热平均超过远离火一端的初始温度140℃。
而且,建筑物中使用的玻璃窗板常常具有额外的要求。例如门上使用的玻璃窗,除了耐火外,也要确保用户的安全。为了这个目的,玻璃窗必须不仅满足耐火标准的要求,而且也要满足相关安全玻璃标准的要求(例如,单窗格安全玻璃DIN 1249,第12部分或DINEN 12150)。
例如,根据DIN 1249,可生产安全玻璃,该玻璃如果在极强的载荷下则破裂成大量无锋利边缘的碎片。
在热回火过程中,合适的玻璃,例如以切割到应有尺寸的窗格形式,被加热到转变温度以上的温度然后通过冷空气流快速冷却。这种加热并快速冷却的过程在玻璃的表面上产生压缩应力并且在内部产生拉伸应力。这导致玻璃的拉伸弯曲强度明显增加,对温度波动的敏感性降低并具有高的弹力。
例如,已知存在这样的耐火玻璃窗板(glazing panels),其中使用厚度合适的回火碱石灰玻璃。例如已知它们以6-15mm的厚度的耐火时间为30或60分钟。然而,这些回火碱石灰玻璃具有缺点,根据单位温度-时间曲线,在燃烧负荷导致发生的热负荷期间,它们在相对早期(30分钟前)超过它们的软化点,并且以前强硬的弹性玻璃则变成具有低粘度的塑性状态。
然而,获得高的耐火时间主要取决于玻璃的软化(软化点logη=7.6)。其它影响因素是窗格玻璃的尺寸、窗格玻璃的厚度和边覆盖的宽度、以及窗格玻璃的支撑力和框架(材料)条件。
例如,当燃烧负荷期间玻璃到达它们的软化点时,窗格玻璃的边覆盖越宽,防止玻璃从边缘区域滑出来的时间越长。
然而,同时覆盖的边缘区域的宽度,与玻璃的线性热膨胀系数有关,在燃烧负荷下,其是在热的(未受支撑的)窗格玻璃中心和冷的(覆盖的)窗格玻璃边缘之间形成的应力水平的决定性因素。
如果燃烧时产生的应力超过玻璃的强度,则玻璃窗格将不可避免地破裂,导致完全失去耐火玻璃窗的保护作用。因此,将窗格玻璃的边覆盖选择成希望的那样大以便获得最高可能的耐火时间不是很容易的。
因此,具有高的热膨胀系数和低的软化点的碱石灰玻璃对于耐火应用是不利的。
在化学回火期间,通过离子交换获得玻璃表面的压缩应力。在这个方法中,具有较大半径的离子,从外面渗透到玻璃内,代替较小的离子。渗透离子占据的较大空间在表面上产生高的压缩应力,使强度增加5到8倍。
通常使用碱金属原子,以熔融盐形式或者在所应用的溶液或糊的帮助下,进行离子交换。习惯上是用交换玻璃中钠原子的钾原子处理。重要的是在玻璃的转化温度以下进行处理,因为,否则,由于玻璃中的应力消除导致压缩应力热降低。已经证明低于转化温度约100℃的温度有利于离子交换。在更低的温度下,该处理需要更长的时间。
在既进行热回火又进行化学回火的情况下,通过将压缩应力引入玻璃表面,产生所需的增加强度的效果。
这两种方法在经济和技术方面有差异,并目因此开拓了不同的应用领域。热回火由于短的加工时间因而是非常经济的。化学回火获得非常高的强度。
因此,通过浮法生产并进行热回火的碱石灰玻璃被广泛用于例如建筑物的玻璃窗或作为用于汽车上玻璃窗的弧形挡风玻璃。在生产过程中,这些玻璃通常进行硫酸盐澄清以便获得所需数目的气泡。
通过浮法生产并热回火的硼硅酸盐玻璃,由于它们的组成,具有比碱石灰玻璃更高的热稳定性和更高的耐化学性。它们需要更高的熔化温度并且使用NaCl进行澄清。因此,硼硅酸盐浮法玻璃在重要的是要获得更高耐化学性能和更高热稳定性的场合使用。
由于它们具有低的Al2O3含量并且通常也具有低的Li2O含量,因此它们适用于化学回火并且组成不同类型的玻璃。
已知硅铝酸锂玻璃能非常成功地进行化学回火。由于锂原子具有良好的扩散作用,在交换成钠原子的情况下,与在以Na2O作为活性成分的无Li2O的玻璃中将钠原子交换成钾原子的情况相比较,能在可接受的交换时间内获得更厚的压缩应力层。
例如,US 4,156,755公开了一种可化学回火的玻璃,具有的组成以重量%计为:59-63 SiO2、10-13 Na2O、4-5.5 Li2O、15-23 Al2O3和2-5 ZrO2。高的碱金属含量降低了熔化温度。然而,这些玻璃由于它们低的粘度和较高的热膨胀系数,不能满足耐热性能和温度梯度强度的高要求。
US 3,615,320公开了一种化学回火平板玻璃,它同样具有高的碱金属含量,具有上述缺点,该玻璃以重量%计包括:59-62 SiO2、18-23 Al2O3、4-5.5 Li2O、7-9 Na2O和3-5 B2O3。该文献提到用As2O3、NaCl、Sb2O3、Al2(SO4)3作为澄清剂。
DE 4206268 C2公开一种可化学回火的玻璃组合物,以重量%计包括:62-75 SiO2、5-15 Al2O3、4-10 Li2O、4-12 Na2O和5.5-15 ZrO2。这种情况下,高的碱金属含量同样不利于耐热性能和温度梯度强度。所提到的澄清剂是As2O3、Sb2O3、F和Cl。该文献没有给出使用浮法生产平板玻璃,和因此例如与该浮法相容的澄清剂的任何指示。在浮法条件下,高的ZrO2含量不利于抗失透性能。
在JP2002047030A1中公开了一种玻璃,它是通过浮法生产的并且具有高的耐热性能,用作耐火玻璃。该玻璃能进行热回火并且能生产安全玻璃。低的Li2O含量0.5-2重量%意味着对于化学回火存在缺陷。
DE 10017701C2公开了一种平板浮法玻璃,它能回火成或转变成具有β-石英固溶体或热液石英固溶体的玻璃陶瓷。所公开的组成必须含有作为成核剂的TiO2或ZrO2。在浮法条件下,这些玻璃陶瓷组合物在它们的抗失透性能方面比具有低TiO2和ZrO2含量的玻璃更加苛刻,具有低TiO2和ZrO2含量的玻璃不能转变成上述玻璃陶瓷。
发明内容
本发明的一个目的是提供具有高耐热性能的硅铝酸锂平板浮法玻璃,能进行化学和热回火,并且适用于经济的并对环境友好的生产。
该目的是通过具有如下组成的硅铝酸锂平板浮法玻璃实现的,基于总组成,其含有如下主要成分(以重量%):
Li2O 2.5-6.0
Al2O3 15-30
SiO2 55-75
并且对于组成,降低粘度的成分被限制为:
∑Na2O+K2O <4重量%
B2O3 0-<4重量%
以及通常用于生产玻璃陶瓷的成核添加物:
∑TiO2+ZrO2 用量为<2重量%,以避免不希望有的β-英
和/或热液石英固溶体的结晶。
本发明的平板浮法玻璃具有:
-好的气泡质量并且对环境友好的不使用其它常用的澄清剂氧化砷和/或氧化锑的澄清,
-高的耐热性能和温度梯度强度,
-由于其能进行化学和热回火的能力,在对强度和/或抗划伤性能具有高要求的广泛的可能应用范围,
-高的刚性和高的光透射性能,
-低的密度和对水、酸和碱优良的耐化学性能。
该玻璃在熔体中澄清而不使用***板玻璃在还原气氛下通过倾泻到液体金属上成形,即使用标准的浮法。
具体实施方式
浮法玻璃装置通常包括:熔化器,玻璃在其中熔化并澄清;一个界面,它负责从熔化器的氧化性气氛到装置下游部分的还原性气氛的转换;浮动部件,在该部件中玻璃在成形气的还原气氛中通过倾泻到液体金属通常为Sn上成形。玻璃通过在Sn浴上的平滑流并通过在玻璃表面上施加力的所谓顶辊成形。当其被移到金属浴中时,玻璃冷却,并且在浮法段结束时,被提起并转移到冷却炉中。
当玻璃表面形成并且该玻璃被转移到浮法浴中时,玻璃熔体、浮法气氛和Sn浴之间的相互作用会导致破裂性表面缺陷。如果玻璃含有大于2重量%的TiO2+ZrO2,在与Sn浴接触的玻璃表面中可能形成核,并且在这些核上可结晶具有尺寸最高达几百微米的β-石英固溶体;从而产生破裂性表面结晶。在本发明的能够进行化学和热回火的平板浮法玻璃中,通过将通常用于生产玻璃陶瓷的成核剂限制到∑TiO2+ZrO2<2重量%来避免在浮法过程中形成这些不希望有的表面晶体。因此,本发明的平板浮法玻璃具有更大的抗失透性能,而不再能转变成玻璃陶瓷。
限制该玻璃到小于2重量%的澄清剂SnO2。这是因为在玻璃表面中,浮法段的成形气的作用能部分还原SnO2。在更高的SnO2含量下,在玻璃表面上直接形成尺寸约为100nm的金属Sn小球。尽管这些小球能在冷却或净化过程中被除去,但是在玻璃表面上残留下球形的孔,这在使用中极其容易破裂。同样,在更高的SnO2含量时,由Pt和Pt/Rh制造的贵金属配件可能形成破裂合金化作用。这些材料被用于熔化装置中,特别是作为电极、衬套、搅拌装置、转移管、载片等。
Li2O构成用于在平板玻璃上进行化学回火过程的重要成分。在化学回火过程中,这种成分在玻璃表面层中被交换成更大半径的离子,主要是钠和/或钾离子。由于它具有非常好的扩散性能,因而它能产生高的压缩应力和相当厚的压缩应力层。这产生高的强度。与将玻璃中的钠交换成钾相比较,该离子交换也可以在较低的温度下进行。低于2.5重量%的含量对离子交换性能不利。如果Li2O含量超过6重量%,玻璃的耐化学性能退化。由于与粘度下降有关的转化温度Tg下降,耐热性能退化。玻璃的热膨胀系数增加对温度梯度强度不利。
Al2O3含量应该在15至30重量%之间。及形成玻璃骨架时包含了Al2O3。在离子交换过程中,它促进碱金属离子的扩散,并且因此是促进离子交换性能和在化学回火中获得高强度的重要因素。它应该小于30重量%,因为否则抗失透性能退化,并且浮法期间的熔化温度和成形温度上升。
SiO2是主要的成分,它形成玻璃骨架。如果它小于55重量%,则耐化学性能和耐热性能退化,因为玻璃热膨胀上升,并且转变温度Tg下降。过高的SiO2含量,大于75重量%,在生产过程中熔点和成形温度升高。这些升高的温度在技术上和经济上对熔化和浮法不利,因为它们对装置部件提出更高的要求。
经常向浮法玻璃中添加碱性金属Na2O、K2O和B2O3,以便降低粘度,并且从而降低熔化温度和成形温度。这在经济上是有利的,并且满足许多不依赖高耐热性能的应用。然而,在本发明中,将这些金属的含量限制为∑Na2O+K2O<4重量%,因为此处还希望实现一些其中高耐热性能和温度梯度强度是重要的应用。这有可能升高转变温度Tg并且使热膨胀系数维持在低水平。
B2O3含量应该不超过4重量%,因为否则转变温度变得太低。更高的B2O3含量同样与本发明中平板玻璃的高Al2O3含量也不相容,因为两种成分都对熔化性能和抗失透性能具有不利的影响。
本发明玻璃中水的含量取决于批次原料的选择和工艺条件,通常在熔体中为0.01到0.06mol/L之间。
本发明的硅铝酸锂平板玻璃开拓了需要高的耐热性能并且对于碱石灰玻璃或硼硅酸盐玻璃不易实现的应用领域。所述的组成范围兼顾了高耐热性能和通过浮法经过熔化并成形的经济生产。玻璃能在约为1600到1650℃的熔化温度下以可接受的产量熔化,并且能在仅仅较小调整的浮法装置上以工业规模进行生产。失透和其它表面缺陷能通过技术手段控制,而且澄清不受标准的硫酸盐或氯化物澄清的影响,而是受作为主要澄清剂的高温澄清剂SnO2的影响。
所述玻璃组成范围特别的经济优点是:根据本发明,相同的组成可用于生产能进行热和化学回火的平板玻璃。这可以避免不同组成之间困难且费时的熔化转换。这同样简化制造的后勤保障,例如用于批次的原料和需要库存保存的装料碎玻璃。可以根据市场要求通过后续的加工,从所储存的玻璃生产各种产品。在本文中,热和化学回火在它们的性能分布方面相互弥补,并且允许优化实现各种要求。
技术上更复杂的化学回火允许更高的压缩应力,并且因此也在玻璃表面获得更高的强度。在这种情况下,表面上压缩应力层的厚度最高达几百微米,并且通常小于热回火的情况。在本文中,有利的是,与热回火的情况不一样,它同样能回火厚度小于约3mm的平板玻璃。
由于它们更高的强度和抗划伤性能,化学回火的平板玻璃用于要求特别高的应用,例如航空航天或航空学的玻璃窗,作为钟表玻璃,锅炉的观察窗玻璃,用于离心机玻璃和照明部分,并且也作为安全玻璃。化学回火玻璃内部的拉伸应力低于热回火玻璃的情况。原则上,玻璃内部的拉伸应力随着平板玻璃的厚度降低。如果拉伸应力维持在强度极限以下,化学韧化平板玻璃甚至能进行加工。
热回火由于其加工时间短因而是非常经济的。所获的强度的增加足以满足许多应用,例如用作热韧化耐火安全玻璃。玻璃表面上压缩应力层的厚度原则上大于化学回火的情况。
在一种优选的实施方案中,硅铝酸锂平板浮法玻璃通过用具有较大离子半径的离子进行离子交换过程进行化学回火。结果是,平板玻璃具有更低的锂浓度并且在表面上交换Li的阳离子的浓度增加。优选的是将锂交换成钠和/或钾离子,以便在表面上后述离子的量增加,从而由于这些离子占据更多的空间而产生压缩应力层。
如果离子交换是通过用钠离子交换玻璃中的锂离子而进行的,则在同样的交换温度和时间下,可能产生比使用钾离子的情况更大的压缩应力层。这种情况的原因是:与钾离子相比,钠离子具有更大的扩散能力。在相同的工艺条件下,用钾离子进行的离子交换导致较薄的压缩应力层,它在表面上具有更高压缩应力。
如果在共同的回火过程或连续过程中联合钠和钾离子实现离子交换,则它甚至可产生包括多个区域的压缩应力分布。例如,可能实现压缩应力分布,其中具有高的压缩应力和厚度为10到40μm的表面区域与几百微米厚并且具有较低压缩应力的第二个区域的内部连接。这种压缩应力分布对于努氏硬度和强度是有利的,并且使回火平板玻璃不容易损伤,因为即使相当大的凹口裂纹也不能渗透到玻璃内部的拉伸应力区,而凹口裂纹在拉伸应力区域会导致破裂产生。
对于特别的要求,可以通过适当选择交换的阳离子和通过工艺条件来优化压缩应力分布。化学回火平板玻璃可以进行机械加工(切割、钻孔、边缘加工)或具有安全玻璃的性能,具有DIN 1249所要求的碎片外观,性能作为平板玻璃厚度与所设置的压缩应力分布,以及玻璃内部拉伸应力的函数。
这进一步开拓了化学回火玻璃的应用领域,这些领域以前仅仅是为热回火玻璃预备的。
在加工工程方面,离子交换可以在包含熔融盐的处理浴中进行,或者可以对玻璃表面应用可选择的溶液或糊料。适合离子交换的化合物是硝酸盐、硫酸盐、硫酸氢盐、碳酸盐、碳酸氢盐和卤化物、以及复盐。也可以使用上述化合物的混合物。用于离子交换的化合物根据加工工程参数如离子交换的温度和时间、所需要的压缩应力分布、强度所需要的增加量等的函数进行选择,以使离子交换过程不侵蚀玻璃的表面并且可以容易地除去粘附的化合物残留物。
如果通过含有硝酸盐的熔融盐进行离子交换,则必须考虑硝酸盐的分解温度。分解能对玻璃表面质量产生不利的影响,并且释放有害健康的蒸汽。因此,硝酸盐/氮化物处理浴以技术上合适的方法在最高达约430℃的温度下使用。向熔融的硝酸盐中混入相应的硫酸盐化合物则增加可允许的离子交换温度。
如果在交换介质中使用氯化物盐,则这些盐在较高的浓度和温度下可能侵蚀玻璃表面。
可以用已知的方法在离子交换过程中通过施加电场来加速离子交换。
根据现有技术,适合用于离子交换的化合物同样也能作为溶液或糊料代替熔融盐通过已知的涂覆方法涂布于玻璃表面。除了粉状化合物外,糊料还可以包含惰性介质例如铁、钛或硅的氧化物粉末。也能混合无机化合物,例如长石。离子交换作为固态反应发生。在DE3840071C2和示例性实施方案中公开了该方法的优点和合适的工艺参数。
如上面已经解释的,本发明中可化学回火的平板玻璃,在所述的组成范围内,具有优异的离子交换能力。在一种优选实施方案中,在玻璃表面上通过离子交换产生的压缩应力层至少为20μm厚,优选大于200μm厚,结果是该化学回火平板玻璃具有高的强度。
化学回火平板玻璃的表面压缩应力有利的是大于80MPa,优选大于200MPa。高的压缩应力导致所需的高强度和高的努氏硬度,和因此改善的抗划伤性能。
具有特别有利的应用性能的化学回火平板玻璃的离子交换时间为15分钟到100小时,优选小于50小时,并且在300到650℃但是低于玻璃转变温度Tg的温度下进行处理。如果离子交换在转变温度Tg附近或甚至高于转变温度Tg进行,则已经施加的压缩应力早已开始松驰,从而降低增加强度的作用。在低于Tg约100℃时其本身就已经开始出现松弛。
玻璃表面的压缩应力分布可以通过选择离子交换的温度和时间进行设定。例如,在相同温度下延长交换时间在玻璃表面上直接形成更厚的压缩应力层,该层具有降低的压缩应力水平。
本发明的化学回火平板浮法玻璃优选具有大于300MPa的拉伸弯曲强度(tensile bending strength),优选大于600MPa,并且因此具有优异的耐破裂性能。
在本发明第二个可替换设置中,平板浮法玻璃进行热回火。
热回火可以通过各种介质例如通过浸入油包水中进行。然而这与在常规的空气回火装置中进行空气淬火相比,在技术上更加复杂并且也明显更加昂贵。因此,优选将本发明的平板玻璃加热到Tg以上的温度,并且通过对它吹冷空气进行热回火。对于生产安全玻璃,例如用于阻燃应用或透过其观察的玻璃如锅炉的观察窗玻璃,通过对玻璃吹空气的热回火是特别经济的方法。热回火方法优选以如此的方法进行,以使平板玻璃具有>40MPa,更优选为>120MPa的表面压缩应力,并且压缩应力层的厚度大于200μm,优选大于500μm。这产生DIN 1249所要求碎片形状的安全玻璃性能。
平板浮法玻璃优选具有热膨胀系数α20/300在3.5和5.0·10-6/K之间,转变温度Tg在580℃和720℃之间,并且工作点VA在1240到1340℃之间。如果热膨胀系数低于3.5·1-6/K,则难以使用常规的空气回火装置获得足以满足DIN 1249碎片断裂要求的压缩应力。为了获得高的温度梯度强度,热膨胀系数α20/300应该不超过5.0·10-6/K。平板浮法玻璃的转变温度Tg应该在580和720℃之间。与标准的碱石灰或硼硅酸盐玻璃相比,这些高的转变温度对获得高的热稳定性和高的压缩预应力和相应强度具有积极的效果。转变温度应该不超过720℃,因为否则需要技术上明显更加复杂的回火装置。工作点VA低于1340℃,以便有利于熔化并且在浮法浴中限制热负荷。工作点VA高于1240℃,以便获得所需的高热稳定性。例如对于阻燃应用,这有利于保证玻璃不流出火焰或过度凸出。
由热或化学回火在玻璃表面上产生的压缩应力抵消由于外力作用形成的擦伤或裂缝,因为所有压缩应力在表面可被损坏以前首先被降低。这增加回火玻璃的抗划伤性能。此处,化学回火特别有效,因为它能在玻璃表面产生特别高的压缩应力。平板浮法玻璃优选实施方案的抗划伤性能具有>500,优选>550的努氏硬度。
对于那些需要低重量玻璃成分的应用,例如在航空航天或航空学玻璃窗和交通工程中,如果所使用的平板玻璃具有低的密度,则是有利的。为了满足这些要求,玻璃的密度应该小于2.5g/cm3,优选小于2.42g/cm3。
对于许多玻璃窗或作为基片的应用,例如硬盘基片,玻璃具有高的刚性是有利的。为了满足这些要求,弹性模量值E应该>70GPa,优选>80GPa。
由于对水、酸和碱具有良好的耐化学性能这一优点,本发明的平板浮法玻璃也能用于在这方面具有高要求的领域,例如在化学侵蚀性溶液或气氛的作用下。根据DIN ISO 719的耐水解性能应该为等级1,根据DIN ISO 695的耐碱性能应该至少为等级2,并且根据DIN 12116的耐酸性能应该至少为等级3。
在本发明的优选实施方案中,以基于总组成的重量%计,平板浮法玻璃的组成包含以下主要成分(以重量%计):
Li2O 3.0-6.0
∑Na2O+K2O <2
∑MgO+CaO+SrO+BaO <4
ZnO 0-1.5
B2O3 0-<4
Al2O3 18-28
SiO2 60-72
∑TiO2+ZrO2 <2
SnO2 0.1-2.0(作为澄清剂)
F 0-2
P2O5 0-3。
该组成具有特别好的热稳定性,同时具有好的回火性能。
为了实现本发明优选的目的,也就是提供这样的平板玻璃,它具有对于浮法生产过程和广泛应用范围都特别有利的性能结合,热膨胀系数α20/300应该在3.8和4.5·10-6/K之间,转变温度Tg应该在600和680℃之间,并且VA应该在1280和1320℃之间。根据这种优选的实施方案,以基于总组成的重量%计,平板浮法玻璃的组成包含如下主要成分:
Li2O 3.5-5.0
∑Na2O+K2O <1.5
∑MgO+CaO+SrO+BaO <3
ZnO 0-1.0
B2O3 0-<3
Al2O3 19-26
SiO2 62-70
∑TiO2+ZrO2 <1.5μm以避免不希望的β-石
英和/或热液石英固溶体结晶
SnO2 0.1-1.0(作为澄清剂)
F 0-1.8
P2O5 0-2。
已经证明添加氟在技术上特别有利于降低具有所述组成范围的平板玻璃的工作点VA,并且降低过高的转变温度Tg。在本文中,特别有利的是由此热膨胀系数轻微降低。这种作用与大部分降低粘度的添加物,例如碱金属或碱土金属的氧化物的作用相反。它的强烈效果意味着仅仅需要添加较少量的氟。在优选的实施方案中,氟的含量基于总组成为0.1-1.2重量%。氟含量高于1.2重量%是不利的,因为它们对玻璃的耐化学性能具有副作用,并且因为热回火玻璃中的压缩应力在较低温度下松弛。
使用化学澄清剂氧化砷和/或氧化锑的环境问题同样存在于氧化钡,虽然程度较小。含钡的原料,特别是如果它们是水溶性的,如氯化钡和硝酸钡,是有毒性的,并且在使用中需要采用特殊的防范措施。在本发明的平板玻璃中,有利的是,除了技术上无法避免的痕量以外,尽可能不添加BaO。
为了获得特别好的气泡质量,可能有利的是,除了所使用的澄清剂SnO2以外,进一步添加至少一种与浮法相容的化学澄清助剂,如氧化铈、硫酸盐化合物、氯化物化合物或氟化合物。或者,也可以以这种方法形成平板玻璃,即为了获得数量少的气泡,通过物理手段澄清玻璃熔体,例如通过减压澄清或者>1680,优选>1730℃的高温澄清。如果对气泡质量具有特别高的要求,则可能需要结合化学澄清和物理澄清过程。
一些Al2O3,高达约4重量%,可被化学上相关的三价氧化物特别是La2O3和Y2O3代替。这可改善熔化和失透性能以及弹性模量,但是这导致更高的原料成本。
对于玻璃的应用一般要求高的光透射,例如对于作为如耐火安全玻璃的玻璃窗。玻璃也应该具有尽可能少的固有颜色,也就是颜色轨迹应该在消色点附近。在建筑领域使用耐火安全玻璃的相关标准要求在厚度4mm处的光透射>90%。已经发现,根据本发明的一个配置,通过使用含量小于250ppm的Fe2O3和含量小于1重量%的TiO2,能够实现所要求的在厚度4mm处的光透射>90%,优选>91%。
在打算将平板浮法玻璃用于防UV或红外辐射的情况下,向平板玻璃中添加一般<1重量%的UV或红外吸收添加剂可能是有利的。这可能是必须的,例如如果在室外使用平板玻璃,并且需要提供防太阳的UV辐射。同样,在照明领域,光源可能发出UV或IR辐射。UV辐射可能对健康有害或可能导致使用密封件的建筑物中的塑性密封件的脆裂。所使用的UV或IR吸收添加剂的实例包括氧化铁、氧化硒、氧化铈、氧化镍、氧化钴、氧化铜、氧化钛。
为了减少任何可能存在的色散(colour cast)并且为了将颜色轨迹(colourlocus)位移到消色点(achromatic point)的附近,可能有利的是向平板玻璃中加入脱色剂,例如氧化锰和/或氧化硒。
同样可能添加变色剂,如氧化钴、氧化镍、氧化铬或稀土氧化物。尽管脱色剂的作用是基于例如降低由原料中的Fe2O3污染导致的色散,但变色剂的作用是基于这些试剂在可见光谱区域中吸收的事实,其中例如Fe2O3不吸收。结果,对观察者而言,尽管在变色方法中总的光透射被降低,并且玻璃获得轻微的、几乎观察不到的灰色色调,但是平板玻璃看起来是颜色中性的。添加UV吸收和/或IR吸收物质也可能产生色散,这可以通过脱色或变色剂来降低。
对于特殊的玻璃窗,例如作为照明技术中的滤色玻璃或为了获得一些设计效果,在一些情况下也希望彩色玻璃。对于这种性质的应用,本发明的平板浮法玻璃可以使用标准的着色剂,例如钒、铬、铁、铜和镍化合物进行着色,以便在厚度为4mm处的光透射<80%。
如果需要对平板玻璃涂覆,则经济上有利的是利用浮法过程中的残余的热量并且在浮法段和/或玻璃冷却之前实现这种涂覆。以这种方法有可能施涂一层或多层,如SiO2、TiO2、SnO2、Al2O3、WO3、VO2或导电的铟/SnO层。
在平板玻璃中,浮法的高表面质量得到美学优势。当看玻璃时避免星形和光的反射,并且当透过玻璃观察时避免失真。可以使用玻璃而无需昂贵的表面抛光。如果它们用作例如烟囱的观察窗、炉子的观察窗或用于照明领域,以及也用于玻璃窗,则浮法表面更不易于粘附污染物,并且与如滚压成形产生的微粗糙的表面相比更加容易清理。
本发明的平板浮法玻璃,在热或化学回火之后,优选用于对强度和/或抗划伤性能具有高要求的应用,例如作为航空航天或航空学玻璃窗的以及作为交通工程的安全玻璃,作为锅炉观察窗玻璃、离心玻璃、钟表玻璃、作为扫描器具的盖、作为硬盘存储基片和用于房间的玻璃窗,其中在房间内外之间存在高的温度梯度。由于其高的热稳定性,该玻璃同样有利地适用于照明领域,作为耐火玻璃窗或作为炉或烟囱的观察窗。
将借助以下实施例进一步解释本发明。
表1列出许多示例性实施方案的平板浮法玻璃的组成和性能。实施例1到10是本发明的玻璃,而实施例11和12是在本发明范围之外的比较实施例。表2比较化学回火过程中所使用的工艺参数,和有关玻璃得到的性能。
表1中初始玻璃在1620℃下利用同玻璃工业标准所用一样的原料进行熔化和澄清。在烧结二氧化硅玻璃制造的坩埚中熔化之后,将熔体转移到铂坩埚中并通过在1550℃下搅拌30分钟进行均质化。在1640℃下保持2小时之后,浇铸成尺寸约为140×100×30mm的铸件,并且在冷却炉中从约670℃开始冷却到室温,以降低热诱导应力。从这些铸件制备测试样品,例如用于测量热膨胀系数和转变温度Tg的样条、和用于回火测试的样板。
分析显示:约10-30%的氟从所使用的批料中蒸发。表1中的数值对应于玻璃中残余的氟含量。玻璃中水的含量通过红外测量仪确定并且为0.015到0.040mol/l。由所使用的批料导致的铁含量在100到150ppm之间。
测定熔化玻璃的密度、转变温度Tg、工作点VA、在20到300℃的温度范围之间的热膨胀系数、在厚度为4mm处可见光区域的光透射τ和弹性模量。
测量玻璃的耐化学性能(根据DIN ISO 719测量耐水解性能;根据DIN ISO695测量耐碱性能;并且根据DIN 12116测量耐酸性能)。
可以从表1看出,本发明的玻璃1到10满足平板浮法玻璃的要求。
相反地,比较实施例11,取自专利DE 4206268C2实施例4,与本发明的玻璃比较,由于其组成具有较低的粘度,转变温度Tg低,并且热膨胀系数同样增加,这意味着这种玻璃较不适合用于要求高热稳定性的场合。比较实施例12中的玻璃组成相应于市售的、可化学回火的玻璃组成,并且由于它的高Na2O和K2O含量,同样具有与高的热膨胀系数有关的低热稳定性缺点。
表1的玻璃根据表2给出的实施例进行化学回火。表2显示出通过在盐浴中离子交换并通过应用糊料进行回火的过程中使用的工艺参数。在实施例29中,利用含有等量的粉末状硫酸钾和正长石的糊料进行化学回火。利用成糊油和乙醇作为液化剂,将粉末状成分搅拌成可喷射的糊,该油能被燃烧光。在实施例3 1中,糊料包括等粉末含量硫酸钾、硫酸钠和正长石。粉末混合物与成糊油和乙醇一起搅拌。对玻璃板应用糊料之后,后者在所示温度和时间下处理以便进行离子交换。
根据DIN ISO 9385测定回火样品的努氏硬度。
通过在回火之前抛光的1mm厚板上进行光弹性检测来测定压缩应力层的厚度。所测量的表面压缩应力利用光弹性常数转换。例如,在实施例13中光弹性常数为3.0*10-6mm2/N,所测的表面压缩应力为8610nm/cm,转换得到的压缩应力为286MPa(参看表2)。在玻璃内部,转换之后的拉伸应力为26MPa。
对所选择的玻璃,通过DIN EN 1288-5中的双环方法在尺寸为50mm×50mm×5mm的回火板上测量平均拉伸弯曲强度。这些板具有非常高的拉伸弯曲强度。
在实施例32中,本发明具体列出的压缩应力分布是通过在由钠和钾盐组成的盐浴中化学回火产生的。在玻璃样品表面的第一个12μm宽的区域,压缩应力为368MPa,而指向玻璃内部的第二个490μm厚区域,压缩应力为225MPa。
实施例33
在这个实施例中,该实施例没有列于表2,从表1的第9号玻璃制备四个尺寸为250mm×250mm×5mm的板,并且在两侧抛光。这些板在回火炉中通过加热到700℃然后对它们吹冷空气进行热回火。
然后,耐火时间在耐火试验中测试120分钟,与同样热回火的相同尺寸的碱金属硼硅酸盐玻璃相比较。两种玻璃类型的测试条件相同。
如所预料的,对于两种玻璃均没有发生过早毁损;仅仅可能确定由窗格玻璃的流动和后续的膨胀导致的主要变形差异;在碱金属硼硅酸盐玻璃的情况下最大的变形在24和28mm之间,然而实施例31的玻璃的最大变形仅仅是6mm。这种低的变形值可以获得非常长的耐火性能。
根据DIN 1249将同样具有250mm×250mm×5mm尺寸的实施例玻璃的进一步热回火的样品进行破碎试验,其中记录固定计数框(mask)中的碎片数目,最大碎片的表面积及其长度。标准要求是每100cm2至少30片。
在5cm×5cm的计数面积中,有28个碎片;外推到标准面积,因此是指112个碎片。因此,本发明的玻璃组合物远远超出DIN 1249的要求。
表1:玻璃的组成和性能
实施例号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
玻璃号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
组成 | ||||||||||||
SiO2(重量%) | 66.5 | 67.0 | 66.3 | 67.0 | 66.3 | 66.3 | 65.5 | 67.3 | 67.5 | 67.4 | 68.00 | 62.6 |
Al2O3(重量%) | 23.4 | 24.0 | 23.4 | 23.5 | 23.35 | 23.4 | 23.2 | 23.6 | 23.4 | 23.4 | 13.00 | 16.55 |
Li2O(重量%) | 4.25 | 4.2 | 4.2 | 4.25 | 4.2 | 4.2 | 4.2 | 4.3 | 4.25 | 4.2 | 8.00 | - |
Na2O(重量%) | 0.5 | 1.0 | 0.8 | 0.6 | 0.5 | 0.8 | 0.8 | 0.6 | 0.5 | 0.55 | 5.00 | 12.9 |
K2O(重量%) | 0.15 | - | - | 0.25 | 0.15 | - | - | 0.1 | 0.15 | 0.1 | - | 3.5 |
MgO(重量%) | 1.6 | 1.0 | 0.8 | 1.3 | 1.6 | 1.3 | 1.3 | 1.7 | 1.6 | 1.7 | - | 3.3 |
CaO(重量%) | - | 1.0 | 0.5 | - | - | 0.5 | 0.5 | - | - | 0.2 | - | 0.3 |
ZnO(重量%) | 0.6 | 0.6 | - | 0.6 | 0.6 | - | - | - | 0.6 | 0.4 | - | - |
TiO2(重量%) | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0.8 |
ZrO2(重量%) | 1.0 | 0.7 | 0.5 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | - | - | 6.00 | - |
P2O5(重量%) | 0.8 | - | - | - | 0.8 | - | - | - | 0.8 | 0.7 | - | - |
SNO2(重量%) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.6 | 0.5 | 0.5 | - | 0.05 |
B2O3(重量%) | - | - | 3.0 | - | - | 2.0 | 2.0 | - | - | - | - | - |
SrO(重量%) | - | - | - | 1.0 | - | - | - | - | - | - | - | - |
F(重量%) | 0.7 | - | - | - | 1.0 | - | 0.8 | 0.8 | 0.7 | 0.85 | - | - |
- | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | |
玻璃性能: | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
密度(g/cm3) | 2.406 | 2.420 | 2.379 | 2.424 | 2.409 | 2.382 | 2.391 | 2.424 | 2.392 | 2.3956 | 2.455 | 2.431 |
Tg(℃) | 645 | 708 | 680 | 706 | 633 | 682 | 621 | 674 | 646 | 660 | 504 | 623 |
VA(℃) | 1307 | 1323 | 1305 | 1332 | 1298 | 1325 | 1298 | 1301 | 1312 | 1324 | 1078 | 1310 |
α20/300(10-6/K) | 4.16 | 4.46 | 4.28 | 4.41 | 4.13 | 4.34 | 4.30 | 4.02 | 4.25 | 4.17 | 7.36 | 8.33 |
4mm厚度处的光透射,τ(%) | 90.1 | 91.3 | 91.4 | 89.7 | 91.5 | 91.5 | 91.6 | 91.4 | 91.3 | 91.0 | n.d. | n.d. |
弹性模量(GPa) | 85 | 86 | 82 | 87 | 85 | 84 | 82 | n.d. | 85 | 85 | 86 | 72 |
耐化学性能耐水性能耐酸性能耐碱性能 | 131 | 131-2 | 132 | 121 | 121 | 142 | 132 | 131 | 122 | 12-32 | n.d.n.d.n.d. | n.d.n.d.n.d. |
表2:回火过程中的工艺条件和回火玻璃的性能
实施例号 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
玻璃号 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 10 | 10 | 10 |
回火条件 | ||||||||
化学回火温度T交换时间t | 硝酸钠盐浴405℃16h | 29.5重量%硫酸钠70.5重量%硝酸钠盐浴520℃4h | 29.5重量%硫酸钠70.5重重%硝酸钠盐浴520℃8h | 29.5重量%硫酸钠70.5重量%硝酸钠盐浴500℃4h | 87.75重量%硝酸钾12.25重量%硫酸钾盐浴520℃16h | 硝酸钠盐浴405℃16h | 硝酸钠盐浴405℃40h | 87.75重量%硝酸钾12.25重量%硫酸钾盐浴520℃16h |
回火玻璃的性能 | ||||||||
努氏硬度HK 0.1/20 | 610 | 580 | 570 | 580 | 615 | 610 | 610 | 810 |
拉伸弯曲强σB(MPa) | 754 | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | 890 |
表面压缩应力(MPa) | 286 | 229 | 161 | 284 | 533 | 251 | 194 | 600 |
压缩应力层厚度(μm) | 300 | 550 | 770 | 400 | 30 | 340 | 470 | 30 |
实施例号 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 |
玻璃号 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
回火条件: | ||||||||
化学回火温度T交换间t | 硝酸钠盐浴405℃64h | 硝酸钠盐浴405℃16h | 硝酸钠盐浴405℃64h | 硝酸钠盐浴405℃16h | 硝酸钠盐浴405℃40h | 硝酸钠盐浴379℃40h | 硝酸钠盐浴405℃16h | 硝酸钠盐浴405℃40h |
回火玻璃的性能: | ||||||||
努氏硬度HK 0.1/20 | n.d. | 620 | 600 | 520 | 560 | 570 | 650 | 590 |
拉伸弯曲强度σB(MPa) | n.d. | 700 | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | 654 | 624 |
表面压缩应力(MPa) | 151 | 263 | 177 | 355 | 165 | 258 | 310 | 215 |
压缩应力层厚度(μm) | 770 | 340 | 740 | 310 | 540 | 390 | 330 | 600 |
实施例号 | 29 | 30 | 31 | 32 |
玻璃号 | 9 | 9 | 9 | 9 |
回火条件: | ||||
化学回火温度T交换时间t | 钾糊520℃40h | 87.75重量%硝酸钾12.25重量%硫酸钾盐浴520℃16h | K/Na混合糊460℃16h | 21重量%硝酸钠57重量%硝酸钾11重量%硫酸钠11重是%的硫酸钾盐浴405℃16h |
回火玻璃的性能: | ||||
努氏硬度HK0.1/20 | 605 | n.d. | 605 | 580 |
拉伸弯曲强度σB(MPa) | n.d. | n.d. | n.d. | |
表面压缩应力(MPa) | 74 | 604 | n.d. | 368(在第一个区域,在表面,12μm厚)225(在其下面的第二个区域490μm厚) |
压缩应力层厚度(μm) | 30 | 30 | n.d. | 12μm(在表面的第一个区域)502μm(总厚) |
Claims (28)
1.具有高的热稳定性的硅铝酸锂平板浮法玻璃,它可进行化学和热回火,并且澄清时无需使用标准澄清剂氧化砷和/或氧化锑,基于总组成以重量%计,其组成含有以下主要成分:
Li2O 2.5-6.0
∑Na2O+K2O <4
B2O3 0-<4
Al2O3 15-30
SiO2 55-75
∑TiO2+ZrO2 <2(以避免不希望的β-石英和/或热液石英固溶体的结晶)。
2.根据权利要求1的平板浮法玻璃,特征在于它含有0.1-2.0重量%的SnO2作为化学澄清剂。
3.根据权利要求1到2中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于它通过离子交换进行化学回火,其中将表面上的锂交换成具有较大离子半径的离子,优选为Na和/或钾离子,并且因此表面具有比整体低的锂浓度。
4.根据权利要求3的平板浮法玻璃,特征在于离子交换优选通过Na离子实现。
5.根据权利要求3的平板浮法玻璃,特征在于离子交换通过在普通回火过程或连续的回火过程中联合钠和钾离子实现,并且回火的平板玻璃具有有多个不同应力水平区域的压缩应力分布。
6.根据权利要求3到5中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于由离子交换产生的压缩应力层厚度为至少20μm,优选大于200μm。
7.根据权利要求3到6中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于表面压缩应力>80MPa,优选>200MPa。
8.根据权利要求3到7中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于化学回火进行15分钟到100小时,优选<50小时,并且温度为300到650℃,低于玻璃的转变温度Tg。
9.根据权利要求3到8中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于拉伸弯曲强度>300MPa,优选>600MPa。
10.根据权利要求1到2中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于平板玻璃进行热回火。
11.根据权利要求10的平板浮法玻璃,特征在于通过加热到该玻璃的转变温度Tg以上约50到120℃的温度并对玻璃吹空气进行热回火。
12.根据权利要求10到11中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于表面压缩应力>40MPa,优选>120MPa,并且压缩应力层的厚度>200μm,优选>500μm。
13.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于热膨胀系数α20/300在3.5和5.0·10-6/K之间,转变温度Tg在580℃和720℃之间,并且工作点VA在1240和1340℃之间。
14.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于高的抗划伤性能,努氏硬度>500,优选>550。
15.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于密度小于2.5g/cm3,优选小于2.42g/cm3。
16.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于高的弹性模量>70GPa,优选>80GPa。
17.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于其对水、酸和碱具有良好的耐化学性能,具有等级1的耐水解性能,至少等级3的耐酸性能和至少等级2的耐碱性能。
18.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于以基于总组成的重量%计,其组成包含以下主要成分:
Li2O 3.0-6.0
∑Na2O+K2O <2
∑MgO+CaO+SrO+BaO <4
ZnO 0-1.5
B2O3 0-<4
Al2O3 18-28
SiO2 60-72
∑TiO2+ZrO2 <2(以避免不希望的β-石英和/或热液石英固
溶体的结晶)
SnO2 0.1-1.5(作为澄清剂)
F 0-2
P2O5 0-3。
19.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于热膨胀系数α20/300在3.8和4.5·10-6/K之间,转变温度Tg在600和680℃之间,工作点VA在1280和1320℃之间,并且其组成以基于总组成的重量%计,包含以下主要成分:
Li2O 3.5-5.0
∑Na2O+K2O <1.5
∑MgO+CaO+SrO+BaO <3
ZnO 0-1.0
B2O3 0-<3
Al2O3 19-26
SiO2 62-70
∑TiO2+ZrO2 <1.5(以避免不希望的β-石英和/或热液固溶
体结晶)
SnO2 0.1-1.0(作为澄清剂)
F 0-1.8
P2O5 0-2。
20.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于氟含量F为0.1-1.2重量%。
21.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于该玻璃的组成在技术上无BaO。
22.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于:为了获得低数目的气泡,除了所使用的澄清剂SnO2以外,向玻璃熔体添加至少一种与浮法相容的另外的化学澄清剂,如氧化铈、硫酸盐化合物、氯化物化合物或氟化合物。
23.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于:为了获得低数目的气泡,对玻璃熔体进行物理澄清,例如通过减压手段或者>1680℃,优选>1730℃的高温手段。
24.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于Fe2O3含量小于250ppm和TiO2含量小于1重量%,并且在厚度4mm处的光透射>90%,优选>91%。
25.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于通过添加总量<1重量%的例如氧化铁、氧化硒、氧化镍、氧化钴、氧化铈、氧化铜、氧化钛来调节UV和/或红外的吸收。
26.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于通过添加脱色剂例如氧化锰或氧化硒,或变色剂例如氧化钴、氧化镍、氧化铬或稀土氧化物来降低由于污染或UV和/或IR吸收物质导致的色散,并且使颜色轨迹向消色点位移。
27.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃,特征在于使用着色剂例如钒、铬、钴、铁、铬、铜、镍化合物进行着色,并且在厚度为4mm处的光透射<80%。
28.根据前述权利要求中至少一项的平板浮法玻璃在对强度和/或抗划伤性能具有高要求的领域中的用途,例如作为航空航天和/或航空学上玻璃窗的以及交通工程的安全玻璃、作为锅炉观察窗玻璃、离心玻璃、钟表玻璃、作为扫描器具的盖、作为硬盘存储基片、用于房间的玻璃窗,其中在房间内外之间存在高的温度梯度,以及应用于要求高的热稳定性的领域,例如在照明领域,作为耐火玻璃窗或作为炉或烟囱的观察窗。
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