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Verfahren zum Herstellen von Formkörpern, die aus Glaspartikeln von
verschiedener Glaszusammensetzung bestehen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Herstellen von Formkörpern, die aus Glaspartikeln von verschiedener Glaszusammensetzung
bestehen und hervorragende Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber physikalischen
Stößen und Hitzeschock besitzen und besonders dort Verwendung finden, wo die sie
ausbildenden Glaspartikeln ihre besonderen verschiedenen Dichten oder Wärmeausdehnungskoeffizienten,
d. h. nach ihrem Verbinden zu einem Ganzen ihre verschiedenen Eigenschaften beibehalten,
aber gleiche oder ähnliche optische Eigenschaften aufweisen.
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Bei einem herkömmlichen Glas, dessen Homogenität für viele Verwendungszwecke
auf optischem Gebiet vorteilhaft sein mag, wird eine durch Schlag oder Stoß erzeugte
Schallwelle ausgebreitet und gibt bei Hinzukommen eines Sprunges oder Risses Anlaß
zum Zubruchgehen des Formkörpers. In mehrphasigen, aus Glas bestehenden Formkörpern
gemäß der Erfindung wird eine Schallwelle an den Grenzflächen zwischen benachbarten
Partikeln auf Grund deren wahlloser Orientierung wie auch deren besondere Unterschiede
bezüglich Dichte und Wärmeausdehnung gestreut; im Gegensatz zu üblichen Keramikkörpern
sind ihre optischen Eigenschaften einheitlich und in ihnen Hohlräume nur im geringsten
Ausmaße vorhanden. Infolge der Streuung und Dämpfung einer Stoßwelle durch das Streuen
werden für das Zubruchgehen verantwortliche Konzentrationen von Spannungsbeanspruchungen
an örtlich beschränkten Stellen in den Formkörpern auf ein Mindestmaß herabgesetzt
und wird in ihnen, wenn die Partikeln jeweils unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
besitzen, durch gegenseitige Wirkung dieser aufeinander eine verteilte Spannung
errichtet, welche die Formkörper tempert und ihnen dadurch verbesserte Festigkeit
verleiht.
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Bekannt sind Glaskörper, die aus Partikeln von zwei oder mehreren
Glassorten bestehen. Bei ihrer Herstellung führt das Glasgemisch zum Schmelzen nur
einer Glassorte unter Entstehen eines entsprechenden Agglomerates.
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Gemäß der Erfindung erfolgt die Verwendung der einzelnen Partikeln
jedoch durch zusätzliches Pressen.
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Das neue Verfahren zum Herstellen von Formkörpern, die aus Glaspartikeln
mit verschiedener Zusammensetzung bestehen, ist dadurch gekennzeichnet, daß die
aus Glaspartikeln bestehende Masse nur in einer Richtung bei einem gerade so großen
Druck gepreßt wird, daß sich nur ein bestimmter Teil der Partikeln deformieren läßt
und dabei die zwischen den Partikeln vorhandenen Hohlräume geschlossen werden und
durch genügend langes Fortsetzen des Preßvorganges eine Bildung der Teilchen zu
einem Ganzen hervorgerufen wird.
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Diese Produkte weisen verbesserte Stoßfestigkeit auf, besitzen durch
die gesamte Masse verteilte Eigenspannung auf Grund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Partikeln, durch deren praktisch gleichen optischen Eigenschaften die Eigenstreuung
von Licht weitgehend vermindert wird.
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So wird ein feinpulveriges Massegemisch eines Pulvers oder einer Fritte,
die wesentliche Anteilmengen von mindestens zwei verschiedenen Glasarten enthalten
kann, nach Einbringen in eine Form gewöhnlich auf eine erhöhte Temperatur erhitzt,
dann nur in einer Richtung so hinreichend verpreßt, daß die einzelnen Partikeln
wenigstens einer Glasart deformieren, die zwischen ihnen vorhandenen Hohlräume verschlossen
werden und ein inniger Oberflächenkontakt herbeigeführt wird, so daß die Partikeln
zu einem Ganzen verbunden werden und ihre verschiedenen Eigenschaften in relativ
winzigen Bereich beibehalten.
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Die Preßform und der zugehörige Stempel sind vorzugsweise so angeordnet,
daß der Abstand zwischen den Druckflächen gleichmäßig in der Druckrichtung durch
die gesamte Nutzfläche der Form ist.
Diese Ausführung gewährleistet
den Einsatz gleichmäßigen Druckes durch den gesamten Formkörper und vergrößert in
höchstem Grade Gleichmäßigkeit seiner Dichte und seiner anderen strukturellen Eigenschaften.
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Bevorzugt wird allgemein beim Verpressen des Partikelgemisches die
Temperatur auf diejenige begrenzt, die beträchtlich unter der Entglasungstemperatur
des am geringsten stabilen der anteiligen Glassorten und unter derjenigen liegt,
bei der die Partikeln völlig gegenseitig diffundiert werden, um die Unversehrtheit
dieser zu bewahren, Stabilitätsprobleme auf ein Mindestmaß und die Glasqualität
des fertigen Formkörpers auf ein Höchstmaß zu bringen. Die Temperaturen beim Preßvorgang
sind bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens immer begrenzt, so daß die
Viskositäten der Glassorten dabei viel höher sind als der Viskositätsbereich für
das Verarbeiten von Glaszusammensetzungen durch herkömmliches Pressen, d. h. viel
höher als etwa 10s Poise. Da der Druck einen ausgesprochenen Einfluß hinsichtlich
der Erhöhung der Viskosität ausübt, kann indessen das Verpressen bei Temperaturen
über den anerkannten Erweichungstemperaturen der Gläser bei Atmosphärendruck erfolgen.
Die hier angegebene Deformierungstemperatur ist die Temperatur, bei der die Viskosität
des Glases 1076 Poise ist (bestimmt nach der Faserdehnungsmethode in ASTM Nr. 0338-57,
angenommen 1957).
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Nach Feststellung führen Drücke im Bereich von etwa 70 bis 3520 kg/cm2
zu zufriedenstellenden Ergebnissen, was von Eigenschaften wie der Deformierbarkeit
der Glassorten in der feinpulverigen Masse und von der Arbeitstemperatur abhängt.
Für Gläser mit einem relativ hohen Deformierbarkeitsgrad sind relativ niedrige Drücke
und umgekehrt für solche mit einer relativ geringen Deformierbarkeit bei der Arbeitstemperatur
relativ hohe Drücke erforderlich. In gewissem Grade abhängig von dem Anteilverhältnis
der verschiedenen Glassorten im Gemisch wird die Fähigkeit zur Deformierung die
größte Wirkung auf die erforderliche Höhe des Druckes haben. Wenn der am leichtesten
zu deformierende Anteil im Gemisch etwa 10 Volumprozent oder mehr des zu verpressenden
Gemisches ausmacht, ist sein Deformierungsvermögen erfahrungsgemäß bestimmend für
den erforderlichen Betriebsdruck, weil die relativ leichter deformierbaren Partikeln
rundherum deformieren und sich an die relativ schwierig verformbaren Partikeln unter
Verschließen der Hohlräume in der Masse anschmiegen.
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Es scheint ein spiegelbildliches Verhältnis zwischen dem erforderlichen
Druck und der Arbeitstemperatur vorzuliegen, wobei die oberen Werte beider Parameter
durch die Stabilität der -u pressenden Glaszusammensetzung begrenzt sind. Vorzugsweise
arbeitet man bei einer so hohen wie möglichen Temperatur, wie sie durch die Neigungen
zur Entgasung des Glases abgegrenzt ist, wodurch die Anwendung eines relativ niedrigen
Druckes möglich ist. Der angewendete Druck muß so groß sein, daß die Masse bis auf
eine Dichte gebracht wird, die dicht bei der Durchschnittsdichte der den Preßkörper
zusammensetzenden einzelnen Partikeln liegt, wodurch in dem Formkörper die Hohlräume,
die auf Grund ihrer Lichtstreuungseffekte unerwünscht sind, auf ein Mindestmaß herabgesetzt
werden. Der Druck muß aber für die Beseitigung der aus der Reibung in der Masse
auftretenden Schwierigkeiten ausreichen, nämlich derjenigen zwischen ihren Partikeln
und innerhalb der einzelteiligen Partikeln, um plastische Deformierung im Preßling
zu bewirken und dadurch die Hohlräume zu schließen und Oberflächen- (Grenzflächen-)
Kontakt zwischen ihnen weitgehend zu erstellen.
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Die Partikelgrößenverteilung der feinpulverigen Glasmasse ist verhältnismäßig
wichtig für Erzielung bester Ergebnisse. Zwecks Vermeidung unerwünschten Gaseinschlusses
im verpreßten Formkörper müssen die Partikeln möglichst groß sein, um ein Entweichen
des Gases aus der verdichteten Masse zu gewährleisten. Für Erhöhung der Schüttdichte
der Masse auf einen Höchstwert vor dem Pressen, wobei das Schrumpfmaß während des
Verpressungsvorganges auf ein Mindestmaß verringert wird, ist es erwünscht, die
Hohlräume zwischen den relativ großen oder Grobpartikeln mit relativ feinen Partikeln
auszufüllen. Daher weist die optimale Partikelgrößenverteilung gewöhnlich ein hohes
Anteilverhältnis an groben Partikeln und ein relativ geringes Anteilverhältnis an
Feinpartikeln auf.
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Im üblichen Falle verformt man vorzugsweise die feinpulverige Massezusammensetzung
zu einem dichten und kohäsiven Körper, wie durch Zusammendrücken (Verdichten) durch
Kaltverpressung oder durch Unterwerfen einer Schwingung (Vibration), Zentrifugierung
od. dgl., bevor ein Aussetzen der Heizpreßstufe erfolgt. Beim Herstellen eines Formkörpers
für optischen Gebrauch, d. h. eines relativ hochtransparenten Glaskörpers, führt
man vorzugsweise in das Gemisch Glassorten ein, die lediglich hinsichtlich ihrer
Wärmeausdehnungseigenschaften unterschiedlich sind und die sonst wie nur möglich
übereinstimmend, besonders hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften sind. Ihre
Berechnungsindizes und Dispersionseigenschaften müssen eng aneinander angepaßt sein,
um Lichtstreuung im Preßkörper auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Glas A Beispiel
1 Si02 . . . . . . . . . . . . . . 70,28 Gewichtsprozent K20 . . . . . . . . . .
. . . . 9,50 Gewichtsprozent Na20 . . . . . . . . . . . . . 7,14 Gewichtsprozent
Ca0 . . . . . . . . . . .... 11,28 Gewichtsprozent 1320.9 . . . . . . . .
. . . . . . 0,86 Gewichtsprozent Sb203 ..... . ..... . . 0,94 Gewichtsprozent
Nd ............. - . . 1,523 V ................. 59,5 Erweichungspunkt .
. 7131 C Glas B Si02 . . . . . . . . . . . . . . 68,24 Gewichtsprozent K20
. . . . . . . . . . . . . . 14,57 Gewichtsprozent Na20 . . . . . . . . . . . . .
0,93 Gewichtsprozent Ca0 . . . . . . . . . . . . . . 6,02 Gewichtsprozent Pb0 .
. . . . . . . . . . . . . 8,87 Gewichtsprozent Zn0 . . . . . . . . . . . . . . 0,91
Gewichtsprozent As203 . . . . . . . . . . . . . 0,46 Gewichtsprozent Na ................
1,523 V ................. 55,1 Erweichungspunkt . . 755° C
Ein Gemisch
von annähernd gleichen Gewichtsanteilmengen dieser beiden Glaszusammensetzungen,
auf Ansatzbasis, wurde in feinteiliger Form auf eine Partikelgröße unter 250 Mikron
zerkleinert und gründlich durchgemischt, um eine gleichmäßige Verteilung der beiden
verschiedenen Zusammensetzungen durch und durch zu gewährleisten. Es wurde das feinpulverige
Gemenge zu einem verdichteten lose kohäsiven Scheibenkörper mit einer Dicke von
etwa 6,350 mm durch Verpressen in einer Stahlringform bei Raumtemperatur und bei
etwa 703 kg/cm= zusammengedrückt. Der so geformte Körper wurde in der Form auf eine
Platte gelegt, auf etwa 650'C erhitzt und bei dieser Temperatur so lange
gehalten, bis thermische Gleichgewichtsbedingungen sicher erreicht waren. Unter
weiterem Halten bei dieser Temperatur wurde der Körper in einer Richtung senkrecht
zu seinem Durchmesser bei etwa 2460 kg je Quadratzentimeter Oberflächenbereich etwa
15 Minuten verpreßt und dann von der Platte weggenommen und in der Luft gekühlt.
Das gepreßte Erzeugnis war ein relativ dichter, massiver und kohäsiver Glaskörper
ohne Streifen, Einschlüsse oder Blasen und besaß eine hervorragende Widerstandsfähigkeit
gegenüber physikalischen und Wärmeschock.
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Es wurden verschiedene andere Körper aus dem Gemisch von diesem Beispiel
unter Benutzung verschiedener Temperaturen im Bereich von etwa 650 bis 750° C und
Anwendung von Drücken von 1050 bis 2460 kg/cm2 gefertigt. Ausprobiert wurden auch
Ringformen aus verschiedenen unterschiedlichen Materialien, wie z. B. aus Messing,
410 kohlenstoffarmem Stahl, 416 rostfreiem Stahl und 304 rostfreiem Stahl. Beste
Ergebnisse erzielt man allgemein mit einem Gemisch, wenn die Körper bei Temperaturen
zwischen 675 und 700° C bei einem Druck von etwa 2460 kg/cm2 unter Verwendung von
entweder einer Ringform aus rostfreiem Stahl oder einer solchen aus einem Stahlrohr
geschnittenen Ringform gepreßt wurden. Das Material des Ringformwerkzeuges scheint
grundsätzlich Einfluß auf die Spannungen zu haben, die in dem Formkörper während
des Kühlens infolge des Unterschiedes zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Form und des Körpers innerhalb der Form erzeugt sind.
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Beispiel 2 Glas C Si02 . . . . . . . . . . . . . . 73,66 Gewichtsprozent
K20 . . . . . . . . . . . . . . 4,00 Gewichtsprozent Na20 . . . . . . . . . . .
. . 13,69 Gewichtsprozent Pb0 . . . . . . . . . . . . . . 2,00 Gewichtsprozent Zn0
. . . . . . . . . . . . . . 1,50 Gewichtsprozent B203 . . . . . . . . . . . . .
. 4,15 Gewichtsprozent Sb203 . . . . . . . . . . . . . 1,00 Gewichtsprozent
Na ................ 1,506 V ................. 59,3 Erweichungspunkt
etwa . . . . . . . . . . . . 715° C Glas D Si02 . . . . . . . . . . . . . . 66,25
Gewichtsprozent Na20 . . . . . . . . . . . . . 7,27 Gewichtsprozent Ca0 . . . .
. . . . . . . . . . 0,36 Gewichtsprozent Pb0 . . . . . . . . . . . . . . 1,83 Gewichtsprozent
Mg0 . . . . . . . . . . . . . . 0,35 Gewichtsprozent Zn0 . . . . . . . . . . . .
. . 1,89 Gewichtsprozent A1203 . . . . . . . . . . . . . 2,70 Gewichtsprozent B203
. . . . . . . . . . . . . . 14,30 Gewichtsprozent Sb203 . . . . . . . . . . . .
. 5,05 Gewichtsprozent Na ................ 1,506 V .................
59,6 Erweichungspunkt . . 707° C Ein Gemisch von annähernd gleichen Gewichtsanteilmengen
dieser beiden Glaszusammensetzungen, auf Ansatzbasis, wurde in feinpulveriger Form
auf eine Partikelgröße unter 250 Mikron zerkleinert und gründlich durchgemischt,
um gleichmäßige Verteilung der beiden unterschiedlichen Zusammensetzungen durch
und durch zu gewährleisten. Eine Masse daraus wurde zu einem locker kohäsiven scheibenförmigen
Körper mit einer Dicke von etwa 6,350 mm durch Verpressen bei Raumtemperatur bei
etwa 703 kg/cm2 in einer Stahlringform verdichtet. Dieser Formkörper wurde in der
Form auf eine Platte gelegt, auf etwa 665° C erhitzt und bei dieser Temperatur so
genügend lange gehalten, bis Wärmegleichgewichtsbedingungen mit Sicherheit erreicht
waren. Unter Halten bei dieser Temperatur wurde der Formkörper in einer Richtung
senkrecht zu seinem Durchmesser bei etwa 1400 kg je Quadratzentimeter Oberflächenbereich
15 Minuten gepreßt, aus der Presse herausgenommen und durch Aussetzen der Atmosphäre
gekühlt. Der Preßkörper wurde dann aus der Ringform durch Kernbohren entfernt. Das
Produkt war ein relativ dichter, massiver (kompakter) und kohäsiver Glaskörper ohne
Streifenbildungen, Einschlüsse oder Blasen und wies eine hervorragende Widerstandsfähigkeit
gegenüber physikalischem und Wärmeschock auf.