DE931366C - Verfahren zur Beeinflussung der staendigen Spannungen in einem Glasgegenstand - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Glas durch Einwirkung auf die inneren Spannungen, welche in dem Glas bei der Herstellung entstehen können. Die Erfindung ermöglicht insbesondere, dem Glas die Eigenschaften zu erteilen, die üblicherweise durch die »Kühlung« angestrebt werden, insbesondere die, daß das Glas leicht ohne Bruchgefahr geschnitten werden kann.

Es ist bekannt, daß die »Kühlung« den Zweck hat, die Nachteile zu beseitigen, die auf die häufig ungleichmäßig verteilten dauernden Spannungen zurückzuführen sind, welche sich sonst in dem Glas entwickeln. Diese Behandlung besteht darin, daß, nachdem der Glasgegenstand in seiner gesamten Masse gleichmäßig auf eine über der »unteren Entspannungstemperatur« liegendeTemperatur gebracht worden ist, die einer Viskosität von io¹⁴·⁶ Poisen entspricht, allmählich fortschreitend bis unter diese Temperatur gekühlt wird. Diese Behandlung erfordert eine umfangreiche Anlage. Ihre Durchführung ist lang, und die erzielten Ergebnisse sind nicht immer zufriedenstellend.

Das Verfahren nach der Erfindung beruht auf einem völlig neuen Grundgedanken, der im folgenden im einzelnen erläutert werden wird.

Es ist bekannt, daß die dauernden inneren Spannungen, d. h. diejenigen, die in dem gekühlten

Glas verbleiben, nur entstehen können, wenn sich zu Beginn der Kühlung das Glas in seiner Gesamtheit oder teilweise auf einer Temperatur befindet, die hinreichend hoch ist, damit seine verschiedenen Moleküle noch eine gewisse Beweglichkeit gegeneinander besitzen, d. h. einer Temperatur, die höher ist als die oben definierte »untere Entspannungstemperatur«, über die das Glas in seiner gesamten Masse erhitzt werden muß, um der üblichen

ίο »Kühlung« unterzogen werden zu können.

Wenn das Glas von einer Temperatur aus abgekühlt wird, in welcher es bereits völlig erstarrt ist, d. h. bei welcher seine Moleküle sich gegeneinander nicht mehr verschieben können, so sind die Spannungen, welche sich als Folge der schnelleren Abkühlung der Außenschichten im Vergleich zu den Innenschichten ergeben, nur zeitweilige; sie verschwinden gleichzeitig mit dem Temperaturunterschied, auf Grund dessen sie entstanden sind.

Im Gegensatz hierzu weist Glas, das von einer Temperatur aus abgekühlt wird, bei welcher ein gegenseitiges Gleiten der Moleküle möglich ist, nach Abkühlen auf die Umgebungstemperatur dauernde Spannungen auf, die um so höher sind, je schneller die Abkühlung bis zur Entspannungstemperatur war.

Da die Ausdrücke »gleiten« bzw. »Gleitfähigkeit« in ihrem allgemeinsten Sinn als Verschiebungen der Glasmoleküle gegeneinander zu -verstehen sind, kann man sich ein Bild des auftretenden Phänomens machen, wenn man sich vorstellt, daß die Außenhaut des Glasgegenstandes erstarrt, sich zusammenzieht und auf dem beweglichen Kern gleiten könnte, während im Gegensatz hierzu der Kern selber, der später erstarrt und dann bestrebt ist, sich zusammenzuziehen, diese Möglichkeit nicht hat, weil die erstarrte Außenhaut seiner Kontraktion nicht folgen kann, so daß er in gedehntem Zustand verbleibt, sich gegen die Außenhaut abstützt und in dieser Druckspannungen hervorruft. Diese infolge der Zusammenziehung der Oberflächen in der ersten Phase der Abkühlung auftretenden Gleitbewegungen sind die Ursache der dauernden Spannungen, die das kalte Glas aufweist.

Es wurde nun gefunden, daß es möglich ist, auf die Höhe und die Verteilung dieser dauernden Spannungen durch eine auf diese Gleitbewegungen

■- nachträglich folgende Behandlung einzuwirken, durch welche Gleitbewegungen im entgegengesetzten Sinn, d. h. solche, die die Oberflächen unter Druckspannungen setzen würden, hervorgerufen werden.

Gegenstand der Erfindung ist eine Behandlung des Glases, die darin besteht, daß in den Oberflächenschichten des Glases ein Druckzustand von solcher Höhe erzeugt wird, daß ein wenigstens teilweises Gleiten der äußeren Schichten auf den inneren Schichten herbeigeführt wird.

Ein Verfahren zur Durchführung der Erfindung besteht darin, daß auf die Außenschichten des Glases, während die Temperatur der Innenschichten niedriger ist als die untere Entspannungstemperatur oder diese nicht wesentlich überschreitet, ein .

Wärmestoß von einer solchen Höhe zur Einwirkung gebracht wird, daß er ausreicht, um in den Außenschichten durch Wärmedehnung Spannungen zu erzeugen, die fähig sind, bei dem jeweiligen Zustand des Glases ein Gleiten dieser Außenschichten auf die verhältnismäßig starren Innenschichten hervorzurufen. Ferner muß die Einwirkung dieses Wärmestoßes hinreichend kurz bemessen sein, um zu vermeiden, daß die Innenschichten auf eine erheblich oberhalb der unteren Entspannungstemperatur liegende Temperatur erhitzt werden.

Es wurde gefunden, daß infolge der Art und Kürze der Behandlung der erzielte Gleitvorgang irreversibel ist und daß infolgedessen die spätere Abkühlung nicht die Entstehung von Spannungen bewirkt und demzufolge keine besonderen Vorsichtsmaßregeln erfordert mit Ausnahme selbstverständlich derjenigen, die notwendig sind, um einen Bruch als Folge der während der Abkühlung auftretenden vorübergehenden Spannungen zu verhindern.

Es wurde ferner gefunden, daß die Behandlung durchgeführt werden kann, ohne daß die Oberflächen in irgendeinem Augenblick auf eine solche Temperatur gebracht werden, daß sie durch die Berührung mit den üblicherweise zum Halten des Glases verwendeten Mitteln \^rerletzt werden könnten.

Das Verfahren gemäß der Erfindung, welches sowohl auf bereits hergestellte wie auch auf im Zuge der Herstellung befindliche Gegenstände anwendbar ist, ermöglicht es also, mit sehr einfachen Mitteln auf die dauernden Spannungen, die in diesem Gegenstand entstanden bzw. im Entstehen begriffen sind,- einzuwirken, um sie zu verringern, zu beseitigen oder sogar umzukehren.

Ein besonders interessanter Vorteil des neuen Verfahrens besteht darin, daß es möglich ist, fertige Gegenstände zu behandeln, ohne daß ihre Oberfläche der Gefahr ausgesetzt wird, sich durch diese Behandlung zu verändern. Insbesondere kann man das Verfahren auf geprägtes oder gezogenes Fensterglas anwenden.

Von den Abbildungen zeigt Abb. 1 die bekannte Verteilung der Spannungen in den verschiedenen Schichten einer Glasplatte nach einer völligen im industriellen Rahmen durchgeführten Kühlung ohne Anwendung der Behandlung nach der Erfindung.

Diese Verteilung kann beispielsweise mittels des Kompensator nach Babinet beobachtet werden. Auf einer zu den Flächen der Scheibe senkrechten Achse x-x', die die Spannungen von dem Wert ο darstellt, sind die den Zugspannungen entsprechenden Ordinaten nach unten und die den Druckspannungen entsprechenden Ordinaten nach oben aufgetragen. Die klassische Kurve C₁, welche den iao Verlauf der Spannungen in jeder Schicht der Scheibe darstellt, besitzt im allgemeinen Parabelform und schneidet in zwei Punkten A und A' die Nullachse x-x', so daß man in der Vorstellung die Platte in drei parallele Zonen, zwei äußere und eine innere, unterteilen kann, wobei jeder Punkt einer

Außenzone Druckspannung und jeder Punkt der Innenzone Zugspannung aufweist.

Die Kurve C₂ (Abb. 2) und die Kurve C₃ (Abb. 3)

veranschaulichen beispielsweise, jedoch ohne Beschränkung, zwei mögliche Verteilungen von Spannungen in einer Glasplatte, die der Behandlung gemäß der Erfindung unterworfen worden ist.

Es ist ersichtlich, daß gegenüber der. Kurve gemäß Fig. 1 die Kurven C₂ und C₃ in den Oberflächenschichten eine erhebliche Herabsetzung der Druckspannung (Kurve C₂) und sogar eine geringe Zugspannung (Kurve C₃) erkennen lassen. Die darunterliegenden, durch die Behandlung nicht oder nur in geringem Grad erreichten Schichten zeigen gemäß den Kurven C₂ und C₃ eine gewisse Druckspannung, die höher ist als die an der Oberfläche. Die Zugspannung im Kern hat sich, da sie das Gleichgewicht zu den verringerten Druckspannungen in den Außenschichten herstellen muß, ebenfalls verringert. In ihrer Gesamtheit stellen die Kurven C₂ und C₃, die mittels des Kompensators von B ab inet meßbar sind, eine Doppelkurve in Form eines Kamelrückens dar.

Infolge der Verringerung der Druckspannungen in der Oberflächenschicht, die sogar in eine gewisse Zugspannung übergehen kann, ist es möglich, unter anderem besonders leicht schneidfähige Glasscheiben herzustellen und damit zu einem Ergebnis zu gelangen, das bisher nur mit Hilfe der »Kühlung« angestrebt wurde.

Es wurde ferner gefunden, daß die Behandlung nach der Erfindung auf die Spannungen in dem gesamten Fertigerzeugnis derart einwirken kann, daß sich eine Gleichmäßigkeit ergibt, die üblicherweise nur durch eine sorgfältige Kühlung erzielt werden konnte.

Es ist ferner zu bemerken, daß das Verfahren nach der Erfindung, wenn es, ebenso wie die normale Kühlung, ermöglicht, ein leicht schneidbares Glas mit geringen und gleichmäßig verteilten Spannungen herzustellen, doch erheblich von der üblichen Kühlung abweicht.

In der Tat ist die Behandlung gemäß der Erfindung nur von außerordentlich kurzer Dauer, in der Größenordnung von nur einer oder einigen Sekunden. Die Erhöhung der Temperatur bleibt infolgedessen auf die Oberflächenschichten beschränkt. Nach dem Aufhören des außerordentlich intensiven und kurzen Wärmestoßes, der diese Temperatur-So erhöhung hervorgerufen hat, kann eine beliebige Abkühlung erfolgen, bei der nur die normalen Vorsichtsmaßregeln gegen Bruchgefahr zu treffen sind. Im Gegensatz hierzu wird, wie oben erwähnt, für die Kühlung eine erheblich längere Zeitdauer benötigt. Sie erfordert, daß vorher die gesamte Masse des Gegenstandes auf eine gleichmäßige Temperatur oberhalb der unteren Entspannungstemperatur gebracht wird. Dann wird die Kühlung bis auf diese Temperatur in einer sehr vorsichtigen Weise durchgeführt.

Bei der Anwendung des neuen Verfahrens werden die hauptsächlichen Arbeitsbedingungen, nämlich die Temperatur der Wärmequelle, die Intensität des Wärmestoßes und die Dauer seiner Anwendung, selbstverständlich entsprechend den Eigenschaften geregelt, die das Fertigerzeugnis besitzen soll.

In allen Fällen ist der Wärmestoß gemäß der Erfindung durch seine Schroffheit gekennzeichnet, d. h. gleichzeitig durch die Höhe der zur Einwirkung auf die Oberfläche des Glases gebrachten Kalorien und die kurze Dauer dieser Einwirkung.

So wird eine gezogene Glasscheibe von 5 mm Dicke, die bei der Untersuchung mit dem Kompensator von B ab in et eine Spannungskurve der in Abb. ι dargestellten Art besitzt, nachdem sie auf ungefähr 420⁰ aufgeheizt worden ist, durch Einwirkung einer Gasbrennerreihe einem Wärmestoß von 20 Kalorien je Quadratzentimeter und Sekunde während 1V2 Sekunden ausgesetzt. Nach dieser Behandlung weist die Scheibe bei der Untersuchung im kalten Zustand mit dem Kompensator nach Babinet nur noch unbedeutende Spannungen auf, die nach einer doppelt gekrümmten Kurve der in Abb. 2 dargestellten Art verteilt sind.

Die Mittel und Vorrichtungen, mittels deren der Wärmestoß zur Einwirkung auf das Glas gebracht wird, können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, beliebige sein, sei es Erhitzung durch Strahlung, Konvektion, dielektrische Verluste, und zwar jedes dieser Mittel einzeln oder mehrere zugleich. Auch irgendwelche andere Heizmittel können angewendet werden, vorausgesetzt, daß die Anwendung dieser Mittel vorzugsweise eine hohe Erhitzung der Oberflächenschichten der behandelten Gegenstände ergibt.

Bei gewissen Ausführungsformen der Erfindung kann eine gewünschte Änderung der Höhe der Spannungen und/oder ihrer Verteilung durch eine wiederholte Anwendung der Behandlung in Form mehrerer aufeinanderfolgender, voneinander getrennter Wärmestöße erzielt werden.

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Beeinflussung des Maßes und der Verteilung der ständigen Spannungen in einem Glasgegenstand, insbesondere, um dem Glas die üblicherweise durch Kühlung angestrebten Eigenschaften usw. und insbesondere seine Schneidfähigkeit zu geben, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasgegenstand einem Wärmestoß ausgesetzt wird, indem, während die Temperatur der Innenschichten niedriger ist als die Entspannungstemperatur oder diese nicht erheblich überschreitet, die Außenschichten einer so intensiven Wärmebeeinflussung unterworfen werden, daß in ihnen durch Wärmeausdehnung vorübergehend Druckspannungen erzeugt werden, die ein Gleiten der Außenschichten in bezug auf die verhältnismäßig starreren Innenschichten bewirken, wobei diese Wärmezufuhr so kurz ist, daß die Innenschichten nicht auf eine Temperatur wesentlich oberhalb der Entspannungstemperatur erwärmt werden und die erzielten Verschiebungen irreversibel sind und derart die spätere

   Kühlung keine anderen Vorsichtsmaßnahmen erfordert als die, welche normalerweise erforderlich sind, um Bruch als Folge der während der Kühlung auftretenden vorübergehenden Spannungen zu verhindern.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestoß so durchgeführt wird, daß die Oberfläche des Glases in keinem Augenblick der Behandlung eine Temperatur erreicht, bei der sie durch die Berührung mit den üblicherweise zum Halten des Glases verwendeten Mitteln verändert werden könnte.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung pulsierend, d. h. durch mehrere aufeinanderfolgende getrennte Wärmestöße, erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Wärmestoßes zwischen Bruchteilen einer Sekunde und einigen Sekunden liegt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch seine Anwendung auf Glasgegenstände während ihren Herstellung, d. h.

   bevor sie auf Raumtemperatur abgekühlt sind, oder nach ihrer Herstellung.
6. 6. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch ι bis 5 auf Glasgegenstände, deren Oberfläche nicht beschädigt werden darf.
7. 7. Industriell erzeugter Glasgegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß seine inneren Spannungen eine Kurve doppelter Krümmungen bilden, in der die Mittelzone geringe Zugspannung und die anliegenden Außenzonen eine geringe Druckspannung aufweisen.
8. 8. Glasgegenstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß seine Oberfläche eine geringe Druckspannung aufweist (Abb. 2).
9. 9. Glasgegenstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an seiner Oberfläche gleich Null ist.
10. 10. Glasgegenstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß seine Oberfläche eine leichte Zugspannung aufweist (Abb. 3).

    Angezogene Druckschriften:
    Deutsche Patentschrift Nr. 832 048.

    Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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