LU102043B1 - Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit und/oder der Härte eines Glasgegenstandes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit, insbesondere der Biegebruchfestigkeit, eines aus einem Glasmaterial hergestellten Glasgegenstandes. Das Verfahren beinhaltet den Schritt des Erwärmens des Glasgegenstandes auf eine erste Temperatur, die über der Transformationstemperatur des Glasmaterials liegt, den Schritt des Schockkühlens des Glasgegenstandes auf eine zweite Temperatur, die unter der Transformationstemperatur des Glasmaterials liegt sowie den Schritt des Durchführens eines lonenaustauschprozesses bei der zweiten Temperatur.

Description

03.09.2020 084A0003LU 1 LU102043 Beschreibung Titel: Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit und/oder der Harte eines Glasgegenstandes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit, insbesondere der Biegebruchfestigkeit, eines aus einem Glasmaterial hergestellten Glasgegenstandes.

Die Erfindung betrifft außerdem einen nach dem erfindungsgemé&Ben Verfahren hergestellten Glasgegenstand.

Es sind verschiedene Härte- und Verfestigungsverfahren bekannt, um Glas als vielseitiges Hightech Material der jeweiligen Verwendung ideal anzupassen.

Die meisten Härte- und Verfestigungsverfahren sind entweder nur sehr aufwändig anwendbar und/oder setzen die Verwendung von zumeist teurem Spezialglas voraus.

Beispielsweise ist es bekannt, die Bruchfestigkeit von Glas durch sog. thermisches Vorspannen (umgangssprachlich auch thermisches Härten oder Tempern genannt) zu erhöhen.

Hierbei wird das zu verfestigende Glaswerkstück in einem Ofen auf ca. 600 °C erhitzt und dann schnell auf Raumtemperatur abgeschreckt.

Durch dieses Abschrecken erstarrt die Oberfläche und die äußeren Abmessungen des Bauteiles ändern sich nun nur noch wenig.

Es entstehen an der Oberfläche des Glaswerkstücks Druckspannungen, die im Ergebnis zu einer höheren Bruchfestigkeit führen.

Das thermische Vorspannen kommt insbesondere bei der Herstellung von Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) zum Einsatz.

Das Spannungsprofil von Einscheiben-Sicherheitsglas weist Uber die Glasdicke im Inneren hohe Zugspannungen auf, die im Versagensfall der Scheibe zu einem charakteristischen Krümelbruchbild führen.

Es ist auch bekannt, Glasgegenstände durch chemisches Vorspannen zu

03.09.2020 084A0003LU 2 LU102043 verfestigen. Beim chemischen Vorspannen wird zwischen Verfahren mit einem sogenannten Hochtemperatur-lonenaustausch und Verfahren mit einem sogenannten Niedertemperatur-lonenaustausch unterschieden.

Lediglich Verfahren mit Niedertemperatur-lonenaustausch, bei dem ein Alkali- lon durch ein größeres Alkali- lon ersetzt wird, haben bislang industriellen Einsatz gefunden. Bei diesen Verfahren wird eine Druckspannungszone an der Oberfläche des Glases durch einen lonenaustausch erreicht, der zumeist in einem Bad aus geschmolzenem Salz zwischen der Glasoberfläche und dem Salzbad stattfindet. Es werden beispielsweise Natriumionen gegen Kaliumionen ausgetauscht, wodurch in der Glasoberfläche eine Druckspannungszone entsteht, weil die Kaliumionen größer sind als die Natriumionen. Für handelsübliche Gläser (Alkali-Erdalkali-Silikatgläser) ist die Behandlungszeit in der Salzschmelze nachteiliger Weise sehr lang. Sie beträgt üblicherweise zwischen 8 und 36 Stunden. Das Problem der langen Prozesszeiten kann durch die Verwendung teurer Spezialgiäser bei gleichzeitiger Anwendung komplizierter, insbesondere mehrstufiger, Behandlungsverfahren vermindert werden.

Aus DD 1579 66 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfestigung von Glaserzeugnissen durch lonenaustausch bekannt. Die Glaserzeugnisse werden dabei durch Alkalionenaustausch zwischen der Glasoberfläche und Alkalisalzschmelzen verfestigt. Zur Verfestigung werden Hohlglaserzeugnisse mit nach unten gekehrter Öffnung oder Hohlglaserzeugnisse, die um eine horizontale Achse gedreht oder geschwenkt werden, mit der Salzschmelze beregnet. Hierbei wird das Salz ständig umgewälzt und durch Lochbleche geleitet, um für die in mehreren Lagen angeordneten Glaserzeugnisse eine Regenkaskade zu erzeugen. Nachteiliger Weise ist dieses Verfahren nur unter Verwendung von vergleichsweise teurem Spezialglas wirtschaftlich sinnvoll nutzbar.

Aus DE 195 10 202 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hohlglaskörpern

03.09.2020 084A0003LU 3 LU102043 nach dem Blas-Blas- und Press-Blas-Formgebungsverfahren mit erhöhter mechanischer Festigkeit bekannt.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Blaspressluft in der Vor- und/oder Fertigform des Blas-Blas- Formgebungsverfahrens oder in der Fertigform des Press-Blas- Formgebungsverfahrens nebelfôrmige wässrige AlkalimetallsalzI&sungen beigemischt werden.

Aus DE 11 2014 003 344 T5 ist ein chemisch gehärtetes Glas für Flachbildschirme von Digital-Kameras, Mobiltelefonen, digitalen Organizern usw., bekannt.

Das chemisch gehdrtete Glas weist eine Druckbelastungsschicht auf, die mit einem lonenaustausch-Verfahren erzeugt wird, wobei das Glas eine Oberflächen-Rauigkeit von 0,20 nm oder höher aufweist und wobei die Wasserstoffkonzentration Y im Bereich zu einer Tiefe X von einer äußersten Oberfläche des Glases der Gleichung Y =aX + b bei X = von 0,1 bis 0,4 (um) genügt.

Das Glas wird auf eine Temperatur von 100 °Celsius vorgeheizt und dann in geschmolzenes Salz eingetaucht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das es bei vergleichsweise schneller Durchführbarkeit erlaubt, auch Glasgegenstände zu verfestigen, die nicht aus teurem und speziell angepasstem Spezialglas hergestellt sind.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: a.

Erwärmen des Glasgegenstandes auf eine erste Temperatur, die über der Transformationstemperatur des Glasmaterials liegt, b.

Schockkühlen des Glasgegenstandes auf eine zweite Temperatur, die unter der Transformationstemperatur des Glasmaterials liegt,

03.09.2020 084A0003LU 4 LU102043 c. Durchführen eines lonenaustauschprozesses bei der zweiten Temperatur. | Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer geschickten Kombination von thermischem und chemischem Härten und ist in vorteilhafter und Uberraschender Weise vergleichsweise einfach, schnell und unkompliziert durchführbar. Dennoch bietet das erfindungsgemäße | Verfahren sowohl wesentliche Vorteile des thermischen Vorspannens als auch wesentliche Vorteile des chemischen Vorspannens.

Insbesondere können mit dem erfindungsgemd&Ben Verfahren sehr hohe Festigkeitswerte, insbesondere im Hinblick auf Biegebruchfestigkeit, Mikrohärte und Kratzfestigkeit, erreicht werden, die die Festigkeitswerte von unbehandeltem Glas um ein Vielfaches Ubersteigen, wobei die erforderlichen Prozesszeiten jedoch sehr kurz sind im Vergleich zu den Prozesszeiten, die übliche Verfahren des chemischen Vorspannendes aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass die lonenaustauschzeit bei dem erfindungsgemäBen Verfahren in der Regel weniger als 30 Minuten zu betragen braucht, um ähnlich gute Festigkeitswerte erzielen zu können wie durch bisher übliche chemische Verfestigungsverfahren mit sehr langen Prozesszeiten und dass bessere Festigkeitswerte erzielt werden, als bei einem reinen thermischen Verfestigen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher besonders vorteilhaft für eine industrielle Massenproduktion von gehärteten Glasgegenständen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass es eine sehr hohe Flexibilität hinsichtlich der möglichen Wandstärken und der möglichen Formen der zu behandelnden Glasgegenstände bietet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl zum Erhöhen der Festigkeit von Flachglas, beispielsweise für Fenster oder Displays, als auch zum Erhöhen der Festigkeit von anders geformten Glasgegenständen, insbesondere A.

03.09.2020 084A0003LU | 5 LU102043 Gefäßen und/oder Geschirgegenständen, geeignet. Die Erfindung hat Insbesondere den ganz besonderen Vorteil, dass insbesondere vergleichsweise kostengünstiges Glasmaterial, wie beispielsweise einfaches Gebrauchsglas, insbesondere Behälterglas, als Ausgangsmaterial verwendet werden kann, um im Ergebnis ganz besonders bruchfeste Glasgegenstände zu erhalten. In vorteilhafter Weise ist jedoch auch das Behandeln von Spezialgläsern ebenfalls möglich. Die Erfindung hat außerdem den ganz besonderen Vorteil, dass insbesondere für Gebrauchsgegenstände des täglichen Bedarfs auf Grund der erhöhten Bruchfestigkeit eine geringere Wandstärke des Glasgegenstandes erforderlich ist. Dies hat zur Folge, dass bei der Herstellung der Glasgegenstände gegenüber herkömmlich aus demselben Glasmaterial hergestellten Glasgegenständen Glas eingespart werden kann. Insbesondere können die erfindungsgemäß behandelten Glasgegenstände daher ein geringeres Eigengewicht aufweisen, als herkömmlich aus demselben Glasmaterial hergestellte Glasgegenstände. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die erste Temperatur in einem Bereich von 100 Kelvin bis 300 Kelvin Über der Transformationstemperatur liegt. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die erste Temperatur in einem Bereich von 50 Kelvin unter und 30 Kelvin über dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt.

Die Transformationstemperatur ist die Temperatur, bei der das Glas während der Abkühlung aus dem plastischen Bereich in den starren Zustand übergeht; insbesondere die Temperatur, bei der die Viskosität n 10123 Pa s beträgt.

Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Glasgegenstand derart erwärmt wird, dass die anfängliche Aufheizraterate 100 Kelvin pro

DA

03.09.2020 084A0003LU 6 LU102043 Minute, insbesondere über 250 Kelvin pro Minute, liegt.

Das Erwärmen des Glasgegenstandes auf eine erste Temperatur kann | vorteithaft dadurch geschehen, dass der Glasgegenstand (insbesondere | 5 zusammen mit weiteren Glasgegenständen einer Charge) in einen Ofen überführt wird. Der Ofen kann vorteilhaft eine Ofentemperatur aufweisen, die dem Littleton-Punkt des Glasmaterials entspricht oder die höchstens 50 Kelvin unter und hôchstens 30 Kelvin über dem Littleton-Punkt des Glasmaterials des Glasgegenstandes liegt. Insbesondere kann der Ofen vorteilhaft eine Ofentemperatur aufweisen, die in einem Bereich von 10 Kelvin bis 40 Kelvin Über der ersten Temperatur liegt. Insbesondere bei der Verwendung von Alkali-Erdalkali-Silikatglas als Glasmaterial kann die Ofentemperatur vorteilhaft im Bereich von 650 °Celsius bis 770 °Celsius, insbesondere im Bereich von 740 °Celsius bis 760 °Celsius oder im Bereich von 680 °Celsius bis 730 °Celsius, liegen oder 750 °Celsius betragen.

Es ist wichtig darauf zu achten, dass der Glasgegenstand ausreichend lange im Ofen verbleibt, um (zumindest an seiner äußersten Schicht) die erste Temperatur zu erreichen. Allerdings darf der Glasgegenstand nicht zu lange in dem Ofen verbleiben, um ungewollte Verformungen des Glasgegenstands zu vermeiden. Es hat sich gezeigt, dass bei Glasgegenständen, die als Hohlkörper mit einer Wandung ausgebildet sind, die eine Wanddicke aufweist, besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn der Glasgegenstand für eine Aufheizzeit im Bereich von 35 Sekunden bis 90 Sekunden, insbesondere von 45 Sekunden bis 70 Sekunden pro Millimeter Wanddicke, insbesondere für eine Aufheizzeit von 55 Sekunden pro Millimeter Wanddicke, in dem Ofen verbleibt. Bei einem Glasgegenstand, dessen Wandung an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich dick ist, ist vorzugsweise die Wanddicke an der dünnsten Stelle ausschlaggebend für die Aufheizzeit. Bei einem Glasgegenstand, der flach ausgebildet ist und eine Dicke aufweist, werden besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn der Glasgegenstand für eine Aufheizzeit im

03.09.2020 084A0003LU 7 LU102043 Bereich von 35 Sekunden bis 90 Sekunden, insbesondere von 45 Sekunden bis 70 Sekunden, pro Millimeter Dicke, insbesondere für eine Aufheizzeit von 55 Sekunden pro Millimeter Dicke, in dem Ofen verbleibt.

Bei einem Glasgegenstand, der an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich dick ist, ist vorzugsweise die Dicke an der dünnsten Stelle ausschlaggebend für die Aufheizzeit.

Insbesondere bei Glasgegenständen, die eine Wanddicke bzw. eine Dicke von mehr als 2 Millimetern, insbesondere von mehr als 3 Millimetern, aufweisen und/oder Glasgegenständen, die in unterschiedlichen Bereichen sehr unterschiedliche Wanddicken bzw.

Dicken aufweisen, kann das Erwärmen in ganz besonders vorteilhafter Weise in einem mehrstufigen, insbesondere zweistufigen, Prozess erfolgen.

Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Glasgegenstand zunächst langsam auf eine Zwischentemperatur aufgeheizt wird und anschließend schnell auf die erste Temperatur aufgeheizt wird.

Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Glasgegenstand zunächst mit einer ersten Aufheizrate auf eine Zwischentemperatur aufgeheizt wird und anschließend mit einer zweiten Aufheizrate, die Uber der ersten Aufheizrate liegt, auf die erste Temperatur aufgeheizt wird.

Diese Vorgehensweise hat den ganz besonderen Vorteil, dass ungewollte Verformungen des Glasgegenstandes wirkungsvoll vermieden werden, da alle Bereiche des Glasgegenstandes die erste Temperatur gleichzeitig oder wenigstens innerhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitfensters erreichen.

Es wird so vermieden, dass die Bereiche des Glasgegenstandes, die sich schneller aufheizen lassen, sich bereits (ungewollt) verformen, während noch gewartet werden muss, bis andere Bereiche, die sich weniger schnell aufheizen lassen, die erste Temperatur erreichen.

Außerdem hat diese Vorgehensweise den ganz besonderen Vorteil, dass ZN.

03.09.2020 084A0003LU 8 LU102043 insbesondere bei hohen Temperaturen auftretende Wechselwirkungen des Glasgegenstandes mit dem Halter, der den Glasgegenstand während der Ausführung des Verfahrens hält und/oder transportiert, vermieden oder wenigstens reduziert werden.

Vorzugsweise liegt die Zwischentemperatur in einem Bereich von 50 Grad Kelvin unter bis 100 Kelvin über der Transformationstemperatur des Glasmaterials, insbesondere in einem Bereich von 0 Kelvin bis 50 Kelvin Uber der Transformationstemperatur des Glasmaterials.

Um dies zu erreichen, kann beispielsweise die Ofentemperatur nach der ersten Aufheizphase erhöht werden. Es ist alternativ auch möglich, zwei Öfen mit unterschiedlichen Ofentemperaturen zu verwenden, wobei der Glasgegenstand nach der ersten Aufheizphase von dem ersten Ofen in den zweiten Ofen, der eine hôhere Ofentemperatur aufweist, für die zweite Aufheizphase überführt wird. Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung wird ein Ofen verwendet, der Ofenbereiche unterschiedlicher Temperatur aufweist, so dass der Glasgegenstand nach der ersten Aufheizphase in einem ersten Ofenbereich für die zweite Aufheizphase in einen zweiten Ofenbereich überführt werden kann. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Glasgegenstand zuerst bei einer ersten Ofentemperatur und danach bei einer zweiten Ofentemperatur, die höher ist, als die erste Ofentemperatur, erhitzt wird.

Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Glasgegenstand für eine Aufheizzeit im Bereich von 30 Sekunden bis 120 Sekunden, insbesondere von 80 Sekunden bis 100 Sekunden, oder für eine Aufheizzeit von 90 Sekunden der zweiten Ofentemperatur ausgesetzt wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Glasgegenstand Überall die Primärtemperatur erreicht, ohne dass es zu Verformungen des Glasgegenstandes kommt. Bei Alkali-Erdalkali-Silikatglas kann die obere Ofentemperatur vorteilhaft im a

03.09.2020 084A0003LU 9 LU102043 Bereich von 680 °Celsius bis 730 °Celsius liegen. | Bei einer vorteilhaften Ausführung wird das Schockkühlen ohne Verzögerung durchgeführt, sobald der Glasgegenstand die erste Temperatur erreicht hat.

Zumindest erfolgt das SchockkUhlen vorzugsweise mit einer Verzögerung von maximal einer Minute, nachdem der Glasgegenstand die erste Temperatur erreicht hat.

Auf diese Weise wird vermieden, dass sich der auf die erste Temperatur erwärmte Glasgegenstand zunächst langsam, insbesondere auf eine Temperatur außerhalb eines Bereichs von 100 Kelvin bis 300 Kelvin über der Transformationstemperatur, wieder abkühlt, bevor das Schockkühlen erfolgt.

Besonders gute Festigkeitswerte werden erreicht, wenn die zweite Temperatur in einem Bereich von 50 Kelvin bis 200 Kelvin unter der Transformationstemperatur liegt.

Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung erfolgt das Schockkühlen durch ein In-Kontakt-Bringen des Glasgegenstandes mit einem Abkühlmittel, das eine Flüssigkeit oder eine Suspension ist.

Das Abkühlmittel weist vorzugsweise die zweite Temperatur auf.

Insbesondere kann das Schockkühlen durch ein Eintauchen des Glasgegenstandes in ein Abkühlbad, das das Abkühlmittel beinhaltet, erfolgen.

Es ist alternativ beispielsweise auch möglich, dass das In-Kontakt-Bringen durch Besprühen oder durch Berieseln mit dem Abkühlmittel, das vorzugsweise die zweite Temperatur aufweist, erfolgt.

In erfindungsgemäßer Weise wurde insbesondere erkannt, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn der Glasgegenstand — anders als beispielsweise bei dem herkömmlichen Tempern — nicht auf Raumtemperatur abgeschreckt wird, sondern auf die zweite Temperatur.

Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass bei der zweiten imma A

03.09.2020 | 084A0003LU 10 LU102043 Temperatur auch der lonenaustauschprozess durchgeführt wird. Es wurde weiter erkannt, dass die anfängliche AbkUhirate im Wesentlichen durch die Differenz zwischen der Primärtemperatur und der AbkUhlmitteltemperatur sowie durch den materialspezifischen Wärmeübergangskoeffizient bestimmt ist. Insbesondere werden besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Bruchfestigkeit erzielt, wenn die erste Temperatur und die Abkühlmitteltemperatur derart gewählt werden, dass die anfängliche Abkühlrate im Bereich vom 80 Kelvin bis 120 Kelvin pro Sekunde liegt, insbesondere im Bereich vom 90 Kelvin bis 110 Kelvin pro Sekunde liegt, oder 100 Kelvin pro Sekunde beträgt.

Vorzugsweise beinhaltet der lonenaustauschprozess, lonen, insbesondere Alkali-lonen, ganz insbesondere Natrium-lonen, aus dem Glasgegenstand zu entfernen und durch räumlich größere lonen, insbesondere Alkali- lonen, ganz insbesondere Kalium-lonen, zu ersetzen. Vorzugsweise beinhaltet der lonenaustauschprozess, wie bereits erwähnt, ein In-Kontakt- Bringen des Glasgegenstandes mit einem Austauschmittel.

Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung wird ein Austauschmittel in Form einer Austauschsalz-Schmelze oder in Form einer ein Austauschsalz beinhaltenden Paste oder Suspension verwendet wird. Insbesondere hierbei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Austauschsalz Kaliumnitrat ist oder Kaliumnitrat beinhaltet.

Insbesondere kann das In-Kontakt-Bringen des Glasgegenstandes mit dem Austauschmittel durch Eintauchen oder durch Besprühen oder durch Berieseln erfolgen.

Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung ist das AbkUhimittel gleichzeitig auch das Austauschmittel. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Glasgegenstand nach dem Erwärmen auf die

EEE

03.09.2020 084A0003LU 11 LU102043 erste Temperatur in das Austauschmittel, das gleichzeitig als das Abkühimitiel fungiert, eingetaucht wird, wodurch unmittelbar das SchockkUhlen erfolgt und unmittelbar der lonenaustauschprozess beginnt.

Diese Vorgehensweise ist insbesondere im Hinblick auf eine kurze | Prozesszeit ganz besonders vorteilhaft.

Vorzugsweise wird der lonenaustauschprozesses für einen Zeitraum im Bereich von 15 Minuten bis 300 Minuten durchgeführt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bereits sehr hohe Festigkeitswerte, insbesondere bei Glosgegenstanden aus alkalihaltigem Silikatglas oder Borosilikatglas, erreicht werden, wenn der lonenaustauschprozesses für einen Zeitraum im Bereich von 15 Minuten bis 45 Minuten, insbesondere für ca. 30 Minuten, andauert.

Das Glasmaterial kann vorteilhaft ein alkalihaitiges Silikatglas, insbesondere ein Alkali-Erdalkali-Silikatglas, oder ein Alumosilikatglas, oder ein Borosilikatglas sein. Insbesondere Alkali-Erdalkali-Silikatglas hat den besonderen Vorteil, dass es kostengünstig erhältlich ist, aber dennoch mit dem erfindungsgemäBen Verfahren zu besonders bruchfesten —Glasgegenständen verarbeitet werden kann. Insbesondere bei der Verwendung von Alkali-Erdalkali-Silikatglas als Glasmaterial kann die erste Temperatur vorteilhaft im Bereich vom 700 °Celsius bis 760 °Celsius, insbesondere im Bereich von 720 °Celsius bis 740 °Celsius liegen. Entsprechend kann die AbkUhimitteltemperatur, insbesondere wenn es sich bei dem AbkUhimittel beispielsweise um ein geschmolzenes Salz, wie beispielsweise geschmolzenes Natriumsalz oder geschmolzenes Kaliumsalz handelt, vorteilhaft im Bereich von 350 °Celsius bis 500 °Celsius, insbesondere im Bereich vom 390 °Celsius bis 450 °Celsius oder im Bereich von 420 °Celsius bis 440 °Celsius liegen, insbesondere um die oben genannte, vorteilhafte Abkühirate zu erzielen.

Das Glasmaterial kann vorteilhaft einen Siliziumdioxidanteil von mehr als Ja

03.09.2020 084A0003LU 12 LU102043 | 58% (Massenprozent) und von weniger als 85 % (Massenprozent), insbesondere von mehr als 70 % (Massenprozent) und von weniger als 74 % (Massenprozent) aufweisen. Insbesondere ein Glasmaterial, das ein Alkali-Erdaikali-Silikatglas ist, kann vorteilhaft einen Siliziumdioxidanteil von mehr als 70% (Massenprozent) und von weniger als 74 % (Massenprozent) aufweisen.

Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Glasmaterial einen Alkalioxidanteil, insbesondere Natriumoxidanteil und/oder Lithiumoxidanteil, im Bereich von 5 % (Massenprozent) bis 20 % (Massenprozent), insbesondere im Bereich von 12 % (Massenprozent) bis 13,5 % (Massenprozent) aufweist.

Das Glasmaterial kann (alternativ oder zusätzlich} vorteilhaft einen Kaliumoxidanteil von höchstens 7 % (Massenprozent), insbesondere von höchstens 1 % (Massenprozent), aufweisen. Insbesondere kann das Glasmaterial einen Kaliumoxidanteil im Bereich von 0,5% (Massenprozent) bis 0,9 % (Massenprozent) aufweisen.

Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Glasmaterial einen Bortrioxidanteil von weniger als 15 % {Massenprozent), insbesondere von höchstens 5 % (Massenprozent), aufweist.

Wie bereits erwähnt, weist ein Glasgegenstand, der nach dem erfindungsgemdBen Verfahren behandelt wurde, ganz besonders gute Festigkeitswerte auf, obwohl er aus einem kostengünstigen Glasmaterial hergestellt sein kann. Insbesondere kann eine Festigkeit des Glasgegenstandes, insbesondere eine Festigkeit gemessen gemäß DIN EN 1288-5, erreicht werden, die wenigstens 1,5 mal, insbesondere wenigstens zweimal oder wenigstens dreimal oder wenigstens viermal oder wenigstens fünfmal, höher ist, als die Festigkeit eines gleichen unbehandelten Glasgegenstandes, insbesondere eines 22

03.09.2020 084A0003LU 13 LU102043 Glasgegenstandes gleicher Form und Größe und gleichen Glasmaterials. Beispielsweise konnte nachgewiesen werden, dass handelsübliches Floatglas mit einer Dicke von 0,95 mm, das aus Alkali-Erdalkali-Silikatglas als Glasmaterial hergestellt ist, nach einer erfindungsgemäBen Behandlung, bei der ein 30-minütiger lonenaustauschprozess durchgeführt wurde, in einem Doppelringbiegeversuch nach DIN EN 1288-5 eine vielfach hôhere Festigkeit zeigt, als gleiches unbehandeltes Floatglas. Floatglas mit einer Dicke von 0,95 mm wird beispielsweise für Displays eingesetzt. Konkret betrug die mittlere Doppelringbiegezugfestigkeit bei den Proben von unbehandeltem Floatglas 550 MPa, während die mittlere Doppelringbiegezugfestigkeit bei den erfindungsgemäß behandelten Proben 1.600 MPa betrug.

Beispielsweise können daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Festigkeitswerte erreicht werden, die mit der Festigkeit herkömmlicher Displaygläser (insbesondere Displaygläser hergestellt aus Spezialglas und mit aufwändigeren herkömmlichen Verfahren behandelt) zumindest vergleichbar sind, Der Glasgegenstand kann beispielsweise als ein Hohlkörper, insbesondere ein Trinkglas, eine Vase, ein Becher, eine Schüssel oder eine Flasche, ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Glasgegenstand als Geschirrgegenstand, insbesondere als Teller oder Platte, ausgebildet ist.

Der Glasgegenstand kann auch als Flachglas, beispielsweise für einen Flachbildschirm, ausgebildet sein.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielhaft und schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleiche oder gleich wirkende Elemente auch in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zumeist mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

EL

03.09.2020 | 084A0003LU 14 LU102043 Fig. 1 eine Darstellung des erfindungsgemäBen Verfahrens im Hinblick auf die unterschiedlichen Temperaturen bei der Ausführung, und Fig.2 eine Darstellung der Temperaturverhältnisse bei der Ausführung eines AusfOhrungsbeispiels eines erfindungsgemäBen Verfahrens. Fig. 1 zeigt schematisch eine nicht maBstabsgerechte Darstellung der Temperaturverhältnisse bei der Ausführung des erfindungsgemäBen Verfahrens zum Erhöhen der Festigkeit, insbesondere der Biegebruchfestigkeit, eines aus einem Glasmaterial hergestellten Glasgegenstandes. In einem ersten Schritt erfolgt ein Erwärmen 1 des Glasgegenstandes von einer Anfangstemperatur Ta, die beispielsweise die Raumtemperatur sein kann, auf eine erste Temperatur Ti, die über der Transformationstemperatur Tg des Glasmaterials des Glasgegenstandes liegt. Vorzugsweise liegt die erste Temperatur Ti in einem ersten Bereich 3 von 100 Kelvin bis 300 Kelvin Uber der Transformationstemperatur Tg des Glasmaterials. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Schockkühlen 2 des Glasgegenstandes auf eine zweite Temperatur T2, die unter der Transformationstemperatur Tg des Glasmaterials liegt. Die zweite Temperatur liegt vorzugsweise in einem zweiten Bereich 4 von 50 Kelvin bis 200 Kelvin unter der Transformationstemperatur Tg. Vorzugsweise erfolgt das Schockkühlen 2 durch ein In-Kontakt-Bringen mit einem Abkühlmittel, das die zweite Temperatur T2 aufweist und das gleichzeitig auch ein Austauschmittel für den dritten (nicht dargestellten) Schritt es Durchführens eines lonenaustauschprozesses bei der zweiten Temperatur Taist.

HS

03.09.2020 084A0003LU 15 LU102043 Vorzugsweise wird der lonenaustauschprozesses für einen Zeitraum im Bereich von 15 Minuten bis 300 Minuten, insbesondere im Bereich von 20 Minuten bis 40 Minuten, insbesondere für ca. 30 Minuten, durchgeführt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine nicht maBstabsgerechte Darstellung der Temperaturverhditnisse bei der Ausführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäBen Verfahrens zum Erhöhen der Festigkeit, insbesondere der Biegebruchfestigkeit, eines aus Kalknatronglas hergestellten Glasgegenstandes.

In einem ersten Schritt erfolgt ein Erwärmen 1 des Glasgegenstandes von einer Anfangstemperatur Ta, die beispielsweise 20 °C betragen kann, in einem (nicht dargestellten) Ofen auf eine erste Temperatur T1 von 745 °C, die Über der Transformationstemperatur Tg von 530 °C des Glasmaterials des Glasgegenstandes liegt.

In einem zweiten Schritt folgt unmittelbar ein Schockkühlen 2 des Glasgegenstandes auf eine zweite Temperatur Tz, die 420 °C beträgt. Das — Schockkühlen 2 erfolgt durch ein Eintauchen des Glasgegenstandes in ein (nicht dargestelltes) AbkUhlbad, das ais Abkühimittel eine Salzschmelze aus Kaliumnitrat beinhaltet. Die Salzschmelze hat eine Temperatur von 420 °C.

Die Salzschmelze ist gleichzeitig auch das Austauschmittel für den dritten (nicht dargestellten) Schritt es Durchführens eines lonenaustauschprozesses, der bei der zweiten Temperatur T2 von 420 °C durchgeführt wird ist. Hierfür wird der Glasgegenstand für einen Zeitraum im Bereich von 15 Minuten bis 300 Minuten, insbesondere im Bereich von 20 Minuten bis 40 Minuten, insbesondere für ca. 30 Minuten, in der Salzschmelze belassen.

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03.09.2020 084A0003LU 16 LU102043

Danach wird der Glasgegenstand aus dem Abkühlbad heraus genommen und in einer Abkühlposition außerhalb des Abkühlbades weiter bis auf Raumtemperatur abgekühlt und schließlich gereinigt.

03.09.2020 084A0003LU 17 LU102043 Bezugszeichenliste: 1 Erwärmen 2 Schockkühlen 3 Erster Bereich 4 Zweiter Bereich Ti Erste Temperatur T2 Iweite Temperatur TA Anfangstemperatur Tg Transformationstemperatur A =~

Claims (29)

03.09.2020 084A0003LU 18 LU102043 Patentansprüche

1. Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit, insbesondere der Biegebruchfestigkeit, eines aus einem Glasmaterial hergestellten Glasgegenstandes, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a. Erwärmen des Glasgegenstandes auf eine erste Temperatur, die Über der Transformationstemperatur des Glasmaterials liegt, b. Schockkühlen des Glasgegenstandes auf eine zweite Temperatur, die unter der Transformationstemperatur des Glasmaterials liegt, c. Durchführen eines lonenaustauschprozesses bei der zweiten Temperatur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur in einem Bereich von 100 Kelvin bis 300 Kelvin Über der Transformationstemperatur liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur in einem Bereich von 50 Kelvin unter und 30 Kelvin Über dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasgegenstand derart erwärmt wird, dass die anfängliche Aufheizraterate 100 Kelvin pro Minute, insbesondere Uber 250 Kelvin pro Minute, liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schockkühlen ohne Verzögerung durchgeführt wird, sobald der Glasgegenstand die erste Temperatur erreicht hat, oder dass das Schockkühlen mit einer Verzögerung von maximal einer Minute durchgeführt wird, nachdem der Glasgegenstand die erste Temperatur erreicht hat. EE EE —e——————————

03.09.2020 084A0003LU 19 LU102043

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Glasgegenstand zum Erhitzen in einen Ofen überführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen eine Ofentemperatur aufweist, die Uber der ersten Temperatur liegt oder dass der Ofen eine Ofentemperatur aufweist, | die in einem Bereich von 10 Kelvin bis 40 Kelvin Uber der ersten Temperatur liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasgegenstand eine Dicke aufweist und dass der Glasgegenstand für eine Aufheizzeit im Bereich von 35 Sekunden bis 45 Sekunden pro Millimeter Dicke, insbesondere für eine Aufheizzeit von 40 Sekunden pro Millimeter Dicke, in dem Ofen verbleibt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Glasgegenstand ein Hohlkôrper mit einer Wandung ist, die eine Wanddicke aufweist, und dass der Glasgegenstand für eine Aufheizzeit im Bereich von 35 Sekunden bis 45 Sekunden pro Millimeter Wanddicke, insbesondere für eine Aufheizzeit von 40 Sekunden pro Millimeter Wanddicke, in dem Ofen verbleibt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur in einem Bereich von 50 Kelvin bis 200 Kelvin unter der Transformationstemperatur liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schockkühlen durch ein In-Kontakt- Bringen des Glasgegenstandes mit einem Abkühlmittel, das eine Flüssigkeit oder eine Suspension ist, erfolgt. U _

03.09.2020 084A0003LU 20 LU102043

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schockkühlen durch ein Eintauchen des Glasgegenstandes in ein Abkühlbad, das das Abkühimittel beinhaltet, erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur und die AbkühImitteltemperatur des Abkühlmittels derart gewählt werden, dass die anfängliche Abkühirate im Bereich vom 80 Kelvin bis 120 Kelvin pro Sekunde liegt, insbesondere im Bereich vom 90 Kelvin bis 110 Kelvin pro Sekunde liegt, oder 100 Kelvin pro Sekunde beträgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der lonenaustauschprozess beinhaltet, lonen, insbesondere Alkali-lonen, ganz insbesondere Natrium-lonen, aus dem Glasgegenstand zu entfernen und durch räumlich größere lonen, insbesondere Alkali-lonen, ganz insbesondere Kalium-lonen, ZU ersetzen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der lonenaustauschprozess ein In-Kontakt- Bringen des Glasgegenstandes mit einem Austauschmittel, insbesondere mit einem Austauschmittel, das die zweite Temperatur aufweist, beinhaltet.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Austauschmittel in Form einer Austauschsalz-Schmelze oder in Form einer ein Austauschsalz beinhaltenden Paste oder Suspension verwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Austauschsalz Kaliumnitrat ist oder Kaliumnitrat beinhaltet.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass In-Kontakt-Bringen des Glasgegenstandes mit dem Austauschmittel durch Eintauchen oder durch Besprühen oder durch Berieseln erfolgt.

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19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 und einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlmittel gleichzeitig auch das Austauschmittel ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der lonenaustauschprozesses für einen Zeitraum im Bereich von 15 Minuten bis 300 Minuten, insbesondere im Bereich von 20 Minuten bis 40 Minuten, durchgeführt wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial ein alkalihaltiges Silikatglas, insbesondere ein Alkali-Erdalkali-Silikatglas, oder ein Alumosilikatglas, oder ein Borosilikatglas ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial einen Siliziumdioxidanteil von mehr als 58 % (Massenprozent) und von weniger als 85 % (Massenprozent), insbesondere von mehr als 70 % (Massenprozent) und von weniger als 74 % (Massenprozent) aufweist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial einen Alkalioxidanteil, insbesondere Natrumoxidanteil und/oder Lithiumoxidanteil, im Bereich von 5 % (Massenprozent) bis 20 % {Massenprozent), insbesondere im Bereich von 12 % (Massenprozent) bis 13,5 % (Massenprozent) aufweist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial einen Kaliumoxidanteil von höchstens 7 % (Massenprozent), insbesondere von höchstens 1 % (Massenprozent), aufweist oder dass das Glasmaterial einen Kaliumoxidanteil im Bereich von 0,5% (Massenprozent) bis 0,9 % (Massenprozent) aufweist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial einen Bortrioxidanteil von

03.09.2020 084A0003LU | 22 | LU102043 weniger als 15 % (Massenprozent), insbesondere von höchstens 5 % (Massenprozent), aufweist.

26. Glasgegenstand hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 25.

27. …Glasgegenstand nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasgegenstand als ein Hohlkôrper, insbesondere ein Trinkglas, eine Vase, ein Becher, eine Schüssel oder eine Flasche, ausgebildet ist.

28. Glasgegenstand nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasgegenstand als Geschirrgegenstand, insbesondere als Teller, ausgebildet ist.

29. Glasgegenstand nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasgegenstand als Flachglasscheibe ausgebildet ist.

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