Prozessentwicklung zum chemischen Vorspannen dünner Gläser

摘要

Beim chemischen Vorspannen von Glas unterhalb des Transformationsbereiches (Tg) werden über Diffusionsprozesse kleinere Ionen des Glases (meist Na+) mit größeren Ionen eines Kontaktmittels (meist K+) ausgetauscht. Als direkte Folge des gesteigerten Raumbedarfes von K+ gegenüber Na+ entstehen in den oberflächennahen Volumenbereichen des Glases mechanische Druckspannungen, die eine Ausbreitung von Oberflächenanrissen erschweren und auf diese Weise das Werkstück verfestigen. Da nach dem gegenwärtigen Stand der Technik das chemische Vorspannen im industriellen Maßstab über ein mehrstündiges Eintauchen des Glases in eine Kaliumnitratschmelze realisiert wird, kann es nur unzulänglich in den in aller Regel kontinuierlichen Prozess der Glasproduktion integriert werden. Die sich hieraus ableitende Zielstellung der Arbeit bestand folglich in der Entwicklung eines kontinuierlichen Prozesses zum chemischen Vorspannen dünner Gläser. Aus der Vielfalt der dafür infrage kommenden Lösungsvarianten wurde zunächst ein erstes grundlegendes Prozesskonzept erarbeitet, dass die Beschichtung der Glasoberfläche mit einem kaliumhaltigen Salz in Verbindung mit einer anschließenden Wärmebehandlung in einem Tunnelofen vorsah („Sprühprozess“). Die Überprüfung dieses Entwurfes mittels verschiedener Studien sowie ein abschließender direkter Vergleich mit dem Stand der Technik („Eintauchprozess“) führte unter Anderem zu den folgenden Erkenntnissen:1) Die verfahrenstechnische Umsetzung des chemischen Vorspannens unterhalb Tg kann sowohl über das Eintauchen eines natriumhaltigen Glases in eine Kaliumnitrat-Schmelze geeigneter Temperatur als auch über das Besprühen mit kaliumhaltigen Salzen in Verbindung mit einer anschließenden Wärmebehandlung erfolgen.2)Die vergleichsweise schnelle Natrium-Anreicherung im Salzfilm ist die Ursache dafür, dass sich mit dem Sprühprozess geringere Festigkeitssteigerungen erreichen lassen als mit dem Eintauchen des Glases in eine Kaliumnitrat-Schmelze.