DE102006056088B9 - Process for increasing the strength of lithium alumino-silicate glass-ceramic by surface modification and produced by this method lithium alumino-silicate glass-ceramic - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Steigerung der Festigkeit einer Lithium-Alumino-Silikat-Glaskeramik durch Oberflächenmodifikation, gekennzeichnet durch folgende Schritte – die Oberfläche des Grünglases wird vor der Keramisierung mit einer Lösung oder Suspension eines Lithiumsalzes oder einer während der Keramisierung zu einem Lithiumsalz zersetzbaren organischen Verbindung beschichtet, – das Lithiumsalz hat einen Schmelzpunkt von mindestens 720°C, – die Beschichtung wird getrocknet, – Beschichtung und Trocknung werden erforderlichenfalls wiederholt, – bis die auf der Glasoberfläche erzeugte Schicht einen Li+-Ionengehalt von 10 bis 5000 mg Li+/m2 hat, – das beschichtete Grünglas wird keramisiert.Process for increasing the strength of a lithium alumino-silicate glass-ceramic by surface modification, characterized by the following steps: the surface of the green glass is coated prior to ceramification with a solution or suspension of a lithium salt or an organic compound decomposable to a lithium salt during ceramification; the lithium salt has a melting point of at least 720 ° C, - the coating is dried, - coating and drying are repeated if necessary, - until the layer produced on the glass surface has a Li + ion content of 10 to 5000 mg Li + / m2, - the coated Green glass is ceramized.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1.
Bisher wurde eine Festigkeitssteigerung von Lithium-Alumino-Silikat-Glaskeramik durch Ionenaustausch im keramisierten Zustand vorgenommen. Dazu wird die Glaskeramik üblicherweise in eine Salzschmelze, die aus Salzen mit dem auszutauschenden Kation besteht, getaucht oder mit einer Salzpaste beschichtet oder es wird ein anderes gängiges Verfahren zur Schichtaufbringung genutzt (Siebdruck, Sprühen, Bestreichen, etc...). Die Festigkeitssteigerung erfolgt durch den Austausch eines Ions mit kleinerem Ionenradius durch ein Ion mit größerem Ionenradius, wie z. B. in
Nachteilig bei den Ionenaustauschverfahren, die sämtlich an der fertigen Glaskeramik durchgeführt werden, ist ein hoher Energieverbrauch, ein hoher Chemikalienverbrauch, eine aufwendige Prozessführung, (z. B. Salzschmelzen bei Temperaturen bis zu 850°C) sowie eine oftmals schlechte Oberflächenqualität der Glaskeramik nach dem Ionenaustausch. Diese Nachteile haben bisher die großtechnische Umsetzung der Ionenaustauschverfahren zur Festigkeitssteigerung und zur Oberflächenmodifikation von Glaskeramik verhindert.A disadvantage of the ion exchange processes, which are all carried out on the finished glass ceramic, is a high energy consumption, a high consumption of chemicals, a complex process control (eg salt melts at temperatures up to 850 ° C.) and an often poor surface quality of the glass ceramic after ion exchange. These disadvantages have hitherto prevented the large-scale implementation of ion exchange processes for increasing the strength and surface modification of glass ceramics.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung und Oberflächenmodifikation von Lithium-Alumino-Silikat-Glaskeramik zu finden, das bei geringstem Energie- und Chemikalienverbrauch sowie einfacher Prozessführung die Herstellung einer Glaskeramik mit gesteigerter Festigkeit und erforderlichenfalls auch veränderter Oberfläche (z. B. hinsichtlich Ästhetik oder Oberflächenbeschaffenheit, Rauheit, etc...) erlaubt.The object of the invention is to find a method for increasing the strength and surface modification of lithium alumino-silicate glass-ceramic, which with minimal energy and chemical consumption and simple process control, the production of a glass ceramic with increased strength and, if necessary, modified surface (eg in terms of aesthetics or surface finish, roughness, etc ...).
Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene Verfahren bzw. die Glaskeramik beschrieben.This object is described by the method described in the patent claims or the glass ceramic.
In völliger Abkehr von den bisher bekannten Ionenaustauschverfahren gelingt es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, während der Keramisierung des Grünglases zur Glaskeramik in der Oberfläche der sich bildenden Glaskeramik eine Oberflächenmodifikation zu erzeugen, mit der die gewünschte Festigkeitssteigerung und/oder Oberflächenmodifikation erreicht wird. Statt der sonst üblichen glasigen Oberflächenschicht wird nunmehr eine kristalline Oberflächenschicht aus Keatitmischkristall (KMK) erzeugt. Dabei ist es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gleichgültig, ob die Glaskeramik als Hauptkristallphase HQMK oder KMK enthält.In complete departure from the ion exchange processes known hitherto, it is possible with the method according to the invention to produce a surface modification during the ceramization of the green glass to the glass ceramic in the surface of the glass ceramic forming, with which the desired increase in strength and / or surface modification is achieved. Instead of the usual glassy surface layer, a crystalline surface layer of Keatitmischkristall (KMK) is now produced. When using the method according to the invention, it is immaterial whether the glass ceramic contains HQMK or KMK as the main crystal phase.
Zunächst wird die Oberfläche des Grünglases mit einer Lösung eines Lithiumsalzes überzogen oder das Salz wird in einen anderen gängigen Schichtaufbringungsverfahren (Siebdruck, Sprühen, Bestreichen, etc...) aufgebracht. Die Lösung wird getrocknet und das Grünglas wie üblich durch den Keramisierungsofen geführt und keramisiert. Die auf diese Weise erzeugte Glaskeramik besitzt die festigkeitssteigernde Oberflächenschicht aus Keatitmischkristall (KMK) und/oder weitere Oberflächenmodifikationen.First, the surface of the green glass is coated with a solution of a lithium salt or the salt is applied in another common layer application method (screen printing, spraying, brushing, etc ...). The solution is dried and the green glass is passed as usual through the Keramisierungsofen and ceramized. The glass ceramic produced in this way has the strength-increasing surface layer of Keatitmischkristall (KMK) and / or other surface modifications.
Keatitmischkristall ist in der Fachwelt seit langem ein gängiger Begriff. Man versteht darunter eine Hauptkristallphase im System der Lithium-Alumino-Silikat-Glaskeramiken. Oberhalb des Zusammensetzungsbereichs für KMK wandelt sich der metastabile Hochquarzmischkristall HQMK bei Temperaturen oberhalb etwa 900°C in KMK um. Die Solidustemperatur der Phasen liegt zwischen 1350°C und 1450°C. Keatit-Mischkristalle und mit ihnen auch als wichtigster Vertreter β-Spodumen (LiAlSi2O6) besitzen wie HQMK eine „gestopfte Struktur”. Sie sind isotyp mit der tetragonalen SiO2-Modifikation Keatit (Raumgruppe P43212 oder P41212). Si4+-Ionen und Al3+-Ionen sind bei tetraedrischer Sauerstoff-Koordination statistisch verteilt. Li ist wie bei HQMK in Kanälen untergebracht und ist von O tetraedrisch koordiniert. Die für Li verfügbaren Lücken treten paarweise auf, wobei aber maximal eine dieser Lücken mit Li besetzt ist. Daraus folgt ein maximaler Anteil von 4 Li-Atomen pro Elementarzelle. Im reinen Li2O·Al2O3·n SiO2 System wandelt bei n ≥ 3,5 ab circa 950°C der metastabile HQMK in die stabile Phase β-Spodumen (n = 4), beziehungsweise KMK um. Es ist nicht möglich, von der Glasphase aus auf direktem Weg KMK auszukristallisieren, da die KMK-Bildung immer über die metastabile Zwischenphase des HQMK abläuft. Betrachtet man eine Formeleinheit LinAlnSi3-nO6, gilt, dass sich KMK ab n ≤ 1,1 bildet. Mit zunehmendem Si-Gehalt sinkt die Transformationstemperatur von HQMK in KMK; ebenso verkleinern sich die Gitterkonstanten des KMK.Keatite mixed crystal has long been a common term in the art. By this is meant a main crystal phase in the system of lithium aluminosilicate glass-ceramics. Above the composition range for KMK, the metastable high quartz mixed crystal HQMK converts to KMK at temperatures above about 900 ° C. The solidus temperature of the phases is between 1350 ° C and 1450 ° C. Keatite mixed crystals, and with them as the most important representative β-spodumene (LiAlSi 2 O 6 ), like HQMK, have a "stuffed structure". They are isotypic with the tetragonal SiO 2 modification keatite (space group P4 3 2 1 2 or P4 1 2 1 2). Si 4+ ions and Al 3+ ions are statistically distributed in tetrahedral oxygen coordination. Li is placed in channels like HQMK and is tetrahedrally coordinated by O. The gaps available for Li occur in pairs, but at most one of these gaps is occupied by Li. This results in a maximum proportion of 4 Li atoms per unit cell. In the pure Li 2 O.Al 2 O 3 .nSiO 2 system, the metastable HQMK converts into the stable phase β-spodumene (n = 4), or KMK, at around 3.5 ° C starting at approximately 950 ° C. It is not possible to crystallize KMK directly from the glass phase, since the formation of the KMK always proceeds via the metastable intermediate phase of the HQMK. Considering a formula unit Li n Al n Si 3-n O 6 , it is true that KMK from n ≤ 1.1 forms. As the Si content increases, the transformation temperature of HQMK in KMK decreases; Similarly, the lattice constants of the KMK decrease.
Die irreversible Umwandlung von HQMK in KMK ist zwar rekonstruktiv, aber trotzdem nur mit sehr geringen Atombewegungen in der Struktur gekoppelt und daher auch nur mit einer sehr geringen negativen Reaktionsenthalpie verbunden. Bei dieser exothermen Umwandlung lagern sich die 6er Ringe der (Si, Al)-Tetraeder in der HQMK-Struktur in 5er und 7er Ringe um. Als Triebkraft für die Umwandlung wird die Vergrößerung des Si/Al-Li Abstandes und somit der Abbau von inneren Spannungen gesehen. Insgesamt besteht eine sehr enge strukturelle Verbindung zwischen der Keatit-Struktur und der hexagonalen Hochquarz-Struktur, die, mit einer anderen Elementarzelle aufgestellt, als pseudo-tetragonal aufgefasst werden kann.The irreversible transformation of HQMK into KMK is indeed reconstructive, but nevertheless coupled only with very small atomic motions in the structure and therefore only with a very low negative reaction enthalpy. In this exothermic transformation, the 6-membered rings of the (Si, Al) tetrahedra in the HQMK structure rearrange into 5-membered and 7-membered rings. The driving force for the transformation is the increase of the Si / Al-Li distance and thus the reduction of internal stresses. Overall, there is a very close structural connection between the keatite structure and the hexagonal high quartz structure, which, when set up with another unit cell, can be considered pseudo-tetragonal.
Nach dem Trocknen der Lösung soll die in der Überzugsschicht vorhandene Menge an der Lithiumverbindung, gerechnet als Li+-Ionen, etwa 10 bis 2000 mg Li+/m2 betragen. Geringere Mengen an Lithium-Ionen haben nur noch einen geringen Effekt, größere Mengen an Li+-Ionen können zu optischen Defekten führen, wie zum Beispiel zu einer Craquele-Bildung oder Sekundärphasen-Ausscheidung an der Oberfläche (z. B. Willmentit-Kristalle bei Zn-haltigem Material). Bevorzugt wird eine Menge von 50 bis 1000 mg, insbesondere von 100 bis 500 mg Lithiumionen pro Quadratmeter Glasoberfläche.After drying the solution, the amount of lithium compound present in the coating layer, calculated as Li + ions, should be about 10 to 2000 mg Li + / m 2 . Lesser amounts of lithium ions have only a small effect, larger amounts of Li + ions can lead to optical defects, such as to a craquel formation or secondary phase precipitation on the surface (eg, Willmentit crystals at Zn-containing material). Preference is given to an amount of from 50 to 1000 mg, in particular from 100 to 500 mg of lithium ions per square meter of glass surface.
Falls nach dem ersten Auftrag und Trocknen der Lithiumsalzlösung noch keine ausreichende Menge an Lithium-Ionen auf der Glasoberfläche zur Verfügung steht, kann der Auftrag und das Trocknen so lange wiederholt werden, bis die gewünschte Menge an Li+-Ionen in der Oberflächenschicht vorhanden ist. Das Trocknen soll bevorzugt zügig erfolgen, damit sich eine gleichmäßige Li-Salz-Schicht ergibt und damit keine Bildung von größeren Li-Salz-Kristallen auftreten kann, die in Einzelfällen zu schlechteren Ergebnissen führen kann.If, after the first application and drying of the lithium salt solution, sufficient lithium ion is not yet available on the glass surface, the application and drying can be repeated until the desired amount of Li + ion is present in the surface layer. The drying should preferably be rapid, so that a uniform Li-salt layer results and thus no formation of larger Li salt crystals can occur, which can lead to worse results in individual cases.
Als Lithiumsalz geeignet sind alle Lithiumsalze, die einen Schmelzpunkt von mehr als 720°C besitzen, z. B. Li2SO4, Li2CO3 und dergleichen. Es können auch im Keramisierungsofen zersetzbare organische Lithiumverbindungen verwendet werden, wenn die bei der Zersetzung im Keramisierungsofen entstehenden Salze einen höheren Schmelzpunkt als 720°C besitzen. Ein Beispiel für eine solche organische Verbindung ist z. B. Lithiumoxalat, dessen Zersetzungsprodukt Lithiumoxid ist. Auch Lithiumacetat ist verwendbar. Andere Beispiele sind die Lithiumsalze von Alkan-, Alken- und Hydroxialkan-Sulfonsäuren. Insbesondere die kurzkettigen Sulfonsäuresalze mit 1 bis 5 C-Atomen im organischen Rest sind geeignet. Allerdings ist darauf zu achten, dass bei der Zersetzung der organischen Verbindungen keine die Oberfläche der Glaskeramikplatte, beeinträchtigenden Nebenprodukte entstehen. So ist z. B. eine fluorhaltige Verbindung im allgemeinen wegen des bekannten Angriffs von HF auf Silicium unerwünscht.Suitable lithium salt are all lithium salts which have a melting point of more than 720 ° C, z. Li 2 SO 4 , Li 2 CO 3 and the like. It is also possible to use decomposable organic lithium compounds in the ceramizing furnace if the salts formed during the decomposition in the ceramizing furnace have a higher melting point than 720 ° C. An example of such an organic compound is z. B. lithium oxalate whose decomposition product is lithium oxide. Lithium acetate is also usable. Other examples are the lithium salts of alkane, alkene and hydroxyalkene sulfonic acids. In particular, the short-chain sulfonic acid salts having 1 to 5 carbon atoms in the organic radical are suitable. However, care must be taken that decomposition of the organic compounds does not produce byproducts adversely affecting the surface of the glass-ceramic plate. So z. For example, a fluorochemical compound is generally undesirable because of the known attack of HF on silicon.
Hat das Lithiumsalz einen Schmelzpunkt von weniger als 720°C, wird die Gefahr immer größer, dass sich in der Oberfläche der erzeugten Glaskeramik Oberflächendefekte bilden. So führt z. B. die Verwendung des bei ca. 600°C schmelzenden Lithiumchlorids häufig zu Craquelé-Bildung in der Oberfläche, wodurch die Festigkeit deutlich reduziert wird. Dieser Effekt kann allerdings bewusst als Anmutungsvariation zur Erzeugung ästhetischer Effekte, sofern eine Festigkeitssteigerung nicht der Hauptzweck ist und bei Anwendungen, die keine hohe Festigkeit benötigen, eingesetzt werden.If the lithium salt has a melting point of less than 720 ° C., the danger of surface defects forming in the surface of the glass ceramic produced becomes ever greater. So z. B. the use of melting at about 600 ° C lithium chloride often cracking in the surface cracking, whereby the strength is significantly reduced. However, this effect may deliberately be used as an appearance variation to produce aesthetic effects, provided that strength enhancement is not the primary purpose and used in applications that do not require high strength.
Zur Erzielung einer guten und gleichmäßigen Benetzung und Verteilung der Lösung bzw. der Suspension kann es von Vorteil sein, dass eine geringe Menge an Netzmittel zugesetzt wird, falls die eingesetzten Lithiumverbindungen oder das Löse/Suspendiermittel nicht schon von sich aus über eine ausreichende Netz-Wirkung verfügen. Dabei sind alle bekannten Netzmittel geeignet, sofern sie nicht bei ihrer Zersetzung im Keramisierungsofen die Oberfläche des zu keramisierenden Teils angreifen. Die erforderliche Konzentration des Netzmittels in der Lösung ist von Netzmittel zu Netzmittel unterschiedlich und kann von einem Fachmann mit wenigen Versuchen bestimmt werden.To achieve a good and uniform wetting and distribution of the solution or the suspension, it may be advantageous that a small amount of wetting agent is added, if the lithium compounds used or the solvent / suspending agent is not already on its own from a sufficient wetting effect feature. All known wetting agents are suitable, provided that they do not attack the surface of the part to be ceramized during their decomposition in the ceramizing furnace. The required concentration of wetting agent in the solution is different from wetting agent to wetting agent and can be determined by a person skilled in the art with few attempts.
Das Aufbringen der Lösung bzw. der Suspension auf das Grünglas kann mit allen gängigen Methoden erfolgen, z. B. Tauchen, Fluten, Pinselauftrag, Siebdrucken, Spincoaten, Vorhanggießen, Aufsprühen, etc., wobei das Aufsprühen bevorzugt wird.The application of the solution or the suspension to the green glass can be done by all common methods, eg. As dipping, flooding, brushing, screen printing, spin coating, curtain coating, spraying, etc., wherein the spraying is preferred.
Die auf das Grünglas aufgebrachte Schicht des Salzes bzw. der organischen Lithiumverbindung ist häufig sehr abriebempfindlich, so dass es von Vorteil ist, der Lösung noch ein Bindemittel zuzusetzen. Als Bindemittel geeignet sind alle in der Lösung löslichen organischen Bindemittel, vor allem Celluloseether, Gelatine, Polyvinylalkohole, Polyvinylpyrrolidon, Gummiharze, wie z. B. Gummiarabikum, Dextran usw., und dergleichen. Das Bindemittel ergibt nach seiner Trocknung einen Film, der die aufgebrachte Lithiumsalzschicht vor Abrieb schützt. Bevorzugt werden Celluloseether, Polyvinylpyrrolidon und Polyvinylalkohole.The layer of the salt or the organic lithium compound applied to the green glass is often very sensitive to abrasion, so that it is advantageous to add a binder to the solution. Suitable binders are all soluble in the solution of organic binders, especially cellulose ethers, gelatin, polyvinyl alcohols, polyvinylpyrrolidone, rubber resins, such as. Gum arabic, dextran, etc., and the like. After drying, the binder gives a film which protects the applied lithium salt layer from abrasion. Preference is given to cellulose ethers, polyvinylpyrrolidone and polyvinyl alcohols.
Als Flüssigkomponente für die Lithiumsalze und -verbindungen kommen in erster Linie polare Lösemittel, wie Wasser, Alkohole und Ketone zur Verwendung. Zur Beschleunigung der Trocknung der auf die Glaskeramik aufgebrachten Lösung ist es jedoch von Vorteil, wenn die Lösung einen hohen Anteil an mit Wasser mischbaren (polaren), leicht verdampfbaren, organischen Lösemittel besitzt. Besonders geeignet sind die niederen Alkohole mit 1 bis 5 C-Atomen, insbesondere Methanol, Ethanol und Propanol. The liquid components used for the lithium salts and compounds are primarily polar solvents such as water, alcohols and ketones. However, in order to accelerate the drying of the solution applied to the glass-ceramic, it is advantageous if the solution has a high proportion of water-miscible (polar), easily evaporable, organic solvents. Particularly suitable are the lower alcohols having 1 to 5 carbon atoms, in particular methanol, ethanol and propanol.
Der Zusatz von Alkohol hat den zusätzlichen Vorteil, dass er gleichzeitig als Netzmittel wirkt, so dass auf den besonderen Zusatz von Netzmitteln verzichtet werden kann. Ist eine besonders schnelle Trocknung erwünscht, wird der Alkoholgehalt in der Lösung so hoch wie möglich gewählt. Die Menge an zugesetztem Alkohol soll jedoch nicht so groß werden, dass die gelösten Lithiumsalze- bzw. -verbindungen ausgefällt werden oder dass eine Phasentrennung auftritt. Die maximal zulässige Menge an Alkohol hängt von der Natur des jeweiligen Alkohols ab und kann von einem Fachmann unschwer bestimmt werden.The addition of alcohol has the additional advantage that it also acts as a wetting agent, so that can be dispensed with the particular addition of wetting agents. If a particularly fast drying is desired, the alcohol content in the solution is chosen as high as possible. However, the amount of added alcohol should not become so large that the dissolved lithium salts or compounds are precipitated or phase separation occurs. The maximum permitted amount of alcohol depends on the nature of the particular alcohol and can easily be determined by a person skilled in the art.
Gute Erfahrungen werden mit Mischungen gemacht, die bis zu 60 Gew.-% Alkohol, insbesondere Ethanol, enthalten. Ebenso wurden gute Erfahrungen beim Auftragen der Schicht mit alkoholischen Li-Salz Suspensionen (Teilchengröße ≤ 100 μm) gemacht.Good experiences are made with mixtures containing up to 60% by weight of alcohol, especially ethanol. Likewise, good experiences were made when applying the layer with alcoholic Li salt suspensions (particle size ≤ 100 microns).
Die Menge des in dem Lösungsmittel gelösten Lithiumsalzes bzw. der Lithiumverbindung ist gering, im allgemeinen reichen Konzentrationen von 2,5 bis 5 g·l–1, gerechnet als Li2O, von Lithiumsalz bzw. -Verbindung aus. Die Suspensionen haben bevorzugt eine Konzentration von 5–25 g·Lithiumsalz pro Liter (gerechnet als Li2O), können aber auch verdünnter aufgebracht werden.The amount of the lithium salt or the lithium compound dissolved in the solvent is low, in general concentrations of 2.5 to 5 g.l -1 , calculated as Li 2 O, from lithium salt or compound. The suspensions preferably have a concentration of 5-25 g of lithium salt per liter (calculated as Li 2 O), but can also be applied more dilute.
Nach dem Durchlauf der beschichteten Grünglasplatte durch den Keramisierungsofen erhält man eine Glaskeramik, die eine Oberflächenschicht aus Keatit-Mischkristall (KMK) mit einer Stärke von 1 bis 3 μm besitzt. Diese Oberflächenschicht ist maßgeblich für die gesteigerte Festigkeit. Die sonst vorhandene glasige Oberflächenschicht ist praktisch nicht mehr vorhanden. Dadurch werden Zugspannungen, die normalerweise durch die glasige Schicht aufgrund ihres höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten induziert werden, vermindert oder aufgehoben. Außerdem wird eine schädliche Umwandlung von HQMK-Relikten in der oberflächennahen Schicht in Tiefquarz-Struktur verhindert.After passing through the coated green glass plate through the Keramisierungsofen to obtain a glass ceramic having a surface layer of keatite mixed crystal (KMK) with a thickness of 1 to 3 microns. This surface layer is decisive for the increased strength. The otherwise existing glassy surface layer is practically no longer available. As a result, tensile stresses that are normally induced by the glassy layer due to their higher thermal expansion coefficient, reduced or eliminated. In addition, a harmful conversion of HQMK relics in the near-surface layer in deep quartz structure is prevented.
Die Schicht ist besonders deutlich erkennbar, wenn das Grünglas in eine Hochquarz-Mischkristall-Glaskeramik umgewandelt wird. Wird das Grünglas zu einer Keatit-Mischkristall-Glaskeramik keramisiert, so besteht die erzeugte Glaskeramik vollständig aus KMK-Glaskeramik. Im Gegensatz dazu hat eine Glaskeramik, die gemäß dem Stand der Technik aus Grünglas zu einer KMK-Glaskeramik umgewandelt wurde, eine für die geringere Festigkeit verantwortliche glasige Oberflächenschicht.The layer is particularly noticeable when the green glass is converted into a high-quartz solid solution glass-ceramic. If the green glass is ceramized to a keatite mixed crystal glass ceramic, then the glass ceramic produced consists entirely of KMK glass ceramic. In contrast, a glass-ceramic which has been converted from green glass into a KMK glass-ceramic according to the prior art has a vitreous surface layer responsible for the lower strength.
Die Erfindung eignet zur Erzeugung von festigkeitsgesteigerten Glaskeramiken aus allen Lithium-Alumino-Silikat-Grüngläser., unabhängig davon, ob die Glaskeramik eine Hauptkristallphase aus KMK oder HQMK besitzt, insbesondere ist sie geeignet für die Erzeugung von festigkeitsgesteigerten plattenförmigen Gebilden, z. B. Kochfeldern oder Ofenplatten.The invention is suitable for the production of strength-enhanced glass ceramics from all lithium alumino-silicate green glasses. Regardless of whether the glass ceramic has a main crystal phase of KMK or HQMK, in particular it is suitable for the production of strength-enhanced plate-like structures, for. As hobs or oven plates.
Lithium-Alumino-Silikat-Glaskeramik bzw. das entsprechende Grünglas enthält üblicherweise (in Gew.-% auf Oxid-Basis): 55–75 SiO2, 15–30 Al2O3, 2–6 Li2O, 0–5 Na2O, 0–5 K2O, 0–2,2 MgO, 0–2 CaO, 0–2 SrO, 0–2,5 BaO, 0–6 ZnO2, 2–9 TiO2 + ZrO2 + P2O5, 0–1 SnO2, 0–1 F, 0–2 B2O3 sowie erforderlichenfalls Läuter- und Färbemittel.Lithium alumino-silicate glass-ceramic or the corresponding green glass usually contains (in% by weight based on oxide): 55-75 SiO 2 , 15-30 Al 2 O 3 , 2-6 Li 2 O, 0-5 Na 2 O, 0-5 K 2 O, 0-2.2 MgO, 0-2 CaO, 0-2 SrO, 0-2.5 BaO, 0-6 ZnO 2 , 2-9 TiO 2 + ZrO 2 + P 2 O 5 , 0-1 SnO 2 , 0-1 F, 0-2 B 2 O 3 and, if necessary, fining and coloring agents.
Beispiel 1example 1
Es wurden Glasplatten mit den Abmessungen (L × B × D) 100 mm × 100 mm × 4 mm mit einer Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxid-Basis) von Al2O3 19,90%, SiO2 67,4%, TiO2 2,58%, Li2O 3,67%, MgO 1,06%, ZnO 1,54%, ZrO2 1,70%, sowie üblichen Mengen an Läuter- und Färbezusätzen hergestellt:
Die Platten wurden mittels einer Sprühpistole mit einer Lösung, bestehend aus 1 l einer Mischung aus 440 ml H2O und 560 ml Ethanol, in der 25 g Polyvinylpyrrolidon (MG = 360000) und 13 g Li2SO4 gelöst waren, eingesprüht. Nach dem Trocknen bei 100°C hatte die sich gebildete feste Oberflächenschicht eine Dicke von 2,2 μm und enthielt 150 mg Li+-Ionen pro Quadratmeter.There were glass plates with the dimensions (L × W × D) 100 mm × 100 mm × 4 mm with a composition (in wt .-% based on oxide) of Al 2 O 3 19.90%, SiO 2 67.4 %, TiO 2 2.58%, Li 2 O 3.67%, MgO 1.06%, ZnO 1.54%, ZrO 2 1.70%, and customary amounts of lautering and dyeing additives:
The plates were sprayed by means of a spray gun with a solution consisting of 1 l of a mixture of 440 ml H 2 O and 560 ml ethanol in which 25 g polyvinylpyrrolidone (MW = 360000) and 13 g Li 2 SO 4 were dissolved. After drying at 100 ° C, the solid surface layer formed had a thickness of 2.2 μm and contained 150 mg of Li + ions per square meter.
Anschließend wurden die Grünglasplatten einem geeigneten Keramisierungsprogramm zur Umwandlung in eine KMK-Mischkristall-Glaskeramik unterzogen. Dazu wurden die Grünglasplatten in einem Keramisierungsofen auf die Keimbildungstemperatur von 790°C erhitzt, 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten, danach auf die Kristallisationstemperatur von 1100°C erwärmt und dort 5 min, 15 min oder 30 min auf dieser Temperatur gehalten, danach auf 700°C abgekühlt und anschließend außerhalb des Ofens auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Dicke der sich in der Oberfläche der Glaskeramikplatten durch den Ionenaustausch gebildeten KMK-Schicht, erkennbar durch ihre abweichende Struktur) wurde mittels Dünnschicht-Röntgenbeugung zu ca. 2 μm bestimmt. Eine glasreiche Oberflächenschicht war praktisch nicht vorhanden.Subsequently, the green glass plates were subjected to a suitable ceramization program for conversion to a KMK solid solution glass ceramic. For this purpose, the green glass plates were heated in a Keramisierungsofen to the nucleation temperature of 790 ° C, held for 30 minutes at this temperature, then heated to the crystallization temperature of 1100 ° C and there for 5 min, 15 min or 30 min on this Temperature kept, then cooled to 700 ° C and then cooled outside the furnace to room temperature. The thickness of the KMK layer formed in the surface of the glass ceramic plates by the ion exchange, recognizable by their deviating structure) was determined to be about 2 μm by means of thin-layer X-ray diffraction. A glassy surface layer was virtually nonexistent.
Die Festigkeitsbestimmung wurde mittels Kugelfall-Prüfungen durchgeführt. Die Kugelfallprüfung wird gemäß der Norm UL858 für Kochflächen durchgeführt (Details siehe auch: K. Thoma, et al., ”Messungen mechanischer Kennwerte bei hohen Dehnraten”, MP Materialprüfung, 45, 362–370, (2003)). Beim Kugelfallversuch wird die dynamische Biegefestigkeit einer Probe getestet. Dazu läßt man eine 200 g schwere Stahlkugel mit 36,5 mm Durchmesser aus unterschiedlichen Höhen mittig auf eine 100 × 100 × 4 mm3 große Glaskeramik fallen. Bricht die Scheibe nicht, läßt man die Kugel in diskreten Schritten (meist 2 cm oder 5 cm Schritte) kontinuierlich aus größeren Höhen fallen. Das Maß für die Festigkeit ist die Fallhöhe, bei der die Platte zu Bruch geht. Die Kugel wird während des Versuches von drei Stangen geführt, so dass die Wiederholbarkeit des mittigen Aufschlagortes gesichert ist. Der Versuch wird an mehreren (in der Regel ca. 30) gleichwertigen Proben durchgeführt und die Festigkeitsergebnisse werden anschließend als Verteilung aufgetragen und ausgewertet. Die Festigkeitsverteilung spröder Werkstoffe wird durch eine Weibull-Verteilung näherungsweise beschrieben. Der Bruchausgang entsteht aufgrund der Zugspannungen an der Unterseite der Testprobe direkt unterhalb des Aufschlagortes.The strength determination was carried out by means of ball drop tests. The falling-ball test is carried out according to the standard UL858 for cooking surfaces (for details see also: K. Thoma, et al., "Measurements of mechanical properties at high strain rates", MP Materialprüf, 45, 362-370, (2003)). In a falling ball test, the dynamic bending strength of a sample is tested. For this purpose, a 200 g steel ball with 36.5 mm diameter from different heights is dropped centrally on a 100 × 100 × 4 mm 3 glass ceramic. If the disk does not break, the ball is dropped in discrete steps (usually 2 cm or 5 cm steps) continuously from higher heights. The measure of strength is the drop height at which the plate breaks. The ball is guided by three bars during the trial, so that the repeatability of the central place of impact is ensured. The test is carried out on several (usually about 30) equivalent samples and the strength results are then applied as a distribution and evaluated. The strength distribution of brittle materials is approximated by a Weibull distribution. The fracture exit is due to the tensile stresses at the bottom of the test sample just below the point of impact.
Für die erfindungsgemäße Glaskeramikprobe ergaben sich die in der Tabelle 1 dargestellten Werte der Kugelfallfestigkeit (in [cm]): Tabelle 1
Man erkennt deutlich, dass die erfindungsgemäß Li-Ionen ausgetauschten Proben im Rahmen der Streuung quasi keinen Einbruch der Kugelfallfestigkeit zeigen, insbesondere in der 5%-Fraktile, was auf eine geringe Streuung hinweist, während bei den unbeschichteten Vergleichs-Proben die Kugelfallfestigkeit sukzessive von Mittelwert 82 cm auf Mittelwert 15 cm abfällt.It can clearly be seen that the samples exchanged according to the invention for Li-ions virtually do not show a fall in the ball-fall resistance, in particular in the 5% fractiles, which indicates a low scattering, while in the uncoated comparative samples the ball-fall resistance successively averages 82 cm drops to 15 cm on average.
Beispiel 2Example 2
Es wurden Glasplatten mit den Abmessungen (L × B × D) 250 mm × 250 mm × 4 mm mit einer Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxid-Basis) von Al2O3 19,90%, SiO2 67,4%, TiO2 2,58%, Li2O 3,67%, MgO 1,06%, ZnO 1,54%, ZrO2 1,70%, sowie üblichen Mengen an Läuter- und Färbezusätzen hergestellt:
Die Platten wurden mittels einer Sprühpistole mit einer Lösung, bestehend aus 1 l einer Mischung aus 440 ml H2O und 560 ml Ethanol, in der 25 g Polyvinylpyrrolidon (MG = 360000) und 13 g Li2SO4 gelöst waren, eingesprüht. Nach dem Trocknen bei 100°C hatte die sich gebildete feste Oberflächenschicht eine Dicke von 2,2 μm und enthielt 150 mg Li+-Ionen pro Quadratmeter.There were glass plates having the dimensions (L × W × D) 250 mm × 250 mm × 4 mm with a composition (in wt .-% based on oxide) of Al 2 O 3 19.90%, SiO 2 67.4 %, TiO 2 2.58%, Li 2 O 3.67%, MgO 1.06%, ZnO 1.54%, ZrO 2 1.70%, and customary amounts of lautering and dyeing additives:
The plates were sprayed by means of a spray gun with a solution consisting of 1 l of a mixture of 440 ml H 2 O and 560 ml ethanol in which 25 g polyvinylpyrrolidone (MW = 360000) and 13 g Li 2 SO 4 were dissolved. After drying at 100 ° C, the solid surface layer formed had a thickness of 2.2 μm and contained 150 mg of Li + ions per square meter.
Anschließend wurden die Grünglasplatten einem geeigneten Keramisierungsprogramm zur Umwandlung in eine KMK-Mischkristall-Glaskeramik unterzogen. Dazu wurden die Grünglasplatten in einem Keramisierungsofen auf die Keimbildungstemperatur von 790°C erhitzt, 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten, danach auf die Kristallisationstemperatur von 1075°C erwärmt und dort 10 min auf dieser Temperatur gehalten, auf 300°C abgekühlt und anschließend außerhalb des Ofens auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Dicke der sich in der Oberfläche der Glaskeramikplatten durch den Ionenaustausch gebildeten KMK-Schicht wurde mittels Dünnschicht-Röntgenbeugung zu ca. 1,5 μm bestimmt. Eine glasreiche Oberflächenschicht war praktisch nicht vorhanden.Subsequently, the green glass plates were subjected to a suitable ceramization program for conversion to a KMK solid solution glass ceramic. For this purpose, the green glass plates were heated in a Keramisierungsofen to the nucleation temperature of 790 ° C, held for 30 minutes at this temperature, then heated to the crystallization temperature of 1075 ° C and held there for 10 min at this temperature, cooled to 300 ° C and then outside the Kiln cooled to room temperature. The thickness of the KMK layer formed in the surface of the glass ceramic plates by ion exchange was determined to be about 1.5 μm by means of thin-layer X-ray diffraction. A glassy surface layer was virtually nonexistent.
Die Festigkeitsbestimmung wurde mittels Temperaturunterschiedsfestigkeitsprüfung (TUF-Prüfung) durchgeführt. Eine quadratische Probe mit 250 mm Kantenlänge und einer Dicke von 4 mm wird mit einem Strahlungsheizkörper mittig lokal aufgeheizt. Die Zeit bis zur maximalen Temperatur beträgt üblicherweise circa 5 Minuten. Dies hat in der Probe zur Folge, dass unter anderem tangentiale Zugspannungen entstehen, die im kalten Randbereich ihr Maximum erreichen und zum Bruch führen können.The strength determination was carried out by means of temperature difference test (TUF test). A square sample with an edge length of 250 mm and a thickness of 4 mm is locally heated with a radiant heater. The time to maximum temperature is usually about 5 minutes. This has the consequence in the sample that among other tangential tensile stresses arise that reach their maximum in the cold edge region and can lead to breakage.
Zusätzlich wird auf der Mitte des Randbereiches, der den kürzesten Abstand zum Heizkörper hat, eine Verletzung mit SiC-Schmirgelpapier 220er Körnung unter einer Flächenlast von 17 KPa aufgebracht. Somit wird dort der Bruchausgang erzwungen. Der Temperaturverlauf bis zum Bruch wird über ein Pyrometer gemessen und aufgezeichnet. Aus der Bruchtemperatur folgt direkt die TUF (ΔTmax) nach: In addition, on the center of the edge portion, which is the shortest distance to the heater, an injury is applied with SiC emery paper 220 grit under a surface load of 17 KPa. Thus, the breakout exit is forced there. The temperature curve until breakage is measured by a pyrometer and recorded. The break temperature is followed directly by the TUF (ΔT max ) to:
v ist die Poissonzahl, σ beschreibt die Bruchfestigkeit des Materials. f1 stellt einen durch die Plattengeometrie und durch die vorhandene Temperaturverteilung bedingten Korrekturfaktor dar. Bei verfahrensgemäß hergestellten Proben zeigt sich, dass die Vergleichscharge (10 Stück, ohne Li-Ionenaustausch in der Oberfläche) im Durchschnitt einer Temperatur von 760°C standhielt, dabei aber eine große Streuung der Werte aufwies, d. h. daß die maximale Gebrauchstemperatur deutlich unter diesem Wert liegen muß. Die Li-Ionenausgetauschte erfindungsgemäße Charge (10 St.) hielt einer durchschnittlichen Temperatur von 813°C stand, wies dabei aber eine deutlich geringere Streuung auf.v is the Poisson number, σ describes the fracture strength of the material. f 1 represents a correction factor caused by the plate geometry and by the existing temperature distribution. In the case of samples prepared according to the method, the comparative batch (10 pieces, without Li ion exchange in the surface) on average withstood a temperature of 760 ° C., but with had a large scatter of the values, ie that the maximum service temperature must be well below this value. The Li-ion exchanged charge of the invention (10 hours) withstand an average temperature of 813 ° C, but showed a much lower scattering.
Beispiel 3Example 3
Es wurden Glasplatten mit den Abmessungen (L × B × D) 250 mm × 250 mm × 4 mm mit einer Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxid-Basis) von Al2O3 19,07%, SiO2 68,47%, TiO2 2,59%, Li2O 3,59%, MgO 1,16%, ZnO 1,54%, ZrO2 1,71%, sowie üblichen Mengen an Läuter- und Färbezusätzen hergestellt:
Die Platten wurden mittels einer Sprühpistole mit einer Lösung, bestehend aus 1 l einer Mischung aus 440 ml H2O und 560 ml Ethanol, in der 25 g Polyvinylpyrrolidon (MG = 360000) und 13 g Li2SO4 gelöst waren, eingesprüht. Nach dem Trocknen bei 100°C hatte die sich gebildete feste Oberflächenschicht eine Dicke von 2,2 μm und enthielt 150 mg Li+-Ionen pro Quadratmeter.There were glass plates having the dimensions (L × W × D) 250 mm × 250 mm × 4 mm with a composition (in wt .-% based on oxide) of Al 2 O 3 19.07%, SiO 2 68.47 %, TiO 2 2.59%, Li 2 O 3.59%, MgO 1.16%, ZnO 1.54%, ZrO 2 1.71%, and customary amounts of lautering and dyeing additives:
The plates were sprayed by means of a spray gun with a solution consisting of 1 l of a mixture of 440 ml H 2 O and 560 ml ethanol in which 25 g polyvinylpyrrolidone (MW = 360000) and 13 g Li 2 SO 4 were dissolved. After drying at 100 ° C, the solid surface layer formed had a thickness of 2.2 μm and contained 150 mg of Li + ions per square meter.
Anschließend wurden die Grünglasplatten einem geeigneten Keramisierungsprogramm zur Umwandlung in eine KMK-Mischkristall-Glaskeramik unterzogen. Dazu wurden die Grünglasplatten in einem Keramisierungsofen auf die Keimbildungstemperatur von 790°C erhitzt, 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten, danach auf die Kristallisationstemperatur von 1075°C erwärmt und dort 10 min auf dieser Temperatur gehalten, auf 300°C abgekühlt und anschließend außerhalb des Ofens auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Dicke der sich in der Oberfläche der Glaskeramikplatten durch den Ionenaustausch gebildeten KMK-Schicht wurde mittels Dünnschicht-Röntgenbeugung zu ca. 1,5 μm bestimmt. Eine glasreiche Oberflächenschicht war praktisch nicht vorhanden.Subsequently, the green glass plates were subjected to a suitable ceramization program for conversion to a KMK solid solution glass ceramic. For this purpose, the green glass plates were heated in a Keramisierungsofen to the nucleation temperature of 790 ° C, held for 30 minutes at this temperature, then heated to the crystallization temperature of 1075 ° C and held there for 10 min at this temperature, cooled to 300 ° C and then outside the Kiln cooled to room temperature. The thickness of the KMK layer formed in the surface of the glass ceramic plates by ion exchange was determined to be about 1.5 μm by means of thin-layer X-ray diffraction. A glassy surface layer was virtually nonexistent.
Anschließend wurden die Proben analog Beispiel 2 auf ihre Festigkeit untersucht. Bei verfahrensgemäß hergestellten Proben zeigt sich, dass die Referenzcharge (10 St.) einer Temperatur von 712 ± 73°C standhielt. Die Li-Ionenausgetauschte Charge (10 St.) hielt einer Temperatur von 762 ± 83°C stand.Subsequently, the samples were examined for their strength analogously to Example 2. In the case of samples prepared according to the method, it can be seen that the reference batch (10 hours) withstood a temperature of 712 ± 73 ° C. The Li-ion exchanged batch (10 hours) withstood a temperature of 762 ± 83 ° C.
Beispiel 4Example 4
Es wurden Grün-Glasplatten mit den Abmessungen (L × B × D) 30 mm × 50 mm × 4 mm mit einer Zusammensetzung von (in Gew.-% auf Oxid-Basis) von Al2O3 19,90%, SiO2 67,4%, TiO2 2,58%, Li2O 3,67%, MgO 1,06%, ZnO 1,54%, ZrO2 1,70%, sowie üblichen Mengen an Läuter- und Färbezusätzen hergestellt:
Die Platten wurden mittels einer Sprühpistole mit einer Lösung, bestehend aus 1 l einer Mischung aus 440 ml H2O und 560 ml Ethanol, in der 25 g Polyvinylpyrrolidon (MG = 360000) und 13 g Li2SO4 bzw. 10 g LiCl gelöst waren, eingesprüht. Nach dem Trocknen bei 100°C hatte die sich gebildete feste Oberflächenschicht eine Dicke von 2,2 μm mm und enthielt 150 mg Li+-Ionen pro Quadratmeter.Green glass plates having the dimensions (L × W × D) of 30 mm × 50 mm × 4 mm having a composition of (in% by weight based on oxide) of Al 2 O 3 was 19.90%, SiO 2 67.4%, TiO 2 2.58%, Li 2 O 3.67%, MgO 1.06%, ZnO 1.54%, ZrO 2 1.70%, and customary amounts of lautering and dyeing additives:
The plates were dissolved by means of a spray gun with a solution consisting of 1 liter of a mixture of 440 ml H 2 O and 560 ml ethanol, in the 25 g polyvinylpyrrolidone (MW = 360000) and 13 g Li 2 SO 4 and 10 g LiCl, respectively were sprayed. After drying at 100 ° C, the solid surface layer formed had a thickness of 2.2 μm mm and contained 150 mg of Li + ions per square meter.
Anschließend wurden die Grünglasplatten einem Keramisierungsprogramm zur Umwandlung in eine Hochquarz-Mischkristall-Glaskeramik unterzogen. Dazu wurden die Grünglasplatten in einem Keramisierungsofen auf die Keimbildungstemperatur von 790°C erhitzt, 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten, danach auf die Kristallisationstemperatur von 900°C erwärmt, 5 Minuten auf dieser Temperatur gehalten, auf 700°C abgekühlt und anschließend außerhalb des Ofens auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Dicke der sich in der Oberfläche der Glaskeramikplatten gebildeten KMK-Schicht wurde mittels Dünnschicht-Röntgenbeugung zu ca. 2 μm bestimmt. Eine glasreiche Oberflächenschicht war praktisch nicht vorhanden.Subsequently, the green glass plates were subjected to a ceramization program for conversion to a high-quartz solid solution glass-ceramic. For this purpose, the green glass plates were heated in a Keramisierungsofen to the nucleation temperature of 790 ° C, held at this temperature for 30 minutes, then heated to the crystallization temperature of 900 ° C, held for 5 minutes at this temperature, cooled to 700 ° C and then outside the furnace cooled to room temperature. The thickness of the KMK layer formed in the surface of the glass ceramic plates was determined to be about 2 μm by means of thin-layer X-ray diffraction. A glassy surface layer was virtually nonexistent.
Es wurde zur Festigkeitsbestimmung eine Vickers-Eindruckprüfung mit einem Vickersdiamanten bei 5 N Maximallast durchgeführt. Die Probenfläche wurde während der Belastung mit Stickstoff geflutet und anschließend wurden die Risslängen der Eindrucke innerhalb von 5 Minuten an einem Zeiss Axioplan-Mikroskop, das mit der digitalen Mikroskopkamera Zeiss Axiocam ausgerüstet war, bestimmt. Die mittleren Rißlängen sind in der folgenden Tabelle 2 dargestellt. Man erkennt, dass die Li-Ionen ausgetauschten Proben deutlich kürzere Risslängen und damit höhere Oberflächenfestigkeiten aufweisen als die identisch hergestellten Vergleichsproben ohne Li-Ionen-ausgetauschte Oberfläche. Tabelle 2
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Representative=s name: MEHLER ACHLER PATENTANWAELTE PARTNERSCHAFT MBB, DE Representative=s name: MEHLER ACHLER PATENTANWAELTE, DE Representative=s name: MEHLER ACHLER PATENTANWAELTE, 65185 WIESBADEN, DE |
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
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