用於製造熱鋼化玻璃的方法

2023-10-22 21:13:07 2

專利名稱：用於製造熱鋼化玻璃的方法
技術領域：
本發明涉及根據權利要求1的上位概念的方法。
背景技術：
表面精加工的玻璃在經濟領域中具有越來越重要的作用，其中，熱鋼化玻璃是這 類玻璃中的重要部分。特別地，當要求機械性能特別是強度時，將這種類型的表面精加工例 如用於汽車領域、建築和太陽能的利用中。在具體標準中鑑於其特性、檢測方法等而來定義 所謂的單板安全玻璃(ESG)。該標準被描述在2000年11月的DIN EN 12150-1 =Thermish vorgespanntes Kalknatron-Einscheibensicherheitsglas (被熱預應力的鈉 丐-單板安 全玻璃)中。值得注意的是，該標準僅用於最小厚度為3mm以上的玻璃。市場分析顯示出， 實際上在市場上可得到僅具有大於等於2. 8mm的厚度的ESG玻璃。具有明顯小於2. 8mm的 厚度的、具有與ESG玻璃相同或者甚至被明顯改善的機械特性的薄的熱鋼化玻璃可能將在 不同的應用領域中帶來戰略性的優化，從減輕重量、降低成本、改善的透射性能直至營銷優 勢。作為產品的組成部分，如夾層安全玻璃(VSG)，防彈玻璃或者中空玻璃，還可以想像到有 大量的新的應用領域、市場和成本的降低。因此提出的問題是，什麼原因導致不存在具有高衝壓壓應力的薄的熱鋼化玻璃。 在此必須關注製造工藝。ESG玻璃首先被加熱，對於普通的鈉鈣矽酸鹽玻璃組合物例如浮 法玻璃，加熱至大約680°C。然後以空氣吹淋來急速冷卻，其首先冷卻表面，其中通過溫度 梯度的建立首先在表面上構建拉應力，該拉應力在整個玻璃體冷卻至室溫的過程中轉化成 表面上的壓應力。該過程被詳細地描述和量化在W. Kiefer的Thermisches Vorspannen von GlSserniedriger Warmeausdehnung(低熱膨脹玻璃的熱予頁應力)；Glastechische Berichte (玻璃技術報告)57 (1984) Nr. 9，221-228頁中。對於更薄的被熱鋼化的玻璃，更大 的溫度梯度對於獲得相同的壓應力是必要的，這僅可能通過更強的冷卻實現。這雖然原理 上是可能的，例如通過液體冷卻，但是液體冷卻導致在冷卻時在表面上產生的暫時拉應力 造成玻璃破碎。雖然使用液體冷卻，例如對於硼矽酸鹽玻璃，但是因為其具有明顯更小的膨 脹係數(其僅為商業通用的浮法玻璃的大約40%)所以這僅是可能的。由此，對於相同的 冷卻，在室溫下，產生的拉應力和被衝壓的持久壓應力也僅具有相應更小的值。若更強地冷 卻鈉鈣矽酸鹽玻璃，則玻璃批料(Glas-Charge)的強度分布會接著隨著升高的冷卻速度而 在冷卻過程期間破碎越來越多的玻璃。由此，理論上可以設想2mm的ESG玻璃，但是，僅有 極小部分的玻璃批料能不破碎地承受住該處理步驟，這解釋了為什麼工業上不存在現在市 場非常感興趣的這樣的玻璃。

發明內容
本發明的技術目的在於，發展一種用於製造具有小於2. 8mm的厚度的熱鋼化玻璃 的方法。該目的通過具有權利要求1的特徵的方法而實現。新的方法的基本理念在於，使待熱鋼化的玻璃在加熱工序之前或者期間經受提高玻璃強度的過程。在本發明的改進方案範疇內，適於此的是市場上的雷射分割(Lasertrerm-)方 法，所述雷射分割方法將抗彎強度提高100%以上，且減少了源於邊緣的破碎因素。補充地 或者可替換地，可以實施火焰拋光，或者以AlCl3處理，如在W02004/096724A1中所公開的 那樣，其公開內容通過引用併入本申請的公開內容。如此實現的強度提升此時使得在冷卻 階段期間更高的拉應力載荷成為可能，由此可以實現更高的溫度梯度以及由此最終在相同 的厚度下實現更高的壓應力，或者在更小的厚度下實現相同的壓應力，或者是這兩種特性 改善的組合。這可通過藉助於使用中熱傳遞係數大於400W/m2K的介質的急速冷卻而實現。 在 W. Kiefer 的 Thermisches Vorspannen von Qlaser niedriger Warmeausdehnung (低熱膨脹玻璃的熱預應力)；Glastechische Berichte (玻璃技術報告)57 (1984) Nr. 9， 221-2 頁中描述了不同的冷卻方法，這些方法可以單獨或者結合使用，其中，W. Kiefer的 Thermisches Vorspannen von Glaser niedriger Warmeausdehnung (低熱膨脹玻璃的 熱預應力)；Glastechische Berichte (玻璃技術報告)57 (1985)Nr. 9，211-2 頁的公開內 容通過引用併入本申請的公開內容。基於前述用以提高強度的措施的方法對於任何玻璃組合物都是可行的，其中，源 於初始膨脹係數的冷卻率每種情況下可以被提高到如此程度，即，使得在冷卻過程期間短 時間的抗張強度提升是有效的。此時為了鈉鈣矽酸鹽玻璃的熱鋼化而使用液相的這一可能性，除了明顯節省成本 外本身還帶來其它優點。通常期望表面精加工，例如在光學特性和化學耐受性方面。已知 地，這可以通過在表面上富集SiO2而持久地實現，其中，通過被降低的折射指數而降低反射 損失且在化學耐受性提高的同時提高了透射性。這可以通過兩個基本措施來實現1)減少其他成分的富集，例如去鹼化。例如通過以3% (重量)的硫酸銨溶液冷 卻，抗水解性可以翻倍，同時以反射為代價而改善透射0. 5%。2)在冷卻期間導入SW2懸浮體與水溶液，其中，可以使用在溶膠-凝膠技術中已 知的溶液，從而在機械、化學和光學特性方面實現額外的特性優化。在此，將這種反應性薄層膜塗覆(Duermschichtfilmauftrag)與熱鋼化的方法組 合，通過使用用於冷卻即使具有高膨脹係數的玻璃的液相實現，這又只有通過使用提高強 度的措施來實現。一個特別優選的改進方案為用於根據本發明的構思或者它的上述改進方案而制 造熱鋼化玻璃的方法的另一設計。上述構思所基於的目的特別在於，發展一種用於製造厚度小於2. 8mm的熱鋼化玻 璃的方法。基本理念在於，使待熱鋼化的玻璃在加熱工序之前或者期間經歷提高玻璃強度 的過程。適於此的是市場上的雷射分割方法，所述雷射分割方法將抗彎強度提高100%以 上，且減少了源於邊緣的破碎因素。補充地或者可替換地，可以實施火焰拋光，或者以AlCl3 處理。如此實現的強度提升此時使得在冷卻階段期間更高的拉應力載荷成為可能，由此可 以實現更高的溫度梯度以及由此最終在相同的厚度下實現更高的壓應力，或者在更小的厚 度下實現相同的壓應力，或者是這兩種特性改善的組合。這可通過藉助於使用中熱傳遞系 數大於400W/m2K的介質的急速冷卻而實現。進一步地發現，關於受控的冷卻，採用液態介質急速冷卻是很難操控的，使得必須
4保持用於避免玻璃破碎的安全區域。通過加熱和冷卻工序，製造熱鋼化玻璃需要大量消耗
能量°特別優選的改進方案所基於的目的在於，進一步設計根據本發明構思的方法，使 得可以在利用受控的急速冷卻的情況下以較低能量成本生產熱鋼化玻璃。進一步地，該目的通過下述方式實現將玻璃在冷的情況下置於具有加熱可能性 的板式冷卻器中，將其加熱至高於玻璃的變形溫度的溫度，其中，與玻璃接觸的材料表面容 許具有最大溫度，在該最高溫度下玻璃會具有大於IO8 5Pas的粘度，然後使其經歷受控的冷 卻且在冷的情況下從板式冷卻器中取出。所用的板式冷卻器可以由不同的金屬構成，例如 Cu、Al、鋼等以及合金。該板式冷卻器應具有加熱和冷卻的可能性，以可以針對(化學成分， 厚度)不同的玻璃而分別調節玻璃中的所需要的溫度梯度。材料除了相應的透熱值外還應 形狀穩定地對抗持久的溫度變換。或者作為單塊材料或者作為材料組合，例如作為圍繞基 礎材料的夾具(Klammer)。受控的冷卻通過下述方式實現在冷卻過程期間，測量玻璃表面 與玻璃中心之間的溫度差，並將該值用於控制冷卻過程。表面溫度可以藉助於板式冷卻器 的表面上的熱電偶元件或者藉助於5μπι的區域中的高溫計測量而確定。通過聚焦的高分 辨率的高溫計(該高溫計側面地在玻璃厚度上來回移動)，可以確定在冷卻期間的最高溫 度或者確定橫截面上的溫度曲線。玻璃板在其厚度上是一個黑色輻射體，使得在設定了厚 度上的穩定的溫度分布的情況下，可以穩定地在整個面上測得在整個冷卻過程期間的內部 溫度。在附圖(圖11)中示出在8mm浮法玻璃板上的振蕩高溫計(ktiwenkpyrometer-)測 量的結果。所測量的內部溫度可以用於控制冷卻過程。待引入的溫度梯度視玻璃的厚度和取決於溫度的玻璃特有的性質如膨脹係數、 有效導熱能力、彈性值而定。為控制熱量傳遞和為了均勻接觸的目的，可以建議使用特殊 的「潤滑劑」，其使得儘可能地同時地(parallel)精加工玻璃表面成為可能，例如有鋁皂 (Aluseife)、去鹼化物質等(例如硫酸鹽(硫酸銨)或者氯化物(氯化銨))。作為冷卻 和加熱的方法可以採用直接和間接的方法，(電阻加熱，電感加熱，火焰加熱。冷卻水，鹽 (利用聚集體轉變的熱量)，空氣冷卻和不同方法的組合。板式冷卻通過強迫地同時成型而消除了對於薄玻璃板的波紋問題。在熱鋼化通過 冷卻開始之前，通過柔性板可以成型。由此，採用熱鋼化使得非平坦的幾何形狀是可能的。在下文中，根據附圖描述本發明的實施例。這些附圖不必按比例示出這些實施例， 更確切說是在有助於闡釋之處以示意圖和/或略微變形的方式繪製附圖。對於從附圖中直 接可獲得的教導的補充可參考有關的現有技術。在此注意，可以實施與實施方式的形式和 細節有關的各種變型和改變，而不脫離本發明的一般理念的範圍。在說明書、附圖以及權利 要求中公開的本發明的特徵，無論單獨地還是任意結合地，對於本發明的進一步方案而言 可能是重要的。此外，至少兩個在說明、附圖以及權利要求中公開的特徵的所有組合都在本 發明的範圍內。本發明的一般理念不限制於下文中示出和描述的優選實施方式的精確形 式和細節，或者不限制於與權利要求中要求保護的主題相比可能受限的主題。對於給定的 測量範圍，在所述的界限內的值也應被公開作為界限值，且是可任意使用和可被要求保護 的。為了簡化，在下文中，對於相同或者相似的部分、相同或者相似的功能採用相同的參考 標記。


本發明的其他優點、特徵和細節可以得自以下優選實施方式的描述以及以下根據 附圖的描述；附圖中圖1為在該方法的優選實施方式的範圍內根據實施例1處理過的4mm厚的玻璃板 的損傷圖；圖2為在該方法的優選實施方式的範圍內根據實施例2處理過的2mm厚的玻璃板 的損傷圖；圖3為在該方法的優選實施方式的範圍內根據實施例3處理過的2mm厚的玻璃板 的損傷圖；圖4為說明用於該方法特別優選的進一步方案的實施方式的板式加熱器或者板 式冷卻器的裝置的示意性草圖；圖5為說明用於該方法特別優選的進一步方案的實施方式的串聯裝置 (Tedmenanlage)的示意性草圖；圖6為帶有說明的板的破碎圖，所述的板根據該方法特別優選的進一步方案的實 施方式在接觸冷卻的情況下處理過；圖7為帶有說明的板破碎圖，比較了根據該方法特別優選的進一步方案的實施方 式在熱鋼化和/或接觸冷卻後的4mm (左邊)與2mm (右邊)的板；圖8為帶有說明的板的破碎圖，所述板根據該方法特別優選的進一步方案的實施 方式採用接觸冷卻處理過；圖9為帶有說明的2mm板的應力測試圖(SparmungsprUfbild)，所述板根據該方法 特別優選的進一步方案的實施方式在接觸冷卻的情況下處理過；圖10為帶有說明的、經傳統處理的汽車玻璃板的應力測試圖；圖11為帶有說明的、在8mm的浮法玻璃板上振蕩高溫計測量的測量結果，所述的 板根據該方法特別優選的進一步方案的實施方式處理過。
具體實施例方式根據下文中的實施例描述根據本發明構思的方法。實施例1將通過雷射分割而切割的厚度為4mm的基於商業的鈉鈣矽酸鹽玻璃的浮法玻 璃板加熱至680°C的整數溫度，並且在從爐中取出之後藉助於最長30秒的噴射冷卻以 11/分鐘在2X IOOcm2的面積上將其兩側冷卻。在使用標準化的商業可獲得的衝擊衝頭 (Schlagk5mer )的情況下得到圖1所示的缺陷圖。未被雷射分割切割的可比較的浮法玻 璃板在噴射冷卻時斷裂。實施例2將通過雷射分割而切割的厚度為2mm的基於商業的鈉鈣矽酸鹽玻璃的浮法玻璃 板加熱至680°C的整數溫度，並且在從爐中取出之後藉助於最長30秒的噴射冷卻以21/分 鍾在2 X IOOcm2的面積上將其兩側冷卻。在使用標準化的商業可獲得的衝擊衝頭的情況下得到圖2所示的缺陷圖。未被激 光分割切割的可比較的浮法玻璃板在噴射冷卻時斷裂。
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實施例3將通過雷射分割而切割的厚度為2mm的基於商業的鈉鈣矽酸鹽玻璃的浮法玻璃 板加熱至680°C的整數溫度。在加熱的同時以氯化鋁處理。在從爐中取出之後藉助於最長 30秒的噴射冷卻以41/分鐘在2 X IOOcm2的面積上將其兩側冷卻。在使用標準化的商業可 獲得的衝擊衝頭的情況下得到圖2所示的缺陷圖。未被雷射分割切割的可比較的浮法玻璃 板在噴射冷卻時斷裂。下文中的實施例解釋根據本發明的特別優選的進一步方案的方法。圖4示出根據本發明的方法的用於熱鋼化的裝置的原理。特別有利的是如此的方 法設計在綁定熱載體和存儲體的情況下通過相互交替的冷卻和加熱將兩個板式冷卻器組 合成串聯裝置。若裝置A通過該介質冷卻則裝置B被加熱，且反之亦然。該原理顯示於圖 5中。實施例4將通過雷射分割而切割為面積為IOOmmX IOOmm的厚度為4mm的基於商業的鈉鈣 矽酸鹽玻璃的浮法玻璃板，在馬佛爐中的防火墊上以750°C的爐溫加熱4分鐘。通過墊與板 之間的熱電偶元件的測量清楚表明，板的溫度已達到了 700°C。在板加熱之後，將其與墊從 爐中拉出，且移動到冷卻板之間。該過程必須非常快，以儘可能少地損失熱量。在進行的試 驗中，在爐中的板的位置與冷卻板之間的位置之間的時間消耗短於4秒。對於2mm厚的板， 冷卻板之間的滯留時間為2分鐘。在實驗室試驗中，使用兩種不同材料石墨和鋼構成的冷卻板。將鋼板加熱至大約 90°C，以使得從玻璃至冷卻板中的熱量傳遞不過於極端。不分開加熱石墨板，而是在很少的 試驗進程中由自身很好地溫熱。為確保板的表面質量儘可能好和玻璃與板之間的良好接 觸，冷卻板(石墨和鋼)是單面打磨或者拋光的。使若干板通過彈簧衝頭(Federk5mer) 破壞，以評價破碎圖。在此，正好在板的中心帶來缺陷位置。所獲得的破碎圖(圖6和圖7)相比於在DIN中對於單板安全玻璃所規定的(DIN 12150 ；Thermish vorgespanntes Kalknatron-Einscheibensicherheitsglas (ESG)(經熱 預應力的鈉鈣-單板安全玻璃))明顯更好。實施例5將厚度為2mm的基於商業的鈉鈣矽酸鹽玻璃的浮法玻璃板類似於實施例4地進行 處理。在此，由鋼製成的冷卻板被加熱至80°C的溫度。使若干板通過彈簧中心衝頭被破壞， 以評價破碎圖。在此，正好在板的中心帶來缺陷位置。所獲得的破碎圖(圖7和圖8)相比於在DIN中對於單板安全玻璃所規定的(DIN 12150 ；Thermish vorgespanntes Kalknatron-Einscheibensicherheitsglas (ESG)(經熱 預應力的鈉鈣-單板安全玻璃))明顯更好。圖9示出2mm的板的應力測試圖。作為比較 圖，圖10顯示了經傳統處理的汽車玻璃板的應力測試圖。實施例6為使板經受化學精加工，一方面在冷卻板上塗抹鋁皂，另一方面給馬佛爐添加硫 酸銨。這些可能方案可分別嘗試，但也可以相互組合。為評價處理結果，確定玻璃的抗水解 性。測試條件為在乾燥櫃中在90°C下48小時。高的傳導能力表示差的化學耐受性。得 到以下結果
權利要求
1.通過在第一方法階段中加熱玻璃和在第二方法階段中使其經受急速冷卻的、用於制 造熱鋼化的玻璃的方法，其特徵在於，在所述第一方法階段之前或者期間採取提高所述玻 璃的強度的措施，且在所述第二方法階段中利用在使用中熱量傳遞係數大於400W/m2K的介 質實施所述急速冷卻。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述玻璃被提供作為板，特別是作為浮法 玻璃。
3.根據權利要求1或者2所述的方法，其特徵在於，所述玻璃經完全處理，特別是對於 所述玻璃整體地提高強度。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，所述玻璃經完全處理，特別 地對於所述玻璃平面地實施急速冷卻。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，所述玻璃是基於鈣鹽-碳酸 氫鈉-矽酸鹽形成的。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述板的厚度小於2.8mm, 特別是小於或者等於2mm。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述第一方法階段之前或 者期間，使玻璃經受雷射分割和/或火焰拋光和/或以AlCl3處理。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述第二方法階段中，在 使用液相的情況下，特別是藉助於噴射冷卻實施急速冷卻。
9.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述第二方法階段中，以 硫酸銨溶液實施所述急速冷卻。
10.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述第二方法階段中，以 亞硫酸實施所述急速冷卻。
11.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述第二方法階段中，以 SiO2水性懸浮液實施所述急速冷卻。
12.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述第二方法階段中，以 水蒸氣實施所述急速冷卻。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的方法，其特徵在於，使所述玻璃在冷的情況下 被置於具有加熱可能性的板式冷卻器中，被加熱至高於玻璃的變形溫度的溫度，其中與所 述玻璃接觸的材料表面允許具有最大溫度，在該最高溫度下所述玻璃將具有大於108. 5Pas 的粘度，然後使其經歷受控的冷卻，且在冷的情況下從所述板式冷卻器中取出。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，在冷卻過程期間，測量所述玻璃表面與 玻璃中心之間的溫度差，且將該值大小用於控制取決於玻璃厚度和玻璃類型的冷卻過程。
15.根據權利要求13或者14所述的方法，其特徵在於，在所述板式冷卻器中使用潤滑劑。
16.根據權利要求12至15中任一項所述的方法，其特徵在於，使用鋁皂和去鹼化物質 如硫酸銨或者氯化銨作為潤滑劑。
17.根據權利要求12至16中任一項所述的方法，其特徵在於，在綁定熱載體和存儲體 的情況下通過相互交替的冷卻和加熱，將兩個板式冷卻器組合成串聯裝置。
全文摘要
本發明涉及用於製造熱造鋼化的玻璃的方法。這種類型的表面精加工特別地用在要求機械性能、特別是強度的場合，例如在汽車領域、建築和太陽能的利用中。本發明的技術目的在於，發展一種用於製造厚度小於2.8mm的熱鋼化的玻璃的方法。該方法可以具有如下的優點能夠在利用受控的快速冷卻的情況下以更低的能量消耗生產熱鋼化玻璃。
文檔編號C03B27/012GK102143919SQ200980134948
公開日2011年8月3日 申請日期2009年9月8日 優先權日2008年9月8日
發明者海科·黑森肯珀, 麥可·亨尼格 申請人:弗萊貝格工業大學