Thermisches Vorspannen von Spezialgläsern durch Abschrecken in Mineralölen und geschmolzenen Salzen

Abstract

Die Aufgabe der Arbeit bestand darin, in Gläsern mit Wärmeausdehnungen zwischen 210¯⁶ und 710¯⁶ K¯¹ und Elastizitätsmoduln zwischen 6310⁹ und 9210⁹ Pa durch Aufheizen an Luft und Abschrecken in Mineralöl bzw. in einem geschmolzenen Salz die maximale Vorspannung ohne Rißbildung zu erzeugen. Hierzu wurden die Gläser auf eine Temperatur zwischen 100 K unterhalb Ew bis 50 K oberhalb Ew aufgeheizt und in einem Mineralöl von 20 oder 120 °C bzw. in einem geschmolzenen Salz zwischen 160 und 430 °C abgeschreckt. Die Versuche haben gezeigt, daß auch beim Abschrecken in Mineralöl bzw. im geschmolzenen Salz die maximale Vorspannungstemperatur bei fast allen Gläsern mit der Erweichungstemperatur übereinstimmt. Bei den meisten untersuchten Gläsern fällt der Beginn der rißfreien Zone mit der maximalen Vorspannungstemperatur zusammen. Die Gläser mit einer Wärmeausdehnung unter 410¯⁶ K¯¹ lassen sich besonders in Mineralöl auch unterhalb der maximalen Vorspannungstemperatur abschrecken, ohne daß Risse entstehen. Die Gläser mit einer Wärmeausdehnung über 5,510¯⁶ K¯¹ können entweder nur oberhalb der maximalen Vorspannungstemperatur oder überhaupt nicht rißfrei vorgespannt werden. Für die einzelnen Gläser wurden mit den beiden Abschreckmedien ähnliche Druckvorspannungen erhalten. Bei den Gläsern mit einer Wärmeausdehnung unter 3,510¯⁶ K¯¹ wurde in dem geschmolzenen Salz und bei den Gläsern mit einer Wärmeausdehnung über 5,510¯⁶ K¯¹ in dem Mineralöl die höhere Druckspannung erzielt. Thermal toughening of special glasses by quenching in mineral oils and molten salts The goal of the present work was to create maximum toughening without crack formation in glasses with thermal expansion coefficients between 210¯⁶ K¯¹ and 710¯⁶ K¯¹ and elasticity moduli from 6310⁹ Pa to 9210⁹ Pa by means of heating in air and subsequent quenching in mineral oil and in molten salts, respectively. The glasses were heated to a temperature between 100 K below and 50 K above the softening point Ew and were subsequently quenched in mineral oil of 20 or 120 °C and in a molten salt of between 160 and 430 °C, respectively. The experiments have shown that the maximum toughening temperature by quenching in mineral oil and in molten salts is equal to the softening point of almost all types of glass. For almost all glass types the upper temperature of the crack-free region is equal to the maximum toughening temperature. Glasses with thermal expansion coefficients below 410¯⁶ K¯¹ can also be quenched below the maximum toughening temperature, particularly in mineral oil, without generation of cracks. Glasses with thermal expansion coefficients above 5,510¯⁶ K¯¹ can only be toughened above the maximum toughening temperature ; below, toughening without crack formation is impossible. For each type of glass was obtained similar compression toughening in the two quenching media. Glasses with thermal expansion coefficients below 3,510¯⁶ K¯¹ attained higher compressive stresses by quenching in molten salts whereas glasses with expansion coefficients above 5,510¯⁶ K¯¹ showed this result by quenching in mineral oil. Trempe thermique de verres spéciaux dans des bains d'huile minerale ou de sels fondus Cette étude avait pour but d'obtenir la trempe maximale sans formation de fissure pour des verres dont le coefficient de dilatation était compris entre 210¯⁶ K¯¹ et 710¯⁶ K¯¹ et dont la constante élastique se situait entre 6310⁹ Pa et 9210⁹ Pa par chauffage à l'air suivi d'une trempe soit dans un bain d'huile minerale soit dans un bain de sel fondu. Les verres étaient portés à des températures comprises entre TD - 100 K et TD + 50 K puis trempés soit dans un bain d'huile minerale entre 20 et 120 °C, soit dans un bain de sel fondu entre 160 et 430 °C. Les essais ont montré que la trempe dans l'huile minerale ou les sels fondus est maximale pour presque tous les types de verre lorsqu'ils sont portés à la température de ramollissement dilatométrique (TD). Pour presque tous les types de verre, le début de la zone sans formation de fissure coincide avec la température où la trempe est maximale. On trempe les verres de coefficient de dilatation inférieur à 410¯⁶ K¯¹ dans un bain d'huile minerale, même s'ils ne sont chauffés qu'en dessous de la température de trempe maximale, sans qu'aucune fissure apparaisse. Les verres de coefficient de dilatation supérieur à 5,510¯⁶ K¯¹ doivent tre chauffés au-dessus de la température trempe maximale sinon il y a apparition de fissures. Les deux milieux de trempe permettent d'obtenir des contraintes de com-pression semblables pour ces différents types de verres. On obtient l'état de contrainte de compression le plus élevé pour les verres de coefficient de dilatation inférieur à 3,510¯⁶ K¯¹ avec le bain de sel fondu et pour les verres dont le coefficient de dilatation est supérieur ä 5,510¯⁶ K¯¹ avec le bain d'huile minerale.