Стекло, упрочняемое ионным обменом

Изобретение относится к составам стекол, упрочняемых ионным обменом, предназначенных для изготовления изделий, обладающих высокими прочностными и оптическими характеристиками. Такие изделия применяются в качестве остекления авиационного, автомобильного, железнодорожного, водного и других видов транспорта. Техническим результатом является получение стекла, которое в результате упрочнения ионным обменом имеет большую глубину сжатого слоя при меньшей продолжительности процесса упрочнения. Стекло, упрочняемое ионным обменом, содержит SiO₂, Al₂O₃, K₂O, MgO, Na₂O, CaO, B₂O₃, P₂O₅, ZnO, Sb₂O₃, Na₂SiF₆ и Fe₂O₃ при следующем содержании компонентов, мас.%: SiO₂ 55,0-62,0, Al₂O₃ 11,0-16,0, K₂O 1,5-3,5, MgO 1,4-4,5, Na₂O 14,0-16,0, CaO 0,01-1,0, B₂O₃ 0,001-3,0, P₂O₅ 0,001-2,0, ZnO 3,0-8,3, Sb₂O₃ 0,1-2,5, Na₂SiF₆ 0,1-2,0, Fe₂O₃ 0,001-0,2. 2 табл.

 

Изобретение относится к составам стекол, упрочняемых ионным обменом, предназначенных для изготовления изделий, обладающих высокими прочностными и оптическими характеристиками. Такие изделия применяются в качестве остекления авиационного, автомобильного, железнодорожного, водного и других видов транспорта.

Известно стекло, содержащее в мол. %: SiO₂ - 40-70; Al₂O₃ - 11-25; B₂O₃ - 0-5; Р₂О₅ - 4-15; Na₂O - 13-25; K₂O - 0-1. (US 9567254 В2, кл. С03С 21/00, опубл. 14.02.2017). Показано, что такое стекло может быть упрочнено ионным обменом для получения изделия, имеющего глубину сжатого слоя 130-175 мкм. К недостаткам вышеприведенного состава можно отнести небольшую глубину образующегося сжатого слоя, не обеспечивающую получение высокопрочных изделий.

Известно листовое стекло, содержащее в мас. %: SiO₂ - 65,0-76,0; Al₂O₃ - 1,5-5,0; MgO - 4,0-8,0; СаО - до 4,5; Na₂O - 10,0-18,0; K₂O - 1,0-7,5; B₂O₃ - до 4,0, причем сумма этих компонентов составляет, по меньшей мере, 96% по массе от состава стекла и удовлетворяет соотношениям (в мас. %): CaO/(CaO+MgO) - 0-0,45 и K₂O/(Na₂O+K₂O) - 0,05-0,35. (RU 2116983 С1, кл. С03С 21/00, опубл. 10.08.1998 г. ). Стекло упрочняют поверхностным ионным обменом при температуре 350-475°С в течение по меньшей мере 72 часов. В изобретении показано, что данное стекло может быть упрочнено поверхностным ионным обменом на глубину 210 мкм за 72 часа при температуре 460°С. Недостатком данного состава стекла является невозможность получения за 72 часа упрочненного сжатого слоя глубиной 215 мкм и более.

Наиболее близким к заявленному изобретению является стекло, упрочняемое ионным обменом, содержащее в мас. %: SiO₂ - 10-90, Al₂O₃ - 0-40, B₂O₃ - 0-80, Na₂O - 1-30, K₂O - 0-30, СоО - 0-20, NiO - 0-20, Ni₂O₃ - 0-20, MnO - 0-20, СаО - 0-40, BaO - 0-60, ZnO - 0-40, ZrO₂ - 0-10, MnO₂ - 0-10, CeO - 0-3, SnO₂ - 0-2, Sb₂O₃ - 0-2, TiO₂ - 0-40, P₂O₅ - 0-70, MgO - 0-40, SrO - 0-60, Li₂O - 0-30, Li₂O+Na₂O+K₂O - 1-30, SiO₂+B₂O₃+P₂O₅ - 11-90, Nd₂O₅ - 0-20, V₂O₅ - 0-50, Bi₂O₃ - 0-50, SO₃ - 0-50, SnO - 0-70. (US 2017015584 Al, кл. C03C 21/00; C03C 4/18, опубл. 19.01.2017 г. - прототип).

Стекло может быть упрочнено ионным обменом в течение 10 часов при температуре 465°С на глубину 21,2 мкм, однако в данном источнике информации отсутствуют сведения о возможности получения за 72 часа упрочненного сжатого слоя глубиной 215 мкм и более.

Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала составов стекла, упрочняемого ионным обменом, в частности, на глубину более 215 мкм за 72 часа, применяемых при изготовлении изделий остекления транспортных средств, в частности авиационного остекления.

Техническим результатом является получение стекла, которое в результате упрочнения ионным обменом имеет глубину сжатого слоя при меньшей продолжительности процесса упрочнения.

Технический результат достигается тем, что стекло, упрочняемое ионным обменом, включающее SiO₂, Al₂O₃, K₂O, MgO, Na₂O, СаО, B₂O₃, P₂O₅, ZnO, Sb₂O₃, дополнительно содержит Na₂SiF₆ и Fe₂O₃ при следующем содержании компонентов, мас. %:

SiO₂ - 55,0-62,0;

Al₂O₃ - 11,0-16,0;

K₂O - 1,5-3,5;

MgO - 1,4-4,5;

Na₂O - 14,0-16,0;

СаО - 0,01-1,0;

B₂O₃ - 0,001-3,0;

P₂O₅ - 0,001-2,0;

ZnO - 3,0-8,3;

Sb₂O₃ - 0,l-2,5;

Na₂SiF₆ - 0,l-2,0;

Fe₂O₃ - 0,001-0,2.

Для получения высоких прочностных и оптических характеристик изделий стекло предпочтительно получать флоат-методом с дальнейшим упрочнением в расплаве калиевой селитры в течение 70-72 часов.

Ниже в табл. 1 и 2 приведены примеры реализации составов стекла, а также показатели упрочнения стекла ионным обменом.

Sb₂O₃, вводимый в количестве 0,1-2,5 мас. %, позволяет интенсифицировать процесс осветления расплава, что также увеличивает гомогенность расплава и облегчает диффузию катионов калия в сетке стекла, что приводит к увеличению глубины ионообменного слоя при меньшей продолжительности процесса упрочнения.

Na₂SiF₆, вводимый в количестве 0,1-2,0 мас. %, позволяет снизить степень связанности сетки стекла, что облегчает диффузию катионов калия из расплава калиевой селитры и приводит к увеличению глубины ионообменного слоя при меньшей продолжительности процесса упрочнения.

Содержание Fe₂O₃ в количестве 0,001-0,2 мас. %, совместно с Sb₂O₃ в количестве 0,1-2,5 мас. % обеспечивает получение стекла с высоким светопропусканием в видимой части спектра, что делает его предпочтительным для использования при изготовлении изделий остекления транспортных средств, в частности авиационного остекления.

Стекло не уступает листовому стеклу, а также стеклу, состав которого приведен в прототипе, по таким характеристикам как: водостойкость - не менее 3 гидролитического класса (ГОСТ 10134.1-82), термостойкость - не менее 100°С (ГОСТ 25535-2013), микротвердость - не менее 5500 МПа (ГОСТ 9450-76). Поэтому данное стекло может быть применено для изготовления изделий конструкционной оптики, в том числе - авиационного остекления.

Стекло, упрочняемое ионным обменом, включающее SiO₂, Al₂O₃, K₂O, MgO, Na₂O, CaO, B₂O₃, P₂O₅, ZnO, Sb₂O₃, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит Na₂SiF₆ и Fe₂O₃ при следующем содержании компонентов, мас.%:

SiO₂ - 55,0-62,0;

Al₂O₃ - 11,0-16,0;

K₂O - 1,5-3,5;

MgO - 1,4-4,5;

Na₂O - 14,0-16,0;

CaO - 0,01-1,0;

B₂O₃ - 0,001-3,0;

Р₂О₅ - 0,001-2,0;

ZnO - 3,0-8,3;

Sb₂O₃ - 0,1-2,5;

Na₂SiF₆ - 0,1-2,0;

Fe₂O₃ - 0,001-0,2.