專利名稱：玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件的成型方法
技術領域：
本發明涉及通過玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的變形制備玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件的方法以及實施該方法的裝置。
玻璃陶瓷的成型，尤其是三維玻璃陶瓷的成型按現有技術的第一種方法是由玻璃態的預制體進行的，因為在使玻璃陶瓷化后，一般僅能通過間接地熔融再次使其變形而進行。
為了采用一般的玻璃變形方法例如重力沉降或真空沉降能使玻璃陶瓷的原料玻璃變形，通常要將其加熱至約1000℃，在加熱過程中如果事先有晶核形成，那么晶體生長。在將原料玻璃加熱至最終溫度例如1000℃時，在晶體的生長過程中，難免有一個晶核形成范圍，在該范圍內析出最小的結晶核，并且該范圍在700-800℃之間。
為了避免在晶核形成的結晶范圍內形成不均勻的晶核和對隨后陶瓷化過程中形成的玻璃陶瓷的特性產生負面影響，或因預晶核化而在接著的成型過程中進行結晶因而不能以這樣的方式進行，晶核形成的過程應盡可能地快。
對于玻璃的成型，是對玻璃毛坯用一般的玻璃成型方法例如重力沉降或真空沉降進行的，通常是將玻璃毛坯加熱至軟化點以上的溫度例如1000℃。
可采用功效顯著的表面加熱例如燃氣燃燒器實現玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的快速加熱。
對于表面加熱，最一般的加熱方法是將熱源總熱效的至少50％施加在需加熱對象的表面或表面附近層上。
一種獨特的表面加熱方式是如上所述的采用燃氣火焰加熱，火焰的溫度通常在1000℃。采用燃氣燃燒器的加熱是通過將大部分的熱氣體的熱能傳遞到玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯的表面上。此時產生了一個溫度梯度，它對例如取決于粘度梯度的成型有不利的影響。尤其是玻璃的厚度≥5毫米更是如此。
為了借助于熱導快速地完全加熱玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯，燃氣燃燒器應具有較大的功率。這種加熱方式只限于在小范圍平面內進行，因為不可能借助于燃氣燃燒器按要求的功率密度全面進行加熱。
采用燃氣燃燒器進行加熱特別不適合于生產復雜的三維玻璃陶瓷，而僅適合于生產簡單構型的玻璃陶瓷。
采用燃氣燃燒器加熱的其它缺點例如包括--較難控制火焰--帶入干擾氣體這將對材料的特性產生不良的影響。
生產三維變形玻璃陶瓷的另一種可能性是在陶瓷化過程中通過放在適當的模具上進行。但是，在這種情況下，因為不能產生原來要求的低粘度，盡管能夠形成復雜的構型，但是僅適用于具有很大彎曲半徑(Biegeradien)的構型。
由PCT/FR96/00927已知了一種玻璃陶瓷前體的后處理方法，包括直接在熔融槽上在傳統成型高溫的要求溫度下對軋制玻璃帶進行加熱，再在形成晶核結晶的臨界范圍之前實現玻璃陶瓷化。
PCT/FR96/00927已知方法的缺點是所需費用特別高，這是因為直接影響成型玻璃制造的連續方法。另外，與槽內作業(Wannenbetrieb)無關的后續成型例如位于中間的玻璃陶瓷毛坯在冷卻后不可能再被加熱。
生產三維變形玻璃的另一種可能性是不用玻璃毛坯，而是已經在熔融過程中或熔化后通過置于適當的模具中而制備。
這樣可使玻璃直接在熔融槽中例如用軋制的玻璃帶成型。
該方法的缺點是將玻璃的成型與槽內作業結合在一起進行。
本發明的目的是提供一種通過變形由玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯生產玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件的方法和裝置，由此而克服了上述缺點。尤其是該方法說明了下列的可能性*與槽內作業無關，例如在其后進行*也可進行具有最小彎曲半徑的復雜三維變形*基本上避免了受干擾的預陶瓷化*基本上避免了受干擾的溫度梯度根據本發明，通過以下方式實現本發明的目的，以概括的方法而言，采用紅外輻射，例如波長＜2.7微米的短波紅外輻射和/或NIR輻射以實施成型方法。
在本發明第一個實施方案中，在軟化玻璃毛坯的同時進行變形。
在本發明的另一個實施方案中，在陶瓷化前對玻璃陶瓷毛坯實施作為后處理的成型方法。該方法的優點是可在離線的任一時刻變形玻璃。
此外，另一種方法是可將變形與玻璃陶瓷毛坯的陶瓷化一同進行。
如果變形玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的話，那么玻璃板是特別優選的。
作為成型方法，最理想的是加工玻璃的最一般的成型方法，例如可通過真空促進的重力沉降變形。下面將描述真空沉降。此外，另一種方法是借助于一個中頭或借助于空氣的吹入而在模中沉降。
除了在模具中沉降的成型工藝外，另一種方法或與沉降工藝結合的方法是定向紅外輻照需成型的玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯，由此實現有目的的局部加熱并由此成型。
起促進作用的或另一種定向輻射是通過設置相應的遮擋板(Blenden)有目的地加熱某一區域的毛坯或使其保持冷卻。
特別優選地是所有的成型方法是在一個紅外輻射空腔中進行的并且借助于紅外反射器作為輻射源進行加熱。
在本發明的一個實施方案中，一部分是直接通過紅外輻射器的紅外輻射加熱玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的，另一部分是間接地通過紅外輻射空腔的壁、頂和/或底部反射和/或反向散射的紅外輻射加熱玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的。
特別優選地是，間接作用到需加熱玻璃毛坯和/或玻璃陶瓷毛坯上的輻射部分即反向散射和/或反射的部分占總輻射效率的50％以上，優選60％以上，更優選70％以上，特別優選80％以上，最優選90％以上，最最優選98％以上。
為了使溫度均勻，例如可在一常規的爐中進行預加熱。最理想地是對形成的玻璃和/或玻璃陶瓷進行再加熱。
除了方法外，本發明還提供了實施該方法的裝置，其典型的特征是包括紅外輻射空腔，配備有反射紅外輻射的壁、頂和/或底部，其中在紅外輻射空腔中設置了數個紅外輻射器。
例如US-A-4789771以及EP-A-0133847示出了紅外輻射空腔，其公開的內容全部列入本申請中。由部分壁面、底面和/或頂面反射和/或散射的紅外輻射部分按表面上入射的輻射計優選高于50％。
特別優選地是，由壁面、底面和/或頂面反射和/或散射的紅外輻射部分高于90％，優選高于98％。
應用紅外輻射空腔的一個突出的優點是在使用具有極強的反射和/或散射壁、底部和/或頂部材料時，涉及到一個具有較高品質因子Q值的諧振器，這種器件的損耗低，因此確保了較高的能量利用率。
使用漫射反向散射的壁、底和/或頂部材料，實現空腔體積單元全方位角度上的特別均勻的輻射。由此避免了對復雜構型玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件可能存在的細微差別的影響。
發現例如可采用諸如厚度為30毫米的磨光鋁基軸承合金板作為反向散射的壁材即漫反射的壁材。
其它的紅外輻射反向散射材料也可用作紅外輻射空腔的壁、頂和/或底材或涂層，例如一種或多種下列材料Al2O3；BaF2；BaTiO3；CaF2；CaTiO3；MgO；3.5Al2O3；MgO，SrF2；SiO2；SrTiO3；TiO2；尖晶石；堇青石；堇青石-燒結玻璃陶瓷。
在本發明的一個優選實施方案中，紅外輻射器具有的著色溫度高于1500K，優選高于2000K，更優選高于2400K，特別優選高于2700K，最優選高于3000K。
為了避免紅外輻射器過加熱，有利的方式是對其進行冷卻，尤其是進行空氣冷卻或水冷卻。
為了有目的地加熱玻璃和/或玻璃陶瓷，例如采用定向輻射器進行，提供的紅外輻射器是能單獨關閉的，尤其是，其電功率是可調的。
下面借助于附圖和實施例描述本發明。
圖1是溫度在2400K下可行的紅外輻射器的普郎克曲線。
圖2A是本發明帶有輻射空腔的加熱裝置的基本結構。
圖2B是在紅外波長范圍內漫反射度＞95％，寬光譜范圍＞98％的Al2O3(Sintox AL der Morgan Matroc，Troisdorf)在整個波長上的漫反射曲線。
圖3A是環繞了紅外輻射空腔的加熱裝置中需成型玻璃陶瓷毛坯的加熱曲線。
圖3B是環繞了紅外輻射空腔的加熱裝置中需成型玻璃毛坯的加熱曲線。
圖4A+B是用重力沉降進行的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的變形。
圖5A+B是用真空沉降進行的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的變形。
圖6A+B是經加壓工具促進的沉降進行的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的變形。
圖7A+B是經加壓促進的沉降進行的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的變形。
圖8是通過定向紅外輻射器進行的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的變形。
圖9是在帶有遮擋板的紅外輻射空腔中進行玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的變形。
圖1示出了紅外輻射源的強度分布，例如可采用紅外輻射源加熱本發明復雜構型的玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯。使用的所得紅外輻射器是線性鹵素紅外石英管輻射器，在230V的電壓下具有的額定功率為2000W，著色溫度優選為2400K。該紅外輻射器在1210納米的波長處在其最大輻射值下具有相應的維思(Wienschen)位移定律。
在本發明成型方法中，加熱設備和退火工件和/或需成型的玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯被置于配備紅外輻射器的紅外輻射空腔中。假定石英玻璃輻射器本身是足以耐溫度變化的或相應被冷卻的。石英玻璃管達到約1100℃時仍可使用。石英玻璃管最好很長，足以形成螺旋線燈絲并且由加熱區發射，致使在冷卻區域中連接，以便電性連接而不會發生過加熱。石英玻璃管可以有涂層或沒有涂層。
圖2A示出了采用紅外輻射空腔的本發明的實施成型方法的一個加熱裝置的第一個實施方案。
圖2A所示的加熱裝置包括數個位于由強反射或強反向散射的材料構成的反射器3下面的紅外輻射器1。通過反射器3將由紅外輻射器傳遞到其它方向的熱效轉向玻璃毛坯和/或玻璃陶瓷毛坯。由紅外輻射器產生的紅外輻射部分地透過該波長范圍內的半透明的玻璃陶瓷毛坯5或玻璃毛坯5并輻射到由強反射和/或強散射材料構成的載板7上。對此，特別合適的是鋁基軸承合金，它也能反向散射紅外區中約90％的入射輻射。對此，發現還可使用Al2O3，這種材料具有的反散射度約為98％。借助于鋁基軸承合金帶(Streifen)或Al2O3帶9把玻璃陶瓷毛坯5或玻璃毛坯5放置在載板7上。底側的溫度可通過載板中的孔11而借助于一根高溫計測定。
壁10可與反射器3一起作為頂部，而載板7與反射或漫射反向散射材料和/或鋁基軸承合金或Al2O3一起作為相應布置的底部，形成一個較高工件的紅外輻射空腔。
圖3A示出了根據本發明方法需變形玻璃陶瓷毛坯的加熱曲線，其中需變形玻璃陶器毛坯的尺寸為約200毫米，厚4毫米。
圖3B示出了根據本發明方法需變形玻璃毛坯的加熱曲線，其中需變形玻璃試樣的尺寸為約200毫米，厚4毫米。
加熱方法或熱處理是按下列方式進行的根據圖2A，先在一個用鋁基軸承合金包圍的紅外輻射空腔中加熱需變形和必要時接著進行陶瓷化的玻璃陶瓷毛坯或需成型玻璃毛坯，其頂部由鋁反射器和位于其下方的紅外輻射器構成。試樣以合適的種類和方式存放在鋁基軸承合金上。
在紅外輻射空腔中，通過多個鹵素紅外輻射器直接輻照玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯，紅外輻射器距離需變形玻璃毛坯和/或玻璃陶瓷毛坯的距離在10-150毫米的范圍內。
從現在起，借助于通過可控硅調節器控制紅外輻射器的根據吸收、反射和散射過程加熱各種玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯，下面將詳細描述。
因為所使用的短波紅外輻射在玻璃中的吸收長度要比需加熱的對象大很多，所以大部分入射的輻射透過試樣。因為另一方面，在玻璃的各點的單位體積的吸收能幾乎是相同的，所以實現了整體的均勻加熱。在根據圖3A和3B對變形玻璃陶瓷試樣或玻璃試樣的試驗中，紅外輻射器和需加熱的玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯被置于一個輻射空腔中，其空腔的壁和/或頂部和/或底部是由表面具有較高反射度的材料構成，此時至少部分壁面、底面和/或頂面漫射反向散射大部分的入射輻射。以這樣的方式可以實現將首先透過玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯的大部分輻射在反射或散射到壁、頂和/或底部后重新輻射到需加熱的對象上并再次被部分吸收。也可按同樣的方式繼續進行第二輪透過玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯的輻射。用該方法不僅可以深度均勻地加熱，而且能量的利用明顯高于僅一次通過玻璃或玻璃陶瓷時的能量。
圖4A和4B示出了在帶有紅外加熱輻射器1的紅外輻射空腔中借助于重力沉降成型玻璃毛坯和/或玻璃陶瓷毛坯的結構。
紅外輻射器1在輻射空腔中被設置在需變形玻璃陶瓷毛坯5和/或玻璃毛坯5的上方。紅外輻射器1的上方有反射器3。
紅外輻射器1加熱玻璃陶瓷毛坯5或玻璃毛坯5的正面。模50(在其中沉降毛坯5)和紅外輻射空腔的壁10一樣涂覆有紅外反射材料。在壁10或模50上入射的紅外輻射的被反射的部分高于50％，優選高于90％或95％，更優選高于98％。反射回來的輻射在下一輪中又加熱玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯。
如果玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯中的某一溫度過高，那么加熱的玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯因其重力而沉降到模50中，如圖4B所示。
對于玻璃陶瓷毛坯，成型過程既可在陶瓷化前進行，也可與陶瓷化過程一起進行。
在成型過程結束并在停止紅外輻射器的加熱后，從模具中取出變形的玻璃部件或玻璃陶瓷部件。
在爐中進行再加熱是最理想的。
如圖5A和5B所示，通過抽真空促進成型過程。
為此，在模中在需變形的玻璃陶瓷毛坯5或玻璃毛坯下方設置一真空連接口52。
在借助于紅外輻射器加熱后的重力沉降是通過抽真空而促進的。
此外，如圖6A和6B所示，提供了另一種方法，用沖模54促進變形。這里，優選地是在用位于需加熱板上方的紅外輻射器加熱板后，接著用加壓工具或沖模52使加熱的板5沉降模具中。
另一種方法是還可用紅外輻射器將模具連同加熱板一起進行處理。
如圖7A和7B所示，不用中模54沉降，而是借助于一臺鼓風機56鼓氣到過壓，并將加熱的板進入模具中。
圖8示出了借助于定向的紅外輻射器100對玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯進行選擇加熱。
通過一種這樣定向的加熱，使變形過程在完全確定的需變形玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯的范圍內進行。單獨驅動定向紅外輻射器100可使需變形玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯的整個表面上分布有溫度分布線，由此可將玻璃陶瓷和/或玻璃加工成任一種預定的形狀。
可用定向和單獨驅動的紅外輻射器，并在紅外輻射器1和需加熱板5的正面之間也可設置遮擋板102。
圖9示出了本發明的這種實施方案。
采用本發明的方法，可使材料溫度達1150-1200℃和該范圍以上，還能使工件在變形前的溫度均勻，溫差不超過+/-10K。
在取出變形的玻璃陶瓷部件或玻璃部件時，最好使變形玻璃陶瓷或變形玻璃的溫度低于250℃，在切斷輻射器后玻璃陶瓷和/或玻璃的冷卻速度優選在150℃/分鐘。
采用紅外輻射法加熱玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯的時間優選不超過60秒，冷卻時間優選不超過180秒。盡管可以在外部冷卻，但是可在機組的內部進行。為此，在機組外部冷卻時的持續時間為60秒，在機組內部冷卻時的持續時間不超過5分鐘。
采用本發明的方法例如可以加工圓弧截面的r小于150毫米的構件、其寬度小于200毫米的溝狀構件以及例如將具有矩形截面或梯形截面的玻璃陶瓷或玻璃變形成具有溝狀的構件。
也可變形為具有三維結構的復雜構件。
權利要求
1.通過變形玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯生產玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件的方法，其特征在于采用紅外輻射實施成型方法。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于紅外輻射是短波紅外輻射，優選的波長短于2.7微米。
3.根據權利要求1或2的方法，其特征在于成型方法是在其陶瓷化前進行后處理玻璃陶瓷毛坯的方法。
4.根據權利要求1-2任一項的方法，其特征在于將成型方法與玻璃陶瓷毛坯的陶瓷化過程一起進行。
5.根據權利要求1-4任一項的方法，其特征在于玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯是玻璃板。
6.根據權利要求1、2或5任一項的方法，其特征在于在軟化玻璃毛坯的同時實施成型方法。
7.根據權利要求1-6任一項的方法，其特征在于成型方法包括重力沉降。
8.根據權利要求1-7任一項的方法，其特征在于成型方法包括真空沉降。
9.根據權利要求1-8任一項的方法，其特征在于成型方法包括沖模沉降。
10.根據權利要求1-9任一項的方法，其特征在于成型方法包括鼓風沉降。
11.根據權利要求1-10任一項的方法，其特征在于成型方法包括定向紅外輻照需變形的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯。
12.根據權利要求1-11任一項的方法，其特征在于成型方法包括在紅外輻射器和玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯之間設置遮擋板。
13.根據權利要求1-12任一項的方法，其特征在于成型方法是在紅外輻射空腔中實施的。
14.根據權利要求13的方法，其特征在于借助于設置在輻射空腔中的紅外輻射器進行輻射加熱。
15.根據權利要求13-14任一項的方法，其特征在于對玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的加熱，部分是直接通過紅外輻射器的紅外輻照進行的，另一部分是通過紅外輻射空腔的壁、頂和/或底部反射和/或反向散射的紅外輻射間接進行的。
16.根據權利要求1-15任一項的方法，其特征在于對玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯進行預加熱。
17.根據權利要求16的方法，其特征在于在常規的爐中對玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯進行預加熱。
18.根據權利要求1-17任一項的方法，其特征在于在成型后再加熱玻璃陶瓷和/或玻璃。
19.根據權利要求18的方法，其特征在于在常規的爐中再加熱玻璃陶瓷和/或玻璃。
20.實施權利要求1-19任一項方法的裝置，其特征在于裝置包括20.1具有反射或反向散射紅外輻射的壁和/或頂和/或底部的紅外輻射空腔，20.2一個或多個紅外輻射器。
21.根據權利要求20的裝置，其特征在于壁和/或頂和/或底部的反射能力或反向散射能力高于入射輻射的50％。
22.根據權利要求20的裝置，其特征在于壁和/或頂和/或底部的反射能力和/或反向散射能力高于入射輻射的90％或95％，尤其是高于98％。
23.根據權利要求20-22任一項的裝置，其特征在于壁和/或頂和/或底部的材料是漫射反向散射的。
24.根據權利要求20-23任一項的裝置，其特征在于反射和/或反向散射的壁和/或頂和/或底部包括一種或多種下列材料Al2O3；BaF2；BaTiO3；CaF2；CaTiO3；MgO；3.5Al2O3；MgO，SrF2；SiO2；SrTiO3；TiO2；尖晶石；堇青石；堇青石-燒結玻璃陶瓷。
25.根據權利要求20-24任一項的裝置，其特征在于紅外輻射器具有的著色溫度高于1500K，優選高于2000K，更優選高于2400K，特別優選高于2700K，最優選高于3000K。
26.根據權利要求20-25任一項的裝置，其特征在于冷卻紅外輻射器，尤其是采用空氣冷卻或水冷。
27.根據權利要求20-26任一項的裝置，其特征在于紅外輻射器是單獨驅動的并且其電功率是可調的。
全文摘要
本發明涉及通過變形玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯生產玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件的方法。本發明的特點是,變形是采用紅外輻射進行的。
文檔編號C03B23/03GK1344233SQ00805297
公開日2002年4月10日 申請日期2000年3月22日 優先權日1999年3月23日
發明者烏爾里克·福塞林漢姆, 豪克·埃斯曼, 伯恩德·霍普, 休伯特斯·巴德, 格哈德·哈恩, 馬庫斯·加希－安德烈斯, 馬賽厄斯·布林克曼, 諾伯特·格羅伊利希－希克曼 申請人:艙壁玻璃公司