专利名称：玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件的成型方法
技术领域：
本发明涉及通过玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的变形制备玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件的方法以及实施该方法的装置。
玻璃陶瓷的成型，尤其是三维玻璃陶瓷的成型按现有技术的第一种方法是由玻璃态的预制体进行的，因为在使玻璃陶瓷化后，一般仅能通过间接地熔融再次使其变形而进行。
为了采用一般的玻璃变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变形，通常要将其加热至约1000℃，在加热过程中如果事先有晶核形成，那么晶体生长。在将原料玻璃加热至最终温度例如1000℃时，在晶体的生长过程中，难免有一个晶核形成范围，在该范围内析出最小的结晶核，并且该范围在700-800℃之间。
为了避免在晶核形成的结晶范围内形成不均匀的晶核和对随后陶瓷化过程中形成的玻璃陶瓷的特性产生负面影响，或因预晶核化而在接着的成型过程中进行结晶因而不能以这样的方式进行，晶核形成的过程应尽可能地快。
对于玻璃的成型，是对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进行的，通常是将玻璃毛坯加热至软化点以上的温度例如1000℃。
可采用功效显著的表面加热例如燃气燃烧器实现玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的快速加热。
对于表面加热，最一般的加热方法是将热源总热效的至少50％施加在需加热对象的表面或表面附近层上。
一种独特的表面加热方式是如上所述的采用燃气火焰加热，火焰的温度通常在1000℃。采用燃气燃烧器的加热是通过将大部分的热气体的热能传递到玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯的表面上。此时产生了一个温度梯度，它对例如取决于粘度梯度的成型有不利的影响。尤其是玻璃的厚度≥5毫米更是如此。
为了借助于热导快速地完全加热玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯，燃气燃烧器应具有较大的功率。这种加热方式只限于在小范围平面内进行，因为不可能借助于燃气燃烧器按要求的功率密度全面进行加热。
采用燃气燃烧器进行加热特别不适合于生产复杂的三维玻璃陶瓷，而仅适合于生产简单构型的玻璃陶瓷。
采用燃气燃烧器加热的其它缺点例如包括--较难控制火焰--带入干扰气体这将对材料的特性产生不良的影响。
生产三维变形玻璃陶瓷的另一种可能性是在陶瓷化过程中通过放在适当的模具上进行。但是，在这种情况下，因为不能产生原来要求的低粘度，尽管能够形成复杂的构型，但是仅适用于具有很大弯曲半径(Biegeradien)的构型。
由PCT/FR96/00927已知了一种玻璃陶瓷前体的后处理方法，包括直接在熔融槽上在传统成型高温的要求温度下对轧制玻璃带进行加热，再在形成晶核结晶的临界范围之前实现玻璃陶瓷化。
PCT/FR96/00927已知方法的缺点是所需费用特别高，这是因为直接影响成型玻璃制造的连续方法。另外，与槽内作业(Wannenbetrieb)无关的后续成型例如位于中间的玻璃陶瓷毛坯在冷却后不可能再被加热。
生产三维变形玻璃的另一种可能性是不用玻璃毛坯，而是已经在熔融过程中或熔化后通过置于适当的模具中而制备。
这样可使玻璃直接在熔融槽中例如用轧制的玻璃带成型。
该方法的缺点是将玻璃的成型与槽内作业结合在一起进行。
本发明的目的是提供一种通过变形由玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯生产玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件的方法和装置，由此而克服了上述缺点。尤其是该方法说明了下列的可能性*与槽内作业无关，例如在其后进行*也可进行具有最小弯曲半径的复杂三维变形*基本上避免了受干扰的预陶瓷化*基本上避免了受干扰的温度梯度根据本发明，通过以下方式实现本发明的目的，以概括的方法而言，采用红外辐射，例如波长＜2.7微米的短波红外辐射和/或NIR辐射以实施成型方法。
在本发明第一个实施方案中，在软化玻璃毛坯的同时进行变形。
在本发明的另一个实施方案中，在陶瓷化前对玻璃陶瓷毛坯实施作为后处理的成型方法。该方法的优点是可在离线的任一时刻变形玻璃。
此外，另一种方法是可将变形与玻璃陶瓷毛坯的陶瓷化一同进行。
如果变形玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的话，那么玻璃板是特别优选的。
作为成型方法，最理想的是加工玻璃的最一般的成型方法，例如可通过真空促进的重力沉降变形。下面将描述真空沉降。此外，另一种方法是借助于一个中头或借助于空气的吹入而在模中沉降。
除了在模具中沉降的成型工艺外，另一种方法或与沉降工艺结合的方法是定向红外辐照需成型的玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯，由此实现有目的的局部加热并由此成型。
起促进作用的或另一种定向辐射是通过设置相应的遮挡板(Blenden)有目的地加热某一区域的毛坯或使其保持冷却。
特别优选地是所有的成型方法是在一个红外辐射空腔中进行的并且借助于红外反射器作为辐射源进行加热。
在本发明的一个实施方案中，一部分是直接通过红外辐射器的红外辐射加热玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的，另一部分是间接地通过红外辐射空腔的壁、顶和/或底部反射和/或反向散射的红外辐射加热玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的。
特别优选地是，间接作用到需加热玻璃毛坯和/或玻璃陶瓷毛坯上的辐射部分即反向散射和/或反射的部分占总辐射效率的50％以上，优选60％以上，更优选70％以上，特别优选80％以上，最优选90％以上，最最优选98％以上。
为了使温度均匀，例如可在一常规的炉中进行预加热。最理想地是对形成的玻璃和/或玻璃陶瓷进行再加热。
除了方法外，本发明还提供了实施该方法的装置，其典型的特征是包括红外辐射空腔，配备有反射红外辐射的壁、顶和/或底部，其中在红外辐射空腔中设置了数个红外辐射器。
例如US-A-4789771以及EP-A-0133847示出了红外辐射空腔，其公开的内容全部列入本申请中。由部分壁面、底面和/或顶面反射和/或散射的红外辐射部分按表面上入射的辐射计优选高于50％。
特别优选地是，由壁面、底面和/或顶面反射和/或散射的红外辐射部分高于90％，优选高于98％。
应用红外辐射空腔的一个突出的优点是在使用具有极强的反射和/或散射壁、底部和/或顶部材料时，涉及到一个具有较高品质因子Q值的谐振器，这种器件的损耗低，因此确保了较高的能量利用率。
使用漫射反向散射的壁、底和/或顶部材料，实现空腔体积单元全方位角度上的特别均匀的辐射。由此避免了对复杂构型玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件可能存在的细微差别的影响。
发现例如可采用诸如厚度为30毫米的磨光铝基轴承合金板作为反向散射的壁材即漫反射的壁材。
其它的红外辐射反向散射材料也可用作红外辐射空腔的壁、顶和/或底材或涂层，例如一种或多种下列材料Al2O3；BaF2；BaTiO3；CaF2；CaTiO3；MgO；3.5Al2O3；MgO，SrF2；SiO2；SrTiO3；TiO2；尖晶石；堇青石；堇青石-烧结玻璃陶瓷。
在本发明的一个优选实施方案中，红外辐射器具有的着色温度高于1500K，优选高于2000K，更优选高于2400K，特别优选高于2700K，最优选高于3000K。
为了避免红外辐射器过加热，有利的方式是对其进行冷却，尤其是进行空气冷却或水冷却。
为了有目的地加热玻璃和/或玻璃陶瓷，例如采用定向辐射器进行，提供的红外辐射器是能单独关闭的，尤其是，其电功率是可调的。
下面借助于附图和实施例描述本发明。
图1是温度在2400K下可行的红外辐射器的普郎克曲线。
图2A是本发明带有辐射空腔的加热装置的基本结构。
图2B是在红外波长范围内漫反射度＞95％，宽光谱范围＞98％的Al2O3(Sintox AL der Morgan Matroc，Troisdorf)在整个波长上的漫反射曲线。
图3A是环绕了红外辐射空腔的加热装置中需成型玻璃陶瓷毛坯的加热曲线。
图3B是环绕了红外辐射空腔的加热装置中需成型玻璃毛坯的加热曲线。
图4A+B是用重力沉降进行的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的变形。
图5A+B是用真空沉降进行的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的变形。
图6A+B是经加压工具促进的沉降进行的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的变形。
图7A+B是经加压促进的沉降进行的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的变形。
图8是通过定向红外辐射器进行的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的变形。
图9是在带有遮挡板的红外辐射空腔中进行玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的变形。
图1示出了红外辐射源的强度分布，例如可采用红外辐射源加热本发明复杂构型的玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯。使用的所得红外辐射器是线性卤素红外石英管辐射器，在230V的电压下具有的额定功率为2000W，着色温度优选为2400K。该红外辐射器在1210纳米的波长处在其最大辐射值下具有相应的维思(Wienschen)位移定律。
在本发明成型方法中，加热设备和退火工件和/或需成型的玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯被置于配备红外辐射器的红外辐射空腔中。假定石英玻璃辐射器本身是足以耐温度变化的或相应被冷却的。石英玻璃管达到约1100℃时仍可使用。石英玻璃管最好很长，足以形成螺旋线灯丝并且由加热区发射，致使在冷却区域中连接，以便电性连接而不会发生过加热。石英玻璃管可以有涂层或没有涂层。
图2A示出了采用红外辐射空腔的本发明的实施成型方法的一个加热装置的第一个实施方案。
图2A所示的加热装置包括数个位于由强反射或强反向散射的材料构成的反射器3下面的红外辐射器1。通过反射器3将由红外辐射器传递到其它方向的热效转向玻璃毛坯和/或玻璃陶瓷毛坯。由红外辐射器产生的红外辐射部分地透过该波长范围内的半透明的玻璃陶瓷毛坯5或玻璃毛坯5并辐射到由强反射和/或强散射材料构成的载板7上。对此，特别合适的是铝基轴承合金，它也能反向散射红外区中约90％的入射辐射。对此，发现还可使用Al2O3，这种材料具有的反散射度约为98％。借助于铝基轴承合金带(Streifen)或Al2O3带9把玻璃陶瓷毛坯5或玻璃毛坯5放置在载板7上。底侧的温度可通过载板中的孔11而借助于一根高温计测定。
壁10可与反射器3一起作为顶部，而载板7与反射或漫射反向散射材料和/或铝基轴承合金或Al2O3一起作为相应布置的底部，形成一个较高工件的红外辐射空腔。
图3A示出了根据本发明方法需变形玻璃陶瓷毛坯的加热曲线，其中需变形玻璃陶器毛坯的尺寸为约200毫米，厚4毫米。
图3B示出了根据本发明方法需变形玻璃毛坯的加热曲线，其中需变形玻璃试样的尺寸为约200毫米，厚4毫米。
加热方法或热处理是按下列方式进行的根据图2A，先在一个用铝基轴承合金包围的红外辐射空腔中加热需变形和必要时接着进行陶瓷化的玻璃陶瓷毛坯或需成型玻璃毛坯，其顶部由铝反射器和位于其下方的红外辐射器构成。试样以合适的种类和方式存放在铝基轴承合金上。
在红外辐射空腔中，通过多个卤素红外辐射器直接辐照玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯，红外辐射器距离需变形玻璃毛坯和/或玻璃陶瓷毛坯的距离在10-150毫米的范围内。
从现在起，借助于通过可控硅调节器控制红外辐射器的根据吸收、反射和散射过程加热各种玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯，下面将详细描述。
因为所使用的短波红外辐射在玻璃中的吸收长度要比需加热的对象大很多，所以大部分入射的辐射透过试样。因为另一方面，在玻璃的各点的单位体积的吸收能几乎是相同的，所以实现了整体的均匀加热。在根据图3A和3B对变形玻璃陶瓷试样或玻璃试样的试验中，红外辐射器和需加热的玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯被置于一个辐射空腔中，其空腔的壁和/或顶部和/或底部是由表面具有较高反射度的材料构成，此时至少部分壁面、底面和/或顶面漫射反向散射大部分的入射辐射。以这样的方式可以实现将首先透过玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯的大部分辐射在反射或散射到壁、顶和/或底部后重新辐射到需加热的对象上并再次被部分吸收。也可按同样的方式继续进行第二轮透过玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯的辐射。用该方法不仅可以深度均匀地加热，而且能量的利用明显高于仅一次通过玻璃或玻璃陶瓷时的能量。
图4A和4B示出了在带有红外加热辐射器1的红外辐射空腔中借助于重力沉降成型玻璃毛坯和/或玻璃陶瓷毛坯的结构。
红外辐射器1在辐射空腔中被设置在需变形玻璃陶瓷毛坯5和/或玻璃毛坯5的上方。红外辐射器1的上方有反射器3。
红外辐射器1加热玻璃陶瓷毛坯5或玻璃毛坯5的正面。模50(在其中沉降毛坯5)和红外辐射空腔的壁10一样涂覆有红外反射材料。在壁10或模50上入射的红外辐射的被反射的部分高于50％，优选高于90％或95％，更优选高于98％。反射回来的辐射在下一轮中又加热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温度过高，那么加热的玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯因其重力而沉降到模50中，如图4B所示。
对于玻璃陶瓷毛坯，成型过程既可在陶瓷化前进行，也可与陶瓷化过程一起进行。
在成型过程结束并在停止红外辐射器的加热后，从模具中取出变形的玻璃部件或玻璃陶瓷部件。
在炉中进行再加热是最理想的。
如图5A和5B所示，通过抽真空促进成型过程。
为此，在模中在需变形的玻璃陶瓷毛坯5或玻璃毛坯下方设置一真空连接口52。
在借助于红外辐射器加热后的重力沉降是通过抽真空而促进的。
此外，如图6A和6B所示，提供了另一种方法，用冲模54促进变形。这里，优选地是在用位于需加热板上方的红外辐射器加热板后，接着用加压工具或冲模52使加热的板5沉降模具中。
另一种方法是还可用红外辐射器将模具连同加热板一起进行处理。
如图7A和7B所示，不用中模54沉降，而是借助于一台鼓风机56鼓气到过压，并将加热的板进入模具中。
图8示出了借助于定向的红外辐射器100对玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯进行选择加热。
通过一种这样定向的加热，使变形过程在完全确定的需变形玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯的范围内进行。单独驱动定向红外辐射器100可使需变形玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯的整个表面上分布有温度分布线，由此可将玻璃陶瓷和/或玻璃加工成任一种预定的形状。
可用定向和单独驱动的红外辐射器，并在红外辐射器1和需加热板5的正面之间也可设置遮挡板102。
图9示出了本发明的这种实施方案。
采用本发明的方法，可使材料温度达1150-1200℃和该范围以上，还能使工件在变形前的温度均匀，温差不超过+/-10K。
在取出变形的玻璃陶瓷部件或玻璃部件时，最好使变形玻璃陶瓷或变形玻璃的温度低于250℃，在切断辐射器后玻璃陶瓷和/或玻璃的冷却速度优选在150℃/分钟。
采用红外辐射法加热玻璃陶瓷毛坯或玻璃毛坯的时间优选不超过60秒，冷却时间优选不超过180秒。尽管可以在外部冷却，但是可在机组的内部进行。为此，在机组外部冷却时的持续时间为60秒，在机组内部冷却时的持续时间不超过5分钟。
采用本发明的方法例如可以加工圆弧截面的r小于150毫米的构件、其宽度小于200毫米的沟状构件以及例如将具有矩形截面或梯形截面的玻璃陶瓷或玻璃变形成具有沟状的构件。
也可变形为具有三维结构的复杂构件。
权利要求
1.通过变形玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯生产玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件的方法，其特征在于采用红外辐射实施成型方法。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于红外辐射是短波红外辐射，优选的波长短于2.7微米。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于成型方法是在其陶瓷化前进行后处理玻璃陶瓷毛坯的方法。
4.根据权利要求1-2任一项的方法，其特征在于将成型方法与玻璃陶瓷毛坯的陶瓷化过程一起进行。
5.根据权利要求1-4任一项的方法，其特征在于玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯是玻璃板。
6.根据权利要求1、2或5任一项的方法，其特征在于在软化玻璃毛坯的同时实施成型方法。
7.根据权利要求1-6任一项的方法，其特征在于成型方法包括重力沉降。
8.根据权利要求1-7任一项的方法，其特征在于成型方法包括真空沉降。
9.根据权利要求1-8任一项的方法，其特征在于成型方法包括冲模沉降。
10.根据权利要求1-9任一项的方法，其特征在于成型方法包括鼓风沉降。
11.根据权利要求1-10任一项的方法，其特征在于成型方法包括定向红外辐照需变形的玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯。
12.根据权利要求1-11任一项的方法，其特征在于成型方法包括在红外辐射器和玻璃毛坯或玻璃陶瓷毛坯之间设置遮挡板。
13.根据权利要求1-12任一项的方法，其特征在于成型方法是在红外辐射空腔中实施的。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于借助于设置在辐射空腔中的红外辐射器进行辐射加热。
15.根据权利要求13-14任一项的方法，其特征在于对玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯的加热，部分是直接通过红外辐射器的红外辐照进行的，另一部分是通过红外辐射空腔的壁、顶和/或底部反射和/或反向散射的红外辐射间接进行的。
16.根据权利要求1-15任一项的方法，其特征在于对玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯进行预加热。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于在常规的炉中对玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯进行预加热。
18.根据权利要求1-17任一项的方法，其特征在于在成型后再加热玻璃陶瓷和/或玻璃。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于在常规的炉中再加热玻璃陶瓷和/或玻璃。
20.实施权利要求1-19任一项方法的装置，其特征在于装置包括20.1具有反射或反向散射红外辐射的壁和/或顶和/或底部的红外辐射空腔，20.2一个或多个红外辐射器。
21.根据权利要求20的装置，其特征在于壁和/或顶和/或底部的反射能力或反向散射能力高于入射辐射的50％。
22.根据权利要求20的装置，其特征在于壁和/或顶和/或底部的反射能力和/或反向散射能力高于入射辐射的90％或95％，尤其是高于98％。
23.根据权利要求20-22任一项的装置，其特征在于壁和/或顶和/或底部的材料是漫射反向散射的。
24.根据权利要求20-23任一项的装置，其特征在于反射和/或反向散射的壁和/或顶和/或底部包括一种或多种下列材料Al2O3；BaF2；BaTiO3；CaF2；CaTiO3；MgO；3.5Al2O3；MgO，SrF2；SiO2；SrTiO3；TiO2；尖晶石；堇青石；堇青石-烧结玻璃陶瓷。
25.根据权利要求20-24任一项的装置，其特征在于红外辐射器具有的着色温度高于1500K，优选高于2000K，更优选高于2400K，特别优选高于2700K，最优选高于3000K。
26.根据权利要求20-25任一项的装置，其特征在于冷却红外辐射器，尤其是采用空气冷却或水冷。
27.根据权利要求20-26任一项的装置，其特征在于红外辐射器是单独驱动的并且其电功率是可调的。
全文摘要
本发明涉及通过变形玻璃陶瓷毛坯和/或玻璃毛坯生产玻璃陶瓷部件和/或玻璃部件的方法。本发明的特点是,变形是采用红外辐射进行的。
文档编号C03B23/03GK1344233SQ00805297
公开日2002年4月10日 申请日期2000年3月22日 优先权日1999年3月23日
发明者乌尔里克·福塞林汉姆, 豪克·埃斯曼, 伯恩德·霍普, 休伯特斯·巴德, 格哈德·哈恩, 马库斯·加希－安德烈斯, 马赛厄斯·布林克曼, 诺伯特·格罗伊利希－希克曼 申请人:舱壁玻璃公司