Gebilde, das mindestens einen Teil aus geschmolzenem Quarz aufweist
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gebilde, das mindestens einen Teil aus geschmolzenem Quarz aufweist, insbesondere optische Artikel mit durch Kupferoxyd enthaltendem Glas zusammengelötete Flächen aufweisen, z. B. innig miteinander verlötete Oberflächen von Teilen aus geschmolzenem Quarz.
Gläser mit niedrigen Ausdehnungseigenschaften sind äusserst vorteilhaft und wünschenswert, da deren Widerstand gegen Hitzeschock gut ist und Dimensionsveränderungen von Gegenständen aus derartigen Gläsern minimal sind. Aufgrund der ungewöhnlichen guten Eigenschaften dieser Gläser können sie zu vielen Zwecken Verwendung finden.
Geschmolzener Quarz und geschmolzene Kieselerde sind allgemein bekannt und werden vielfach in der Elektronik, Forschung und Optik verwendet, wobei geschmolzener Quarz und geschmolzene Kieselerde als im wesentlichen gleichwertig zu betrachten sind, da mit beiden die gleichen oder annähernd gleichen Resultate erzielt werden können. Geschmolzener Quarz oder geschmolzene Kieselerde werden vielfach zur Herstellung von Reagenzgläsern, Röhren für Spektralanalysen, röhrenförmigen keimtötenden Lampen, Cuvetten, Linsen, Frontplatten für Laserröhren, Platten für Frequenzregulierung usw. verwendet. Die Herstellung geformter Artikel aus geschmolzenem Quarz oder geschmolzener Kieselerde verlangt oft die Verbindung von Teilen aus diesen Materialien zu einheitlichen zusammengesetzten Artikeln mittels Bindegläsern oder Schmelzgläsern.
Bei der Verlötung von Quarzteilen für optische Verwendungszwecke werden sehr oft genaue Dimensionen verlangt, damit daraus verzerrungsfreie optische Systeme hergestellt werden können. Aus diesen Gründen können daher Schmelzgläser, welche während der Herstellung der Schmelzverbindungen bedeutenden Änderungen in Form und Dimension unterliegen, zum Verlöten geschmolzener Teile nicht verwendet werden. Es besteht ein sehr kritisches Bedürfnis für annehmbare Schmelzgläser zum Verlöten geschmolzener Quarze untereinander oder mit Oberflächen aus anderem Material, z. B. Metall.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung von Gebilden, die mindestens einen Teil aus geschmolzenem Quarz aufweisen, und dadurch gekennzeichnet sind, dass mindestens eine Oberfläche des Quarzteiles mit einem Bindeglas innig verbunden ist, das folgende Komponenten enthält: SiO2 50-94 Mol% Al203 0,530 Mol% Cu2O* 1,5-35 Mol% * inbegriffen CuO, berechnet als CuzO
Es wird angenommen, dass der wesentliche Anteil von Kupfer im Glas in der einwertigen Form vorliegt. Vorzugsweise soll sie wenigstens 50 Mol% des Kupfers ausmachen.
Aus diesem Grunde wird der Kupferoxydgehalt des Löt- bzw.
Bindeglases stets mit Cu2O bezeichnet. Zur Herstellung des Bindeglases können jedoch beide Formen von Kupferoxyd verwendet werden, da beim Einschmelzen das CuO weitgehend oder ganz in Cu2O umgewandelt wird. Wenn ein besonderer Oxydationszustand des Kupfers erwünscht ist, kann dieses durch Schaffung der für den gewünschten Zusatand geeigneten Oxydationsbedingungen erreicht werden. Die Wärmeausdehnung dieser Bindegläser liegt relativ niedrig, im allgemeinen bei 10x10-7 10- und darunter.
Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Quarzgebilde mit Bindegläsern niedriger Ausdehnung mit Zusätzen von Eisenoxyd und/oder Nickeloxyd, Boroxyd (bs03) oder beiden zusammen, z. B. Kupferoxydgläser mit 50-90 Mol% SiO2, 5-30 Mol% Al2O3, 5-30 Mol% Cu2O und je bis zu 6 Mol% NiO, Fe203 und AIF3.
Die kupferoxydhaltigen Bindegläser können ferner Oxyde von Titan, Bor, Chrom, Cobalt, Tantal, Wolfram, Mangan und andere Übergangsmetalle sowie Oxyde von seltenen Erden und Mischungen davon enthalten.
Bevorzugte Bindegläser enthalten z. B. 75-80 Mol% SiO2, 8-13 Mol% A1203, 8-13 Mol% Cu2O und je 0-2,5 Mol% NiO, Je203 und AIF3, insbesondere 77-78 Mol% SiO2, 9-10 Mol% Al203, 12-13 Mol% Cu2O und 1-2 Mol% AIF3.
Ausgezeichnet ist ein Bindeglas mit 77 Mol% SiO2, 9,25 Mol% Al203, 12,45 Mol% Cu2O und 1,3 Mol% AIF3.
Diese Bindegläser haben einen relativ niedrigen Schmelz punkt und eine grosse Fliessfähigkeit bei relativ niedrigen Temperaturen. Die unten verzeichneten Viskositätsangaben zeigen die vorteilhafte Verwendbarkeit dieser Kupfergläser sowie deren guten Eigenschaften bei hohen Temperaturen.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Diagramm des Koeffizienten der Wärmeausdehnung zwischen 0-300" C als Funktion einer Zusammensetzung von SiO241203-1/2-Cu20-System (unausgeglüht).
Fig. 2 bezieht sich auf ein Diagramm, welches das Verhalten des Wärmeausdehnungskoeffizienten als Funktion der Temperatur, von 3 ausgeglühten repräsentativen kupferhaltigen Gläsern, im Vergleich zu verschmolzener Kieselerde.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm vergleichender Viskositäts Temperatur-Kurven repräsentativ er Kupfergläser mit einem im Handel erhältlichen, mit A bezeichneten Borsilicatglas niedriger Wärme ausdehnung.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm von Viskositätskurven bei hoher Temperatur repräsentativ er Kupferoxydgläser im Vergleich mit einem im Handel erhältlichen Borsilicatglas (A) niedriger Wärmeausdehnung.
Die Binde-Kupferoxydgläser zeigen eine geringe lineare Wärmeausdehnung und einen relativ niedrigen Schmelzpunkt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, üben grössere Schwankungen im Kupfergehalt unerwarteterweise keinen grossen Einfluss auf die Wärmeausdehnung der Bindegläser. Zu Vergleichszwecken sei auf Fig. 2 verwiesen.
Bis anhin wurde im allgemeinen angenommen, dass niedrige Schmelzeigenschaften und geringe Wärmeausdehnung von Gläsern miteinander nicht verträglich waren. Die vorliegende Erfindung hat erwiesen, dass diese allgemein hingenommene Ansicht jedenfalls auf die hier beschriebenen Bindegläser nicht zutreffend ist. Der allgemeinen Erfahrung entspricht, dass je geringer die Wärmeausdehnung, um so höher der Schmelzpunkt ist. Diese Eigenschaft wurde für die neuen Bindegläser nicht beobachtet.
Aus den Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, dass die genannten Kupferoxydgläser bei relativ niedrigen Temperaturen hervorragend fliessfähig und dabei leicht bearbeitbar sind.
Durch die Verwendung von Kupferoxyden in den Bindegläsern, sind sie wie erwartet stark gefärbt, im allgemeinen grün, rötlich, braun oder schwarz, je nach der Konzentration des Kupferoxydgehaltes und der Dicke des Glases. Bei hoher Temperatur ist das einwertige Kupfer vorherrschend, während niedrige Temperaturen das zweiwertige Kupfer bevorteilen. Eine geeignete, d. h. oxydierende, neutrale oder leicht reduzierende Atmosphäre kann daher für die gewünschte Oxydationsstufe regulierend wirken.
Zur Herstellung von Bindegläsern der genannten Zusammensetzungen kann wie folgt verfahren werden: Die Komponenten werden zusammengemischt, geschmolzen und auf solche Temperatur erhitzt, dass alle Substanzen in flüssigem Zustand vorliegen und dadurch die Bildung einer homogenen Glasschmelze ermöglichen. Im allgemeinen zeigen diese Gläser Wärmeausdehnungskoeffizienten von 10x10-7 (0-300 C) oder darunter. Besonders geeignete Kupferoxydgläser sind diejenigen, in welchen die Summe von SiO2 + Cu20 wenigstens 70 Mol%, vorzugsweise 80 Mol%, und die Summe von Cu2O +au03 wenigstens 10 Mol% beträgt.
Bevorzugt wird ein Verhältnis von Cu2O: Al203 im Bereich von 0,9:1-2:1.
Bindegläser mit einem Gehalt an TiO2 und/oder B203 können folgende Zusammensetzung aufweisen:
SiO2 50-94 Al203 0,5-30 Ou2O 1,5-35
TiO2 0-11
B203 0-12,5
Besonders geeignete Zusammensetzungen sind diejenigen, worin die Summe von SiO2 + Cu2O wenigstens 80 Mol% und die Summe von Cu2O+AI203 wenigstens 5 Mol% beträgt.
Diese Gläser können auch Aluminiumfluorid oder andere Fluoride enthalten.
Eine weitere Zusammensetzung der Bindegläser ist z. B.
folgende:
SiO2 50-94 Mol%
Al203 0,5-30 Mol%
Cu2O 1,5-35 Mol%
TiO2 0-11 Mol%
B203 0-12,5 Mol%
Al(NO3)3 0-2 Mol% AlF3 0-4 Mol%
Die Gläser können auch Oxyde von Nickel, Eisen, Cobalt, Mangan, Chrom, Tantal, Wolfram oder.von anderen Übergangsmetallen, ferner Bor und Mischungen davon, enthalten.
Besonders geeignet sind diejenigen Bindegläser, worin die Summe von SiO2 + Cu2O wenigstens 85 Mol% und die Summe von Al203 + Cu2O wenigstens 13 Mol% beträgt.
Eine andere Zusammensetzung betrifft z. B.
SiO2 50-94 Mol%
Al203 0,5-30 Mol%
Cu2O 1,5-35 Mol%
NiO 0-2,5 Mol%
TiO2 0-2 Mol%
B203 0-2,5 Mol% Je203 0-6 Mol%
CoO 0-6 Mol% A1F3 0-6 Mol%
Ein bevorzugtes Bindeglas mit Oxydgehalten in Mol% innerhalb des Bereichs der vorstehend angegebenen Zusammensetzung ist ein solches mit 73,3-804b SiO2, 6,5-10% Al203 und 10-12,5 % Cu2O, übrige Komponenten gleich. Ausser AlF3 können auch andere Fluoride im Glas enthalten sein.
Bei den genannten Komponenten muss es sich nicht um reine Oxyde handeln. Bei der Herstellung der Gläser können sie in Form von Oxyden, Carbonaten, Fluoriden, Silicaten oder in jeder anderen Form, welche die gewünschte Zusammensetzung ergibt, verwendet werden.
Bei der Verwendung der Bindegläser zum Verbinden von Teilen, z. B. aus geschmolzenem Quarz, kann sowohl das heisse als auch das kalte Verfahren angewendet werden.
Beim kalten Verfahren wird z. B. das Bindeglas mit einem Trägermittel zu einer Paste verarbeitet, beispielsweise mit ungefähr 1-2 Gew. % Nitrocelluloselösung in Amylacetat Selbstverständlich können andere verdampfbare Medien als Trägermittel eingesetzt werden. Das mit dem Trägermittel vermischte Bindeglaspulver kann auf irgendeine zweckmässige Art, z. B. in einer gleichmässigen Schicht, auf die eine der zu verbindenden Teile aufgetragen werden.
Nach der Beschichtung können die beschichteten Teile in einem Ofen oder mit einem Strahler getrocknet werden. Die trockenen, zusammengefügten Teile werden nachher in einem Ofen bei der gewünschten Schmelzverbindungstemperatur innig verbunden und dann abgekühlt.
Die zu vereinigenden Teile können auch vorerhitzt werden.
Beim Heissverlöten kann man so verfahren, dass man das Bindeglas, z. B. in einem Platinschmelztiegel, schmilzt und auf eine Temperatur oberhalb der Verarbeitungstemperatur erhitzt. Die zu vereinigenden Teile werden vorerhitzt, während 10-20 sec in die Schmelze des Bindeglases getaucht; herausgenommen während 5-10 sec an der Luft ausgesetzt Nach Abkühlung der Teile auf Raumtemperatur werden sie zusammengefügt, in einem Ofen auf Schmelzverbindungstemperatur erhitzt und während einer bestimmten Zeit auf dieser Temperatur gehalten und nachher auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die fluorhaltigen Bindegläser zeigen besonders gute Chemikalienbeständigkeit gegen Säure, Alkali und Wasser, weshalb sie für die Herstellung von Laborgeräten und anderen Handelsartikeln wichtig sind. Diese fluorhaltigen Bindegläser haben den Vorteil, dass sie bei niedrigeren Temperaturen schmelzen und verformbar sind als fluorfreie Gläser, und ausserdem benötigen sie eine niedrigere Ausglühtemperatur.
Beispiel 1
Die Rohmaterialien für diesen Ansatz waren: Kona Quintus Quarz 3119 g Alcoa A-14- -Tonerde 589 g hochkupferoxydhaltiges Calumet 1329 g Aluminiumtrifluorid 74 g
Das resultierende Bindeglas zeigt die nachstehende Zu sammensetzung in Mol%:
SiO2 77,0
Al203 9,25
Cu2O 12,45
AIF3 1,30
Der Ansatz wurde während 24 h bei 1566 C geschmolzen.
Dieses Glas wurde dann wieder geschmolzen und verschiedene Eigenschaften davon bestimmt. Die Ausglühtemperatur betrug 572" C und die Fliessgrenze 520" C. Die Dichte des Glases wurde mit 2,6959 bestimmt. Die Ausdehnung (0-300 C) x 10-7/ C betrug 5,0 und die Kontraktion (AP-25" C) x 107/0 C 10,0.
Die Flammverlötungseigenschaft wurde folgendermassen bestimmt:
Eine gegebene Länge eines Quarzstabes wurde am Ende mit einer -Gas/Sauerstoffflamme erhitzt. Dann wurde mit einem Stab des oben beschriebenen Glases eine kleine Perle hergestellt, welche verwendet wurde, um den geschmolzenen Quarzstab an der Luft mit einer anderen Oberfläche aus geschmolzenem Quarz zu verlöten. Der erhaltene Wert für Dichtungskraft kg/cm2 gegen Kontraktion des verschmolzenen Quarzes beträgt 1300 t.
Das oben beschriebene Glas wurde auch als Lot für zwei geschmolzene Quarzoberflächen in einem Ofen unter Stickstoffatmosphäre verwendet. Die Ofentemperatur betrug 1204 bis 12600 C. Unter Verwendung von zwei Proben wurden Temperaturspannungsbestimmungen von 17,6 und 24,6 kg/cm2 ermittelt. Diese Werte widerspiegeln die Spannung im verschmolzenen Quarz, was bedeutet, dass das Schmelzverbindungsglas aufgrund seiner geringen Wärmeausdehnung unter Druck steht.
Das Bindeglas der oben angegebenen Zusammensetzung wurde weiterhin auf dessen chemische Beständigkeit geprüft, wie nachstehend beschrieben.
Herstellung des Prüfmusters
Es werden 100 g Bruchstücke einer Grösse von 6-25 mm abgewogen und ungefähr ein Drittel davon (30-40 g) in einen Spezialmörser aus Stahl gefüllt, das Pistill dreimal hart mit einem 900 g schweren Hammer geschlagen. Der Inhalt des Mörsers wird in einen Siebsatz, enthaltend Siebe Nr. 20, 40, 50 und Auffangschale, gefüllt. Die Zerkleinerungsbehandlung wird fortgesetzt, bis das ganze 100-g-Muster in den Siebsatz überführt ist. Der Siebsatz wird während einer kurzen Zeit von Hand geschüttelt und dann das Glas aus den Sieben Nr. 20 und 40 genommen, in Drittel geteilt, nochmals zerkleinert und gesiebt wie vorstehend. Die Zerkleinerungsbehandlung wird zum dritten Mal wiederholt und während 5 min auf einer Schüttelmaschine geschüttelt.
Als Versuchsmuster werden die Glaskörner, welche das Sieb Nr. 40 passierten und auf dem Sieb Nr. 50 zurückblieben, zurückbehalten (ungefähr 12 g). Nach Behandlung aller Muster muss der Mörser und die Siebe mit Druckluft unter Schütteln gereinigt werden.
Das Muster wird auf einem Stück Glanzpapier ausgebrei tet und mit einem Magneten zur Entfernung von Eisenteil chen, welche bei der Zerkleinerungsbehandlung hätten eingeführt werden können, behandelt. Das gesamte Muster wird dann in einen Korb mit Drahtbügel in der Form eines oben offenen Würfels von 41,3 mm Seitenlänge aus Netzmaterial von Sieb Nr. 50 überführt. (Die Kanten des Würfels sind gebördelt oder gelötet.) Das Muster wird durch Bewegung des Körbchens mit seinem Inhalt in destilliertem Wasser während 1 min, Abschütteln der überschüssigen Flüssigkeit und dann während 30 sec in je einem Becher 95 %igem Äthyl alkohol gewaschen, wobei der überschüssige Alkohol nach jeder Behandlung abgeschüttelt wird. Das Körbchen mit seinem Inhalt wird während 20 min im Ofen bei 140 C ge .trocknet.
Hierauf wird das Muster in einen kleinen sauberen Becher übergeführt und bis zum Beginn der Prüfung in einem Exikator aufbewahrt. Die Muster sollten am gleichen Tag hergestellt und geprüft werden.
Prüfverfahren
10,00 + 0,07 g des vorbereiteten Glasmusters werden in einen 200-ml-Erlenmeyer aus Borsilicatglas übergeführt, welcher vorher mit dem angreifenden Medium während wenigstens 24 h bei 90" C gealtert worden war. (Ein einmal alterungsbehandelter Erlenmeyer kann ohne weitere Alterungsbehandlung wiederholt verwendet werden.) Genau
50,0 ml des angreifenden Mediums, bestehend aus destillier tem Wasser, 0,02n H2SO4 oder 0,001n H2SO4 wird zuge setzt. Der Erlenmeyer wird mit einem Gummistopfen ver schlossen, welcher in einer Bohrung mit einem 30 cm langen
Rohr aus chemisch widerstandsfähigem Glas von 4,7 mm
Durchmesser versehen ist. Der Erlenmeyer wird mit 5 cm
Eintauchtiefe in ein thermostatisiertes Wasserbad von
90 + 0,2 C eingetaucht und die Anfangszeit registriert.
Der
Erlenmeyer wird durch Messingklemmen aufrecht und auf der richtigen Höhe gehalten. Nach 4 h wird der Erlenmeyer aus dem Wasserbad entfernt und, je nach dem verwendeten angreifenden Medium, entsprechend den nachstehenden
Methoden a, b oder c weiterbehandelt.
a) Behandlung mit Wasser als angreifendes Medium
Der Erlenmeyer und sein Inhalt werden in fliessendem Wasser auf Raumtemperatur abgekühlt, genau 40 ml der extrahierten Lösung in einen anderen Erlenmeyer abpipetiert, 5 Tropfen Methylrot zugesetzt und mit 0,02n H2SO4 zu einem Überschuss von 1,00 ml titriert. Der Titrierkolben wird auf Kochtemperatur erhitzt und geschwenkt. Dies wird dreimal wiederholt, um alle gelösten Gase zu entfernen.
Während die Lösung noch heiss ist, wird mit 0,02n NaOH zum Methylrot-Endpunkt zurücktitriert. Die Resultate der Titration werden nach folgender Gleichung auf % Na2O umgerechnet: (ml 0,020n H2SO4 - ml 0,020n NaOH) 0,00775 = % Na2O b) Verfahren mit 0,02n H2SO4 als angreifendes Medium
Nach Abkühlen in fliessendem Wasser werden zwei Tropfen Methylrot zugesetzt und mit 0,02n NaOH zum Endpunkt titriert. Der Überschuss (ml 0,02n NaOH - 50,0 ml 0,02n H2SO4 wird bestimmt und die % Na2O folgendermassen errechnet: (C - D) 0,0062- % Na2O worin
C = ml 0,02n NaOH entsprechend 50,0 ml 0,02n H2SO4
D = ml 0,02n NaOH - Verbrauch in der Titration.
Beispiel: 50,0 ml 0,02n H2SO4 = 49,5 ml 0,02n NaOH (Vorlage - ml 0,02n NaOH per Titration) 0,0062 = % Na2O 49,5-45,0 = 4,5 x 0,0062 = 0,028% Na2O.
Spezielle Bestimmung des NaOH - Gewichtsverlustes
Die Bestimmung des NaOH-Gewichtsverlustes wird folgendermassen durchgeführt:
Ein genau gewogenes Muster von 1,0000 + 0,0005 g von nach der vorstehend beschriebenen Methode gemahlenen Körnern wird in eine saubere 40-ml-Platinschale gegeben und 25 ml 5 %ige, carbonatfreie NaOH-Lösung zugegeben.
Die Schale wird zugedeckt und in einen 400-ml-Becher gestellt. Der Becher wird in ein Wasserbad von 90 + 0,020 C abgesenkt. Der Becher wird mit Gewichten belastet, um ihn eingetaucht zu halten, und mit einem Uhrglas gedeckt. Im Falle 1 Wsiger NaOH wird das Ganze während 2 h und im Falle 5%Der NaOH während 6 h bei 90" C unberührt belassen.
Das Glas wird dann durch ein Blauband Nr. 589 Filterpapier filtriert und mit destilliertem Wasser gewaschen. Nach Trocknung bei 140 C werden Filterpapier und Glaskörner in einen tarierten Platinschmelztiegel gegeben. Das Papier wird verbrannt und der Tiegel während 1 h bei 816" C ausgeglüht, um die Angriffsrückstände im Glas zu verbrennen.
Nach Abkühlung wird der Rückstand ausgewogen, auf Gewichtskonstanz geglüht und der Gewichtsverlust in mg für ein 1-g-Muster angegeben.
Nachstehend sind die Prüfresultate angeführt:
Prüfverfaren Säureprüfung*
Säureprüfung des pulverisierten Musters mit 0,02n H2SO4 (Prüfverfahren b ) (Doppelte Prüfung)
Test 1 - Beispiel 1 - 0,016% Na2O, H2SO4 = 2,62 ml
Test 2 - Beispiel 1 - 0,015% Na2O, H2SO4 = 2,42 ml Wasserprüfung*
Wasserprüfung des pulverisierten Musters (Prüfverfahren a ) (Doppelte Prüfung)
Test 1 - Beispiel 1 - 0,0002% Na2O, H2SO4 = 0,02 ml
Test 2 - Beispiel 1 - 0,0002% Na2O, H2SO4 = 0,02 ml Alkaliprüfung* 5 %ige NaOH - 6stündige Gewichtsverlust-Bestimmung (Doppelte Prüfung)
Test 1 - Beispiel 1 - 17,0 mg/g Gewichtsverlust
Test 2 - Beispiel 1 - 16,4 mg/g Gewichtsverlust * Die hier angeführten Kennzahlen sind als Na2O und als ml in der Titration verbrauchter H2S04 angegeben,
da das analysierte Muster alkalifrei war.
Diese Resultate zeigen die vorzügliche Chemikalienbeständigkeit des Bindeglases.
Beispiel 2
Ein Bindeglas folgender Zusammensetzung wurde zur Herstellung eines erfindungsgemässen Gebildes verwendet:
Komponente Mol%
SiO2 77,48
B203 4,36
Al203 3,15
TiO2 5,81
Cu2O 2,91 AIF3 6,30
Beispiel 3
Ein Bindeglas folgender Zusammensetzung wurde zur Herstellung eines erfindungsgemässen Gebildes verwendet:
Komponente Mol%
SiO2 82,93 Al203 4,88
Cu2O 7,32 AIF3 4,88
Bei der Herstellung dieser Gläser wurde die fluorhaltige Komponente in Mengen von bis zu 6,5 Mol%, vorzugsweise 6 Mol%, zugegeben.
Beispiel 4
Auf die Stirnfläche eines 10 cm langen Rohres aus geschmolzenem Quarz 25 mm Aussendurchmesser wurde eine Perle aus Bindeglas, bestehend aus 77,5 Mol% SiO2, 10,0 Mol% Al2O3 und 12,5 Mol% Cu2O, weiter gekennzeichnet durch eine Ausglühtemperatur von 629" C, einen Erweichungspunkt von 570" C, eine Dichte von 2,6001, gegeben und zur Bildung einer Perlenkette zuerst zu einer Faser von 0,8 bis 1,6 mm Durchmesser ausgezogen. Nachdem das Ende der Quarzröhre verperlt war, wurde sie mit einer 1,6 mm dicken Frontscheibe von 25 mm Durchmesser aus geschmolzenem Quarz verlötet. Die Verlötung erfolgte von Hand mit einem Brenner Nr. 3 mit einer Wasserstoff/Sauerstoff-Flamme.
Der Wasserstoffdruck betrug 0,35 kg/cm2 und der Durchfluss 70,8 I/h; der Sauerstoffdruck war gleich, der Durchfluss jedoch 255 I/h. In kürzester Zeit war der Quarz genügend erhitzt, um die Kanten des Rohres und der Abschlussscheibe zu glasieren. Die gebildete Schmelzverbindung war gut, und das Bindeglas zeigte gute Fliessfähigkeit und wurde durch die Flamme nicht nachteilig beeinflusst.
Beispiel 5
Das Verfahren aus Beispiel 4 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass das Bindeglas aus 75,0 Mol% SiO2, 10,0 Mol% Al2O3, 12,5 Mol% Cu2O und 2,5 Mol% Je203 bestand. Die Quarzteile wurden damit erfolgreich verbunden.
Beispiel 6
In diesem Beispiel wurde das Verfahren aus Beispiel 4 in bezug auf die Durchführungsmethoden genau wiederholt.
Das Bindeglas für dieses Beispiel bestand aus 77,5 Mol% SiO2, 10,0 Mol% Al203, 10,0 Mol% Cu2O und 2,5 Mol% NiO und war weiter gekennzeichnet durch eine Ausglühtemperatur von 689 C, einen Erweichungspunkt von 629" C und eine Dichte von 2,6059. Die Schmelzverbindung war erfolgreich.
Beispiel 7
Eine Schmelzverbindung zwischen geschmolzenen Quarzteilen wurde hergestellt durch Schmelzverbindung eines 22 mm langen Teiles von 16 mm O. D. Vycor -Rohres mit einer 6 mm dicken Quarzplatte. Eine Perle Bindeglas von 77,5 Mol% SiO2, 10,0 Mol% Al203 und 12,5 Mol% Cu2O von ungefähr 1 mm Durchmesser wurde auf die Kante des Rohres aufgetragen und auf einer Carborundumscheibe flach geschliffen. Die Schmelzverbindung wurde unter 52,5 g Belastung in einem keramischen Röhrenofen bei 1246 C in einer 25 %ig feuchten Stickstoffatmosphäre während 15 min hergestellt. Die derart ausgeführte Schmelzverbindung hielt das nachfolgende Schleifen der Platte auf den ungefähren Durchmesser des Rohres aus. Es traten keine durch die Schmelzverbindung bedingten Spannungen im Quarz auf.
Beispiel 8
Für dieses Beispiel wurde das Verfahren aus Beispiel 7 verwendet mit der Ausnahme, dass das aufgebrachte Binde glas mit Nitrozellulose/Amylacetat vermischt war und die Schmelzverbindung ohne die in Beispiel 7 angeführte Belastung ausgeführt wurde. Die auf diese Art hergestellte Schmelzverbindung zeigte hervorragende Stärke und widerstand beim Schleifen und Schneiden.
Beispiel 9
Andere Verbindungen zwischen Quarz auf Quarzoberflächen unter Verwendung des unmittelbar vorstehend beschriebenen Bindeglases wurden bei Ofentemperatur von 1149 C in Stickstoffatmosphäre während 30 min, und bei Ofentemperatur 1343" C in Luftatmosphäre während 15 sec, hergestellt. Aus diesen Methoden resultieren gute Schmelzverbindungen.
Beispiel 10
Auf die Frontkante eines 10 cm langen Rohres von 25 mm Aussendurchmesser aus geschmolzenem Quarz wurde eine Perle Bindeglas aufgetragen. Es bestand aus 77 Mol% SiO2, 9,25 Mol% Al203, 12,45 Mol% Cu2O und 1,3 Mol% AIF3 und war weiter gekennzeichnet durch eine Ausglühtemperatur von 572" C, eine Fliessgrenze von 520" C und eine Dichte von 2,6959, welches für das Verperlen zuerst zu einer Faser von 0,8-1,6 mm Durchmesser ausgezogen wurde.
Nach dem Verperlen der Rohrkante, wurde das Rohr durch Schmelzverbindung mit einer 1,6 mm dicken Scheibe aus verschmolzenem Quarz von 25 mm Durchmesser verschlossen. Die Schmelzverbindung wurde durch einen Handbrenner Nr. 3 mit einer normalen Gas/Sauerstoff-Flamme hergestellt.
Beim Verperlen betrug der Gasdruck 0,014 kg/cm2 und der Durchfluss 34 I/h, der Sauerstoffdruck 0,35 kg/cm2 und der Durchfluss 198 I/h. Zur Bearbeitung der Perle wurde die Flammintensität erhöht auf einen Gasdurchfluss von 511/h und einen Sauerstoffdurchfluss von 283 I/h. Der Quarz war in kürzester Zeit genügend erhitzt, um die Kanten des Rohrs und der Abschlussplatte zu glasieren. Die gebildete Schmelzverbindung war gut, und das Bindeglas zeigte gute Fliesseigenschaften und wurde durch die Flamme nicht nachteilig beeinflusst.
Beispiel 11
Es wurde ein Quarz auf Quarz Schmelzverbindung hergestellt, durch Verbindung von 2 Quarzstäben von 6 mm Durchmesser, mit einem pulverisierten Bindeglas, bestehend aus 75 Mol% SiO2, 10 Mol% Al203, 2,5 Mol% Cu2O und 2,5 Mol% Je203. Das pulverisierte Glas hatte eine Korngrösse von 0,15 mm und war mit Wasser zu einer Paste aufgeschlämmt. Die Schichtdicke des Bindeglases zwischen den zwei Stäben betrug 0,5-0,76 mm. Die Schmelzverbindung wurde hergestellt durch Erhitzen während 150 sec, in einem Ofen von 1304" C, in einer Durchflussatmosphäre von 1130 n/h trockenen Stickstoffes. Nach dem Schmelzverbinden der Stäbe aus geschmolzenem Quarz wurde die Schmelzverbindung während 15 min bei 690" C in Luft ausgeglüht.
Die erfolgreiche Schmelzverbindung zeigte eine Spannung von 45,7 T, ausgedrückt in kg/cm2, bestimmt nach konventioneller Polarimetermethode.
Beispiel 12
In diesem Beispiel wurde die Methode aus Beispiel 11 angewendet. Das verwendete Bindeglas bestand aus 77,5 Mol% SiO2, 10,0 Mol% Al203 und 12,5 Mol% Cu2O.
Die Ofentemperatur betrug 1288" C und die Schmelzverbindungszeit 3 min. Die Schmelzverbindung wurde in einer Stickstoffatmosphäre während 15 min bei 633" C ausgeglüht und zeigte eine Spannung von 19 T, ausgedrückt in kg/cm2, nach Bestimmung durch konventionelle labormässige Polarimetermethode.
Beispiel 13
Nach dem Verfahren und unter Verwendung der Glaszusammensetzung aus Beispiel 12, wurden drei weitere Versuche durchgeführt. Die entsprechenden Spannungen der Schmelzverbindungen nach gleicher Bestimmungsmethode lagen bei 28,1; 38,0 und 36,6 T.
Beispiel 14
Die Verfahren der Beispiele 12 und 13 wurden wiederholt mit der Ausnahme, dass das pulverisierte Bindeglas mit einem Nitrozellulose/Amylacetat-Trägermittel vermischt war, und die Ofentemperaturen für diese drei Versuche bei 1288,
1304 und 1293 C lagen. Die Schmelzverbindungen zeigten Spannungen von 30,9; 24,6 und 21,8 T.
Beispiel 15
Die Verfahren aus den Beispielen 12 und 13 wurden wiederholt mit der Ausnahme, dass der Stickstoff der Ofen atmosphäre durch Argon ersetzt wurde und der Ofen eine Temperatur von 1304" C aufwies. Die nach gleicher Methode ermittelten entsprechenden Spannungen lagen bei 47,8; 38,7 und 37,3 T.
Beispiel 16
Es wurde eine Schmelzverbindung von geschmolzenem Quarz auf verschmolzenes Quarz hergestellt durch Anwendung eines pulverisierten Bindeglases, bestehend aus 77 mol% SiO2, 9,25 Mol% Al203, 12,45 Mol% Cu2O und 1,3 Mol% AIF3. Das pulverisierte Glas wurde mit Wasser zu einer feuchten Paste aufgeschlämmt. Die Schicht von Bindeglas zwischen zwei Stäben hatte eine Dicke von 0,5-0,76 mm. Die Schmelzverbindung wurde durch Erhitzen in einem Ofen während 3 min bei 1288 C in trockener Stickstoffatmosphäre mit einem Durchfluss von 1130 I/h hergestellt. Anschliessend wurden die Schmelzverbindungen während 15 min bei 580-600 C ausgeglüht. Die Schmelzverbindung zeigte, nach gleicher Methode gemessen, eine Spannung von 17,6 T.
Beispiel 17
Das Verfahren aus Beispiel 16 wurde unter Verwendung des gleichen Bindeglases durchgeführt. Hier betrug die Schichtdicke zwischen den Stäben 4,9 mm, und das Ausglühen erfolgte während 15 min in einer Stickstoffatmosphäre. Die Schmelzverbindung zeigte, bestimmt nach gleicher Methode, eine Spannung von 24,6 T.
Beispiel 18
Eine Schmelzverbindung von verschmolzenem Quarz auf geschmolzenes Quarz wurde hergestellt durch Verbindung eines Stückes 16 mm O. D. Vycor -Rohr mit einer Quarzplatte von 6 mm Dicke. Eine Perle von Bindeglas aus 77 Mol% Al203, 12,45 Mol% Cu2O und 1,3 Mol% A1F3 von ungefähr 1 mm Durchmesser wurde auf die Kante des Rohrendes aufgetragen und auf einer Carborundscheibe flach geschliffen.
Die Schmelzverbindung wurde unter einer Belastung von 52 g in einem keramischen Röhrenofen bei 1232" C, in einer 25 ,Zoig feuchten Stickstoffatmosphäre, durchgeführt. Die solcherart hergestellte Schmelzverbindung ertrug anschliessendes Schleiffen und es war keine, durch die Schmelzverbindung erzeugte Spannung im Quarz festzustellen.
Die nach den Beispielen hergestellten Schmelzverbindungen wurden nach Standard-Prüfbestimmungen geprüft, um die Resultate der Schmelzverbindungen von geschmolzenem Quarz auf geschmolzenen Quarz vorzuführen. Die in den vorstehenden Beispielen hergestellten Schmelzverbindungen wurden einer Hitzeschock-Prüfung unterzogen. Diese Prüfung umfasst einen aufsteigenden und einen absteigenden Schock.
Die aufsteigende Schockprüfung besteht darin, ein schmelz verbundenes Produkt von 24 C Raumtemperatur schnell in einen auf 260 C aufgeheizten Ofen einzuführen. Die absteigende Schockprüfung besteht darin, ein schmelzverbundenes Produkt aus einem Ofen von 260 C direkt in Eiswasser von 0 C hineinzuwerfen. Diese Prüfung zeigt, ob eine bestimmte Schmelzverbindung befriedigend ist oder ob sie bei Hitzeschock versagt und zeigt sich durch Bruch, Rissbildung, Sprünge oder ähnliches.
Schmelzverbindungen von geschmolzenem Quarz auf geschmolzenem Quarz mit einem Bindeglas, das aus 77,5 Mol% SiO2, 10,0 Mol% Al203 und 12,5 Mol% Cu2O besteht, und solche, in denen dieses Bindeglas mit einem Trägermittel gemischt ist, sowie Bindegläser aus 75,0 Mol% SiO2, 10,0 Mol% Al203, 12,5 Mol% Cu2O und schockprüfungen unterworfen. Diese Bindegläser waren befriedigend und es zeigte sich weder Bruch, Rissbildung Sprünge oder ähnliches. Im weiteren zeigen diese Prüfungen verbindungen. Ein weiterer Hinweis auf die gute Schmelzverbindbarkeit ist leicht ersichtlich aus den Spannungsstudien, welche mit einem Bindeglas aus 77,5 Mol% SiO2, 10,0 Mol% Al203 und 12,5 Mol% Cu2O durchgeführt wurden, wobei die gemessene Spannung zwischen der Schmelzverbindung und dem verschmolzenen Quarz ungefähr 12,7 kg/cm2 betrug.
Geschmolzene Bindegläser können ferner mit festen Bruchstücken von geschmolzenem Quarz gemischt werden, wodurch verschiedene dekorative Wirkungen erzielt werden können.