DE2425262A1

DE2425262A1 - Verfahren zur herstellung von gegenstaenden aus amorphem quarzglas

Info

Publication number: DE2425262A1
Application number: DE19742425262
Authority: DE
Inventors: Walter George Barber; Walter Wendell Combs; Ted Albert Loyley; John Mason Webb
Original assignee: Sherwood Refractories Inc
Current assignee: Sherwood Refractories Inc
Priority date: 1971-04-19
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1974-12-19
Also published as: GB1384319A; GB1460829A; US3837825A

Description

Dr. Ing. Walter Abitz
Dr. Dieter F. Morf
Dr. Hans-A. Brauns

8 München Gq, f-i.-.r.v:c,isuc:3tr. 28

24. Mai I974 I625

SHERWOOD REFRACTORIES, INC.

I66OI Euclid Avenue, East Cleveland, Ohio, V.St.A,

Zusatz zu P 22 l8 766. 2

Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus.amorphem Quarzglas

Die vorliegende Anmeldung stellt eine Zusätzanmeldung zur deutschen Patentanmeldung P 22 18 766 dar, · in welcher ein Verfahren zur Herstellung von Schmelztiegeln aus hochdichtem amorphem Quarz sowie anderen Präzisionsgegenständen aus amorphem Quarz in kostengünstiger, einfacher Weise, ausgehend von Teilchen aus im wesentlichen reinem, geschmolzenem Quarz oder amorphem Siliciumdioxyd beschrieben ist.

Die Schmelztiegel oder andere Gegenstände werden in die gewünschte Gröss-e und Form gebracht, und zwar durch Schlickerguss oder Pressen von feinverteilten, amorphen Quarzteilchen, welche mindestens 99*95 % und vorzugsweise mindestens 99*97 % Quarz enthalten, und eine durchschnittliche Teilchengrösse nicht über 70 Mikron und vorzugsweise von 1 bis 10 Mikron aufweisen. Nach dem Formen werden die Teile in einem Ofen während mindestens einer Stunde und gewöhnlich nicht langer

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als zwei Stunden bei einer Temperatur gebrannt, welche nicht höher als 1200° C (2200° F) ist, um Brennstoffe zu beseitigen und dem Gegenstand eine grössere Festigkeit zu erteilen oder einen teilweisen Sintervorgang zu bewirken. Die Verwendung einer Temperatur unterhalb von 1200° C ermöglicht es, die Erhitzung während einer erheblichen Zeitspanne aufrechtzuerhalten, ohne dass bezüglich der Bildung von Cristobalit ein Problem entsteht, jedoch war es üblich, die Zeitdauer aus Kostengründen auf nicht mehr als 1 bis 2 Stunden zu begrenzen.

Im Einklang mit der HauptanmeIdung P 22 18 766 wird der starre Formkörper, welcher aus einem dünnwandigen, becherförmigen Schmelztiegel mit einer Wandstärke bis zu 7,6 mm bestehen kann und welcher üblicherweise durch Schlickerguss gebildet wird, schnell von einer unterhalb 1200° C (2200° F) liegenden Temperatur auf eine hohe Sintertemperatur, wie beispielsweise I620⁰ C (295Ο⁰ F) oder darüber erhitzt, und zwar vorzugsweise in einem Bereich zwischen I650⁰ C bis 1730° C (3000° F bis 3150⁰F), wobei die Erhitzungszeit kleiner als 2 Minuten ist und vorzugsweise 1 Minute oder weniger beträgt. Der Formkörper wird auf einer innerhalb des genannten Bereichs liegenden Temperatur während mindestens 1 Minute und vorzugsweise während nicht mehr als. 6 Minuten gehalten, um ein Verschmelzen der Teilchen zu erzielen, während eingeschlossene Gase freigegeben und eine merkliche Entglasung verhindert wird, so dass ein fertiger gesinterter Gegenstand mit einer Dichte von mindestens 99 % und vorzugsweise voller Dichte erhalten wird, während die Grosse und Form des Gegenstandes beibehalten wird. Der Gegenstand besteht vorzugsweise aus einem Behälter oder becherförmigen Formkörper und wird vorzugsweise an einer erhitzten Graphithalterung oder einem Dorn in einem Induktionsofen während des Sintervorgangs gehalten, welcher vorzugsweise in Vakuum oder in einer Heliumatmosphäre erfolgt, bis das Glas durchsichtig ist, wobei die maximale Glastemperatur vorzugsweise nicht grosser als 1770° C (3200° F)

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ist. Bei Verwendung von Helium kann das Verfahren zweckmässig bei Atmosphärendruck ausgeführt werden,und die Schmelztiegel und andere Gegenstände können mit niedrigen Kosten in Massenfertigung unter Verwendung automatischer Fertigungsanlagen, beispielsweise gemäss der Hauptpatentanmeldung P 22 18 766, hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung des Verfahrens des Hauptpatentes dar, wodurch die Qualität der Quarzglassehmelztiegel und anderer Gegenstände, die durch das Verfahren hergestellt werden, erheblich verbessert werden, wobei es erstmals möglich wird, in wirtschaftlicher Weise sich der Qualität von Gegenständen aus durchsichtigem, amorphem Quarzglas zu nähern, die durch übliche teure Glasbearbeitungsveffahren hergestellt wurden.

Beim Verfahren der Hauptpatentanmeldung P 22 18 766, auf deren gesamte Offenbarung hiermit Bezug genommen wird, wird der geformte oder durch Schlickerguss hergestellte Schmelztiegel oder ein anderer Gegenstand getrocknet und in üblicher Weise gebrannt oder erhitzt, und zwar für eine merkliche Zeitspanne von beispielsweise 1 bis 2 Stunden und bei einer Temperatur von etwa IO9O bis 1200° C (2000° F bis 2200° F).

Gemäss der vorliegenden Erfindung wurde nun gefunden, dass ein in hohem Masse verbessertes Erzeugnis erhalten wird, wenn das Brennen in einem Ofen unter Hochvakuum erfolgt, und während einer solchen Zeitspanne und in solcher Weise erfolgt, dass das Hydratwasser von den Quarzteilchen entfernt wird. Eine derartige Vakuumtrocknung ist zur Erzielung einer optimalen Qualität wesentlich. Die Vakuumtrocknung kann in unterschiedlicher Weise mit einem verschieden hohen Vakuum erfolgen und wird vorzugsweise bei einem Druck durchgeführt, welcher nicht grosser als 20 mm Hg ist, während die Temperatur

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1200° C (2200° F) nicht überschreitet.

Das bevorzugte Verfahren besteht darin, den durch Schlickerguss oder Pressen hergestellten Schmelztiegel oder einen anderen aus geschmolzenem Quarz gebildeten Gegenstand in einem Vakuumof en bei einem Druck zwischen 0,5 his 10 mm Hg und bei hoher Temperatur^ "beispielsweise zwischen 1090 bis 1200° C (2000° F bis 2200 F), zu brennen oder zu sintern, und zwar eine Zeitspanne, welche ausreicht, dass im wesentlichen das gesamte Wasser entfernt wird, einschliesslich des Hydratwassers an den Quarzteilchen. Die Vakuumtrocknung erfolgt, bevor der Gegenstand auf seine volle Dichte gesintert ist. Das angewandte Vakuum sollte derart ausgewählt werden, dass das amorphe Quarzglas des fertigen Schmelztiegels oder eines anderen Gegenstandes einen ß-OH-Faktor der Ultrarotabsorption, gemessen an einem Ultrarotspektrat-Photometer, unter 0,04 und vorzugsweise unter 0,01 bei einer Wellenlänge von näherungsweise 3»5 Mikron (beispielsweise zwischen etwa 0,001 bis etwa 0,006) aufweist. Der vorausgehend beschriebene Vakuumtrockenvorgang ermöglicht es, ein durchsichtiges Glas mit hoher Viscosität und hohem Widerstand gegen Entglasung zu erhalten, welcher sich dem Quarzglas annähert, das durch ein Glasbearbeitungsverfahren erhalten wurde.

Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn amorphe Quarzteilchen von sehr hoher Reinheit verwendet werden. Die Teilchen von geschmolzenem Quarz, die bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden, weisen vorzugsweise eine Reinheit von mindestens 99»99 % auf. Eine etwas geringere Reinheit kann ausreichen, wenn die Verunreinigung aus einer Quarzverbindung, beispielsweise einem Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid besteht.

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Das erfindungsgemässe Verfahren eignat sich vorzüglich zur Erzeugung von durchsichtigem Präzisionsquarzglas von hoher Qualität in vielen unterschiedlichen Grossen und Formen, und es ist offensichtlich, dass verschiedene Verfahren zum Formen des Gegenstandes verwendet werden können. Gemäss dem verbesserten erfindungsgemässen Verfahren wird die Formfläche der Form aus einem Material hergestellt oder mit einem Material beschichtet, welches die Verunreinigung des Endproduktes so gering wie möglich hält, wobei insbesondere metallisches Silicium oder Silicium enthaltende Verbindungen verwendet werden, welche im. Endprodukt nicht störend in Erscheinung treten, wie etwa Siliciumcarbid, Siliciumnitrid (SiJi^) oder Siliciumdioxid

Kann beispielsweise der Gegenstand durch Pressen bei einem Druck zwischen 7030 bis 35 150 at (10 000 bis 50 000 pounds per square inch) erhalten werden, so können die aus Stahl bestehenden Formflächen mit einem Überzug aus einem Material . hoher Reinheit beschichtet sein, welches, aus metallischem Silicium, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumdioxid und Mischungen dieser Materialien bestehen kann. Die Formfläche ist vorzugsweise auf die gewünschte Form mit engen Toleranzen bearbeitet und besitzt eine sehr glatte Oberfläche, die vorzugsweise keine Poren von mehr als 10 Mikron Durchmesser aufweist. Die glatte Formfläche.ist besonders wichtig, wenn durchsieht fee Quarzglaserzeugnisse hergestellt werden, da eine rauhe Oberfläche am Endprodukt die Transparenz durch Störung der Lichttransmission verringert und dem Glas ein unreines Aussehen verleiht.

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Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders gut zur Herstellung von dünnwandigen Gegenständen, wie beispielsweise Schmelztiegeln, Verdampferschalen und Glasrohren, es ist jedoch auch vorteilhaft bei der Herstellung von Bechern, Glaskolben, WärmeSchilden, Konusverbindungen, Säurebehältern, fieaktionsgef äs sen und verschiedenen anderen Gegenständen, insbesondere Quarzglasgegenständen für die chemische oder Halbleiterindustrie .

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Claims

- 24. Mai 19#425262

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus amorphem Quarz, gemäss der Patentanmeldung P 22 18 766. 2, nach welchem feinverteilte Teilchen aus geschmolzenem Quarz hoher Reinheit zur Herstellung eines geschmolzenen Quarzgegenstands bestimmter Grosse und Form verwendet werden, wobei der geformte Gegenstand während mindestens einer Stunde bei einer nicht Über 1200° C (2200° F) liegenden Temperatur gebrannt wird, um Brennstoffe zu beseitigen und eine teilweise Sinterung zu bewirken, der starre geformte Gegenstand an einer Halterung angeordnet wird, die der Oberfläche des Gegenstands angepasst ist, der auf der Halterung befindliche Gegenstand schnell auf eine Sintertemperatur im Bereich zwischen etwa I650⁰ C bis etwa 1750° C (3000° F bis 3150⁰ F) erhitzt wird, und der an der Halterung befindliche Gegenstand bei einer Temperatur im genannten Temperaturbereich im Vakuum oder in einer Heliumatmosphäre während mindestens 1 Minute verbleibt, um die Teilehen zu verschmelzen und eingeschlossene Gase zu entfernen, um einen fertigen gesinterten Gegenstand mit einer Dichte von mindestens 99 % zu. erhalten, während die Grosse und Form des Gegenstandes beibehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennen des geformten Gegenstandes bei einer nicht über 1200° C (2200° F) liegenden Temperatur unter Unterdruck während einer solchen Zeitspanne erfolgt, dass das Hydratwasser an den Quarzteilchen entfernt wird und dass der fertige gesinterte Gegenstand einen ß-OH-Faktor der Ultrarotabsorption, gemes sen an einem Ultrarot-Spektralphotometer, unterhalb 0,04

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ORiGINAL INSPECTED

bei einer Wellenlänge von 2,5 Mikron aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gemäss welchem der Gegenstand durch Schlickerguss in einer porösen Form hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennen des Gegenstandes in einem Ofen bei einem nicht Über 20 mm Hg liegenden Druck erfolgt, und dass der ß-OH-Faktor der Ultrarotabsorption im fertigen gesinterten Gegenstand nicht grosser als 0,01 ist.
;S. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen des Gegenstandes in einer Form vorgenommen wird, deren Formfläche aus Silicium oder einer Silicium enthaltenden Verbindung besteht.
4. Verfahren nach Anspruch ~$, dadurch gekennzeichnet, dass die Form aus Siliciumdioxyd besteilt.

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