Метод ионного обмена в поверхностных слоях стеклоизделий применяется сравнительно недавно, но представляется одним из самых радикальных и практически эффективных способов сжатия поверхности и подавления разупрочняющего действия поверхностных дефектов. Основным достоинством метода является его применимость к изделиям сложной формы. Вместе с тем ему свойственны недостатки - длительность обработки изделий и высокая стоимость.
Метод ионного обмена непрерывно совершенствуется. Главным при этом является стремление обеспечить надежность упрочнения за счет создания предельно большого по толщине сжатого слоя на поверхности и максимально интенсифицировать процесс обработки, сократить время контактирования изделия с солевым расплавом, снизить стоимость такого способа упрочнения.
Все это достигается путем корректировки состава стекла, наложения электрического и ультразвукового полей, создания специальных устройств для обработки изделий, введением в состав ванны расплавленных солей специальных добавок, регенерацией дорогостоящих солей и т. п.
Вместе с тем существуют такие способы ионообменной обработки стекла, которые легко могут использоваться при существующей технологии производства стеклянной тары.
Например, сжатый поверхностный слой на стекле может быть получен при его обработке двухвалентным оловом при температуре, превышающей температуру размягчения, с последующим охлаждением до температуры ниже температуры размягчения и обработкой окислителями - кислородом или нитратом калия.
Обмен ионов натрия, содержащихся в стекле, на ионы лития при одновременной диффузии в стекло алюминия происходит в результате выдержки изделий в течение 10 мин при 620° С в пастообразной массе, полученной из алюминиевого порошка размером частиц менее 10 мкм и расплавленного хлорида лития, и последующего медленного охлаждения и промывания дистиллированной водой.
Обработка стеклянной тары водным раствором нитрата калия, раствором метастанната калия с добавлением фосфата лития или буры, водным раствором карбоната калия является достаточно эффективной.
Обработка производится в процессе изготовления, после формования и перед отжигом, путем нанесения растворов на внешнюю поверхность изделия при температуре, которая выше температуры деформации, по ниже температуры размягчения стекла, с выдержкой 5-30 мин. В результате на изделиях образуется сжатый поверхностный слой толщиной более 15 мкм.
Интенсификация процесса упрочнения достигается при обработке изделий в автоклаве при температуре 200-550°С с выдержкой от нескольких минут до нескольких часов. В автоклаве содержится водный раствор солей щелочного металла сильных кислот - азотной, серной, соляной, фосфорной - и поддерживается давление 1,4-10,2 МПа.
Значительно ускоряется ионообменная обработка стеклянной тары в паровой фазе. Например, стеклянную тару, нагретую до температуры на 25-95° С выше верхней температуры отжига, обрабатывают парами хлорида, бромида или йодида меди до тех пор, пока поверхностный слой не будет насыщен ионами меди в количестве 0,1-7%, затем изделия охлаждают в окислительной или нейтральной среде. В результате такой обработки янтарные бутылочные стекла меняют свой цвет на красный (из-за замещения щелочных ионов стекла ионами меди), насыщенный поверхностный слой имеет меньший коэффициент термического расширения, благодаря чему в нем возникают напряжения сжатия и прочность изделия повышается.
Интересны способы создания ионообменного сжатого слоя в стеклоизделиях при их обработке ионизированным газом или газами типа фреона. В последнем случае газы подают непосредственно на стеклоформующую машину вместе со сжатым воздухом в формуемое изделие при концентрации фреона 2,5%. При этом происходит замещение ионов кислорода или ОН-групп одновалентными ионами фтора.
Способ ионообменной обработки раствором солей калия внешней и внутренней поверхностей бутылок. Упрочненная таким способом бутылка вместимостью 1 л обладает прочностью 1960 кПа при толщине стенки 2 мм, тогда как неупрочненные бутылки той же вместимости имеют прочность 686 кПа при толщине стенки 4 мм. Для бутылок, подвергнутых ионообменной обработке, характерна и более высокая термостойкость. По данным фирмы, стоимость обычных и упрочненных бутылок одинаковая.
Бутылки с упрочненным ионообменным слоем изготовляют некоторые зарубежные заводы.
В нашей стране достигнуты положительные результаты при упрочнении ряда промышленных стекол методом ионного обмена.