DE19906521C2

DE19906521C2 - Sprödbrüchiger Formkörper, zusammengefügt aus Glasteilen aus Hartglas und/oder Glaskeramik-Teilen und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19906521C2
Application number: DE19906521A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Beier; Ulrike Beer; Roland Schnabel; Evelin Weiss; Stefan Hubert; Patrik Schober; Rainer Liebald
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2019-02-18
Also published as: US6698242B1; FR2789674A1; DE19906521A1; FR2789674B1

Description

Die Erfindung betrifft einen sprödbrüchigen Formkörper, zusammengefügt aus Glas- und/oder Glaskeramik-Teilen, bestehend aus einer Glaskeramik mit entsprechend geringem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten als Fügepartner mittels eines Fügematerials.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines sprödbrüchigen Formkörpers, zusammengefügt aus Glas-Teilen aus Hartglas und/oder Glaskeramik Teilen, bestehend aus einer Glaskeramik mit entsprechend geringem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten, als Fügepartner mittels eines Fügematerials.

Es ist bekannt, Glas Teile als Fügepartner mittels anorganischen Klebern und Silikonen als Fügematerial durch Verkleben zu einem Formkörper zu fügen. Bei Glaskeramik Teilen als Fügepartner, die bekanntermaßen einen sehr geringen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten haben, versagen jedoch meist diese anorganischen Kleber, da diese gegenüber der Glaskeramik einen stark abweichenden thermischen Längenausdehnungskoeffizient haben.

Dabei geht es allein um die Verbindung von Fügepartner und Fügematerial, die im Ausgangszustand kalt sind, d. h. die Fügepartner können entkoppelt von ihrem Formgebungsprozeß zeitlich danach unter alleiniger örtlicher Erwärmung des Fügematerials miteinander verbunden werden.

Zum Fügen von derartigen Glaskeramik Teilen zu einem Formkörper, insbesondere zu abgesenkten Kochflächen, ist es daher bekannt, als Fügematerial Silikonkleber zu verwenden, die für eine Klebeverbindung zwischen den Fügepartnern sorgen.

Silikonkleber haben allerdings die Eigenschaft, daß sie nur bis maximal 300°C hitzebeständig sind und somit nicht für beheizte Bereiche in Frage kommen. Außerdem können sich solche Kleber unter Druck, Wärme und Feuchteeinwirkung auflösen, so daß speziell beim Kochen auf bzw. in abgesenkten Glaskeramik-Kochflächen eine dauerhafte Fügung bzw. Dichtigkeit nicht gewährleistet ist.

Ein weiterer Nachteil ist, daß die Klebefugen nicht sehr widerstandsfähig gegen abrasive Stoffe, wie sie beispielsweise in Reinigungsmitteln vorkommen, oder gegen mechanische Belastungen beim Kochvorgang (Rühren, Schaben . .) sind.

Weiterhin können Silikonkleber zwar lebensmittelbeständig im Sinne der Lebensmittelgesetze sein, jedoch ergibt sich immer ein psychologisches Problem beim Benutzer, wenn er seine Speisen sozusagen auch auf einer "Gummidichtung" zubereiten soll, weil er zumindest geschmackliche Beeinträchtigungen fürchtet.

Es ist ferner bekannt, Glas-Teile mit einem hohen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten als Fügepartner mittels Löten zu einem Formkörper zusammenzufügen. Dabei wird niedrigschmelzendes Glaslot als Fügematerial zwischen die zu fügenden Flächen der Glasteile gebracht und in einem Ofen erhitzt, bis dieses aufschmilzt. Beim Erstarren des Glaslots entsteht die feste Füge-Verbindung. Allerdings kommt diese Verbindungstechnik, wegen der extrem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen normalem Glas und Glaskeramik sowie wegen der Sprödigkeit des Glaslotes zum Fügen von Glaskeramik- bzw. Hartglas-Formkörpern nicht in Frage.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine mechanisch und thermisch ausreichend stabile Fügeverbindung zwischen Glasteilen aus Hartglas und/oder Glaskeramik Teilen; d. h. zwischen den Materialien Glaskeramik und Glaskeramik, aber auch zwischen Glaskeramik und Hartglas bzw. Hartglas und Hartglas zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt für den eingangs bezeichneten sprödbrüchigen Formkörper, zusammengefügt aus Glasteilen aus Hartglas und/oder Glaskeramik Teilen, bestehend aus einer Glaskeramik mit entsprechend geringem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten als Fügepartner mittels eines Fügepartners, gemäß der Erfindung dadurch, daß das Fügematerial ein metallischer, duktiler Werkstoff ist, der, induktiv aufgeschmolzen, die jeweiligen Hartglas- bzw. Glaskeramikteile gut haftend miteinander verbindet.

Hinsichtlich des eingangs bezeichneten Verfahrens zum Herstellen eines sprödbrüchigen Formkörpers, zusammengefügt aus Glas Teilen aus Hartglas und/oder Glaskeramik Teilen, bestehend aus einer Glaskeramik mit entsprechend geringem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten als Fügepartner mittels eines Fügematerials, gelingt die Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß mit den Schritten:

- Einbringen der Fügepartner mit dem zwischen ihnen angeordneten Fügematerial in Form eines metallischen, duktilen Werkstoffes in ein hochfrequentes Wechselfeld
- Induktives Aufschmelzen des metallischen duktilen Werkstoffes
- Anpressen der Fügepartner für eine vorgegebene Zeit mit einem vorgegebenen Druck unter Ausbildung einer gut haftenden Verbindung zwischen den Fügepartnern, und
- temperiertes Abkühlen des zusammengefügten Formkörpers.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erhält man eine Fügenaht, die widerstandsfähig gegen mechanische Belastungen und temperaturbeständig ist.

Da das Fügematerial ein duktiler Werkstoff ist, d. h. gut dehn-, streck- und verformbar ist, können auch bei Erwärmung auftretende unterschiedliche Ausdehnungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Längenausdehnungskoeffizienten der Fügepartner vom Fügematerial aufgefangen werden.

Durch die erfindungsgemäße Fügetechnik können sehr komplexe Formen von sprödbrüchigen Formkörpern realisiert werden, die durch übliche Formgebungsverfahren von Hartglas oder Glaskeramik nicht möglich sind.

Die DE-AS 21 09 902 beschreibt das Verschweißen eines Glasteiles mit einem Aluminiumteil unter Erwärmung der Fügepartner mittels einer Widerstandheizung, wobei bereits schon vor der Erwärmung ein sehr hoher Verschweißdruck aufgebracht wird. Gemäß der Erfindung erfolgt die Erwärmung jedoch induktiv. Dadurch wird die Wärme nur örtlich eingebracht, d. h. in der Fügenaht, so daß spezifisch das metallische Fügematerial erwärmt wird und nur im geringen Maße das Hartglas oder die Glaskeramik durch Wärmeleitung. In der vorgenannten Schrift wird eine Widerstandsheizung benutzt, bei der eine Spule um das zu schweißende Teil herum erhitzt wird, die ihre Wärme an die erwähnte Wandung und die Frontplatte durch Wärmestrahlung abgibt. Der Vorgang der Erwärmung ist daher ein völlig anderer. Das Glasteil wird dabei vollständig durch die Wandung und die Frontplatte erhitzt, ohne eine örtliche Begrenzung zu gewährleisten.

Die AT 384 605 betrifft zwar das Fügen von Glasteilen zu Verglasungsscheiben mittels eines wärmeaktivierbaren Bindemittels, das durch eine induktive Heizung aktiviert wird, jedoch handelt es sich im bekannten Fall nicht um Hartglas- bzw. Glaskeramikteile und auch nicht um einen duktilen Werkstoff als Fügematerial. Diese Schrift spricht konkret von Lötmitteln, wärmeaktivierbaren Klebstoffen und härtbaren elastomeren Massen. Die so ausgebildeten Fugeverbindungen sind jedoch thermisch nicht ausreichend belastbar. Sie eignen sich daher nur für Glasscheiben zum Verglasen von Öffnungen, die nur wetterbedingten geringen Temperaturschwankungen bei einem relativ niedrigen Temperaturbereich ausgesetzt sind, nicht jedoch für Formkörper zusammengesetzt aus Hartglas bzw. Glaskeramikteilen, die relativ hohen Temperaturen, z. B. Kochtemperatur, und großen Temperaturdifferenzen ausgesetzt sind.

Ferner sind durch die FR-PS 2 340 282 Fügeverfahren für Glasteile, auch für Pyrex-Hartglasteile, unter Verwendung von Metall in Form von nichtrostendem Material als Zwischenlage, das induktiv erhitzt wird, bekannt geworden. Bei diesen bekannten Fügeverfahren ist das Fügematerial kein duktiler Werkstoff und wird auch nicht durch die induktive Erwärmung aufgeschmolzen. Es entsteht dadurch nicht eine Fügenaht wie im Fall der Erfindung, die sehr widerstandsfähig gegen mechanische Belastungen und temperaturbeständig ist, sowie die bei thermischer Beanspruchung unterschiedliche Ausdehnungen der Fügepartner auffangen kann.

Als metallische, duktile Werkstoffe kommen gemäß Ausgestaltungen der Erfindung insbesondere Silber, Kupfer oder Aluminium oder Legierungen derselben in Betracht.

Benutzt man Silber oder eine Legierung davon als Fügematerial, erhält man speziell für die Anwendung bei gefügten Glaskeramik-Kochflächen, auf welchen direkt gekocht wird, eine sehr hygienische Fügenaht, da Silber eine antibakterielle Wirkung besitzt. Zwar besitzen in diesem Fall die Fügepartner Glaskeramik und Silber auch sehr voneinander verschiedene Ausehnungskoeffizienten, jedoch werden die bei Erwärmung auftretenden unterschiedlichen Ausdehnungen durch die Duktilität und eine geringe Schichtdicke des Silbers, die im Bereich von 0,1-3 mm liegt, aufgefangen.

Speziell wenn als Fügematerial Aluminium verwendet wird, werden die Fügekanten zumindest teilweise mit einem Glaslot, einer Lotpaste oder mit Glasfluß vorkonditioniert, um eine innige Verbindung zu gewährleisten.

Auch im Fall anderer duktiler Werkstoffe kann sich eine Vorkonditionierung als zweckmäßig zeigen.

Glas Teile als Fügepartner bestehen aus Hartglas. Gemäß der Norm DIN 1259 Teil 1 versteht man darunter ein chemisch resistentes und thermisch beständiges Geräteglas mit hohen Erweichungstemperaturen und einem thermischen Längenausdehnungskoeffizient α < 6.10^-6 K^-1, das sich daher für die erfindungsgemäßen Zwecke besonders gut eignet. Ebenso wird vorzugsweise eine Glaskeramik mit einem entsprechend geringen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten verwendet.

Sprödbrüchige Formkörper, erfindungsgemäß zusammengefügt aus Glasteilen aus Hartglas und/oder Glaskeramik Teilen, sind vorzugsweise abgesenkte Kochflächen, in denen die Speisen direkt zubereitet werden, auch als "cook-in" bezeichnet.

Weitere Beispiele für sprödbrüchige Formkörper, die aus Glasteilen aus Hartglas und/oder Glaskeramikteilen gefügt sind, sind in der deutschen Patentanmeldung 198 56 538.0-16 beschrieben, die hiermit durch Bezugnahme darauf mit zum Offenbarungsumfang der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird.

Zum Nachweis der erfindungsgemäßen Wirkungen und Vorteile wurden zwei Materialpaarungen, bekannt geworden unter den Marken CERAN- HIGHTRANS® und CERAN® COLOR und Silber (Ag) sowie Al (Aluminium) als Fügepartner einem hochfrequenten Wechselfeld mit einer Frequenz von 208 kIIz mit unterschiedlichen Fügezeiten und Anpreßdrücken ausgesetzt, das innerhalb eines Spulenkörpers erzeugt wurde. Dabei wurden die Versuche mit zwei unterschiedlichen Spulen A und B gefahren.

Spule A

drei Windungen, Spulenlänge I = 110 mm, Windungsabstand d = 9 mm

Spule B

eine Windung, Spulenlänge I = 580 mm, Windungsabstand d = 8 mm

Die dabei erzielten Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt:
Dabei beziehen sich die Ausführungsbeispiele 1 bis 4 mit der Spule A auf die Kombination zweier Glaskeramikteile der Marke CERAN-HIGHTRANS® und die Ausführungsbeispiele 5 bis 7 mit der Spule B auf die Kombination zweier Glaskeramikteile der Marke CERAN® COLOR.

Die Ergebnisse zeigen, daß durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die gewünschten Festigkeiten erreichbar sind.

Dies wurde auch durch eine Untersuchung einer weiteren Probe mit zwei Glaskeramikteilen und Aluminium als Fügematerial deutlich.

Für diese Proben, bei denen im Durchschnitt Festigkeiten von 20 MPa, ermittelt im Doppelring-Biegeversuch, erreicht wurden, gelten folgende Parameter:
Spule: A
Fügepartner: CERAN-HIGHTRANS®
Fügematerial: Al
Frequenz: 208 kHz
Fügezeit: 50 s
Druck: 0,4 MPa
Konditionierung: dünne Lotschicht (F-SH 1, Degussa-Lotpaste), jeweils auf die Fügekanten der Glaskeramikteile aufgetragen
Probengröße: zwei mal 50 × 25 mm, so daß das gefügte Teil eine Größe von 50 × 50 mm aufweist.

Die Frequenz von 208 kHz ist nur beispielsweise.

Diese Frequenz liegt, je nach Art der verwendeten Werkstoffe usw. im Bereich von 10 kHz bis 5 MHz, vorzugsweise bei 100-500 kHz.

Claims

1. Sprödbrüchiger Formkörper, zusammengefügt aus Glasteilen aus Hartglas und/oder Glaskeramikteilen, bestehend aus einer Glaskeramik mit entsprechend geringem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten als Fügepartner mittels eines Fügematerials, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügematerial ein metallischer, duktiler Werkstoff ist, der, induktiv aufgeschmolzen, die jeweiligen Hartglas- und/oder Glaskeramikteile gut haftend miteinander verbindet.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der duktile Werkstoff Silber oder eine Legierung desselben ist.

3. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der duktile Werkstoff Kupfer oder eine Legierung desselben ist.

4. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der duktile Werkstoff Aluminium oder eine Legierung desselben ist.

5. Verfahren zum Herstellen eines sprödbrüchigen Formkörpers, zusammengefügt aus Glas Teilen aus Hartglas und/oder Glaskeramik- Teilen, bestehend aus einer Glaskeramik mit entsprechend geringem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten, als Fügepartner mittels eines Fügematerials, mit den Schritten:

- Einbringen der Fügepartner mit dem zwischen ihnen angeordneten Fügematerial in Form eines metallischen, duktilen Werkstoffes in ein hochfrequentes Wechselfeld
- Induktives Aufschmelzen des metallischen duktilen Werkstoffes
- Anpressen der Fügepartner für eine vorgegebene Zeit mit einem vorgegebenen Druck unter Ausbildung einer gut haftenden Verbindung zwischen den Fügepartnern
- temperiertes Abkühlen des zusammengefügten Formkörpers.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als duktiler metallischer Werkstoff Silber oder eine Legierung desselben verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als duktiler metallischer Werkstoff Kupfer oder eine Legierung desselben verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als duktiler metallischer Werkstoff Aluminium oder eine Legierung desselben verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügekanten zumindest teilweise mit einem Glaslot, einer Lotpaste oder einem Glasfluß vorkonditioniert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Wechselfeldes im Bereich von 10 kHz bis 5 MHz, vorzugsweise bei 100-500 kHz liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügezeit abhängig von dem metallischen Werkstoff und der Stärke des hochfrequenten Wechselfeldes im Bereich von 30 bis 900 s und der Anspreßdruck in Bereich von 0,2 bis 0,4 MPa liegt.