DE19948655C1 - Verfahren zur schnellen Herstellung von Glas- und Glaskeramikplatten mit erhöhter thermischer Beständigkeit - Google Patents

Abstract

In einem bisherigen Verfahren zur Herstellung von Glas- oder Glaskeramikplatten mit hoher Beständigkeit gegenüber Brüchen infolge ungleichmäßiger Beheizung wurden durch teilbereichsweises Zonentempern in herkömmlichen Temperöfen einesteils Bereiche struktureller Verdichtung und andernteils Druckspannungen induziert, die den sich bei ungleichmäßiger Beheizung aufbauenden Druck- und Zugspannungen jeweils entgegenwirken. Ein derartiges Verfahren zieht sich typischerweise über mehr als zwei Tage hin. Es soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, mit welchem sich der zeitliche Aufwand für das erforderliche Zonentempern auf wenige Stunden reduzieren läßt. DOLLAR A Die Glas- oder Glaskeramikplatten werden einer Mikrowellenbestrahlung mit einer Bestrahlungsstärke im Bereich von 2,5 bis 75 kW/m·2· derart unterzogen, daß der bei der bestimmungsgemäßen Verwendung durch Zugspannungen bruchgefährdete Flächenbereich einer material-angepaßt geringen Temperatur ausgesetzt wird als der restliche Flächenbereich. DOLLAR A Verfahren zur schnelleren Herstellung von gegen Bruch bei ungleichmäßiger Beheizung beständigen Glas- oder Glaskeramikplatten.

Description

Bei ungleichmäßiger Beheizung über die Fläche von ebenen oder gebogenen Glas- oder Glaskeramikplatten entstehen mechanische Spannungen in Form von Druck- oder Zugspannungen. Die Höhe dieser Spannungen hängt ab von der Temperaturverteilung auf der Platte und von physikalischen Material­ eigenschaften, wie z. B. dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, dem Elastizitätsmodul, der Wärmeleitfähigkeit u. dergl. Übersteigen die Zug- oder Druckspannungen die durch die Festigkeit der Platte festgelegten höchst­ zulässigen Grenzen, kommt es zum Bruch der Platte.

Derartige Platten aus Glas- oder Glaskeramik mit ungleichmäßig beheizten Bereichen kommen z. B. als Herdkochflächen (Elektro-, Gas-, Induktions- und Festbrennstoffherde), Grillflächen, Lampenabdeckungen, Abdeckungen von Heizkörpern usw. zur Anwendung.

Weisen die Glas- oder Glaskeramikplatten einen positiven thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, was meistens der Fall ist, dann tritt beim bestimmungsgemäßen Einsatz in den an die aufgeheizten Bereiche dann angrenzenden kälteren Randbereichen eine Zugspannung auf, wodurch diese bruchgefährdet sind. Darüber hinaus weist, bedingt durch die maschinelle Bearbeitung der Kante, der Randbereich einer Platte ohnedies eine geringere Festigkeit auf. Die Bruchgefährdung durch die auftretenden Zugspannungen, insbesondere in den minder festen Randbereichen hat zur Folge, daß bestimmte Materialien von einigen der oben angeführten Anwendungs­ möglichkeiten ausgeschlossen oder nur für einen relativ eng begrenzten Tem­ peraturbereich einsetzbar sind.

Weiterhin besteht gerade im minder festen Randbereich einer Glas- oder Glaskeramikplatte eine Bruchgefährdung auch durch mechanisch erzeugte Zugspannungen, wie sie z. B. bei Biegebelastungen der Glas- oder Glas­ keramikplatte entstehen. Dies macht entweder einen besonders sorgsamen Umgang mit der Platte erforderlich oder aber eine aufwendigere maschinelle Bearbeitung dieser ansonsten minder festen Randbereiche.

Zur Überwindung dieser Nachteile wurde in der Deutschen Patentanmeldung 198 05 907 ein Verfahren beschrieben, in welchem die Glas- oder Glas­ keramikplatten nach Abschreckung einem Zonentempern mit einem defi­ nierten Temperatur-Zeit-Programm unterworfen wurden, wobei die Platten in zwei Zonen aufgeteilt waren, in welchen bei jeweils unterschiedlicher Tem­ peratur getempert wurde. Dabei wurde in den Plattenteilen, in denen im Falle ungleichmäßiger Beheizung bruchrelevante Zugspannungen auftreten kön­ nen, eine Festigkeitssteigerung über eine strukturelle Verdichtung erzielt. Das Tempern erfolgte in homogen beheizten Öfen, in welchen zur Erzeugung der unterschiedlichen Temperaturen zonenbereichsweise zusätzliche, separat regelbare Heizelemente angeordnet waren. Ein entscheidender Nachteil dieses Verfahrens bestand jedoch darin, daß die für ein solches Zonentempern erforderliche Dauer sich typischerweise über mehr als zwei Tage hinzog.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem der zeitliche Aufwand für das Tempern von Glas- oder Glaskeramikplatten zum Zwecke der Festigkeitssteigerung infolge von struk­ tureller Verdichtung in bruchrelevanten Teilbereichen auf wenige Stunden reduziert werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, daß anstelle der Verwendung eines konventionellen Temperofens die Glas- oder Glaskeramikplatten einer Mikrowellenbestrahlung, vorzugsweise mit Frequenzen ≧ 0,8 GHz unterzogen werden, wobei die bei der bestimmungsgemäßen Verwendung durch Zug­ spannungen gefährdeten flächigen Teilbereiche durch die Mikrowellenstrah­ lung nur so weit aufgeheizt werden, daß die Temperatur dieser minder aufgeheizten Teilbereiche gegenüber dem restlichen, maximal aufgeheizten Teilbereich um einen materialangepaßten Betrag abgesenkt ist.

Es hat sich gezeigt, daß durch MW-Bestrahlung bzw. MW-Tempern der Zonen, welche beim späteren bestimmungsgemäßen Einsatz höher erhitzt werden (im Falle einer Herdplatte die Heizzonen), sich in diesen Zonen eine Zugspannung und entsprechend in den angrenzenden, bestimmungsgemäß nicht für eine Erwärmung vorgesehenen Zonen, eine Druckspannung dauerhaft einprägen ließ. Überraschenderweise betragen die Prozeßzeiten für dieses Mikrowellen- Tempern typischerweise weniger als 5 Stunden. Die Bestrahlungsstärke des hierfür benötigten Mikrowellengenerators liegt in Abhängigkeit von der Dicke und Art des zu tempernden Teilbereichs der Glas- bzw. Glaskeramikplatte im Bereich von 2,5-75 kWm^-2. Für Glas- oder Glaskeramikplatten mit einer Dicke von typischerweise 4 mm liegt die Generatorleistung pro Fläche (spezifische Ausstrahlung) vorzugsweise im Bereich von 15-30 kWm^-2. Ein bevorzugter Bereich für die Bestrahlungsstärke bei Glaskeramikplatten liegt zwischen 17,5 und 20 kWm^-2 und bei Platten aus Boroslikatglas zwischen 20 und 25 kWm^-2. Weiterhin war überraschend, daß eine vergleichbare Festigkeitssteigerung auch mit deutlich verringerten Prozeßtemperaturen im gleichen Zeitraum erreicht werden kann.

Vor dem eigentlichen Zonentempern muß die Glas- oder Glaskeramikplatte zunächst abgeschreckt werden, sofern sie dies nicht bereits ist. Zum Abschrecken wird die betreffende Platte auf eine Temperatur größer oder gleich der Transformationstemperatur T_g ihres Materials gebracht und sodann schnell auf eine Temperatur unterhalb T_g abgekühlt. Je größer die Abkühl­ geschwindigkeit (Temperaturerniedrigung pro Zeit), umso besser ist das Er­ gebnis. Das Abschrecken der Glas- oder Glaskeramikplatten erfolgt wie in der deutschen Anmeldung 198 05 907 beschrieben, auf welche hiermit Bezug ge­ nommen wird.

Die einzige Anforderung an das für die Glas- oder Glaskeramikplatte verwendete Material besteht darin, daß es "kompaktionsfähig" sein muß, d. h. es muß sich die zu Beginn des Abschreckvorgangs material-spezifisch vorlie­ gende zunächst großvolumige Glasstruktur durch einen Abschreckvorgang "einfrieren" lassen, die sich dann bei einem späteren Tempern resp. Zonen­ tempern (inhomogene Temperung) weiter verdichtet ("kompaktiert"). Bekannt­ lich versteht man unter Tempern die nachträgliche Wärmebehandlung von Glaserzeugnissen mit dem Ziel der Modifizierung der Werkstoff und/oder Er­ zeugnisparameter.

Die teilbereichsweise Mikrowellenexposition einer Glas- oder Glaskeramik­ platte führt dazu, daß sich in den während der Mikrowellenexposition weniger aufgeheizten Teilbereichen eine Druckspannung aufbaut, welche in den dann fertigen Glas- oder Glaskeramikplatten auch aufrechterhalten bleibt. Wird dann der für die Beheizung vorgesehene Bereich beim bestimmungsgemäßen Gebrauch auf Anwendungstemperatur erhitzt, werden die im nicht beheizten Bereich auftretenden thermisch erzeugten Zugspannungen durch die dort "eingefrorenen Druckspannungen" ganz oder teilweise kompensiert, so daß dort keine zu einem Bruch führenden Zugspannungsspitzen mehr auftreten können. Ebenso werden die im Falle von Biegebelastungen der Glas- oder Glaskeramikplatte auftretenden solcherart mechanisch erzeugten Zug­ spannungen im minder festen und daher bruchgefährdeten Randbereich durch diese "eingefrorene Druckspannung" ganz oder teilweise kompensiert, so daß das Risiko eines Bruches dort entsprechend verringert wird.

Die MW-bestrahlte Zone kann eine einzige zusammenhängende Zone sein oder, wie z. B. bei einer Herdplatte mit mehreren Kochflächen, aus mehreren über die Fläche der Platte verteilten nicht zusammenhängenden Teilzonen bestehen. Vorzugsweise wird die MW-induzierte Temperatur in der bestrahl­ ten Zone des Substrats mittels im Stand der Technik bekannter Temperatur­ fühler konstant gehalten.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele näher erläutert. Prinzipiell ist die Leistung des MW-Generators innerhalb der oben angegebenen Grenzen variabel.

Beispiel 1

Eine 4 mm dicke Glasplatte (SCHOTT Borosilikatglas "Borofloat 40") wird teilbereichsweise einer MW-Strahlung ausgesetzt.

Die Glasplatte wurde zunächst abgeschreckt, indem sie zuerst auf eine Temperatur von 700°C erwärmt und sodann mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100 K/min auf unter 400°C heruntergekühlt wurde.

Die teilbereichsweise MW-Bestrahlung erfolgte bei einer Leistung von 450 W, bezogen auf eine Scheibenfläche von 200 cm² und mit einer Frequenz von ν = 2,45 GHz. Bereits nach einer MW-Temperzeit von 1 Stunde wurde im Rand­ bereich eine eingeprägte Druckspannung in Höhe von 15 MPa erhalten.

Diese Druckspannung kann der im Außenbereich beim bestimmungsge­ mäßen Einsatz der Glasplatte hervorgerufenen Zugspannung entgegenwirken. Die zulässige Höchsttemperatur für die getemperte Platte lag bei 155°C, die für die nicht getemperte Glasplatte jedoch nur bei 93°C.

Beispiel 2

Eine 4 mm dicke Glaskeramikplatte (Ceran, SCHOTT-Code 8577) wurde einer Mikrowellenbestrahlung ausgesetzt.

Die Glaskeramikplatte wurde zunächst abgeschreckt, indem sie zunächst auf eine Temperatur von 850°C erwärmt und sodann mit einer Abkühlge­ schwindigkeit von mindestens 100 K/min auf unter 700°C heruntergekühlt wurde. (Der Abschreckprozess entfällt, wenn die Platte aus einem konventionellen Herstellungsverfahren bereits in abgeschrecktem Zustand vorliegt).

Da bei der fertigen Glaskeramikplatte der Randbereich gegenüber mechanisch erzeugten Zugspannungen geschützt werden soll, wurde die Glaskeramik­ platte von einem Mikrowellengenerator mit einer Bestrahlungsstärke von 375 W, bezogen auf eine Scheibenfläche von 200 cm² und einer Frequenz ν = 2,45 GHz bestrahlt, wobei der mittlere, der Schutzmaßnahme nicht unterzogene Bereich auf einer Temperatur von ca. 700°C gehalten wurde, während der zu schützende Randbereich auf einer geringeren Temperatur von ca. 400°C ge­ halten wurde.

Nach 4 Stunden wurde im Randbereich eine eingeprägte Druckspannung in Höhe von 15 MPa erhalten. Während der Dauer der Bestrahlung wurden die Temperaturen mittels eines herkömmlichen Temperaturmeßgerätes über­ wacht.

Wird diese Platte nun als Kochfläche vor, während oder nach ihrem Einbau in ein Kochfeld mechanisch erzeugten Biegebelastungen ausgesetzt, so werden die im weniger festen Randbereich hervorgerufenen Zugspannungen um eben den Betrag der "eingefrorenen Druckspannung" reduziert. Daher lassen sich die einer solchen teilbereichsspezifischen Temperung unterworfenen Glas­ keramikplatten wesentlich höheren mechanischen Belastungen aussetzen als dies für nicht getemperte Glaskeramikplatten möglich ist.

Beispiel 3

Dieselbe Glaskeramikplatte wie in Beispiel 2 wurde unter denselben Prozeß­ bedingungen einer MW-Strahlung ausgesetzt, mit der Ausnahme, daß wäh­ rend der gesamten Dauer der Bestrahlung eine um 140°C niedrigere Prozeß­ temperatur im bestrahlten Teilbereich aufrechterhalten wurde.

Auch hierbei wurde eine eingeprägte Druckspannung in Höhe von 15 MPa nach 4 Stunden erhalten.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Glas- oder Glaskeramikplatten mit hoher Beständigkeit gegenüber Brüchen infolge ungleichmäßiger Beheizung und/oder mechanischer Verformung, wobei die Glas- oder Glaskeramikplatten nach dem Abschrecken einer inhomogenen Tem­ perung unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Glas- oder Glaskeramikplatten einer Mikrowellenbestrahlung mit einer Bestrah­ lungsstärke im Bereich von 2,5 bis 75 kW/m² derart unterzogen wer­ den, daß der bei der bestimmungsgemäßen Verwendung durch Zug­ spannungen bruchgefährdete Flächenbereich einer materialangepaßt geringeren Temperatur ausgesetzt wird als der restliche Flächenbereich.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenstrahlung eine Frequenz ≧ 0,8 Gigahertz aufweist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer für die MW-Bestrahlung weniger als 5 Stunden beträgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Dicke der Glas- oder Glaskeramikplatten von 4 mm die MW- Bestrahlungsstärke im Bereich von 15-30 kWm^-2 liegt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Glaskeramikplatte ist und die Bestrahlungsstärke im Bereich von 17,5-20 kWm^-2 liegt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Platte aus Borosilicatglas ist und die Bestrahlungs­ stärke im Bereich von 20-25 kWm^-2 liegt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der MW-Bestrahlung bis zu einer eingeprägten Druck­ spannung von 15 MPa aufrechterhalten wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die MW-Frequenz 2,45 GHz beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der MW-Bestrahlung die MW-induzierten Temperaturen in den bestrahlten Bereichen des Substrats konstant gehalten werden.