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Dokumentenidentifikation DE102004059728A1 22.06.2006
Titel Verfahren zur Herstellung von Glas- oder Glaskeramik und insbesondere Glas- oder Glaskeramik-Artikel
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Nüttgens, Sybill, Dr., 60316 Frankfurt, DE;
Schmidbauer, Wolfgang, Dr., 55126 Mainz, DE;
Dudek, Roland, 55545 Bad Kreuznach, DE;
Schröder, Friedrich Georg, 55218 Ingelheim, DE;
Hahn, Gerhard, 55595 Allenfeld, DE;
Borrmann, Markus, 55129 Mainz, DE;
Götz, Helga, 55262 Heidesheim, DE
Vertreter Blumbach Zinngrebe, 65187 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 11.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004059728
Offenlegungstag 22.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.06.2006
IPC-Hauptklasse C03B 32/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C03B 35/24(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B65G 51/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C03B 32/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Um Glas- oder Glaskeramik-Materialien mit erhöhter Festigkeit bereitzustellen, sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Glas- oder Glaskeramik-Artikeln vor, welches die Schritte umfaßt:
- Herstellen eines Ausgangsglaskörpers (11),
- Lagern des Ausgangsglaskörpers (11) auf einem Gaskissen (13) zwischen einer Levitationsunterlage (1) und dem Ausgangsglaskörper (11) sowie
- zumindest teilweise Keramisieren des Ausgangsglaskörpers (11) auf der Levitationsunterlage (1).
Dabei weist die Levitationsunterlage zumindest einen zusammenhängenden Oberflächenbereich (3) mit zumindest einem Gaszufuhrbereich (151, 152, 153), an welchen Levitationsgas für das Gaskissen (13) zugeführt wird und zumindest einen Gasabführbereich (171, 172, 173) auf, an welchem Gas des Gaskissens (13) zumindest teilweise abgeführt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung von Glas oder Glaskeramiken und insbesondere die Herstellung von Glas oder Glaskeramiken durch Lagerung auf einem Gasbett während der Keramisierung, sowie verfahrensgemäß hergestellte Glas- oder Glaskeramik-Artikel.

Glaskeramikplatten finden unter anderem in großem Umfang Anwendung als Kochflächen für moderne Kochfelder, als Ofensichtscheiben oder Brandschutzverglasung. Bei Glaskeramiken spielt die Festigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit eine wesentliche Rolle für deren Einsatzfelder.

Für Kochfelder eingesetzte Glaskeramiken besitzen derzeit vielfach eine noppenartige Unterseitenstruktur, um die Festigkeit der Glaskeramikplatten für Kochfeldanwendungen zu erhöhen..

Die Noppen bewirken insbesondere einen Schutz der Unterseite der Glaskeramikplatte gegenüber festigkeitsreduzierenden Verletzungen, die besonders während des Keramisierungprozesses der Glaskeramik zugefügt werden.

Die Festigkeit wird letztlich dadurch erzielt, dass die Noppenkuppen Verletzungen der Unterseite abfangen.

Ein Nachteil bei derartigen genoppten Glaskeramikplatten ist jedoch unter anderem die Streuung des Lichts, welches durch die Glaskeramikplatte geführt wird. Es ist dadurch nicht oder nur schlecht möglich, Anzeigen oder Strukturen unterhalb der Glaskeramikplatte verzerrungsfrei sichtbar zu machen.

In der Vergangenheit wurden für Kochfelder auch Glaskeramikkochflächen hergestellt, die beidseitig glatte Flächen aufwiesen. Dabei wurde bei einer Plattendicke von 4 mm bei einem Prüfformat von 10 × 10 cm ein mittlerer Festigkeitswert von 36 cm Fallhöhe erreicht.

Bei den heutigen Keramisierungsverfahren erreicht man Festigkeiten von beidseitig glatten 4 mm dicken Glaskeramik-Platten von bis zu 50 cm Fallhöhe. Solche beidseitig glatten Glaskeramikkochflächen mit ausreichender Festigkeit werden bisher erhalten, indem die Glaskeramikplatten nachpoliert werden. Dieser Prozess ist für eine großtechnische Produktion nicht wirtschaftlich zu realisieren.

Für die Anwendung von Glaskeramikplatten für Kamin- und Ofensichtscheiben ist es ebenfalls notwendig, das zum einen eine gewisse Festigkeit erreicht wird. Zum anderen sollten die Oberflächen der Glaskeramik frei von Verletzungen sein, da Verletzungen an der Oberfläche die optische Durchlässigkeit und den ästhetischen Eindruck beeinträchtigen. Verletzungen sind außerdem potentielle Stellen an denen das Glas durch Stoß leicht brechen kann.

Die derzeitig verwendeten Glaskeramikplatten weisen hauptsächlich durch den Keramisierungsprozess Verletzungen auf, die visuell störend wirken und die Festigkeit merklich herabsetzen.

Die Festigkeitseigenschaften werden bestimmt durch die Qualität der Oberfläche. Bei einem bekannten Keramisierungsprozess wird eine zu keramisierende Grünglasplatte auf einer keramischen Unterlagsplatte aufgelegt, wobei Trennmittel zwischen Grünglasplatte und Unterlagsplatte eingesetzt werden können. Dabei weisen die Glaskeramiken die auf einer Unterlage keramisiert wurden, im allgemeinen Verletzungen auf der Seite auf, die der Unterlagsplatte zugewandt ist.

Ein anderes Verfahren nutzt die hängende Keramisierung. Bei diesem Verfahren wird die Grünglasplatte an einem Ende hängend gelagert. Bei der hängenden Keramisierung ist zwar die Glaskeramik kontaktfrei gelagert, so daß keine Verletzungen an einer Unterlage entstehen können, jedoch ist es schwierig, eine den Anforderungen genügende Ebenheit der Glaskeramikplatten zu erzielen. Zudem kann nicht die gesamte Fläche der hängend keramisierten Glaskeramiken genutzt werden, da die Platten im Bereich der Aufhängepunkte beschädigt werden.

Eine weitere Möglichkeit, hochfeste glaskeramische Artikel herzustellen ist damit gegeben, den Artikel nach dem Keramisieren chemisch Vorzuspannen. Hier sei verwiesen auf die Patentschrift DE 1803540. Nachteilig bei diesem Verfahren ist aber, dass ein weiterer Prozesschritt notwendig ist, bei dem der Glaskeramik-Artikel zusätzlich aufgeheizt werden muss. Außerdem kann das Verfahren des chemischen Vorspannens nur, wie in der Patentschrift angegeben, auf ganz bestimmte Zusammensetzungen angewendet werden.

Aus der GB 1383202 ist es bekannt, eine zu keramisierende Platte auf einem Gaskissen zwischen einer Unterlage und der Platte zu lagern. Die Unterlage umfaßt dazu perforierte Kacheln, durch welche das Gas für das Gaspolster geleitet wird. Das durch die perforierten Kacheln geleitete Gas strömt dabei zwischen Platte und Unterlage zum Rand der Platte, wo es schließlich entweicht. Diese Anordnung führt allerdings dazu, daß nur verhältnismäßig kleine Glasplatten keramisiert werden können. Für große Glasplatten wird der Druck, der unter der Glasplatte entsteht, zu groß, so daß es zu einer Aufwölbung der Platte kommt.

Weiterhin sieht die GB 1383202 vor, Verbrennungsgas als Levitationsgas für das Gaspolster zu verwenden. Dies ist jedoch nachteilig für die Eigenschaften der Glaskeramik, da in dem Verbrennungsgas zum einen Partikel enthalten sind, die sich bevorzugt auf der Glaskeramik absetzen und dadurch zu einer Festigkeitsverminderung führen. Ebenso führen auch leicht verzundernde Metalle und Verbrennungsprodukte im Ofenraum dazu, daß die Glasplatte an ihrer Oberfläche verunreinigt wird.

In der DE 10045479 wird ein Verfahren zum kontaktlosen Lagern und Transportieren von Flachglas beschrieben, bei welchem die Lagerung ebenfalls auf einem Gaspolster erfolgt. Die Unterlage weist dazu einen segmentförmigen Aufbau auf, bei welchem das Gas durch Öffnungen in den Segmenten zugeführt wird und durch die Zwischenräume zwischen den Segmenten wieder entweichen kann.

Die US 5,078,775 beschreibt eine Gaskissen-Unterlage mit einer Membran, deren Oberseite schlitzförmige Gaszuführungs- und Gasauslassöffnungen aufweist. Die Gasauslassöffnungen stehen mit Gasauslass-Kammern in der Membran in Verbindung. Die Gaszuführungs-Öffnungen sind über Sammelschächte mit der Unterseite der Membran verbunden. An der Unterseite der Membran wird komprimiertes Gas zugeführt, welches durch die Sammelschächte und die Gaszuführungs-Öffnungen zur Oberseite strömt und dort ein Gaskissen erzeugt, auf welchem dann eine Glasplatte gelagert werden kann. Bei einer derartigen Anordnung, bei welcher das zugeführte Gas senkrecht zur Oberseite zugeführt wird, kommt das Gas jedoch nur vergleichsweise kurz mit den Wandungen der Sammelbehälter in Kontakt, so daß kein vollständiger Wärmeaustausch stattfinden und das Gas daher mit einer Temperatur in das Gaskissen einströmen kann, welche sich von der Temperatur der Membran und insbesondere der Temperatur des aufliegenden Glases unterscheiden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Glas- oder Glaskeramische Materialien, die insbesondere eine glatte feuerpolierte und/oder genoppte Oberfläche aufweisen, bereitzustellen, wobei die Materialien eine gegenüber bekannten Glaskeramiken deutlich erhöhte Festigkeit bei zugleich geringer optisch störender Beschädigung der Oberfläche aufweisen.

Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend einfacher Weise durch ein Verfahren zur Herstellung eines Glas- oder Glaskeramik- Artikels, sowie ein Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Demgemäß umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren

  • – das Herstellen eines Ausgangsglaskörpers,
  • – das Lagern des Ausgangsglaskörpers auf einem Gaskissen zwischen einer Levitationsunterlage und dem Ausgangsglaskörper, sowie
  • – das zumindest teilweise Keramisieren des Ausgangsglaskörpers auf der Levitationsunterlage. Dabei weist die Levitationsunterlage zumindest einen zusammenhängenden Oberflächenbereich mit zumindest einem Gaszufuhrbereich, an welchen Levitationsgas des Gaskissens aus der Levitationsunterlage heraus zugeführt wird und zumindest einen Gasabführbereich auf, an welchem Gas des Gaskissens zumindest teilweise in die Levitationsunterlage hinein abgeführt wird.

Im Unterschied zu der in der US 5078775 offenbarten Vorrichtung, bei welcher die Gaszuführung über Sammelschächte durch die Membran erfolgt, wird erfindungsgemäß bevorzugt auch das Gas, welches dem Gaskissen zugeführt wird, durch eine oder mehrere in der Levitationsunterlage angeordnete Kammern geleitet, bevor es aus dieser austritt. Auf diese Weise wird in Verbindung mit der oder den Gasabfuhrkammern nicht nur eine besonders homogene Druckverteilung, sondern auch ein guter Temperaturausgleich erreicht. Durch die Verweilzeit des Gases in der Gaszufuhrkammer wird dessen Temperatur der Temperatur der Membran und der gelagerten Glas- oder Glaskeramikplatte besser angeglichen. Diese erfindungsgemäße Anordnung und Verfahrensweise zum Lagern des Glases oder der Glaskeramik hilft, eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung entlang der gelagerten Platte zu erreichen. Dies führt in überraschend einfacher Weise auch zu einer erhöhten Festigkeit von Glaskeramik-Platten, die während der Keramisierung erfindungsgemäß gelagert werden.

Für einen effektiven Wärmeübertrag zwischen dem aus der Membran ausströmenden und dem in diese hineinströmenden Levitationsgas ist vorteilhaft vorgesehen, daß die zumindest eine Gaszufuhrkammer und zumindest eine Gasabfuhrkammer geschlossene Kanäle umfassen, welche sich in Richtung entlang der Auflagefläche im Inneren der Membran erstrecken. Unter einem geschlossenen Kanal ist demgemäß ein Kanal zu verstehen, welcher nach Art einer Röhre von einer Wandung begrenzt wird. Insbesondere können dabei die Kanäle gegenüber der Bodenfläche der Levitationsunterlage, die der Auflagefläche gegenüberliegt, geschlossen ausgeführt sein. Mit einem geschlossenen Kanal ist im Sinne der Erfindung jedoch kein vollständig abgeschlossener Hohlraum gemeint, da für die Zufuhr und Abfuhr aus dem Kammern, beziehungsweise den Kanälen dieser Ausführungsform jeweils zumindest eine Einlassöffnung für die Gaszufuhrkammer und eine Auslassöffnung für die Gasabfuhrkammer vorgesehen sind.

Dabei können vorteilhaft die Gaszufuhrkammer eine Gaseinlassöffnung und die Gasabfuhrkammer eine Gasauslassöffnung aufweisen, die so angeordnet sind, daß die Gasflußrichtung innerhalb der Gaszufuhrkammer und Gasabfuhrkammer quer zur Normalen der Auflagefläche, insbesondere auch entlang der Auflagefläche verläuft. Strömt das Levitationsgas in der Gaszufuhrkammer und der Gasabfuhrkammer in der Membran quer zur Normalen der Auflagefläche, insbesondere in Richtung entlang der Auflagefläche, so kann auch in einer dünnen Membran als Levitationsunterlage ein langer Strömungspfad des Gases in den Kammern und damit einhergehend auch ein effektiver Wärmeübertrag an die Kammerwandungen erreicht werden.

Bevorzugt beträgt in den Kammern der Druckabfall höchstens 0,5 mBar. Wenn das Levitationsgas beim Durchströmen der Gaszufuhrkammer und/oder der Gasabfuhrkammer einen Druckabfall von höchstens 0,5 mBar erfährt, kann auch im Gaskissen eine besonders homogene Druckverteilungen erzielt werden.

Das Herstellen des Ausgangsglaskörpers kann durch einen konventionellen Schmelz- und Formgebungsprozess erfolgen, bevor der Ausgangsglaskörper dann beispielsweise in einem Levitationsofen erfindungsgemäß keramisiert wird.

Das zumindest teilweise Keramisieren kann insbesondere auch das Keimbilden umfassen. Die Lagerung des Glases oder der Glaskeramik auf einem Levitationskissen ist zum einen dann wichtig wenn das Glas oder die Glaskeramik sehr weich wird und/oder dann wenn sich die Glas- oder Glaskeramikplatte stark ausdehnt oder zusammenzieht. Im konventionellen Keramisierungsprozess kommt es bei letzterem zu einer Relativbewegung der Glasplatte zur Unterlagsplatte, was zur Folge hat, dass Kratzer auf der empfindlicheren Glasplatte entstehen. Das Glas wird für die Keramisierung zunächst auf eine Keimbildungstemperatur gebracht. Diese Keimbildungstemperatur liegt bei einer Temperatur, bei der die Glasplatte Viskositäten im Bereich &eegr; = 1010 dPas erreicht. Gerade während dieser Phase ist daher das Lagern auf einem möglichst homogenen Druckprofil günstig für die Eigenschaften der fertiggestellten Artikel, wie insbesondere die Ebenheit und Festigkeit.

Auserdem ist es von Vorteil, wenn bei den erwähnten Viskositäten das Glas keinen Kontakt zur Unterlage aufweist. Kommt es zum Kontakt des Ausgangsglaskörpers mit einer Unterlage, kann es zu einem Anhaften des Glases an der Unterlage kommen.

Während des Keramisierungsprozesses folgt nach dieser Keimbildungsphase eine Phase des Kristallwachstums.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auch eine besonders homogene Temeraturverteilung sowohl entlang der Oberfläche des Ausgangsglaskörpers, als auch zwischen Ober- und Unterseite des Körpers erzielt werden, da kein Kontakt mit einer Unterlage mehr besteht. Die Unterlage stellt sonst ein Wärmereservoir dar, welches sich den bei der Keramisierung auftretenden Temperaturänderungen nur verzögert und inhomogen anpassen kann.

Insbesondere während der Phase der Kristallbildung ist dabei die Temperaturhomogenität für die spätere Qualität und Festigkeit des keramisierten Glases wichtig, so daß hier die levitierende Lagerung von besonderem Vorteil ist.

Das Kristallwachstum kann außerdem bei einer bestimmten Temperatureinstellung sehr schnell ablaufen. Dadurch wird innerhalb der Glasplatte so viel Wärme frei, dass der Ausgangsglaskörper noch wesentlich weicher wird und Viskostitäten von &eegr; = 108 dPas oder geringer erreicht. Selbst bei derart niedrigen Viskositäten ist bei erfindungsgemäßer levitierender Lagerung auf einem Gaskissen eine verletzungsfreie Verarbeitung möglich.

Das zumindest teilweise Keramisieren muß auch nicht das vollständige Keramisieren umfassen. So kann das Material des Ausgangsglases beispielsweise nur teilkeramisiert werden, um gewünschte physikalische Eigenschaften des fertiggestellten Artikels zu erhalten.

Im Verlauf des Keramisierungsprozesses kann sich die Glasplatte in ihren geometrischen Abmessungen verändern. Dieser Effekt tritt beispielsweise oft aufgrund der Phasenumwandlung beim Keramisieren auf. Dabei kann es sowohl zu Schrumpfung als auch zur Ausdehnung der Glasplatte kommen. Diese Veränderungen treten vielfach sowohl im Bereich der Keimbildung als auch in verschiedenen Phasen des Kristallwachstums auf. Im konventionellen Keramisierungsverfahren tritt in diesen Phasen eine starke Relativbewegung der Glasplatte gegenüber der Unterlagsplatte auf, was zu Kratzern im Produkt führen kann. Dementsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, die Glasplatte, beziehungsweise den Ausgangsglaskörper levitierend auf dem Gaskissen zu lagern, während dieser schrumpft oder sich ausdehnt.

Durch die Lagerung auf einer Levitationsunterlage mit zusammenhängender Oberfläche, die Bereiche aufweist, in denen Gas zu- und abgeführt wird, wird eine bisher unerreicht homogene Druckverteilung unter dem Ausgangsglaskörper erreicht. Dies führt zu einer besonders geringen oder sogar nicht mehr vorhandenen Verformung des Ausgangsglases, obwohl dieses während des Keramisierens im allgemeinen sehr weich wird, wobei Viskositäten bis 108 dPas oder sogar noch geringer erreicht werden können. Aufgrund der homogenen Druckverteilung treten während des Keramisierens im wesentlichen auch keine Zug- oder Druckspannungen mehr auf. Einhergehend mit einer homogenen Druckverteilung ist außerdem auch eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare besonders homogene Temperaturverteilung im Ausgangsglas während der Keramisierung. Durch die bei bekannten Verfahren sonst unter dem Material auftretenden wesentlich größeren Druckgradienten kommt es zu lateral in Richtung der Gradienten laufenden Gasströmungen. Sofern die Temperatur des Gases nicht genau mit der Temperatur des Ausgangsglases übereinstimmt, wird über die lokal unterschiedlichen Gasströmungen Wärme ab- oder zugeführt. Eine homogene Temperaturverteilung unter und über dem Ausgangsglas ist jedoch für die Keramisierung im Ausgangsglas und die Ebenheit wichtig. Insbesondere können Temperaturdifferenzen bereits im Bereiche weniger Grade zu einer Verwölbung des Glases führen.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn das Levitationsgas zumindest teilweise umgewälzt wird. Auf diese Weise wird ein Kreislauf des Levitationsgases erreicht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Glas oder die Glaskeramik in heißem Zustand, beispielsweise für die Keramisierung auf dem Gaskissen gelagert wird. Das umgewälzte Gas gelangt so bereits aufgeheizt in die Gaszufuhrkammern, so daß die Levitationsunterlage nur wenig durch das zugeführte Levitationsgas abkühlt. Dies spart zu einen Energie, zum anderen wird auch die Homogenität der Temperaturverteilung kaum oder gar nicht gestört. Außerdem ist es dabei für möglichst geringe Temperaturdifferenzen vorteilhaft, wenn das Levitationsgas der Umgebung des Ausgangsglaskörpers, beispielsweise dem Ofenraum eines Keramisierungsofens, in dem die Levitationsunterlage angeordnet ist, entnommen wird.

Gegenüber einem mit hängender Keramisierung hergestellten Artikel zeichnet sich außerdem ein erfindungsgemäß hergestellter Glas- oder Glaskeramik-Artikel durch eine ebenere Oberfläche aus. Bei hängender Keramisierung kann es im erweichten Zustand des Ausgangsglaskörpers zum Fluß des Materials in Schwerkraftrichtung, also entlang der Oberfläche des Ausgangsglaskörpers kommen, was zu einer deutlich inhomogenen Dicke des fertig keramisierten Artikels führt. Auch sind die Rückstellkräfte bei Verwölbungen bei einem erfindungsgemäß auf einer ebenen Unterlage liegend keramisierten Ausgangsglaskörper deutlich höher als bei einem hängend gelagerten Ausgangsglaskörper. Bei der erfindungsgemäßen Keramisierung gleicht sich die Oberfläche des Ausgangsglaskörpers der Oberfläche der Unterlage an, so daß unerwünschte Verwölbungen ausgeglichen werden. Dieser Effekt tritt bei einem frei hängenden Körper jedoch nicht auf, so daß Verwölbungen erhalten bleiben können.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine vollflächige Keramisierung des Ausgangsglaskörpers durchgeführt, so daß ein vollflächig keramisierter Glas- oder Glaskeramik-Artikel erhalten wird. Dies ist durch die levitierende Lagerung möglich, da zur Halterung oder Führung des Ausgangsglaskörpers keine oder nur eine minimale Halterung oder Führung notwendig ist. Demgegenüber kann beispielsweise bei der hängenden Keramisierung im Bereich der Halterung keine Keramisierung durchgeführt werden, da das Material dort zu weich wird oder starke Verletzungen auftreten.

Vorrichtungen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, beziehungsweise zur Herstellung erfindungsgemäßer Glas- oder Glaskeramik-Artikel geeignet sind, werden auch in der vorliegende Erfindung angemeldeten deutschen Anmeldung der Anmelderin mit dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zum kontaktlosen Transportieren oder Lagern von Glas oder Glaskeramik" beschrieben, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird.

Das Herstellen des Ausgangs- oder Vorglaskörpers kann vorteilhaft auch das Abtrennen von Abschnitten von einem Ausgangsglasband umfassen. Die abgetrennten Abschnitte können dann anschließend separat keramisiert werden. Auf diese Weise wird ein nachträglicher Zuschnitt des keramisierten Materials, durch welchen festigkeitsreduzierende Verletzungen in der Glaskeramik entstehen können, vermieden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Kristallisationsvorgang im Ausgangsglas demgegenüber nicht gestört. Dies führt entsprechend zu einer Glaskeramik, beziehungsweise einem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Glas- oder Glaskeramik-Artikel mit neuen und überraschenden Eigenschaften. Als Glas- oder Glaskeramik-Artikel, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist, wird ein Artikel mit einem Material verstanden, welches Glas und/oder insbesondere Glaskeramik und/oder teilkeramisiertes Glas umfassen kann.

Die erfindungsgemäß herstellbaren glaskeramischen Artikel weisen ohne chemische Vorspannung eine erhöhte Festigkeit auf, so daß gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf eine chemische Vorspannung verzichtet wird, beziehungsweise bei welcher ein erfindungsgemäßer glaskeramischer Artikel nicht chemisch vorgespannt ist.

Für die Charakterisierung der Festigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Glas- oder Glaskeramik-Artikel können standardisierte Falltests als Festigkeitsmessung durchgeführt werden. Dabei wird die zu prüfende Platte in Proben definierten Formats (100 mm × 100 mm Quadrate) aufgeschnitten oder in diesem definierten Format hergestellt und mittels Kugelfalltests geprüft. Der Kugelfalltest wird derart durchgeführt, dass eine Stahlkugel definierter Masse (m = 200 g) und definierten Durchmessers (∅ 36 mm) aus einer Anfangshöhe auf das Zentrum der Probe frei fallen gelassen wird. Besteht die Probe diesen Fall ohne Bruch, so wird der Fall mit gesteigerter Fallhöhe wiederholt. Dieses iterierende Verfahren mit jeweils definiert gesteigerter Fallhöhe wird solange durchgeführt, bis Bruch der Probe eintritt. Die Fallhöhe, bei der Bruch eintritt, wird als Maß für die Festigkeit dieser Probe festgehalten. Die Festigkeit der gesamten zu prüfenden Platte oder einer Charge hergestellter Artikel ergibt sich aus dem Mittelwert der Einzelfestigkeiten der aus ihr geschnittenen Proben.

Ein erfindungsgemäß herstellbarer Artikel weist aufgrund des Herstellungsverfahrens so insbesondere eine gegenüber bekannten glaskeramischen Materialien signifikant erhöhte Bruchfestigkeit auf, die sich in einer entsprechend erhöhten mittleren Fallhöhe bei dem oben beschriebenen Test äußert. Diese erhöhte Festigkeit zeigt sich bereits bei nicht zusätzlich vorgespannten glaskeramischen Artikeln, insbesondere ohne chemische Vorspannung. So zeichnen sich die erfindungsgemäßen Glas- oder Glaskeramik-Artikel durch eine mittlere Bruchfallhöhe aus, die bei einem Format von 10 × 10 cm zumindest 15 cm pro Millimeter Dicke des Glas- oder Glaskeramik-Artikels beträgt. Auch 18 cm mittlere Bruchfallhöhe pro Millimeter Dicke des Glas- oder Glaskeramik-Artikels wird ohne weiteres erreicht oder überschritten. Diese Werte wurde insbesondere in einem Bereich zwischen 3 und 5 Millimetern Dicke des Materials des Artikels verifiziert, gelten jedoch auch für andere Materialstärken oberhalb und unterhalb dieses Bereiches, da zwischen Bruchfestigkeit und mittlerer Bruchfallhöhe ein im wesentlichen linearer Zusammenhang besteht.

Die erhöhte Festigkeit der erfindungsgemäß herstellbaren glaskeramischen Artikel beruht nach ersten Erkenntnissen unter anderem auf einem sich an der Oberfläche des Artikels bildenden glasigen Film.

Im allgemeinen werden auch 20 cm pro Millimeter Dicke, sogar zumindest 25 cm mittlere Bruchfallhöhe pro Millimeter Dicke des keramischen Artikels erreicht. Durch Optimierung der Herstellungsparameter sind ferner sogar mittlere Bruchfallhöhen von 30 oder mehr Zentimeter pro Millimeter Plattendicke erreichbar.

Diese vorteilhaften Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäß herstellbaren glaskeramischen Artikel erlauben es, gegenüber herkömmlich hergestellten Artikeln die Dicke bei gleichbleibender Festigkeit zu reduzieren, was unter anderem die Materialkosten und damit den Preis derartiger Artikel erniedrigt.

Der lineare Zusammenhang zwischen Plattendicke und Bruchfallhöhe gilt so lange, wie die Glasplatte ausreichend Möglichkeit hat, dem Stoß der Kugel durch Verbiegung nachzugeben. Bei besonders dicken Glasplatten kann die Platte aber früher brechen. Es kann bei dicken Glasplatten im Bereich etwa ab 10mm Dicke zu einer Abweichung vom linearen Zusammenhang kommen, wobei der Steigungswert des Mittelwerts der Fallhöhe mit zunehmender Plattendicke dann allmählich abnimmt.

Der in weiten Bereichen geltende lineare Zusammenhang der Bruchfallhöhe und der Plattendicke ist unter anderem aus J.L. Glathart, F.W. Preston: "The behaviour of glass under impact"; in: Glass Technology, 1968, bekannt.

Ein erfindungsgemäß herstellbarer Glas- oder Glaskeramik-Artikel kann insbesondere ein Material umfassen, welches in Form einer 3 Millimeter dicken, beidseitig ebenen Platte vom Format 10 × 10 cm bei einer Fallhöhe von höher als 45 Zentimeter bruchfest ist.

Insbesondere ist es auch möglich, einen erfindungsgemäßen Glas- oder Glaskeramik-Artikel so herzustellen, daß dessen Material in Form einer 3 Millimeter dicken, beidseitig ebenen Platte bei einer Fallhöhe von mindestens 80 Zentimeter im Mittel bruchfest ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Glas- oder Glaskeramik-Artikels weist dieser ein Material auf, welches in Form einer 5 Millimeter dicken, beidseitig ebenen Platte bei einer Fallhöhe von mindestens 140 Zentimeter im Mittel bruchfest ist. Dies übertrifft die Festigkeit bekannter glaskeramischer Artikel ohne chemische Vorspannung gemessen an der Fallhöhe um mehr als einen Faktor 2.

Die oben angegebenen Werte beziehen sich auf Material einer bestimmten Form und Dicke. Ein erfindungsgemäßer Glas- oder Glaskeramik-Artikel kann jedoch auch vielfältige andere Formen und andere Dicken aufweisen.

Die Angaben zur Festigkeit dienen insbesondere der Charakterisierung des Materials des Artikels, nicht jedoch seiner Form und Dicke. Weist ein erfindungsgemäßer Artikel eine nicht plattenförmige Form oder eine andere Dicke auf, so können, um seine mechanischen Eigenschaften mit einem Falltest zu bestimmen, aus dem gleichen Ausgangsglas eine oder mehrere Platten definierter Dicke zur Durchführung der Falltests erfindungsgemäß hergestellt und keramisiert werden. So können Festigkeitswerte für verschiedene Plattendicken beispielsweise in einfacher Weise durch Interpolation der oben angegebenen Werte gewonnen werden. Demgemäß umfaßt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der erfindungsgemäße Artikel ein Material, welches in Form einer beidseitig ebenen Platte vom Format 10 × 10 cm und mit einer Dicke in einem Bereich von 3 bis 5 Millimetern im Mittel bei einer Fallhöhe von mindestens x Zentimeter bruchfest ist, wobei sich x aus der Interpolationsbeziehung ergibt: x = (140cm – 45 cm)/2 mm·(Plattendicke in mm – 3 mm) + 45 cm.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Vorglaskörper in Form einer beidseitig ebenen Glasplatte, beispielsweise mit einer Dicke von 3 oder 5 Millimetern hergestellt und anschließend levitierend zumindest teilweise keramisiert, so daß ein entsprechender, beidseitig glatter Glas- oder Glaskeramik-Artikel erhalten wird. Derartige Artikel sind beispielsweise als Glaskeramik-Herdplatten, Kaminsicht-Scheiben oder als Feuerschutz-Scheiben geeignet. Durch den erfindungsgemäßen, levitierend durchgeführten Keramisierungsvorgang wird eine feuerpolierte Oberfläche des Artikels geschaffen. Die feuerpolierte Oberfläche weist gegenüber einer nachträglich mechanisch polierten Oberfläche wesentlich weniger oder gar keine Verletzungen der Oberfläche auf, was auch gegenüber solchen nachträglich polierten Platten eine erhöhte Festigkeit des erfindungsgemäßen Artikels bewirkt.

Auch genoppte Platten, wie sie zur Erzielung einer hinreichend hohen Bruchsicherheit bisher vielfach gefertigt werden, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und levitierend keramisiert werden. Dazu wird ein entsprechender Vor- oder Ausgangsglaskörper in Form einer insbesondere einseitig genoppten Glasplatte hergestellt. Für diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt man im allgemeinen einen etwas höheren Gasstrom bei gleichbleibender Schwebehöhe, wenn sich Noppen auf der zur Membran gerichteten Seite befinden. Die genoppte Struktur kann beispielsweise in einem Schmelz- und Formgebungsprozess über eine genoppte Walze während einer Heißformgebung in eine Seite eines Vorglasbandes, wie insbesondere die Glasbandunterseite eingeprägt werden. Die Noppenstruktur kann ein regelmäßiges Muster aus Kalotten, die rund oder oval sind, oder auch weitere Ausprägungen aufweisen.

Auch ein solcher erfindungsgemäß herstellbarer Glas- oder Glaskeramik-Artikel, der in seiner äußeren Form einer herkömmlich hergestellten genoppten Platte entspricht, weist gegenüber einer solchen, herkömmlich hergestellten genoppten Platte eine um mindestens 20 % erhöhte Bruchsicherheit auf.

Vorteilhaft umfaßt ein erfindungsgemäßer Glas- oder Glaskeramik-Artikel ein Material aus zumindest einem der Systeme SiO2-Al2O3-Li2O, SiO2-Al2O3-MgO, SiO2-Al2O3-BaO.

Ferner kann das Material auch zumindest eines der Oxide TiO2, ZrO2, P2O5 in einer üblichen Konzentration aufweisen, um die mechanischen und optischen Eigenschaften und die Viskosität des Ausgangsglases zu beeinflussen.

Das Herstellen eines Ausgangsglaskörpers kann vorteilhaft das Läutern des Ausgangsglases umfassen. Durch das Läutern wird ein im wesentlichen blasenfreies Ausgangsglas erhalten, was erheblich zur Festigkeit der erfindungsgemäßen Artikel beiträgt. Dazu können dem Ausgangsglas auch Läutermittel, wie As2O3, Sb2O3, CeO2 oder SnO2 zugesetzt sein, die sich dementsprechend auch im Material des fertiggestellten Artikels finden.

Insbesondere zur Beeinflussung der optischen Eigenschaften, etwa, um dem erfindungsgemäßen Artikel eine gewünschte Färbung zu verleihen, können dem Material des Ausgangsglases zumindest ein Farboxid beigefügt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Material des fertigen Artikels oder des Ausgangsglases die folgenden Komponenten auf: Li2O 2,5–5,5 % Na2O 0–3,0 % K2O 0–3,0 % &Sgr;Na2O + K2O 0–4,0 % MgO 0–3,0 % CaO 0–2,5 % SrO 0–2 % BaO 0–3,5 % ZnO 0–3,5 % Al2O3 18–27 % SiO2 52–75 % TiO2 1,0–5,5 % ZrO2 0–3,0 % SnO2 < 1,0 % &Sgr; TiO2 + ZrO2 + SnO2 2,0–6,0 % P2O5 0–8,0 %

Die Mengenangaben sind dabei als Gewichtsanteile in Gewichtsprozent angegeben. Mit dem Summenzeichen "&Sgr;" wird dabei die Summe der Stoffmengen der nach dem Summenzeichen aufgeführten Komponenten bezeichnet.

Gemäß zweier weiterer Ausführungsformen des Glas- oder Glaskeramik-Artikels weist dessen Material eine der folgenden Zusammensetzungen auf:

Die Anteile in vorstehender Tabelle sind ebenfalls in Gewichtsprozent angegeben.

Eine dunkle Einfärbung, wie sie häufig für Kochfelder gewünscht wird, kann vorteilhaft durch eine Zusammensetzung des Materials des Artikels oder des Ausgangsglases erreicht werden, dessen Zusammensetzung 0,02 bis 0,6 Gewichtsprozent V2O5 umfaßt. Für eine transparente Glaskeramik kann dementsprechend vorteilhaft eine Zusammensetzung gewählt werden, die im wesentlichen frei von V2O5 ist.

Die Zusammensetzung des Ausgangsglases oder des fertig keramisierten Materials kann außerdem vorteilhaft zumindest eine Verbindung aus einer Gruppe aufweisen, die Cr-, Mn-, Fe-, Co-, Cu-, Ni-, Se-, und Cl-Verbindungen umfaßt. Derartige Verbindungen sind insbesondere zur Unterstützung der Färbung und Einstellung bestimmter Farborte geeignet.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt das Keramisieren des Ausgangsglaskörpers das besonders saubere elektrische Beheizen des Ausgangsglaskörpers, vorzugsweise in einem Levitationsofen.

Auch kann das Levitationsgas, beispielsweise mittels eines Reinigungsfilters gereinigt und so möglichst sauber gehalten werden, um den Niederschlag von Fremdstoffen zu verhindern und eine dadurch bedingte Reduzierung der Festigkeit zu vermeiden.

Vorteilhaft kann die Levitationsunterlage zumindest eine Membran mit einem zusammenhängenden Oberflächenbereich und zumindest einer Gaszufuhr- und zumindest einer Gasabfuhrkammer umfassen. Diese Kammern sind vorzugsweise jeweils unter dem Gaszufuhr- und Gasabfuhrbereich angeordnet. Auf diese Weise wird Gas über eine Gaszufuhrkammer dem Gaszufuhrbereich zugeführt und bildet ein Gaskissen zwischen dem zusammenhängenden Oberflächenbereich und dem Ausgangsglaskörper. Andererseits kann überschüssiges Gas durch den Gasabfuhrbereich in eine darunter angeordnete Gasabfuhrkammer dringen. Die Gaszufuhr und Gasabfuhr kann durch Einstellen eines geeigneten Druckgefälles zwischen der Gasabfuhrkammer und dem Gasabfuhrbereich, beziehungsweise zwischen der Gaszuführungskammer und dem Gaszuführungsbereich eingestellt wird. Um dies zu erreichen, kann in einfacher Weise auch ein Druckgefälle zwischen Gaszufuhr- und Gasabfuhrkammer eingestellt werden. Eine geeignet geformte Membran mit Kammern kann insbesondere durch Extrudieren hergestellt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Gas über Zu- und Abführkanäle einer perforierten Oberfläche der Levitationsunterlage zu- und abgeführt. Die Oberfläche der Levitationsunterlage kann vorteilhaft auch ein poröses Material umfassen, durch welches Gas für das Gaskissen zugeführt oder abgeführt wird. Durch das Zuluftsystem wird das Levitationsgas durch die Membran in das Gaskissen transportiert, der sich zwischen Membran und Glasplatte ausbildet. Durch das Abluftsystem, welches insbesondere den Gasabfuhrbereich und die Gasabfuhrkammer umfaßt, wird der Druck unter dem Ausgangsglas stabilisiert. Durch den so stabilisierten Gasfilm schwebt der Ausgangsglaskörper dann über der Membran und ist somit kontaktfrei gelagert.

Die extrudierte Membran ist perforiert, so dass sich ein möglichst homogenes Druckprofil ausbildet. Dieses homogene Druckprofil ist vorteilhaft, um eine hohe Ebenheit der erfindungsgemäß hergestellten Glas- oder Glaskeramik-Artikel zu erreichen.

Das gewünschte Temperaturprofil für die Keramisierung mit einer möglichst geringen Temperaturabweichung zwischen Ober- und Unterseite des Glases lässt sich vorteilhaft durch die in den Gaszuführungskammern der extrudierten Membran erfolgende Temperaturhomogenisierung des Levitationsgases herstellen. Der Ausgangsglaskörper kann während des Keramisierungsvorgang teilweise oder auch vollständig auf dem Gasfilm gelagert werden.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Keramisierung des Ausgangsglaskörpers während des Keramisierungsprozesses ein bestimmtes zeitliches Temperaturprofil durchlaufen. Für dieses Temperaturprofil wird der Ausgangsglaskörper zunächst auf eine Temperatur T1 aufgeheizt. Diese Temperatur liegt beispielsweise in einem Bereich von 650 bis 800 °C. Auf dieser Temperatur kann der Körper je nach Ofenaggregat und Form des Ausgangsglaskörpers biszu 4 Stunden gehalten werden. Der Körper wird anschließend weiter erhitzt auf eine Temperatur T2 in einem Bereich von 850 bis 950 °C. Auf dieser Temperatur T2 kann der Körper dann etwa bis zu 50 Minuten gehalten werden. Anschließend wird der Körper wieder auf Raumtemperatur abgetempert.

Ebenso wie beispielsweise flache glaskeramische Platten können auch Glas- oder Glaskeramik-Artikel mit einer gebogenen plattenförmigen Platte erfindungsgemäß hergestellt werden. Dazu kann die Levitationsunterlage eine gewölbte Oberfläche aufweisen. Der Ausgangsglaskörper kann dann in erwärmtem Zustand durch Schwerkraftsenken über der Levitationsunterlage gewölbt werden. Vorteilhaft ist es dabei, wenn während des Wölbungsvorgangs Levitationsgas zugeführt wird, so daß das Wölben berührungsfrei erfolgen kann. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Artikel eine Verwölbung entlang einer Richtung, beziehungsweise eine einachsige Verwölbung auf. Ein solcher Artikel kann dabei beispielsweise eine gleichmäßige Wölbung aufweisen, so daß er die Form eines Zylindermantelsegments hat. Ebenso kann sich der Wölbungsradius entlang der Oberfläche aber auch ändern. Die Herstellung eines derart geformten Artikels kann wie vorstehend beschrieben, durch Schwerkraftsenken über einer in diesem Fall einachsig gewölbten Membran erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren verweisen dabei auf gleiche oder ähnliche Teile.

Es zeigen:

1 eine Querschnittansicht durch eine Levitationsunterlage einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

2 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform einer Levitationsunterlage,

3A und 3B anhand schematischer Ansichten einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Verfahrensschritte zur Herstellung eines gewölbten Glas- oder Glaskeramik-Artikels,

3C und 3D anhand schematischer Ansichten einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Verfahrensschritte zur Herstellung eines gewölbten Artikels, und

4 die Abhängigkeit der mittleren Bruchfallhöhe von der Dicke glaskeramischer Artikel.

In 1 ist eine Querschnittansicht einer Levitationsunterlage in Form einer als Ganzes mit 1 bezeichneten Membran dargestellt. Die Membran ist vorzugsweise durch Extrudieren eines geeigneten Materials, wie etwa einer temperaturfesten Keramik hergestellt. Die Membran 1 weist eine Anzahl von Kammern 51, 52, 53, 71, 72, 73 auf, die unterhalb des auf einer Seite der Membran angeordneten zusammenhängenden Oberflächenbereichs 3 in der Membran angeordnet sind. Dabei werden die Kammern 51, 52, 53 als Gaszuführungskammern und die Kammern 71, 72, 73 als Gasabführkammern für das Levitationsgas des Gaskissens, welches sich zwischen einem zu keramisierenden Ausgangsglaskörper und der zusammenhängenden Oberfläche 3 der Membran durch Zuführen des Levitationsgases über die Kammern 51, 52, 53 ausbildet. 1 zeigt zur Verdeutlichung einen sich oberhalb des Oberflächenbereichs 3 in Levitation auf einem Gaskissen oder Gasfilm 13 befindlichen Ausgangsglaskörper 11 in Form einer beidseitig ebenen Platte.

Der Oberflächenbereich 3 ist perforiert und weist als Perforation Gaszufuhrkanäle 91, 92, 93 und Gasabfuhrkanäle 101, 102, 103 auf. Die Zufuhr und Abfuhr des Levitationsgases erfolgt über die mit dem Oberflächenbereich 3 und den Kammern 51, 52, 53 und 71, 72, 73 in Verbindung stehenden Gaszufuhrkanälen 91, 92, 93 und Gasabfuhrkanälen 101, 102, 103. Die Gasflußrichtung ist in 1 durch Pfeile dargestellt. Zwischen den Kammern 51, 52, 53 und 71, 72, 73 wird dazu eine Druckdifferenz erzeugt, wobei in den Gaszuführungskammern 51, 52, 53 ein höherer Druck als in den Gasabfuhrkammern 71, 72, 73 eingestellt wird. Zum Keramisieren kann der Ausgangsglaskörper dann beispielsweise elektrisch beheizt werden, um Niederschlag zu vermeiden. Mit einem nicht dargestellten Filter kann das Levitationsgas vor Eintritt in die Gaszuführungskammern gereinigt werden, so daß dieses beispielsweise im wesentlichen frei von Schwebeteilchen ist, die sich im erweichten Zustand des Ausgangsglaskörpers auf dessen Oberfläche ablagern können.

Das Levitationsgas kann vorteilhaft mit einer entsprechenden Einrichtung umgewälzt werden. Dazu wird das Gas der Umgebung des Ausgangsglaskörpers 11, etwa einem Ofenraum, in dem die Membran angeordnet ist, entnommen und der Membran 1 wieder zugeführt, um so einen guten Temperaturausgleich zwischen dem Gaskissen und der Umgebung des levitierend gelagerten Ausgangsglaskörpers 11 zu erreichen.

Der Ausgangsglaskörper 11 wird auf dem Gaskissen 13 über der Membran 1 insbesondere dann gelagert, wenn dieser schrumpft oder sich ausdehnt und/oder niedrige Viskositäten aufweist, bei welchen der Ausganasglaskörper ansonsten an der Unterlage anhaften könnte. Schrumpf- und Wachstumsprozesse finden insbesondere während des Kristallwachstums statt. Auch während der Kristallwachstumsphase ist das levitierende Lagern allgemein günstig für die Qualität der erfindungsgemäß hergestellten Artikel, da durch die Lagerung auf dem Gaskissen eine besonders homogene Temperaturverteilung entlang der Oberfläche und minimale Temperaturdifferenzen zwischen Ober- und Unterseite des Glaskörpers erreicht werden können.

2 zeigt eine Aufsicht auf die zusammenhängende Oberfläche einer Ausführungsform einer Levitationsunterlage 1 in Form einer Membran. Der Oberflächenbereich 3 der Levitationsunterlage 1 weist Gaszufuhrbereiche 151, 152, 153, an welchen Levitationsgas für das Gaskissen zugeführt wird und Gasabführbereiche 171, 172, 173 auf, an welchem Gas des Gaskissens zumindest teilweise abgeführt wird. Die Bereiche 151, 152, 153, 171, 172, 173 sind in 2 durch gestrichelte Linien markiert. Die Gaszufuhr erfolgt über in den Gaszuführbereichen 151, 152, 153 angeordnete Gaszuführkanäle 95 und die Gasabfuhr über in den Gasabführbereichen angeordnete Gasabfuhrkanäle 105. Der Übersichtlichkeit halber sind in 2 nur einige der Kanäle 95 und 105 bezeichnet. Wie in 1 dargestellt, sind die Kanäle 95 und 105 mit unter dem Oberflächenbereich 3 angeordneten Kammern verbunden. Insbesondere sind die Kammern 5153, 7173 als geschlossene Kanäle ausgebildet, welche sich in Richtung entlang der Auflagefläche im Inneren der Membran 3 unterhalb der Gaszufuhr- und Gasabfuhrbereiche erstrecken. Die Kanäle sind dabei auch gegenüber der Bodenfläche der Membran 1, die der Auflagefläche für das Ausgangsglas 11 gegenüberliegt, geschlossen, so daß eine Wärmebarriere zur Unterseite der Membran 1 vorhanden ist.

Die 3A und 3B, sowie 3C und 3D zeigen anhand schematischer Ansichten zweier Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Verfahrensschritte zur Herstellung eines gewölbten Glas- oder Glaskeramik-Artikels. Zunächst wird ein plattenförmiger Ausgangsglaskörper 11 in üblicher Weise durch Heißformgebung geformt. Dieser wird anschließend in einen Levitationsofen 19 mit einer darin angeordneten Levitationsunterlage in Form einer Membran 1 gebracht, so daß sich der Ausgangsglaskörper 11, wie in 3A dargestellt ist, oberhalb des Oberflächenbereichs 3 befindet. Die Membran 1 ist ähnlich aufgebaut, wie es in den 1 und 2 dargestellt ist. Im Unterschied zu den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen weist die in den 3A bis 3D gezeigte Ausführungsform der Membran 1 einen gewölbten Oberflächenbereich 3 auf. Dieser ist in den 3A und 3B beispielhaft als konvex gewölbter Oberflächenbereich dargestellt. Ebenso ist jedoch auch eine konkave Wölbung oder eine Kombination aus konvex und konkav gewölbten Bereichen, wie beispielsweise bei einer wellenförmigen Oberfläche möglich. Die 3C und 3D zeigen eine Ausführungsform mit konkav gewölbtem Oberflächenbereich.

Um den Ausgangsglaskörper oberhalb der Levitatonsunterlage 1 in Schwebe zu halten und so einen Kontakt mit der Unterlage 1 zu vermeiden, wird durch Gaszuführung über die Gaszuführbereiche des Oberflächenbereichs 3 ein Gaskissen zwischen der Unterlage und dem Ausgangsglaskörper 11 erzeugt. Dieser kann vorteilhaft zusätzlich seitlich leicht gehalten oder geführt werden, um ein Wegdriften des Körpers zu vermeiden. Eine solche Halterung oder Führung erfordert während der levitierenden Lagerung nur minimale Haltekräfte. Damit können die Berühungspunkte mit der Halte- oder Führungseinrichtung sehr klein gehalten werden, so daß eine vollflächige Keramisierung des Ausgangsglaskörpers erreicht wird.

Anschließend wird mittels einer im Levitationsofen angeordneten elektrischen Heizvorrichtung 21 der Ausgangsglaskörper so weit erhitzt, daß dieser erweicht. Infolge der am Ausgangsglaskörper angreifenden Schwerkraft wölbt sich dieser ebenfalls, wobei sich die weiter von der Levitationsunterlage 1 entfernten Bereiche des Ausgangsglaskörpers absenken, bis durch das Gaskissen eine im wesentlichen homogene Druckverteilung hergestellt ist. Diesen Zustand zeigt 3B, beziehungsweise 3D. Das Keramisieren auf der Unterlage 1 kann mit dem Wölbungsvorgang einhergehen oder auch anschließend vorgenommen werden. Insbesondere während des Keimbildungsprozesses wird das Glas im allgemeinen sehr weich und kann in einfacher Weise während dieser Phase durch Schwerkraftsenken gewölbt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Membran eine einachsig, beziehungsweise entlang einer Richung gekrümmte Oberfläche auf, so daß entsprechend einachsig gewölbte glaskeramische Artikel erhalten werden.

Im folgenden werden die Eigenschaften von erfindungsgemäß hergestellten Glas- oder Glaskeramik-Artikeln anhand von Anwendungsbeispielen beispielhaft weiter erläutert.

Bei einem ersten erfindungsgemäß hergestellten plattenförmigen Artikel von 5 Millimetern Dicke lagen die erreichten Festigkeitswerte bei einer Bruchfestigkeit bei über 140 Zentimetern Fallhöhe im Mittel. Die Zusammensetzung des glaskeramischen Materials dieses Artikels entsprach dabei dem Glastyp 2. Dieser Wert für eine 5 mm dicke Glasplatte übersteigt die Werte von 60 cm Fallhöhe, die sonst üblicherweise bei nicht vorgespannten Glaskeramikplatten dieser Dicke gemessen werden, um mehr als das doppelte.

Bei einem weiteren 3 Millimeter starken plattenförmigen Glaskeramik-Artikel mit einer dem Glastyp 1 entspechenden Zusammensetzung der Glaskeramik wurde eine mittlere Bruchfallhöhe von über 80 cm ermittelt. Eine mittlere Bruchfallhöhe von zumindest 55 Zentimetern oder von 18 cm pro Millimeter Dicke des Glaskeramik-Artikels wird bei erfindungsgemäß hergestelltem, plattenförmigen Glaskeramikmaterial problemlos erreicht oder sogar, wie obiges Beispiel zeigt, weit überschritten.

Auch hier ist die bei der mittleren Bruchfestigkeit erreichbare Fallhöhe etwa doppelt so hoch wie die bei bekannten Glaskeramik-Artikeln sonst erreichbare Fallhöhe von ca. 40 cm.

Die gemessenen Werte sind nochmals genauer in nachstehender Tabelle aufgeführt.

Anhand dieser Tabelle wird deutlich, daß die erfindungsgemäß hergestellten Platten aufgrund des neuen Keramisierungsverfahres auf einer Levitationssunterlage mit zusammenhängender Oberfläche und Gaszufuhr- und Gasabfuhrbereichen und der damit erreichten hohen Druckhomogenität im Gaskissen und die gleichmäßige Temperaturverteilung im Ausgangsglaskörper eine erheblich höhere Festigkeit erreicht wird. Die angegebenen Meßwerte wurden ohne zusätzliche chemische Vorspannung erreicht.

Im folgenden wird auf die 4 Bezug genommen, welche die Abhängigkeit der mittleren Bruchfallhöhe von der Dicke glaskeramischer Artikel anhand gemessener Werte zeigt. Dabei sind jeweils Werte herkömmlich hergestellter Glaskeramikplatten und erfindungsgemäßer Glaskeramik-Artikel dargestellt. Anhand dieses Diagramms wird nochmals deutlich, daß ein erfindungsgemäß hergestellter Glaskeramik-Artikel einen auf herkömmliche Weise auf einer Unterlage aufliegend und in Kontakt mit der Unterlage keramisierten Glaskeramik-Artikel in der Festigkeit bei weitem übertrifft.

Anhand der Meßwerte der herkömmlich hergestellten Platten und der 4 zeigt sich auch die lineare Korrelation der Plattendicke mit der mittleren Bruchfallhöhe. So weisen die getesteten, herkömmlich hergestellten Glaskeramik-Platten nach dieser linearen Beziehung eine mittlere Bruchfallhöhe von etwa 12,5 cm pro Millimeter Plattendicke auf, entsprechend der mit "A" bezeichneten Geraden. Demgegenüber zeigen die in 4 gezeigten Meßwerte der getesteten erfindungsgemäßen glaskeramischen Platten eine mittlere Bruchfallhöhe von etwa 28,5 cm pro Millimeter Plattendicke. Die mit "B" bezeichnete Gerade ist gemäß dieser Beziehung errechnet. Diese erzielten Festigkeitswerte liegen oberhalb der mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erzielbaren Mindestwerte von 15, 18, 20 oder 25 Zentimeter mittlerer Bruchfallhöhe pro Millimeter Plattendicke. Die Platten für den Falltest wurden in einer Versuchsanordnung keramisiert. Bei einer großtechnischen Anwendung können dabei die Temperaturhomogenität und die Homogenität des Druckprofils weiter verbessert werden, so daß auch mittlere Bruchfallhöhen von 30 cm pro Millimeter Plattendicke oder sogar darüber möglich sind.

Die erheblich erhöhte Festigkeit erfindungsgemäß hergestellter Platten ist an den Ausführungsbeispielen mit den Plattendicken 3 mm und 5 mm demonstriert worden. Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass auch erfindungsgemäß hergestellte Platten mit einer anderen Plattendicke, beispielsweise zwischen 3 mm und 5 mm eine entsprechende erhöhte Festigkeit aufweisen. Die erhöhte Festigkeit von erfindungsgemäß hergestellten Platten mit Dicken zwischen 3 mm und 5 mm lassen sich anhand einschlägiger Literatur interpolieren. (Siehe z. B.: J.L. Glathart, F.W. Preston: The behaviour of Blass under impact; in: Glass Technology, 1968). Demnach ergeben sich für Plattendicken zwischen 3 und 5 mm erhöhte Festigkeiten, die sich aus den Festigkeitswerten der Ausführungsbeispiele linear interpolieren lassen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung von Glas- oder Glaskeramik-Artikeln, welches die Schritte umfaßt:

    – Herstellen eines Ausgangsglaskörpers (11),

    – Lagern des Ausgangsglaskörpers (11) auf einem Gaskissen (13) zwischen einer Levitationsunterlage (1) und dem Ausgangsglaskörper (11), sowie

    – zumindest teilweise Keramisieren des Ausgangsglaskörpers (11) auf der Levitationsunterlage (1),

    wobei die Levitationsunterlage zumindest einen zusammenhängenden Oberflächenbereich (3) mit zumindest einem Gaszufuhrbereich (151, 152, 153), an welchen Levitationsgas für das Gaskissen (13) aus der Levitationsunterlage heraus zugeführt wird und zumindest einen Gasabführbereich (171, 172, 173) aufweist, an welchem Gas des Gaskissens (13) zumindest teilweise in die Levitationsunterlage hinein abgeführt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Levitationsgas über zumindest eine Gaszufuhrkammer (5155) zugeführt und über zumindest eine Gasabfuhrkammer (7175) abgeführt wird, die jeweils geschlossene Kanäle umfassen, welche sich in Richtung entlang einer Auflagefläche im Inneren der Levitationsunterlage erstrecken.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Levitationsgas in der Gaszufuhrkammer (5155) und der Gasabfuhrkammer in der Membran quer zur Normalen der Auflagefläche, insbesondere in Richtung entlang der Auflagefläche strömt.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Levitationsgas beim Durchströmen der Gaszufuhrkammer (5155) oder der Gasabfuhrkammer (7175) einen Druckabfall von höchstens 0,5 mBar erfährt.
  5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest teilweise Keramisieren des Ausgangsglases das Keimbilden umfaßt.
  6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Levitationsunterlage (1) zumindest eine Membran mit einem zusammenhängenden Oberflächenbereich (3) und zumindest einer Gaszufuhr- (51, 52, 53) und zumindest einer Gasabfuhrkammer (71, 72, 73) aufweist und wobei zur Gaszufuhr und Gasabfuhr zwischen Gaszufuhrkammer (51, 52, 53) und Gaszuführungsbereich (151, 152, 153) und zwischen Gasabfuhrkammer (71, 72, 73) und Gasabfuhrbereich (171, 172, 173) jeweils ein Druckgefälle eingestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckgefälle zwischen Gaszufuhr- (51, 52, 53) und Gasabfuhrkammer (71, 72, 73) eingestellt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramisieren des Ausgangsglaskörpers (11) das elektrische Beheizen des Ausgangsglaskörpers umfaßt.
  9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramisieren des Ausgangsglaskörpers (11)

    – das Aufheizen des Ausgangsglaskörpers auf eine Temperatur T1 in einem Bereich von 650 bis 800 °C,

    – das Erhitzen auf eine Temperatur T2 in einem Bereich von 850 bis 950°C, und

    – das Abtempern auf Raumtemperatur umfaßt.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsglaskörper (11) nach dem Aufheizen auf die Temperatur T1 für eine Dauer von bis zu 4 Stunden auf dieser Temperatur gehalten wird.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsglaskörper (11) nach dem Erhitzen auf eine Temperatur T2 für eine Dauer von bis zu 50 Minuten auf dieser Temperatur gehalten wird.
  12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Herstellen des Ausgangsglaskörpers (11) das Abtrennen von Abschnitten von einem Ausgangsglasband umfassen.
  13. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ausgangsglaskörper (11) in Form einer beidseitig ebenen Glasplatte hergestellt wird.
  14. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ausgangsglaskörper in Form einer insbesondere einseitig genoppten Glasplatte hergestellt wird.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei während einer Heißformgebung eine genoppte Struktur über eine genoppte Walze auf eine Seite eines Vorglasbandes eingeprägt wird.
  16. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Herstellen eines Ausgangsglaskörpers (11) das Läutern des Ausgangsglases umfaßt.
  17. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Levitationsgas gereinigt wird.
  18. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Levitationsunterlage (1) eine gewölbte Oberflächeaufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsglaskörper (11) in erwärmtem Zustand durch Schwerkraftsenken über der Levitationsunterlage (1) gewölbt wird.
  19. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsglaskörper (11) einachsig verwölbt wird.
  20. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsglaskörper (11) levitierend auf dem Gaskissen gelagert wird, während dieser schrumpft oder sich ausdehnt.
  21. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsglaskörper (11) vollflächig keramisiert wird.
  22. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Levitationsgas zumindest teilweise umgewälzt wird
  23. Glas- oder Glaskeramik-Artikel, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche herstellbar ist.
  24. Glas- oder Glaskeramik-Artikel, insbesondere gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas- oder Glaskeramik-Artikel insbesondere in einem Bereich zwischen 3 und 5 Millimetern Dicke bei einem Format von 10 × 10 cm und einem Stahlkugelfalltest mit einer Stahlkugel der Masse 200 g eine mittlere Bruchfallhöhe aufweist, die zumindest 15 cm pro Millimeter Dicke, insbesondere zumindest 18 cm pro Millimeter Dicke des Glas- oder Glaskeramik-Artikels beträgt.
  25. Glas- oder Glaskeramik-Artikel, insbesondere gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas- oder Glaskeramik-Artikel insbesondere in einem Bereich zwischen 3 und 5 Millimetern Dicke bei einem Format von 10 × 10 cm und einem Stahlkugelfalltest mit einer Stahlkugel der Masse 200 g eine mittlere Bruchfallhöhe aufweist, die zumindest 20 cm pro Millimeter Dicke, insbesondere zumindest 25 cm pro Millimeter Dicke des Glas- oder Glaskeramik-Artikels beträgt.
  26. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas- oder Glaskeramik-Artikel insbesondere in einem Bereich zwischen 3 und 5 Millimetern Dicke bei einem Format von 10 × 10 cm und einem Stahlkugelfalltest mit einer Stahlkugel der Masse 200 g eine mittlere Bruchfallhöhe aufweist, die zumindest 30 cm pro Millimeter Dicke des Glas- oder Glaskeramik-Artikels beträgt.
  27. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material umfaßt, welches insbesondere in Form einer 3 Millimeter dicken, beidseitig ebenen Platte vom Format 10 × 10 cm und in einem Stahlkugelfalltest mit einer Stahlkugel der Masse 200 g im Mittel bei einer Fallhöhe von höher als 45 Zentimeter bruchfest ist.
  28. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material umfaßt, welches in Form einer 3 Millimeter dicken, beidseitig ebenen Platte vom Format 10 × 10 cm und in einem Stahlkugelfalltest mit einer Stahlkugel der Masse 200 g im Mittel bei einer Fallhöhe von mindestens 80 Zentimeter bruchfest ist.
  29. Glas- oder Glaskeramik-Artikel, insbesondere nach Anspruch 20, welcher ein Material umfaßt, welches in Form einer 5 Millimeter dicken, beidseitig ebenen Platte vom Format 10 × 10 cm und in einem Stahlkugelfalltest mit einer Stahlkugel der Masse 200 g im Mittel bei einer Fallhöhe von mindestens 140 Zentimeter bruchfest ist.
  30. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material umfaßt, welches in Form einer beidseitig ebenen Platte vom Format 10 × 10 cm und mit einer Dicke in einem Bereich von 3 bis 5 Millimetern in einem Stahlkugelfalltest mit einer Stahlkugel der Masse 200 g im Mittel bei einer Fallhöhe von mindestens x Zentimeter bruchfest ist, wobei sich x aus der Interpolationsbeziehung ergibt: x = (140cm – 55 cm)/2 mm·(Plattendicke in mm – 3 mm) + 55 cm.
  31. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der Ansprüche 21 bis 28, welcher eine beidseitig glatte Platte umfaßt.
  32. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der Ansprüche 21 bis 28, welcher eine einseitig genoppte Platte umfaßt.
  33. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Artikel eine feuerpolierte Oberfläche aufweist.
  34. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher eine gewölbte Platte umfaßt.
  35. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas- oder Glaskeramik-Artikel eine einachsige Wölbung aufweist.
  36. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material aus zumindest einem der Systeme

    SiO2-Al2O3-Li2O,

    SiO2-Al2O3-MgO,

    SiO2-Al2O3-BaO umfaßt.
  37. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material umfaßt, welches zumindest eines der Oxide TiO2, ZrO2, P2O5 aufweist.
  38. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material umfaßt, welches folgende Komponenten in Gewichtsprozent aufweist: Li2O 2,5–5,5 % Na2O 0–3,0 %, K2O 0–3,0 % &Sgr;Na2O + K2O 0–4,0 % MgO 0–3,0 % CaO 0–2,5 % SrO 0–2 % BaO 0–3,5 % ZnO 0–3,5 % Al2O3 18–27 % SiO2 52–75 % TiO2 1,0–5,5 % ZrO2 0–3,0 % SnO2 < 1,0 %, &Sgr; TiO2 + ZrO2 + SnO2 2,0–6,0 % P2O5 0–8,0 %
  39. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material umfaßt, welches folgende Komponenten: Komponente: Anteil: SiO2 65,5 Al2O3 23,2 Li2O 3,3 Na2O 0,4 MgO 0,5
    BaO 0,05 ZnO 0,05 ZrO2 2,2 TiO2 2,09 As2O3 1,13 P2O5 1,3 K2O 0,3 V2O3 0,03
    oder folgende Komponenten: Komponente: Anteil: SiO2 67,5 Al2O3 20 Na2O 0,1 MgO 1,1 BaO 0,9 ZnO 1,6 ZrO2 1,8 TiO2 2,7 As2O3 0,81 K2O 0,2
    in Gewichtsprozent aufweist.
  40. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material umfaßt, welches zumindest eines der Läutermittel As2O3, Sb2O3 CeO2, SnO2 aufweist.
  41. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material umfaßt, das zumindest ein Farboxid aufweist.
  42. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material umfaßt, dessen Zusammensetzung 0,02 bis 0,6 Gewichtsprozent V2O5 umfaßt.
  43. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ein Material umfaßt, dessen Zusammensetzung zumindest eine Verbindung aus einer Gruppe aufweist, die Cr-, Mn-, Fe-, Co-, Cu-, Ni-, Se-, Cl-Verbindungen umfaßt.
  44. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der glaskeramische Artikel vollflächig keramisiert ist.
  45. Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der glaskeramische Artikel nicht chemisch vorgespannt ist.
  46. Herdplatte, umfassend einen Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der Ansprüche 23 bis 45.
  47. Feuerschutz-Scheibe, umfassend einen Glas- oder Glaskeramik-Artikel gemäß einem der Ansprüche 23 bis 45.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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