DE10131245A1

DE10131245A1 - Keramischer Formkörper mit vertieftem Dekor

Info

Publication number: DE10131245A1
Application number: DE2001131245
Authority: DE
Inventors: Lorenz Sigl; Dietrich Lange
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-01-30

Abstract

Keramischer Formkörper aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid mit einer Oberfläche, die mit einer dekorativen Beschichtung, ausgewählt aus der Gruppe Glas, Glaskeramik und deren Mischungen, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen versehen ist und die dekorative Beschichtung nur in den Vertiefungen vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft beschichtete Formkörper aus Nichtoxidkeramik und Verfahren zu ihrer Herstellung.
Formkörper aus Siliciumnitrid oder Silicumcarbid zeichnen sich durch ihre hohe Härte und eine damit verbundene hohe Verschleißfestigkeit aus. Ein Nachteil dieser keramischen Werkstoffe ist, daß ihre Eigenfarbe nur in bestimmten Grenzen geändert werden kann und sich dadurch Einschränkungen bei der Gestaltung der Oberflächen ergeben. Siliciumnitrid besitzt in der Regel eine graue Eigenfarbe, die eine Palette beginnend bei sehr hellen, elfenbeinfarbenen Tönen über mittelgraue bis zu sehr dunklen, nahezu schwarzen Grautönen umfaßt. Siliciumcarbid ist in der Regel dunkelgrau bis schwarz.

In der Patentliteratur und in Fachzeitschriften wurde die Verwendung von Silciumnitrid und Siliciumcarbid als elektrisch beheizte Formkörper zum Kochen und Erwärmen von Speisen beschrieben. DE 37 28 466 A1 (E. G. O., Anmeldetag 26.8.87) beschreibt ein Kochgerät, bei dem die Heizplatte aus Siliciumnitrid bestehen kann. EP 0783 830 B1 (Maravic, Priorität 20.09.94) beschreibt ein elektrisches Heizelement, dessen elektrisch isolierende Baukomponente in einer Ausführungsform aus Siliciumnitrid besteht, auf das ein elektrischer Heizleiter appliziert ist. WO 97/03030 (Negawatt GmbH, Anmeldetag 9.7.96) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch isolierendem Siliciumcarbid, das durch Flüssigphasensintern hergestellt wird und als elektrisch beheizbarer Formkörper eingesetzt werden kann. DE 296 17 732 U1 (AKO, Anmeldetag 12.10.96) offenbart Kochplatten aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid. DE 197 01 640 A1 (E. G. O., Anmeldetag 18.01.97) offenbart ein Kochsystem mit Platten aus nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliciumnitrid. Im Vergleich zu Glaskeramik besitzen Siliciumnitrid und Siliciumcarbid eine optisch unattraktive Oberfläche. Dieser Umstand behindert die Akzeptanz von Heizplatten aus diesen Werkstoffen beim Endanwender. Weiterhin besitzen Siliciumnitrid und flüssigphasengesintertes Siliciumcarbid eine unerwünschte Neigung zu optischer Inhomogenität, die sich auf hartbearbeiteten Oberflächen durch diverse fleckenartige Muster manifestiert. Unter Inhomogenitäten sind dabei nicht gewollte und durch den Produktionsprozeß kaum steuerbare optische Unregelmäßigkeiten der Oberflächenfarbe des Werkstoffs zu verstehen. Es ist bekannt, daß die Oberfläche glaskeramischer Kochplatten durch Applizieren eines glasartigen Dekors grafisch mit dekorativen bzw. funktionalen Mustern mit Hilfe bekannter Verfahren der Glastechnologie gestaltet werden kann. Es wurden deshalb Verfahren entwickelt, um die Oberfläche von ingenieurkeramischen Werkstoffen optisch ansprechender zu gestalten. Z. B. werden in DE 198 52 366 A1 (SCHOTT) Schichten beschrieben, die auf Oberflächen von Formkörpern aus Keramik, vor allem solcher aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und Aluminiumoxid aufgebracht werden, mit dem Ziel, die Oberfläche ebener zu machen sowie das Aussehen positiv zu beeinflussen. Die dort beschriebenen Schichten sind jedoch wesentlich weicher als die Substratmaterialien, so daß die Abrasionsbeständigkeit des Basismaterials stark reduziert wird. In DE 197 12 918 C1 (FHG-IKTS) wird ein Verfahren zur Beschichtung eines nichtoxidischen Keramikwerkstoffs beschrieben, der Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid oder ein Gemisch dieser Komponenten sein kann, welcher an der Oberfläche zumindest teilweise mit einer überwiegend silikatischen Glasur versehen ist. Die dort beschriebenen Schichten sind aber ebenfalls wesentlich weicher als die Substratmaterialien, wodurch die Abrasionsbeständigkeit des Basismaterials nicht zur Wirkung kommen kann.

In DE 100 08 646 (Anmleder Elektroschmelzwerk Kempten GmbH) wird ebenfalls ein Verfahren beschrieben um dekorative Schichten auf der Basis von keramischen Dekoren auf Heizplatten aus Siliciumnitrid aufzubringen. Als Beschichtung werden vorzugsweise handelsübliche Produkte, wie sie in der keramischen Industrie zum Glasieren und Dekorieren von Porzellan und ähnlichen keramischen Materialien üblich sind, verwendet. Auch für diese Schichten gilt, daß sie weicher als das Substratmaterial und deshalb empfindlicher gegen Verkratzen sind.

Wenn durch den Gebrauch der beschichteten keramischen Formkörper die Oberflächenschicht geschwächt oder entfernt wird, verschlechtern sich die Gebrauchseigenschaften und/oder das Aussehen der Formkörper.

Es stellt sich daher die Aufgabe einen keramischen Formkörper aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid mit einer dekorativen Oberflächenbeschichtung, ausgewählt aus der Gruppe Glas, Glaskeramik und deren Mischungen, zur Verfügung zu stellen, der die o. g. Nachteile nicht aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des keramischen Formkörpers mit einer Vielzahl von Vertiefungen versehen ist und die dekorative Beschichtung nur in den Vertiefungen vorhanden ist.

Diese Anordnung bewirkt, daß die Oberflächenbeschichtung dekorativ wirksam, aber dem Verschleiß durch übliche Belastungen weniger ausgesetzt ist.

Die Vertiefungen besitzen vorzugsweise eine Tiefe von < 200 µm, besonders bevorzugt < 100 µm, insbesondere bevorzugt < 50 µm.

Die Vertiefungen besitzen einen beschränkten Flächenanteil an der dekorierten Oberfläche von vorzugsweise < 80%, besonders bevorzugt < 50%.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Vertiefungen zeichnet sich dadurch aus, daß die Vertiefungen eine rechteckige Querschnittsform besitzen. Eine mögliche Ausführungsform eines solchen Querschnitts ist in Fig. 1a dargestellt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vertiefungen zeichnet sich dadurch aus, daß die Vertiefungen eine Querschnittsform besitzen, die aus mehreren rillenartigen, parallel angeordneten Einzelvertiefungen zusammengesetzt ist. Eine mögliche Ausführungsform eines solchen Querschnitts ist in Fig. 1b dargestellt.

Die flächige Gestaltung der Geometrie (Form) der Vertiefungen unterliegt keinen Einschränkungen und kann in beliebigen Mustern erfolgen. Es ist jedoch vorteilhaft die Länge und Breite der Vertiefungen derart auszuführen, daß die abrasive Wirkung von üblichen Belastungen (z. B. durch Werkzeuge, Scheuermitteln und dergleichen) nur eingeschränkt zur Entfaltung kommt. Dies wird dadurch erreicht, daß die laterale Ausdehnung der Vertiefungen, d. h. ihre Länge oder Breite, vorzugsweise auf Abmessungen < 2 mm, besonders bevorzugt auf < 1 mm beschränkt wird.

In einer Ausführungsform sind die Vertiefungen so ausgebildet, daß sie ein zusammenhängendes Netz bilden.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Vertiefungen so ausgebildet, daß sie kein zusammenhängendes Netz bilden, sondern durch Brücken des Materials des keramischen Formkörpers isoliert vorliegen.

Die erfindungsgemäßen Formkörper werden hergestellt, indem in einen üblichen Formköper aus Siliziumnitrid oder Siliciumcarbid oberflächliche Vertiefungen eingebracht werden und diese Vertiefungen mit einer dekorativ wirksamen Oberflächenbeschichtung versehen werden.

Als Siliciumnitrid wird vorzugsweise gasdruckgesintertes Siliciumnitrid (SSN), reaktionsgebundenes und nachgesintertes Siliciumnitrid (SRBSN), heißisostatisch gepresstes Siliciumnitrid (HIPSN) oder heißgepresstes Siliciumnitrid (HPSN) verwendet. Als Siliciumcarbid wird vorzugsweise gesintertes Siliciumnitrid (SSiC), flüssigphasengesintertes Siliciumcarbid (LPSSiC), heißgepresstes Siliciumcarbid (HPSiC) oder heißisostatisch gepresstes Siliciumcarbid (HIPSiC), oder reaktionsgebundenes Siliciumcarbid (SiSiC) verwendet. Solche Materialien sind im Stand der Technik bekannt.

Zur Erzeugung von Vertiefungen in die Oberflächen harter Werkstoffe wie Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid, sind zahlreiche Verfahren gebräuchlich. Zu den üblichen Verfahren zum Einbringen flacher Vertiefungen zählen u. a. das Schleifen der Oberflächen mit Diamantwerkzeugen oder die Bearbeitung mit Laserstrahlen. Diese Bearbeitungsmethoden werden zur Einbringung der oben beschriebenen Vertiefungen bevorzugt verwendet.

Als Beschichtung werden vorzugsweise handelsübliche Produkte, wie sie in der keramischen Industrie zum Glasieren und Dekorieren von Porzellan und ähnlichen keramischen Materialien üblich sind, verwendet. Solche keramische Dekorschichten sind seit langem bekannt, siehe z. B. Stefan Stefanov und Svetlan Batschwarow: "Keramik-Glasuren", Bauverlag GmbH, Wiesbaden und Berlin, ISBN 3-7625-2600-1, 1988 oder Taylor, J. R., Bull, A. C., "Ceramic Glaze Technology", Pergamon Press, Oxford, 1986, ISBN 0-08-033465-2. Das Beschichtungsmaterial ist ausgewählt aus der Gruppe Glas, Glaskeramik und deren Mischungen. Bevorzugt umfaßt das Beschichtungsmaterial in der Glasurtechnik übliche Glasurschmelzen, z. B. Oxide wie beispielsweise Oxide der Elemente Lithium, Natrium, Magnesium, Aluminium, Silicium, Bor, Kalium, Kalzium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Strontium, Yttrium, Zirkon, Niob, Molybdän, Lanthan und Lanthaniden, Hafnium, Tantal, Wolfram oder Mischungen dieser Oxide. Wenn das Beschichtungsmaterial gefärbt sein soll, umfaßt es farbgebende Substanzen. Als farbgebende Substanzen werden vorzugsweise Farbpigmente aus Oxiden oder Mischoxiden der Elemente Eisen, Kobalt, Kupfer, Mangan, Chrom, Nickel, Zinn, Zirkon, Vanadium, Antimon, Titan, Cadmium, Selen, Praseodym, Neodym, Wismut, Molybdän, Gold, Palladium, Silber, Platin, Iridium oder kolloidal verteilte Metallpartikel der Elemente Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Rhenium, Eisen, Ruthenium, Osmium, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber, Gold, Zink, Kadmium, Blei verwendet. Eine Färbung des Beschichtungsmaterials kann ebenso durch Ionenfärbung wie beispielsweise aus Weyl, W. A. Coloured Glasses, Society of Glass Technology, Sheffield, England, 1967, 2^nd. Edition, bekannt, erreicht werden. Zwischen den Glasurschmelzen und den farbgebenden Bestandteilen besteht eine gewisse Löslichkeit. Daher sind manche Substanzen sowohl "glasurbildend" als auch "farbgebend".

Besonders bevorzugt besteht die Beschichtung aus den genannten Oxiden sowie den gegebenenfalls darin enthaltenen farbgebenden Substanzen. Insbesondere bevorzugt ist die dekorative Beschichtung aus mindestens einer oxidischen Komponente und mindestens einer farbgebenden Pigmentkomponente aufgebaut.

Vorzugsweise hat die Beschichtung eine Dicke von weniger als 50 µm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 20 µm, und insbesondere bevorzugt zwischen 1 und 10 µm. Eine bevorzugte Ausführungsform der Beschichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Dicke der Schicht geringer als die Tiefe der Vertiefung ist. Zwei mögliche Ausführungsformen dieser bevorzugten Beschichtung sind in Fig. 1a und 1b dargstellt.

Bei Schichtdicken im besonders bevorzugten Bereich ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Beschichtung unmaßgeblich, während bei größeren Schichtdicken vorzugsweise Beschichtungsmaterialien mit einem dem Siliciumnitrid bzw. Siliciumcarbid angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten (0,5 × 10^-6 bis 5 × 10^-6 K^-1) verwendet werden.

Die Beschichtung des erfindungsgemäßen Formkörpers kann aus einer einzigen Schicht bestehen, sie kann jedoch auch aus einer mehrlagigen Schicht bestehen, wobei die einzelnen Schichten aus Glas- bzw. Glaskeramik mit oder ohne Farbpigmente oder deren Kombinationen bestehen.

Der erfindungsgemäße beschichtete Formkörper besitzt eine Temperaturbeständigkeit bis mindestens 350°C, wie sie z. B. für den Gebrauch als Kochplatte erforderlich ist. Seine Beschichtung verändert durch Temperatureinwirkung ihre wesentlichen Eigenschaften nicht. Aufgrund der geringen Dicke der Beschichtung besitzt der erfindungsgemäße Formkörper eine sehr gute thermische Leitfähigkeit und damit verbunden die Fähigkeit zur schnellen Wärmeübertragung. Aufgrund der Kombination der glatten Oberfläche des Substrates aus Siliciumnitrid oder Siliciumnitrid mit dem in den Vertiefungen sitzenden Dekor besitzt der erfindung.sgemäße Formkörper eine sehr gute Reinigungsfähigkeit. Aufgrund der Härte und Kratzfestigkeit der Substratoberfläche und der vertieften Position der Beschichtung sowie ihrer guten Haftung auf dem Substrat ist der erfindungsgemäße Formkörper dauerhaft gebrauchsfähig. Ein eventuell erzeugter Abrieb (etwa als Folge der Reinigung), ist nicht gesundheitsschädlich. Insbesondere enthält die Beschichtung keine löslichen Schwermetalle wie Blei oder Cadmium.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Formkörpers. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Vertiefungen im Substrat erzeugt werden und anschließend eine glas- oder glaskeramikbildende Schicht durch Spritzen, elektrostatische Beschichtung, Siebdruck, Schiebedruck, Stempeln, Tampondruck, Tauchen, Schleudern oder Rakeln derart auf den Formkörper aufgebracht wird, daß sich die glas- oder glaskeramikbildende Schicht nur in den Vertiefungen befindet und der beschichtete Formkörper anschließend bei Temperaturen zwischen 500 und 1500°C und Haltezeiten zwischen 0,25 und 200 min gebrannt, und anschließend abgekühlt wird.

Der Formkörper aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid kann vor dem Auftragen der glas- oder glaskeramikbildenden Schicht thermisch so behandelt werden, daß eine dünne SiO₂-Schicht an der Oberfläche entsteht. Dies kann beispielsweise durch Tempern des Formkörpers an Luft bei Temperaturen über 1000°C für 0,25 bis 6 Stunden erreicht werden.

Verfahren zum Aufbringen von Dekorschichten auf silikatkeramische Produkte sind in einschlägigen Lehrbüchern beschrieben, z. B. Stefan Stefanov und Svetlan Batschwarow: " Keramik- Glasuren", Bauverlag GmbH, Wiesbaden und Berlin, ISBN 3-7625- 2600-1, 1988 oder Taylor, J. R., Bull, A. C., "Ceramic Glaze Technology", Pergamon Press, Oxford, 1986, ISBN 0-08-033465-2. Diese Verfahren eignen sich überraschenderweise auch zum Aufbringen einer Beschichtung, umfassend ein Material, ausgewählt aus der Gruppe Glas, Glaskeramik und deren Mischungen, auf einen Siliciumnitridformkörper, obwohl dichtgesintertes Siliciumnitrid und Silicimcarbid nicht zu den silikatkeramischen Produkten gehören.

Diese Eignung ist auch deshalb unerwartet, da Silikatkeramische Produkte definitionsgemäß SiO₂ als einen wesentlichen Bestandteil enthalten, während Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid, welche zur Gruppe der Nichtoxidkeramiken zählen, SiO₂ nur in geringen Mengen als dünne, oberflächliche Oxidschicht enthalten.

Bei den Versuchen die zur vorliegenden Erfindung führten, zeigte sich, daß trotz der nur schwach ausgeprägten Oxidschicht von Siliciumnitrid- bzw. Silicimcarbid-Oberflächen ein festhaftendes und kratzbeständiges Dekor in die Vertiefungen der Oberfläche eingebracht werden kann.

Es wurde ferner beobachtet, daß sich die Beschichtungen auf Siliciumnitrid oder Silicimcarbid zum Teil anders verhalten als auf silikatkeramischen Produkten. Dieses andersartige Verhalten wird auf die verschiedene chemische Zusammensetzung von Siliciumnitrid bzw. Silicimcarbid und Silikatkeramik zurückgeführt. Es bedurfte daher einer Abänderung und spezifischen Anpassung der Brennbedingungen, wenn die Schicht auf Siliciumnitrid bzw. Silicimcarbid besonders festhaftend, glatt und kratzbeständig sein soll.

Ein solches bevorzugtes Verfahren stellt sich wie folgt dar: Mit Hilfe handelsüblicher Maschinen, wobei dieselben unter gebräuchlichen Bedingungen eingesetzt werden, erzeugt man flache Vertiefungen in der Oberfläche von Formkörpern aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid. Diese Oberflächen werden unter gebräuchlichen Bedingungen gereinigt.

Die üblichen Rohstoffe für die Herstellung der Beschichtung, umfassend ein Material, ausgewählt aus der Gruppe Glas, Glaskeramik und deren Mischungen, werden in üblicher Weise gemischt oder bereits verarbeitungsfertig bezogen. Beispielsweise werden Fritten durch Abschrecken von Glasschmelzen oder Aufmahlen von Glaskörpern hergestellt.

Die bereits genannten Oxide oder Oxidgemische können direkt oder in Form ihrer Vorprodukte wie z. B. Karbonate, Nitrate oder Sulfate eingesetzt werden. Fritten und die farbgebenden Substanzen werden innig gemischt, um eine vollständige Homogenisierung zu erreichen. Es ist auch möglich, anstatt der Fritte ein Oxidgemisch zu verwenden, welches erst beim Brand zur Glasschmelze reagiert.

Die entsprechenden Rohpulver werden in üblicher Weise gemischt und in eine für die gewählte Auftragstechnik geeignete Konsistenz gebracht.

Durch Variation der Mischungsverhältnisse von Fritte bzw. Oxidgemisch und farbgebender Substanz kann das Erscheinungsbild der späteren Beschichtung (Dekorschicht) beeinflußt werden. Wenn eine transparente Dekorschicht erreicht werden soll, kann auch die Fritte bzw. das Oxidgemisch allein auf die Siliciumnitrid-Platte aufgetragen werden.

Die pulverförmigen, pastenförmigen oder verflüssigten Mischungen werden mittels eines der bereits genannten Verfahren (Spritzen, elektrostatische Beschichtung, Siebdruck, Schiebedruck, Stempeln, Tampondruck, Tauchen oder Schleudern) in die Vertiefungen des Formkörper aus Siliciumnitrid bzw. Silicimcarbid eingebracht und anschließend ggf. getrocknet.

Der so erhaltene Formkörper wird anschließend einem Brennprozeß unterzogen. Die maximale Temperatur sowie die Aufheizrate, die Haltezeit und die Abkühlrate des sog. Dekorbrandes hängt von der verwendeten Fritte und dem Pigment ab. Vorzugsweise wird der Formköper mit einer Aufheizrate von 150 bis 2000 °C/Stunde besonders bevorzugt von 1000 bis 1500°C/Stunde auf eine Temperatur von 700 bis 1500°C vorzugsweise 800 bis 1200°C erhitzt. Die Haltezeit bei dieser Temperatur liegt vorzugsweise zwischen 0,25 und 150 min, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 10 min. Anschließend wird der Formkörper vorzugsweise mit einer Abkühlrate von 500 bis 3500°C/Stunde besonders bevorzugt von 900 bis 1800°C/Stunde abgekühlt. Diese Brennparameter werden üblicherweise als "Schnellbrand" bezeichnet.

Übliche Muffelöfen mit natürlicher Kühlung erreichen die geforderten Abkühlgeschwindigkeiten nicht, weswegen die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Öfen vorzugsweise mit einer Schnellkühleinrichtung versehen sind. Auch Durchschuböfen sind zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, da in ihnen die Bedingungen des Schnellbrandes realisiert werden können.

Es zeigte sich, daß bei Haltezeiten unter 5 Minuten und Temperaturen unter 1100°C eine oxidierende Atmosphäre gute Ergebnisse ergibt, während bei längeren Haltezeiten (über etwa 15 min) und Temperaturen über 1000°C eine oxidationshemmende Schutzgasatmosphäre (z. B. Argon- oder Stickstoffatmosphäre) vorteilhaft ist.

Während des Dekorbrandes schmilzt die Fritte oder das Oxidgemisch auf und bildet eine Schmelze. Diese Schmelze umschließt die eingelagerten Pigmente und stellt die Bindung mit dem Siliciumnitrid-Formkörper her.

Bei der Abkühlung erstarrt die Schmelze weitgehend amorph und bildet eine glatte, harte und glasartige Beschichtung in den Vertiefungen des Formkörpers aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid.

Die Beschichtung liegt nach dem Brand im wesentlichen in Form zweier Phasen vor:

a) eine glasig-amorphe Matrix und darin eingeschlossen
b) die farbgebenden Substanzen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Formkörper als Siliciumnitrid-Platte gestaltet und die Beschichtung nur auf einer Seite der Siliciumnitrid-Platte vorhanden. Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform auf der nicht beschichteten Seite der Siliciumnitrid-Platte unmittelbar ein elektrisch betriebener Heizleiter appliziert. Eine solche Ausführungsform eignet sich vorzugsweise als Heizplatte.

Die Erfindung betrifft somit auch einen Heizkörper bestehend aus einem erfindungsgemäßen Formkörper mit einem unmittelbar applizierten, elektrisch betriebenen Heizleiter.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formkörpers als Kochplatte zum Erwärmen, Kochen, Simmern, Braten, Grillen und Frittieren von Lebensmitteln sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formkörpers als Heizelement zum Erwärmen und kontrollierten Temperieren von Stoffen aller Art.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

In eine plangeschliffene Platte aus Siliciumnitrid (käuflich erhältlich unter der Bezeichnung SiNova® bei Fa. ESK GmbH, Kempten) mit einem Durchmesser von 188 mm und einer Dicke von 3,5 mm werden auf der zu beschichtenden Oberfläche mit einer handelsüblichen Laserbeschriftungsmaschine kreisförmigflächige Vertiefungen mit einem Durchmesser von ca. 2 mm so eingebracht, daß 40% der Plattenoberfläche aus vertieften Bereichen und 60% der Plattenoberfläche aus erhabenen Bereichen bestehen. Die kreisförmigen Vertiefungen bestehen aus einzelnen, streifenförmigen Segmenten mit einem U-förmigen Querschnitt. Diese Einzelvertiefungen mit einer Breite von ca. 150 µm und einer Tiefe von ca. 50 µm werden durch den Laserstrahl erzeugt; die Kreisform wird durch Aneinanderreihen entsprechend langer Streifen auf der numerische gesteuerten Laserbeschriftungsmaschine erzeugt (vgl. Fig. 2b).
Die Platte wird anschließend mechanisch und chemisch gründlich gereinigt, um evtl. anhaftende Verschmutzungen zu beseitigen. Die Reinigung erfolgt in einem Ultraschallbad bei 90°C Wassertemperatur unter Verwendung eines Reinigungsmittels. Zur Vorbereitung der Beschichtung wird der handelsübliche Farbkörper käuflich erhältlich unter der Bezeichnung CERDEC 771634 bei der Firma CERDECAG, Ceramic Colours, Gutleutstraße 215, 60039 Frankfurt/Main mit einem Siebdruckmedium, käuflich erhältlich unter der Bezeichnung CERDEC 80 396 bei der selben Firma im Verhältnis 2 : 1 gemischt. Dazu werden beide Komponenten auf einem Mischwalzenstuhl gemischt, bis die Mischung eine homogene, blasenfreie Konsistenz hat. Die Mischung wird nun auf ein Sieb (Stahl oder Nylon-Gewebe) gegeben, welches als Motivträger vorbereitet wurde. Mit einem Rakel wird die Mischung in die Vertiefungen der Platte übertragen.
Die Mischung wird in einer Menge aufgetragen, daß sich eine Schichtstärke (im feuchten Zustand) von ca. 15 µm ergibt. Die beschichtete Platte wird bei ca. 100°C im Umlufttrockenschrank 120 min getrocknet.
Zum Einbrennen der Beschichtung wird die Platte in einem elektrisch beheizten Durchschubofen mit folgendem Parametern behandelt: Aufheizen auf 825°C mit 1200°C/h Aufheizgeschwindigkeit, 3 Minuten Haltezeit bei 825°C, Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Abkühlrate von ca. 1500°C/h.
Das Ergebnis ist eine porenfreie, mechanisch feste Dekorschicht. Fig. 2a zeigt eine Übersichtsaufnahme und Fig. 2b einen Ausschnitt aus der Oberfläche des erfindungsgemäßen Formkörpers.
Der erfindungsgemäße Formkörper wurde anschließend einem praxisrelevanten Abrasionstest unterworfen. Dazu wurde der Formkörper mit einem zylindrischen Stahlkörper (Durchmesser 100 mm, Höhe 30 mm) mit einer spezifischen Flächenpressung von xx MPa belastet, wobei zwischen Formkörper und Belastungsplatte ein handelsübliches Reinigungsmittel (Handelsname "ATA") als angefeuchtete Paste eingbracht würde, und unter dieser Belastung 2500 Mal hin- und herbewegt. Fig. 2c zeigt eine Übersichtsaufnahme und Fig. 2d einen Ausschnitt aus der Oberfläche des erfindungsgemäßen Formkörpers nach dem Abrasionstest. Es ist im Vergleich zwischen Fig. 2a und 2c bzw. zwischen Fig. 2b und 2d deutlich erkennbar, daß diese Belastung keine erkennbaren Abrasionsspuren auf dem Formkörper hinterläßt.

Beispiel 2

Vergleichsbeispiel

Eine plangeschliffene Platte aus Siliciumnitrid mit einem Durchmesser von 188 mm und einer Dicke von 3,5 mm analog Beispiel 1 wird auf der zu beschichtenden Oberfläche mechanisch und chemisch gründlich gereinigt, um evtl. anhaftende Verschmutzungen zu beseitigen. Die Reinigung erfolgt in einem Ultraschallbad bei 90°C Wassertemperatur unter Verwendung eines Reinigungsmittels. Zur Vorbereitung der Beschichtung wird der handelsübliche Farbkörper käuflich erhältlich unter der Bezeichnung CERDEC 771634 bei der Firma CERDECAG, Ceramic Colours, Gutleutstraße 215, 60039 Frankfurt/Main mit einem Siebdruckmedium, käuflich erhältlich unter der Bezeichnung CERDEC 80 396 bei der selben Firma im Verhältnis 2 : 1 gemischt. Dazu werden beide Komponenten auf einem Mischwalzenstuhl gemischt, bis die Mischung eine homogene, blasenfreie Konsistenz hat. Die Mischung wird nun auf ein Sieb (Stahl oder Nylon- Gewebe) gegeben, welches als Motivträger vorbereitet wurde. Die Mischung wird in einer Menge aufgetragen, daß ein Muster analog zu Beispiel 1 entsteht, mit kreisförmigen Bereichen mit einem Durchmesser von ca. 2 mm und einer Schichtstärke (im feuchten Zustand) von 15 µm, wobei 40% der Plattenoberfläche aus dekorierten Bereichen bestehen und 60% der Plattenoberfläche unbeschichtet bleiben. Die beschichtete Platte wird bei ca. 100°C im Umlufttrockenschrank 120 min getrocknet.
Zum Einbrennen der Beschichtung wird die Platte in einem elektrisch beheizten Durchschubofen mit folgenden Parametern behandelt: Aufheizen auf 825°C mit 1200°C/h Aufheizgeschwindigkeit, 3 Minuten Haltezeit bei 825°C, Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Abkühlrate von ca. 1500°C/h. Das Ergebnis ist eine Platte mit einer weitgehend porenfreien, mechanisch festen Dekorschicht.
Der Formkörper wurde anschließend dem in Beispiel 1 beschriebenen Abrasionstest unterworfen. Fig. 3a zeigt eine Übersichtsaufnahme der beschichteten Platte nach dem Abrasionstest auf der die Verschleißspur deutlich erkennbar ist. Fig. 3b zeigt einen Ausschnitt aus der Oberfläche, die nicht dem Verschleiß durch den Stahhlkörper ausgesetzt war, Fig. 3c zeigt eine Detailaufnahme aus der Oberfläche des Formkörpers nach dem Abrasionstest. Es ist deutlich erkennbar, daß diese Belastung eine deutlich erkennbare Abrasionsspur auf dem Formkörper hinterläßt, und die erhabenen Dekorteile im wesentlichen abgeschliffen wurden.

Beispiel 3

Auf einer Seite einer plangeschliffenen Platte aus gasdruckgesintertem Siliciumnitrid mit einem Durchmesser von 188 mm und einer Dicke von 3,5 mm werden kreisförmige Vertiefungen mit einem Querschnitt mit einer Breite von 200 µm und einer Tiefe von 30 µm mit Diamantwerkzeugen eingeschliffen. Die Vertiefungen auf der Oberfläche sind in Form 20 konzentrischer Kreise ausgeführt, beginnend bei einem Kreisdurchmesser von 15 mm und Durchmesserabständen von 20 mm. Die zu beschichtende Oberfläche wird mechanisch und chemisch gründlich gereinigt, um evtl. anhaftende Verschmutzungen zu beseitigen. Die Reinigung erfolgt in einem Ultraschallbad bei 90°C Wassertemperatur unter Verwendung eines Reinigungsmittels.
Anschließend werden die Vertiefungen durch Rakeln mit der in Beispiel 1 beschriebenen keramischen Farbe gefüllt. Die weitere Verarbeitung der Platte erfolgt unter den in Beispiel 1 beschrieben Parametern (Trocknen, Brennen). Nach dem Brennen stellt das Dekor mit der Basisplatte eine verschleißbeständige Einheit dar.

Beispiel 4

Auf einer Seite einer plangeschliffenen Platte aus flüssigphasengesintertem Siliciumcarbid mit einem Durchmesser von 188 mm und einer Dicke von 3,5 mm werden kreisförmige Vertiefungen mit einem Querschnitt mit einer Breite von 200 µm und einer Tiefe von 30 µm mit einer Laserbeschriftungsmaschine eingebracht. Die Vertiefungen auf der Oberfläche sind in Form 20 konzentrischer Kreise ausgeführt, beginnend bei einem Kreisdurchmesser von 15 mm und Durchmesserabständen von 20 mm. Die zu beschichtende Oberfläche wird mechanisch und chemisch gründlich gereinigt, um evtl. anhaftende Verschmutzungen zu beseitigen. Die Reinigung erfolgt in einem Ultraschallbad bei 90°C Wassertemperatur unter Verwendung eines Reinigungsmittels.
Anschließend werden die Vertiefungen durch Rakeln mit der in Beispiel 1 beschriebenen keramischen Farbe gefüllt und wie in Beispiel 3 weiter verarbeitet. Nach dem Brennen stellt das Dekor mit der Basisplatte eine verschleißbeständige Einheit dar.

Beispiel 5

In einen geschliffenen, rohrförmigen Körper aus gesintertem Silicumcarbid (Außendurchmesser 50 mm, Innendurchmesser 40 mm, Länge 100 mm) wird mit einer CNC-gesteuerten Schleifmaschine eine spiralförmige Vertiefung des Querschnitts 2 mm (Breite) × 15 µm (Tiefe) eingebracht. Die zu beschichtende Oberfläche wird mechanisch und chemisch gründlich gereinigt, um evtl. anhaftende Verschmutzungen zu beseitigen. Die Reinigung erfolgt in einem Ultraschallbad bei 90°C Wassertemperatur unter Verwendung eines Reinigungsmittels.
Anschließend werden die Vertiefungen durch Rakeln mit der in Beispiel 1 beschriebenen keramischen Farbe gefüllt. Die weitere Verarbeitung der Platte erfolgt unter Verwendung der in Beispiel 1 beschrieben Parameter (Trocknen, Brennen). Nach dem Brennen stellt das Dekor mit der Basisplatte ein verschleißbeständige Einheit dar.

Claims

1. Keramischer Formkörper aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid mit einer Oberfläche, die mit einer dekorativen Beschichtung, ausgewählt aus der Gruppe Glas, Glaskeramik und deren Mischungen, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen versehen ist und die dekorative Beschichtung nur in den Vertiefungen vorhanden ist.

2. Keramischer Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen eine Tiefe von < 200 µm, bevorzugt < 100 µm, besonders bevorzugt < 50 µm besitzen.

3. Keramischer Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen weniger als 80 Flächen%, bevorzugt weniger als 50 Flächen%, der jeweiligen Oberfläche einnehmen.

4. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen eine rechteckige oder eine aus mehreren rillenartigen, parallel angeordneten Einzelvertiefungen zusammengesetzte Querschnittsform besitzen.

5. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen eine laterale Ausdehnung < 2 mm, besonders bevorzugt < 1 mm besitzen.

6. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Dicke von weniger als 50 µm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 20 µm, und insbesondere bevorzugt zwischen 1 und 10 µm hat.

7. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen ein zusammenhängendes Netz bilden.

8. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen isoliert vorliegen.

9. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe gasdruckgesintertes Siliciumnitrid (SSN), reaktionsgebundenes und nachgesintertes Siliciumnitrid (SRBSN), heißisostatisch gepresstes Siliciumnitrid (HIPSN), heißgepresstes Siliciumnitrid (HPSN), gesintertes Siliciumcarbid (SSiC), flüssigphasengesintertes Siliciumcarbid (LPSSiC), heißgepresstes Siliciumcarbid (HPSiC), heißisostatisch gepresstes Siliciumcarbid (HIPSiC), und reaktionsgebundenes Siliciumcarbid (SiSiC) besteht.

10. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dekorative Beschichtung aus mindestens einer oxidischen Komponente und mindestens einer farbgebenden Pigmentkomponente aufgebaut ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers nach einem Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Oberfläche eines keramischen Formkörpers aus Siliciumnitid oder Siliciumcarbid Vertiefungen erzeugt werden und eine glas- oder glaskeramikbildenden Schicht durch Spritzen, elektrostatische Beschichtung, Siebdruck, Schiebedruck, Stempeln, Tampondruck, Tauchen, Schleudern oder Rakeln derart auf den Formkörper aufgebracht wird, daß sich die glas- oder glaskeramikbildende Schicht nur in den Vertiefungen befindet und der beschichtete Formkörper anschließend bei Temperaturen zwischen 500 und 1500°C und Haltezeiten zwischen 0,25 und 200 min gebrannt, und anschließend abgekühlt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Formköper mit einer Aufheizrate von 150 bis 2000°C/Stunde besonders bevorzugt von 1000 bis 1500°C/Stunde auf eine Temperatur von 700 bis 1500°C vorzugsweise 800 bis 1200°C erhitzt wird, bei dieser Temperatur zwischen 0,25 und 150 min, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 10 min gehalten wird und anschließend mit einer Abkühlrate von 500 bis 3500°C/Stunde besonders bevorzugt von 900 bis 1800°C/Stunde abgekühlt wird.

13. Heizkörper, bestehend aus einem Formkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem unmittelbar applizierten, elektrisch betriebenen Heizleiter.

14. Verwendung eines Formkörpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 als Kochplatte zum Erwärmen, Kochen, Simmern, Braten, Grillen und Frittieren von Lebensmitteln

15. Verwendung eines keramischen Formkörpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 als Heizelement.