DE2936831A1 - Metallisiertes koch- und tafelgeschirr aus glas oder glaskeramik - Google Patents

Metallisiertes koch- und tafelgeschirr aus glas oder glaskeramik

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DE2936831A1 DE19792936831 DE2936831A DE2936831A1 DE 2936831 A1 DE2936831 A1 DE 2936831A1 DE 19792936831 DE19792936831 DE 19792936831 DE 2936831 A DE2936831 A DE 2936831A DE 2936831 A1 DE2936831 A1 DE 2936831A1
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Description

ALEXANDER R. HERZFELD β Frankfurtα.μ.θο
RECHTSANWALT . %. ZEPPEUNALLEe 71
BEI DEM LANDGERICHT FRANKFURT AM MAIN m TELEFON 0611/778128
Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, N.Y., USA
Metallisiertes Koch- und Tafelgeschirr aus Glas oder Glaskeramik
Die Erfindung betrifft Koch- und Tafelgeschirr aus Glas oder Glaskeramik niedriger Wärmedehnung, das außen zumindest teilweise mit einer aufgesprühten Schicht aus Aluminium überzogen ist.
Es ist bekannt, den Boden von Glasgeschirr mit einer dünnen Metallschicht zu überziehen, um beim Aufsetzen des erhitzten Geschirrs auf eine kalte Unterlage Bruch durch Wärmeschock zu verhüten. So beschreibt die US-PS 2,053,923 dünne Bodenschichten aus Metall, einer eine genügende mechanische Festigkeit, Wärmediffusion und -ableitung ergebenden Dicke, z.B. 0,003" = 0,076 mm.
Zur Verbesserung der Wärmeverteilung werden bisweilen auch dickere Schichten aufgetragen, vgl. die US-PS 3,523,013.
03ÖÖU/0682
Kochgeschirre aus Glaskeramiken großer Festigkeit, niedriger Wärmedehnung und dicht weiß-opakem Aussehen sind vornehmlich zur Verwendung im Backofen geeignet, halten aber oft eine direkte Erhitzung vom Boden her auf einer Koch- oder Heizplatte infolge der ungleichmäßigen Wärmeverteilung der Wärmequelle nicht aus.
Schwierigkeiten entstehen aber auch bei dem Versuch, Glaskeramiken mit einer Aluminiumschicht zu versehen, weil der Unterschied in der Wärmedehnung erheblich ist, US-PS 4,056,650. So beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminiummetall 230 χ 10"7/°C, der der Glaskeramik nur 25 x 10~7/°C. Die daraus entstehenden Wärmespannungen können in dem Einsatzbereich von Kochgeschirren bei dicken Schichten (etwa 18 mil = 0,46 mm und höher), 100.000 psi = 7.000 kg/cm erreichen, eine Belastung die das Geschirr unbrauchbar machen kann. Eine Schichtdicke von mil = 0,46 mm ist aber erforderlich, um eine genügende Wärmeverteilung zu bekommen.
Außer dieser Gefahr des Bruchs infolge übermäßiger Wärmebelastung ist die Lebensdauer allgemein durch Reißen oder Ablösen der Aluminiumschicht infolge der großen Dehnungsdifferenz und dadurch bedingter wiederholter Ausdehnung und Zusammenziehung beim Erhitzen und Abkühlen begrenzt.
Die Wärmedauerhaftigkeit und Wärmeschockfestigkeit mit Aluminium beschichteter Kochgeschirre kann nach der US-PS 4,056,650 zwar durch Anwendung eines Sprühverfahrens mit Plammversprühen von
03ÖÖU/06Ä2
ORIGINAL INSPECTED
Aluminiumpulver und Behandlung der Aluminiumschicht mit bestimmten Stoffen verbessert werden, jedoch ist die Lebensdauer immer noch unbefriedigend. Hinzu kommt der Herstellungsaufwand einer besonderen Behandlung des beschichteten Kochgeschirrs bei der Herstellung.
Aufgabe der Erfindung sind aluminiumbeschichtete Koch- und Tafelgeschirre vereinfachter Herstellung und verlängerter Lebensdauer, auch bei Gebrauch direkt auf der Herdplatte oder den Heizelementen.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß die Endspannungsfestigkeit der aufgesprühten Aluminiumschicht nur 500 - 3.000 psi = 35 - 210 kg/qcm beträgt.
Es ist überraschend, daß die gewünschte Verbesserung der Eigenschaften durch eine niedrigere, anstatt eine hohe Spannungsfestigkeit der aufgebrachten Aluminiumschicht erreicht wird. Die weiter unten berichteten Versuche haben die Richtigkeit dieser überraschenden Erkenntnis aber bestätigt.
Im Einzelfall hängt die Endzugsspannungsfestigkeit einer aufgebrachten Aluminiumschicht von der Zusammensetzung und Struktur des Aluminiums, und diese wiederum weitgehend von der Aufbringungsmethode ab. So erwähnt H.S. Ingham, Metco Metallizing Handbook, Bd. I, II, S. A-59, A-62, daß mit einer Sprühkanone aufgesprühte Aluminiumschichten eine Endzugfestigkeit von etwa 19.500 psi = 1.365 kg/cm erreichen können.
030014/0602 - 4 -
Zur Beschichtung mit Aluminium als langlebiges Koch- oder Tafelgeschirr sind alle bekannten Kochgeschirre niedriger Wärmedehnung, d.i. einem 25 x 10" / C im Temperaturbereich von Zimmertemperatur bis 300 C nicht übersteigenden Wärmedehnungskoeffizienten geeignet. Diese niedrige Wärmedehnung ist nötig, um eine hohe Wärmeschockfestigkeit des aluminiumbeschichteten Kochgeschirrs zu bekommen. Die hierfür gebräuchlichsten Glaskeramiken sind beispielsweise Lithium-Aluminiutnsilikate nach der US-PS 4,056,656.
Zur Beschichtung in Frage kommen Kochgeschirre aller Art, Töpfe, Pfannen, Teekannen oder -kessel u.s.f., weißer, farbiger, opaker, durchscheinender oder durchsichtiger Ausführung.
Die Dicke der aufgesprühten Alumiuniumschicht soll wenigstens 18 mil = 0,4572 mm betragen, damit die für die zur Verwendung auf der Herdplatte erforderliche Wärmediffusion erhalten wird. Nach bevorzugter Ausgestaltung ist die Schichtdicke 20 - 30 mi I = 0,5 - 0,762 mm.
Zur Aufsprühung sind alle üblichen Sprühverfahren geeignet, so z.B. Aufsprühen mit einem Plasmabogen, nach dem Draht-Flammenverfahren oder Flammsprühen von Pulver u.s.w. Diese Bekannten Verfahren werden so modifiziert, daß die erfindungsgemäß geforderten niedrigen Zugspannungsfestlgkeitswerte erhalten werden. Bevorzugt wird hier das Versprühen von Pulver mit einer Flamme.
0300U/0682
BAD ORIGINAL
-r-■ ' "
Verschiedene Verfahrensbedingungen der Flammsprühverfahren beeinflussen die Zusammensetzung und Struktur des aufgesprühten Aluminiums und damit die Zugfestigkeit der aufgebrachten Beschichtung. Hierzu rechnen z.B. der Sauerstoffdurchsatz, der Durchsatz des Brennstoffs (z.B. Wasserstoff), die Zufuhr des Aluminiumpulvers, der Durchsatz des Trägergases für das Aluminiumpulver, der Abstand zwischen dem Substrat und der Sprühkanone, die Geschwindigkeit der Sprühbestreichung und der Partikelgröße des Aluminiumpulvers. Zu den wichtigeren Paktoren gehören der Wasserstoffdurchsatz und der Abstand der Sprühkanone. Bevorzugter Brennstoff ist Wasserstoff, und bevorzugtes Trägergas für das Aluminiumpulver ist Stickstoff.
Die genaue Auswirkung der Veränderung eines dieser Paktoren beim Flammsprühen hängt naturgemäß zum Teil vom absoluten Wert der übrigen Paktoren ab. Die meist eintretende Wirkung für die Endzugfestigkeit des versprühten Aluminiums ist in der Tabelle I zusammengefaßt.
Veränderlicher Paktor TABELLE
Änderung - -
Zugfestigkeit
Hp Durchsatz
Abstand der Sprühkanone Zufuhr von Al-Pulver
Al-Pulver,
Partikelgröße
N2 Durchsatz
Bestreichungsgeschwindigkeit der Sprühkanone
Zunahme
Zunahme Abnahme
Zunahme Abnahme
030014/0662
-sf-
Diese Wirkungen basieren auf Abweichungen von standardmäßigen Sprühbedingungen, wie sie dem Beispiel weiter unten zugrunde liegen. Im Einzelfall kann die Größe und/oder Richtung der Änderungen durch routinemäßige Versuche ermittelt werden.
Die Endzugfestigkeit des als Beschichtung für glaskeramische Kochgeschirre aufgesprühten Aluminiums kann in bekannter Weise bestimmt werden, wofür mehrere Methoden möglich sind. Nach einer Methode wird die Aluminiumbesprühung auf eine vorbereitete, Kochgeschirren vergleichbare Grundlage gerichtet, die letztere entfernt, und das aufgesprühte Metall mit geeigneten Vorrichtungen auf Zugfestigkeit gemessen, vgl. hierzu Metco Metallizing Handbook, aaO, S. A-59 und A-60.
Die Endzugfestigkeit wurde im vorliegenden Falle folgendermaßen bestimmt. Auf eine Grundlage aus Transite mit Asbestgehalt wurde Aluminium zu einer 8x8 inch = 20,3 x 20,3 cm großen 0,020 0,035" = 0,5 - 0,8 mm dicken Platte gesprüht, diese von der Grundlage abgelöst und in 1/2 χ 5" = 1,27 x 12,7 cm große Streifen zerschnitten. Die Streifen wurden in der Mitte geknickt, sodaß in der Mitte jeder Probe 1/4" = 0,6 cm breite und 2" = 5 cm lange Teststreifen entstanden. Diese wurden in einer Zugfestigkeitsprüfmaschine (Instron-TM-SM) gemessen.
Bei der bisher (z.B. gem. US-PS 4,056,650) üblichen Besprühung wird eine Pulversprühkanone zur Versprühung von Aluminiumpulver mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme verwendet. Zur Aufbringung auf glaskeramisches Kochgeschirr wurden die Durchsätze auf
030014/069 2 . -7-
ORlQiNMi. ι ■«ar'co ItD
137 Kubikfuß/Std. = 3,88 m5 Wasserstoff, 28 Kubikfuß/Std. = 0,793 xs? Sauerstoff, 40 g/Min. Aluminiumpulver und einen Abstand der Sprühkanone von 6 1/2" = 16,5 cm eingestellt. Unter diesen Sprühbedingungen wurde nach der oben erläuterten Methode eine Endzugfestigkeit der Aluminiumproben von 6.000 psi = 420 kg/cm gemessen.
Obwohl diese Zugfestigkeit unter den beim Sprühen von Aluminiumdraht aus einer Flamme erzielten Zugfestigkeitswerten liegt, ist sie doch erheblich höher, als die nunmehr für erforderlich befundenen Zugfestigkeiten von Kochgeschirr für den Hausgebrauch. Diese bekannten aluminiumbeschichteten Kochgeschirre zeigen eine brauchbare Wärmefestigkeit bzw. Wärmedauerhaftigkeit nur für die anscheinend sehr scharfen, bisher üblichen Prüfbedingungen wiederholter Wärmezyklen des Wechsels von einer heißen Kochplatte (6000C) zu kaltem Wasser (150C).
Überraschenderweise bestanden diese Kochgeschirre aber nicht den weiter unten näher erläuterten beschleunigten Kochversuch mit seinen scheinbar weniger scharfen, dem Hausgebrauch aber weit besser entsprechenden Prüfbedingungen.
Wie sich herausstellte, können die hohen Endzugfestigkeitswerte der bekannten, mit Aluminium flammbesprühten Kochgeschirre auf die eingesetzten Sprühbedingungen zurückgeführt werden. Es wurde dort ein geringer Abstand einer verhältnismäßig kleinen Sprühkanone verwendet, mit einem dichten Sprühmuster. Die Wasserstoff- und Sauerstoffdurchsätze waren für die geringe Größe der Sprühkanone vergleichsweise groß, und das Aluminiumpulver wurde ohne Trägergas
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aufgeschüttet, also nur durch Schwerkraft zugeführt.
Der Vorteil niedrigerer Zugfestigkeit der Kochgeschirrbeschichtungen für die Wärraebelastungsdauerhaftigkeit konnte durch einen zeitraffenden und den praktischen Hausgebrauchsbedingungen besser als bisher entsprechenden Kochversuch nachgewiesen werden. Hierbei wird eine erfindungsgemäß beschichtete Pfanne auf eine heiße elektrische 2.300 Watt Kochplatte bei einer Betriebsleistung von 675 Watt gesetzt. In die Pfanne werden 40 ml Kochöl gegeben, und die Pfanne mit dem Öl 6 Min. erhitzt. Dann wird eine Wärmelast in Form von 2 Tassen nassen Sägespänen zu dem erhitzten Öl gegeben, das Ganze 5 Min. erhitzt, dann mit einer Küchenspachtel gewendet, weitere 5 Min. erhitzt und weggeworfen. Die Pfanne wird sauber ausgekratzt und zur Vorbereitung für den nächsten Kochzyklus unter fließendem kalten Wasser mit seifengefüllten Stahlwollekissen gesäubert.
Hauptursache für Schichtschäden bei Behandlung mit derartigen Wärmebelastungszyklen sind Risse infolge wiederholter Ausdehnung und Zusammenziehung der Beschichtung. Die Bewertung dieser, wie auch der in dem zuvor beschriebenen Versuch bekannten Kochgeschirre erfolgte anhand einer Vergleichsskala von 0-9, wobei 0 keine Schaden bezeichnet, 1-4 zunehmende, mikroskopisch feine Haarrisse und 5-9 zunehmende sichtbare Risse bezeichnen. Die Bewertungsziffer 9 bedeutet starke Risse oder sogar Abplatzen der Beschichtung, sodaß das Kochgeschirr unbrauchbar geworden ist.
0300U/0682 ORIGINAL
Schäden können auch durch Ablösen der Aluminiumschicht von der Geschirrwand entstehen. Diese Ablösungsschäden wurden mit 0-3 bewertet, wobei 0 keinerlei Ablösungen, 1-2 zunehmende kleine Ablösungsstellen und 3 einen Verlust von Metall oder zahlreiche größere Ablösungsstellen bezeichnet. Die Kochversuchsdaten der Tabelle II erläutern die festgestellte Beziehung zwischen der Endzugfestigkeit der auf Kochgeschirre aufgesprühten Aluminiumschicht und der Fähigkeit des beschichteten Geschirrs, unter den oben erläuterten Kochversuchsbedingungen die Wärmebelastungszyklen auszuhalten. Die Versuchsgruppen enthielten je 4 - 6 Kochgeschirre aus Glaskeramik mit aus der Flamme aufgesprühtem Aluminiumpulver unter den in der Tabelle angegebenen Sprühbedingungen, und einer Schichtdicke von mindestens 20 mil = 0,05 mm. Proben des zur Beschichtung verwendeten versprühten Aluminiums wurden für jede Gruppe auf Zugfestigkeit geprüft und die durchschnittliche Endzugfestigkeitswerte in psi vermerkt.
Die so beschichteten Kochgeschirre wurden dann mit dem oben beschriebenen, beschleunigten Kochversuch geprüft und die Anzahl der Behandlungszyklen bis zur kritischen Beschädigung (Rissebewertung 9, Ablösungsbewertung 3) als "zyklische Lebensdauer" berichtet. Die Aluminiumschicht wurde mit einer Sprühkanone (Typ Metco 6P) auf die bis zu 120 - 65O0C vorerhitzten Glaskeramiken unter den in der Tabelle berichteten Bedingungen aufgesprüht.
- 10 -
0300U/0682
TABELLE II
Gruppen-Nr. 1
zyklische
Lebensdauer 598 825 997 1,267 1,728
Schichtfestigkeit
(UTS-psi) 7,300 3,703 2,286 1,559 1,396
Auftragungsbedingungen;
90
214 69 27
Al-Zufuhr in g/Min. 32 90 75 90
Hp-Durchsatz in
ft3/Std. 238 293 214 214
Op-Durchsatz in
ft3/Std. 48 83 69 69
Np-Durchsatz in
ft5/Std. 21 27 23 27
Abstand der Sprüh
kanone in inch		 9" 9 3/4" 9 3
9 3/4"
Unterschiede in der Festigkeit, wie im Falle der Gruppen 4 und 5 der Tabelle II, sowie des folgenden Beispiels beruhen im Regelfall auf unterschiedlicher Partikelgröße des Aluminiumpulvers der einzelnen Pulverposten, beim Transport oder bei der Handhabung.
Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der zeitraffenden Kochversuche und der damit zusammenhängenden projizierten Lebensdauer unter praktischen Einsatzbedingungen ergibt sich je nach der Schichtdicke eine brauchbare Lebensdauer, wenn aufgesprühte Aluminiumschichten mit Endzugfestigkeiten von 500 - 3.000 psi =35-210 kg/cm2
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- 11 -ORIGINAL IMSPECTED
verwendet werden. Optimale Festigkeit gegenüber zyklischer Wärmebelastung zusammen mit überragenden mechanischen Eigenschaften der aufgebrachten Beschichtungen erhält man bei Zugfestigkeiten von 900 - 1.600 psi = 56 - 112 kg/cm2. Bei Zugfestigkeiten über 1.600
psi = 112 kg/cm nimmt die Wahrscheinlichkeit einiger Fälle verringerter Dauerhaftigkeit zu, während bei Endzugfestigkeiten unter 900 psi β 56 kg/cm die mechanische Politur schwierig wird, weil u.U. zu viel Metall entfernt wird.
Beispiel
Auf ein glaskeramisches Kochgeschirr wurde mit einer handelsüblichen Sprühkanone (Typ Metco 6P) ein handelsübliches Aluminiumpulver (Alcoa 108) mit einem Wasserstoffdurchsatz von 214 ft /Std. =
•Z 1Z "Z
6,06 m , einem Sauerstoffdurchsatz von 55 ft /Std. = 1,558 m , einer Zufuhr von Aluminiumpulver von 90 g/Min., und einem Abstand der Sprühkanone von 9 3/4" = 24,8 cm aufgesprüht. Die Probe einer aufgesprühten Aluminiumschicht hatte eine Endzugfestigkeit von 1.186 psi = 83 kg/cm . Das Kochgeschirr bestand aus einer runden Pfanne 10" = 25,4 cm im Durchmesser, 2" = 5 cm tief, aus einer Lithium-Aluminiumsilikatglaskeramik mit einem durchschnittlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 12 χ 10"'/0C bei 0 0C. Vor der Beschichtung wurde die untere Bodenfläche mit einer Detergentienlösung gründlich gewaschen, gespült und auf 65O0C vorerhitzt. Sodann wurde eine 25 mil = 0,64 mm dicke Aluminiumschicht unter den vorstehend erwähnten Sprühbedingungen aufgetragen. Zur Endbearbeitung wurde die Aluminiumschicht gebürstet und poliert.
03001 ' 'Λ*β" - 12 -
Sechs derartige Pfannen wurden mit dem oben beschriebenen, zeitraffenden Kochversuch geprüft. Die durchschnittliche Zyklenlebensdauer bis zur unbrauchbar machenden Beschädigung betrug 2.097 Behandlungszyklen. Die schlechteste Pfanne war nach 1.790, die beste nach 2.412 Behandlungszyklen unbrauchbar.
Die Wärmedauerhaftigkeit kann durch weitere Behandlung verändert oder noch weiter verbessert werden, beispielsweise durch Aufbringen einer Schutzschicht aus Metalloxid. Die Lebensdauer wird auch durch einzelne Verfahrensbedingungen beeinflußt, so z.B. durch die Vorerhitzungstemperatur und dergleichen.
030014/0682

Claims (4)

  1. Patentansprüche
    Glaskeramisches Koch- oder Tafelgeschirr aus Glaskeramik einer 25 x 10 / C nicht übersteigenden Wärmedehnung, deren Außenfläche zum mindesten teilweise mit einer aufgesprühten Schicht aus Aluminiummetall einer Dicke von wenigstens 18 mils = 0,45 nun überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Aluminium einer Endspannungsfestigkeit von 500 - 3.000 psi = 35 210 kg/cm2 besteht.
  2. 2. Geschirr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Aluminiumschicht 0,5 - 0,8 mm (20 - 30 mils) beträgt.
  3. 3. Geschirr nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumschicht als Pulver aus einer Flamme aufgesprüht wird.
  4. 4. Geschirr nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endzugfestigkeit de:
    1.600 psi) beträgt.
    Endzugfestigkeit der Aluminiumschicht 63 - 112 kg/cm (900 -
    0300U/0682
DE19792936831 1978-09-21 1979-09-12 Metallisiertes koch- und tafelgeschirr aus glas oder glaskeramik Granted DE2936831A1 (de)

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