JP2017501106A - 脆性材料と金属材料とからなる本体、及び、脆性材料と金属材料との素材結合による結合を形成する方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、少なくとも1つの脆性材料、特にガラスセラミック、ガラス、又はセラミックと、少なくとも1つの金属材料とを含む本体であって、前記脆性材料は、前記金属材料と共に、250℃を上回る温度、特に300℃を上回る温度、好ましくは400℃を上回る温度、特に500℃を上回る温度に対する高温耐性を有する素材結合による結合を形成し、前記脆性材料と前記金属材料との前記結合は、前記脆性材料と前記金属材料との間の中間層を含み、前記中間層は、延性材料、好ましくは延性金属からなり、特に、破断伸びが1%以上、好ましくは2%以上、特に4%以上、非常に好ましくは10%以上、特に1%〜20%の範囲、非常に特に好ましくは2%〜15%の範囲にある延性材料、好ましくは延性金属からなる、本体を含む。
Description
本発明は、少なくとも1つの脆性材料、特にガラスセラミック、ガラス、又はセラミックと、少なくとも1つの金属材料とを含む本体、並びに、脆性材料と金属材料との素材結合による結合を形成する方法に関する。
例えばガラス、ガラスセラミック、セラミックのような脆性材料を金属材料に結合させるために、従来技術では種々異なる手段が開示されているが、従来技術によるこのような結合は高温領域に対して確実な素材結合による結合を提供することができない、という課題が常に存在する。
脆性材料と金属材料とからなるこのような結合が250Kを超える温度差による温度変化に曝されている場合には、さらなる課題が存在する。このような場合には、結合箇所において本体が破壊する傾向があるのである。
このような温度変化耐性の課題を解決するために従来技術には、所期の使用分野において、脆性材料、特にガラス、ガラスセラミック、又はセラミックに対し、その膨張特性の点で充分に適合された金属材料を使用することが開示されている。しかしながらこの場合にも、材料同士を非常に特殊に組み合わせた場合にしか、しかも狭い温度範囲、例えば250℃でしか、膨張率の適合ができないという課題が存在する。
従来技術で議論されている別の手段は、接着を用いた脆性材料と金属原料との素材結合による結合であり、この場合には接着材料がその弾性特性に基づいて、結合すべき材料同士のそれぞれ異なる熱膨張を補償している。従来技術におけるこのような接着材料の例は、例えばシリコーン接着材料である。しかしながら、このような素材結合による結合の欠点は、耐熱性が基本的に250℃未満の温度に制限されていることである。300℃を上回る温度にも耐久し得る接着材料も知られてはいるが、限定された時間のみである。
素材結合による結合のさらなる手段は、脆性材料と金属材料との間で結合部に生じる応力を、中間ガラス又はガラスはんだを用いて低減させることである。しかしながらこのような解決方法の場合にも、温度変化が250Kを超える場合に脆性材料の熱膨張率と金属材料の熱膨張率との差を補償することができないという課題が存在する。
さらなる手段は、脆性材料と金属材料との間の所期の結合を、素材結合によって形成するのではなく、例えばクランプ又はねじによって構造的に形成することである。しかしながらこの場合には、対応するコンポーネント同士、特にねじ結合のコンポーネント同士においてもそれぞれ異なる熱膨張率を、脆性材料における破壊を引き起こし得る応力が確実に回避されるほど充分に補償することができないという欠点が存在する。脆性材料と金属材料との構造的なボンディングのさらなる欠点は、結合の可能な幾何形状構成に関する制限が大きいことである。
独国特許出願公開第102005047006号明細書からは、ガラス又はガラスセラミック材料を、ろう接材料、特にガラスベースのろう接材料を用いて別のコンポーネント、例えば金属と結合することが公知である。ろう接材料として、独国特許出願公開第102005047006号明細書では、鉛・ホウ塩酸ガラス、又はビスマス・錫・ホウ酸塩ガラスのような無機のガラスベースのろう接材料が議論されている。
ろう接プロセスは、独国特許出願公開第102005047006号明細書では、接合すべき両コンポーネントと、ろう接材料との間における拡散プロセスにより、接合すべき両コンポーネントを1つに統合することによって実施される。使用されるろう接材料の融点温度は、接合すべき両コンポーネントの融点温度よりも低く、好ましくは200℃〜700℃の範囲にある。独国特許出願公開第102005047006号明細書に記載された1つの実施形態では、特に温度変化ΔTが250Kを超える場合に、相互に結合されたコンポーネント同士の間に応力が発生する。
独国特許出願公開第102008002959号明細書からは、第1材料からなる第1要素を、中間要素を使用して超音波によって第2材料からなる第2要素にシール溶接する方法が公知である。しかしながら、独国特許出願公開第102008002959号明細書は、高温耐性を有する結合、特にΔTが250Kを超える広い温度範囲にわたって温度変化耐性を有する結合を開示していない。さらに、独国特許出願公開第102008002959号明細書に記載されている結合は、実質的に室温用に設計された結合である。
スイス国特許発明第423294号明細書からは、非金属の要素、好ましくは非金属の光学要素に金属ストリップを取り付ける方法が公知である。スイス国特許発明第423294号明細書には中間層を使用することは示されておらず、さらに金属ストリップ、例えばアルミニウムストリップは、超音波結合法によって光学要素に直接的に結合される。
欧州特許出願公開第0262699号明細書は、第1要素と第2要素とを結合する方法を開示しており、ここでは、第1要素は少なくとも部分的にガラス又はセラミックからなり、第2要素は少なくとも部分的に金属からなり、これら2つの要素の結合は、第1要素のガラス部分又はセラミック部分と第2要素の金属部分との間で形成される。欧州特許出願公開第0262699号明細書に記載された方法では、第1要素の上述のガラス又はセラミック部分に、金属からなる補助要素が固体接合によって結合される。次いで、金属からなるこの補助要素に、第2要素の金属部分がレーザ光線によって溶接される。この補助要素は、第1要素と第2要素との間に位置している。欧州特許出願公開第0262699号明細書に記載された方法では、250℃以下という低い温度で使用するための結合の形成しか意図されていない。欧州特許出願公開第0262699号明細書にはさらに、金属と脆性材料との間における高い温度変化耐性を有する結合は示されていない。さらには、欧州特許出願公開第0262699号明細書に記載された結合は、寸法安定性が高く、且つ、対応する結合部材同士の間で僅かな応力しか発生しないような結合である。
米国特許第4896816号明細書は、金属要素と、ガラスセラミック材料からなる本体との間の結合を形成する方法を提示しており、ここでは結合材料として、高温拡散によってガラスセラミック材料内に浸透する金属が使用されている。米国特許第4896816号明細書からは、高い耐熱性も、広い温度範囲に亘る温度変化耐性も開示されていない。
従って、本発明の課題は、上に挙げた課題を解決し、高温領域に適していて高い温度変化耐性を提供するような本体、又は脆性材料と別の金属材料との間の素材結合による結合を提供することである。
本発明によれば上記の課題は、本体が、少なくとも1つの脆性材料、特にガラスセラミック、ガラス、又はセラミックと、少なくとも1つの金属材料とからなり、脆性材料は、金属材料と共に、250℃を上回る温度、特に350℃を上回る温度、より好ましくは400℃を上回る温度、特に500℃を上回る温度に対する高温耐性を有する素材結合による結合を形成することによって解決される。
本発明によれば、脆性材料と金属材料との結合は、脆性材料と金属材料との間の中間層を含み、特に中間層は、延性材料、好ましくは延性金属からなる。中間層は、脆性材料と金属材料との間に結合が形成されるように保証する。さらには、脆性材料と金属材料との間に生じる応力をこの中間層によって少なくとも部分的に減衰することができる。延性材料、特に延性金属は、変形能の高さにおいて優れている。延性材料は、金属材料と脆性材料との間の熱応力を特に流動によって補償可能であるという特性を有する。このような延性材料は、例えばアルミニウム、特に純アルミニウム若しくは最純アルミニウム、又は金、又はチタンである。本明細書における延性材料、好ましくは延性金属は、好ましくは破断伸び又は極限伸びが1%以上、好ましくは10%以上、特に1%〜45%の範囲、特に好ましくは1%〜20%の範囲、非常に好ましくは2%〜20%の範囲、非常に特に好ましくは2%〜15%の範囲にあるような金属であると理解される。純アルミニウムの延性は、当該材料の軟度が極めて大きいという点において現れる。さらには、純アルミニウムの場合の破断伸び又は破壊伸びは非常に高く、最大45%にもなり得る。
本発明に係る範囲にある破断伸びを有する特に好ましい材料は、例えば、Ahornstrasse 16, D82291 Mammendorf に在所のALUJET GmbH社の製品であり、厚さ0.05mm〜0.30mmの範囲において横断方向に4%以上、且つ長手方向に4%以上の破断伸びを有する純アルミニウムフィルムAl99.5―平滑、柔軟、ブライト加工―(Reinaluminiumfolie Al 99,5 - glatt, weich, walzblank -)か、又は、Carl-Schurz-Str. 1に在所の3M Deutschland GmbH社の製品であり、フィルムの層厚さが0.05mmである場合に同じく4%以上の破断伸びを有するアルミニウムフィルム7800である。
本発明に係る結合においては、応力の一部が中間層によって、100℃より高い場合には流動によっても弾性に減衰されるが、残留応力が残っていてもよい。
脆性材料が、金属材料と共に、400℃以上の温度、好ましくは500℃以上の温度に対して高温耐性を有する素材結合による結合を形成する場合には、特に好ましい。温度差ΔTが250Kを超える場合に温度変化耐性が与えられている場合には、さらに好ましい。
中間層は、フィルムの他に、
・ガルバニック析出、
・クラッド、特に圧延クラッド、
・溶射、
・ホットディップメタルコーティング、特にホットディップアルミナイジング、
・真空蒸着、
・マグネトロンスパッタリング、
のうちのいずれか1つの方法によって、脆性材料又は金属材料の上に被着させることができる。
・ガルバニック析出、
・クラッド、特に圧延クラッド、
・溶射、
・ホットディップメタルコーティング、特にホットディップアルミナイジング、
・真空蒸着、
・マグネトロンスパッタリング、
のうちのいずれか1つの方法によって、脆性材料又は金属材料の上に被着させることができる。
この場合には、中間層の層厚さは、
・ガルバニック析出された中間層の場合には、10〜70μm、特に10〜20μmであり、
・クラッド、特に圧延クラッドによって被着された中間層の場合には、20〜200μm、好ましくは50〜150μm、特に80〜120μmであり、
・溶射によって被着された中間層の場合には、50〜400μm、特に100〜300μmであり、
・ホットディップメタルコーティング、特にホットディップアルミナイジングによって被着された中間層の場合には、20〜100μmであり、
・真空蒸着によって被着された中間層の場合には、1〜20μmであり、
・マグネトロンスパッタリングによって被着された中間層の場合には、1〜20μmである
ことが好ましい。
・ガルバニック析出された中間層の場合には、10〜70μm、特に10〜20μmであり、
・クラッド、特に圧延クラッドによって被着された中間層の場合には、20〜200μm、好ましくは50〜150μm、特に80〜120μmであり、
・溶射によって被着された中間層の場合には、50〜400μm、特に100〜300μmであり、
・ホットディップメタルコーティング、特にホットディップアルミナイジングによって被着された中間層の場合には、20〜100μmであり、
・真空蒸着によって被着された中間層の場合には、1〜20μmであり、
・マグネトロンスパッタリングによって被着された中間層の場合には、1〜20μmである
ことが好ましい。
中間層を製造するための1つの手段は、ガルバニック析出である。なぜなら、アルミニウムは、無水電解質から金属被膜として充分に無孔に陰極堆積させることができるからである。原則的にガルバニック析出は、金属材料の上で、例えば鋼又はステンレス鋼の上で実施することができる。典型的な層厚さは10〜20μmの範囲であるが、原則的には70μmも可能である。
ガルバニック析出された層は、例えば99.8%の非常に高いAl純度を有する固着した密な層である。さらなる利点は、全ての面にコーティング可能なことである。
これに代わる被着プロセスは、クラッド又は圧延クラッドである。このような方法は、例えば圧延されたテープの形態の金属半製品に対して可能である。クラッド又はクラッド堆積の場合には、片側又は両側にアルミニウム被膜を備える分離不能な工具結合体が製造される。
クラッド又は圧延クラッドの場合には、アルミニウム被膜が鋼の上に被着され、この場合の組成は、99重量%のAlと1重量%以下のSiとを含む。複数層の場合には、厚さ100μmのアルミニウム被膜が可能であり、典型的な厚さは、50〜70μmの範囲にある。クラッドの場合には、任意の金属被膜を備える金属半製品又はテープが可能であり、特にフェライト系又はオーステナイト系ステンレス鋼を製造可能である。さらなる利点は、金属薄板が変形可能又は打ち抜き可能であることである。
さらには溶射によって、アルミニウムを層として表面上に被着させることが可能である。典型的な層厚さは、50〜400μmの範囲にある。アルミニウムを射出するための通常の方法は、ワイヤーフレーム溶射又は冷ガス噴射である。
溶射によれば、純度99.5%の純アルミニウムをコーティング可能である。コーティング後には、表面はやや粗くなっており、この場合には良好な層付着性、すなわち膠着性を実現するために、両方法におけるコーティングの前に、コーティングすべき表面がサンドブラストによって粗面化されるか、又はクリーニングされる。
冷ガス噴射は、運動エネルギが非常に大きいAl粉末を表面上に噴き付けることであり、この場合には粒子の強力な塑性変形によって結合が生じ、非常に密な層が生じる。しかしながら、運動エネルギが大きいので、薄肉コンポーネントの形が歪みがちになり得る。
ワイヤーフレーム溶射の場合には火炎内でワイヤーが溶融され、溶融滴が表面上に射滴され、これによって約5〜10体積%の多孔性を有する層が形成される。
溶射の利点は、ほぼ任意の金属表面をコーティング可能であることである。溶射された層のさらなる利点は、このような層が、プロセスに起因した孔を有し得ることである。孔の量は、2〜15体積%とすることができる。アルミニウム層内に残留するこのような多孔性は、特に熱膨張に鑑みて有利である。こうすることによって特に熱応力を減衰することができる。
アルミニウム層を被着させるために、ホットディップアルミナイジングも可能である。溶融浸漬法では、溶融亜鉛クラッド又はブリキ製造と同様に、金属テープが溶融浴を通過する。この場合、アルミニウムは約10%のケイ素を含む。腐食保護を向上させるために、純Al層に続いてFe−Al−Si中間層を形成することができる。積層体の全体の層厚さは可変であり、典型的には20〜100μmである。ベース材料は、良好な変形のために低炭素の鋼であることが多い。しかしながら、ステンレス鋼も可能ではある。
中間層を被着させるための上に記載した各技術は、金属材料を脆性材料に結合する前に、金属材料又は脆性材料のいずれか一方又は両方の上に中間層を被着させるために使用することが可能である。
特に有利な実施形態では、脆性材料は、20℃〜300℃の温度範囲において低膨張の材料である。本明細書における低膨張の脆性材料とは、長手方向の熱膨張係数α脆性(20℃〜300℃)が4×10−6/K以下、特に2×10−6/K以下、好ましくは−1.0×10−6/K以上、且つ4×10−6/K以下の範囲、特に好ましくは−0.6×10−6/K以上、且つ2×10−6/K以下の範囲にある材料、特にガラスセラミック又はガラスと理解される。
上記の範囲にある熱膨張係数を有する材料の一例は、例えばMainz在所のSchott AG社の製品であるガラスセラミックROBAX(登録商標)、CERAN(登録商標)、NEXTREMA(登録商標)のようなLi−Al−Si系ガラスセラミックであり、これらガラスセラミックの20℃〜300℃の範囲における長手方向の熱膨張係数は、−0.3〜1.0×10−6/Kの範囲にある。
ガラス材料として、例えばホウケイ酸ガラス、例えばBorofroat33(登録商標)を使用することができる。ガラス材料Borofloat33(登録商標)の長手方向の熱膨張係数α脆性(20℃〜300℃)は、3.3×10−6/Kである。
金属材料として好ましくは、20℃〜300℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α金属が、20×10−6/K以下、特に4.0×10−6以上、且つ6×10−6/K以下の範囲にある金属材料が使用される。特に好ましい金属材料は、コバールである。これに代えて、モリブデン、鋼、タングステン、又はステンレス鋼も可能である。コバールは、鉄−コバルト−ニッケルの合金である。
金属材料が脆性材料に依存して選択される場合、しかも、金属材料の長手方向の熱膨張係数α金属(20℃〜300℃)が、α脆性−20×10−6/K≦熱膨張係数α金属≦α脆性+20×10−6/Kの範囲になるように、好ましくはα脆性−10×10−6/K≦熱膨張係数α金属≦α脆性+10×10−6/Kの範囲になるように、特にα脆性−5×10−6/K≦熱膨張係数α金属≦α脆性+5×10−6/Kの範囲になるように選択される場合には、特に好ましい。
脆性材料と金属材料との結合は、好ましくは溶接によって、特に超音波溶接によって実施される。超音波溶接は、15〜50kHzの通常の周波数範囲において、好ましくは20kHzにおいて実施される。
超音波溶接法に関しては、独国特許出願公開第19917133号明細書が参照され、同明細書において、ガラス、ガラスセラミック、及び/又はセラミックからなる被加工物、すなわち長距離秩序が小さい、低熱伝導率の脆性無機材料からなる被加工物と、当該被加工物とは異なる材料、例えば金属からなる被加工物との溶接について詳細に開示される。独国特許出願公開第19917133号明細書の開示内容は、本明細書に完全な範囲で取り込まれる。
脆性材料と金属材料との間における特に超音波溶接装置を用いた溶接は、脆性材料における第1結合面と、金属材料における第2結合面との間で実施される。第1結合面と第2結合面との間には中間層が挿入されている。溶接は、全面的に実施することも、又は部分平面だけで実施することもでき、この場合の部分平面の溶接は、幾何形状に応じてスポット溶接、ロールシーム溶接、又はねじり溶接とすることができる。
本発明に係る脆性材料と金属材料とを含む本体又は結合体は、これら2つの接合部材同士の熱膨張率、ここでは脆性材料の熱膨張率と金属材料の熱膨張率とがそれぞれ異なるにもかかわらず、驚くべきことに250℃を上回る温度、特に300℃を上回る温度において持続的な耐熱性の結合を示す。特に好ましくは、持続的な耐熱性は、400℃、特に好ましくは500℃の温度まで達する。このようにして製造された結合は、脆性材料が低膨張又はゼロ膨張である場合であっても、250Kを超える温度変化にも持続的に耐える。温度変化耐性は、250Kを超える広い温度範囲に亘って、好ましくは250Kと1300Kの間のΔTに亘って、好ましくは250Kと900Kの間のΔTに亘って、特に250Kと500Kの間のΔTに亘って、与えられている。このことは例えば、例えば−273℃と1000℃の間、好ましくは0℃と500℃の間の温度変化に対して、結合が反応しないということを意味する。
特に本発明によれば、実質的にゼロ膨張の脆性材料、例えばLASガラスセラミックと、α=17×10−6/Kの金属材料であるステンレス鋼との結合を実現することができ、この結合は、ΔT=500Kの広い温度範囲に亘って頑強であり、ΔT=500Kの温度範囲において高い温度変化耐性を有する。すなわちこの結合は、解除されることなく例えば0℃から500℃に加熱され、その後再び例えば0℃に冷却されることが可能である。このことは、当業者にとっては驚くべきことである。なぜなら、LASガラスセラミックの熱膨張係数は、ステンレス鋼の熱膨張係数とは著しく異なっているからである。
本発明によれば、脆性材料と金属材料との間に中間層が挿入される。中間層は、好ましくは延性材料、特に延性金属、好ましくはアルミニウム、特に純アルミニウム、又は金、又はチタン、又は金合金、又はチタン合金からなる。このような中間層の厚さは、好ましくは500μm以下、特に200μm以下、好ましくは20〜200μmの範囲、好ましくは50〜150μmの範囲、特に好ましくは80μm〜120μmの範囲にある。
金属材料が、溶接面の領域において厚さのばらつきが30μm以下、好ましくは10μm以下、特に3μm以下である均一な厚さ分布を有する金属要素である場合には、特に好ましい。このような厚さ分布は、例えば市販の圧延金属板から変形によって得られる金属要素を使用した場合に実現される。
中間層は、好ましくは厚さのばらつきが20μm以下、好ましくは5μm以下、特に1μm以下である。中間層に加えてさらに、接合法として超音波溶接を用いて結合される第1結合面及び/又は第2結合面を前処理しておくことができる。このことは、特に脆性材料にとって有利である。これに関しては、例えば熱的又は化学的な予負荷、若しくは強度向上用コーティングが考えられる。驚くべきことに、脆性材料の結合面を局所的及び/又は全面的にエッチング又は研磨することによって、耐熱性及び/又は温度変化耐性の改善が実現可能であることも判明した。
超音波溶接を用いた脆性材料と金属材料との結合は、非常に迅速に実施することができる。例えばこのような結合は、スポット溶接及び/又はねじり溶接によって短時間で実施することができる。
10秒未満、好ましくは5秒未満、さらに、特に1秒未満の時間さえ可能である。
本発明は、脆性材料と金属材料とからなる本体又は結合体の他に、脆性材料と金属材料との素材結合による結合を形成する方法も含み、この本発明に係る方法では、以下のステップが実施される:
まず、第1結合面を備え、長手方向の熱膨張係数α脆性(20℃〜300℃)が4×10−6/K以下、特に2×10−6/K以下、好ましくは−1×10−6/K以上、且つ4×10−6/K以下の範囲、特に−0.6×10−6/K以上、且つ2×10−6/K以下の範囲にあり、好ましくは実質的に低膨張の脆性材料、好ましくはガラス、ガラスセラミック、又はセラミック、例えばLi−Al−Si系ガラスセラミックが供給される。
さらには、第2結合面を備え、20℃〜300℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α金属(20℃〜300℃)が20×10−6/K以下、特に4×10−6/K以上、且つ6×10−6/K以下の範囲にある金属材料、例えばコバールが供給される。
それから、第1結合面及び第2結合面の領域において、第1結合面と第2結合面との間に挿入される中間層を介して、脆性材料が素材結合によって金属材料に相互に結合される。但し、中間層は、好ましくは延性金属、特にアルミニウム、好ましくは純アルミニウム若しくはアルミニウム合金、又は金、又はチタンからなり、好ましくは厚さが500μm以下、好ましくは200μm以下、特に20〜200μmの範囲にある。これによって、250℃を上回る温度、好ましくは300℃を上回る温度に対する高温耐性を有する結合、及び/又は、250Kを超える温度変化耐性が提供される。
脆性材料は、接合法によって、好ましくはスポット溶接、ロールシーム溶接、又はねじり溶接の形態の溶接によって、特に超音波溶接によって、金属材料に結合される。
特に、脆性材料の第1結合面が前処理される場合には、特に温度変化耐性の観点から特に高温耐性を有する結合が実現される。ここでは熱的又は化学的な予負荷、強度向上用コーティング、平滑化、点状突起、構造化、部分的若しくは全面的なエッチング、研磨、及び/又はイオン交換が可能である。
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図1には、脆性材料1と金属材料3とからなる本発明に係る本体100が図示されている。脆性材料1は、例えばLi−Al−Si系ガラスセラミック、特にMainz在所のSchott AG社のROBAX(登録商標)のように、例えば実質的にゼロ膨張の材料とすることができるが、この材料に限定されているわけではない。このような実質的にゼロ膨張の材料の長手方向の平均熱膨張係数α脆性(20℃〜300℃)は、0.15×10−6/K以下である。
金属材料3は、実質的に、20℃〜300℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α金属(20℃〜300℃)が6×10−6/K以下の金属材料である。
特に好ましい金属材料は、コバールである。
さらには、脆性材料の第1結合面10と、金属材料の第2結合面12とが図示されている。第1結合面10及び第2結合面12の領域においては、金属材料3が素材結合によって、例えば接合法として溶接法によって、脆性材料1に結合されている。
図1に図示された実施形態では、第1結合面10と第2結合面12との間の素材結合による結合は、1%より大きい破断伸びを有する延性金属からなる中間層20を介して実施される。延性金属は、特にアルミニウム、純アルミニウム、最純アルミニウム、金、又はチタンであり、好ましくはフィルムである。
素材結合による結合は、好ましくは溶接、特に超音波溶接によって比較的短時間、好ましくは10秒未満、特に5秒未満、さらに、特に1秒未満の間実施されるが、これらの時間に限定されているわけではない。
脆性材料1の第1結合面10が前処理されている場合には、特に250Kを超える高い温度変化耐性を有する特に耐熱性の結合が実現される。ここでは熱的又は化学的な予負荷、及び/又は、強度向上用コーティング、及び/又は、局所的又は全面的なエッチング又は研磨が考えられる。
図2には、脆性材料と金属材料とからなる本発明に係る本体の別の1つの実施例が図示されている。図2の実施例では、金属要素は、好ましくは屈曲されたステンレス鋼板である。図2と同じコンポーネントには、100だけ大きい参照符号が付されている。
図2の脆性材料101は、例えば平均熱膨張係数α20−300が−0.3×10−6/KのガラスセラミックROBAX(登録商標)である。金属材料103に結合させるために成形体200の形態で設けられた結合面は、好ましくは厚さのばらつきが30μm以下、好ましくは10μm以下、特に3μm以下であるほぼ均一な厚さ分布を有する、圧延工程で成形された平坦な結合面112である。
延性材料からなる中間層120として、例えば厚さ0.1mmのアルミニウムからなるフィルムが使用される。成形体の形態の金属材料の上には、フィルムを取り付ける代わりに上述したようなガルバニック析出、又はクラッド(又はめっき)、特に圧延クラッド(又は圧延めっき)、又は溶射、又はホットディップアルミナイジング、又は真空蒸着、又はマグネトロンスパッタリングによって、中間層を被着させることができる。成形体の形態の金属材料は、例えば平均熱膨張係数α20−300が17×10−6/Kの、例えば厚さ0.5mmの2回屈曲されたステンレス鋼板からなる。
中間層の厚さのばらつきは、20μm以下、好ましくは5μm以下、特に1μm以下である。
成形体200と脆性材料101との結合は、屈曲されたステンレス鋼板の少なくとも1つの脚部212の領域210において中間層を用いて実施される。
以下では、中間層を用いた脆性材料1と金属材料との結合を、複数の実施例に基づいて説明することとする。
第1実施例
第1実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α20−300が−0.3×10−6/KのガラスセラミックROBAX(登録商標)からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、圧延工程で成形された平坦な表面である。延性材料からなる中間層として、厚さ0.1mmのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α20−300が5.5×10−6/Kのコバール材料からなる厚さ0.5mm、直径22mmの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ12mm、直径8mmのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
第1実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α20−300が−0.3×10−6/KのガラスセラミックROBAX(登録商標)からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、圧延工程で成形された平坦な表面である。延性材料からなる中間層として、厚さ0.1mmのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α20−300が5.5×10−6/Kのコバール材料からなる厚さ0.5mm、直径22mmの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ12mm、直径8mmのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
ねじり超音波溶接法では、端面に格子状の凹凸を備える中空円筒体の形態のソノトロードを用いて、ガラスセラミックROBAXと、アルミニウム製の中間層と、コバール製のベースプレートとが相互に溶接され、この際には、ソノトロードの端面がコバール製のベースプレートの上に載置され、ねじり振動を実施する。ソノトロードの振幅は、25μmであり、ソノトロードの周波数は、20kHzであり、溶接圧は、2.0barであり、溶接エネルギは、800Wsである。
このようにして製造された結合体は、ガラスセラミックROBAXとアルミニウム製の中間層との間に平坦な結合を有すると同時に、他方では、アルミニウム製の中間層とコバール製のベースプレートとの間にも結合を有する。溶接工程で形成された接触面は、約1.5cm2である。この結合体は、認識できる損傷なしに、室温25℃と最高温度350℃との間での100回の温度変化による後続の熱的負荷に耐える。機械的な負荷検査による結合の安定性試験は、少なくとも700Nのせん断強度を示した。
第2実施例
第2実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α20−300が−0.2×10−6/KのガラスセラミックCERAN(登録商標)からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、クックトッププレートとしての使用から知られた点状突起構造を有する、圧延工程で成形された表面である。延性材料からなる中間層として、厚さ0.1mmのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α20−300が5.5×10−6/Kのコバール材料からなる厚さ0.5mm、直径22mmの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ12mm、直径8mmのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
第2実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α20−300が−0.2×10−6/KのガラスセラミックCERAN(登録商標)からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、クックトッププレートとしての使用から知られた点状突起構造を有する、圧延工程で成形された表面である。延性材料からなる中間層として、厚さ0.1mmのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α20−300が5.5×10−6/Kのコバール材料からなる厚さ0.5mm、直径22mmの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ12mm、直径8mmのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
ねじり超音波溶接法では、端面に格子状の凹凸を備える中空円筒体の形態のソノトロードを用いて、ガラスセラミックCERANと、アルミニウム製の中間層と、コバール製のベースプレートとが相互に溶接され、この際には、ソノトロードの端面がコバール製のベースプレートの上に載置され、ねじり振動を実施する。ソノトロードの振幅は、25μmであり、ソノトロードの周波数は、20kHzであり、溶接圧は、1.5barであり、溶接エネルギは、500Wsである。
このようにして製造された結合体は、接触領域に敷設されたガラスセラミックCERANの点状突起部とアルミニウム製の中間層との間に結合を有すると同時に、他方では、アルミニウム製の中間層とコバール製のベースプレートとの間にも結合を有する。この結合体は、認識できる損傷なしに、室温25℃と最高温度350℃との間での100回の温度変化による後続の熱的負荷に耐える。機械的な負荷検査による結合の安定性試験は、少なくとも700Nのせん断強度を示した。
第3実施例
第3実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α20−300が−0.3×10−6/KのガラスセラミックROBAX(登録商標)からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、圧延工程で成形された平坦な表面であり、のちに接触面となる領域には後続して研磨が実施されている。延性材料からなる中間層として、厚さ0.1mmのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α20−300が5.5×10−6/Kのコバール材料からなる厚さ0.5mm、直径22mmの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ12mm、直径8mmのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
第3実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α20−300が−0.3×10−6/KのガラスセラミックROBAX(登録商標)からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、圧延工程で成形された平坦な表面であり、のちに接触面となる領域には後続して研磨が実施されている。延性材料からなる中間層として、厚さ0.1mmのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α20−300が5.5×10−6/Kのコバール材料からなる厚さ0.5mm、直径22mmの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ12mm、直径8mmのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
ねじり超音波溶接法では、端面に格子状の凹凸を備える中空円筒体の形態のソノトロードを用いて、ガラスセラミックROBAXと、アルミニウム製の中間層と、コバール製のベースプレートとが相互に溶接され、この際には、ソノトロードの端面がコバール製のベースプレートの上に載置され、ねじり振動を実施する。ソノトロードの振幅は、25μmであり、ソノトロードの周波数は、20kHzであり、溶接圧は、2.0barであり、溶接エネルギは、750Wsである。
このようにして製造された結合体は、ガラスセラミックROBAXとアルミニウム製の中間層との間に平坦な結合を有すると同時に、他方では、アルミニウム製の中間層とコバール製のベースプレートとの間にも結合を有する。溶接工程で形成された接触面は、約1.5cm2である。この結合体は、認識できる損傷なしに、室温25℃と最高温度400℃との間での100回の温度変化による後続の熱的負荷に耐える。機械的な負荷検査による結合の安定性試験は、少なくとも3800Nのせん断強度を示した。
第4実施例
第4実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α20−300が3.3×10−6/KのガラスBorofloat33(登録商標)からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、フロート法で成形され火炎研磨された表面である。延性材料からなる中間層120として、厚さ0.1mmのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α20−300が5.5×10−6/Kのコバール材料からなる厚さ0.5mm、直径22mmの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ12mm、直径8mmのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
第4実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α20−300が3.3×10−6/KのガラスBorofloat33(登録商標)からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、フロート法で成形され火炎研磨された表面である。延性材料からなる中間層120として、厚さ0.1mmのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α20−300が5.5×10−6/Kのコバール材料からなる厚さ0.5mm、直径22mmの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ12mm、直径8mmのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
ねじり超音波溶接法では、端面に格子状の凹凸を備える中空円筒体の形態のソノトロードを用いて、ガラスBorofloat33と、アルミニウム製の中間層と、コバール製のベースプレートとが相互に溶接され、この際には、ソノトロードの端面がコバール製のベースプレートの上に載置され、ねじり振動を実施する。ソノトロードの振幅は、25μmであり、ソノトロードの周波数は、20kHzであり、溶接圧は、2.0barであり、溶接エネルギは、700Wsである。
このようにして製造された結合体は、ガラスBorofloat33とアルミニウム製の中間層との間に平坦な結合を有すると同時に、他方では、アルミニウム製の中間層とコバール製のベースプレートとの間にも結合を有する。溶接工程で形成された接触面は、約1.5cm2である。この結合体は、認識できる損傷なしに、室温25℃と最高温度300℃との間での100回の温度変化による後続の熱的負荷に耐える。機械的な負荷検査による結合の安定性試験は、少なくとも500Nのせん断強度を示した。
第5実施例
第5実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α20−300が−0.3×10−6/KのガラスセラミックROBAX(登録商標)からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、圧延工程で成形された平坦な表面である。延性材料からなる中間層として、厚さ0.1mmのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α20−300が17×10−6/Kのステンレス鋼材料1.4301からなる、厚さ0.5mmの2回屈曲されたステンレス鋼板からなる。
第5実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α20−300が−0.3×10−6/KのガラスセラミックROBAX(登録商標)からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、圧延工程で成形された平坦な表面である。延性材料からなる中間層として、厚さ0.1mmのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α20−300が17×10−6/Kのステンレス鋼材料1.4301からなる、厚さ0.5mmの2回屈曲されたステンレス鋼板からなる。
ねじり超音波溶接法では、端面に格子状の凹凸を備える中空円筒体の形態のソノトロードを用いて、ガラスセラミックROBAXと、アルミニウム製の中間層と、屈曲されたステンレス鋼板とが相互に溶接され、この際には、ソノトロードの端面がステンレス鋼板の脚部の上に載置され、ねじり振動を実施する。ソノトロードの振幅は、100%であり、ソノトロードの周波数は、20kHzであり、溶接圧は、1.0barであり、溶接エネルギは、200Wsである。
このようにして製造された結合体は、ガラスセラミックROBAXとアルミニウム製の中間層との間に平坦な結合を有すると同時に、他方では、アルミニウム製の中間層とステンレス鋼板との間にも結合を有する。溶接工程で形成された接触面は、約0.5cm2である。この結合体は、認識できる損傷なしに、室温25℃と最高温度500℃との間での100回の温度変化による後続の熱的負荷に耐える。温度変化の終了後における結合の安定性は、機械的な負荷検査によって検査される。機械的な負荷検査は、DIN51 155に記載されているようなウェグナー式の耐衝撃性試験機を用いた衝撃から構成されている。この際、ウェグナー式の耐衝撃性試験機は、ROBAX製のディスクに溶接されたステンレス鋼板の溶接領域に対向して配置され、そして、DIN51 155に即した衝撃が作動される。溶接結合は、少なくとも0.25Jの衝撃エネルギによるこの機械的な負荷検査に耐える。
Claims (19)
- 少なくとも1つの脆性材料(1)、特にガラスセラミック、ガラス、又はセラミックと、少なくとも1つの金属材料(3)とを含む本体(100)であって、
前記脆性材料(1)は、前記金属材料(3)と共に、250℃を上回る温度、特に300℃を上回る温度、好ましくは400℃を上回る温度、特に500℃を上回る温度に対する高温耐性を有する素材結合による結合を形成し、
前記脆性材料(1)と前記金属材料(3)との前記結合は、前記脆性材料(1)と前記金属材料(3)との間の中間層(20)を含み、
前記中間層(20)は、延性材料、好ましくは延性金属からなり、特に、破断伸びが1%以上、好ましくは2%以上、特に4%以上、非常に好ましくは10%以上、特に1%〜45%の範囲、特に好ましくは1%〜20%の範囲、非常に好ましくは2%〜20%の範囲、非常に特に好ましくは2%〜15%の範囲にある延性材料、好ましくは延性金属からなる、
ことを特徴とする本体(100)。 - 前記中間層(20)は、層厚さが500μm以下、好ましくは200μm以下、特に20μm〜200μmの範囲、好ましくは50μm〜150μmの範囲、特に好ましくは80μm〜120μmの範囲にあるフィルムである、
請求項1記載の本体(100)。 - 前記中間層(20)は、
・ガルバニック析出、
・クラッド、特に圧延クラッド、
・溶射、
・ホットディップメタルコーティング、特にホットディップアルミナイジング、
・真空蒸着
・マグネトロンスパッタリング、
のうちのいずれか1つの方法によって、前記脆性材料(1)及び/又は前記金属材料(3)の上に被着される、
請求項1記載の本体(100)。 - 前記中間層の層厚さは、
・ガルバニック析出された中間層の場合には、10〜70μm、特に10〜20μmであり、
・クラッド、特に圧延クラッドによって被着された中間層の場合には、20〜200μm、好ましくは50〜150μm、特に80〜120μmであり、
・溶射によって被着された中間層の場合には、50〜400μm、特に100〜300μmであり、
・ホットディップアルミナイジングによって被着された中間層の場合には、20〜100μmであり、
・真空蒸着によって被着された中間層の場合には、1〜20μmであり、
・マグネトロンスパッタリングによって被着された中間層の場合には、1〜20μmである、
請求項3記載の本体(100)。 - 前記延性金属は、アルミニウム、又は純アルミニウム、又は最純アルミニウム、又は金、又はチタンである、
請求項1から4のいずれか1項記載の本体(100)。 - 前記脆性材料(1)は、20℃〜300℃の温度範囲において、好ましくは長手方向の熱膨張係数α脆性(20℃〜300℃)が4×10−6/K以下、好ましくは2×10−6/K以下、好ましくは−1.0×10−6/K以上、且つ4×10−6/K以下の範囲、特に好ましくは−0.6×10−6/K以上、且つ2×10−6/K以下の範囲にある低膨張の材料である、
請求項1から5のいずれか1項記載の本体(100)。 - 前記脆性材料(1)は、ガラスセラミック、特にLi−Al−Si系ガラスセラミック、又はガラス、特にホウケイ酸ガラスである、
請求項6記載の本体。 - 前記金属材料(3)の長手方向の熱膨張係数α金属(20℃〜300℃)は、20×10−6/K以下、特に4×10−6/K以上、且つ6×10−6/K以下の範囲にある、
請求項1から7のいずれか1項記載の本体。 - 前記金属材料(3)は、長手方向の熱膨張係数α金属(20℃〜300℃)が、α脆性−20×10−6/K≦熱膨張係数α金属≦α脆性+20×10−6/Kの範囲になるように、好ましくはα脆性−10×10−6/K≦熱膨張係数α金属≦α脆性+10×10−6/Kの範囲になるように、特にα脆性−5×10−6/K≦熱膨張係数α金属≦α脆性+5×10−6/Kの範囲になるように選択される、
請求項1から8のいずれか1項記載の本体。 - 前記金属材料(3)は、タングステン、又はモリブデン、又はコバール、又は鋼、又はステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼若しくはフェライト系ステンレス鋼である、
請求項1から9のいずれか1項記載の本体。 - 前記脆性材料(1)は、前記素材結合による結合の領域において、前処理された表面(10)、特に熱的又は化学的に予負荷された表面(10)、及び/又は、強度向上用コーティングが施された表面(10)、及び/又は、局所的又は全面的にエッチング及び/又は研磨された表面(10)を有する、
請求項1から10のいずれか1項記載の本体。 - 前記金属材料(3)は、前記中間層の領域において好ましくは厚さのばらつきが30μm以下、好ましくは10μm以下、特に3μm以下である充分に均一な厚さ分布を有する、
請求項1から11のいずれか1項記載の本体。 - 前記中間層は、好ましくは厚さのばらつきが20μm以下、好ましくは5μm以下、特に1μm以下である充分に均一な厚さ分布を有する、
請求項1から12のいずれか1項記載の本体。 - 前記高温耐性を有する素材結合による結合は、広い温度範囲ΔTに亘って、好ましくは250Kを超える温度範囲ΔTに亘って、特に250Kと1300Kの間の温度範囲ΔTに亘って、特に250Kと900Kの間の温度範囲ΔTに亘って、特に250Kと500Kの間の温度範囲ΔTに亘って、温度変化耐性を有する、
請求項1から13のいずれか1項記載の本体。 - 前記金属材料は、好ましくは変形によって製造された、金属要素、特に成形体(200)、好ましくは圧延された成形体である、
請求項1から14のいずれか1項記載の本体。 - 脆性材料と金属材料との素材結合による結合を形成する方法であって、
・第1結合面(10)を備え、20℃〜300℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α脆性(20℃〜300℃)が4×10−6/K以下、特に2×10−6/K以下、好ましくは−1.0×10−6/K以上、且つ4×10−6/K以下の範囲、好ましくは−0.6×10−6/K以上、且つ2×10−6/K以下の範囲にある低膨張の脆性材料を供給し、
・第2結合面(12)を備え、20℃〜300℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α金属(20℃〜300℃)が20×10−6/K以下、特に4×10−6/K以上、且つ6×10−6/K以下の範囲にある金属材料、特にコバールを供給し、
・破断伸びが1%以上、好ましくは2%以上、特に4%以上、非常に好ましくは10%以上、特に1%〜20%の範囲、非常に特に好ましくは2%〜15%の範囲にある延性材料、特に延性金属からなり、好ましくは層厚さが500μm以下、好ましくは200μm以下、特に50μmと200μmの間にある中間層(20)を、前記第1結合面(10)と前記第2結合面(12)との間に挿入し、
・250℃を上回る温度、特に300℃を上回る温度、好ましくは400℃を上回る温度、特に500℃を上回る温度に対する高温耐性を有する結合が形成されるように、前記中間層(20)を介して前記脆性材料(1)を前記金属材料(3)に素材結合によって結合する、
ことを特徴とする方法。 - 脆性材料と金属材料との素材結合による結合を形成する方法であって、
・第1結合面(10)を備え、20℃〜300℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α脆性(20℃〜300℃)が4×10−6/K以下、特に2×10−6/K以下、好ましくは−1.0×10−6/K以上、且つ4×10−6/K以下の範囲、好ましくは−0.6×10−6/K以上、且つ2×10−6/K以下の範囲にある低膨張の脆性材料を供給し、
・第2結合面(12)を備え、20℃〜300℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α金属(20℃〜300℃)が20×10−6/K以下、特に4×10−6/K以上、且つ6×10−6/K以下の範囲にある金属材料、特にコバールを供給し、
・好ましくは破断伸びが1%以上、好ましくは2%以上、特に4%以上、非常に好ましくは10%以上、特に1%〜20%の範囲、非常に特に好ましくは2%〜15%の範囲にある延性材料、好ましくは延性金属からなり、好ましくは層厚さが特に500μm以下、好ましくは200μm以下、特に50μmと200μmの間にある中間層(20)を、前記第1結合面(10)及び/又は前記第2結合面(12)に結合させ、特に素材結合によって結合させ、
・前記第1結合面及び/又は前記第2結合面に前記中間層(20)を被着させた後、250℃を上回る温度、特に300℃を上回る温度、好ましくは400℃を上回る温度、特に500℃を上回る温度に対する高温耐性を有する結合が形成されるように、前記脆性材料(1)を前記金属材料(3)に結合させる、
ことを特徴とする方法。 - 前記脆性材料(1)を、好ましくはスポット溶接、又はロールシーム溶接、又はねじり溶接の形態の溶接によって、特に超音波溶接によって、前記金属材料(3)に結合させる、
請求項16又は17に記載の方法。 - 前記第1結合面を前処理し、特に熱的又は化学的に予負荷、及び/又は、強度向上用コーティングを施し、及び/又は、局所的又は全面的にエッチング及び/又は研磨する、
ことを特徴とする請求項16から18のいずれか1項記載の方法。
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JP2014005871U Active JP3195486U (ja) | 2013-11-05 | 2014-11-05 | 金属製の構成部分に結合される、ガラス又はガラスセラミックから成る壁部材を備えたオーブン加熱室 |
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JP2014005869U Active JP3195484U (ja) | 2013-11-05 | 2014-11-05 | 金属材料からなる構成部材との結合部を有するガラスプレート又はガラスセラミックプレートを備えるクックトップ |
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