Glas und Substrate
Alkalifreies Glas als Codeplatten-Substrat: niedrige Ausdehnung, kein Natrium und Rohoberfläche
Alkalifreies Alumoborosilikatglas für Displaytafeln hat einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 3–4×10⁻⁶/K, praktisch kein Natrium und einen hohen Strain Point. Der Artikel vergleicht es mit Kalk-Natron- und Borosilikatglas, berechnet die Ausdehnungsdifferenz und die Lochrandspannung gegenüber Aluminiumlegierungs- und Edelstahl-Naben und erklärt, welche Codeplatten geeignet sind und worauf bei Kleben und Montage zu achten ist.
Alkalifreies Alumoborosilikatglas für Displaytafeln hat drei Merkmale: α etwa 3–4×10⁻⁶/K, praktisch kein Natrium und einen hohen Strain Point. Diese drei treffen genau Codeplatten-Schmerzpunkte: Wärmespannung zwischen Chromschicht und Substrat, Alkaliausscheidung mit Trübung und Korrosion sowie Maßschrumpfung beim Ausheizen. Der Preis: α liegt noch weiter von üblichen Metallnaben entfernt. Der Artikel rechnet beide Seiten mit Beispielzahlen durch.
Vergleich mit anderen Gläsern
Typische Wertebereiche (Beispiele, keiner Marke zugeordnet):
| Klasse | α (10⁻⁶/K) | Strain Point (℃) | Na₂O (wt%, Größenordnung) |
|---|---|---|---|
| Kalk-Natron | 8,6–9,4 | ca. 500–520 | ca. 14 |
| Alkali-Alumosilikat | 7,5–9,5 | ca. 530–585 | ca. 12–14 |
| Borosilikat Typ 3.3 | ca. 3,3 | ca. 510 | ca. 4 |
| Alkalifreies Alumoborosilikat | 3,2–3,9 | 650–750 | ca. 0 (meist < 0,1) |
| Quarzglas | ca. 0,5 | ca. 900–1100 | 0 |
Alkalifreies Glas hat ein α nahe dem Borosilikat, aber einen um etwa 140–240 K höheren Strain Point – sein erster Vorteil.
Wärmespannung. Chromschicht-α etwa 4,9×10⁻⁶/K; E des Bulk-Materials 279 GPa, Poissonzahl 0,21. Bei 100 K Substraterwärmung wird die Chromschicht auf Kalk-Natron um etwa 145 MPa gezogen; auf alkalifreiem Glas wird daraus Druckspannung der Größenordnung etwa 42 MPa. Gesputterte Schichten tragen oft schon hunderte MPa Eigenspannung, daher wirkt die Wärmespannung vor allem bei Temperaturzyklen und Hochtemperaturschritten, aber eine um eine Größenordnung kleinere Fehlanpassung hilft der Haftung.
Maßstabilität. Mit den Beispielparametern des Wärmeschrumpfungs-Artikels dieser Bibliothek schrumpft Kalk-Natron bei 400 ℃ / 1 h um etwa 92 ppm, alkalifreies um etwa 0,006 ppm. Für Hochtemperaturschritte (thermische Aushärtung, Annealing, Hochtemperaturbeschichtung) alkalifrei bevorzugen.
Kein Natrium. Bei Feuchte-Wärme wandern Natriumionen im Kalk-Natron nach außen und bilden einen alkalischen Wasserfilm, der Chrom an Pinholes korrodieren und weiße Trübung hinterlassen kann – ein gängiger Mechanismus; alkalifreies Glas hat diese Bahn praktisch nicht. „Alkalifrei“ heißt nicht „gegen alles beständig“: Säure- und Heißalkalibeständigkeit unterscheiden sich, Reinigungsbäder mit dem eigenen Prozess validieren.
Rohoberfläche. Overflow-Downdraw-Tafel berührt kein Formteil; die Rauheit kann sub-nanometer-Klasse erreichen (siehe Substratvergleichs-Artikel dieser Bibliothek), braucht kein Polieren und kommt meist als dünne Tafel.
Ausdehnungsdifferenz zu Metallnaben
Gleichmäßige Wärmeausdehnung ändert nur die Abmessung, nicht den Teilungswinkel, daher verursacht die Glas–Naben-CTE-Differenz keinen direkten Winkelfehler; sie verursacht drei andere Probleme: Klebe- und Montagespannung, Mittenversatz und Ermüdung unter Temperaturzyklen. Mit Glas-α = 3,7, Kleberadius r = 10 mm, Temperaturhub ΔT = 40 K ist die freie Ausdehnungsdifferenz am Radius Δr = r·Δα·ΔT:
| Nabe (α) | Alkalifrei Δr | Kalk-Natron Δr |
|---|---|---|
| Aluminiumlegierung (23) | 7,7 μm | 5,6 μm |
| 304 Edelstahl (17,3) | 5,4 μm | 3,3 μm |
| 430-Klasse Edelstahl (10,4) | 2,7 μm | 0,6 μm |
| Titanlegierung (8,6) | 2,0 μm | 0,2 μm |
| Kovar-Klasse (5) | 0,5 μm | 1,6 μm |
| Invar-Klasse (1,5) | 0,9 μm | 3,0 μm |
Mit alkalifreiem Glas wechseln auch die passenden Naben: Kalk-Natron passt zu 430-Klasse und Titanlegierung, alkalifrei zu Kovar-Klasse, Titanlegierung und Invar-Klasse; Aluminiumlegierung und 304 passen zu keinem der beiden Gläser und sind mit alkalifrei schlechter (Abb. 2).
Obergrenze für nullspielende Steckpassung. Passt ein Glasloch ohne Spiel und ohne Klebstoff auf eine massive Nabe, erzeugt Temperaturwechsel Umfangszug am Lochrand. Elastisch gerechnet für Glasring (Außen-/Innenverhältnis 3) und massive Nabe: alkalifreies Glas mit Aluminiumlegierung etwa 0,82 MPa/K, mit 304 etwa 0,72 MPa/K, mit 430-Klasse etwa 0,35 MPa/K, mit Kovar-Klasse etwa 0,07 MPa/K. Bei langfristig zulässiger Zugspannung etwa 7 MPa (Größenordnung, mit Sicherheitsfaktor, kantengüteabhängig) erreicht Aluminiumlegierung die Grenze schon nach etwa 8,6 K Abstand von der Montagetemperatur (Abb. 3). Das ist eine Obergrenze: reales Spiel, Klebstoff und Nabencompliance senken die Spannung; nur zum Vergleich und zur Rangfolge nutzen.
Schub in der Klebung. Klebstoffdicke 50 μm, Δr = 7,7 μm (Aluminium mit alkalifrei), Schubdehnung etwa 0,15. Weicher Klebstoff (Schubmodul etwa 0,5 MPa) ergibt etwa 0,08 MPa Schubspannung – erträglich; hartes Epoxid (Größenordnung etwa 1 GPa) überschreitet bei Vollringklebung seine Festigkeit bei weitem, daher kein harter Klebstoff als Vollring – weicher Klebstoff, Punktklebung oder flexible Struktur.
Geeignete Codeplattentypen
Geeignet: transmissionsseitige Codeplatten mit Glasdurchmesser innerhalb einiger zehn Millimeter, Montage mit weichem Klebstoff oder kleinflächiger Klebung; Platten mit Hochtemperaturschritten oder Feuchte-Wärme-Einsatz; Naben aus Kovar-Klasse, Titanlegierung oder 430-Klasse. Vorsicht: Strukturen mit großflächiger Harteinbindung an Aluminiumlegierung; Platten, die Ionen-Austausch-Verfestigung brauchen (alkalifreies Glas hat keine austauschbaren Alkaliionen und kann diesen Weg in der Regel nicht nutzen); Platten dicker als etwa 1 mm (Lieferware meist dünn; Dickware bestätigen).
Technische Hinweise
- Alkalifreies Glas wegen niedriger Ausdehnung, hohem Strain Point und fehlendem Natrium wählen – nicht weil „es besser ist“; nach Temperaturbereich, Nabe und Montageart rechnen.
- Zuerst Naben-α und Montagetemperaturbereich prüfen, dann Δr = r·Δα·ΔT schätzen; Strukturen mit Δr von mehreren μm brauchen weichen Klebstoff, Punktklebung oder flexible Struktur.
- Glas und Aluminiumlegierung nicht nullspielend hart fügen: schon etwa 9 K Temperaturwechsel können Lochrandzug auf etwa 7 MPa Größenordnung bringen.
- Wechsel der Nabe auf Kovar-Klasse, Titanlegierung oder 430-Klasse senkt Δr meist unter 2–3 μm.
- Alkalifreies Glas lässt sich nicht durch Ionen-Austausch verfestigen; die Festigkeit hängt von Kanten- und Oberflächenqualität ab – Fase und Schnittkantenqualität in die Spezifikation schreiben.
- Für Hochtemperaturschritte (Ausheizen, Aushärten, Beschichten) alkalifrei wählen, um Schrumpfung zu verringern, aber Strain Point und Messdaten des Lieferanten trotzdem prüfen.
Zusammenfassung
Alkalifreies Alumoborosilikatglas hat α etwa 3–4×10⁻⁶/K, Strain Point 650–750 ℃ und praktisch kein Natrium – günstig für Chrom-Wärmespannung, Hochtemperaturschrumpfung und Feuchte-Wärme-Trübung. Der Preis ist die größere Ausdehnungsdifferenz zu Aluminiumlegierungs- und Edelstahl-Naben: bei r = 10 mm und 40 K kann Δr 5–8 μm erreichen, und die Lochrandzugspannung bei nullspielender Passung liegt bei etwa 0,7–0,8 MPa/K. Wer alkalifreies Glas wählt, muss Nabe und Klebemethode mit neu wählen.
Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0569). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com
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