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Verfahren zur Erhöhung der Leitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit siliciumhaltiger keramisch gebundener Massen.
Es ist bekannt, keramische Erzeugnisse herzustellen, die als wesentlichen Bestandteil Silieium, ein Silicid oder eine Siliciumlegierung, wie Ferrosilicium, enthalten. Diese Stoffe besitzen gegenüber andern keramischen Produkten eine höhere Wärmeleitfähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, katalytische Wirkung bei gewissen chemischen Umwandlungen und, unter gewissen Voraussetzungen, auch elektrische Leitfähigkeit.
Man verwendet zur Herstellung solcher Materialien eine formbare Masse, die aus einem Gemisch von Silicium bzw. Silicid oder Siliciumlegierung, gebräuchlichen keramischen Rohstoffen oder andern
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den gewünschten Eigenschaften der Erzeugnisse. Es ist insbesondere möglich, Werkstoffe herzustellen, die fast ausschliesslich aus Silicium bestehen und nur einen geringen Anteil an Bindemittel enthalten. Die Verarbeitung geschieht sowohl hinsichtlich des Formens als auch des Brennens nach keramischer Arbeitsweise. Neben kleinen Formkörpern, wie Platten, Kugeln, Röhren, werden auch Gefässe und Apparate von erheblichen Abmessungen hergestellt, deren Anfertigung der Herstellung entsprechender Geräte aus Steinzeug und Porzellan gleichartig ist.
Die siliciumhaltigen keramischen Erzeugnisse besitzen, wie erwähnt, vorteilhafte Eigenschaften.
Es ist aber schliesslich aufgefallen, dass diese Vorteile nicht in dem Grad verwirklicht sind, der sich aus den Eigenschaften der Bestandteile erwarten liesse. Es hat sich alsdann gezeigt, dass sich durch besondere Massnahmen beim Brennen die Eigenschaften der Erzeugnisse in ungeahntem Grade verbessern lassen und ausserdem Rissbildungen, wie sie öfters auftreten, vermieden werden.
Diese Massnahmen bilden den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Bei der Herstellung üblicher keramischer Erzeugnisse, insbesondere beim technischen Steinzeug, haben sich für die Durchführung des Brennprozesses noch keine allgemein gültigen Grundsätze herausgebildet. Es gilt dies sowohl hinsichtlich der zu erreichenden Temperatur als auch hinsichtlich der Ofenatmosphäre. Für Steinzeug liegt die Brenntemperatur meistens zwischen 1150 und 1250 und man ist bestrebt, sie im Interesse eines geringeren Brennstoffverbrauches weiter herabzusetzen. Die angewendete Brenndauer schwankt zwischen 80 und 150 Stunden. Dabei enthält die Ofenatmosphäre meistens einen Luftüberschuss und besitzt demgemäss oxydierenden Charakter. Bei der üblichen Kohlenfeuerung ist es übrigens fast unmöglich, eine bestimmte Zusammensetzung der Gase im Ofen dauernd aufrecht zu erhalten.
Für die Herstellung siliciumhaltiger keramischer Werkstoffe diente bisher das übliche Brennverfahren, ohne Berücksichtigung irgendeiner Vorschrift über Brenndauer, Brenntemperatur und Ofenatmosphäre.
Es hat sich nun gezeigt, dass zwei Faktoren von grundlegendem Einfluss auf die Eigenschaften siliciumhaltiger Formkörper sind, nämlich die beim Brennen erzielte Temperatur und die Brennofenatmosphäre. Ausgehend von ein und derselben Masse, die als Bestandteil eine bestimmte Menge Silieium enthält, erzielt man einen Werkstoff mit besseren Eigenschaften, insbesondere bedeutend höherer Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit, wenn die erreichte Brenntemperatur beispielsweise 13500 beträgt statt 1250 .
Bei einer bestimmten Brenntemperatur ergeben sich für ein und dieselbe Masse bedeutend günstigere Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit,
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wenn während des Brennens die Einwirkung von Sauerstoff aus der Ofenatmosphäre ferngehalten wird.
Zusammenfassend ergibt sich dann das beste Produkt, wenn bei Vermeidung einer Einwirkung oxydierender Gase auf das Brenngut eine möglichst hohe Brenntemperatur erzielt wird, die naturgemäss nach oben begrenzt ist durch die Erweichungstemperatur der Formkörper bzw. durch die Schmelztemperatur des in der Masse enthaltenen Siliciums, Silicides oder der Silieiumlegierung.
Die Erzielung zweckmässig hoher Brenntemperaturen bietet keine Besonderheiten. Es sind deshalb nur diejenigen Massnahmen zu erörtern, die geeignet sind, beim Brennen eine schädliche Einwirkung oxydierender Gase auf ein Mindestmass zu verringern. Es ist dabei vorausgesetzt, dass in der Regel eine schädliche Einwirkung oxydierender Gase erst oberhalb ungefähr 500 C zu erwarten ist.
Zunächst ist zu erwähnen, dass Körper aus silieiumhaltiger Masse nach dem Formen und Trocknen zwar nicht gasundurchlässig sind, aber dem Eindringen von Gasen zufolge der Feinheit ihrer Poren immerhin erheblichen Widerstand entgegensetzten. Es sind deshalb beträchtliche Zeiträume erforderlich, damit Gase durch den Scherben hindurchdiffundieren, was sich besonders bei dickwandigen Stücken geltend macht. Es ergibt sich daraus die mit der Erfahrung übereinstimmende Tatsache, dass eine rasehe Durchführung des Brennprozesses kaum eine merkliche Durchlüftung des Scherbens mit sich bringt. Störende oxydierende Einflüsse werden dadurch noch weiter vermindert, dass die das Brenngut umgebenden Gase möglichst wenig Sauerstoff enthalten.
Eine Ausführungsform des Verfahren besteht deshalb darin, dass die Brenndauer, insbesondere der oberhalb ungefähr 500 C liegende Brennabschnitt, gegenüber der üblichen Brenndauer stark, beispielsweise auf 10-20 Stunden verkürzt wird, wobei dann die Ofenatmosphäre Sauerstoff enthalten kann.
Beim Brennen dickwandiger Gegenstände in Öfen von beispielsweise 50-150 m3 Ofenraum ist eine längere Brenndauer erforderlich, um eine gleichmässige Durchwärmung und Sinterung zu erzielen.
Hier ist es notwendig, bei erhöhter Temperatur die rohen Gegenstände aus siliciumhaltiger Masse vor der Einwirkung von Luftsauerstoff zu schützen. Dies wird in bekannter Weise dadurch ermöglicht, dass die Gegenstände ähnlich wie bei der Herstellung von Kohlenstoffsteinen in einer Kohleneinbettung gebrannt werden. Einfacher ist es jedoch, Vorsorge zu treffen, dass die Ofenatmosphäre bei erhöhten Temperaturen keinen freien Sauerstoff enthält.
Dies gelingt am besten mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff. Dadurch wird eine sichere Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft gewährleistet. Auf diese Weise gelingt es, die Brennatmosphäre dauernd sauerstoffrei zu halten, was bei Kohlefeuerung und periodischer Brennstoffaufgabe schwierig ist.
Es bleibt noch zu erörtern, wie die siliciumhaltigen Formkörper nach erfolgter Erhitzung abzukühlen sind. Dabei ist es nicht immer erforderlich, dass sie von einer sauerstoffreien Atmosphäre umgeben sind. Falls die Produkte bei der erreichten Brenntemperatur dichtgesintert sind, kann beim Abkühlen eine Einwirkung der Luft höchstens an der Oberfläche stattfinden. Bleiben die Formkörper beim Brennen porös, so ist es vorteilhaft, auch beim Abkühlen sauerstoffhaltige Gase auszuschliessen, sofern die Abkühlung längere Zeiträume erfordert.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erhöhung der Leitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit siliciumhaltiger keramisch gebundener Massen, dadurch gekennzeichnet, dass steinzeugartige Massen mit Silicium, Silicide oder Siliciumlegierungen zwischen 12500 C und der Schmelztemperatur der eingearbeiteten Siliciumlegierung unter Einhaltung sauerstoffreier oder sauerstoffarmer Atmosphäre gebrannt werden.