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Glasartiger Körper und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen glasartigen Körper mit Glimmer in verteiltem Zustande.
Dieser glasartige Körper gehört jener bekannten Type an, bei welcher Glimmer in verteiltem Zu- stande in einer als Bindemittel dienenden glasartigen Masse vorhanden ist. Gemäss der Erfindung besteht die glasartige Masse aus einem Glas, dessen Hauptbestandteile ein Alkalimetalloxyd (ruz 0), ein Oxyd , eines zweiwertigen Metalles aus einer Zink, Kalzium, Magnesium, Strontium, Kadmium und Barium umfassenden Gruppe (RO), Phosphorsäureanhydrid (P.
O) und Tonerde (AI 0) sind und in den nachfolgend angegebenen Molprozentanteilen, bezogen auf den Molprozentanteil d des Oxydes des zweiwertigen Me- talles, vorliegen :
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<tb>
<tb> Oxyd <SEP> des <SEP> zweiwertigen <SEP> Metalles <SEP> (RO) <SEP> 6 <SEP> bis <SEP> 20
<tb> d
<tb> Phosphorsäureanhydrid <SEP> (P2O5) <SEP> (36-)bis <SEP> (56-d)
<tb> 3
<tb> d
<tb> Tonerde <SEP> (Al2O3) <SEP> 6 <SEP> bis <SEP> (16+6d)
<tb> 6
<tb> Alkalimetalloxyd <SEP> (R2O) <SEP> 22 <SEP> bis <SEP> 42,5,
<tb>
wobei der Gehalt an Tonerde niedriger ist als 20 Grew.-% des Glases.
Zur Herstellung von glasartigen Körpern mit einem Gehalt an Glimmer sind als Bindemittel solche in der keramischen Industrie gebräuchliche Schmelzflüsse vorgeschlagen worden, welche mit dem Glimmer keine chemische Verbindung eingehen und zwischen 600 und 9000C schmelzen, vgl. österr. Patentschrift Nr. 69634. Zu diesem Zwecke wurden insbesondere Schmelzflüsse mit einem starken Gehalt an Alkali und Borsäure als Bindemittel empfohlen, wogegen fur den erfindungsgemässen glasartigen Körper im wesentlichen ein Phosphatglas als Bindemittel dient.
Auch das durch die deutsche Patentschrift Nr. 831973 bekannte glimmerartige Isolationsmaterial weist als Einbettungsmittel für den Glimmer glasartige Verbindungen anderer Zusammensetzung, nämlich solche auf der Grundlage von Bor- und Bleioxyd, wie Metallborate, Borsäure und Borsilikate mit einem Schmelzpunkt unter der Entwässerungstemperatur des glimmerartigen Materials auf. Das erfindungsgemäss als Bindemittel benützte, vor allem auf Alkaliphosphatglas aufgebaute Bindemittel hat jedoch gegenüber dem Agglomerieren mit Bleiglas, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, wesentliche Vorteile.
Gemäss der Erfindung verwendet man als Oxyd des zweiwertigen Metalles vorzugsweise Zinkoxyd, Kalziumoxyd und Magnesiumoxyd. Die Oxyde des zweiwertigen Metalles werden entweder für sich allein oder in verschiedenen Gemischen verwendet, u. zw. hauptsächlich zu dem Zwecke, die Behandlung des Glases zu erleichtern und auch, um seine Beständigkeit gegen den Angriff von Wasser zu verbessern.
Als Alkalimetalloxyd verwendet man das Natriumoxyd (Na20), das Kaliumoxyd (K20) oder am häufigsten ein Gemisch von Natriumoxyd (Na20) und Kaliumoxyd KK20) ; gegebenenfalls kann man auch
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des Glases nicht überschreitenden Menge anwenden.
Für die Erzeugung des erfindungsgemässen Körpers kann man sowohl natürlichen Glimmer als auch . synthetischen Glimmer verwenden. Der synthetische Glimmer wird insbesondere dann eingesetzt, wenn der glasartige Körper gemäss der Erfindung bei seiner praktischen Anwendung besonders hohe Temperaturen
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aushalten muss. Bekanntlich verlieren die natürlichen Glimmer schon bei Temperaturen in der Grössenordnung von 700 bis 900 C, je nach dem gegebenen Falle, ihr gesamtes Konstitutionswasser. Diese Deshydratisierungserscheinung zieht eine vollständige Modifikation der Struktur des Glimmers und seiner Eigenschaften nach sich.
Die synthetischen Glimmersorten erleiden beim Erhitzen bis zum Schmelzen keine Strukturänderungen und behalten infolgedessen ihre Eigenschaften bis zu Temperaturen oberhalb von 12000C bei.
Die glasartigen Körper gemäss der Erfindung zeigen im gesamten die folgenden Eigenschaften : a) Sie sind zur Formgebung durch Giessen sehr geeignet und ermöglichen so die Anfertigung von Stücken mit einer sehr komplizierten Form. In dieser Hinsicht können sie mit glasartigen Körpern aus mit Hilfe von Bleiglas agglomeriertem, verteiltem Glimmer verglichen werden.
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die glasartigen Körper aus mit Hilfe von Bleiglas agglomeriertem, verteiltem Glimmer im allgemeinen eine niedrigere Durchschlagsfestigkeit in der Grössenordnung von 19 kV/mm besitzen. d) Die Dichte der erfindungsgemässen glasartigen Körper variiert, je nach den bei der Herstellung verwendeten Anteilmengen an Glimmer und Glas und sogar auch je nach den bei dieser Herstellung angewendeten Bedingungen und liegt im allgemeinen zwischen 2,2 und 2,7.
Sie ist daher kleiner als die von Körpern aus mit Hilfe von Bleiglas agglomeriertem, verteiltem Glimmer, deren Werte im allgemeinen bekanntlich bedeutend über 3,0 liegen. e) Der Ausdehnungskoeffizient der erfindungsgemässen Körper liegt im allgemeinen zwischen 125 und 150 x 10-7. Die am häufigsten verwendeten Produkte haben einen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 130 und 140 x ze Dieser verhältnismässig hohe Ausdehnungskoeffizient erleichtert das Einschliessen von metallischen Einlagen bei den Formgebungsvorgängen, insbesondere beim Giessen. f) Die Beständigkeit gegen Kompression ist ebenso wie die Dichte variabel und hängt von den bei der Herstellung verwendeten Verhältnisanteilen an Glimmer und Glas und sogar auch von den Bedingungen ab, die bei diesem Herstellungsvorgang eingehalten wurden.
Die Kompressionsbeständigkeit ist vergleichbar mit jener von Körpern aus verteiltem, mit Hilfe von Bleiglas agglomeriertem Glimmer, u. zw. bei höheren Gehalten an Glas im Glas-Glimmer-Gemisch (d. h. für Gehalte an Glas im Bereiche von 5CfI/o und darüber). g) Die Beständigkeit gegen Wasser und atmosphärische Agentien ist ausgezeichnet. Ausgedrückt im Gewicht des angegriffenen Materials je Einheit der angegriffenen Fläche ist die Beständigkeit vor allem beträchtlich überlegen jener von Körpern, die aus verteiltem und mit Hilfe eines Bleiglases agglomeriertem Glimmer bestehen und ist im allgemeinen 5- bis 20mal so gross.
Diese für die Praxis besonders wichtige Eigenschaft macht es möglich, den erfindungsgemässen Körper während langer Zeitabschnitte den Witterungseinflüssen auszusetzen, ohne dass die mechanischen und elektrischen Eigenschaften dadurch geändert werden. h) Das Fehlen jeder Toxizität beseitigt jede Gefahr bei der Handhabung dieser Körper. i) Die leichte Verarbeitung durch mechanische bzw. maschinelle Bearbeitung, durch Bohren, durch Gewindeschneiden und Fräsen ist sehr gut.
Zur Herabsetzung der Temperatur, auf die man das Glimmer-Glas-Gemisch während der Agglomerationsbehandlung bringen muss, empfiehlt es sich ein solches Glas zu verwenden, das einen niedrigen Gehalt an Tonerde und Alkalioxyd sowie einen erhöhten Gehalt an dem Oxyd des zweiwertigen Metalles aufweist.
Der glasartige Körper gemäss der Erfindungwird durch Wasser umsoweniger angegriffen, je höher das Molekularverhältnis von Phosphorsäureanhydrid zu Alkalimetalloxyd in dem Glase ist, das zum Agglomerieren des in verteiltem Zustande vorliegenden Glimmers dient. Wenn anderseits gewünscht wird, auch das Verhalten des erfindungsgemässen glasartigen Körpers gegenüber atmosphärischen Agentien zu verbessern, so führt man zweckmässig in das zum Agglomerieren des feinverteilten Glimmers dienende Glas einen solchen Molprozentanteil an Borsäureanhydrid ein, der bis zu etwa 7% betragen kann. Dieser Zusatz hat im übrigen eine Verminderung des Ausdehnungskoeffizienten des genannten Glases zur Folge.
Der glasartige Körper gemäss der Erfindung kann dadurch erhalten werden, dass man den Glimmer im verteilten Zustande mit dem Phosphatglas vermischt, dessen Zusammensetzung vorstehend angegeben wurde, und dass man das Gemisch auf eine genügende Temperatur erhitzt, um ein Erweichen des Glases zu erzielen. Das so plastisch gemachte Gemisch wird dann im allgemeinen in Formen gepresst.
Ein besonderes Herstellungsverfahren für den glasartigen Körper gemäss der Erfindung und insbesondere
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die thermische Behandlung, wie sie nachstehend in Form eines nicht beschränkenden Beispieles beschrie- ben sind, wurden zu dem Zwecke entwickelt, die Zersetzung des Glimmers und einen Angriff auf diesen durch das verwendete Phosphatglas ebenso wie die tatsächliche Entglasung dieses Glases zu vermeiden.
Nach dieser erfindungsgemäss bevorzugten Methode wird der verteilte Glimmer zunächst mit dem in Form eines feinen Pulvers befindlichen Phosphatglas innig vermischt. In diesem Gemisch beträgt der An- teil des vorhandenen Glases im allgemeinen 30-50 Gew.-%. Das so erhaltene Produkt wird zuerst in der
Kälte in die Form von Pastillen bzw. Tabletten von ungefähr 30 mm Durchmesser und ungefähr 20 mm
Höhe gebracht. Die Tabletten werden einem ersten Brennvorgang während ungefähr 1 h unterworfen und sodann durch Zerquetschen wieder in Pulverform gebracht. Das so erhaltene Pulver wird nun in die Form eingeführt, die dem herzustellenden Gegenstand entspricht. Es wird dort zunächst aufgeschüttet und ge- gebenenfalls mit Hilfe eines Stempels komprimiert.
Danach unterwirft man den Körper einem zweiten
Brennvorgang während etwa 1 h und setzt schliesslich, falls gewünscht, die Form in der Hitze einem er- höhten Druck aus.
Im allgemeinen führt man die beiden Brände im wesentlichen bei derselben Temperatur aus. Diese Temperatur variiert mit den Eigenschaften des Glimmers und des benützten Phosphatglases. Wenn man
Naturglimmer anwendet, kann die Temperatur im Bereiche von etwa 500 bis 5500C liegen und der End- druck kann im Bereiche von 3 t/cm ? liegen. Bei synthetischen Glimmern kann die Temperatur höher lie-
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ches Glas aus, dessen charakteristische Merkmale der behandelten Glimmerart, den Eigenheiten des angewendeten Erzeugungsvorganges und den für das erzeugte Produkt angestrebten Eigenschaften angepasst sind.
Nachstehend sind vier Beispiele für den glasartigen Körper gemäss der Erfindung angegeben.
Beispiel 1 : 70 Gew.-Teile pulverförmiger Phlogopit-Glimmer, der durch ein Sieb von 200 Mikron Maschenweite hindurchgeht, und 30 Gew.-Teile pulverförmiges Phosphatglas, das durch ein Sieb von 50
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<tb>
<tb> :PPs <SEP> 43 <SEP> % <SEP>
<tb> Alios <SEP> 11, <SEP> 50/0 <SEP>
<tb> NaO <SEP> 28 <SEP> % <SEP>
<tb> K20 <SEP> 11 <SEP> 0/0
<tb> ZnO <SEP> 6, <SEP> 50/0 <SEP>
<tb>
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Der so erhaltene zylindrische Körper wird in einen auf 5000C erhitzten Ofen eingeführt, ungefähr 1 h darin belassen und dann zum Abkühlen gebracht. Sodann wird der Körper zu Teilchen von weniger als 0,5 mm Grösse zerstossen. Das erhaltene Pulver wird in eine vorher z. B. mit graphitiertem Öl geschmierte Form eingeschüttet, wo es dann einer Wiederagglomerierung unter Druck unterworfen wird. Diese Form besteht aus einem Stahlzylinder, in dessen Innerem ein Kolben bzw. Stempel verschiebbar angeordnet ist.
Der Innendurchmesser dieses Zylinders beträgt 31 mm. Das auf dem Boden der Form gleichmässig ausgebreitete Pulver wird auf 5000C erhitzt und während ungefähr 1 h auf dieser Temperatur gehalten und sodann bei dieser Temperatur und einem Druck von 3 t/cm2 komprimiert. Aus dieser Form wird sodann in heissem Zustande eine Tablette ausgebracht, deren Dichte 2, 45 beträgt. Diese Tablette zeigt eine polierte Oberfläche von grauer Farbe und gutem Aussehen.
Im übrigen kann dieser Zylinder erforderlichenfalls durch mechanische Bearbeitung genau auf die gewünschten Dimensionen gebracht werden.
An dem so erhaltenen Zylinder wird einerseits der elektrische Widerstand und anderseits die Durchschlagsfestigkeit bestimmt. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind wie folgt :
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<tb>
<tb> Elektrischer <SEP> Widerstand <SEP> 18 <SEP> x <SEP> 1012 <SEP> Ohm <SEP> cm2/cm <SEP>
<tb> Durchschlagsfestigkeit <SEP> 25 <SEP> kV/mm
<tb>
Mit dem erhaltenen Zylinder wird auch die Wasserfestigkeit untersucht. Zu diesem Zwecke bringt man den Zylinder in einen auf 1200C gehaltenen Trockenschrank und lässt ihn dort 2 h lang verweilen.
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Man wägt nach dem Abkühlen. Sodann taucht man den Zylinder 24 h in destilliertes Wasser von 800C ein und bringt aufs neue in den auf 1200C gehaltenen Trockenschrank, wo man wieder während 2 h be- lässt. Man wägt aufs neue nach dem Abkühlen. Die Differenz der beiden Wägungen ergibt den Gewichts- verlust, bezogen auf die Gesamtoberfläche des Zylinders. Dieser Gewichtsverlust, auf die Flächeneinheit umgerechnet, beträgt 0,2 mg/cn.
Die Beständigkeit gegen Druck variiert je nach den Proben zwischen 1300 und 1500 kg/cm.
Beispiel 2 : 50 Gew.-Teile Phlogopit-Glimmer, der durch ein Sieb von 200 Mikron Maschenweite hindurchgeht, und 50 Gew.-Teile eines Phosphatglaspulvers, das durch ein Sieb von 50 Mikron Maschen-
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<tb>
<tb> P2O5 <SEP> 34 <SEP> 0/0
<tb> B2 <SEP> 7 <SEP> 0/0
<tb> Al2O3 <SEP> 6 <SEP> %
<tb> Nazi <SEP> 25 <SEP> %
<tb> K20 <SEP> 9 <SEP> %
<tb> ZnO <SEP> 7 <SEP> %
<tb> MgO <SEP> 4 <SEP> 0/0
<tb> CaO <SEP> 4. <SEP> 5% <SEP>
<tb> BaO <SEP> 3, <SEP> 50/0 <SEP>
<tb>
Wie in Beispiel 1 werden 15 g des Gemisches in der Kälte mittels einer hydraulischen Presse in Form einer Tablettenpresse von 30 mm Durchmesser unter einem Druck von 2 t/cm2 tablettiert.
Der so erhaltene Zylinder wird in einen auf 5500C gehaltenen Ofen eingesetzt, ungefähr 1 h darin belassen und dann zum Abkühlen gebracht. Der Körper wird dann durch Zerstossen in ein Pulver verwandelt. Mit Hilfe des so erhaltenen Pulvers wird eine zylindrische Form beschickt, deren Bodenfläche der Hohlform eines Kreuzzapfens entspricht. Die Form wird mittels eines Stempels geschlossen. Man bringt die gesamte Anordnung aus Form und Stempel zwischen die Platten einer Presse und, nachdem die Form und deren Inhalt 1 h lang auf 5500C gehalten worden sind, wendet man einen Pressdruck von 3 t/cm2 an.
Nach dem Abkühlen bringt man aus der Form einen sehr homogenen Gegenstand aus, welcher einen erhabenen Kreuzzapfen ohne Fehler darstellt.
Die Dichte dieses Gegenstandes beträgt 2, 52. Der elektrische Widerstand ist 25 x 1012 Ohm cm2/cm.
Die Durchschlagsfestigkeit beträgt 26 kV/mm.
Die Beständigkeit gegen Wasser wird wie im Beispiel 1 durch den Gewichtsverlust bestimmt, den der Zylinder während einer Verweilzeit von 24 h in destilliertem Wasser von 800C erleidet. Dieser Gewichtsverlust, bezogen auf die Flächeneinheit, beträgt 0,15 mg/cm2.
Die Beständigkeit gegen Druck variiert je nach den Proben zwischen 1400 und 1600 kg/cm2.
Beispiel 3:60 Gew.-Teile Muskovit-Glimer, der durch ein Sieb von 200 Mikron Maschenweite hindurchgeht, und 40 Gew.-Teile eines Phosphatglaspulvers, das durch ein 50 Mikron-Maschensieb hindurchgeht, werden sorgfältig miteinander vermischt. Das Phosphatglas hat die folgende Molekularzusammensetzung :
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<tb>
<tb> P2O5 <SEP> 400/0
<tb> Al2O3 <SEP> 9%
<tb> NaO <SEP> 37%
<tb> ZnO <SEP> 6%
<tb> CaO <SEP> 4%
<tb> MgO <SEP> 4%
<tb>
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100 g des Gemisches werden unter dem hydraulischen Druck einer Tablettenpresse von 30 mm Durchmesser mit einem Druck von 2t/cm2 verpresst.Der erhaltene flache Zylinder wird 1 h im Ofen auf 5500C erhitzt. Sodann wird er abgekühlt und im Mörser zerstossen.
Das erhaltene Produkt wird in eine Form von 60 mm Durchmesser eingebracht, die Form wird sodann auf 500 C erhitzt und während 1 h auf dieser Temperatur gehalten. Sodann lässt man auf den Stempel dieser Form eine Kraft von 75 t während 5 min einwirken, worauf man den Probekörper ausbringt. Dieser stellt eine Scheibe von ungefähr 15 mm Durchmesser von kompakter und homogener Struktur dar. Der Körper lässt sich ohne Schwierigkeit durch Zersägen in kreisförmige, sehr dünne Plättchen (0, l-0, 2 mm) teilen, wodurch man mechanisch feste Plättchen von guten elektrischen Eigenschaften erhält.
Beispiel 4 : 80 Gew.-Teile Muskovit-Glimmer, die durch ein Sieb einer Öffnungsweite von 200 Mikron hindurchgehen, und 40 Gew.-Teile eines Phosphatglaspulvers, die durch ein Sieb von 50 Mikron Öffnungsweite hindurchgehen, werden sorgfältig miteinander vermischt. Das Phosphatglas hat die folgende Zusammensetzung in Mol-o :
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<tb>
<tb> P <SEP> 3''/0
<tb> BO <SEP> 710 <SEP>
<tb> Al2O3 <SEP> 7%
<tb> Na <SEP> 20 <SEP> 1910 <SEP>
<tb> KO <SEP> 14%
<tb> LiO <SEP> 2% <SEP>
<tb> ZnO <SEP> 71o
<tb> CaO <SEP> 4%
<tb> MgO <SEP> 4%
<tb> Bau <SEP> 3% <SEP>
<tb>
120 g des Gemisches werden unter dem hydraulischen Druck einer Tablettenpresse von 30 mm Durchmesser mit einem Druck von 2 t/cm2 verpresst. Der erhaltene flache Zylinder wird im Ofen während 1 h auf 550 C erhitzt, dann abgekühlt und im Morser zerstossen.
Man nimmt eine Form von 60 mm Durchmesser, in deren Achse ein mit Gewinde versehener Stahlstab von 6 mm Durchmesser und 50 mm Länge Åangeordnet ist. Man führt das durch Zerstossen erhaltene Pulver in die Form in der Weise ein, dass der Stab mit einem ungefähr 30 mm langen Stück aus dem Pulver heraussteht. Sodann bringt man die Form auf 5500C und hält sie 1 h lang auf dieser Temperatur. Hierauf wird unter einem Druck von 3 t/cm mit Hilfe eines Stempels verpresst, der eine entlang seiner Längsachse verlaufende, zur Aufnahme des Gewindestabes bestimmte Führungsöffnung von ungefähr 7 mm Durchmesser und 50 mm Tiefe hat, wonach man den Pressling aus der Form herausnimmt.
Man erhält so einen isolierenden Zylinder, in welchem ein Gewindebolzen dauerhaft eingeschlossen ist, wobei die Trennung der beiden Teile ohne Zerstörung unmöglich ist.
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