DD153108B1 - Fluorphlogopithaltige glaskeramik mit bester maschinelller bearbeitbarkeit - Google Patents
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Description
Hierzu 1 Seite Zeichnung
Die Erfindung betrifft fluorphlogopithaltige Glaskeramik mit bester maschineller Bearbeitbarkeit und guten thermischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften.
Die erfindungsgemäße Glaskeramik kann als Substitutionswerkstoff für Metalle mit neuen und besseren Eigenschaften im Chemieanlagenbau, Maschinenbau, Gerätebau und in der Elektronik-Elektrotechnik angewendet werden.
Maschinell bearbeitbare Glaskeramiken sind bekannt. Dieser Werkstofftyp wurde umfassend untersucht. Insbesondere stand das Kristallisationsverhalten von Gläsern, die durch eine gezielte thermische Behandlung in maschinell bearbeitbare Glaskeramiken überführt wurden, im Interesse der Untersuchungen. Die gezielte Ausscheidung von Glimmerkristallen ist in den meisten Fällen eine Grundvoraussetzung für eine maschinelle Bearbeitbarkeit der Glaskeramiken. Die Glimmer besitzen die allgemeine Formel XcS-IY2-SZ4O1OF2, wobei die X-Positionen durch Ionen mit den Radien 1-1,6Ä, Y mit Ionen der Radien 0,6-0,9Ä und Z mit Ionen der Radien 0,3-0,5Ä besetzt werden.
In der DT-AS 2.133.652 wird die Ausscheidung von Kaliumphlogopit KMg3AISi3O10F2, Borphlogopit KMgBSi3O10F2 und Aluminium-Borphlogopit in Gläsern des Systems SiO2-B2O3-AI2O3-MgO-K2O-F^ bei Zusätzen von Na2O, Rb2O, Cs2O, Li2O beschrieben. Als bemerkenswertes Ergebnis wurde festgestellt, daß ohne Gegenwart von B2O3 eine maschinelle Bearbeitung dieser Glaskeramiken nicht möglich ist.
Bei einem Ersatz von B2O3 durch BaO und SrO und Sicherung der maschinellen Bearbeitbarkeit wie in DT-OS 2.224.990 beschrieben, werden die chemischen Eigenschaften der Glaskeramik wesentlich verschlechtert.
Wie in der DT-OS 2.208.236 gezeigt wurde, ist eine vollständige Substitution dreiwertiger Ionen im Glimmergitter möglich. Die in der Glaskeramik erzeugten Tetrakieselsäureglimmer des Systems SiO2-MgO-R2O (Alkalioxide)-RO (Erdalkalioxide) ermöglichen ebenfalls eine maschinelle Bearbeitbarkeit dieser Werkstoffe.
Die DE-PS 132.332 und die DE-PS 113.885 beschreiben maschinell bearbeitbare Glaskeramiken und Verfahren zu ihrer Herstellung im System SiO2-AI2O3-MgO-F-R2O bei möglicher Gegenwart von Zusatzstoffen. Die Hauptkristallphase dieser Glaskeramiken stellen Fluorphlogopitkristalle dar. Die blättchenförmigen Phiogopitkristalle in der DE-PS 132.332 und DE-PS 113.885 sind wie die Schichtsilikate in den DT-AS 2.133.652, DT-OS 2.224.990 und DT-OS 2.208.236 dargestellten Glaskeramiken, in einer regellosen kartenhausähnlichen Anordnung in die Glasmatrix eingebettet. Durch die gegenseitige Verzahnung der Kristalle ist eine Rißfortpflanzung gewährleistet und die maschinelle Bearbeitbarkeit der Glaskeramiken möglich.
Eine von dieser kartenhausähnlichen Morphologie abweichenden Phlogopite werden in der US-PS 3.325.265 beschrieben. Das dort angegebene Grundglas besitzt die Zusammensetzung 6-13% K2O, BaO u./o. SrO, 25-33% MgO, 12-15% AI2O3, 8,5-9,5% B2O3,40-52% SiO2,4,5-16% FMa.-%. Nach sofortiger thermischer Behandlung der gekühlten Schmelze entstehen kugelförmige Anhäufungen von Fluorphlogopit-Kristallen. Da diese Kristallhäufungen jedoch nicht miteinander vernetzen, ist die maschinelle Bearbeitung dieser Glaskeramiken sehr schlecht, d. h. nahezu unmöglich. Es ist aber bekannt, daß zur Erreichung einer guten maschinellen Bearbeitbarkeit von Glaskeramiken ausschließlich blättchenförmige Glimmerkristalle in Kartenhausanordnung notwendig sind. Jedoch ist aufgrund dieser Kristallanordnung keine wesentlich bessere maschinelle Bearbeitbarkeit der Glaskeramiken erzielt worden.
Dieser Mangel soll in der erfindungsgemäßen Glaskeramik überwunden werden.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik die maschinelle Bearbeitbarkeit von glimmerhaltigen Glaskeramiken ganz bedeutend zu verbessern und dem Werkstoff neue Materialeigenschaften zu erschließen.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Glaskeramik zu entwickeln, die sich durch beste maschinelle Bearbeitbarkeit und gute thermische, chemische und mechanische Eigenschaften auszeichnet.
Es wurde gefunden, daß die bisher erzielten maschinellen Bearbeitbarkeiten von glimmerhajtigen Glaskeramiken ganz bedeutend verbessert, auch dem Werkstoff neue Eigenschaften erschlossen werden können. Das ist ein enormer Fortschritt gegenüber dem bisher bekannt gewordenen Stand der Technik.
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Grundglas der Zusammensetzung in Ma.-%
| SiO2 | = 34-60 |
| AI2O3 | = 21-36 |
| MgO | 8-17 |
| R2O | 5-12 |
| F' | 1-7 |
unter der Bedingung, daß R2O die Sum me aus 0—8 Ma. -% Na2O und 0—6 Ma. -% K2O darstellt und unter den Bedingungen, daß für F~-Konzentrationen von 1—2,5Ma.-% des Masseverhältnis SiO2/(MgO + AI2O3) ca. 2,1-1,5 beträgt und für F~-Konzentrationen von 2,5-7 Ma.-% das Masseverhältnis SiO2/(MgO + AI2O3) ca. 1,5-0,7 beträgt, nach dem Erschmelzen thermisch behandelt
Erfindungsgemäß wird das Ausgangsglas nach dem Erschmelzen bei ca. 1420°C-1550 °C unterhalb der Transformationstemperatur abgekühlt und anschließend bei der Entglasungstemperatur in situ auskristallisiert oder direkt aus der Schmelze im Entglasungsbereich thermisch behandelt.
Dabei wurde überraschend gefunden, daß die phlogopitähnlichen Kristalle nicht in einer regellosen kartenhausähnlichen Anordnung entstehen, sondern daß die blättchenförmigen Glimmerkristalle in eine kugelförmige Lamellenanordnung in der Art eines „Kohlkopfes" übergehen. Nach Abschluß des Keramisierungsprozesses sind die phlogopitähnlichen Kristalle miteinander verbunden. Je nach Zusammensetzung und thermischer Behandlung des Glases kann der Volumenanteil an Kristallphase bis zu 70% und mehr betragen.
Die Ergebnisse der Röntgenbeugungs- und Elektronenbeugungsanalyse zeigten, daß es sich bei den ausgeschiedenen Schichtsilikaten nach wie vor um Kristalle handelt, die im Phlogopitgitter kristallisieren aber eine schwach veränderte Kristallzusammensetzung aufweisen. Gegenüber den bisher beschriebenen Phlogopiten besitzen die hier zur Ausscheidung kommenden Kristalle einen geringen Mg2*/AI3+-Überschuß.
Eine tiefgreifende Kenntnis über die Kinetik und die Steuerung der Mikrostrukturbildungsprozesse erlaubt bei relativ geringfügiger Änderung der Zusammensetzungen bekannter Ausgangsgläser diesen enormen Effekt in der Kristallausscheidung und der daraus resultierenden Glaskeramikeigenschaften zu erzielen.
Dem erfibdungsgemäßen Grundglas können bis zu 14 Ma.-% der folgenden Oxide zugesetzt werden, ohne daß sich dadurch die Kinetik der Ausscheidung der Glimmerkristalle in ihrer Morphologie ändert: CaO, BaO, FeO, Fe2O3 und P2O5.
Die Herstellung der Glaskeramik erfolgt erfindungsgemäß in der Weise, daß das erschmolzene Glas unterhalb der Transformationstemperatur abgekühlt und zu einem Gegenstand geformt oder direkt aus der Schmelze in eine Form gegossen wird, wobei im Bereich 750 X-1 0000C die thermische Behandlung erfolgt. Werden Temperaturen zur Wärmebehandlung von ca.
1 000-1 2000C gewählt, erfolgt nicht die Bildung der erfindungsgemäßen Glaskeramik, sondern die Phlogopitglaskeramik mit der bereits bekannten Kartenhausanordnung der Kristalle.
Die Haltezeit zur thermischen Behandlung beträgt im unteren Temperaturbereich 25-10Oh und im oberen ca. 1—5h. Nach Abschluß der Kristallisation kühlen die Proben mit ca. 3-4K min^1 auf Raumtemperatur ab. Aufgrund der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist die Entmischungsneigung der Ausgangsgläser und damit die Keimdichte für das Entstehen der Primärkristallphasen im Glas relativ gering.
Trotzdem ist es überraschend, daß die bei Phlogopitglaskeramiken in Kartenhausanordnung üblichen Primärkristallphasen der Humit-Reihe in der erfindungsgemäßen Glaskeramik nicht auftreten. Mit Hilfe Röntgenbeugungs- und Elektronenbeugungsuntersuchungen sowie mikroskopischer Analysen wurde stets Glimmer als Primärphase nachgewiesen.
Diese Tatsache ist offensichtlich eine wesentliche Grundlage für die Bildung der blättchenförmigen Phlogopitkristalle in kugliglamellenartiger Anordnung.
In der erfindungsgemäßen Glaskeramik besitzen die Glimmerkristalle bei großem Aspektverhältnis eine Länge von 25-100дт.
Die Kristalle sind jedoch in einer sehr optimalen Weise miteinander verbunden und unterscheiden sich damit neben ihrer Zusammensetzung auch hinsichtlich ihrer Morphologie wesentlich von den bekannten Phlogopitkristallen. Da die Kristalle in der erfindungsgemäßen Glaskeramik in einer optimalen Weise miteinander verwachsen sind, ist eine maschinelle Bearbeitbarkeit des glaskeramischen Materials nicht nur möglich, sondern im Vergleich zu Phlogopitglaskeramiken in denen die Kristalle eine Kartenhausanordnung besitzen überraschenderweise um den Faktor 4-5 besser. Trotz der Größe der Kristalle weisen die Biegebruchfestigkeit der Glaskeramik mit Werten von 140-210MPa und die mittlere Rauhtiefe von 0,5-1,5 μ,ιη auf sehr gute mechanische Eigenschaften der erfindungsgemäßen Glaskeramik hin. Die chemische Beständigkeit und die thermischen Eigenschaften sind ebenfalls vergleichsweise gut.
Ausführungsbeispiele
Die in Tabelle 1 angegebenen Konzentrationen liefern einen näheren Überblick über die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen der Ausgangsgläser und Glaskeramiken. Dabei zeigen die Ausführungsbeispiele 1-7, daß unter Wahrung der angegebenen Bedingungen im System SiO2-AI2O3-MgO-Na2O-K2O-F" die erfindungsgemäße Glaskeramik erzeugt werden kann. Die Beispiele 8-11 belegen, daß die Zusatzstoffe BaO, CaO, FeO, Fe2O3, P2O5 ebenfalls möglich sind. Die zugehörige Zeichnung zeigt die blättchenförmigen Phlogopitkristalle in kuglig-lamellenförmiger Anordnung in der erfindungsgemäßen Glaskeramik.
Wie die Tabelle 2 ausweist, entspricht die maschinelle Bearbeitbarkeit der erfindungsgemäßen Glaskeramik vollständig der gestellten Zielrichtung. Auch die chemischen Eigenschaften, die in Tabelle 3 dargestellt sind sowie die mechanischen Parameter der Biegebruchfestigkeit, die 140—210MPa betragen sowie die thermischen Eigenschaften mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 52—75 · 10~7K~' erfüllen die Aufgabenstellung. Außerdem besitzen die Glaskeramiken eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und Temperaturstandfestigkeit.
| Tabelle 1 | 1 | Glas Nr. | 2 | 3 | 4 | thermische Behandlung | h | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | maschinelle Bearbeitbarkeit | 6 | 180 | 7 | 8 | 8 |
| 59,4 | 38,5 | 51,1 | 43,0 | 0C; | 5 | 1 | 1-2 | 41,8 | 48,4 | 49,3 | 1-2 | 1-2 | 48,7 | 1-2 | ||||
| SiO2 | 21,7 | 1 | 36,0 | 24,0 | 30,3 | 960; | 1 | 2 | 2-3 | 30,2 | 29,1 | 27,5 | gut | 2-3 | 2 | 22,9 | 2-3 | |
| AI2O3 | 8,6 | 2 | 15,2 | 10,1 | 13,1 | 980; | 1 | 60-69 | 68-75 | 17,1 | 12,6 | 11,8 | sehrgut | 65-73 | 9,6 | 63-70 | ||
| MgO | 1,8 | 3 | 6,5 | 3,5 | 4,9 | 960; | 4 | 4,4 | 2,7 | 3,7 | ausgezeichnet | 3,3 | ||||||
| F- | 3,7 | 4 | — | 5,6 | 4,1 | 980; | 4 | 8,7 | 3,2 | 3,2 | sehrgut | 5,3 | ||||||
| Na2O | 5,0 | 5 | 5,8 | 6,0 | 4,9 | 960; | 2 | — | — | — | 4,3 | 5,3 | gut | 160 | 5,7 | |||
| K2O | — | 6 | — | — | — | 960; | 2 | — | — | — | ausgezeichnet | 6,4 | ||||||
| BaO | 9 | 7 | 10 | 11 | 980; | 50 | ausgezeichnet | |||||||||||
| 34,1 | 7 | 52,5 | 45,4 | 750; | 5 | sehr gut | ||||||||||||
| SiO2 | 31,8 | 8 | 19,1 | 25,3 | 980; | 4* | sehr gut | |||||||||||
| AI2O3 | 13,5 | 9 | 7,2 | 10,8 | 960; | 4 | gut | |||||||||||
| MgO | 5,7 | 10 | 2,5 | 3,4 | 940; | 2 | sehr gut | |||||||||||
| F" | 1,4 | 11 | 3,2 | 2,9 | 980; | gut | ||||||||||||
| Na2O | 3,7 | 4,1 | 4,9 | |||||||||||||||
| K2O | 12,1 | Eigenschaft | — | — | ||||||||||||||
| CaO | — | 3,9 | — | |||||||||||||||
| FeO | — | 9,8 | — | |||||||||||||||
| Fe2O3 | — | — | 8,6 | |||||||||||||||
| P2O5 | ||||||||||||||||||
| Tabelle 2 | ||||||||||||||||||
| hydrolytische Klasse | ||||||||||||||||||
| Tabelle 3 | Laugenklasse | |||||||||||||||||
| lineare thermische Aus | ||||||||||||||||||
| dehnungskoeffizienten | ||||||||||||||||||
| für 100-4000C in | ||||||||||||||||||
| 110"7K"1 | ||||||||||||||||||
| Biegebruchfestigkeit | ||||||||||||||||||
| in MPa | Experimentelle Werte der Glaskeramiken Nr. | |||||||||||||||||
| 1 | ||||||||||||||||||
| 1 | ||||||||||||||||||
| 1 | ||||||||||||||||||
| 52-62 | ||||||||||||||||||
| 210 | ||||||||||||||||||
Claims (1)
- Patentanspruch:Fluorophlogopithaltige Glaskeramik mit bester maschineller Bearbeitbarkeit, die als Hauptkristallphase Fluorophlogopitkristalle enthält und folgende Zusammensetzung aufweistwobei R2O die Summe aus 0-8Ma.-% Na2O undO-6Ma.-% K2O darstellt, gekennzeichnet dadurch, daß das Masseverhältnis Si02/(Mg0 + AI2O3)für F'-Konzentrationen von 1-2,5Ma.-% 2,1-1,5 und für F'-Konzentrationen von 2,5-7Ma.-% 1,5-0,7 beträgt, und daß die Fluorophlogopitkristalle gebogen sind.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD22392580A DD153108B1 (de) | 1980-09-17 | 1980-09-17 | Fluorphlogopithaltige glaskeramik mit bester maschinelller bearbeitbarkeit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD22392580A DD153108B1 (de) | 1980-09-17 | 1980-09-17 | Fluorphlogopithaltige glaskeramik mit bester maschinelller bearbeitbarkeit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DD153108A1 DD153108A1 (de) | 1981-12-23 |
| DD153108B1 true DD153108B1 (de) | 1987-05-13 |
Family
ID=5526298
Family Applications (1)
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| DD22392580A DD153108B1 (de) | 1980-09-17 | 1980-09-17 | Fluorphlogopithaltige glaskeramik mit bester maschinelller bearbeitbarkeit |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| DD (1) | DD153108B1 (de) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4789649A (en) * | 1985-11-04 | 1988-12-06 | Veb Jenaer Glaswerk | Micaceous-cordierite-glass ceramic |
-
1980
- 1980-09-17 DD DD22392580A patent/DD153108B1/de not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DD153108A1 (de) | 1981-12-23 |
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