DD246976A1 - Poroese keramik zur glasformgebung und ihre herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Keramiken auf der Basis von Aluminiumtitanat zur Formgebung von technischen und kuenstlerischen Glaesern bei Temperaturen von 700 bis 1 270C sowie auf die Herstellung einer derartigen Keramik. Das Ziel ist es, die mechanische Stabilitaet derartiger Keramiken zu verbessern und den erzielbaren Abkuehleffekt zu erhoehen. Erfindungsgemaess ist der Hauptbestandteil dieser Keramik die Mineralphase Aluminiumtitanat und der mittlere Porenradius der offenen Poren der Keramik liegt zwischen 100 und 400 nm. Derartige Keramiken lassen sich z. B. fuer Blasformen, Speiserinnen oder als andere Gleit- und Quetscheinrichtungen fuer fluessiges Glas einsetzen.

Description

41 bis54Gew.-% Titanoxid '· .. ' ·"

38bis47Gew.-% Tonerde

6bis9Gew.-% einerMagnesiumoxid bildenden Verbindung

und 0,1 bis2Gew.-% einesvorgebildeten Aluminiumtitanat-Keramikpulvers mit einer Korngröße < 2/im

bei den genannten Temperaturen zu Aluminiumtitanat umgewandelt wird, das Aluminiumtitanat danach mit einem Korndurchmesser <1 mm zusammen mit 10 bis 15% Ton auf < 63μτη naß zerkleinert wird und nach dem Entwässern, Trocknen und Zerkleinern mit 5 bis 20% eines organischen Ausbrennstoffes intensiv vermischt und das Gemisch geformt und gesintert wird.

3. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß als organischer Ausbrennstoff Mehl verwendet wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf e'me poröse Keramik auf der Basis von Aluminiumtitanat zur Formgebung von technischen und künstlerischen Gläsern mit feststehenden oder rotierenden Formen bei hohen Glasverarbeitungstemperaturen von 700 bis 1 27O⁰C. Derartige Keramiken lassen sich z. B. als Blasformen, Speiserinnen oderals andere Gleit- und Quetscheinrichtungen für flüssiges Glas einsetzen. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Form unter Verwendung eines organischen Ausbrennstoffes bei Sintertemperaturen zwischen 1 420 und 1 51O⁰C.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, bei der Formgebung technischer und künstlerischer Gläser Formenmaterialien aus verschiedensten Werkstoffen einzusetzen. Früher waren diese Glasformen („Modeln") aus Ton. Auch der Einsatz feuchter Holzformen ist zum Teil heute noch gebräuchlich (besondere Glasarten bei geringen Artikel-Stückzahlen).

In neuerer Zeit werden zur Glasformgebung sowohl für Festglasformen als auch beim rotierenden Blasen Werkstoffe wie Gußeisen, Stahl oder Aluminium verwendet (DE-AS 1029529, DE-AS 2249419). Diese Materialien weisen gegenüber den tonigen Werkstoffen bessere thermische und mechanische Eigenschaften auf.

Die Metallformen müssen — besonders die von Mehrstationen-Rotationsblasmaschinen — zur Verhinderung von Verzunderungs- und Klebeerscheinungen des Glases an den Kontaktflächen der Form mit sogenannten Schmieren überzogen we.rden. Die Schmieren bestehen aus verschiedenen Materialien wie z. B. Grafit, Ölen, Stärkeprodukten, Holzmehl, organischen Polymeren usw. und werden in mehr oder weniger kurzen zeitlichen Abständen auf die Metallformeninnenwände aufgetragen (z.B. Sprühen oder Streichen — DE-PS 1771 597; 2430350; SU 688452). Die Nachteile von Metallformen sind:

— relativ teuere Ausgangsmaterialien

— relativ komplizierte und teuere Herstellung der Formen

— die Oberflächenstrukturen der Metallformen bzw. des Schmiermaterials (Abbrandprodukte) werden in die herzustellenden Glaskörper ungewollt eingearbeitet und ergeben unerwünschte Strukturen auf der Glasoberfläche (Reifigkeit).

Es sind aber auch Formen aus Keramik zum Herstellen von Glaserzeugnissen bekannt, die aus poröser Keramik mit einem hohen Anteil Aluminiumtitanat bestehen. Hierbei wird von einer zwischen 1400 und 1 500⁰C gesinterten Mischung aus AI₂O₃ und TiO₂ im stöchiometrischen Verhältnis des Aluminiumtitanats ausgegangen. Gegenüber den Metallformen weisen diese Formen u.a. den Vorteil auf, daß die Porosität und die Scherbenstärke die Ausbildung eines Wasserdampffilmes beeinflußt. Dieser Dampffilm reduziert die weitere Wärmeabgabe des Glases und hält die Glasoberfläche von Nahtstellen und Rauhigkeiten der Form fern (DE-AS 2249419). Diese Aluminiumtitanat-Keramiken weisen zwar eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit auf, die mechanische Stabilität ist jedoch relativ gering.

Schließlich ist es auch bekannt, poröse keramische Formlinge unter Verwendung eines organischen Ausbrennstoffes herzustellen. Hierbei werden die vielfältigsten Stoffe, u.a. auch Sägemehl (DE 2909653) und Stärke (DD 52301) verwendet. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, eine gezielte Porosität mit- einem mittleren Porenradius der offenen Poren der Keramik von , einigen 100nm einzustellen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die mechanische Stabilität poröser Keramiken zur Glasformgebung auf der Basis von Aluminiumtitanat zu verbessern und den mit der Keramik erzielbaren Abkühleffekt zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Keramik auf der Basis eines stabilisierten Aluminiumtitanats mit einer gezielt eingestellten Porosität sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem der Hauptbestandteil der Keramik die Mineralphase Aluminiumtitanat ist und der mittlere Poren radius der offenen Poren der Keramik zwischen 100 und 400 η m liegt. Die Herstellung einer derartigen . Keramik erfolgt, indem eine homogene, feine Mischung aus

41 bis 54 Gew. -% Titanoxid 38bis47Gew.-% Tonerde

6bis9Gew.-% einer Magnesiumoxid bildenden Verbindung

und 0,1 bis2Gew.-% eines bei Temperaturen zwischen 1 420 und 1 510⁰C bereits vorgebildeten Aluminiumtitanat-

Keramikpulvers mit einer Korngröße < 2 μ,νη

bei den genannten Temperaturen zu Aluminiumtitanat umgewandelt wird, das Aluminiumtitanat danach mit einem Korndurchmesser <1 mm zusammen mit 10 bis 15% Ton auf <63/xm naß zerkleinert wird und nach dem Entwässern, Trocknen und Zerkleinern mit 5 bis 20% eines organischen Ausbrennstoffes intensiv vermischt und das Gemisch geformt und gesintert wird. Das erhaltene keramische Material läßt sich trocken oder halbfeucht verpressen. Auch ist die Formgebung durch Eindrehen möglich. . ' -

Eine derartige Keramik weist die folgenden Vorteile auf: · . · .

— Erreichung einer hohen Oberflächengüte der Gläser, keine „Reifigkeit" und Fließwellen;

— einfache Herstellung der Formen nach keramischen Verfahren aus relativ billigen Rohstoffen. Dadurch sind diese Formen deutlich billiger als Formen aus hochlegierten metallischen Werkstoffen;

— Wegfall des „Schmierens" der Form;

Weiterhin zeichnet sich die Aluminiumtitanat-Keramik aus durch:

— keine Kontaktreaktionen mit Glas

— hohe Temperaturwechselbeständigkeit

— ausreichende mechanische Festigkeit.

Diese Vorteile ergeben sich durch die nachstehenden Effekte:

1. Abkühlen der Oberflächen der mit dem heißen Glas in Kontakt tretenden Teile der Aluminiumtitanat-Keramikformen bis unter den Transformationsbereich des Glases.

2. Gezielter Transport von Wasser an die Kontaktflächen: heißes Glas —Keramik und dem damit verbundenen Abkühleffekt

3. Wesentlich beeinflußt wird der Abkühleffekt durch die Porengröße und Porenverteilung in der Keramik. Eine gezielte Porosität wird erreicht durch homogen verteiltes,, beim Sintern der Keramik ausbrennbares Material. Ein solches ist z. B. Mehl, dessen Zugabe von 5 bis 20%den geforderten Porenradius zwischen 100 und 400nm bewirkt.

4. Der hohe Temperaturgradient in den Formen aus Aluminiumtitanat-Keramik, bedingt durch die Glastemperatur (700 bis

1 270⁰C) und den Kühleffekt durch Wasser führt nicht zum Zerstören der Formen, da die erfindungsgemäße Aluminiumtitanat-Keramik eine sehr hohe Temperaturwechselbeständigkeit bei guter mechanischer Festigkeit aufweist. Die erfindungsgemäß beschriebene Keramik kann z.B. beliebig oft auf Glühtemperatur erhitzt werden und anschließend sofort in Wasser von Raumtemperatur gelegt werden, ohne daß die Keramik Risse zeigt.

Der wesentliche Grund für dieses Verhalten liegt in dem extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aluminiumtitanats bei 0 bis 2 10~⁶ K"¹.

5. Alumiriiumtitanat-Keramiken weisen bei einer ausgezeichneten Temperaturwechselbeständigkeit den Nachteil relativ geringer mechanischer Stabilität auf. Dieser Effekt ist offenbar bedingt durch die Bildung von Rissen in der Keramik infolge der starken Ausdehnungs-Anisotropie des Aluminiumtitanates. Diese Risse bilden sich um domänenartig orientierte Anordnungen von Aluminiumtitanat-Kristallen (Größe der Domänen ca. 100 bis 200μ,ηι, Größe der Aluminiumtitanat-Kristallite ca. 2 bis δμ,ηη). Diese relativ großen Rissen um die Domänen bewirken eine nur geringe mechanische Festigkeit. Setzt man erfindungsgemäß dem TiO₂/AI₂O3-Ausgangsgemisch aber vorgebildetes Aluminiumtitanat als Mikropulver (2/xm) in Mengen von 0,1 bis 2,0Gew.-% zu, bilden sich kleine Alumini'umtitanat-Kristallite und kleine Domänen aus diesen. Bei Domänen 25μΓη bilden sich Mikro-Risse, so daß die Biegefestigkeit der Aluminiumtitanat-Keramiken um den Faktor 2 bis 3 gesteigert werden kann, ohne daß die Temperaturwechselbeständigkeit verringert wird.

6. Die unter 1. bis 4. beschriebenen Effekte führen schließlich auch zu einer verbesserten Oberflächenqualität der Gläser, da der aus der Innenseite der Keramikformen austretende Dampf eine sehr glatte Glasoberfläche erzielt (Wegfall der „Reifigkeit" bei rotationsgeblasenen Gläsern).

7. Der Einbau von Magnesium in das Aluminiumtitanat-Gitter verhindert dessen thermischen Zerfall zwischen 800 und 1 25O⁰C.

Ausführungsbeispiel ' .

An einem Beispiel soll die Erfindung näher erläutert werden

Eine homogene Ausgangsmischung, bestehend aus

49% Titanoxid, TiO₂

43% Tonerde, AI₂O₃

1 % Aluminiumtitanat, vorgebildet bei 1 45O⁰C, Korngröße <2μ.ιη 7% Magnesiumcarbonat, MgCO₃

wird bei 1450⁰C zu Aluminiumtitanat AI₂TiO₅ umgewandelt. Das so gebüdete Aluminiumtitanat (88%) mit einem Korndurchmesser < 1 mm'.wird zusammen mit Ton (12%) auf <63/xm naßzerkleinert. Nach dem Entwässern, Trocknen und Zerkleinern wird die Mischung mit 8% Mehl intensiv homogenisiert und das Gemisch geformt und bei 1 470°C in oxidierender Atmoshäre gesintert.

Dabei bildet sich der beschriebene poröse Aluminiumtitanat-Werkstoff, dessen mittlerer Porenradius der offenen Poren zwischen 100 und 400 ηm liegt. Die Aluminiumtitanat-Keramik läßt sich als Formenmaterial für die Formgebung von technischen und künstlerischen Gläsern mit feststehenden oder rotierenden Formen unter Bildung einer Dampf politur auf der Glasoberfläche einsetzen. Zu diesem Zweck wird die Aluminiumtitanat-Keramikform kontinuierlich oder diskontinuierlich mit Wasser befeuchtet. Die Aluminiumtitanat-Keramik kann aber auch als Speiserinne oder andere Gleit- und Quetscheinrichtungen für •flüssiges Glas eingesetzt werden. Die hohe Temperaturwechselbeständigkeit verbunden mit dem Effekt der Oberflächenkühlung der Keramik durch gezielten Wassertransport und die Ausbildung eines Dampfpolsters zwischen Keramik und Glas ermöglicht den Einsatz für die Formgebung aller bekannten technischen und künstlerischen Gläsern auch im Bereich hoher Glasverarbeitungstemperaturen zwischen 700 und 1 270°C.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Poröse Keramik auf der Basis von Aluminiumtitanat zur Formgebung technischer und künstlerischer Gläser bei Verarbeitungstemperaturen von 700 bis 1 270⁰C, gekennzeichnet dadurch, daß der Hauptbestandteil der Keramik die Mineralphase Aluminiumtitanat ist und der mittlere Poren radius der offenen Poren der Keramik zwischen 100 und 400 η m liegt.
2. 2. Verfahren zur Herstellung einer porösen Keramik nach Punkt 1 unter Verwendung eines organischen Ausbrennstoffes bei Sintertemperaturen zwischen 1 420 und 1 510°C, gekennzeichnet dadurch, daß eine homogene, feine Mischung aus