DD247209A1 - Verfahren zur verfestigung poroeser keramischer gefuege - Google Patents

Abstract

Zur Verbesserung der feuerfesten und mechanischen Eigenschaften von Brennhilfsmitteln wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem bereits gebrauchsfaehige Artikel durch Nachbehandlung eine weitere Verfestigung des Gefueges erhalten. Erfindungsgemaess erfolgt die Nachbehandlung mittels einer kolloidalen Kieselsaeureloesung.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Verfahren zur Verfestigung poröser keramischer Gefüge wie bei hochfeuerfesten Brennhilfsmitteln, insbesondere aus Cordierit-Mullit-Systemen für den Brennprozeß von Haushalt und Zierporzellan.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Der Brennprozeß von Porzellan wird im Temperaturbereich von 1350-141O⁰C durchgeführt. Dabei wird eine ziemlich konstante

Phasenprogramm eines periodischen Ofens realisiert.

Es zeichnen sich dabei vor allem solche Brennhilfsmittel wie Platten, Kapseln oder Ständer aus, mit denen eine große Anzahl dieser beschriebenen Ofenreisen mit dem jeweiligen Brenngut möglich werden. Dafür ist eine feuerfeste Grundstoffzusammensetzung zu wählen, die mittels unterschiedlichen Formgebungsverfahren und einem Erstbrand, der hinsichtlich der Sintertemperatur und dem Sinterregime dem Ausgangsmaterial entspricht und höher sein soll, als der spätere Porzellanbrand, ausgesetzt wird. Werkstoff mischungen mit der Hauptkomponente Siliziumcarbid und einer feuerfesten Bindematrix haben dafür die günstigsten Eigenschaften. Zur besseren Verarbeitbarkeit, vor allem beim statischen Pressen, werden den Mischungen Plastifikatoren, wie Polyvinylacetat, Dextrine, Sulfitablauge o.a. zugegeben. Die geringfügige Menge von 2...5% wird im Erstbrand extrahiert und beeinträchtigt nicht die Bildung eines dichten silikatischen Gefüges. Schwieriger ist es, wenn die Ausgangsgrundstoffe sehr stark phasenbildend aktiv sind und die Porosität des Gefüges im Erstbrand nicht aufgehoben werden kann, ohne negative Phasen wie z. B. das zersetzende Christobalit oder eine stark ausgeprägte Glasphase zu bilden, die den ständigen Temperaturwechsel im Porzellanbrand nicht resistent gegenüberstehen. Die gewünschte Phasenzusammensetzung ist ein ausgewogenes Verhältnis des schwindungsarmen Cordierit mit dem festen Mullit. Dabei ist das Cordierit nur in einem geringen Temperaturbereich von 1360—1390⁰C stabil und zersetzt sich darüber hinaus ebenfalls in Mullit und Schmelze. Zur Herausbildung der Phasen bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit der Mischungen werden verschieden, meist organische Zusätze beigemengt. Neben den vorgenannten Zusätzen sind des weiteren erprobt, Aluminiumphosphat bzw. Aluminiumzement (JP-PS 143642), Alkoholeverbindungen und Acetone (SU-Urheberschein 49397), und ein Rückstandsprodukt aus der Caprolactamherstellung mit Soda (SU-Urheberschein 877334). Einen weiteren bedeutenden Einfluß haben silikatische Katalysatoren, die insbesondere in feinen Körnungen zur Aktivierung der Phasenbildung beitragen. Im Porzellanwerk Chodziez, VR Polen, wird 1,92% feingemahlener Marmor und 5% PVA beigemischt. In den SU-Urheberscheinen 921 896 und 322109 wird vorgeschlagen, einen Ethylsilikatbinder und synthetischen Topas bzw. Natriumfluorsilikat der Grundmischung zuzusetzen. Sämtlichen bekannten Neuerungen ist eines gemein. Die organischen bzw. mineralogischen Zusätze für eine mehr oder weniger wirkende Eigenschaftsverbesserung der feuerfesten Brennhilfsmittel werden vor dem Formgebungsprozeß den Ausgangsgrundstoffen beigemischt. Nachträgliche Behandlungen der einsatzbereiten Brennhilfsmittel erfolgen nur über das Aufstreichen von Trennengoben, die aus einer Kaolinsuspension oder einer Suspension mit Kaolin, Korund und Ton bestehen können. Diese sollen entweder das Trennen von gestapelten Brennhilfsmitteln untereinander, das Trennen von Brenngut und Brennhilfsmitteln sichern oder auch das Herauslösen ungebundener Körner aus dem Brennhilfsmittel verhindern.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, zusätzlich zu optimierten Verhältnissen der Herstellung, vor allem cordierit-mullithaltiger Brennhilfsmittel, die feuerfesten und mechanischen Eigenschaften zu verbessern und damit die Anzahl Ofenreisen im Gebrauch spürbar zu erhöhen

Eine Anwendung auf Siliziumcarbidartikel soll in Betracht gezogen werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei bereits gebrauchsfähigen Brennhilfsmitteln, wie Kapseln, Schalen, Platten u. ä. durch Nachbehandlung eine weitere Verfestigung des Gefüges des porösen Werkstoffes zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die genannten Artikel in eine kolloidale Kieselsäurelösung mit der technischen Bezeichnung Kieselsol getaucht werden, diese infolge der hohen Wasseraufnahme in den Scherben aufgenommen wird und anschließend der Wasseranteil mittels Trocknung abgetrennt wird und somit SiO₂ in sehr feinem Körnungsbereich in

den offenen Poren eingelagert wird. Die Konzentration der kolloidalen Kieselsäurelösung beträgt 10... 40%, die Teilchengröße des SiO₂ 5... 50 nm. Kolloidale Kieselsäurelösungen sind hochrein. Der Gehaltan Na₂O beträgt 0,3... 0,5%, der von NaCI und Na₂SO₄ maximal 0,1 %. Damit ist eine Beeinträchtigung des Chemismus durch hohe Alkalität ausgeschlossen

Mit der Einlagerung des SiO₂ verringert sich die Porosität. Wird nun der so vorbehandelte Artikel dem ersten Nutzbrand bei 1350... 1400°C ausgesetzt, erfolgt die weitere Phasenumwandlung aus instabilem Cordierit zu Mullit. Diesem Prozeß kommt das sehr reaktionsfähige SiO₂ aus dem Kieselsol zuvor. Aus der Schmelzphase dieses Materials wird die Mullitbiidung und damit ein Festigkeitsanstieg gefördert, der Cordieritzerfall erfolgt langsamer, d. h. die labilen feuerfesten Eigenschaften können über eine größere Anzahl Ofenreisen gesichert werden. Es wurde beobachtet, daß die Verfestigung und damit die mechanische Stabilität bis zu einer bestimmten Zahl Ofenreisen weiter zunimmt, z. B. von 15 MPA bis auf 30 MPa und danach stark abfällt. Das erklärt sich aus der ebenfalls zunehmenden nachteiligen Versprödung des Gefüges und Auftretens von Mikrorissen infolge des häufigen Temperaturwechsels, des intensiveren Wärmedurchgangs und der damit verbundenen Beschleunigung der auf den Zerfall der Struktur gerichteten Wirkungen.

Die Anwendung des Verfahrensauf Siliziumcarbidbrennhilfsmittel ist möglich. Neben der Verbesserung der Eigenschaften der labilen Bindephase, wie vorher beschrieben, wird des weiteren der Oxidation des SiC in bestimmten Grenzen entgegengewirkt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden

In den zugehörigen Zeichnungen sind in bezug auf Cordierit-Mullit-Kapseln dargestellt:

Fig. 1: Änderung der Porosität,

Fig.2: Änderung der Kaltbiegefestigkeit und in

Fig.3: Änderung des Cordieritgehaltes.

1. Eine Cordierit-Mullit-Kapsel hat die chemische Zusammensetzung von

29,7% SiO₂ 61,4% AI₂O₃ 1,16% Fe₂O₃ 0,74% TiO₂ 6,03% MgO.

Nachdem Erstbrand wird der Artikel in eine kolloidale Kieselsäurelösung von 30% für 2 sek. eingetaucht. Die SiO₂-Auf nähme beträgt 3,7%. Es ist eine Erhöhung der Kaltbiegefestigkeit vom I.zum 15. Anwendungsbrand um 100% zu verzeichnen.

2. Eine Brennkapsel aus der Grundstoffzusammensetzung von 50% Siliziumcarbid, Tonerde, Talkum und Kaolin wird 2sek. im 30%igen Kieselsolbad getaucht. Die SiO₂-Aufnahme beträgt 4,3%. Es ist eine Zunahme der Kaltbiegefestigkeit während der ersten 10 Ofenreisen um 50%zu verzeichnen.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Verfestigung poröser keramischer Gefüge, dadurch gekennzeichnet, daß die Artikel durch ein Tauchbad mit kolloidaler Kieselsäurelösung geleitet sind, danach getrocknet und einem Einsatzbrand ausgesetzt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kolloidale Kieselsäureiösung eine Konzentration von 10 ...40% aufweist und deren Feststoffanteil in Form von amorphem SiO₂ im Körnungsbereich von 5...50nm liegt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme der kolloidalen Kieselsäurelösung durch den porösen keramischen Werkstoff 1 ...3 s. währt und dabei die Feststoff menge von 3... 5% Gewichtszunahme aufgenommen wird.