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Keramischer '4rbund-Werkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung der Zug-und Biegefestigkeit keran-iischer
Körper. Gelingt die Erfüllung dieser Aufgabe in technisch richtiger Weise, so können
keramische Körper trotz erhöhter statischer Sicherheit mit einem veriiiinderten
Gewichtsaufwand als seither erstellt und in vermehrtem Maße - auch im Maschinenbau
- zur Anwendung kommen.
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Ähnlich wie der übliche keramische Scherben ist auch der unarmierte
Beton wenig zugfest. In entsprechender Weise, wie man vom unarmierten zum armierten,
aber anfangs nicht vorgespannten Beton überging, hat man bereits mehrfach versucht,
auch keramische Körper durch hineingebrachte Einlagen aus Drähten oder Drahtgitterwerken
zu verstärken. Meistens handelte es sich hierbei (siehe z. B. deutsches Patent 834
523) um keramisches »Geschirr«, also um topfartige Körper, in welchen die
genannten Drähte aus Stahl oder aus besonders hitzebeständigen Metallen sowohl in
parallelen Ebenen senkrecht zur Hauptachse des betreffenden Gefäßes als auch senkrecht
hierzu, also ungefähr in Richtung von Zylinder-Mantellinien, verliefen; oder in
welchen die Drähte insgesamt ein korbähnliches Metallgerüst innerhalb des Scherbens
bildeten. Derartige Metalleinlagen erbrachten selbstverständlich eine verbesserte
Gebrauchssicherheit der durch sie armierten Gefäße. Ein Auseinanderfallen der keramischen
Gegenstände war unmöglich, sofern die Drähte den keramischen Brand und die Abkühlung
hieraus überstanden hatten, ohne stark zu korrodieren, in Teilabschnitte zu zerschmelzen
oder während der gemeinsamen Ab-
kühlung beider Stoffe mit je einem
anderen Wärmedehnkoeffizienten durch überstarke Zugbeanspruchung zu zerreißen.
- Es war dann auch möglich, daß Risse, die etwa beim späteren Gebrauch entstanden,
nicht größer wurden und nicht weiterliefen. Denn die innere Armierung fing die Beanspruchungen
ab, und man konnte sogar solche Risse und andere kleine Beschädigungen durch ein
Verschmieren mit glasurähnlicher Masse unschädlich machen. -Ferner sorgte
die gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des Scherbens bessere Leitfähigkeit der Einlagen
für einen guten Wärmedurchgang, wodurch die Gefahr von thermisch verursachten Spannungen
im Scherben vermindert wurde, was sich besonders bei großen Industriegefäßen bei
schneller Aufheizung oder Ab-
kühlung in günstigem Sinne hinsichtlich der
Lebensdauer der betreffenden Gefäße auswirkte. - Derartige Metalleinlagen
waren jedoch im abgekühlten Scherben nicht vorgespannt, jedenfalls nicht in bewußter
Weise und nicht in einem vorgegebenen Maße. Es konnte wohl zufällig einmal vorkommen,
daß kleine Längsabschnitte eines einzelnen Drahtes während des Abkühlens aus dem
Brand im ihm zugeordneten Scherbenabschnitt eingeklemmt verblieben, sich sodann
beim weiteren Abkühlen stärker als der Scherben zusammenzogen und hierdurch beim
Erreichen der Endtemperatur in einem gespannten Zustand verblieben. Jedoch war diese,
Zugspannung und ihre Größe von Zufälligkeiten abhängig und insofern unkontrollierbar,
unreproduzierbar und nicht in eine Festigkeitsrechnung einkalkulierbar. Denn es
stand nicht fest, an welchen jeweiligen Oberflächenabschnitten des Drahtes der Scherbenwerkstoff
sich ausreichend scherfest mit dem metallischen Werkstoff verband, ferner nicht,
bei welcher Temperatur dieses gegebenenfalls erfolgte, und weiter nicht, ob die
bereits mit dem Scherben etwas verklammerten Metallteile sich nicht wieder vom Scherben
zu lösen vermochten, sobald der Drahtdurchmesser infolge des stärkeren therinischen
Schwindens stärker abnahm als der Durchmesser des zugehörigen Kanals im Scherben.
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Man hat ferner auch bereits stabförmige Metallkörper mit einer Ummantelung
aus Tomnassen versehen und sodann den Verbundkörper nach keramischer Verfahrensweise
gebrannt. Ein bewußtes und definiertes Vorspannen des Innenkörpers auf Zug wurde
jedoch auch bei derartigen Verbundkörpern nicht angestrebt bzw. erreicht. Nach dem
Brand war der Körper zwar allenfalls zugfester geworden, aber keinesfalls biegefester.
Denn die metallischen Einlagen verliefen - bezogen auf den durch äußere Biegekräfte
gebogenen Stab - in und in der Nähe der sogenannten »neutralen Faser«, -also
in einem Gebiet
des Körpers, das bekanntlich beim Biegen nicht oder
nur in sehr geringem Ausmaß beansprucht wird. Diejenigen in der Nähe der
Außenhaut des Verbundkörpers liegenden Scherbenanteile, welche beim Biegen auf Zug
beansprucht werden, waren nicht durch metallische Einlagen verstärkt und konnten
somit wie zuvor, d. h. wie im unarmierten Zustand, durch eine starke Zugbeanspruchung
zu reißen beginnen.
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Bekannt ist auch ein Einbringen von Drähten oder Drahtgeflechten in
Glaskörper. Jedoch wird hierbei ebenfalls nicht das Prinzip benutzt, eine Zug-Vorspannung
bewußt und in einem bestimmten Ausmaß in jedem einzelnen Draht für dauernd hervorzurufen.
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Beton ist im unarmierten Zustand in ähnlichem Maße wenig zugfest wie
der keramische Scherben. Beim bekannten Spannbetcoh hat man ein Einreißen der durch
Zugkräfte beanspruchten Bauteile erfolgreich dadurch verhindert, daß die Stahleinlagen
vor der Zug- oder Biegebeanspruchung des betreffenden Bauteiles auf Zug vorgespannt
werden. Der zugemhörige Betonkörper wird vom gleichen Augenblick ab selbstverständlich
auf Druck vorgespannt. -
Wird nun etwa bei einem Biegeversuch ein Balken aus
Spannbeton steigend beansprucht, so wird der Beton auf der Zugseite des Balkens
- da er ja auf Druck vorgespannt ist - zunächst entlastet, sodann
werden seine inneren Spannungen gleich Null, und dann erst setzen schwache Zugspannungen
ein; wohingegen die Stahleinlagen der gleichen Zugseite vom Vorspannungswert ab
ständig weiter mit steigenden Zug,spannungen beansprucht werden, somit im Endzustand
weit höhere, jedoch zulässige Spannungen erfahren. - Das genannte Vorspannen
der Stahleinlagen muß jedoch durch mechanisch wirkende Spannmittel erreicht werden.
Die hierzu nötigen spannenden Kräfte müssen während des Abbindevorganges im Beton
durch zusätzliche Vorrichtungen so lange aufrechterhalten werden, bis der abbindende
Beton sich ausreichend scherfest mit den Enden der gespannten Stahlstangen od. dgl.
verbunden hat, und vor allem, bis die Betonmasse selbst imstande ist, den erforderlichen
Gegendruck zu liefern. Aus Sicherheitsgründen werden außerdem noch in den meisten
Fällen die beiderseitigen Enden der Einlagen zu mehreren untereinander verschweißt
oder untereinander oder mit dem Betonkörper verklemmt, verkeilt oder verschraubt.
Die Schweißstellen liegen oft außen am fertigen Verbundkörper und sind somit meistens
durch zusätzliche überzüge zu schützen.
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Die Erfindung benutzt den bewährten, der Statik entstammenden Grundgedanken
der Spannbetontechnik, ohne jedoch die zuletzt angeführten Zeitverluste sowie Aufwendungen
für zusätzliche Vorrichtungen sowie an Arbeitskraft zu benötigen. Beim erfindungsgemäßen.
Verbundkörper treten ferner die zugfesten Einlagen nicht aus dem Verbundkörper heraus,
sondern sie sind in den meisten der praktisch in Betracht kommenden Fälle von vornherein
vollständig in den keramischen Scherben eingebettet und somit in vollkommener Weise
gegen chemische Ang ffe, auch von Säuren und Laugen, geschützt. -gri Die vervollkommnete
keramische Brennkunst sowie die Auswahlmöglichkeit unter vielen Stoffarten mit wenig
oder stark unterschiedlichen Wärmedehn-Koeffizienten (keramischen und nichtkerainischen
Werkstoffen) bieten die Möglichkeit, das erfindungsgemäß angestrebte Vorspannen
der verstärkenden Einlagen auf Zug völlig automatisch, jedoch in einem genau defmierten
sowie durch Versuche und Rechnung im voraus festlegbarem Ausmaße vor sich g gehen
zu lassen, und zwar während der letzten Periode des Abkühlens aus dem keramischen
Brand oder aber aus einem gesonderten, dem sogenannten Befestigungsbrand. Ferner
unterscheidet die erfindungsgemäße »Spannkeramik«-Technik sich von der heute üblichen
Spannbetontechnik noch dadurch, daß als Einlagen außer metallischen Drähten, Röhren
od. dgl. auch Fäden, Garne, Drähte, Seile, Bänder od. dgl. aus Quarz oder sonstigen
Stoffen mineralischer Herkunft oder aus anderen Stoffen mit besonders günstigen
Eigenschaften verwendet werden.
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Da bei den heute üblichen Keramikkörpern, z. B. bei großen Hängeisolatoren
oderbei langen Maschinenwellen, -walzen oder -stangen, die schädlichen Zugbeanspruchungen
vor allem in Richtung der Haupt-Längsachse solcher Körper auftreten, ist die Erfindung
auf solche Einlagen in Form von Drähten, Seilen od. dgl. gerichtet, welche parallel
untereinander und parallel zur genannten Achse im Verbundkörper angeordnet sind.
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Damit die Einlagen über einen größtmöglichen Anteil ihrer Länge festigkeitsmäßig
ausgenutzt werden, ist es zweckmäßig, sie vor dem Einbringen in den keramischen
Hauptkörper vorzubehandeln, zweckmäßigerweise an den gewünschten künftigen Einspannstellen
innerhalb der Keramik ' welches im allgemeinen die beiden Endstücke der genannten
Drähte, Seile od. dgl. sein werden. Dieses Vorbehandeln bezweckt, die künftige Bindung
zwischen dem, Scherben und dem Einlagenwerkstoff an den genannten gewunschtenEinspannstellen
als besonders scherfest zu verwirklichen, während die übrige Länge der betreffenden
Einlage mit geringerer Bindung zum Scherben hin oder auch ganz ohne eine solche
Bindung verbleiben kann.
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Bei metallischen Einlagen wird man z. B. die Oberflächenpartien der
Einspannstellen in an sich bekannter Weise feilenartig aufrauhen und sie zusätzlich
in an sich bekannter Weise titanisieren oder zirkonisieren. Die übrigen Oberflächenpartien
können unbehandelt bleiben.
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Die Erfindung ist somit dadurch gekennzeichnet, daß Drähte, Fäden,
Seile, Rohre od. dgl., auch Quarz-oder Glasfäden als Einlagen verwendet sind, welche
parallel untereinander und parallel zur Hauptlängsachse des keramischen Grundkörpers
in diesem angeordnet und innerhalb des sie einspannenden keramischen Scherbens.
während der Abkühlung aus dem Brand bzw. aus dem gesonderten Befestigungsbrand auf
eine bleibende Zugvorspannung gebracht worden sind und welche gegebenenfalls durch
vorangegangenes überziehen mit einer festhaftenden, die chemische Bindung mit dem
Scherbenwerkstoff vermittelnden Werkstoffschicht, z. B. einer Titanisierungsschicht,
vorbehandelt sind, wobei diese Vorbehandlung vorzugsweise an zwei im Vergleich zur
Längenabmessung der Einlagen kurzen Oberflächenabschnitten, nämlich den Oberflächen
der beiden künftigen Einspannstellen (3; 4), vorgenommen worden ist.
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Bei Verwendung von Einlagen aus Quarz oder ähnlichen Stoffen mineralischer
Herkunft wird im allgemeinen ein solches Vorbehandeln nicht notwendig sein, da beim
Erhitzen ein oberflächiges Reagieren oder ein Hineindiffundieren von Teilen des
einen Werkstoffes in den benachbarten hinein stattfinden
wird.
In diesen Fällen wird man gegebenenfalls zu einem entgegengesetzt wirkenden Mittel
greifen, welches verhindert, daß die beiden Werkstoffarten an den Oberflächenpartien
zwischen den gewünschten beiden Einspannstellen miteinander zu einer festen Bindung
gelangen.
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Die genannte mechanische Vorspannung wird unter Ausnutzung der Unterschiede
in der linearen Wärmedehnung der jeweiligen beiden Werkstoffe erzielt und beträgt
größenordnungsmäßig 100/e, der Bruchspannung des Werkstoffes der Drähte, Fäden od.
dgl., damit bei eintretender Biege- oder Zugbelastung ein ausreichend großes Intervall
bis zum Erreichen der Bruchspannung verbleibt. Um diese Größenordnung der Vorspannung
in der Praxis zu erreichen, muß man außer der Differenz der thermischen Dehnkoeffizienten
diejenige Temperatur angenähert kennen, bei welcher während des Abkühlens das erläuterte
Scherfestwerden zwischen dem Scherben und den benachbarten Einlagen an den erwünschten
Einspannstellen eintritt. Diese Temperatur ist selbstverständlich für jedes Werkstoffpaar
durch Vorversuche zu ermitteln. Diese Vorversuche sind vorwiegend physikalischer
Art. Ihre Erläuterung an dieser Stelle erübrigt sich.
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Die Merkmale der Erfindung seien an einem willkürlich gewählten Beispiel
erläutert. Die Zeichnungsfigur zeigt einen einzelnen auswechselbaren Stift einer
rasch rotierenden Stiftmühle. Für das Mahlen von geschmacksempfindlichen Genußmitteln,
wie z. B. Kakao oder Früchten, ist die Verwendung von im Betrieb sich abnutzenden
Metallteilen unerwünscht. Trotzdem wurden derartige Mahlstifte aus hochwertigen
Metall-Legierungen gefertigt, um die großen Zentrifugalkräfte zu beherrschen und
um für einen guten Wärmefluß von innen nach außen zu sorgen. -
Laut Zeichnung
besteht ein solcher Stift aus dem Hartporzellankörper 1 und den miteingebrannten
Drähten 2, die beispielsweise aus einer hitze- und zunderfesten Stahl-Legierung
oder aus hochprozentigen Wolfram- oder Molybdän-Legierungen bestehen. Die Schnittfigur
zeigt, daß die Drähte außerhalb der Mitte, also außerhalb der »neutralen« Biegungsfaser
von Teil 1 liegen und daß sie am linken Ende von 1
möglichst vollständig
in den Scherben eingebettet sind. An den Stellen 3 und 4 sind sie vor dem
Einbetten angeätzt oder stark aufgerauht worden und gegebenenfalls anschließend
mit einer Oberflächenschutzschicht überzogen worden, die in bekannter Weise eine
bindende übergangsschicht von der metallischen Oberfläche zum keramischen Werkstoff
bildet. Ein solcher Überzug besteht z. B. überwiegend aus Titan. Die Verschmelzung
dieser Metalloberfläche mit dem Scherben wird erst während der Abkühlung in der
erfindungsgemäß angestrebten Weise wirksam: Erst wenn die übergangswerkstoffe an
diesen Stellen 3 und 4 sowie ihre Bindungen mit dem jeweils angrenzenden
Metall- bzw. Scherbenwerkstoff scherfest geworden sind, wirkt sich das stärkere
thermische Schrumpfen der Drähte 2 allmählich aus, indem diese an den Stellen
3 und 4 innerhalb des Scherbens eingespannt verbleiben und somit thermische,
also innere Zugspannungen aufnehmen müssen. - Teil 5 ist die rotierende
Mahlscheibe, Teil 6 eine bei der Montage des Stiftes mit den Drähten 2 in
geeigneter Weise fest verbundene Gegenscheibe. Innnerhalb der Bohrung
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werden die Drähte 2 näher zur L:ängsachse des Stiftes herangebogen und etwa
durch eine Auftragslötung zu einem stabilen Führungskörper verstärkt.
- Ein derartiger Mahlstift ist infolge seiner keramischen harten Außenschichten
sehr verschleißfest und liefert nur geringe Mengen eines fast stets indifferent
wirkenden Verschleißstaubes. Er besitzt ferner die gute Druckfestigkeit des Porzellans,
vor allem aber auf Grund der leichten Vorspannung der zugfesten Drähte 2 eine gute
Zugfestigkeit, dadurch aber insgesamt eine wesentlich bessere Biegefestigkeit, als
sie der beste keramische Werkstoff besitzt. - Zusätzlich verbessem die Drähte
2 den Wärmeaustausch zwischen dem Außen- und Innenraum.
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Die gute Bindungsfähigkeit von Titan und Ti-Oxyd mit einer großen
Zahl verschiedener Scherbentypen ist in der Technik der Metallisierung keramischer
Oberflächen sowie der vakuumdichten Metall-Keramik-Verbindungen bekannt. In ähnlicher
Weise wirkt Zirkonium nebst seinem Oxyd.
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Falls die Brenntemperatur und/oder die Wärmedehnzahlen zu ungünstig
liegen, wird man die Keramik mit vorbereiteten Längsbohrungen, die zweckmäßigerweise
im ungebrannten Zustand angebracht wurden, versehen und die Drähte, Seile od. dgl.
in gestrecktem oder leicht gewendeltem Zustand einbringen, eine Schlicker-, Emaille-
oder ähnliche Masse hinzuspritzen oder -drücken und sodann einen zweiten Brand als
Befestigungsbrand im vorgenannten Sinne durchführen. Seine Maximalteraperatur liegt
natürlich im allgemeinen wesentlich niedriger als die des ersten Brandes.
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Das Hinzupressen der genannten Schlickermasse kann auch derart erfolgen,
daß diese nur an den als Einspannstellen vorgesehenen Stellen 3 und 4 zwischen die
Drähte 2 und die benachbarte Scherbenwand gelangt.
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Bei Verwendung von Seilen als Einlagen 2 ist natürlich auch das keramische
Strangpreßverfahren anwendbar, indem ein oder mehrere Seile kontinuierlich zusammen
mit der keramischen Masse in das Mundstück der Presse einlaufen. Hierzu müssen die
Seile an den erwähnten vorgesehenen Einspannstellen 3 und 4 zwecks Erzielung
der späteren exakten örtlichen Einspannung in regelmäßiger Folge vorher im genannten
Sinne durch Aufrauhen und/oder Titanisieren od. dgl. vorbehandelt worden sein.
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Eine derartige Herstellung des Verbundwerkstoffes in Form langer Stränge
ermöglicht auch die Fertigung von kerarnischen Schrauben erhöhter Zug- und Biegefestigkeit,
insbesondere, wenn der Grundwerkstoff ein nachträglich leicht bearbeitbarer ist,
wie das unter der Handelsbezeichnung »Ergan« bekanntgewordene Erzeugnis.
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Auch das natürlich vorkommende Mineral »Speckstein«, mit ähnlicher
Bearbeitbarkeit wie Ergan, ließe sich auf erhöhte Zug- und Biegefestigkeit bringen,
wenn erfindungsgemäß vorzuspannende Einlagen in ähnlicher Weise, wie vorstehend
bereits beschrieben, ,skanälen mittels eines Verbindungsin gebohrten Läng brandes
befestigt würden.
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Soll der erfindungsgemäße Verbundkörper besonders gute Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, so wird man beispielsweise als Grundkörper 1 möglichst reines
A1203 und als Einlagenwerkstoff sogenannte Leitbronze wählen. - Für Bronze
od. dgl. chemisch anfälliges Material muß die Zusammensetzung der keramischen Grundmasse
oder des Zupreßschlickers so gewählt werden, daß die Temperatur des Verbindungsbrandes
und das chemische Verhalten beider
Komponenten hierbei keine tiefgreifenden
schädlichen Veränderungen im Einlagenwerkstoff hervorrufen.
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Wie oben erläutert, beträgt die Größenordnung der Vorspannung der
Einlagen 10%. der Werkstoff-Bruchspannung. Bei zu großer Differenz der Wärmedehnzahlen
je eines Werkstoffpaares besteht die Gefahr einer zu hohen Vorspannung im
abgekühlten Zustand. Dieser kann dadurch begegnet werden, daß entweder bereits bekannte
keramische Mischungen, die eine relativ hohe Dehnzahl ergeben, oder Einlagenwerkstoffe
mit kleiner Dehnzahl, die aber die des Scherbens etwas übertrifft, gewählt werden
oder daß die Schlicker- oder Emaillezusammensetzung unter Beachtung des Oberflächenwerkstoffes
der Einlagen so gewählt wird, daß das angestrebte Scherfestwerden erst bei einer
relativ niedrigen Temperatur während des Abkühlens eintritt.
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Beim Einschlickern oder Einbrennen von Einlagen aus Werkstoffen, die
wie Quarz eine sehr geringe Dehnzahl aufweisen, wählt man eine keramische Zusammensetzung,
aus der ein Scherben mit einer dicht bei Null liegenden Wärinedehnzahl hervorgeht,
z. B. gewisse Arten von Lithium- oder Zirkonium-Porzellan.
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Die Erfindung ist - wie bereits angegeben - nicht auf
die Anwendung im Maschinenbau beschränkt. Für Isolatoren der Hochspannungsübertragung
ergibt sich eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit, wenn sie im Betrieb auf Zug
und/oder Biegung stark beansprucht werden. Die zusätzlich erforderliche elektrische
Durchschlagsfestigkeit wird bei Verwendung von Hochspannungskeramik nicht oder nicht
merklich herabgesetzt, wenn Seile aus Quarzfäden od. dgl. als zugfeste Einlagen
verwendet werden. - Will man metallische Einlagen einsetzen, so muß zur Gewähr-Ieistung
der Durchschlagssicherheit in Durchschlagsrichtung zunächst reines, durchschlagfestes
keramisches Material einer ausreichenden Wandstärke und absolut rißfrei vorgeschaltet
sein, analog der skizzierten Ausführung an der linken Seite des Zeichnungsbeispieles.
- Ein erfindungsgemäß ausgeführter Abspannisolator kann infolge der verbesserten
Zu-und Biegefestigkeit mit einem Strunk geringeren Durchmessers als vergleichbare
rein keramische Isolatoren der gleichen Beanspruchungsgruppe versehen sein.
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Somit ermöglicht die Erfindung je nach Lage des betreffenden
Anwendungsfalles Ersparnisse an Werkstoffen und an Gewichten, Verminderung von Querschnitten,
Verminderung von Verschleiß und schließlich den Einsatz keramischer Werkstoffe mit
hoher chemischer und therinischer Widerstandsfähigkeit in solchen Fällen, die seither
einen solchen Einsatz dann nicht ratsam erscheinen ließen, wenn der Sicherheitsfaktor
für die zu erwartenden Zug- und Biegebeanspruchungen zu niedrig lag. - Dort,
wo sich bisher die Anwendung erstrebenswert hoher Verfahrenstemperaturen mit Rücksicht
auf die zur Verfügung stehenden Werkstoffe metallischer Art verbot, gestattet der
erfindungsgemäße Werkstoff künftig die Anwendung solch höherer Temperaturen und
damit die Erzielung entweder von besseren thermischen Wirkun-Suaden oder von schneller
bzw. intensiver verlaufenden chemischen Verfahrensschritten.