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Keramische Form für die Herstellung von Gegenständen
aus keramischem
Material insbesondere von Pressformen für Falzziegel
Die Erfindung befaßt
sich mit der Herstellung von keramischen Formen, in denen Formkörper aus keramischem
Material hergestellt werden, insbesondere von Falzziegelformen.
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Beim Pressen von keramischen Formkörpern werden in der Regel Gipsformen
verwendet. Gipsformen finden auch Anwendung bei der Herstellung keramischer Formlinge
im Gieß-, Eindreh- und Überdrehverfahren.
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Gips hat den Vorteil großer und geeigneter Porosität, die sich z.B.
beim Pressen von Falzziegeln dadurch auszeichnet, daß die Gipsform mit Wasser gesättigt
rwden kann, wodurch das Ablösen des Formlins.aus der Form erleichtert wird.
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Bei der Verarbeitung von Gießmassen und plastischen Massen gewährleistet
der poröse Gips eine schnelle Entwässerung und nachfolgende Entformung der Masse.
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Der Nachteil der Falzziegelgipsform besteht vornehmlich in einem schnellen
Verschleiß, der z.T. auf mechanischem Abrieb, z.T. darauf beruht, daß sich der Gips
in Wasser löst.
Die Gipsformen zum Gießen und Formen plastischer
Massen haben neben ihrer geringen Härte vor allem den Nachteil, daß sie nur bei
relativ niedrigen Temperaturen getrocknet werden können. Außerdem reagieren manche
beim Gießen verwandte Flüssiger, die mit dem Kapillarstrom des Wassers in die Gipsformen
gelangen, mit dem Gips und führen zu verkürzter Haltbarkeit.
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Um dem Verschleiß der Gipsformen beim Pressen von Falzziegeln zu begegnen,
werden Gummiformen, Holzformen und vor allem Metallformen verwendet. Diese wiederum
haben den Nachteil, daß sie infolge fehlender Porosität kein Wasser aufnehmen und
geölt werden müssen. Die Ölbeigabe beeinträchtigt den Trockenvorgang und bei Falzziegeln
auch das Engobieren.
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Es ist auch vorgeschlagen worden, Falzziegelformen aus gebranntem
Ton herzustellen, dem zum Zwecke der Porenbildung brennbare Zuschläge in feinkörniger
Form beigegeben wurden. Die auf diesem Wege erreichte Porosität ist zu grob, da
die Poren im wesentlichen der Korngröße des brennbaren Zuschlages entsprechen.
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Ein weiterer Vorschlag besteht darin, die Form aus gebranntem Kaolin
zu fertigen. Die hierdurch erzielte Porosität ist bei der notwendigen Festigkeit
der Formen nicht ausreichend.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Form, gleichviel ob Preßform oder
Gießform zu scha ffan, üie bei hoher VerschleiB-festigkeit eine Porosität aufweist,
die eine gute Entformung des Formlings ermöglicht.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die
| Lösung der gestellten Aufgabe ein Porositätsproblem ist, |
| d.h. daß die Lösung den Formlings aus der Foi@egn elektro-- |
| lytischen Vorgängen abhängig ist,sondern auf mechanischem |
und physikalischen Wechselwirkungen beruht, die in unmittelbarem
Zusammenhang mit der Größe der Poren und der Gesamt-Wasser-Aufnahme skht.
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Da es schwierig ist, die Porengröße direkt zu messen, wurde aus der
Bestimmung der Wassersauggeschwindigkeit und der Gesamt-Wasser-Aufnahme eine Äquivalentzahl
für den mittleren Radius r der Poren auf folgende Weise ermittelt: Die völlig trockene
Keramikform wird mit ihrer Arbeitsfläche 1. cm tief in
180 0 kaltes Wasser
eingetaucht und im Abstand von 15 zu 15 sec die Wasseraufnahme bestimmt, bis sich
das Gewicht der gesättigten Formpraktisch nicht mehr ändert. Aus der Wassersauggeschwindigkeit
w (in gr Wasser/dm 2 innerhalb der ersten 15 sec) und der Gesamt-Wasser-Aufnahme
W (in gr Wasser/gr Trockengewicht der Form) wird der mittlere Porenradius r nach
folgender Formel bestimmt:
Erfindungsgemäß werden die zur Bildung keramischer Formen verwendeten keramischen
Materialien durch Ausschlämmen oder Feinmahlung auf eine Korngröße gebracht, die
die beim Brand erfolgenden Modifikationsänderungen, Mineralneubildungen, Schmelzen,
Rekristallisationen und/oder Sinterungen derart beeinfiußt, daß nach dem Brand die
'Form eine Porosität besitzt, bei der die Größe der
| Poren in einem Bereich von r = 0,7 bis 4 und die |
| Gesamt-Wauia@n ä-n--er@em Bereich von W = 10 ö bis |
| 60 % liegt. Diese Maße entsprechen etwa c g®röL |
Verhältnissen des Gipses.
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Bei der Verwendung von Ziegelton (Lehm) und anderen natürlichen keramischen
Rohstoffen wird das Rohmaterial-je nach Zweckverwendung längere Zeit trocken oder
naß gemahlen. Die Korngröße des Materials wird hierdurch auf die gewünschte Größe
gebracht. Das gewonnene Material wird nunmehr
trocken oder naß (d.h.
plastisch oder flüssig) zu der gewünschten Form verpreßt oder vergossen. Die Trockenpressung
hat den Vorzug, daß eine Nachbearbeitung der Form wegen der geringen Trockenschwindung
unterbleiben kann und während des Brandes weniger Verziehungen auftreten.
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Die Naßverarbeitung hat den Vorzug noch feinerer Porenbildung wegen
der infolge der Wasserverdunstung eintretenden Trockenschwindung und der gleichmässigeren
Verteilung der Teilchen in der Masse. Bei Trockenpressung sind 100 bis 500 kg/em2
Druck erforderlich. Da vielfach die in der Natur vorkommenden Rohstoffe uneinheitlich
anfallen,wird zum Trockenpressen, Formen oder Gießen von keramischen Formen vorzugs-
oder zweckmäßigerweise eine hoch tonerdehaltige oder eine Steingutmasse aus reinen
oder synthetischen Einzelbestandteilen zusammengesetzt.
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Eine hochtonerdehaltige Masse wird vorzugsweise als Halbtrockenpreß-
oder Gießmasse verarbeitet und zu einer Mullit-Keramik gebrannt. Sie wird hergestellt
aus einem Gemisch von Schamotte, kalzinierter Tonerde und wenig Ton als Bindemittel
oder aus einer Schamotte, welche mit einem organischen Bindemittel wie Polyvinyläzetat;
Harze, Carboxylmethylcellulose o.ä. gebunden wird.
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Es wurde gefunden, daß gebrannte Formkörper, deren A120 -und Si02-Anteile
stöchiometrisch (angenähert) denen des 3/2-Mullits (3A1203 . 2Si02) entsprechen,
die gewünschte Porosität aufweisen.
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Mullit ist ein hochfeuerfestes AI-Silikat, das sieh während des Brandes
bei günstigen Voraussetzungen in Form von nadelartigen Kristallen bildet, die Ähnlichkeit
mit den Gipskristallen haben. j Zur Herstellung von Formen aus Mullit-Keramik durch
Trockenpressunß wird folgendes Verfahren vorgeschlagen:
Nach dem
an sich bekannten Bayer-Verfahren o.ä. hergestellte kalzinierte Tonerde wird in
nassem, schlickerförmigen Zustand optimal feingemahlen, getrocknet, zerkleinert
und mit einem pulverisierten, sehr reaktionsfreudigen, feinkörnigen, flußmittelarmen
feuerfesten Ton intensivst naßgemahlen, hierauf getrocknet, zerkleinert und bei
einer Temperatur von 750 - 1200o C zu einer porösen Schamotte gebrannt, Die Schamotte
wird zerkleinert und bis zur optimalen Feinheit naßgemahlen, mit geringen Mengen
Bindeton und feingemahlener kalzinierter Tonerde - letztere in der Menge, daß die
Stöchiometrie des Versatzes deml'Ullit entspricht -intensiv naß gemischt, getrocknet
und dann untei/Zusatz von Wasser und Druckausgleichs- und Gleitmitteln nach den
in der technischen Feinkeramik üblichen Methoden zu einer rieselfähigen Trockenpreßmasse
aufbereitet, die bei einem Druck von 100 bis 500 kg/cm 2 - je nach Formlingshöhe
und nach der geforderten Porosität - zu Keramikformen verpreßt wird. Ein vorteilhafter
Versatz für eine Trockenpreßmasse ist: 70 Teile Schamotte ' 15 Teile kalzinierte
Tonerde 15 Teile Bindeton Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer hoehtonerdehaltigen
Trockenpreßmasse besteht darin, die feinstgemahlene Schamotte mit ca. 10 - 20 %
eines organischen Binders, wie feindispergiertes Polyvinylazetat, Harze oder Carboxylmethylcellulose
zu binden.
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Zur Herstellung von Formen aus Mullit-Keramik durch Gießen
wird folgendes Verfahren vorgeschlagen:
Die Masseaufbereitung erfolgt
wie bei der Herstellung einer hochtonerdehaltigen Trockenpreßmasse, nur enthält
der Versatz aus Schamotte, kalzinierter Tonerde und Ton einen höheren Tonanteil,
und die Mischung erfolgt unter Zusatz eines Verflüssigers. Je nach Art der Form
kann Hohl- , Kern- oder Vollguß angewendet werden.
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Ein vorteilhafter Versatz für eine Gießmasse ist: 35 Teile kalzinierte
Tonerde 35 Teile Ton 30 Teile Schamotte.
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Es hat sich als in der Regel zweckmässig erwiesen, als Bindemittel
Ton zu verwenden, dem eine entsprechende Menge kalzinierte Tonerde untergemischt
wird, damit der A12-03- und Si02-Gehält der Masse stöchiometrisch dem Mullit entspricht.
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Als vorteilhaftes Gewichtsverhältnis bei der Schamotte-und Masseherstellung
hat sich erwiesen: 1 Teil Ton und 1 Teil kalzinierte Tonerde.
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Um eine besonders verschleißfeste Form zu erhalten, kann der Masse
feinkörniger Schmelzkorund zugegeben werden, wobei dieser nicht bei der Berechnung
des A12-03 -Anteils berücksichtigt wird.
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Durch Einstellung des stöchiometrischen Al 203-Si02-Verhältnisses
wie bei @/2-Mullit, durch Feinstmahlung der Ausgangsstoffe und durch Verwendung
eines sehr feinkörnigen, reaktionsfreudigen Fireclay-Tones, der die Bildung großer
Kristalle begünstigt, soll bei Sinterung im 'trockenen' Zustand weitgehende Kristallneubildung
(Mullit) bei Ausschluß von größerer Schmelzbildung erfolgen. Fortgeschrittene Kristallisation
von gut ausgebildetem Mullit führt zu großer Festigkeit.
Diese teilweise
in ähnlicher Form bekannte Vefahrensweise bei der Herstellung von Mullit-Keramik
kann ergänzt werden durch geringe Zusätze von Mineralisatoren, wie verschiedene
Alkali- und Erdalkalioxyde und deren Salze, TiO2, Fe 203 u. ä. Es soll bei relativ
niedrigen Temperaturen ein aus wenig schuppenförmigen und viel nadelförmigen Mullitkristallen
- ähnlich den nadelförmigen Gipskristallen - bestehender Scherben entstehen.
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Um die Forosität für besondere Anforderungen zu vergrößern, kann man
in der aus Schamotte, Bindeton und kalzinierter Tonerde bestehenden Masse und/oder
in der aus Ton und kälzinierter-Tonerde hergestellten Schamotte die kalzinierte
Tonerde teilweise oder ganz durch Aluminiumfluorid (in der Regel nicht entwässert
als A1F3 3H20), das die Mullitbildung bekanntlich schon bei sehr tiefen Temperaturen
stark fördert, ersetzen. Im Kaolinit-Fluoridsystem bildet sich zwischen 300 und
600°C Supermetafluorkaolinit und Fluorwasserstoff nach dem Reaktionsschema: A12Si205
(0H)4 + 4 A1F3= A12Si205 (OA1F2) 4 + 4 HF Infolge des Einbaus der A1F2-Gruppe in
die Kaolinitstruktur vermindert sich die Si02-Menge, die aus dem Metakaolinit ausdiffundieren
muß, um aus dem Metakaolinit Mullit entstehen zu lassen, womit sich wiederum die
Aktivierungsenergie der Mullitbildung verringert. A1-Fluorid und Supermetafluorkaolinit
werden vom Dampf hydrolisiert und der Wasserstoffluorid beschleunigt als Mineralisator
die Mullitbildung erheblich. Durch das Verdampfendes Kristall-Wassers und_die Hydrolyse
des Fluorids entstehen viele feine Leerräume, welche kleiner sind als solche beim
Zusatz von Ausbrenn&toffen. Diese sind noch weitgehend erhalten, wenn bei einem
Brand von z.B. 1200o C eine genügende Festigkeit erreicht ist, da durch die gute
Mullitbildung Sinterung und Schwindung langsam vonstatten gehen. Bei größeren
Al-Fluoridzusätzen
und geringem Kristallwasserangebot wird der Brand bei kleiner Aufheizgeschwindigkeit
vorteilhafterweise zwischen 500 und 800°C teilweise in wasserdampfhaltiger Atmosphäre
durchgeführt, um Schmelzbildung im Scherben zu vermeiden.
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Um neben einer Erhöhung der Porosität die Sehwindung zu vermindern,
kann man einen Teil der Schamotte durch feinstgemahlenen natürlichen Cyanit (A1203
°@ x si02 ersetzen, der beim Brand zwischen 1325 C und 1530 C bei einer Volumenvergrößerung
von max. 16 - 18 % in nadelförmigen Mullit übergeht.
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Um Schmelzbildung an der Oberfläche durch Reaktionen von evtl. noch
im Ofenraum anwesenden HF und dem Scherben und die Bildung einer Form- oder Brennhaut
mit veränderter Porosität bei höheren Temperaturen zu verhindern, wird der Formling
ganz mit kalzinierter Tonerde beschichtet.
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Um eine weitgehend schwindungsfreie keramische Form herzustellen,
wird ein Feldspat-, Kalk-Feldspat- oder ein Kalk-Steingut verwandt.
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Es werden Steinguttone und Kaoline mit geringeren Mengen feingemahlenem
Quarz; Feldspat, Schamotte und Kalk oder nur mit Kalk, dessen Menge sich nach der
gewünschten Porosierung richtet, intensiv - bei Gießmassen unter Zusatz eines Verflüssigers
- maß feingemahlen. Der Kalk wird in Form von Carbonat, vorzugsweise als feingeschlärrmteKreide
eingeführt, damit durch Abspaltung des C02 zusätzlich feine Poren entstehen.
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Es wurde gefunden, daß nach diesem Verfahren hergestellte Steingut-Keramik
eine Porosität aufweist, die ebenfalls der Gipsporosität entspricht.
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Die Aufbereitung zu einer rieselfähigen Steingut-Trockenpreßmasse
erfolgt nach den in der technischen Feinkeramik bekannten Methoden. Gepreßt wird
bei einem Druck von 100 bis 500 kg/cm. 2
Ein vorteilhafter Versatz
für eine Steingut-Trockenpreßmasse zur Herstellung einer Falzziegelform ist: 20
Teile Steingutton _ 10 Teile Steingutkaolin 30 Teile fetter Plattenton 20 Teile
Quarzmehl 10 Weile Feldspat . 10 Teile Kreide Die Aufbereitung zu einer Gieß- oder
plastischen Steingutmasse geschieht nach in der Feinkeramik bekannten Methoden,
Beim Gießen wird, je nach Art der Form, Hohl-, Kern- oder Vollguß angewendet. Zum
Gießen von stark profilierten Körpern werden vorteilhaft Tone mit geringer Trockenschwindung
gewählt, wobei die Entnahme des Formlings aus der Form sofort nach dem Lösen geschehen.muß.
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Ein vorteilhafter Versatz für eine Gießmasse ist: 40 Teile Steingutton
10 Teile Steingutkaolin 10 feile fetter Plattenton 22 Teile Quarzmehl 5 Teile Feldspat
13 Teile Kreide Pie Brennhöhe.,wird bei dem jeweils gewählten Steingutversatz begrenzt
durch den Flußmittelgehalt der Masse und die angestrebte Gesamtporosität.
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Großflächige keramische Formen mit komplizierter Profiloberfläche
wie Falzziegelformen, werden in der Regel aus Trockenpreßmasse herzustellen sein,
da hierbei ein Nachbearbeiten der Überfläche entfällt und während des Brandes keine
Verziehungen zu befürchten sind.
Nasen u.ä. extreme Profilvertiefungen
werden zweckmässig erst nach dem Brand aus der Form ausgebohrt und geschliffen.
Wird die Falzziegelform aus einer Gießmasse hergestellt, weil zur Verpressung von
Tonen mit starker Klebneigung ein besonders feinporiger Scherben benötigt
Wird, dann wird zum Gießen zweckmässig eine hochporöse Form aus trockengepreßter
Mullit-Keramik verwendet, 'da diese die Bildung eines besonders dicken Scherbens
gewährleistet. Zum Zwecke des Einbaus der nach den geschilderten Verfahren hergestellten
gebrannten keramischen Falzziegelpreßformen werden in diese eiserne Preßrahmen eingesetzt
und nicht, wie bekannt, in Gips vergossen, da der Gips ausgewamhen wird und die
Form sich löst. Die Einbettung erfolgt in Gießbeton aus z.B. 1 Teil Grobsand bis
1 mm und 2 Teilen hochwertigem Zement oder mit einem Kunststoffkleber.
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Kleine Formen, wie Teller-Überdrehformen oder solche, die durch Trookenpressung
schwer herzustellen sind, wie Tassen-Eindrehformen, werden zweckmässig aus plastischer
Masse gedreht oder geformt.
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Keramische Formen, in denen dünnwandige Körper gegossen, gedreht oder
geformt werden, benötigen selbst keine sehr dicke Wandung und werden: zweckmässig
aus einer Gießmasse gegossen.
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Die Nachbearbeitung der aus plastischen Massen oder Gießmassen hergestellten
Formen erfolgt in lederhartem Zustand mit Hilfe einer Schablone.
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Bei der Herstellung von Falzziegelformen aus einer hochtonerdehaltigen
Masse eröffnet das Verfahren folgende Möglichkeiten:
Die oft schwankende
Sehwindung von Tonfalzziegeln bei der Trocknung und beim Brand bedingt jeweils die
Herstellung neuer Mutterformen, die zeitraubend und kostspielig ist. Da die erfindungsgemäß
verwendete Mullit- oder Steingut-Keramik im Hinblick auf die Porosität einen verhältnismäßig
weiten Spielraum läßt, kann man durch Anpassung der Materialanteile und Variierung
des Preßdrucks und der Garbrandtemperatur die Größe der herzustellenden Form beeinflussen.
Man kann also mit einer Mutterform die verschiedenen Schwindmaße des Tonfalzziegels
von vornherein berücksichtigen.
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Mit Falzziegelformen, welche aus diesen Keramiken bestehen, können
ohne Verschleiß wesentlich mehr Formlinge hergestellt werden als mit Gipsformen,
wobei - im Gegensatz zu diesen -Formen und Formlinge eine glätte Oberfläche behalten.
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Die Ziegel behalten weitgehend gleichmäßig das vorgeschriebene Gewicht,
und es wird Rohstoff eingespart. Es ist mit mengenmäßig 50 bis 100facher Lebensdauer
zu rechnen.
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Bei der Herstellung von Gieß- und Drehformen eröffnet das Verfahren
folgende Möglichkeiten: Soweit die Formen keinem mechanischen Angriff unterliegen,
besteht der Vorteil darin, daß Keramik wasserunlöslich ist, nicht mit Verflüssigern
und Salzen reagiert, die mit dem Kapillarstrom des Wassers in die Formen eindringen,
die Formen mit und ohne Formling schneller und bei weit höheren Temperaturen als
Gipsformen getrocknet werden können, aus Keramik Formen mit höherer Gesamtporosität
bei gleicher Porenfeinheit wie bei Gips hergestelltyerden können, wodurch eine schnellere
Entwässerung und Entformung und die Bildung eines dickeren Scherbens möglich ist
und die Lebensdauer der Formen nahezu unbegrert ist.