DE1944769A1 - Verfahren zum Trennen von Keramikteilen durch lokalisierte thermische Wirkung - Google Patents

Description

The Carborundum Company

1625 Buffalo Avenue
Niagara Falls, Mew York/USA

3. September 1969

Verfahren zum Trennen von Keramikteilen durch lokalisierte thermische Wirkung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum !Trennen von Keramikteilen und insbesondere ein Verfahren zum Trennen dichter Keramikteile, beispielsweise Keramik-Aluminiumoxidteile durch eine lokalisierte thermische Wirkung.

Bekannt ist es, Keramikteile, insbesondere dichte Keramikteile, beispielsweise Keramik-Aluminiumoxidteile in der Form von Kacheln, Sacksteinen und dergleichen, vor dem Brennen zu schneiden oder nach dem Fertigbrennen mit Hilfe von Diamantsägen zu

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zerschneiden. Biese Verfahren haben jedoch Nachteile insofern, als häufig die Keramik auf besondere Abmessungen am Einsatzort geschnitten werden muß, so daß ein Schneiden auf MaS vor dem Brennen nicht möglich ist, während ein Zerschneiden mit Diamantsägen nach dem Brennen teuer und zeitraubend ist. Andere Versuche zum Trennen oder zum Teilen der Keramik, beispielsweise durch mechanisches Brechen des Werkstoffs, führen häufig zu unregelmäßigen Bruchflächen und/oder zum Platzen oder Brechen des Materials in verschiedene Stücke.

Demgemäß bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Verfahrens h zum Trennen oder Teilen von Keramikgegenständen, ohne daß die genannten Nachteile auftreten oder sie zumindest weitgehend verringert werden.

Die Erfindung besteht darin, daß eine Schicht, die Bornitrid, an der gewünschten Trennlinie aufgetragen wird und danach der Gegenstand an dieser Linie entlang örtlich erhitzt wird, wodurch eine lokalisierte thermische Wirkung zu einem Trennen des Gegenstandes an dieser Linie führt.

Dieses Verfahren eignet sich besonders für dichte Keramikkörper, beispielsweise Keramik-Aluminiumoxidkörper in der Form von Kacheln, Backsteinen, Stangen, Bohren und dergleichen. Das Verfah-™ ren ist jedoch in gleicher Weise für jeden Keramikkörper anwendbar, bei dem Bruchgefahr besteht, wenn er einer lokalisierten thermischen Wirkung ausgesetzt ist, beispielsweise dichte Magnesiumoxid- oder Zirkoniumoxidkörper, gleichgültig, ob sie verschmolzen oder gesintert sind.

Die Erfindung ist im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

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Gemäß der Zeichnung ist eine Aluminiumoxid-Kaehel oder -Platte 1 an der Linie 2 entlang zu trennen oder zu teilen. Eine Schicht Ji die Bornitrid enthält,'wird auf beide Seiten der Trennlinie 2 aufgetragen. Der Aluminiuaoxidkörper 1 wird dann durch eine Flam- ue 4 eines Schneidbrenners 5 örtlich erhitzt, indem die Flamme von eines Ende zum anderen so gleichmäßig wie möglich über die gesamte Länge der Linie 2 hin- und herbewegt wird. Der dichte Keramik-Aluainiuaoxidkörper 1 trennt eich oder faltet sich dann gleichzeitig in zwei Stücke an der Linie 2 mit einer vergleichsweise glatten Bruchfläche.

Zu Keramikkörpern oder -Gegenständen, die gemäß der Erfindung getrennt oder geteilt werden können, gehören keramische feuerfeste Kacheln, Backsteine, Stangen, Röhren und dergleichen und insbesondere Keramikkörper mit einer solchen Dichte, daß der Körper nicht in der Lage ist, einem lokalisierten Erhitzen standzuhalten, ohne unbrauchbar zu werden. Beispielsweise ist das Verfahren außerordentlich wirksam bei dichten Aluminiumoxidkörpern mit einer Dichte von ca. 5t20 gr pro cm? bis ca. 5,8 gr pro cm3.

Ferner können die Keramikkörper, die gemäß der Erfindung behandelt werden können, die verschiedensten Größen und Formen- haben, wobei kacheiförmige und backsteinförmige Keramikkörper oder -gegenstände besondere gut geeignet sind, vorausgesetzt, daß der Körper nicht eine übermäßige Dicke hat. Körper mit einer Dicke bis zu 102 mm sind in zufriedenstellender Weise getrennt worden. Die Trennlinie ist normalerweise gerade, kann aber auch gekrümmt sein.

Me Bornitrid enthaltene Beschichtung, die auf den Keramikkörper an der gewünschten Trennlinie aufgetragen wird, soll als Minimum so ausreichend Bornitrid enthalten, daß der Beschichtung die hohe thermische Leitfähigkeit von Bornitrid verliehen wird. Bornitrid ist eine bekannte Verbindung und ist als weißes flockiges Pulver

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- 4 oder als Bornitrid enthaltendes Beschichtungsmaterial handelsüblich.

Die Bornitrid enthaltende Beschichtung, die im Verfahren gemäß der Erfindung Verwendung findet, ist eine solche, die beim Trocknen auf dem Keramikkörper fest an der Oberfläche des Körpers während des lokalisierten Erhitzens haften bleibt und alle thermische Energie im großen Maße reflektiert und leitet, der sie ausgesetzt wird.

Für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens sind wässrige k Dispersionen von Bornitrid-Pulver mit einer Partikelgröße von weniger als 325 mesh zufriedenstellend, obgleich Dispersionen auf Alkohol-Basis oder andere schwebende oder dispergierte Formen von Bornitrid-Materialien verwendet werden können.

Ferner kann die Bornitrid enthaltende Beschichtung andere Bestandteile enthalten, beispielsweise die von der Firma Monsanto Chemical Company unter dem Warenzeichen "Alkophos" vertriebene Substanz, bei der es sich um eine Lösung von Aluminiumphosphat handelt, die in Phosphorsäure aufgelöst ist; außerdem kann dazu auch Phosphorsäure Ξ3ΡΟ4 gehören. Diese Bestandteile fungieren als Bindemittel für das Bornitrid.

k Die Bornitrid enthaltende Beschichtung soll so auf den Keramikgegenstand aufgetragen werden, daß eine Schicht mit einer durchschnittlichen Dicke von etwa 0,076 mm bis 0,178 mm entsteht. Dickere Schichten sind zwar funktionell akzeptabel, sind jedoch nicht erforderlich und materialvergeudend.

Die Bornitrid enthaltende Beschichtung soll ganz längs einer oder beider Seiten, jedoch nicht direkt auf der gewünschten Trenn- oder Spaltlinie aufgetragen werden. Die Schicht soll etwa 5 cm zu beiden Seiten der gewünschten Trennlinie breit sein, gemessen in einer Linie senkrecht zu der gewünschten Trennlinie, wenn das die Größe

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■ - 5 des Körpers und die Lage des Schnitts erlauben.

Wie bereits erwähnt, soll die Schicht nicht die gewünschte Trennlinie bedecken. Um das zu erreichen, kann die Linie mit einem Gummiband oder dergleichen bei der Beschichtung abgedeckt werden, das dann vor dem lokalisierten Erhitzen entfernt wird. Alternativ kann der Bereich, in dem die gewünschte Trennlinie liegt, mit dem Bornitrid vollständig beschichtet werden. Man läßt die Beschichtung dann trocknen, und anschließend wird eine gewünschte Trennlinie durch die Schicht beispielsweise mit Hilfe eines Stichels oder eines angespitzten harten Bleistifts durchgekratzt, um eine unbeschichtete Trennlinie zu schaffen.

Beim Auftragen der Schicht zu beiden Seiten der gewünschten Trennlinie soll die unbeschichtete Linie etwa die Breite eines dicken Bleistiftstrichs haben, zahlenmäßig ausgedrückt etwa 1,59 mm bis 0,79 mm breit. Vie erwähnt, kann die Beschichtung nur an einer Seite der Trennlinie entlang aufgetragen werden. Das kann beispielsweise wünschenswert sein, wenn kleine Stücke von einem relativ großen Keramikkörper abgetrennt werden sollen. Die unbeschichteten kleinen Stücke können jedoch in viele kleine Stücke zerplatzen oder zerbrechen.

Die Bornitrid enthaltende Schicht kann auf den Keramikgegenstand in verschiedener Veise aufgetragen werden, beispielsweise mit Hilfe einer Bürste, durch Aufrollen, durch Tauchen, durch Spritzen oder dergleichen. Das Auftragen mit Hilfe einer Bürste ist vorzuziehen, wobei die Bürstenstriche parallel zur gewünschten Trennlinie liegen.

Die Bornitrid enthaltende Schicht soll im wesentlichen trocken sein, ehe mit dem lokalisierten Erhitzen begonnen wird. Anderenfalls kann die Schicht zu flocken beginnen, wenn die örtliche Erhitzung erfolgt, was zu einem ungleichmäßigen Schnitt bzw. zu einer ungleichmäßigen

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Bruchkante führt.

Zu geeigneten Trockungsverfahren gehören das Trocknen in Luft oder das atmosphärische Trocknen über eine so ausreichende Zeitdauer, daß die Schicht austrocknet, ein Ofentrocknen in Luft oder in anderen Gasen bei Temperaturen von beispielsweise etwa 65 Grad bis 150 Grad Celsius, oder ein Trocknen mittels einer Wärmestrahlquelle, beispielsweise eines Gasbrenners oder einer elektrischen Widerstandsheizung.

Nach dem Trocknen der Schicht wird der Keramikkörper örtlich rela-P tiv gleichförmig über die gesamte Länge der gewünschten Trennlinie erhitzt, bis der Körper sich an dieser Linie entlang als Folge der örtlichen thermischen Wirkung trennt oder spaltet.

Der Gegenstand kann durch Gasbrenner örtlich erhitzt werden, beispielsweise durch Wasserstoff- Sauerstoff-, Sauerstoff-Acetylen- und Fropanbrennkolben oder andere Mittel, die einen vergleichbaren örtlichen Wärmefluß liefern.

Das Trennen oder Spalten geht spontan innerhalb von etwa 60 Sekunden bis etwa 5 Minuten vonstatten, um eine vergleichsweise glatte Bruchfläche zu liefern, wobei selten kleine Bruchstücke des Materials . abspringen oder abplatzen. Dabei wird der Ausschuß-Prozentsatz normalerweise auf einen geringen Wert begrenzt.

Bei Verwendung von Gasflammen werden sie vorzugsweise so eingestellt, daß sie eine nicht oxidierende Flamme erzeugen. Das wird normalerweise durch eine grünliche "Feder" um den blauen inneren Kern der Flamme herum angezeigt. Der blaue innere Kern ist vorzugsweise etw$ 4,75 mm lang. Die Flamme wird dann dazu verwendet, die gewünschte Trennlinie zu erhitzen, und zwar entweder indem man sie von einem Ende so gleichmäßig wie möglich über die gesamte Länge der Linie mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 cm pro Sekunde hin- und herbewegt, oder indem eine Anzahl von Gasflammen über die gesamte Trenn-

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linie hinweg angeordnet werden.

Die Temperaturen der Gasflammen werden entsprechend dem betreffenden Keramikkörper sowie entsprechend der ixt der Beschichtung und der Hr 'ge der aufgetragenen Beschichtung eingestellt. Allgemein gilt, daß dann, wenn die Flamme zu kalt ist, der Körper nicht in einer vernünftigen Zeit gespalten wird, und wenn die Flamme zu heiß ist, splittert die beschichtete Oberfläche ab, was zu ungleichmäßigen Bruchstellen an den Enden der gewünschten Trennlinie führt.

Normalerweise wird das beste Trennen oder Schneiden dann erreicht, wenn eine gleiche Hasse Keramik zu beiden Seiten der gewünschten Trennlinie liegt. Unabhängig von der Fläche oder der Stärke lassen eich gute Schnitte innerhalb des mittleren Drittels des Gegenstandes erreichen, d.h., wenn die Keramik etwa 7»5 cm breit ist, sind die Bruohsteilen im etwa 2,5 cm breiten mittleren Abschnitt recht gerade. Über diesen Bereich hinaus mit der Annäherung an die Bänder neigt der Schnitt dazu, sich in Richtung auf die schmale Kante oder die Ecke des Teils zu krümmen. Das kann man dadurch innerhalb von Grenzen kompensieren, daß man den Brenner in der Mitte der Linie schneller als an den beiden Enden bewegt.

Bei· Abtrennen kleiner Ecken soll die Bornitridschicht nicht auf den Eokabschnitt aufgetragen werden, vielmehr soll die normale Beschichtung auf den verbleibenden Abschnitt aufgetragen werden, der •ich an die gewünschte Trennlinie anschließt. Nach dem Erhitzen der Linie und des beschichteten Teils für eine gewisse Zeit soll dann der unbeschichtete Abschnitt direkt erhitzt werden, um den gewünschten Bruch an der Linie oder am Hand der Bornitridschicht hervorzurufen.

Große Radien und Winkel auf Kachel- oder Ziegelformen können ebenfalls gemäß der Erfindung geschnitten werden.

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Ferner sollen beim Schneiden von Stücken unterschiedlicher Breiten die größeren Breiten normalerweise zuerst geschnitten werden, d.h. es ist normalerweise leichter, beispielsweise eine Kachel in einer Breite von 5 cm in zwei Stücke mit einer Breite von ca. 2,5 cm zu teilen, als einen 2,5 cm breiten Streifen von einer ganzen Kachel abzutrennen, die beispielsweise 10 cm im Quadrat mißt.

Eventuell vorhandene kleine gezackte Vorsprünge an den Schnitt- oder Bruchkanten können dadurch entfernt werden, daß die Gasflammen direkt auf das zu entfernende Stück gehalten werden, das dann abplatzt oder fc abbricht.

BEISPIEL

Eine Bornitrid enthaltende Schicht wurde durch Mischen von 1.586 gr einer etwa 5O5fa-igen kolloidalen wässrigen Lösung aus Aluminiumphosphat, I.956 gr Phosphorsäure II5PO4 und 5·558 Milliliter Wasser zusammen mit 5.400 gr Bornitridpulver mit einer Partikelgröße von unter 325 mesh hergestellt. Das Gemisch wurde dann in einem Behälter mit einem Volumen von etwa 20 ltr. unter Verwendung eines stark scherenden Rührwerks umgerührt.

Danach wurde das Gemisch in eine Vakuumkammer gesetzt, um während des r Mischens eingeschlossene Luft auszuscheiden.

Eine Keramikaluminiumoxid-Kachel hoher Dichte mit einer Größe von ca. 10 cm χ 10 cm χ 6,35 cm wurde dann mit einem Bleistift markiert, um eine Trennlinie durch die Kitte der Kachel zu bilden. Die Bleistiftlinie wurde dann mit Gummiband abgedeckt, und ein Streifen in einer Breite von ca. 5 cm aus der Bornitrid enthaltenden Beschichtungsmasse, deren Herstellung oben beschrieben worden ist, wurde dann auf die Fläche zu beiden Seiten der Abdeckung aufgestrichen. Die Schicht wurde mit einer Anstreichbürste aufgetragen, wobei die Striche parallel zur Abdeckung lagen. Die Beschichtung hatte eine Dicke von etwa 0,127 mm.

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Die Schicht wurde dann mit einem Gasstrahlbrenner getrocknet.

Nach dem Trocknen wurde die Gummibandabdeckung entfernt, indem sie lediglich von einem Ende aus angehoben wurde, um die Beschichtung nicht einzureißen oder zu unterbrechen.

Ein Schneidbrenner wurde dann verwendet, um für eine örtliche Erhitzung an der Linie entlang zu sorgen. Bei dem Schneidbrenner handelte es sich um einen automatischen Harris-Brenner mit der Typenbezeichnung 18-2, der mit einer 2er Brennerspitze bestückt war. Die Gasregeier für den Brenner waren so eingestellt, daß sie etwa 1 kg pro cm² Sauerstoff und etwa 0,5 kg pro cm² Acethylen lieferten. Der Brenner wurde dann so eingestellt, daß er eine nicht oxidierende Flamme lieferte, was durch eine grünliche Feder um den blauen inneren Kern der Flamme herum angezeigt wurde. Der blaue innere Kern hatte eine Länge von etwa 4»75 mm.

Der Brenner wurde dann dazu verwendet, die Bleistiftlinie zu erhitzen, indem er von einem Ende zum anderen so gleichmäßig wie möglich über die gesamte Länge der Linie mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 cm P^o Sekunde hin- und herbewegt wurde. Die Spitze des blauen Kegels der Flamme befand sich im Eontakt mit der Linie.

In etwa 2-5 Minuten entwickelte sich ein grauer Bereich zu beiden Seiten der Linie mit dem Erhitzen der Bornitrid-Beschichtung. Die Gleichmäßigkeit in der Erhitzung wurde durch die Breite und durch die Gleichförmigkeit des grauen Bereichs bestimmt. Etwa 1 bis 1 1/2 Minuten nach Entwicklung des grauen Bereichs brach das Keramik-Aluminiumoxid längs des bleistiftmarkierten Bereichs zwischen den beiden Streifen der Beschichtung mit einer vergleichsweise glatten Bruchkante.

Die verbleibende Bornitrid enthaltende Schicht wurde dann von den Kachelstücken mit Wasser abgewaschen.

Patentansprüche:

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Claims (1)

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Patentansprüche

.J Verfahren zum Trennen von Keramikgegenständen, dadurch g e-" kennzeichnet, daß eine Bornitrid enthaltende Schicht an der gewünschten !Trennlinie aufgetragen wird und anschließend der Gegenstand an der Linie entlang örtlich erhitzt wird, derart, daß durch die lokalisierte thermische Wirkung ein Trennen des
Gegenstandes an der Linie entlang erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beschichtung Bornitrid verwendet wird, das in einer wässrigen Lösung aufgeschwemmt ist.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als wässrige Lösung ein Phosphatbindemittel verwendet wird.

4· Verfahren zum Trennen von Keramikgegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht, die Bornitrid und ein geeignetes Bindemittel dafür enthält, zu beiden Seiten einer gewünschten Trennlinie aufgetragen wird, die Schicht getrocknet wird und anschließend der Gegenstand an der Linie entlang örtlich erhitzt wird, derart, daß durch eine lokalisierte thermische Wirkung ein Trennen des Gegenstandes an der Linie entlang erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramikgegenstand ein Gegenstand aus Aluminiumoxid verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit Hilfe einer Bürste parallel zur gewünschten Trennlinie aufgetragen wird.

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Wa/Hö

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7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet» daß die Schicht in einer Sicke von etwa 0,076 mm bis
0,178 vat vorgesehen vird.

8. Verfahren nach Ansprach 7t dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand durch einen Gasbrenner örtlich erhitzt vird.

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