DE1944937B2

DE1944937B2 - Verfahren zur Verbesserung der Zähigkeit und des Widerstandes gegen die Ausweitung von durch Beeschädigungen entstandenen Rissen von Isolatorporzellanen

Info

Publication number: DE1944937B2
Application number: DE19691944937
Authority: DE
Inventors: Noboru; Ogawa Yutaka; Nagoya; Watanabe Akihiro Hashima; Higuchi (Japan). C04b41-06
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1968-11-21
Filing date: 1969-09-04
Publication date: 1972-10-26
Also published as: DK143895B; JPS4822807B1; FR2023766A1; GB1250684A; DK143895C; DE1944937A1; US3674519A; CA942478A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Zähigkeit und des Widerstandes gegen die Ausweitung von durch Beschädigung entstandenen Rissen von Isolatorporzellanen.

Es gibt grundsätzlich zwei Kategorien von keramischen Erzeugnissen, nämlich »leicht berstende« (bzw. zerspringende) Erzeugnisse, wie Porzellan und Glas, und »schwer berstende« feuerfeste Materialien. Die »leicht berstenden« Erzeugnisse weisen trotz relativer Festigkeitswerte bezüglich ihrer Biege-, Zug- und Druckfestigkeit einen geringen Fortpflanzungswiderstand gegenüber den durch mechanische Schlag- und Stoßeinwirkungen von außen gebildeten Anrissen bzw. Sprüngen auf, wahrend bei »schwer berstenden« Materialien der Fortpflanzungswiderstand gegenüber Rissen dieser Art groß ist.

Für elektrische Isolatoren ist die Verwendung vo Feldspat- und Tonerde-Porzellanen bekannt. Di Feldspatporzellane gehören zu den Quarz/Feldspal Ton-Porzellanen, welche im wesentlichen aus 20 bi 40 Gewichtsprozent Feldspat, 15 bis 30 Gewichts prozent Quarz und 40 bis 60 Gewichtsprozent Toi bestehen. Feldspat-Porzellane sind durch die geringei Materialkosten und die aufgezeichneten elektrischei Isolationseigenschaften ausgezeichnet. Derartige Feld spat-Porzellane werden folglich häufig für Isolator« benutzt. Wegen der verhältnismäßig geringen mecha nischen Festigkeit, beispielsweise einer Biegefestigkei von 800 bis llOOkp/cm² eignen sich Feldspan-Por zellane jedoch nicht für Hochspannungsisolatoren die eine große mechanische Festigkeit haben müssen Bei den Tonerde-Porzellanen handelt es sich uir Tonerde/Feldspat/Quarz/Ton-Porzellane, die im wesentlichen aus 10 bis 45 Gewichtsprozent Tonerde. 20 bis 40 Gewichtsprozent Feldspat, bis zu 30 Gewichtsprozent Quarz und 20 bis 60 Gewichtsprozeni Ton bestehen. Derartige Porzellane haben eine hohe mechanische Festigkeit. So zeigt beispielsweise ein Probestück aus- Tonerde-Porzellan eine maximale Biegefestigkeit von etwa 1800kp/cm². Tonerdeporzellane werden folglich in zunehmendem Maße füi Hochspannungsisolatoren benutzt, erfordern jedoch bei der Herstellung hohe Brenntemperaturen und sind mit hohen Materialkosten belastet.

Ein typischer Hängeisolator zur Aufhängung von Hochspannungsleitungen ist beispielsweise in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt und besteht bekanntlich aus einem isolierenden Porzellankörper 1 mit aufgesetzter Metallkappe 2 und einem innen eingesetzten Metallbolzen 3. Die Kappe 2 und der Bolzen 3 sind mittels Zement 4 mit dem Porzellankörper 1 verbunden. Eine Mehrzahl derartiger Einzelisolatoren werden zu einem Kettenisolator aneinandergereiht, in dem der Bolzen 1 eines Einzelisolators mit der Kappe 2 des unter diesem befindlichen nächsten Einzelisolators verbunden wird. Der Porzellankörper 1 weist einen seitlich ausladenden Schirmteil 5 auf, dessen Unterseite zwecks Bildung eines für jeden Isolator erforderlichen langen Kriechstromweges mit wellenförmigen Rippen 6 a bis 6 d versehen ist.

Es ist in letzter Zeit üblich geworden, derartige Hängeisolatoren verbotenermaßen als Zielobjekte zu benutzen, indem auf sie mit Jagd- oder Kleinkaliberwaffen geschossen wird. Hierdurch werden derartige bekannte Hängeisolatoren leicht zerstört, da eine schräg von unten kommende Gewehrkugel auf den gerippten Schirmteil des Hängeisolators auftreffen und diesen in Stücke zerbrechen kann, wobei ein von der Bruchstelle radial nach innen verlaufender Sprungriß entsteht, der im folgenden als Radialriß bezeichnet wird. Setzt sich dieser Radialriß über die Grenze zwischen dem Schirmteil und der Metallkappe in den Kopfteil des Isolators fort, so wird das Isolationsvermögen des Isolators derart herabgesetzt, daß er der Betriebsspannung nicht mehr gewachsen ist und auch keinen überspannungsschutz bildet. Hierdurch kann ein Funkenüberschlag entlang dem verlängerten Radialriß entstehen, dessen. außerordentlich hohe Temperatur das in der Metallkappe enthaltene Material, wie Farbe, Kork, Zement od. dgl., verbrennt und vergast, so daß in der Metallkappe ein Explosionsdruck erzeugt wird, der das Porzellan, den Zement und den Metalhtift von der Kappe trennt und zum Abfallen des Stromleiters auf den Boden und somit

zu einer schweren Beschädigung der Hochspannungsleitung führt.

Die bekannten Porzellanisolatoren aus den erwähnten Feldspat- oder Tonerdepon:ellanen sind wenig widerstandsfähig gegen die Rißfortpflanzung, so daß ein einmal erfolgter Anriß in derartigen Porzellanen sich leicht fortpflanzen kann. Es sind verschiedene Versuche gemacht worden, um die Länge von Radialrissen möglichst klein zu halten, beispielsweise, indem der Kopfteil des Porzellankörpers verlängert oder die Dicke des Schirmteiles vergrößert wird. Diese Versuche haben sich jedoch als unwirksam erwiesen.

Bei Feldspatporzellanen wurden fernerhin Verbesserungen der mechanischen Festigkeit und des Isolationsvermögens erzielt, beispielsweise nach der USA.-Patentschrift 3 097 101, in der ein Porzellan beschrieben ist, welches aus Ton, Flußmittel und Flintteilchen einer Korngröße zwischen 1 und 45 Mikron besteht, welches auf Grund der Ergebnisse von Untersuchungen über den Einfluß des Quarzes auf die mechanische Fesligkeil νυη Feldspalporzdlanen eniwiekeii wurde.

Die auf der Gefügespannungstheorie beruhenden Zusammenhänge zwischen dem Gefügeaufbau und der Biegefestigkeit von technischen Porzellanen, insbesondere derartigen Porzellanen auf Cristobalitbasis sind gleichfalls bekannt. (»Hochfestporzellane, Teile 1 und 3, von Wiedemann in »Sprechsaal«, 1966, S.428 bis 438, bzw. 1967, S. 555 bis 565; »Hochfeste Porzellane aus Quarz- und Cristobalitbasis«, S c h ü 11 e r in »Berichten der deutschen keramischen Gesellschaft«, 1967, Heft 6, S. 284 bis 293.) Hiernach ist die Abhängigkeit der mechanischen Festigkeit der Porzellane von der Korngröße und den Modifikationen des darin enthaltenden Quarzes bekannt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die mechanische Festigkeit und das elektrische Isolationsvermögen von Porzellanisolatoren, deren Widerstand gegen die Fortpflanzung bzw. Verlängerung von Rissen, der im folgenden als Rißfortpflanzungswiderstand bezeichnet wird, nicht zu beeinflussen mag. Rißfortpflanzungswiderstand bezeichnet den Widerstand des Porzellans gegen die Fortpflanzung bzw. das Weiterwandern von durch Gewalteinwirkung verursachten äußeren Anrissen, die somit, durch die Verbesserung der mechanischen Festigkeit und des Isolationsvermögens nicht beeinflußbar sind. Aus diesem Grunde sind auch bisher keine nennenswerten Verbesserungen des Widerstandes von Porzellan gegen die Rißfortpflanzung, d. h. der sogenannten »Abbruchzähigkei««, bekanntgeworden.

Der Grund '.,ierfür liegt darin, daß die mechanische Festigkeit des Prozellans bekanntlich vorwiegend durch die in seinem Gefüge enthaltenen und Eigenspannungen verursachenden Mikrorisse (Griffiths-Risse) an den Korngrenzen bestimmt, an denen durch Addition einer angelegten äußeren Spannung zu den Gefügespannungen bei der Zug-, Druck- oder Biegebelastung des Porzellans starke Spannungskonzentrationen entstehen. Je kleiner diese Mikrorisse gehalten werden können, was unter anderem durch Korngrößenverringerung des Quarzgehaltes, angestrebt wird, desto größer sind die erhaltenen Festigkeitswerte des Porzellans, Tür die fernerhin auch noch die Mulitphase als Festigkeitsträger einer entscheidende Rolle spielt.

Ausgehend von diesem Bekannten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Porzellane mit hohen Rißfortpflanzungswiderstand zu schaffen, die vor allem" für Hängeisolatoren bestimmt und geeignet sind, um den den eingangs erwähnten Schwierigkeiter Rechnung zu tragen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Porzellanmasse der Quarz in einei Korngrößenzusammensetzung von weniger als 2 Gewichtsprozent einer effektiven Korngröße unter 10 Mikron und mehr als 97 Gewichtsprozent einer effek-ίο tiven Korngröße unter 50 Mikron zugesetzt und dei aus dieser Masse geformte Porzellanisolator nach Trocknung einer Temperatur zwischen 1180 und 1350⁰C gebrannt wird.

Entgegengesetzt zu dem Bekannten wird der erhöhtt Rißfortpflanzungswiderstand nach der vorliegender Erfindung durch Korngrößenvergröberung des Quarzes erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
;o Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und an Hand von praktischer Beispielen näher erläutert, in denen die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile angegeben sind. Ir den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine zur Hälfte geschnittene Seitenansicht eines Hängeisolators.

Fig. 2A eine schaubildliche Darstellung der erfindungsgemäßen Korngrößenverteilung des Quarzes im Vergleich zur Korngrößenverteilung des Quarzes in einem bekannten Porzellan,

F i g. 2 B eine schaubildliche Darstellung der erfindungsgemäßen Korngrößenverteilung von kalziniertem Bauxit im Vergleich zur Korngrößenverteilung der Tonerde in einem bekannten Tonerdeporzellan F i g. 3 A eine schaubildliche Darstellung der Korngrößenverteilung des Quarzes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3 B eine schaubildliche Darstellung der Korngrößenverteilung des kalzinierten Bauxits gemäß einei Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 4 einen schaubildlichen Vergleich der sich aus der Quarzmenge und -korngröße ergebenden verschiedenen Eigenschaften von Porzellanen unterschied liehen Tonerdegehaltes und

F i g. 5 einen schaubildlichen Vergleich der Eigenschaften von Porzellanen in Abhängigkeit von dei Menge und Korngröße der Tonerde bzw. des kalzinierten Bauxits.

Im folgenden wird die Mischung aus den Porzellanrohstoffen als »Grundmasse« bezeichnet, die nacr ihrer Reinigung, Entwässerung und Knetbehandlunj zur »Formmasse« wird.

Gemäß einer Ausführungsart der Erfindung wire ein Feldspatporzellan in folgender Weise hergestellt Aus einer Mischung von

a) 30 bis 50 Gewichtsprozent feinstzerkleinerten Feldspat, der entweder als Feldspatpulver in Handel erhältlich ist oder durch mechanisch Vorzerkleinerung von Rohfeldspat und nass> Nachzerkleinerung desselben in einer Rohrmühl desselben bzw. durch Nachzerkleinerung voi handelsüblichem Feldspatpulver erhalten wird mit

b) IO bis 30 Gewichtsprozent Quarz, der, bezogen au sich selbst, weniger als 2 Gewichtsprozent Quarz teilchen einer Korngröße unter 10 Mikron um mehr als 97 Gewichtsprozent Quarzteilchen eine

Korngröße unter 50 Mikron enthält und durch Feinstzerkleinerung von Rohquarz z. B. in einer Schwingmühle oder durch Klassierung von im Handel erhältlichen Quarzteilchen, z. B. Quarzsand, in einem Trockenklassierer erhalten wird, und

c) 30 bis 60 Gewichtsprozent Ton, z. B. in Japan gewonnen, vorwiegend aus Quarz und Kaolin bestehendem Gairome-Ton bzw. hauptsächlich aus feinen Kaolinteilchen bestehendem Kibushi-Ton, Kaolin oder Bindeton usw.

wird eine wäßrige Aufschlämmung als Grundmasse hergestellt. Beim Mischen dieser Bestandteile ist besonders darauf zu achten, daß sich die Korngrößenverteilung des Quarzes nicht ändert. Zu diesem Zwecke wird eine geeignete Mischvorrichtung, z. B. eine Mischtrommel, benutzt. Die breiige Grundmasse wird zunächst auf einem Sieb und in einem Ferro-Filter zwecks Entfernung von Sägemehl, Holzteilchen, Eisenteilchen usw. gereinigt und dann z. B. in einer Filterpresse entwässert, worauf aus dem erhaltenen Filterkuchen durch Kneten auf einer Masseschlagmaschine und gründliches Durchwalken die darin enthaltenen Luftblasen entfernt und die Formmasse erhalten wird. Diese wird getrocknet, glasiert und bei einer Temperatur von 1180 bis 1350° C z. B. in einem Tunnelofen gebrannt.

Erfindungsgemäß kann auch ein Tonerde-Porzellan in ähnlicher Weise wie das Feldspat-Porzellan hergestellt werden, und zwar aus einer Grundmasse mit 20 bis 40 Gewichtsprozent Feldspat, 5 bis 25 Gewichtsprozent Quarz, der ebenfalls bis zu 2 Gewichtsprozent Quarzteilchen einer Korngröße unter 10 Mikron und mehr als 97 Gewichtsprozent Quarzteilchen einer Korngröße unter 50 Mikron enthält, 20 bis 55 Gewichtsprozent Ton und 10 bis 45 Gewichtsprozent Tonerde entweder als Produkt des Bayer-Prozesses oder in Pulverform.

Die Erfindung sieht ferner die Herstellung von bauxithaltigem Porzellan etwa nach Art des Feldspatporzellans vor. und zwar aus einer bauxithaltigen Grundmasse aus 20 bis 40 Gewichtsprozent Feldspat, weniger als 25 Gewichtsprozent Quarz, 2ö bis 55 Gewichtsprozent Ton und 10 bis 60 Gewichtsprozent kalziniertem Bauxit, welcher, bezogen auf sich selbst, weniger als 60 Gewichtsprozent Bauxitteilchen einer Korngröße unter 10 Mikron und mehr als 97 Gewichtsprozent Bauxitteilchen einer Korngröße unter 60 Mikron enthält. Der kalzinierte Bauxit wird erhalten durch Zerkleinerung von Rohbauxit z. B. der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung in Stücke einer Größe von 30 mm und darunter, Kalzinierung dieses Gutes z.B. in einem Drehrohrofen bei einer Temperatur zwischen 1350 und 1600° C zwecks Austreibung des Kristallwassers und von organischen Verbindungen, Feinstzerkleinerung des kalzinierten Bauxits z. B. in einer Trommel und abschließende Klassierung des Bauxitpulvers in dem vorstehend angegebenen Korngrößenverhältnis. Bei der Mischung der Bestandteile ist darauf zu achten, daß das erforderliche Korngrößenverhältnis des Bauxitpulvers beibehalten wird.

Erfindungsgemäß besteht ferner die Möglichkeit, von einer Grundmasse auszugehen, die aus 20 bis 40 Gewichtsprozent Feldspat bis zu 25 Gewichtsprozent Quarz (mit weniger als 2 Gewichtsprozent einer Korngröße unter 10 Mikron und mehr als 97 Gewichtsprozent einer Korngröße unter 50 Mikron), 20 bis 55 Gewichtsprozent Ton und 10 bis 60 Gewichtsprozent kalziniertem Bauxit (mit weniger als 60 Gewichtsprozent einer Korngröße unter 10 Mikron und mehr als 97 Gewichtsprozent einer Korngröße unter 60 Mikron) besteht. Auch hier muß bei der Bereitung der Grundmasse darauf geachtet werden, daß das Korngrößenverhältnis sowohl des Quarzes als auch des kalzinierten Bauxits beibehalten wird,
ίο Das erfindungsgemäß mit kalziniertem Bauxit hergestellte Porzellan besteht aus

26,5 bis 65 Gewichtsprozent SiO₂,
24,5 bis 68,1 Gewichtsprozent Al₂O₃,
0,1 bis 1,8 Gewichtsprozent Fe₂O₃,
0,3 bis 2,4 Gewichtsprozent TiO₂,
0.03 bis 0,4 Gewichtsprozent CaO,
0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent MgO,
2,0 bis 6,5 Gewichtsprozent K₂O und
0,5 bis 4,5 Gewichtsprozent Na₂O.

Wird der Quarz in dem erfindungsgemäßen Korngrößenverhältnis in eine feldspat- oder tonerdehaltige Grundmasse eingebracht, so verteilen sich die Quarzteilchen in dem glasartigen Grundgefüge des aus dieser Grundmasse hergestellten Porzellans. Enthält die Grundmasse außerdem kalzinierten Bauxit, so bilden sich in dem glasartigen Grundgefüge des Porzellans aus mehreren Kristallen bestehende, also polykristalline Teilchen aus Korund (Al₂O₃) und Mullit (3Al₂O₃ · 2SiO₂). Entsteht in dem erfindungsgemäßen Porzellan mit solchen Quarz- oder polykristallinen Teilchen z. B. durch Auftreffen einer Gewehrkugel ein Riß. so dringt dieser in mikroskopischer Feinheit durch das Glasgefüge des Porzellans hindurch, bis er die Quarz- oder polykristallinen Teilchen erreicht. Beim Erreichen des Risses eines solchen Quarz- oder polykristallinen Teilchens verzweigt er sich nach verschiedenen Richtungen und verliert hierbei seine Rißausweitungsenergie, doch kann er sich nicht durch die Quarz- oder polykristallinen Teilchen hindurch fortsetzen, weil diese selbst von einer Gewehrkugel nicht angerissen werden können. Schon beim Auftreffen der Risse auf die Quarz- und polykristallinen Teilchen und beim Fortsetzen ihres Weges an diesen Teilchen vorbei haben sie selbst dann, wenn sie sich nicht verzweigen sollten, den größten Teil ihrer Ausweitungsenergie verloren.

Hieraus ergibt sich, daß die Quarzteilchen und die polykristallinen Korund/Mullit-Teilchen den Weg der Risse durch das glasartige Grundgefüge des Porzellans hindurch sperren, so daß die Risse unterbrochen und unschädlich gemacht werden.

Man weiß, daß Quarzteilchen und der in den polykristallinen Korund/Mullit-Teilchen enthaltene Mullit in der glasartigen Porzellangrundmasscwelche diese Teilchen umgibt, gelöst werden können und daß durch die Lösung dieser Teilchen die Beschaffenheit der Porzellangrundmasse derart verändert wird, daß sich in dieser die Risse leichter fortpflanzen können.

Gemäß der Erfindung wird die Lösung der Quarz- und Mullit-Teilchen dadurch weitgehend vermindert, daß den zugesetzten Quarz- und kalzinierten Bauxit-Teilchen eine Korngröße verliehen wird, die größer ist als diejenige gleichartiger Teilchen in bekannten Prozellanen. Ein großer Teil der Quarz- und polykristallinen Korund/Mullit-Teilchen bleibt auch beim Brennen des Porzellans erhalten, wobei durch die Verminderung des Flächeninhaltes des Quarzes und

des kalzinierten Bauxits die Quarz- und Mullitlösung in der glasartigen Porzellangrundmasse stark herabgesetzt wird.

Die Bildung von polykristallinen Korund/Mullit-Aggregaten setzt im allgemeinen eine verhältnismäßig hohe Brenntemperatur des Bauxits voraus, doch wirkt das in dem Bauxit enthaltene Titandioxid als Mineralbildner, welcher eine verglasende Sinterung des Porzellans bei einer niedrigen Temperatur erlaubt. Aus diesem Grunde kann das Porzellan bei verhältnismäßig geringer Temperatur gebrannt werden, und zwar selbst dann, wenn das Ausgangsmaterial zu einem grollen Teil aus Stoffen besteht, welche die Sinterfähigkeit beeinträchtigen. Zufolge der mineralisierenden Wirkung des Titanoxids können also trotz der Großkörnigkeit des kalzinierten Bauxits und der verhältnismäßig geringen Brenntemperatur zwischen 1180 und 135O°C die polykristallinen Bildungen im gebrannten Porzellan in ausreichender Menge erhalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit jedem handelsüblichen Feldspat, Quarz, Ton, Tonerdematerial, Rohbauxit usw. durchgeführt werden. In der folgenden Tabelle 1 sind' einige Beispiele von für die Erfindung brauchbaren Ausgangsmaterialien zusammengestellt.

Tabelle 1

	Feldspat	Ausgangsmaterialien, Gewichtsprozent	Quarz	Ton	Tonerde	Rohbauxit
Bestandteile	<1,5		<1,3	10 bis 16	<l,0	11 bis 33
	65 bis 78	>97	42 bis 59	<l,0	0,5 bis 8,0
Brennschwund	12 bis 20	<1,5	27 bis 42	>98	53 bis 80
SiO₂	<l,0	<l,0	<1,8	<0.5	0,7 bis 4,0
Al₂O₃	<0,5	<0,5	<2,0	<0,3	0,5 bis 10,0
Fe₂O₃	<1,5	<0,5	<0,7	<0,3	<l,0
TiO₂	<0,5	<0,3	<0,6	<0,2	<0,5
CaO	3 bis 15	<0,8	<3,0	<0,3	<l,0
MgO	1 bis 10	<0,8	<2,0	<l,0	<l,0
K₂O
Na₂O

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung beträgt die Brenntemperatur 1180 bis 1350⁰C, da eine Temperatur unter 1180⁰C nur zu einer unvollständigen Sinterung führt, während eine Brenntemperatur über 1350° C eine zu starke Lösung der Quarzteilchen und des Mullits der polykristallinen Korund/Mullit-Aggregate zur Folge hat.

Erfindungsgemäß ist für den Quarz ein Korngrößenverhältnis von weniger als 2 Gewichtsprozent einer Korngröße unter 10 Mikron und mehr als 97 Gewichtsprozent einer Korngröße unter 50 Mikron vorgesehen, weil ein größerer Anteil an Quarzteilchen unter !0 Mikron mit einer stärkeren Lösung derselben verbunden ist, während ein über das angegebene Verhältnis hinausgehender Anteil an Quarzteilchen unter 50 Mikron zwar die Zähigkeit des Porzellans verbessert, jedoch im Vergleich zu bekannten Porzellanen die mechanische Festigkeit des Porzellans stark herabsetzt.

Der erfindungsgemäße Quarzgehalt des vorgenannten Korngrößenverhältnisses beträgt in einer feldspathaltigen Grundmasse 10 bis 30 Gewichtsprozent, in einer tonerdehaltigen Grundmasse 5 bis 25 Gewichtsprozent und bis zu 25 Gewichtsprozent in einer bauxithaltigen Grundmasse, da bei einem Quarzgehalt von weniger als 10 Gewichtsprozent in der feldspathaltigen Grundmasse und von weniger als 5 Gewichtsprozent in der tonerdehaltigen Grundmasse die Rißausbreitung nicht verhindert werden kann, während bei einem Quarzgehalt über 30 Gewichtsprozent in der feldspathaltigen Grundmasse bzw. über 25 Gewichtsprozent in der tonerde- oder bauxithaltigen Grundmasse die Sinterung derselben Schwierigkeiten bereitet.

Erfindungsgemäß wird für eine bauxithaltige Grundmasse kalzinierter Bauxit benutzt, weil der Brennverlust des Rohbauxits 10 bis 30 Gewichtsprozent beträgt, der, sofern er nicht unterbunden wird, eine außerordentlich starke Volumenverminderung und damit Ungenauigkeiten der Abmessungen des Produktes zur Folge hat.

Der gemäß der Erfindung zur Verwendung kommende kalzinierte Bauxit soll zu weniger als 60 Gewichtsprozent aus Teilchen einer Korngröße unter 10 Mikron und zur mehr als 97 Gewichtsprozent aus Teilchen einer Korngröße unter 60 Mikron bestehen und 10 bis 60 Gewichtsprozent der bauxithaltigen Grundmasse betragen. Liegen mehr als 60 Gewichtsprozent des kalzinierten Bauxits in einer Korngröße unter !0 Mikron vor und beträgt der Bauxitgehalt der Grundmasse weniger als 10 Gewichtsprozent, so sind sowohl der Gehalt als auch die Größe der sich beim Brennen bildenden polykristallinen Teilchen zu klein, um eine Rißfortpflanzung in ausreichendem Maße verhindern zu können. Liegen dagegen mehr als 97 Gewichtsprozent des kalzinierten Bauxits in einer Korngröße unter 60 Mikron vor, so wird dadurch die mechanische Festigkeit des Porzellans herabgesetzt. Bei einem über 60 Gewichtsprozent hinausgehenden Gehalt an kalziniertem Bauxit in der Grundmasse stellen sich Schwierigkeiten bei deren Sinterung ein.

Der erfindungsgemäß vorgeschriebene Feldspatgehalt beträgt in einer feldspathaltigen Grundmasse 30 bis 50 Gewichtsprozent und in einer tonerdehaltigen oder bauxithaltigen Grundmasse 20 bis 40 Gewichtsprozent. Ein unter 30 bzw. 20 Gewichtsprozent liegender Feldspatgehalt führt nämlich zu Schwierigkeiten beim Sintern, während ein die angegebenen Höchstgehalte überschreitender Feldspatgehalt ein zu starkes Schmelzen der Quarzteiichen bzw. der Mullitteilchen in den polykristallinen Aggregaten zur Folge hat.

Der für das Verfahren nach der Erfindung erforder-

liehe Tongehalt beträgt in einer feldspathaltigen Grundmasse 30 bis 60 Gewichtsprozent und in einer tonerde- oder bauxithaltigen Grundmassc 20 bis 55 Gewichtsprozent, da bei Überschreitung dieser Gehaltsgrenzen nach unten oder oben das Formen der Grundmasse beeinträchtigt wird."

Bei einer tonerdehaltigen Grundmasse beträgt der Tonerdegehalt erfindungsgemäß 10 bis 45 Gewichtsprozent, da ein Tonerdegehalt unter 10 Gewichtsprozent die mechanische Festigkeit des Produktes herabsetzt, während ein Tonerdegehalt über 45 Gewichtsprozent die Sinterung erschwert.

In der Praxis der keramischen Industrie wird die Korngrößenverteilung von Rohmaterialien in Gewichtsprozent der Teilchen ausgedrückt, deren wirksame Korngröße unter einem bestimmten Wert liegt. Hierbei wird die Teilchengröße für gewöhnlich in Mikron (μ) angegeben.

Fig. 2A ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Korngrößenverteilung des Quarzes im Vergleich zur Korngrößenverteilung des Quarzes in einer bekannten feldspathalligen oder tonerdehaltigen Grundmasse. Auf der Abszisse sind die wirksamen Korngrößen des Quarzes und auf der Ordinate die Anteile in Gewichtsprozent derjenigen Quarzteilchen aufgetragen, deren wirksame Korngröße unter einem bestimmten Wert liegt. Das von den strichpunktierten Linien S₁ und S₂ eingeschlossene Feld gibt die Korngrößenverteilung eines Quarzes wieder, wie sie bisher zur Herstellung bekannter Isolatorporzellane üblich war. Das von den gestrichelten Linien a, und a₂ umgebene Feld zeigt die Korngrößenverteilung eines Quarzes gemäß USA.-Patentschrift 3 097 101. während die erfindungsgemäße Korngrößenverteilung des Quarzes durch das Feld wiedergegeben wird, das von den ausgezogenen Linien I₁ und I₂ umgeben ist. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Korngrößenverteilung in einem gröberen Bereich liegt als im Falle der bekannten Quarze.

Die erfindungsgemäßen Quarzkorngrößen und deren Verteilung entsprechend dem in F i g. 2 A von den Linien I₁ und I₂ eingeschlossenen Feld sind in der Tabelle 2 im einzelnen zusammengestellt. Die einzelnen Werte wurden im Wege der Naßklassierung bestimmt.

Tabelle 2

1	II	111	feinste Körnung
	Gewichtsprozent	der Quarzteilchen	0
Korngröße	einer Korngröße, die unter dem	2,0
(Mikron)	in Spalte I angegebenen Wert liegt	40,0
	gröbste Körnung	72,0
8	0	93.0
10	0	100,0
15	0	100,0
20	0	100,0
25	26,0	100,0
30	47.0
40	8Z0
50	97.0
60	100,0

Fig. 4 veranschaulicht die Eigenschaften von Porzellanen aus Grundmassen eines Tonerdegehaltes von jeweils 0, 10. 20 und 30 Gewichtsprozent und eines Quarzgehaltes (in Form von Quarzsand) der in F i g. 3A angegebenen Korngrößenzusammensetzungen von jeweils 0. 5, 10. 15, 25 bzw. 30 Gewichtsprozent.

In der folgenden Tabelle 3 sind die in Fig. 3A veranschaulichten Korngrößenzusammensetzungen ίο des Quarzes im einzelnen angegeben.

Tabelle 3

55

6o

I	II	III	IV	angegebenen Werten liegt	Kurve!	Kurve 3
	Gewichtsprozent der Quarzteilchen	Korngrößenzusammensetzung gemäß F i g. ?A	0	0
	einer Korngröße, die unter den	Kurve 1	0	0
N.orngroDc i \4i1i rnnl	in Spalte I	• 35	15	0
¹^lVi ΙλΙ LIII /	44	42	6
	59	63	21
8	69	76	32
10	78	92	54
15	83	100	69
20	90	100	79
25	94	100	88
30	97	100	92
40	99	100	97
50	100	100	100
60	100
70	100
80
90
100

35

40

Bei der in Spalte II dieser Tabelle 3 angegebenen Korngrößenzusammensetzung (gemäß Kurve 1 in F i g. 3 A) des Quarzes handelt es sich um die bekannte. Pur die Herstellung von Porzellanisolatoren bisher

übliche Korngrößenzusammensetzung des Quarzes, die in dem von den Linien S₁ und S₂ der F i g. 2A begrenzten Bereich liegt. Die in Spalte III der Tabelle 3 wiedergegebene Korngrößenzusammensetzune des Quarzes entspricht der Kurve 2 in F i g. 3A bzw. dem

von den Linien I₁ und I₂ begrenzten Bereich in F ι g. 2A. Die in Spalte IV der Tabelle 3 angegebene Korngrcßenzusammenserzung gemäß Kurve 3 der F i g. 3 A liegt in einem gröberen als den erfindunesgemäßen Bereich gemäß Spalte III.

In Fig. 4 veranschaulichen die ausgezogenen, gestrichelten und strichpunktierten Linien die Eigenschaften der Porzellane, die aus Quarzsanden der in den Spalten IL III und IV der Tabelle 3 angegebenen Korngrößenzusammensetzungen hergestellt wurden.

Im Rahmen der Erfindung wurden zahlreiche Versuche zur Bestimmung des Widerstandes gegen die Ausbreitung von zum Bruch des Porzellans führenden Rissen durchgeführt und hierbei mit einem sich auf die Theorie der Rißausbreitung stützenden Meßwert

gearbeitet, welcher der Quadratwurzel des doppelten Produktes aus der Bruchflächenenergie /J, und dem Young-Modul E des Porzellans entspricht, also 1'2,-f, · £ beträgt. Je größer dieser Zähigkeits-Meß-

V , Ä-

wert |'2/ί₍, · £ ist, desto größer ist auch der Rißausbreitungswiderstand des Porzellans, d. h., desto zäher ist das Porzellan.

Die Bestimmung der verschiedenen Eigenschaften der in F i g. 4 angegebenen Porzellanproben wurde in folgender Weise durchgeführt:

Der Young-Modul E wurde nach dem Ewing-Verfahren mit Hilfe von 8 mm breiten, 1,5 mm dicken und 80 mm langen Proben bestimmt. Der Zähigkeitswert [/'2,ν · E wurde nach dem in »Journal of Applied Physics«, Bd. 32, Nr. 12, beschriebenen Gilman-Verfahren ermittelt. Aus den Werten für £ und \ 2,\ · E konnte der Wert fi_e errechnet werden. Gemäß der im »Journal of American Ceramic Society«. Bd. 48, Nr. 11, S. 583, veröffentlichten Arbeit von Nakayama kann die Bruchflächenenergie fi_e unmittelbar gemessen werden. Der Bruchmodul wurde nach dem Spitzenbelastungsverfahren an 7ylindrischen Probestücken eines Durchmessers von 30 mm bei einer Einspannlänge von 300 mm bestimmt. Die Brenntemperatur wurde an geformten Grundmassekörpern eines Durchmessers von 30 mm bestimmt, indem die Brenntemperaturen im Ofen stündlich um 120 C erhöht und bei verschiedenen Temperaturen gebrannte Stücke aus dem Ofen entnommen wurden zwecks Bestimmung des Wassergehaltes derselben. Vollständig wasserfreie Probestücke zeigten schließlich die für diese notwendige Brenntemperatur an.

Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die Zähigkeit von Porzellanen auf der Basis einer feineren als der erfindungsgemäßen Quarzkörnung gering ist. Andererseits geht auch daraus hervor, daß bei Porzellanen auf der Basis einer gröberen als der erfindungsgemäßen Quarzkörnung zwar eine der erfindungsgemäßen ähnliche Zähigkeit erreicht, jedoch der Bruchmodul stark vermindert wird. Aus Fig. 4 ist weiterhin zu ersehen, daß die Brenntemperatur zunimmt mit der Vergröberung der Quarzkörnung sowie mit dem Quarzgehalt und auch dem Tonerdegehalt.

Fig. 2B veranschaulicht in dem zwischen den Linien S₁ und S₂ liegenden Bereich die Korngrößenzusammensetzung der Tonerde in einer bekannten tonerdehaltigen Grundmasse und in dem zwischen den Linien I, und I₂ liegenden Bereich die Korngrößenzusammensetzung des kalzinierten Bauxits in einer bauxithaltigen Grundmasse gemäß der Erfindung.

F i g. 5 zeigt in gestrichelten Linien die Eigenschaften des Porzellans, das kalzinierten Bauxit der erfindungsgemäßen Korngrößenzusammensetzung enthält, während die strichpunktierten Linien sich auf die Eigenschaften eines Porzellans, das kalzinierten Bauxit in einer gegenüber der erfindungsgemäßen feineren Korngrößenzusammensetzung enthält, und die strichdoppelpunktierten Linien sich auf die Eigenschaften eines Porzellans beziehen, das kalzinierten Bauxit in einer im Vergleich zur erfindungsgemäßen Zusammensetzung gröberen Korngrößenzusammensetzung enthält. Die Eigenschaften eines Porzellans, das aus einer tonerdehaltigen Grundmasse mit einer bekannten Korngrößenzusammensetzung der Tonerde hergestellt wurde, gehen aus den ausgezogenen Linien hervor.

Die Korngrößenzusammensetzung des in Fig. 2B dargestellten Bereiches zwischen den Linien I₁ und I₂ kalzinierten Bauxits geht im einzelnen aus der Tabelle 4 hervor.

Tabelle 4

Korngröße
(Mikron)

Il

111

Gewichtsprozent der Bauxit-Teilchen

einer Korngröße, die unter den
in Spalte I angegebenen Werten liegt

gröbste Körnung	feinste Körnung
16	50
24	60
42	79
57	89
67	95
75	100
85	!00
92	100
97	100
100	100

10
15
20
25
30
40
50
60
70

F i g. 5 veranschaulicht die Eigenschaften verschiedener Porzellane, die kalzinierten Bauxit zwar in gleichen Mengen, jedoch unterschiedlicher Korngrößenzusammensetzung enthalten. Das Porzellan, welches den kalzinierten Bauxit in der erfindungsgemäßen Korngrößenzusammensetzung enthält, weist sowohl eine ausgezeichnete Zähigkeit als auch einen besonders guten Bruchmodul auf. Das Porzellan, welches Tonerde in der bekannten Korngrößenzusammensetzung enthält, hat einen Bruchmodul, der etwa demjenigen des erfindungsgemäßen Porzellans entspricht, jedoch eine wesentlich geringere Zähigkeit. Das gleiche trifft für das Porzellan zu, welches eine in den feineren Bereich verschobene Korngrößenzusammensetzung des kalzinierten Bauxits aufweist. Schließlich liegt die Zähigkeit des Porzellans, welches den kalzinierten Bauxit in einer in den gröberen Bereich verschobenen Korngrößenzusammensetzung enthält, bei einem Bauxitgehalt unter 30 Gewichtsprozent :iwas und bei einem Bauxitgehait über 40 Gewichtsprozent sehr viel mehr unter der Zähigkeit des erfindungsgemäßen Porzellans. Der Bruchmodul dieses Porzellans mit gröberer Bauxitkörnung ist wesentlich kleiner als derjenige des bekannten Tonerde-Porzellans.

Aus F i g. 5 geht hervor, daß die Brenntemperatur sowohl mit der Vergröberung der Körnung des kalzinierten Bauxits als auch mit dem Gehalt desselben bzw. der Tonerde zunimmt. Wird die erfindu^^emäße Korngrößenzusammensetzung in den gröberen Bereich verschoben, so ist die für ein solches Porzellan erforderliche Brenntemperatur höher als diejenige für das bekannte Tonerde-Porzellan, denn sie beträgt, wie F i g. 5 zeigt, etwa 1380⁰C, liegt also über 1350⁰C.

Dies bedeutet, daß eine gröbere als die erfindungsgemäße Korngrößenzusammensetzung des kalzinierten Bauxits keine Verbesserung der Zähigkeit des Porzellans zu erbringen vermag.
Zur näheren Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung dienen die folgenden Beispiele. Die chemische Zusammensetzung der in diesen Beispielen benutzten Ausgangsmaterialien geht aus der folgenden Tabelle 5 hervor.

2666

Tabelle 5

,

Rohsioüe

Brennverlust.

Gewichtsprozent 038

Zusammensetzung,
Gewichtsprozent

SiO₂ 67.95

Al₂O₃ 1722

Fe₂O₃ 0.14

TiO₂ —

CaO j 0.15

MgO i 0.02

K₂O I 10.59

Na₂O j 335

Sa ..'. ; 100.00

Fddspat

UI

0.10

99.S2

0.10

0.02

0.0!

Spuren

0.01

0.01 IV
Ton

13,50

4S.S9

33.73
1,54
0.9S
0.33
0.21
0.75
0.12

kalzin. Tonerde

0,18

Spuren
99,47

0,02
Spuren

0.05
Spuren

0,02

0.24

100.07 100.05

99,98

VI kalzin. Bauxit

OJO

4,20 91,23 1,07 2,90 0,14 0,05 0,04 0,04

99,97

Der Quarzsand gemäß Tabelle 5 wurde für die folgenden Beispiele 1, 2 und 4 und der in dieser Tabelle ebenfalls wiedergegebene kalzinierte Bauxit wurde für die Beispiele 3 und 4 in der erfindungsgemäßen Korngrößenzusammensetzung benutzt.

Beispiel 1

Es wurden Porzellane gemäß Tabelle 6 sowohl der erfindungsgemäßen als auch der bekannten Korngrößenzusammensetzung hergestellt, und zwar wurden aus der gleichen Grundmasse mit den angegebenen Bestandteilen sowohl Porzellanprobcstücke als Porzellan-Hängeisolatoren geformt und bei 1250 C gebrannt und untersucht. Die in der Tabelle 6 angegebenen Kristallmengen wurden durch X-Strahicnanalyse quantitativ bestimmt, während die Tiefe der durch Beschüß erzeugten Radialrissc durch wiederholten Beschüß der Rippen 6a bis 6ά des belasteten Isolators gemäß Fig. 1 bis zum teilweisen Zerbrechen des Schirmteiles 5 gemessen wurde.

Tabelle 6

Versuchsbedingungen und gemessene Werte

Rohstoffe (Gewichtsprozent)

Feldspat

Quarzsand¹)

erfindungsgemäßer Quarzsand²). Ton

Bekanntes Porzellan

r.rfindunfcsgcmäßcs Porzellan

Eigenschaften des Porzellans
Porzellanprobestücke

Zähigkeitswert: fiß_r ■ E ( x ΙΟ⁴ g · cm"³'²)

Young-Modul: E ( χ 10⁸ g · cm"²)

Flächenbruchenergie: ;i_e (g · cm · cm ²) ....

Bruchmodul (unglasiert) (kg/cm²)

Menge der Kristalle (Gewichtsprozent)

Mullit

Quarz

Summe

40,0
20,0

40,0

10,6
6,6

8,5
940

21

29

Anmerkungen

40,0

20,0 40,0

12,4 6.7 11.4 970

19
16

35

¹I Quarzsand mit einer bekannten Korngrößenzusammenselzung gemäß Linie I in F i g. 3Λ bzw Spalte Il der Tabelle ?.

Fortsetzung

Versuchsbedingungen und gemessene Werte	Bekanntes Porzellan	Erfind ungsgernäßes Porzellan
Hängeisolatoren Tragfähigkeit des unbeschädigten Isolators³): σ, (kg) Tiefe des Radialrisses nach Beschüß (mm).. Tragfähigkeit des Isolators nach Beschüß⁴)- σ-, (kg) Tragfahigkeitsverhältnis nach Beschüß: (σ. Ia₁) x 100 (%)	17 300 26 9600 55,6	17400 8 13900 79,9

Anmerkungen

*) Tragfähigkeitsgrenze bis zum Abreißen des im Hängeisolator einzementierten Metallbolzens. ) Tragfähigkeitsgrenze bis zum Zerbrechen des Isolatorporzelianj..

Schußentfernung: 13,7 m.

Schußwinkel: 45° zur Achse des Hängeisolators von unten. Waffe und Geschoß: Jagdgewehr Kaliber 22. Hochgeschwindigkeitsgeschosse. Isolatorbelastung: 4537 kg Zuggewichl.

Es wurde die Tiefe der Radialrisse, die sich von der Anbruchstelle in radialer Richtung über die in F i g. 1 dargestellte Ebene Ta bis Ib nach oben in den Kopfteil 1 des Porzellans erstreckten, gemessen. Bei gleichzeitiger Entstehung mehrerer solcher Risse wurde stets der jeweils längste dieser von der Ebene la bis Ib sich nach oben fortsetzenden Risse gemessen.

Jeweils nach Beschüß des beschädigten Isolators wurde dessen Tragfähigkeit gemessen.

Bei den in der Tabelle 6 angegebenen Werten für die Porzellaneigenschaften handelt es sich um !Durchschnittswerte, die aus den Versuchen mit je sieben Porzellanprobestücken und Hängeisolatoren erhalten wurden.

Der Tabelle 6 ist zu entnehmen, daß die Zähigkeit des Porzellans, welches den Quarzsand in der erfinjungsgemäßen Korngrößenzusammensetzung enthält, größer ist als diejenige eines Porzellans mit der bekannten Korngrößenzusammensetzung des Quarzsandes. Die erfindungsgemäße Quarzsandkörnung orbringt eine wesentliche Verbesserung des Rißaus~ breitungswiderstandes der Hängeisolatoren und damit eine Verbesserung ihres Widerstandes gegen Zerstörrung durch eine auftrcffcnde Kugel. Die Verbesserung des Rißausbreitungswiderstandes der aus dem erfindungsgemäßen Porzellan hergestellten Hängeisolatoren zeigt sich in der Ausbildung der durch Beschüß entstandenen Risse im Porzellankörper, die wesentlich kürzer sind als bei bekannten Hängeisolatoren.

Beispiel 2

Die Bestandteile der für dieses Beispiel gewählten Porzellangrundmassen für ein trfindungsgemäßes und ein bekanntes Porzellan sind in der Tabelle.7 angegeben.

Aus diesen Grundmassen wurden sowohl Porzellanprobestücke als auch Hängeisolatoren geformt und bei einer Temperatur von 129O⁰C gebrannt. Die in der Tabelle 7 enthaltenen Werte für die verschiedenen Eigenschaften der Porzellanprobestücke und Hängeisolatoren wurden in der gleichen Weise erhalten wie im Falle des Beispiels 1. In diesem Beispiel 2 betrug jedoch die Belastung der Hängeisolatoren während des Beschüsses 6804 kg.

Auch aus der Tabelle 7 geht hervor, daß durch Verwendung eines Quarzsandes mit der erfindungsgemäßen Korngrößenzusammensetzung die Eigenschaften, vor allem die Zähigkeit und der Rißausbreitungswiderstand des Porzellans und der Hängeisolatoren wesentlich verbessert werden.

Tabelle 7

Versuchsbedingungen
und gemessene Werte

Rohstoffe (Gewichtsprozent)

Tonerde

Feldspat

bekannter Quarzsand¹)

erfindungsgemäßer Quarzsand²)
Ton

Eigenschaften des Porzellans
Porzellanprobestücke

Zähigkeitswert: \^f2ß_e ■ E ( χ ΙΟ⁴ g · cm"³'²)

Young-Modul: E ( x 10⁸ g · cm"²)

Flächenbruchenergie: ,^ <g · cm · cm"²) ...

Zerreißfestigkeit (unglasiert) (kg/cm²)

Bekanntes Porzellan

25
10

13,1
10,6
8,0
1 510

Erfindungsgemäßes
Porzellan

30

25

10

35

15,2
10,6
10,8
1 530

Anmerkungen

¹I Ouarzsand mit einer bekannten Korngrößenzusammensetzung gemäß Linie 1 in Fig. 3A bzw. gemäß Spalte II ^J. ^:) Quarzsand mit der erfindungsgemäßen Korngrößenzusammensetzung gemäß Linie 2 in F i g. 3A bzw. gemäß Spalte 111

Fortsetzung 18

Versuchsbedingungen und gemessene Werte	Bekanntes Porzellan	Erfindungsgemäßes Porzellan
Menge der Kristalle (Gewichtsprozent) Mullit	13 27 3	11 28 8
Korund	43 24 500 20 14 800 60,5	47 24 400 4 20 700 84,9
Quarz ....

Summe
Hängeisolatoren Tragfähigkeit des unbeschädieten Isolators³): σ, (ke) Tiefe des Radialrisses nach Beschüß (mm) Tragfähigkeit des Isolators nach Beschüß⁴): σ₂ (kg) Tragfähigkeitsverhältnis nach Beschuß:(<7₂ :σ_χ)· 100(%)

Anmerkungen

³) Tragiahigkcitsgrcnzc bis zum Abreißen des im Häcitei.solaluf ciitticmentierlen

⁴) Tragfähigkeitsgrenze bis zum Zerbrechen des Isolatorporzellans.

Beispiel 3

In der Tabelle 8 ist die Zusammensetzung der bauxithaltigen Grundmasse jeweils für ein bekanntes und das erfindungsgemäße Porzellan angegeben. Die aus diesen Grundmassen hergestellten Porzellanprobestücke und Hängeisolatoren wurden in der gleichen Weise geformt, gebrannt und untersucht wie diejenigen gemäß Beispiel I, nur daß auch hier, wie im Beispiel 2, die Belastung der Hängeisolatoren während des Beschüsses 6804 kg betrug.

Der Tabelle 8 ist zu entnehmen, daß durch den Zusatz von kalziniertem Bauxit mit der erfindungsgemäßen Korngrößenzusammensetzung zur Grundmasse die Zähigkeit des Porzellans wesentlich verbessert wird. Es wurde insbesondere festgestellt, daß der Rißausbreitungswiderstand des Porzellans durch die erfindungsgemäße Korngrößenzusammensetzung des kalzinierten Bauxits beträchtlich erhöht wurde, so daß also die Länge der sich in den Kopfteil des Isolatorporzellans erstreckenden Radialrisses stark vermindert und damit die Tragfähigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Porzellan hergestellten Isolatoren auch nach Beschüß wesentlich verbessert wird.

Tabelle

Versuchsbedingungen und gemessene Werte Bekanntes Porzellan

Erfindungsgemä Bes Porzellan

Rohstoffe (Gewichtsprozent)

Tonerde

kalzinierter Bauxit der erfindungsgemäßen Korngrößenzusammensetzung¹)

Feldspat

Quarzsand

Ton

Eigenschaften des Porzellans

Porzellanprobestücke
Zähigkeitswert: \^f2ß'_e"^rE ( x 10⁴g · Young-Modul: E ( x 10⁸ g · cm"²)

cm

-3/2}

Flächenbruchenergie: ß_e (g · cm ■ cm ²)

Zerreißfestigkeit (unglasiert) (kg/cm²)

Hängeisolatoren

Tragfähigkeit des unbeschädigten Isolators²): σ, (kg)

Tiefe des Radialrisses nach Beschüß (mm)

Tragfähigkeit des Isolators nach Beschüß³): σ₂ (kg)

Tragfähigkeitsverhältnis nach Beschüß: (<r,: (I₁) ■ 100 (%)

Anmerkungen

') Kalzinierter Bauxit der Korngrößenzusammensetzung gemäß Fi g. 3B.

²) Tragfähigkeitsgrenze bis zum Abreißen des im Hängeisolator einzemenlierten Mctallbolzens.

') Tragfahigkeitsgrenze bis zum Zerbrechen des Isolatornorzellans. 30

25
15
30

13,5
10,6
8,6
510

400
18

900
61,1

30

25 15 30

14,4 10,3 10,0 1 520

24 300

18 300

75.3

Beispiel 4

(2

Dieses Beispiel bezieht sich auf die Tabelle 9, in der zwei Porzellane miteinander verglichen werden, von denen das eine Porzellan aus einer Grundmasse mit kalziniertem Bauxit der erfindungsgemäDen Korngrößenzusammensetzung und das andere Porzellan aus einer tonerdehaltigen Grundmasse bekannter Zusammensetzung hergestellt wurde.

Aus den Grundmassen mit den in der Tabelle 9 angegebenen Bestandteilen wurden sowohl Porzellanprobestücke als auch Hängeisolatoren geformt und bei einer Temperatur von 1290⁰C gebrannt. Die in der Tabelle 9 wiedergegebenen Werte für die Porzellaneigenschaften der Probestücke und Isolatoren wurden in der gleichen Weise erhalten wie im Falle des Beispiels 1, nur daß auch hier, wie im Falle des Beispiels 2, die Belastung der Hängeisolatoren während des Beschüsses 6804 kg betrug.

Aus der Tabelle 9 geht hervor, daß durch den Zusatz von kalziniertem Bauxit und Quarzsand jeweils in der erfindungsgemäßen Korngrößenzusammensetzung die Zähigkeit des Porzellans im Vergleich zu bekanntem Tonerde-Prczellan wesentlich verbessert wird.

Tabelle

Versuchsbedingungen und gemessene Werte

Rohstoffe (Gewichtsprozent)

Tonerde

kalzinierter Bauxit¹) erfindungsgemäßer Körnung

Feldspat

Quarzsand²)

Quarzsand erfindungsgemäßer Körnung³)

Ton

Eigenschaften des Porzellans
Porzellanprobestücke

Zähigkeitswert·. \^r2ß_e ■ E' ( χ ICr¹ g · cm"^3/i)

Young-Modul: E ( x 10⁸ g · cm"²)

Flächenbruchenergie: ß_e (g ■ cm ■ cm"²) ...

Zerreißfestigkeit (unglasiert) (kg cm²) ....

Menge der Kristalle (Gewichtsprozent)

Korund

Mullit

Quarz

Summe

Hängeisolatoren
Tragfähigkeit des unbeschädigten Isolators⁴): O₁ (kg)....

Tiefe des Radialrisses nach Beschüß (mml

Tragfähigkeit des Isolators nach Beschüß⁵): a₂ (kg)..... Tragfähigkeitsverhältnis nach Beschüß: (<r₂ : «i)' 100 (%) 'Bekanntes Porzellan

25
10

13,1
10,6
8,0
1 540

27
13

24 500
20

14 800
60,5

Erfindungsgemäßes Porzellan

30

25

10

35

17.3 10.5 14,3 490

25 18

51

24 300

21 200

87,2

Anmerkungen

) Kalzinierter Bauxit der Korngrößenzusammensetzung gemäß F i g. 3 B.

) Quarzsand mit einer bekannten Korngrößenzusammensetzung gemäß Linie 1 in F i g. 3A bzw. gemäß Spalte Il der Tabelle 3. I Quarzsand mit der erfindungsgemäßen Korngrößenzusammenselzung gemäß Linie 2 in F i g. 3A bzw. gemäß Spalte III der Tabelle 3. ) Traglahigkeilsgrenze bis zum Abreißen des im Hängeisolator einzemenliertcn Metallbolzcns. Traglahigkeitsgrenze bis zum Zerbrechen des Isolatorporzellans.

Aus den Tabellen 6 bis 9 ist zu ersehen, daß die Zähigkeit, d. h. der Rißausbreitungswidersmnd des erfindungsgemäßen Porzellans in einem günstigen Vorhältnis zu dem RißausbreiUingswiderstand der aus diesem Porzellan hergestellten Hängeisolatoren steht, wie die Beschußversuche zeigen. Diese haben ergeben.

daß durch Beschüß entstandene Radialrisse in Hängeisolatoren für Hochspannungsleitungen sich praktisch nicht in den Kopf der Isolatoren hinein fortpflanzen, so daß durch die Erfindung die Gefahr schwerer Lcilungsschüdcn. z. B. des Herunterfallens von Leitungen, durch Zerbrechen des Porzellans in-

alge von sich ausbreitenden Rissen stark vermindert Ατά.

Das nach der Erfindung hergestellte Porzellan zeichet sich also gegenüber den bekannten Porzellanen urch seinen besonders großen Rißausbreitungswider-

stand aus und erlaubt die Herstellung von dauerhaften Isolatoren.

Aus den erfindungsgemäßen Porzellanen können nicht nur Hängeisolatoren, sondern Isolatoren aller Art für Hochspannungsleitungen gefertigt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der Zähigkeit und des Widerstandes gegen die Ausweitung von durch Beschädigungen entstandenen Rissen von Isolatorporzellanen, dadurch gekennzeichnet, daß der Porzellanmasse der Quarz in einer Korngrößenzusammensetzung von weniger als 2 Gewichtsprozent einer effektiven Korngröße unter 10 Mikron und mehr als 97 Gewichtsprozent einer effektiven Korngröße unter 50 Mikron zugesetzt und der aus dieser Masse geformte Porzellanisolator nach Trocknung bei einer Temperatur zwischen 1180 und 1350°C gebrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Porzellanisolator aus einer aus 10 bis 30 (Gewichts)prozent Quarz, 30 bis 50% Feldspat und 30 bis 60% Ton bestehenden Masse hergestellt wird. ·

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Porzellanisolator aus einer 5 bis 25 (Gewichts)prozent Quarz, 20 bis 40% Feldspat, 20 bis 55% Ton und 10 bis 45% Tonerde bestehenden Masse hergestellt wird. ₂<;

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Porzellanmasse kalzinierter Bauxit einer Korngrößenzusammensetzung von weniger als 60 Gewichtsprozent einer effektiven Korngröße unter 10 Mikron und mehr als 97 Gewichtsprozent einer effektiven Korngröße unter 60 Mikron zugesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Porzellanisolator aus einer aus 20 bis 40 (Gewichts)prozent Feldspat, bis zu 25% Quarz, 20 bis 55% Ton und 10 bis 60% kalziniertem Bauxit bestehenden Masse hergestelli wird.

6. Isolatorporzeiian mit hohem Rißausbreitungswiderstand, gekennzeichnet durch einen Gehalt an 26,5 bis 65 (Gewichts)prozent SiO₂, 24,5 bis 68,1% Al₂O₃, 0,1 bis 1,8% Fe₂O₃, 0,3 bis 2,4% TiO₂, 0,03 bis 0,4% CaO, 0,01 bis 0,2% MgO, 2,0 bis 6,5% K₂O und 0,5 bis 4,5% Na₂O und durch eine glasartige Grundmasse mit darin enthaltenen Quarzteilchen und Kristallaggregaten aus Korund und Mullit.