DE1950539A1 - Glaskeramische Artikel - Google Patents
Glaskeramische ArtikelInfo
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- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
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Description
Die Erfindung "betrifft glaskeramische Artikel, ein Verfahren
zur Herstellung dieser glaskeramischen Artikel und thermisch kristallisierbare Gläser zur Herstellung dieser glaskermisehen
Artikel.
Die erfindungsgemäßen glaskeramischen Artikel sind insbesondere zur Herstellung von Regenerativ-Wärmeaustauschern für
Turbomotoren geeignet.
Bei der Herstellung glaskeramischer Artikel wird eine kontrollierte
in situ-Kristallisation von Glasartikeln angewendet.
In erster Näherung umfaßt das Herstellungsverfahren für derartige
Artikel drei fundamentale Schritte: zuerst wird ein
Ansatz eines Glasrohstoffgemenges der gewünschten Zusammensetzung zusammengestellt, dem im allgemeinen ein kristall!-
sationskeimbildendes Mittel zugemischt wird; dieser Ansatz · wird dann geschmolzen und die Schmelze zu einem Glas gekühlt,
aus dem ein Artikel der gewünschten Gestalt geformt wird; Schließlich wird die Glas-Raumform einem Wärmebehandlungsschema unterworfen, wobei im Glas Kristallisationskeirae ge-
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'■'·■ -. ■'■ '" - 2 - ■■■'..■■■■■—.'. - - ■.
/bildet werden, an welchen die Kristalle "bei Fortsetzung der
Wärmebehandlung wachsen.
Da diese in situ-Kristallisation durch weitgehend gleichzeitiges
Wachstum an zahllosen Kristallisationskeimen bewirkt wird, ist die Struktur eines glaskeramischen Artikels frei von Leerstellen
und Poren und besteht aus relativ gleichförmigen, feingekörnten Kristallen, die homogen in einer glasigen Matrix
dispergiert sind, wobei der Artikel vorherrschend aus diesen Kristallen gebildet ist.
Glaskeramisahe Artikel sind daher im allgemeinen zu mehr als
50 Gew.%, häufig jedoch tatsächlich zu mehr als 90 Gew.% kristallin.
Aus dieser hohen Kristallinitat ergibt sich, daß ein
derartiges Produkt chemische:.·- und physikalische Eigenschaften aufweist, die gewöhnlich von Jenen des Mutterglases sehr verschieden
sind und die mehr denjenigen eines kristallinen Artikels gleichen. Des weiteren führt die sehr hohe Kristallini- ■
tat eines glaskeramischen Artikels dazu, daß die verbleibende
glasige Matrix eine Zusammensetzung aufweist, die von der des Mutterglases sehr verschieden ist, da die Kristallkomponenten
aus diesem niedergeschlagen werden.
Die im glaskeramischen Artikel gebildeten Kristallphasen hängen
ab von der Zusammensetzung des ursprünglichen Glases und der angewendeten Wärmebehandlung. Zum tieferen Eindringen in die
theoretischen Grundlagen und die praktischen. Erfordernisse
der Herstellung von glaskeramischen Artikeln wird auf das
. 3I . 195Θ539
US-Patent-No. 2920 971 verwiesen.
Bei gewissen Verwendungszwecken, wie z.B. "bei Regenerativ-Wärmeaustauschern,
muß das verwendete Material extremen Temperaturänderungen widerstehen, wobei keine Risse, die zur Zerstörung
der Struktur führen, auftreten dürfen. Des weiteren muß das Material bei hohen Temperaturen maßbeständig sein. Es ist
daher wünschenswert, daß bei hohen Temperaturen keine Vergrösserung
oder Einsackung des Materials auftritt, was zu unbrauchbaren Arikeln führen würde.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein glaskeramisches.
Material zu schaffen, welches eine ausgezeichnete Widerstands-!
fähigkeit gegen plötzliche Temperaturänderung und außerordentlicn
hohe Maßbeständigkeit bei langer Einwirkung von Temperaturen bis zu ca. 800° 0 oder wiederholter zyklischer Wärmebehandlung
von Raumtemperatur bis zu ca. 800° G aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung
eines thermisch kristallisierbaren Glases, das geschmolzen, werden kann und zu einem mehrfach gebohrten Rohrsystem geformt
werden kann, das in monolithischer Struktur hergestellt ist und dann in situ ohne Brechen zu einer glaskeramischen Struktur
kristallisiert wird, welche eine ausgezeichnete Widerstands fähigkeit gegen plötzliche Temperaturänderung und außerordentliche
Maßbeständigkeit bei langer Einwirkung von Temperaturen
bis zu 800 0 und bei wiederholter zyklischer Wärmebehandlung von Raumtemperatur bis zu ca. 800° G aufweist. Eine weitere
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_4- 195G539.
Aufgabe besteht, darin, ein geeignetes Verfahren zur Herstellung
der glaskeramischen Artikel aus derartigen Gläsern zu
finden.
Die erstgenannte Aufgabe wird durch einen glaskeramischen Artikel gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er einen
durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten "(25 - 900° G) von 0-15 x 10"'/0C und hohe Maßbeständigkeit bei Temperaturen
bis zu ca. 800° C aufweist und daß er im wesentlichen aus fein· gekörnten, gleichmäßig in einer glasigen Matrix dispergierten
Kristallen einer festen Lösung von Betaspodumen und Celsian besteht, wobei die Kristalle wenigstens 75 Gew.% des Artikels
ausmachen und durch in situ-Kristallisation eines thermisch
kristallisierbaren Glases gebildet werden, das - in Gew*% auf
Oxidbasis - aus 3,5-5 % Li2O, 2,5-5 % BaO, 15-21 % Al2O5,
65-75 % SiOp und 3r5-8 % eines Kristallisationskeimbildungsmittels
besteht, wobei "das Kristallisationskeimbildungsmittel
aus 3-8 % TiOp und 0-3 % ZrOp besteht und die Summe von LipO, BaO, Al2O3, SiO2, TiO2 und ZrO2 wenigstens 98 Gew.% der Gesamtmischung
ausmacht.
Die Erfindung basiert auf einem sehr engen Bereich thermisch
kristallisierbarer Glaszusammensetzungen im LipQ-BaO-AIpO,-SiO2-FeId,
bei welchen mit TiO2 und evtl. ZrO2 Kristallkeime
gebildet werden. Derartige Gläser können, wenn sie nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren wärmebehandelt werdenr in situ
zu glaskeramischem Materialien niederer Ausdehnung kristallisiert
werden, die bei hohen Temperaturen ausgezeichnete Maß-
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beständigkeit zeigen. Die entstandene Hauptkristallphase ist
eine feste Lösung von Betaspodumen, die hauptsächlich aus
Spodumen (LiAlSipO,), AIpO, und SiOp besteht mit einem kleinen
Anteil an Gelsian (BaO'AlpÖ.,.2SiP2) . Eine sehr kleine
Menge an TiOp als Anatas oder Rutil wird im allgemeinen ebenfalls vorhanden sein. Der Wärmeausdehnungskoeffizient dieser
glaskeramischen Artikel (25-90O0G) liegt zwischen ca. 0-15 x
10~^/°G; nach mehr als 1000 Stunden bei 8000G beträgt die
Längenänderung des Artikels normalerweise weniger als 200 ppm, häufig nicht mehr als 100 ppm. .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen
glaskeramischen Artikel besteht darin, daß ein Ansatz
eines Qlases geschmolzen wird, das im wesentlichen - in
Gew.% auf Oxidbasis - aus 3,5-5 % Li2°>
2,5-5 7° BaO, 15-21 % Al2O,, 65-75 % SiO2 und 3,5-8 % eines Kristallisationskeimbildungsmittels
besteht, wobei dieses Kristallisationskeimbildungsmittel
aus 3-8 % TiO2 und 0-3 % ZrO2 besteht; in je
dem Fall muß die Gesamtmenge an LipO, BaO, AIpO,, SiOp, TiOp
und ZrOp wenigstens 98 Gew.% der Gesamtglasmischung betragen.
Die Schmelze wird dann gleichzeitig zu einen Glas gekühlt und
ein Artikel der gewünschten ßaumform daraus geformt. Schließlich wird der Glasartikel auf den Kristallisationskeimbildungs
Temperaturbereich (700-900° G) erhitzt, innerhalb dieses Temperaturbereichs solange gehalten bis eine hinreichende Entwicklung von Kristallisatinnskeimen gewährleistet ist und dann
auf den Kxistallisations-Temperaturbereich (900°-1200° 0)
erhitzt und innerhalb dieses Temperaturbereichs solange gehal-
ten, bis der Hauptteil des Glases kristallieiert ist.
Da diese Gläser sehr schnell Kristallkeime bilden, sind Kristallisationskeimbildungszeiten
von nur 10 bis 15 Minuten erforderlich, insbesondere da, wo dünnwandige Rohrsysteme, wie
sie in zellenartigen Strukturen verwendet werden, eine in situ
Kristallisation des Artikels beinhalten. Es können auch viel längere Zeiten für die Kristallisationskeimbildung, etwa 12
Stunden, angewendet werden, wobei an diesen Kristallkeimen nach langen Verweilzeiten innerhalb dieses Temperaturbereichs
Kristalle zu wachsen beginnen. Dies ist jedoch unwirtschaftlic!
so daß der Artikel, in dem sich bereits Kristallkeime gebildet haben, im allgemeinen auf höhere Temperaturen erhitzt wird, um
das Kristallwachstum zu beschleunigen. Im allgemeinen werden 4- Stunden als praktisches Maximum für die Kristallisationskeimbildungszeit
angesehen.
Das-Kristallwachstum an den Keimen ist bei Temperaturen innerhalb des angegebenen Kristallisatinnsbereichs gleichermaßen
sehr schnell; bei dünnwandigen Artikeln, wie bei den oben beschriebenen zellenartigen Strukturen, können Kristallisationszeiten von nur einer Stunde zu hochkristallinen Körpern füh- ·
ren, die die gewünschten Kristallphasen der"festen Lösung von
Betaspodumen und des Celsians enthalten. Es können auch viel
längere Kristallisationszeiten erfolgreich verwendet werden,
doch empfiehlt sich der Wirtschaftlichkeit wegen die Verwendung
der kürzesten Zeiten, die noch einen zufriedenstellend kristallisierten Artikel mit den geeigneten Kristallphasen erzeugen.
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24 Stunden werden daher als praktische maximale Kristallisatinnszeit
angesehen.
In Tabelle I sind Beispiele thermisch kristallisierbarer Gläser zusammengestellt, die Zusammensetzungen - in Gew.% auf
Oxidbasis - aufweisen, die für das erfindungsgemäße Verfahren
geeignet sind. Selbstverständlich können die tatsächlichen Bestandteile des Ansatzes für diese Gläser irgendwelche Materialien,
seien es Oxide oder andere Verbindungen, sein, die beim Zusammenschmelzen die gewünschten Oxide in den passenden Mengen
ergeben. .
Die Materialien für den Ansatz wurden zusammen in einer Kugelmühle
trocken vermählen, um eine homogene Schmelze zu erhalten
in offene Platin-Schmelztiegel gegeben, die mit einem Rührer aus Platin versehen sind und ca. 6-16 Stunden bei 1550-1650° G
geschmolzen. Ein Glasstab von ca. 0,64 cm Durchmesser wurde
von Hand von jeder Schmelze gezogen und der Rest auf eine Stau form gegossen und so eine runde pastetenartige Form von ca.
1 cm Dicke und ca. 12,7 cm Durchmesser geformt. Das Glas wurde dann in einen Anlaßofen mit einer Temperatur von ca. 600 C
gebracht. Der Mischung wurde ASpO* als Klärmittel zugegeben,
obwohl selbstverständlich auch andere Klärmittel, wie etwa
Sb2O.,, Chlorid oder Sulfat verwendet werden können.
Il U-S Bl //Ί4Ί2
1. | 2 | - 8 | — | 4 | 69,0% | 1 | 6 | 9 5 0539. | Es ist | zu beachten, daf | |
69,8% | 69,6% | Tabelle I | 69,2% | 17,7 | 68,8% | \ langsamere oder | |||||
3 17,7 | 17,7 | 3_. | 17,7 | 4,4 | 17,7 | 1 | |||||
SiO2 | 4,4 | 4,4 | 69,4% | 4,4 | • 3,8 | 4,4 | 69,7% | ||||
Al2O | 3,0 | 3,2 | . .17,7 | 3,6 | 4,3 | 4,0 | 17,8 | ||||
Li2O | 4,3 | 4,3 | 4,4 | 4,3 | 0,8 | 4,3 | 4,3 | ||||
BaO | 3 0,8 | 0,8 | 3,4 | 0,8 | 12 | 0,8 | 3,1 | ||||
TiO2 | 8 | 1 | 4,3 | 21 | 70,7% | 4,3 | |||||
As2O | 69,7% | 68,8% | 0,8 | 67,8% | 17,2 | 68 ,4% | 0,8 | ||||
3 173 | 17,7 | 10 | 17,7 | 4,3 | 16,6 | 14 | |||||
SiO2 | 4,4 ._ | 4,4 | 69,3% | 4,4 | 2,9 | 4,1 | 70,3%' | ||||
Al2O | 3,0 | 3,3 | 17,1 | 5,0 | 4,2 | 2,9 | 17,8 | ||||
Li2O | 4,3 | 5,1 | 4,4 | 4,3 . | 0,8 | 7,2 | 4,3 | ||||
BaO | 3 0,8 | 0,8 | 3,3 | 0,8 | jü | 0,8 | 2,5 | ||||
TiO2 | JS- | 16 | 5,1 | 18': | 73,5% | 20 | .4,3 | ||||
As2O | 65,6% | 67,1% | 0,8 | 67,8% | 15,2 | 70,9% | 0,8 | ||||
3 20,1 | 17,4 | 12 | 19,1 | 3,9 | 16,5 | 21 | |||||
SiO? | 4,9 | 4,2 | 70,5% | 5,0 | 2,7 | 4,3 | 68,6% | ||||
A120 | 3,4 | -2,9 | 17,8 | 3,0 | 3,9 | -.2,9 | 16,5 | ||||
Li2O | 5,2 | 7,6 | 4,4 | 4,3 | - | 3,0; | 4,3 | ||||
BaO | - | — | 3,0 | - | 0,8 | 1,6 | 2,9 | ||||
Ti|32 | 3 0,8. | 0,8 | 3,5 | 0,8 | 0,8 | 4,6 | |||||
ZrO2 | _- -. | 2,3 / | |||||||||
As2O | 0,8 | 0,8 | |||||||||
Bei | - - ■ " - - - - den Beispielen der Tabelle I wurden die Glasartikel auf |
||||||||||
den | Ivristallisatinnskeimbildungsbereich und anschließend auf | ||||||||||
den | Kristallisationsbereich mit einer Geschwindigkeit von | ||||||||||
200° G/h erhitzt. | |||||||||||
UQ8817/TA 1 2
■" -ii-.Vvi- r
BAD
_ 9 _ 1956539
schnellere Temperaturerhöhungen doa?t verwendbar sind, wo sehr
dicke bzw. sehr dünne Raumformen zu behandeln sind. Die Geschwindigkeit von 200° C/h ist -jedoch für die meisten ffälle
ausreichend und verhindert in Brechen aufgrund einer plötzlichen Temperaturänderung und eine größere Deformation des Glasartikels,
da er über seinen Erweichungspunkt erhitzt wird, bevor die Kristallisation soweit fortgeschritten ist, daß der
Körper getragen wird.
Die Kristallisation des Glaskörpers findet schneller statt,
wenn die Temperatur erhöht wird. Im Anfangsstadium der Kristallisation
ist das Verhältnis von glasiger Matrix zu Kristal len sehr groß und der Körper würde sich sehr schnell deformieren,
wenn seine Temperatur zu schnell erhöht würde, wenn der Erweichungspunkt des Glases erreicht und überschritten ist.
Die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung sollte daher vorzugi weise der Geschwindigkeit angeglichen sein, mit welcher die
Kristalle innerhalb des Glases wachsen, wobei der erforderliche Liquiditätsgrad im verbleibenden Glas vorhanden sein
muß, um Spannungsbildung und Risse zu vermeiden. Daraus folgt, daß keine Verweilzeiten als solche innerhalb der Kristallisationskeimbildungs-
und Kristallisations-Bereiche erforderlich sind, sondern nur ein Schema, bei welchem sich der Körper
durch die Kristallisationskeimbildungszone und innerhalb des Kristallisatinnsbereichs bewegt. Nichtsdestoweniger garantiert
die Verwendung spzifischer Verweilzeiten innerhalb der beiden Zonen die erforderliclie Kristallisationskeimbildung
und daa anschließende Kristallwachstura und stellt daher die
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- ίο -
vorzugsweise Ausführungsart der Erfindung dar.
Die Geschwindigkeit der Abkühlung des kristallisierten Artikels
auf Raumtemperatur hängt auch von seiner Widerst andsfähigkeit gegen plötzliche Temperaturänderung ab und auch
hier schreiben die Größe des Artikels und die höchste Wärmebehandlungstemperatur
die zu wählende Geschwindigkeit vor. Eine Kühlgeschwindigkeit von 200°C/h hat einwandfreie !Produkte
bei allen verwendeten Größen ergeben. Sehr viel höhere Geschwindigkeiten wurden bei dünnwandigen Artikeln, w.ie etwa
bei zellenartigen Strukturen, angewendet, ohne daß Brüche
auftraten. In vielen Fällen wurden die kristallisierten Artikel
einfach direkt aus dem Wärmebehandlungsrauia entfernt und bei Raumtemperatur abgekühlt. -
Jäb Betriebskosten und Produktionsgeschwindigkeiten bei der
Herstellung glaskeramischer Artikel berücksichtigt werden müssen, brauchen die Gläser nicht auf Raumtemperatur gekühlt
und anschließend auf die Kristall!sationskeimbildungs- und
Kristallisations-Zonen wieder erhitzt werden. Das Kühlen der
Gläser auf Raumtemperatur erlaubt die visuelle Beobachtung ihrer Qualität. Stattdessen kann die Glasschmelze nur gerade
unter ihren Umwandlungsbereich gekühlt werden und ein Artikel
der gewünschten Raumform daraus geformt werden (als Umwandlungsbereich wiBd diejenige Temperatur verstanden, bei welchei
eine flüssige Schmelze sich in einen amorphen Feststoff umgewandelt
hat) und dann aas Glas dem erforderlichen Wärmebe-
unterworfen werden· B@r
SAO OBlGINAt
1956539
ist eine Temperatur in der Hähe des Anlaßpunktes des Glases, der bei den erfindüngsgemäßen Zusammensetzungen zwischen ca.
600 und 700° C liegt.
Tabelle II gibt das Wärmebehandlungsschema wieder, welchem
Glasstäbe jedes Beispiels unterworfen wurden, wobei die Hauptkristallphasen vorhanden waren, was durch Röntgenstrahlenbeugung
bestimmt wurde; der Wärmeausdehnungskoeffizient (25-900° G) wurde in der üblichen Weise unter Benutzung eines
Differenzial-Dilatometers bestimmt. Elektronenmikroskopische
Messungen zeigten, daß die glaskeramischen Artikel in hohem Maße kristalliert waren, d.h. sie waren zu mehr als 75 Gew.%,
häufig zu mehr als 90 Gew.% kristallin. Die Kristalle selbst
waren in der Hauptsache alle feiner als 5 Mikron im Durchmesser
und waren größtenteils kleiner als 1 Mikron im Durchmesse: In den meisten Fällen bildete die feste Lösung von Betaspudonn
wenigstens 75 % der Kristalle, während die Menge des Celsians
wenigstens 10 % ausmachte. Die Mengen an Anatas und Rutil variierten von Spuren bis zu 5 Gew.%. Visuell, erschien jeder
kristallisierte Artikel weiß, trüb und feingekörnt.
009817/1412 bad ORIGINAL
2 2 |
Wärmebehandlung | 780° C 1100° G |
Tabelle II | Wärmeausdehnungs-Koeff. (x 10-7/O0) |
CD | |
Beispiel- No |
2 '. 2 |
Std.bei Std.bei |
780° G 1100° G |
Kristallphasen | 6,6 | cn CD Ol |
1 | 2 2 |
Std.bei Std.bei |
780° C 1100-0 |
Feste Lösung v.Betaspodumen, Celsian, Anatas |
6,4 | GJ CD |
2 | 2 ;,2 |
Std.bei Std.bei |
780° G . 1100° G . |
Feste Lösung v.Betaspudumen, Gelsian, Anatas |
||
5 | ■V2' | Std.bei Std.bei |
780° G 1100° G : ■ |
Feste Lösung v«:Betaspodumen, Gelsian, Anatas |
6,9 | |
4 |
■■:' 2
■■ ■ :2. |
Std.bei Std.bei |
7β0°Λ0·. ' 1100° G |
Feste Lösung v.Betaspodumen, Gelsian, Anatas |
8,2 | |
■ 5 ' . ■■■■■ '.' | ,2 ■ 2 |
Std.bei Std.bei |
800° 0 1090° G |
Feste Lösung v.Betaspodumen, Gelsian, Rutil |
10,1 .'' | |
.6;.' ■ ■ ■■■; | ' : , 2 2 |
Std.bei Std.bei |
780° G ■■ ..' .1100° G ; |
Feste Lösung v.Betaspodumen, : Gelsian, Rutil - |
• ..' 6,9 ; | |
.7 ■■■ ■ ,; ; | 2 2 |
Std.bei Std.bei |
;780°: G Z1'. 1.100°, 0 |
: , Feste Lösung v.Betaspodumen, Gelsian, Rutil : .' , ' , ■ -* ■ |
||
6 ' | 2 2 |
Std.bei Std.bei |
780° G 1100° G |
Feste Lösung v.Betaspodumen, Celsian, Anatas |
8,5 | |
9 ■> . | 2 | Std.bei Std.bei |
780° | ■■ Feste Losung v.Betaspodumen, Celsian, Anatas und Rutil |
8,3 | |
10 | Std.bei | Feste Lösung v.Betaspodumen, Celsian, Anatas |
9,8 | |||
11 | Feste Lösung v.Betaspodumen, Celsian, Anatas - |
|||||
■ ■' ■. · | ||||||
2 2 |
Wärmeb ehandl ung | 780° G 1100° G |
Tabelle II (Forts.) | Wärmeausdehnungs-Koeff. (x 10-7/°G) |
CQ cn CD cn |
|
Beispiel- No |
2 2 |
Std.bei Std.bei |
780° G 1100° C |
Kristallphasen | 9,0 | CO |
12 | ρ 2 |
Std.bei Std.bei |
780° C 1100- G |
Feste Lösung v.Betaspodumen, Gelsian, Anatas |
9,0 | |
15 | 2 10 |
Std.bei Std.bei |
750° G 1100° G 1050° G |
Feste Lösung ν.. Betaspodumen, Gelsian, Anatas |
||
P 2 |
Std.bei Std.bei Std.bei |
780° C 1100° G |
Feste Lösung v.Betaspodumen, Celsian, Anatas |
8,3 | ||
15 | 2 2 |
Std.bei Std.bei |
780° G 1100° C |
Feste Losung v.Betaspodumen, Celsian, Anatas |
||
16' | 2 2 |
Std.bei Std.nei |
780° C 1050° G |
Feste Lösung"v.Betaspodumen, „ Gelsian, Anatas, |
5,0 | |
17 | 2 2 |
Std.bei Std.bei |
780° σ 1100° G |
Feste Lösung v.Betaspodumen, Gelsian, Anatas |
||
18 | 2 2 |
Std.bei Std.bei |
780° C 1100° C |
Feste Lösung v.Betaspodumen, Gelsian, Rutil |
||
19 | 4 2 10 |
Std.bei Std.bei |
750° C 1100° C 1050° G |
Feste Lösung v.Betaspodumen, Celsian, Rutil |
||
20 | Std.bei Std.bei Std.bei |
Feste Lösung v.Betaspodumen, Celsian, Rutil |
68,6 | |||
21 | Feste Lösung v.Betaspodumen, Celsian, Rutil |
|||||
195G539
Kristisch ist bei der Zusammensetzung des thermisch kristallisierbaren
Glases die Gewährleistung der erforderlichen Kristal linität des Produkts und das notwendige Vorhandensein der Fest·
lösung von Betaspodumen und des Oelsians, damit ein thermisch stabiler Artikel niederer Ausdehnung gebildet wird. Die Mengen
an LipO, Ba§, AIpO., und SiOp und des Kristallisationskeimbildungsmittels
(TiOp mit oder ohne ZrOp) müssen daher wenigstens 98 Gew.% der Gesamtmischung ausmachen. Während sehr
kleine Mengen verträglicher Metalloxide, wie NapO, KpO, MgO,
CaO. ZnO, Fe0O-,, B0O2 und PbO toleriert werden können, ist
es doch vorzuziehen, wenn sie völlig fehlen.
Bezüglich der zellenartigen Strukturen, die für Wärmeaustauscher geeignet sind, müssen für ein brauchbares, glaskeramische!
Material vier Erfordernisse erfüllt sein:
1) niederer Wärmeausdehnungskoeffizient,
2) gute mechanische Festigkeit,
3) hohe Wärmekapazität und
4) Maßbeständigkeit nach zyklischer Wärmebehandlung.
Gl as keramische Artikel, die näuadere Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufgrund des Vorhandenseins von Betaspodumen als Hauptkristallphase
aufweisen, sind im US-Patent IJo. 3,157,522 beschrieben.
Nichtsdestoweniger wurde erfinctangemäß gefunden, daß es zur Bildung maßbeständiger Körper durch zyklische
Wärmebehandlung notwendig ist, Oxide» wie MgO, ZnO und B2°3»
. die dazu tendieren* sekundäre Exlsfcallphas@ii zu bilden^ deren
EAD ORIGINAL
_ 15 _ I 9 5 Θ 5 3 9
feste Löslichkeit mit Betaspodumen sich als Punktion der Temperatur
ändernd zu eleminieren. Des weiteren wurde gefunden, daß Alkalimetalloxide, wie Ha2O und K^O dazu neigen, ein verbleibendes
Glas zu bilden, das ebenfalls thermische Stabilität reduzieren kann. Wenn all'diese Oxide entfernt sind, ist
zwar der erhaltene glscskeramische Artikel thermisch stabil,
braucht jedoch nicht ohne Risse kristallisiert sein. Es muß
daher eine gewisse Liquidität erhalten bleiben, damit gewährleistet ist, daß Spannungen bei der anfänglichen Kristallisation
des Glases zu einer festen Lösung von Betaquarz, die eine stark exotherme '.Reaktion ist und mit einer Dichte änderung verbunden
ist, entspannt werden. Die Umwandlung der festen Lösung von Betaquarz in die feste Lösung von Betaspodumen tritt
ein, wenn die Wärmebehandlung fortgesetzt wird. Des weiteren neigen ternäre LipP-AlpO^-SiOp-Zusammensetzungen, die Kristallkeimbildung
mit TiOp versetzt werden, dazu, aufgrund der Abwesenheit einer wachstumsinhibierenden sekundären Kristallphase
beträchtliches sekundäres Kornwachstum zu zeigen..
Erfindungsgemäß wurde nun eine Mischung in einem engen Mischungsbersieh
innerhalb des Li9O-AlpO^-SiOp-ίelds gefunden,
die zur Kristallkeimbildung mit TiO2 und evtl. ZrO2 behandelt
werden kann und die in situ ohne Brechen kristallisiert werden
kann und eine niedere Ausdehnung und gute Maßbeständigkeit beibehält. Dies wird dadurch erreicht, daß der Glasmischung
BaO ohne genau festgesetzte Grenzen zugesetzt wird. Das BaO verbleibt während der anfänglichen Kristallisation im verbleibenden
Glas und reduziert dadurch die Tendenz zum Brechen.
009817/ U1 2
BAD ORIGINAL
Bei höheren Temperaturen kristallisiert das BaO zu Celsian
(BaO..Al2CU.2SiO2) welcher das Kornwachstum reduziert, dagegen
keine thermische Instabilität hervorruft. Es wird angenommen, daß dieses Verhalten auf den großen Ionenradias des Bariumions
, zurückzuführen ist, wodurch dieses nicht in die Spodumen
Struktur einzudringen vermag. Daraus ergibt sich keine Veränderung der Kristallstruktur aufgrund der zyklischen Wärmebe-handlung,
so daß die Maßbeständigkeit beibehalten wird.-Röntgenstrahlbeugungsanalysen
haben bestätigt, daß aufgrund der zyklischen Wärmebehandlung keine Veränderung der Kristallstruktur auftritt.
Wichtig ist weiterhin die Wärmebehandlung, welcher die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen unterworfen werden. Damit
die günstigsten glaskeramischen Eigenschaften erhalten werden ist, eine sehr fein gekörnte MikroStruktur notwendig. Des
weiteren führt die maximale Bildung von Celsian zu geringerem Kornwachstum, geringerer Temperatur-Kriechdehnung und zu
bester Maßbeständigkeit. Am günstigsten ist auch ein möglichst
hoher Kristallisationsgrad, da die geringe Menge an verblei·^
bendem Glas, welches im Produkt dispergiert ist, dann in hohem Maße feiliziumhaltigsein wird und demzufolge hoch viskos sein
wird. .
Die ausgezeichnete Maßbeständigkeit der erfindungsgemäßen glaskeramischen
Materialien während langeB Einwirkung hoher Temperaturen
ist graphisch in der anliegenden Zeichnung dargestellt Die graphische Darstellung zeigt in einfach logarithmischem
0 0 981 77
BAD
_ 17 _ . . 195G539
. Maßstab die Längenänderung eines kristallisierten, 10, 16 cm
langen Teils einer zellenartigen Struktur, hergestellt aus der Mischung nach Beispiel 7· Die zellenartige Struktur wurde
gemäß einer US-Patentanmeldung Ήο (Titel: "Verfahren
und Vorrichtung zur Herstellung zellenartiger Strukturen" von Carl D.Andrysiak, Robert G. Poster, Gerald A. Levine und
Max R. Montierth) aus dünnwandigen mehrfach gebohrten Glasröh rensystemen hergestellt und ebenfalls gemäß dieser US-Patentanmeldung
durch ein Heißgas-Verfahren in situ kristallisiert.
Die Herstellung einer zellenartigen Wärmeaustauscherstruktur aus mehrfach gebohrten Röhrensystemen erfolgt in drei fundamentalen
Verfahrensschritten: Zuerst werden mehrfach gebohrte
Röhrensysteme zu Segmenten passender Größe für eine spätere Weiterverarbeitung zusammengesetzt; dann werden in den geschmolzenen
Glassegmenten Kristallisationskeime erzeugt und schließlich wird das Glas mit den Kristallisationskeimen
in situ kristallisiert. Es ist auch möglich in dem Glas vor dem Zusammensetzen Kristallisationskeime zu erzeugen, der
Kristallisationsprozeß ist jedoch immer der letzte Verfahrensschritt.
Das Zusammensetzen bzw. Zusammenschmelzen des Glases wird erreicht durch Erhitzen der mehrfach gebohrten Röhrensysteme,
indem durch diese heiße Gase durchgeführt werden, so daß über den ganzen Querschnitt der Röhren eine gleichförmige
Temperatur erhalten wird und gleichzeitig das Röhrenbündel einer zusammenpressenden Kraft unterworfen wird. Die Röhren
0 0 9 8 1 7 / U 1 2 J3AD OBIGtNAL
werden durch schnelles Erhitzeb. auf eine Temperatur, bei welcher
ein viskoser I1IuS möglich ist, und anschließendes schnelles
Abkühlen, um das Kristallwachstum zu verhindern, zusammengeschmolzen.
Die Kristallkeimbildung im Röhrensystem wird dadurch erreicht, daß dieses bei einer Temperatur über dem Umwandlungsbereich
des Glases aber genügend weit unterhalb dem Erweichungspunkt gehalten wird, so daß keine Deformation oder Einsackung der
Struktur möglich ist.
Die Kristallisation des Glasröhrensystems wird dadurch erreich
daß das mit■Kristallisationskeimen versehene Röhrensystem
schnell auf den Kristallisationsbereich erhitzt wird, wobei ein durchgehender Strom heißen Gases verwendet wird. Der
Strom heißen Gases gewährleistet, daß kein Brechen der zellenartigen
Struktur während der Kristallisation auftritt und zwar dadurch, daß die Kinetik der Kristallisation insofern
gehemmt wird, als der Gasstrom die Kristallisationswärme mit einer Geschwindigkeit entfernt, die der Geschwindigkeit entspricht,
mit welcher die Kristallisationswärme gebildet wird. Man erhalt daher eine relativ gleichmäßige Temperaturverteilung
in der gesamten zellenartigen Struktur, so daß also keine heißen Stellen, welche zu Brüchen führen wurden, entstehen.
Dieses Verfahren ermöglicht es also, daß die Kristallisation bei einer Temperatur stattfindet, die hoch genug ist, den
entspannenden viskosen Fluß während der Kristallisation zu
gewährleisten. .
ttjD9t17/UTl BAD ORIGINAL
Die feste Lösung von Betaspodumen kristallisiert in situ sehr schnell und eine Verweilzeit von wenigen Minuten innerhalb
des Kristallisationsbereichs garantiert die Umwandlung von Betaquarz zu Betaspodumen. Die Entwicklung der Celsianphase
erfordert eine längere Wärmebehandlung und wird normalerweise durch eine längere Verweilzeit innerhalb des Kristallisationsbereichs
erhalten, wobei ein konventioneller elektrischer Ofen oder ein Gasofen verwendet wird.
Die vorstehend beschriebene Verwendung eines Gasstroms zur
Hemmung der Kristallisation ist ein Verfahren, mit welchem zellenartige Strukturen zufriedenstellend kristallisiert
werden können. Es wurde jedoch ein Alternatiwerfahren entwickelt, welches auf einem genau entgegengesetzten Prinzip
beruht. Bei diesem Alternatiwerfahren wird die Kristallisation nicht gehemmt, sondern es wird die zellenartige Struktur
so schnell erhitzt, daß der Viskostfluß ständig in der verbleibenden
glasigen Matrix stattfindet, und zwar trotz der extrem hohen Kristallisationsgeschwindigkeit. Dieses letztere
Verfahren ist vom wirtschaftlichen Standpunkt aus sehr attrak tiv, da zur Kristallisation der Struktur weit weniger Zeit
benötigt wird und das Endprodukt bei hohen Temperaturen ausserordentlich gute Maßbeständigkeit aufweist.
Das folgende Värmabehandlungsschema entspricht dem letztgenannten
Verfahren und wurde zur Kristallisation des 10, 16 cm
langen Teils der zellenartigen Struktur, die den, die anliegende Zeichnung betreffenden Artikel enthielt, verwendet:
9817/1412
I. Schmelzprozeß
1) Erhitzen der Struktur innerhalb von 5 Minuten auf 750° C,
wobei ein Luftstrom mit einem Druck entgp rechend 38,1 cm Wassersäule (ca. 0,035 kg/cm ) durch die Struktur geleitet
wird. Mechanisches Belasten der Struktur mit
136 kg.
2) Halten der Struktur für 5 Minuten bei 750° G, um die
Temperatur im Ofen auszugleichen, und Verstärken des Luftstroms
auf einen Druck von ca. 76,2 cm Wassersäule
(ca. 0,07 kg/cm2).
3) Erhitzen der Struktur auf 840° C innerhalb einer Minute.
4) Halten der Struktur bei 84-0° C solange, bis unter der
angelegten Druckbelastung von 1:36 kg die gewünschte Deformation eingetreten ist und die Röhren zusammengeschmolzen
sind.
5) Verminderung der Druckbelastung auf 13,6 kg, um weitere
Deformation zu vermeiden. '
6) Abkühlen auf Raumtemperatur innerhalb von 25 Minuten.
7) Abstellen des Luftstroms und Beendigung der. Belastung. \
II. Kristallisationskeimbildungsprozeß
1) Erhitzen der Struktur auf 740° C mit einer Geschwindigkeit
von 240° G/h.
2) Halten bei 740° C drei Stunden lang. "■: :
3) Abkühlen auf Raumtemperaturmit einer durch den Ofen
bedingten Geschwindigkeit von ca. 3° C/min.
009817/1412
BAD ORIGINAL
_ 21 _ 195Θ539
III. Kristallisationsprozeß
1) Erhitzen der Struktur innerhalb von 5 Minuten auf
750 G, wobei ein Luftstrom mit einem Druck von 38,1 cm
Wassersäule (ca. 0,035 kg/cm ) durch die Struktur geleitet wird. Mechanisches Belasten der Struktur mit
13,6 kg.
2) Halten der Struktur bei 750° G für 5 Minuten, um die
Temperatur im Ofen auszugleichen und Verstärken des Luftstroms auf ca. 76,2 cm Wassersäule (ca. 0,07 kg/cm
3) Erhitzen der Struktur auf 1120° G innerhalb von 2 Minuten.
4) Halten der Struktur bei 1120° G 10 Minuten lang.
5) Abkühlen auf Raumtemperatur innerhalb von 15 Minuten.
6) Abstellen des Luftstroms und Beendigung der Belastung.
7) Erhitzen der Struktur auf 1100° G mit einer Geschwindigkeit von 320° G/h.
d) Halten bei 1100° G 2 Stunden lang.
9) Erniedrigung der Temperatur auf 1070° G mit einer Geschwindigkeit
von 320° G/h.
10) Halten bei IO7O0 G 10 Stunden lang.
11) Abkühlen auf Raumtemperatur mit einer durch den Ofen bedingten Geschwindigkeit von ca. 3 C/min.
Das 10,16 cm lange Teil wurde auf 800° G erhitzt und auf dieser
Temperatur ca. 1000 Stunden lang gehalten, wobei die Längenänaerungen des Teils bei dieser Temperatur nach ver
schiedenen Zelten mit Hilfe eines Läägenmaßvergleiches des
OSS117/1412 bad
bei WiImer Souder und Peter Hidnet, "Vermessung und thermische
Ausdehnung von geschmolzenem Siliziumdioxid", Scientific Papers of the Bureau of Standards, Band 21, Seiten 1-23j
21. September 1965 beschriebenen Typs gemessen wurden. Wie
aus der anliegenden graphischen Darstellung zu ersehen ist, war die größte Längenänderung bei einer Dauer von ca. 1000
Stunden annähernd 50 ppm· Im allgemeinen reisen die gemäß
der vorliegenden Erfindung hergestellten zellenastigen Strukturen
eine Längenänderung auf, die nach langzeitigem Erhitzen auf Temperaturen von ca. 800 G nicht mehr als ca.. 100 ppm.
beträgt.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter besonderer Berücksichti·
gung von zellenartigen Strukturen für Regenerativ-Wärmeaustauscher
beschrieben wunie, ist diese keineswegs auf derartige
Strukturen beschränkt. Die äußerordentlich gute Maßbeständigkeit der erfindungsgemäßen kristallisierten Materialien und
deren niederer Ausdehnungskoeffizient bedingen deren Verwendbarkeit
auch auf vielen anderen technischen Gebieten, wie etwa
bei Emissions-Reaktoren, Kaiziierungströgen und Ofenteilen.
.809117/1411
Claims (6)
1. Glaskeramischer Artikel, dadurch gekennzeichnet, daß er
einen durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (25-9000G) von 0-15 χ 10"7/° 0 und hohe Haßbeständigkeit
bei Temperaturen bis zu ca; 800° C aufweist und daß er im
wesentlichen aus feingekörnten, gleichmäßig in einer glasige:ι
Matrix dispergierten Kristallen einer festen Lösung von Betaspodumen und Celsian besteht, wobei die Kristalle wenigstens
75 Gew.% des Artikels ausmachen und durch in situ-: ivristallisation eines thermisch kristallisierbaren Glases
gebildet werden, das - in Gew.% auf Oxidbasis - aus 3,5-5% Li2O, 2,5-5% BaO, 15-21% Al2O5, 65-75% SiO2 und 3,5-8 %
eines Kristallisationskeimbildungsmittels besteht, wobei
das Kristallisationskeimbilduiigsmittel aus 3-8% TiO2 und
0-3% ZrO2 besteht und die Summe von Li2O, BaO, Al2O5,
SiO0, TiO2, und ZrO2 wenigstens 98 Gew.% der Gesamtmischung
ausmacht.
2. Verfahren zur Herstellung des glaskeromischen Artikels
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein Ansatz des Glases geschmolzen wird,
b) die Schmelze wenigstens unter ihren Umwandlungsbereich gekühlt und aus' ihr ein Artikel der gewünschten
Gestalt geformt wird,
c) der Artikel solange auf ca. 700-90O0C erhitzt
wird, bis sich stabile Kristallisationskeime gebildet haben,
00 9817/1412
BAD ORIGINAL
ί iS50539
a) der Artikel solange auf-ca; 900-12OO°0 erhitzt
wird, Ms:er in situ zu wenigstens 75 Gew.% kristallisiert ist und
e) der kristallisierte Artikel auf Raumtemperatur
gekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zeit zur Bildung stabiler Kristallisationskeime ca. 1/6 bis 12 Stunden beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zeit zur Bildung der in situ-Kristallisation des Artikels ca. 1 bis 24 Stunden beträgt.
5· Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4·, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kristalle im wesentlichen aus einer festen Lösung von Betaspodumen und Celsian bestehen.
6. Thermisch kristallisierbares Glas zur Herstellung des glaskeramischen Artikels nach Anspruch 1t dadurch gekennzeichnet,
daß es - in Gew.% auf Oxidbasis - aus' 3,5-5%
Li2O, 2,5-5% BaQ, 15-21% Al3O75 65-75% SiO2 und 3^5-8%
eines Kristallisationskeimbiidungsmittel besteht, wobei
das Kristallisationskeimbildungsmittel aus 3-8 % TiOp und
0-3% ZrO2 besteht und die Summe von Li2O, BaO, Al2O5,
SiO2, TiO2 und ZrO2 wenigstens 98 Gew.% der Gesamtmischung
ausmacht.
7/ m 2
BAD ORIGINAL
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