DE19944270A1

DE19944270A1 - Abschirmen von Oberflächen von Werkzeugen der Glasherstellung und der Glasverarbeitung

Info

Publication number: DE19944270A1
Application number: DE19944270A
Authority: DE
Inventors: Erhard Dick; Erich Fischer; Roland Fuchs
Original assignee: Schott Ruhrglas GmbH
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 1999-09-15
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2019-09-16
Also published as: DE19944270B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschirmen der Oberfläche eines Werkzeuges bei der Glasherstellung beziehungsweise bei der Glasverarbeitung. DOLLAR A Die Erfinder haben erkannt, daß bei einem Kontakt zwischen der Glasschmelze beziehungsweise dem Glas einerseits und dem Werkzeug andererseits Sekundärblasen beziehungsweise Entglasung die Folge ist. DOLLAR A Zum Vermeiden dieser Übelstände wird in beiden Fällen gemäß der Erfindung vorgesehen, die Werkzeuge mit einem Material zu beschichten, das einen niedrigen Diffusionskoeffizienten D und eine geringe Löslichkeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft das Abschirmen von Oberflächen von Werkzeugen der Glasherstellung und der Glasverarbeitung. Soweit es sich um die Glasherstellung handelt, geht es dabei um Rührwerkzeuge. Soweit es sich um die Glasverarbeitung handelt, geht es um Ziehwerkzeuge.

Bei der Herstellung von Glas wird der Glasfluß - nach dem Herstellen der Schmelze und nach dem Läutern - im allgemeinen Homogenisiereinrichtungen zugeführt. Diese umfassen ein Gefäß, beispielsweise eine Rührwanne sowie einen in die Schmelze eintauchenden Rührer. Beim Läuterprozeß soll bekanntlich die Schmelze von Gasblasen befreit werden. Dies trifft in den meisten Fällen auch zu. In manchen Fällen ist jedoch die Entgasung nicht vollständig, so daß Gasblasen auch noch in einem späteren Stadium in der Schmelze als Sekundärblasen vorliegen. Sie können zu einer erheblichen Qualitätsbeeinträchtigung des fertigen Glases führen.

Dabei hat man gewisse Ursachen der Sekundärblasenbildung erkannt. So neigen manche Gläser in besonderem Maße zur Sekundärblasenbildung. Durch gewisse chemische Zusätze kann man hierauf entsprechend Einfluß nehmen. Die Möglichkeiten der Einflußnahme waren jedoch bisher begrenzt.

Bei der Herstellung von Glasrohren kommt es zu einem weiteren unerwünschten Phänomen. Dieses besteht in der Entgasung oder Kristallbildung der erzeugten Glasrohre, was besonders unangenehm ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, um sowohl die Bildung von Sekundärblasen bei der Glasherstellung, als auch die Bildung von Kristallisation bei der Glasverarbeitung mittels Ziehwerkzeugen wie beispielsweise sogenannten Danner-Pfeifen zu unterbinden.

Die Erfinder haben folgendes erkannt: Gelangt die Glasschmelze bei der Glasherstellung mit Metallen, insbesondere mit Edelmetallen, in Kontakt, so kann dies zu Sekundärblasenbildung führen. Dies tritt insbesondere bei Temperaturen von über 1200 Grad Celsius auf. Die Blaseninhalte sind Sauerstoff, Schwefeldioxid, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff.

In Zieheinrichtungen kommt es naturgemäß zu einem Kontakt zwischen Glas und dem Material der Zieheinrichtung, beispielsweise der Nadeln und Pfeifen. Unterschreitet die Temperatur im Grenzbereich Glas/Material der Zieheinrichtung einen bestimmten Wert, so kommt es zu Entglasungserscheinungen. Bei Klargläsern bilden sich bei Temperaturen im Entglasungsbereich bevorzugt Kristalle, vorwiegend Cristobalit. Dabei können auch katalytische Vorgänge eine Entglasung durch längere Verweilzeiten hervorrufen.

Die Erfinder haben erkannt, daß bei den genannten Werkzeugen - Rührwerkzeuge oder Ziehwerkzeuge - die beiden genannten Mißstände auf ein und dasselbe Phänomen zurückzuführen sind, nämlich auf den Kontakt zwischen Glas einerseits und dem Material des betreffenden Werkzeuges andererseits.

Ausgehend von dieser Erkenntnis liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die genannten Werkzeuge durch eine entsprechende Beschichtung derart gegen das Glas abzuschirmen - im einen Fall die Glasschmelze, im anderen Fall das im Entstehen begriffene Glasrohr -, daß das Material des Werkzeuges die genannten Erscheinungen in der Schmelze oder am Glas nicht hervorruft.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Es ist zwar seit langem bekannt, Materialen jeglicher Art, insbesondere Edelmetalle oder Metalle zu beschichten. Dabei geht es jedoch um den Schutz des Metalls, zum Beispiel gegen Verschleißerscheinungen. Im vorliegenden Falle geht es jedoch um etwas anderes, nämlich um das Verhindern der Kontaktreaktion Metall/Glas, um Sekundärblasenbildung oder Entglasung zu vermeiden.

Als geeignetes Beschichtungsmaterial haben sich die folgenden Stoffe erwiesen:
Zirkonoxid, Zirkonsilikat, Mullit, gedoptes Siliziumdioxid, Spinell, Aluminiumoxid in verschiedensten Mischungen und Dotierungen von Sondermaterialien, wie zum Beispiel Yttriumoxid etc.

Diese Materialien werden durch Dotierungen auf den Ausdehnungskoeffizienten des zu beschichtenden Metalls angepaßt.

Grundsätzlich lassen sich folgende Bauteile beschichten:
Rohre, Düsen, Ziehwerkzeuge (Nadel, Pfeifen), Rührer, Plunger, Schieber, Abdeckplättchen, Elektroden, Einspeisevorrichtungen (Email, Einfärbungen), Ziehköpfe usw.

Die aufgebrachten Schichtdicken bewegen sich in einer Größenordnung von 0.2-2.0 mm. Bei den Beschichtungen ist darauf zu achten, daß Dreiphasengrenzen (Luft/Beschichtungsmaterial/Glas) vermieden wird. Temperaturschwankungen < 400°C sind zu vermeiden.

Durchgeführte Anwendungen

- Beschichtung von Pt/X-Pfeifen zur Vermeidung von Kristallbildung
- Beschichtung einer Nadel zur Herstellung von Aluminosilikat- Lampenglasrohr
- Beschichtung von Metallschiebern

Beschichtungstechnik

Zur Anwendung kommen bekannte Beschichtungstechniken, die von verschiedenen Herstellern angeboten werden.

Grundsätzlich sollen Materialien verwendet werden, die einen möglichst niedrigen Diffusionskoeffizienten haben, und deren Löslichkeit gering ist.

Weitere Parameter können von Bedeutung sein. Beispielsweise kann es bei Plasmabeschichtung auf die Richtung der Plasmapistole ankommen, auf die verwendete Korngrößenverteilung des Plasmapulvers und so weiter. Der offene Porenraum der Beschichtungszone sollte deutlich unter 15% liegen.

In jedem Falle werden Anteile des Beschichtungsmateriales an die Glasschmelze beziehungsweise an das Glas abgegeben. Dies hat sich jedoch als nicht störend erwiesen.

Abgaben des Materials und Auswirkung auf Standzeiten von Bauteilen

Eine mit 93w%ZrO2 und 7w% Y2O3 beschichtete Ziehnadel mit einer Beschichtungsdicke von 400 µm wurde 28 Tage bei Temperaturen von 1240° C bei einem Aluminosilikatglas mit einem Glasdurchsatz von ca. 5 to/Tag gefahren. Nach dieser Zeit lag eine Abnahme der Beschichtungsdicke von ca. 20 µm (entspricht ca. 5%) vor. Daraus läßt sich eine Standzeit von ca. 500 Tagen hochrechnen. Die Standzeit von Edelmetallbauteilen liegt im Mittel bei ca. 1 Jahr.

Bei dem Grundmaterial der Werkzeuge kommt es nicht darauf an, ob dieses ein Edelmetall oder ein nicht-edles Metall ist.

Den Einsatz von Edelmetallen bestimmt in erster Linie die Betriebstemperatur. Bei Temperaturen < 1250°C verlieren die meisten Unedelmetalle sehr stark an Festigkeit und sind bei den angewendeten Prozessen nicht mehr formtreu.

Bei Temperaturen < 1200°C können Unedelmetalle mit einer an den Ausdehnungskoeffizienten des Metalls angepaßten Beschichtung gegenüber Angriffen von Glas geschützt und damit erst zur Anwendung kommen.

Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten vom Beschichtungsmaterial an das zu beschichtende Material:

Das Beschichtungsmittel soll bei der Plasmabeschichtung grundsätzlich einen ähnlichen (+-15%) Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie der zu beschichtende Körper.

Dabei gibt es zwei Möglichkeiten:

- durch Dotierung von Zusatzoxiden zum Hauptbeschichtungsmittel, das heißt es wird nur eine homogene Schicht aufgetragen (Beispiele siehe unten)
- durch Spritzen von Zwischenschichten, das heißt man beginnt mit einem Beschichtungsmittel, das mit seinem Ausdehnungskoeffizienten nahe dem Trägermaterial liegt und spritzt, z. B. zwei bis drei Zwischenschichten bis zu dem Beschichtungsmittel, das im Kontakt mit Glas sein soll. Dias bedeutet: Diffusionskoeffizient und geringe Löslichkeit.

Zugegebene Dotierungsmittel werden auch aus Stabilitätsgründen bevorzugt bei ZrO2 zugegeben. Zugaben können MgO, CaO, Y2O3 in Konzentrationen von (0.1-10)w% sein.

Der Längenausdehnungskoeffizient beträgt z. B. von 96w%ZrO2 und 4w% CaO 6.5 × 10^-6 1/K im Bereich 20. . . .1000°C.

Dotiert man dagegen mit Y2O3 (95w%ZrO2 und 5w%Y2O3) so ergibt sich ein Längenausdehnungskoeffizient von 11 × 10^-6 1/K im Bereich 20. . . .1000°C. 99.7w%Al2O3 weist einen Längenausdehnungskoeffizient von 5-7 × 10^-6 1/K auf.

Claims

1. Verfahren zum Abschirmen von Oberflächen von Werkzeugen der Glasherstellung und der Glasverarbeitung, insbesondere von metallischen Werkzeugen, und insbesondere von Rührwerkzeugen und von Ziehwerkzeugen,

1. 1.1 die vom Glas-Schmelze oder festes Glas-berührten Oberflächen des betreffenden Werkzeuges werden mit einem Material beschichtet, das einen niedrigen Diffusionskoeffizienten D und eine geringe Löslichkeit aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der folgenden Stoffe als Beschichtungsmaterial für das Werkzeug verwendet wird:
Zirkonoxid, Zirkonsilikat, Mullit, gedoptes Siliziumdioxid, Spinell, Aluminiumoxid in verschiedensten Mischungen und Dotierungen von Sondermaterialien, wie zum Beispiel Yttriumoxid etc.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionskoeffizent D im Temperaturbereich von 800 bis 1200°C < 1 × 10^-10 m²/s beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge eine metallische Oberfläche aufweisen, insbesondere eine Oberfläche aus Edelmetall.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens erfolgt.

6. Werkzeug der Glasherstellung und der Glasverarbeitung, nämlich Rührwerkzeug und Ziehwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze berührte beziehungsweise glasberührte Oberfläche des Werkzeuges mit einem Material beschichtet ist, das einen niedrigen Diffusionskoeffizienten D und eine geringe Löslichkeit aufweist.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial wenigstens einer der nachstehenden Stoffe ist:
Zirkonoxid, Zirkonsilikat, Mullit, gedoptes Siliziumdioxid, Spinell, Aluminiumoxid in verschiedensten Mischungen und Dotierungen von Sondermaterialien, wie zum Beispiel Yttriumoxid etc.

8. Werkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial im Temperaturbereich von 800 bis 1200°C einen Diffusionskoeffizienten D von weniger als 1 × 10^-10 m²/s aufweist.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial des Werkzeuges ein Metall ist, insbesondere ein Edelmetall.