DE202014103275U1

DE202014103275U1 - Verbundkörper basierend auf Natur- und/oder Kunststein und Nichtoxidkeramik

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Publication number: DE202014103275U1
Application number: DE201420103275
Authority: DE
Original assignee: PLANOLITH MESSTECHNIK SONDERMASCHB GmbH; PLANOLITH Messtechnik Sondermaschinenbau GmbH
Current assignee: PLANOLITH MESSTECHNIK SONDERMASCHB GmbH; PLANOLITH Messtechnik Sondermaschinenbau GmbH
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2024-07-17

Abstract

Verbundkörper, bestehend aus mindestens einem ersten Körper aus Natur- und/oder Kunststein und mindestens einem zweiten Körper aus Nichtoxidkeramik, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Keramik mittels eines Zweikomponenten-Klebstoffes an den Natur- und/oder Kunststein verklebt ist, wobei b) es sich bei dem Zweikomponenten-Klebstoff um einen ausdehnungsarmen Klebstoff handelt; c) der Verbundkörper mindestens als Teil einer Basis für Messmaschinen, Bearbeitungsmaschinen, Messplatten und/oder mechanischer Messmittel ausgebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundkörper, bestehend aus mindestens einem ersten Körper aus Natur- und/oder Kunststein und mindestens einem zweiten Körper aus Nichtoxidkeramik. Weiterhin betrifft die Erfindung Vorrichtungen, die einen solchen Verbundkörper aufweisen. Derartige Vorrichtungen dienen vorwiegend als Basis für Messmaschinen, Bearbeitungsmaschinen, Messplatten und/oder mechanische Messmittel.
Stand der Technik
Ausgewählte Mineralien und ein geringer Anteil Bindemittel auf Epoxidharzbasis bilden die Grundlage für einen Konstruktionswerkstoff mit überzeugenden Eigenschaften, der auch unter der Bezeichnung Kunststein bekannt ist.
Als Natursteine bezeichnet man Steine, die in der Natur vorkommen, sogenannte gewachsene Steine, im Gegensatz zum Kunststein, Betonwerkstein etc. Natursteine können Steine aus dem Steinbruch sein oder Steine, die in der Landschaft als Kieselstein, Brocken, Findling oder ähnliches anliegen. Im Allgemeinen werden Natursteine in Steinbrüchen abgebaut und ohne Aufbereitung oder Brennprozesse (außer vielleicht geschnitten und geschlagen) verarbeitet.
Natursteine werden sowohl in der Industrie (Zementherstellung, Schotter, Granulat etc.), in der Architektur (Fassadenverkleidungen, Treppen, Wegebelag, Baustein im Allgemeinen, Restaurierungen), der Denkmal-Herstellung (Denkmäler, Grabmale), dem Maschinenbau (Unterbauten, Fundamente) als auch in der Bildhauerei (Denkmäler, Skulpturen, Installationen) verwendet.
Die heutzutage vorwiegend verwendeten Natursteine kommen meist aus Indien, China, Südafrika, Brasilien, Italien, Türkei und Skandinavien. Unebenheiten, Unterschiede und Einschlüsse machen jeden Naturstein aus. Wie beschrieben, wird der Naturstein im Innenbereich und Außenbereich verarbeitet, als Bodenbelag oder Außenfassade. Mit Naturstein lassen sich z. B. Bäder und Treppen verkleiden. Granit und Basalt sind sehr harte Natursteine. Sie werden häufig im Außenbereich verbaut, wo eine hohe Beanspruchung besteht. Natur-Kalksandsteine und Marmor sind etwas „weicher“ und werden meistens im Innenbereich verbaut oder dienen der Erstellung von Skulpturen.
Bei Reinigungsmitteln für Natursteine muss darauf geachtet werden, dass kalkhaltige Natursteine eine andere Pflege und Reinigung erfordern als die anderen Natursteine, da sie säureempfindlich sind.
Granite (von lat. granum – das Korn) sind massige, grobkristalline Tiefengesteine, die aus etwa gleichen Teilen Quarz, Alkalifeldspat und Plagioklas bestehen. Daneben enthalten sie etwa 20%–40% mafische Mineralien (Biotit, Muskovit, seltener Amphibole). Als Akzessorien führen sie Zirkon, Apatit, Titanit, auch Magnitit, Rutil und Ilmenit. Granite gehören zu den häufigsten Gesteinen innerhalb der kontinentalen Erdkruste. Sie entstehen primär an Subduktionszonen: die abtauchende (ozeanische) Platte erwärmt sich, der hohe Wassergehalt lässt Sedimente aufschmelzen, dabei entsteht saures, granitisches Magma. Bei orogenen (gebirgsbildenden) Prozessen entsteht ebenfalls Granit.
Granite sind meist schwach radioaktiv, da sie Spuren von Uran, Rubidium und anderen radioaktiven Elementen enthalten. Ein weiterer Träger der Radioaktivität ist das in den Feldspäten und Glimmern enthaltene Kalium. Im Allgemeinen ist Granit mittel- bis grobkörnig. Frischer Granit ist hart und widerstandsfähig, außerdem hat er eine schwach angedeutete Klüftigkeit. Durch die sogenannte Wollsack-Verwitterung bilden sich, von den Klüften ausgehend, matratzenförmige Gesteinsblöcke.
Granite haben wegen ihrer hohen Widerstandskraft, Härte und Wetterfestigkeit und wegen ihrer guten Schleifbarkeit und Polierbarkeit eine wirtschaftliche Bedeutung im Bauwesen. Sie finden sich: im Straßenbau als Pflasterstein, Bordstein oder Schotter; im Bahnbau als Schotter; im Hochbau als Außenwandverkleidung, Bodenbelag; im Innenausbau als Wandverkleidung, Treppenbelag, Innenverkleidung, Tischplatte; im Gartenbau als Pflasterstein, Rabattenstein, Brunnen.
Weitere Vorteile von Granit, beispielsweise gegenüber Gusseisen, sind die absolute Verzugsfreiheit, die Temperaturunempfindlichkeit aufgrund der geringen Wärmeleit- und Ausdehnungszahlen, die Härte und Verschleißfestigkeit (Granit ist härter als gehärteter Stahl), der mangelnde Magnetismus und die mangelnde elektrische Leitfähigkeit sowie die absolute Rostsicherheit und, sofern nicht kalkhaltige Natursteine verwendet werden, auch die Säurebeständigkeit. Es ist kein Ent- oder Einfetten nötig, sodass Granit praktisch wartungsfrei ist. Aufgrund des großen Tragflächenanteils der Oberfläche durch eine evtl. mikrofeine Bearbeitung sowie des Kostenvorteils (Granit ist z.B. billiger als Gusseisen), sind weitere Vorteile gegeben. Aufwändige Modelle sowie natürliche und künstliche Alterung entfallen.
Wissenschaft und Technik stehen in einem kontinuierlichen Entwicklungsprozess. Dabei führt der Weg zu immer anspruchsvolleren, intelligenteren Technologien.
Mit derselben Dynamik steigen auch die Ansprüche, die an moderne Werkstoffe gestellt werden. Gefordert werden unter anderem höhere Festigkeiten für Material sparende Konstruktionen, leichtere Bauteile zur Energieeinsparung, höhere Qualität für mehr Sicherheit sowie längere Lebensdauer. Schließlich spielt die Wirtschaftlichkeit eine ganz entscheidende Rolle. Keramische Werkstoffe haben zu diesem Innovationsprozess bisher einen wichtigen Beitrag geleistet.
Eine strenge Systematik der Keramik – wie beispielsweise bei Metall-Legierungen – ist kaum möglich, weil es hinsichtlich der Rohstoff-Zusammensetzung, des Brennvorgangs und des Gestaltungsprozesses fließende Übergänge gibt. Keramische Produkte werden deshalb häufig nach den jeweils im Vordergrund der Betrachtung stehenden Aspekten unterschieden:

• Beschaffenheit des Materials: Grob- und Feinkeramik
• Verwendungszweck: z.B. Baukeramik, Sanitärkeramik, Tischgeschirr, Zierkeramik, technische Keramik
• Besondere Eigenschaften: z.B. feuerfeste Keramik (ehedem für Küchengeräte von Bedeutung), Hochtemperaturkeramik (Verbrennungsmotoren), Wasseraufnahmevermögen, Porosität

Bedeutsam ist die Unterteilung in Grob- und Feinkeramik. Zur ersteren gehört die große Gruppe der Baukeramik (z.B.: Bau- und Dachziegel, Kanalisationsrohre); die Produkte sind dickwandig, häufig inhomogen, von oft zufälliger Färbung. Feinkeramik ist dagegen feinkörnig (unter 0,05 mm), von definierter Färbung (z.B. weiß für Haushaltskeramik, Tischgeschirr und Sanitärkeramik); hierher gehören auch die künstlerischen Erzeugnisse. Feinkeramik erfordert bezüglich Aufbereitung der Rohmasse, der Formgebung und des Trocknens sowie Brennens eine erheblich größere Sorgfalt als bei Herstellung von Grobkeramik nötig ist. Die Eigenschaften keramischer Produkte werden bestimmt durch Art und Menge der in ihnen enthaltenen Kristalle und die als Bindung funktionierende Verglasungen. Keramiken sind formbeständig, geschmacks- und geruchlos.
Die Auswahl und Mischung der Rohstoffe muss folgenden Forderungen genügen: Gute Formbarkeit der Masse, geringer Schwund beim Trocknen und Brennen, hohe Standfestigkeit beim Brennen, geringe oder keine Verfärbung des Endproduktes.
In der industriellen Keramikproduktion werden die Komponenten, nachdem sie teilweise vorgebrannt wurden, entsprechend der Rezeptur gemeinsam in Trommelmühlen fein gemahlen. Nach dem Schlämmen unter Zugabe von Wasser wird dieses in Filterpressen wieder weitgehend entfernt. Der zurückbleibende Filterkuchen wird getrocknet und nochmals gemahlen. In dieser Form wird die Rohmasse entweder gelagert oder sofort unter Zugabe von Wasser und/oder verflüssigenden Hilfsstoffen in Maschinen geknetet und ggf. entlüftet. Daneben hat in jüngerer Zeit die halbnasse und die trockene Aufbereitung bei der industriellen Herstellung Bedeutung gewonnen.
Gerade bei technischer Keramik können den in der Regel als Pulver vorliegenden keramischen Bestandteilen noch organische Bindemittel zugegeben werden.
Die Formgebung erfolgt bei Grobkeramik u.a. durch Strangpressen (z.B. Rohre) oder durch Formpressen. Feinkeramik wird (analog der historischen Entwicklung) durch folgende Verfahren geformt:

• Modellieren
• Aufbauarbeit aus einzelnen Strängen (z.B. bei Hohlgefäßen)
• Drehen rotationssymmetrischer Hohlgefäße auf der Töpferscheibe
• Gießen dünnflüssiger Mischungen in geteilte Gipshohlformen, die das Wasser aufsaugen
• Formgebung auf motorgetriebenen Scheiben in Hohlformen mit Hilfe von Schablonen (sog. Eindrehen und Überdrehen)
• Pressen und Stanzen oder Fräsen
• Spritzguss
• Foliengießen

Industriell hat die halbtrockene und die trockene Formgebung Bedeutung erlangt, weil die Trocknungszeiten sehr verkürzt werden und eine hohe Maßhaltigkeit der Produkte erreicht wird.
Nach der Formgebung ist der Rohling feucht durch das mechanisch eingeschlossene Wasser in den Hohlräumen oder durch das physikochemisch gebundene Wasser (Adhäsion, Kapillarwasser) bzw. dem chemisch gebundenen Wasser (Kristallwasser).
Die Trocknungsgeschwindigkeit hängt außer von dem umgebenden Klima stark von der Rezeptur der Rohmasse ab. Um die Trocknungsgeschwindigkeit zur Vermeidung von Rissen niedrig zu halten, können die Rohlinge abgedeckt werden. Industriell erfolgt das Trocknen in klimatisierten Räumen. Das Wasser wird allerdings erst durch den Brand vertrieben.
Der Brennprozess (Rauh- oder Schrühbrand) – Sintern genannt – ist sehr problematisch und erfordert eine sorgfältige Steuerung. Im so entstehenden „Scherben“ werden die Kristalle miteinander verfilzt und durch glasige Anteile verkittet. Anteil und Art der Kristall- und Glasphase sowie der Poren bestimmen die Eigenschaften des gebrannten Gutes. Die angewandten Temperaturen (bis etwa 1350 °C; teilweise erheblich höher) hängen von der Rohmischung, also von dem zu erzeugenden Produkt ab und müssen in vielen Fällen während des Brennprozesses variiert werden (Temperaturprofil). Überdies ist es häufig wichtig, dass der Prozess zeitweilig unter reduzierender Atmosphäre verläuft (z.B. Vermeiden von Gelbfärbung durch Eisenverunreinigungen bei weißem Geschirr oder bei Sanitärkeramik). Eingesetzt werden Kammer-, Tunnel- und Ringöfen. Für den Handwerksbetrieb kommen elektrische Öfen oder mit fossilen Brennstoffen befeuerte Öfen in Frage. Hier ist zu unterscheiden zwischen offenen Systemen, bei denen die Brenngase (mit unterschiedlicher Flammführung) in unmittelbaren Kontakt mit der Ware treten und Muffelöfen, bei denen die Brenngase das Brenngut indirekt erhitzen.
Gerade bei technischer Keramik kann das Sintern einen entscheidenden Anteil an dem entstehenden Werkstoff haben. Dabei können zugegebene Hilfsstoffe und/oder die Brennatmosphäre eine wichtige Rolle spielen. So kann es beim Sintern zu chemischen Reaktionen und zur Ausbildung von kovalenten Bindungen kommen. Die endgültige Keramik wird dann erst beim Sintern erhalten. Die eingesetzten Pulver müssen dann selbst nicht keramisch sein.
Keramik hat sich bis heute in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt bzw. wird für neue Anwendungen in Betracht gezogen, bei denen hohe Härte, große Verschleißbeständigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit und gute Hochtemperaturstabilität – verbunden mit niedrigem spezifischen Gewicht – benötigt werden. Die neuen HighTech-Werkstoffe erreichen hohe Festigkeiten. Ihre Werte sind vergleichbar mit den Werten von Metallen und übertreffen in der Regel alle Polymere.
Die Eigenschaften der keramischen Werkstoffe werden maßgeblich durch das jeweilige Gefüge – beziehungsweise die Mikrostruktur – bestimmt. Durch die gezielte Einstellung von bestimmten Mikrostrukturen, das so genannte Gefügedesign, können die mechanischen und physikalischen Kennwerte in unterschiedliche Richtungen hin beeinflusst werden.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist bei der Anwendung von Keramik immer zu berücksichtigen: „Keramik ist spröde“! Metallische Konstruktionswerkstoffe sind auf Grund ihrer Duktilität „ausgewogene und gutmütige“ Werkstoffe, die auch einmal leichtere konstruktive Fehler verzeihen (Fehlertoleranz), da sie in der Lage sind, lokale Spannungsspitzen durch elastische und plastische Verformung abzubauen.
Darüber hinaus zeichnen sich die Metalle in der Regel durch eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie durch Kennwerte aus, die unabhängig von der Raumrichtung sind.
Keramische Werkstoffe hingegen sind in der Regel elektrisch und thermisch isolierend, haben eine hohe Härte und können eine sehr niedrige Wärmedehnung besitzen. Durch das Fehlen der plastischen Verformbarkeit sind sie außerdem außerordentlich formstabil. Es werden Druckfestigkeiten erreicht, die das zehnfache der Biege- und Zugfestigkeit betragen können. Gegenüber Metallen ist die Keramik besonders für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet, da die Kennwerte der keramischen Werkstoffe durch Temperaturbelastungen weitaus weniger und erst bei höheren Gradzahlen beeinflusst werden als die der Metalle. Ähnlich positiv verhält sich Keramik in Bezug auf Korrosion und Verschleiß.
Wegen dieser Vorteile begegnet uns Technische Keramik auf Schritt und Tritt. Ohne keramische Isolierteile würden viele Haushaltsgeräte nicht funktionieren. Ebenso wäre ohne Isolatoren und Sicherungsbauteile aus Technischer Keramik eine zuverlässige Stromversorgung nicht denkbar. Keramische Substrate und Bauteile bilden die Grundlage für Komponenten und Baugruppen in allen Bereichen der Elektronik, und im Maschinen- und Anlagenbau sorgen Gleit- und Regelelemente für verschleiß- und korrosionsfreie Funktion. Bei Industrieöfen in der Hochtemperaturtechnik ist Keramik als Konstruktions- und Isolationswerkstoff unverzichtbar.
Wie schon beschrieben, ist Keramik ein Werkstoffbegriff, der wegen der Vielfältigkeit der einbezogenen Rohstoffe und Anwendungen mit historisch gewachsenen Begriffen arbeitet.
Als Minimaldefinition kann gelten: Keramische Werkstoffe sind anorganisch und nichtmetallisch. In der Regel werden sie bei Raumtemperatur aus einer Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften durch einen Sintervorgang bei hohen Temperaturen. Dagegen umfasst der Begriff „ceramics“ im angelsächsischen Sprachgebrauch zusätzlich u. a. auch Glas, Emaile, Glaskeramik und anorganische Bindemittel (Zement, Kalk, Gips).
Die Keramische Industrie in Deutschland unterteilt je nach Kornaufbau des Masseversatzes in Grob- und Feinkeramik. Die Definition nach Hausner führt über das Gefüge des Scherbens, also ebenfalls über den Kornaufbau. Die Grenze liegt bei Korngrößen von etwa 0,1 bis 0,2 mm. Sind die Gefügebestandteile kleiner als 0,1 mm, also mit dem bloßen Auge nicht mehr erkennbar, spricht man im deutschen Sprachgebrauch – unabhängig vom Werkstoff – von Feinkeramik.
Zur Feinkeramik gehören Technische Keramik, Geschirrkeramik, Zierkeramik, Sanitärkeramik, Wand- und Bodenfliesen sowie Schleifmittel auf keramischer Basis.
Grobkeramik beinhaltet z. B. Ziegel- oder konventionelle Feuerfestwerkstoffe.
Technische Keramik umfasst keramische Produkte für technische Anwendungen.
Zu den Werkstoffen der Technischen Keramik gehören die folgenden Gruppen: Silikatkeramik, Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik.
Silikatkeramik als älteste Gruppe aller Keramiken hat einen dominierenden Anteil an den feinkeramischen Erzeugnissen. Wesentliche Bestandteile dieser mehrphasigen Werkstoffe sind Ton und Kaolin, Feldspat und Speckstein als Silikatträger. Daneben werden auch Komponenten wie Tonerde und Zirkon zur Erzielung spezieller Werkstoffeigenschaften, z. B. hoher Festigkeiten, verwendet. Im Sinterbrand entsteht neben den kristallinen Phasen meist ein hoher Anteil (> 20 %) an Glasphase, deren wesentlicher Bestandteil Siliciumoxid (SiO₂) ist.
Zu den Werkstoffen der Silikatkeramik zählen: Porzellan, Steatit, Cordierit und Mullit.
Wegen relativ niedriger Sintertemperaturen, guter Prozessbeherrschung und hoher Verfügbarkeit der natürlichen Rohstoffe ist die Silikatkeramik wesentlich kostengünstiger als Oxid- oder Nichtoxidkeramik. Letztere benötigen aufwändig hergestellte synthetische Pulver und hohe Sintertemperaturen.
Silikatkeramik kommt z. B. in der Wärmetechnik, der Mess- und Regeltechnik, der Verfahrens- und Umwelttechnik, der Hoch- und Niederspannungstechnik mit typischen Anwendungen, wie Isolatoren, Sicherungspatronen, Katalysatoren, Gehäusen sowie bei vielfältigen Anwendungen in der Elektroinstallationstechnik zum Einsatz. Silikatkeramik findet sich weiterhin im Feuerfestbereich wieder.
Unter Oxidkeramik werden alle Werkstoffe verstanden, die im Wesentlichen aus einphasigen und einkomponentigen Metalloxiden (> 90 %) bestehen. Die Materialien sind glasphasearm oder glasphasefrei. Die Rohstoffe werden synthetisch hergestellt und besitzen einen hohen Reinheitsgrad. Bei sehr hohen Sintertemperaturen entstehen gleichmäßige Mikrogefüge, die für die verbesserten Eigenschaften verantwortlich sind.
Einige technisch bedeutende Vertreter der Oxidkeramik als Beispiele für ein Einstoffsystem sind: Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid bzw. Zirkoniumdioxid, Titanoxid bzw. Titandioxid (Kondensatorwerkstoff), und für ein Mehrstoffsystem sind: als Mischoxidkeramik Aluminiumtitanat, Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat (Piezokeramik), als Dispersionskeramik mit Zirkoniumoxid verstärktes Aluminiumoxid (ZTA – Al₂O₃/ZrO₂).
Die Oxidkeramik kommt in Elektrotechnik und Elektronik und vielfach als Strukturwerkstoff, also für nichtelektrische Anwendungen zum Einsatz. Sie bietet die dafür geeigneten typischen Eigenschaften wie Bruchzähigkeit, Verschleiß- und Hochtemperaturfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit.
Die Oxidkeramiken sind härter, verschleißfester und wärmebeständiger, allerdings auch spröder als Hartmetalle und daher in der Zerspannungsmechanik für Fertigungen mit unterbrochenem Schnitt, wie er beim Fräsen gezwungenermaßen auftritt, nur bedingt geeignet. Die Vorteile der Schneidkeramik liegen in der hohen Härte und der Warmfestigkeit sowie der hohen chemischen und thermischen Beständigkeit sowie der hohen Korrosionsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen (Einsatzbereich bis > 1000°C). Nachteilig wirken sich die geringe Zähigkeit und die geringe Toleranz gegenüber raschen Temperaturwechseln aus (Oxidkeramik „springt" bei schlagartiger Abkühlung, z.B. durch Kühlschmiermittel). Je nach verwendetem Oxid und Herstellungsverfahren haben Oxidkeramiken thermische Eigenschaften vom guten Isolator bis zum guten Wärmeleiter.
Die Nichtoxidkeramik beinhaltet keramische Werkstoffe auf der Basis von Verbindungen von Bor, Kohlenstoff, Stickstoff und Silizium (Kohlenstoffprodukte aus amorphem Graphit gehören nicht dazu).
In der Regel weisen Nichtoxidkeramiken einen hohen Anteil kovalenter Bindungen auf. Diese ermöglichen hohe Einsatztemperaturen, sorgen für hohen Elastizitätsmodul und verleihen hohe Festigkeit und Härte, verbunden mit hoher Korrosionsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit.
Die wichtigsten Nichtoxidkeramiken sind: Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Borcarbid und Bornitrid. Diese Keramiken können noch weitere Bestandteile umfassen.
Alle Keramiken können mit einer Hartstoffschicht (z.B. Titankarbid, Tantalkarbid oder Wolframkarbid) beschichtet werden, was die Verschleißfestigkeit noch weiter erhöht.
Aus dem Dargelegten ergibt sich, dass die separate Verwendung von Natur- und/oder Kunststein als auch Keramiken als Werkstoff bzw. Vollkörper mit einer Reihe von Nachteilen zu kämpfen hat. So haben auf der einen Seite z.B. Natursteine eine unübertroffene Verzugsfreiheit, eine beachtenswerte Härte und Verschleißfestigkeit, eine hohe Widerstandskraft und Wetterfestigkeit, jedoch sind sie auf der anderen Seite sehr schwer, unhandlich (insbesondere was Transport und Lagerung angeht) und häufig nicht ohne größeren Aufwand zu bearbeiten, was insbesondere dann zum Tragen kommt, wenn Natursteine beispielsweise weiterverarbeitet werden sollen (z.B. als Fundament für Mess- oder Bearbeitungsmaschinen oder dergleichen). Andererseits weisen Keramiken die Eingangs beschriebenen Vorteile auf, jedoch spielen hier insbesondere Kostenerwägungen (spezielle Keramiken können extrem teuer sein) eine wichtige Rolle, sodass häufig ein Vollkeramikkörper zu teuer ist (oder die von beispielsweise den Natur- und/oder Kunststeinen bekannten Vorteile nicht aufweist). Es hat sich jedoch als schwierig herausgestellt, die Eigenschaften beider Werkstoffgruppen miteinander zu kombinieren, da ein einfaches „verbinden“, beispielsweise durch einfaches verkleben von Keramiken auf Steinen, nicht möglich ist, da diese nach kurzer Zeit vom Stein abfallen und somit spezielle Techniken zur Herstellung solch eines Verbundkörpers benötigt werden.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbundkörper bereitzustellen, der die besten Eigenschaften beider Werkstoffgruppen (Natur- und Kunststeine auf der einen Seite sowie Keramiken auf der anderen Seite) umfasst und somit als universell einsetzbarer Verbundkörper zum Einsatz gelangt.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindung umfasst auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass Verbundkörper hergestellt werden können, die aus Kunst- und/oder Naturstein und einer Nichtoxidkeramik bestehen.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verbundkörper, der aus mindestens einem ersten Körper aus Natur- und/oder Kunststein und mindestens einem zweiten Körper aus Nichtoxidkeramik besteht. Hierbei kann der Natur- und/oder Kunstein aus jedem erdenklichen Stein bestehen, beispielsweise aus Granit, Basalt, Kalksandstein, Marmor etc. Dem Fachmann sind solcherart Steine bekannt und sie werden alle von der vorliegenden Erfindung umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Naturstein um Granit. Dabei weist der Granit vorzugsweise besondere Eigenschaften auf. So hat der Granit vorzugsweise ein spezifisches Gewicht zwischen ca. 2,5 kg/dm³ bis 3,5 kg/dm³, vorzugsweise ca. 2,7 kg/dm³ bis 3,3 kg/dm³, insbesondere ca. 2,99 kg/dm³. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Druckfestigkeit des Granits zwischen ca. 250 N/mm² bis 320 N/mm², vorzugsweise ca. 270 N/mm² bis 300 N/mm², insbesondere ca. 280 N/mm², liegt. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Granits im Temperaturbereich zwischen 20° C bis 100° C beträgt vorzugsweise zwischen ca. 4,5 × 10^–6 1/K bis 8.0 × 10^–6 1/K, vorzugsweise ca. 4.7 × 10^–6 1/K bis 7.8 × 10^–6 1/K, insbesondere ca. 5.0 × 10^–6 1/K bis 7.5 × 10^–6 1/K. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) des Granits bewegt sich im Bereich zwischen ca. 80.000 N/mm² bis 140.000 N/mm², vorzugsweise ca. 90.000 N/mm² bis 130.000 N/mm², insbesondere ca. 100.000 N/mm² bis 120.000 N/mm². Die Biegezugfestigkeit des Granits beträgt bevorzugt zwischen ca. 11 N/mm² bis 24 N/mm², vorzugsweise zwischen ca. 12 N/mm² bis 23 N/mm², insbesondere ca. 13 N/mm² bis 22 N/mm². Die Abriebfestigkeit des Granits liegt bevorzugt zwischen ca. 6 cm³/50 cm² bis 10 cm³/50 cm², vorzugsweise zwischen ca. 7 cm³/50cm² bis 9 cm³/50 cm², insbesondere ca. 8 cm³/50 cm² sowie die Vickershärte (HV) bevorzugt zwischen ca. 830 HV bis 920 HV, vorzugsweise zwischen ca. 840 HV bis 910 HV, insbesondere zwischen ca. 850 HV bis 900 HV. Ein derart klassifizierter Granit-Naturstein wird häufig auch als basischer Tiefengestein oder Natur-Hartstein bezeichnet, der weltweit gewonnen wird. Dieser zeichnet sich bevorzugt durch eine ausgezeichnete Materialkonstanz, einer völlig gleichmäßigen Struktur, keinerlei Verwitterungserscheinungen, keine Adern sowie keine oxidierenden Erzpartikel aus. Er besitzt häufig intersertale bis ophitische Struktur, bei welcher sich durch „Verfilzung“ der Gemengeteile eine hohe mechanische Festigkeit einstellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Druckfestigkeit des Kunststeins zwischen ca. 120 N/mm² bis 190 N/mm², vorzugsweise ca. 130 N/mm² bis 180 N/mm², insbesondere ca. 140 N/mm² bis 170 N/mm². Weiterhin weist der Kunststein einen linearen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich zwischen 20° C bis 100° C zwischen ca. 10 × 10^–6 1/K bis 22 × 10^–6 1/K, vorzugsweise ca. 11 × 10^–6 1/K bis 21 × 10^–6 1/K, insbesondere ca. 12 × 10^–6 1/K bis 20 × 10^–6 1/K, auf. Der Kunststein hat ein Elastizitätsmodul (E-Modul) zwischen ca. 10.000 N/mm² bis 60.000 N/mm², vorzugsweise ca. 20.000 N/mm² bis 50.000 N/mm², insbesondere ca. 30.000 N/mm² bis 40.000 N/mm². Die Biegezugfestigkeit des Kunststeins liegt zwischen ca. 23 N/mm² bis 42 N/mm², vorzugsweise zwischen ca. 24 N/mm² bis 41 N/mm², insbesondere ca. 25 N/mm² bis 40 N/mm². Die spezifische Dichte des Kunststeins beträgt ca. 1,9 g/cm³ bis 2,7 g/cm³, vorzugsweise ca. 2,0 g/cm³ bis 2,6 g/cm³, insbesondere ca. 2,1 g/cm³ bis 2,4 g/cm³. Die Wärmeleitfähigkeit des Kunststeins liegt zwischen ca. 1,1 W/mK bis 2,2 W/mK, vorzugsweise zwischen 1,2 W/mK bis 2,1 W/mK, insbesondere ca. 1,3 W/mK bis 2,0 W/mK.
Bei der Keramik handelt es sich um eine Nichtoxidkeramik. Diese Nichtoxidkeramik wird vorzugsweise durch Sintern oder Reaktionssintern hergestellt.
Gegenüber Oxidkeramiken zeichnen sich Nichtoxid-Keramiken durch einen höheren Anteil kovalenter Bindungen aus. Diese ermöglichen durch die starken Bindungsenergien hohe chemische und thermische Stabilität, sorgen für einen hohen Elastizitätsmodul und verleihen große Festigkeit und Härte. Sie zeigen jedoch gleichzeitig eine geringere Duktilität und recht hohe Sprödigkeit.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass solche Verbundkörper als Teil einer Basis für Basis für Messmaschinen, Bearbeitungsmaschinen, Messplatten und/oder mechanischer Messmittel geeignet sind. Sie weisen – wenn sie erfindungsgemäß hergestellt sind – eine ausreichende Genauigkeit aus. Auf diese Weise können hochpräzise Verbundkörper mit sehr harter Oberfläche erhalten werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nichtoxidkeramik ausgewählt aus der Gruppe umfassend Carbide, Nitride oder Mischungen davon. Bevorzugt ist die Nichtoxidkeramik ausgewählt aus der Gruppe umfassend Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Borcarbid und Bornitrid oder Mischungen davon, sowie davon abgeleitete Keramiken. Die Keramiken können noch weitere Bestandteile umfassen.
Die Nichtoxidkeramiken können auch als Gemisch vorliegen und/oder mit Zusatzstoffen versehen sein.
So umfasst Siliziumcarbid (SiC) auch siliziuminfiltriertes, reaktionsgebundenes SiC (RBSiC); siliziertes, rekristallisiertes SiC (SiSiC); rekristallisiertes SiC (RSiC); Siliziumnitrid gebundenes SiC(NSiC); drucklos gesintertes SiC (SSiC); Flüssigphasen gesintertes SiC(SSiC) oder silikatischgebundenes SiC.
Siliziumnitrid (Si₃N₄) kann gesintertes Si₃N₄ (SSN), reaktionsgebundenes Si₃N₄ (RBSN) und postgesintertes reaktionsgebundenes Si₃N₄ (SRBSN) umfassen.
Es hat sich vorteilhaft herausgestellt, wenn die Nichtoxidkeramiken geringe spezifische Gewichte aufweisen, sodass spezifische Gewichte zwischen 1,5 g/cm³ bis 5,0 g/cm³, vorzugsweise 2,0 g/cm³ bis 4,0 g/cm³, insbesondere 2,5 bis 3,5 g/cm³, bevorzugt werden. Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Nichtoxidkeramik im Temperaturbereich zwischen 20°C bis 100°C beträgt bevorzugt zwischen 0,5 × 10^–6 1/K bis 8,0 × 10^–6 1/K, vorzugsweise 2,5 × 10^–6 1/K bis 6,0 × 10^–6 1/K, insbesondere 4,0 × 10^–6 1/K bis 5,0 × 10^–6 1/K. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) der Nichtoxidkeramik weist bevorzugt Werte zwischen 200.000 N/mm² bis 500.000 N/mm², vorzugsweise 200.000 N/mm² bis 360.000 N/mm², insbesondere 220.000 N/mm² bis 300.000 N/mm² auf. Die Nichtoxidkeramik zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass sie im Wesentlichen keine Feuchtigkeitsaufnahme und ein reaktionsloses chemisches Verhalten aufweist. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Gefügestruktur der Nichtoxidkeramik im Wesentlichen frei von Lunkern und Inhomogenitäten ist.
Damit die Oberfläche der Keramik zusätzlich geschützt wird, ist die Keramik in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit einer Hartstoffschicht beschichtet. Solch eine Hartstoffschicht ist vorzugsweise aus Titankarbid-, Tantalkarbid-, Wolframkarbidschicht und/oder Mischungen hiervon.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Verbundkörper Teil einer Basis für Messmaschinen, Bearbeitungsmaschinen, Messplatten und/oder mechanische Messmittel. Solche Körper bzw. Aufbauten oder Untergestelle können beispielsweise für Maschinen wie Laserbearbeitungsmaschinen, Spindelstöcke, Leiterplattenbohrmaschinen, Pinolen für Messmaschinen, Messplatten etc., oder für mechanische Messgeräte wie Präzisions-Messsäulen, Mess-Winkeln, Prüfrahmen, Kalibrierwürfel, Messbalken oder dergleichen sein. Weitere Einsatzgebiete sind die weiter oben beschriebenen wie z.B. Industrie, Architektur, Denkmal-Herstellung und Pflege, Maschinenbau sowie der Bildhauerei. Weitere Einsatzgebiete sind dem Fachmann bekannt und sie werden von der Erfindung umfasst.
Die Erfindung umfasst ferner eine (oder mehrere) Vorrichtung(en), die einen Verbundkörper der beschriebenen Art aufweist.
Der erfindungsgemäße Verbundkörper kann erhalten werden, in dem die Nichtoxidkeramik mit Hilfe eines Zweikomponenten-Klebstoffes an den Natur- und/oder Kunststein angebracht, insbesondere verklebt, wird. Bei diesem Zweikomponenten-Klebstoff handelt es sich vorzugsweise um einen ausdehnungsarmen Klebstoff, insbesondere um einen, der im Wesentlichen den gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie die Keramik. Weiterhin zeichnet sich der erfindungsgemäße Klebstoff dadurch aus, dass die erste Komponente des Zweikomponenten-Klebstoffes vorzugsweise ein Epoxidharz ist. Die zweite Komponente des Zweikomponenten-Klebstoffes ist vorzugsweise ein Säureanhydrid und/oder Polyamin. Durch Verwendung dieses speziellen Klebstoffes ist es erst möglich, die Keramik derart an den Kunst- und/oder Naturstein anzubringen, dass sie nicht innerhalb kürzester Zeit von diesem abfällt. Nach Fertigstellung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers bestehend aus Natur- und/oder Kunststein und einer Keramik wird dieser vorzugsweise verpresst und ggf., sofern erforderlich, auf Genauigkeit hin verarbeitet.
Bereichsangaben umfassen stets alle – nicht genannten – Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundkörpers;
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines bevorzugten Verbundkörpers, bei dem die Nichtoxidkeramik(fliese) (104), der Natur- und/oder Kunststein (100) sowie der Klebstoff (102) erkennbar ist. Wie dargestellt, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Klebstoff nicht nur zwischen Nichtoxidkeramik und Stein (Natur- und/oder Kunststein) aufgebracht wird, sondern auch zwischen den einzelnen Nichtoxidkeramik(fliesen) selbst, weil dadurch eine zusätzliche (Rutsch) Festigkeit erzielt werden kann.
Es sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklichbar.

Claims

Verbundkörper, bestehend aus mindestens einem ersten Körper aus Natur- und/oder Kunststein und mindestens einem zweiten Körper aus Nichtoxidkeramik, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Keramik mittels eines Zweikomponenten-Klebstoffes an den Natur- und/oder Kunststein verklebt ist, wobei b) es sich bei dem Zweikomponenten-Klebstoff um einen ausdehnungsarmen Klebstoff handelt; c) der Verbundkörper mindestens als Teil einer Basis für Messmaschinen, Bearbeitungsmaschinen, Messplatten und/oder mechanischer Messmittel ausgebildet ist.
Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Naturstein um Granit handelt.
Verbundkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das spezifische Gewicht des Granits zwischen 2,5 kg/dm³ bis 3,5 kg/dm³, vorzugsweise 2,7 kg/dm³ bis 3,3 kg/dm³, insbesondere 2,99 kg/dm³, beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfestigkeit des Granits zwischen 250 N/mm² bis 320 N/mm², vorzugsweise 270 N/mm² bis 300 N/mm², insbesondere 280 N/mm², beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient des Granits im Temperaturbereich zwischen 20° C bis 100° C zwischen 4,5 × 10^–6 1/K bis 8.0 × 10^–6 1/K, vorzugsweise 4.7 × 10^–6 1/K bis 7.8 × 10^–6 1/K, insbesondere 5.0 × 10^–6 1/K bis 7.5 × 10^–6 1/K, beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul (E-Modul) des Granits zwischen 80.000 N/mm² bis 140.000 N/mm², vorzugsweise 90.000 N/mm² bis 130.000 N/mm², insbesondere 100.000 N/mm² bis 120.000 N/mm², beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegezugfestigkeit des Granits zwischen 11 N/mm² bis 24 N/mm², vorzugsweise zwischen 12 N/mm² bis 23 N/mm², insbesondere 13 N/mm² bis 22 N/mm², beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abriebfestigkeit des Granits zwischen 6 cm³/50 cm² bis 10 cm³/50 cm², vorzugsweise zwischen 7 cm³/50 cm² bis 9 cm³/50 cm², insbesondere 8 cm³/50 cm², beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vickershärte (HV) des Granits zwischen 830 HV bis 920 HV, vorzugsweise zwischen 840 HV bis 910 HV, insbesondere zwischen 850 HV bis 900 HV, beträgt.
Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfestigkeit des Kunststeins zwischen 120 N/mm² bis 190 N/mm², vorzugsweise 130 N/mm² bis 180 N/mm², insbesondere 140 N/mm² bis 170 N/mm², beträgt.
Verbundkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient des Kunststeins im Temperaturbereich zwischen 20° C bis 100° C zwischen 10 × 10^–6 1/K bis 22 × 10^–6 1/K, vorzugsweise 11 × 10^–6 1/K bis 21 × 10^–6 1/K, insbesondere 12 × 10^–6 1/K bis 20 × 10^–6 1/K, beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul (E-Modul) des Kunststeins zwischen 10.000 N/mm² bis 60.000 N/mm², vorzugsweise 20.000 N/mm² bis 50.000 N/mm², insbesondere 30.000 N/mm² bis 40.000 N/mm², beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegezugfestigkeit des Kunststeins zwischen 23 N/mm² bis 42 N/mm², vorzugsweise zwischen 24 N/mm² bis 41 N/mm², insbesondere 25 N/mm² bis 40 N/mm², beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Dichte des Kunststeins zwischen 1,9 g/cm³ bis 2,7 g/cm³, vorzugsweise 2,0 g/cm³ bis 2,6 g/cm³, insbesondere 2,1 g/cm³ bis 2,4 g/cm³, beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Kunststeins zwischen 1,1 W/mK bis 2,2 W/mK, vorzugsweise zwischen 1,2 W/mK bis 2,1 W/mK, insbesondere 1,3 W/mK bis 2,0 W/mK, beträgt.
Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nichtoxidkeramik ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Carbide, Nitride oder Mischungen davon.
Verbundkörper nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nichtoxidkeramik ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Borcarbid und Bornitrid oder Mischungen davon, sowie davon abgeleitete Keramiken.
Verbundkörper nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Nichtoxidkeramik ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Siliziumcarbid (SiC), siliziuminfiltriertes, reaktionsgebundenes SiC (RBSiC); siliziertes, rekristallisiertes SiC (SiSiC); rekristallisiertes SiC (RSiC); Siliziumnitrid gebundenes SiC(NSiC); drucklos gesintertes SiC (SSiC); Flüssigphasen gesintertes SiC(SSiC) oder silikatischgebundenes SiC.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das spezifische Gewicht der Nichtoxidkeramik zwischen 1,5 g/cm³ bis 5,0 g/cm³ beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient der Nichtoxidkeramik im Temperaturbereich zwischen 20°C bis 100°C zwischen 0,5 × 10^–6 1/K bis 8,0 × 10^–6 1/K beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul (E-Modul) der Nichtoxidkeramik zwischen 200.000 N/mm² bis 500.000 N/mm² beträgt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Nichtoxidkeramik im Wesentlichen keine Feuchtigkeitsaufnahme und ein reaktionsloses chemisches Verhalten aufweist.
Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nichtoxidkeramik mit einer Hartstoffschicht beschichtet ist.
Verbundkörper nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Hartstoffschicht um eine Titankarbid-, Tantalkarbid-, Wolframkarbidschicht und/oder Mischungen hiervon handelt.
Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Komponente des Zweikomponenten-Klebstoffes um ein Epoxidharz handelt.
Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zweiten Komponente des Zweikomponenten-Klebstoffes um ein Säureanhydrid und/oder Polyamin handelt.
Basis für Messmaschinen, Bearbeitungsmaschinen, Messplatten und/oder mechanische Messmittel umfassend einen Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.