DE2212376A1

DE2212376A1 - Keramisches Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2212376A1
Application number: DE19722212376
Authority: DE
Inventors: Boyce Walter A
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-03-22
Filing date: 1972-03-15
Publication date: 1972-10-05
Also published as: CA968813A; NL7203779A; GB1379986A; MY7500180A; JPS4734409A; FR2130548B1; BE780962A; FR2130548A1; IT950481B; US3941604A; ES400382A1

Description

DlPL.-iNG. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 9. März 1972

, westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Keramisches Bauteil und Verfahren
zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf keramische Gegenstände oder Bauteile, insbesondere auf Stoffe und Verfahren, die es erlauben, solche Bauteile mit niedrigen Kosten auf Massenproduktionsbasis zu fertigen.

Es sind bereits eine Reihe Verfahren zur Herstellung unterschiedlicher Arten von Gegenständen bekannt, die von glasbildenden Materialien, pulverförmigern Glas oder Quarz Gebrauch machen.

Diese bekannten Verfahren und Stoffe haben sich allgemein insofern als nicht zufriedenstellend erwiesen, als sie hohe Brenntemperaturen oder lange Brennzeiten, teure Ausgangsmaterialien und Spezialformen oder auch zeitraubende Vorgänge erforderten, die jeweils für sich oder auch gemeinsam eine wirksame Massenfertigung nicht zuließen.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, Stoffe bzw. Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auf einfache Weise auch eine Fertigung auf Massenproduktionsbasis möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind keramische Bauteile erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sie ein gepreßtes und gebranntes

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Gemisch aus Ton, pulverförmigem Glas und mindestens einem der Minerale Wollastonit, Petalit und Töpfer-Feuerstein aufweisen.

Günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn das Gemisch im wesentlichen aus 10 bis 25 Gew% Mineral, 25 bis 45 Gew% Bindeton und 25 bis 45 Gew% pulverförmigem Glas besteht.

Das Gemisch kann außerdem auch bis zu 5 Gew% Bentonit und/oder bis zu 5 Gew% eines anorganischen Farbstoffs enthalten.

Wenn das keramische Bauteil als keramischer Isoliereinsatz für den Sockel einer elektrischen Lampe oder einer ähnlichen Vorrichtung ausgebildet ist, so erweist sich ein druckgeformtes und gebranntes Gemisch aus etwa 10 bis 25 Gew% Wollastonit, 25 bis 45 Gew% Bindeton und 25 bis 45 Gew% pulverförmigem Glas mit einem Erweichungspunkt unter 800° C als besonders zufriedenstellend.

Die Herstellung eines keramischen Bauteils nach der Erfindung erfolgt vorteilhafterweise dadurch, daß bestimmte Mengen Ton, mindestens eins der Minerale Wollastonit, Talk, Petalit und Töpfer-Feuerstein sowie pulverförmiges Glas zu einem feinpulvrigen Ausgangsstoff gemischt, dieser Ausgangsstoff in eine Form gebracht und mit deren Hilfe zu einem Preßling verformt, hierauf der Preßling aus der Form entfernt und auf eine oberhalb des Erweichungspunktes des pulverförmigen Glases liegende Temperatur erhitzt und schließlich der Preßling auf dieser Temperatur gehalten wird, bis er in einen ausgehärteten keramischen Körper umgewandelt worden ist.

Vorzugsweise werden keramische Isoliereinsätze für die Sockel elektrischer Lampen oder ähnlicher Vorrichtungen derart hergestellt, daß zwischen 25 und 45 Gew% Bindeton, 10 bis 25 Gew% Wollastonit und 25 bis 45 Gew% pulverförmiges Glas mit einem Erweichungspunkt unter 800O c, insbesondere pulverförmiges Natronkalk-Silikatglas, miteinander gemischt, der Preßling durch Ausübung eines Formdruckes von etwa 70 kg/cm2 bis 500 kg/cm² auf den erhaltenen Ausgangsstoff geformt und anschließend der Preßling auf

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eine Temperatur im Bereich zwischen 800 und 1100° C erhitzt und zwischen 10 Minuten und einer Stunde, auf dieser Temperatur gehalten wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Glühlampenkolbens mit einem Sockel, der einen entsprechend der vorliegenden Erfindung vorgeformten Isoliereinsatz aufweist;

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab eine perspektivische Ansicht des vorgeformten keramischen Isoliereinsatzes, wie er in der mit Fig. 1 gezeigten Lampe Verwendung findet; und

Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die verschiedenen Schritte bei der Herstellung eines Gegenstandes entsprechend einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.

Der Stoff und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung lassen sich zur Herstellung verschiedener Arten keramischer Artikel oder Bauteile einsetzen, jedoch eignet sich die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit der Fertigung von Isoliereinsätzen für die Sockel elektrischer Lampen, wie sie allgemein zu Beleuchtungszwecken dienen. Wie mit Fig. 1 gezeigt, weist eine solche Lampe in üblicher Weise einen Glaskolben 12 auf, der eine geeignete Lichtquelle wie eine Wolframwendel (nicht dargestellt) schützend umschließt und mit einem dicht abgeschlossenen Halsabschnitt 13 in einem Sockel 14 sitzt. Dieser Sockel 14 hat eine Gewindehülse 15 aus Metall, an deren unterem Ende sich ein vorgeformter keramischer Isoliereinsatz 16 befindet, der im Verhältnis zu der Gewindehülse 15 durch eine längs des Umfangs verlaufende Einschnürung 17 festgelegt ist und eine Kontaktplatte 20 aus Metall hat, die im Preßsitz auf das Ende des Isoliereinsatzes 16 aufgepaßt ist und

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als einer der Lampenkontakte dient.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat der Isoliereinsatz 16 knopfartige Gestalt und eine ebene Randzone 18 sowie einen vorspringenden kegelstumpf förmigen Mittelbereich 19, der in einen zylindrischen Vorsprung 21 mit einem abgefasten Rand übergeht. Eine zentrische Öffnung 22 des Vorsprungs 21 gestattet es, einen der Zuführungsdrähte der Lampe 10 durch den Isoliereinsatz 16 zu führen und mit der Kontaktplatte 20 zu verbinden.

Nach der Erfindung ist der keramische Isoliereinsatz (bzw. ein entsprechendes anderes Bauteil) aus einem Ausgangsmaterial hergestellt, das bestimmte Mengen Ton, pulverförmiges Glas sowie hitzebeständiges Material (Wollastonit, Talk, Petalit oder Töpfer-Feuerstein) als wesentliche Bestandteile enthält. Es können verschiedene Tonarten Verwendung finden, jedoch ist Bindeton der Vorzug zu geben. Ausgezeichnete Ergebnisse ließen sich mit einem Bindeton erzielen, der von der Kentucky-Tennessee Company unter der Handelsbezeichnung "Old Mine Nr. 4" auf den Markt gebracht wird. Bindetone sind in der Keramiktechnik allgemein bekannt und werden entsprechend ihren Eigenschaften und ihrer Ursprungsstätte klassifiziert, wie das in einem Aufsatz "Bail Clay Classification" - veröffentlicht S. 59 ff. in der Juli 1970-Ausgabe der Zeitschrift "Ceramic Age" - erläutert ist.

Wollastonit ist ein Calciumsilikat (CaSiOß), das natürlich in der Form einer weißen faserigen Masse vorkommt und seinen iiamen von W. H. Wollaston, einem englischen Chemiker, ableitet, der im Jahre 1828 starb. Es schmilzt bei 1540° C.

Talk ist ebenfalls ein natürlich vorkommendes Mineral, insbesondere Ü2Mg3(SiO3)4, ein Magnesiumsilikat (Schmelzpunkt oberhalb 1400° C). Es handelt sich dabei um ein weiches, grün-graues Material, das in verschiedenen Arten wie Speckstein, Steatit etc. vorkommt.

Petalit ist ein Lithium-Aluminium-Silikat mit der cheraischen For-

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rael LiAl(Si2O5)2· ^£s hat einen Schmelzpunkt von etwa 1400° C und tritt in der iiatur in Form farbloser oder weißer (und manchmal rötlicher oder grünlicher) geblätterter (schiefriger) spaltbarer Massen oder monokliner Kristalle auf.

Töpfer-Feuerstein ist gemahlener Sandstein und Quarzit und daher kein echter Feuerstein. Jedoch enthält dieses Material große Mengen an SiO₂.+) (potter's flint)

Es können verschiedene Arten Abfallglas pulverförmig gemahlen und in dem Ausgangsmaterial verwendet werden, wobei jedoch einem Glas mit niedrigem Erweichungspunkt (unter etwa 800° C) der Vorzug gegeben wird, da dadurch sowohl die Brenntemperatur als auch die Brenndauer herabgeset^z^mß somit die Gegenstände oder Bauteile sich auf Massenproduktionsbasis rasch herstellen lassen - im Hinblick auf Lampensockel eine wesentliche Forderung. Ausgezeichnete Ergebnisse ließen sich mit Glasbrocken erhalten, d. h. dem Abfallglas, wie es bei der Herstellung elektrischer Lampen anfällt, wenn die Wendelhalterung dicht in das Ende des Glaskolbens eingeschmolzen und der überschüssige Bodenabschnitt oder "Brocken"-Teil des Kolbens entfernt wird. Solche Glasbrocken fallen ebenfalls bei der Herstellung von Glasröhren für Leuchtstofflampen an, so daß sehr große Mengen davon in bequemer Weise bei sehr niedrigen Kosten zur Verfügung stehen.

Technisch gesehen handelt es sich bei dem die "Glasbrocken" bildenden Material um Natronkalk-Silikatglas mit einem Erweichungspunkt von annähernd 693° C und einem Arbeitsbereich von etwa 1000° C. Die chemische Zusammensetzung dieser Glasart und die Bereiche der verschiedenen Bestandteile sowie die speziellen Mengen, die in einem herkömmlichen Glas dieser Art in der Lampenindustrie für die Herstellung von Lampenkolben verwendet werden, sind nachstehend in der Tabelle I zusaramengesteilt, wobei die Anteile in Gew% bezogen auf die "Charge" angegeben sind.

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Tabelle I - Zusammensetzung von Matronkalk-Silikatglas

Bestandteil	Anteil (Gew%)	Kolbenglas (Gew%)
SiO₂	60-75	72,5
Na₂O	5-18	16,5
CaO-^ MgOJ	4-13	5_t3 3,7
Al₂O₃	0,5-3,4	1»7
K₂O	0,1-2	O_t18

Ebenso können gewünschtenfalls kleine Anteile an As₂O3 oder Sb₂O₃ als Verfeinerungsstoffe enthalten sein.

Es ist zwar Natronkalk-Silikatglas der Vorzug zu geben, v/eil es auch bei der Herstellung von Flaschen und anderen Behältern Verwendung findet und insofern auch bequem als Abfallglas zur Verfügung steht, jedoch können auch andere Gläser mit niedrigem Schmelzpunkt wie allgemein bekannte Kalk- oder Bleigläser verwendet werden.

Ebenso kann in dem Ausgangsmaterial ein kleiner Anteil an Bentonit enthalten sein. Eentonit ist ein Magnesiumaiu miniumsilikat (MgO. Al₂O₃.4SiO₂.nH₂0) - ein natürlich vorkommendes tonartiges Material, das nach dem ersten Fundort Fort Benton im oberen Missourital benannt wurde.

Ferner kann eine kleine Menge an anorganischem Farbstoff in dem Ausgangsmaterial enthalten sein, um eine unterscheidungsfähige Grundfarbe zu erhalten. Beispielsweise ergibt eine sehr kleine Menge Kobalt oxid einen blauen Keramikkörper, während Mangandioxid eine gräuliche Farbe und Eisenoxid eine rötliche Grundfarbe ergibt. Die natürliche Farbe des Stoffes ist nach dem Brennen ein angenehmes Milchweiß.

Die zulässigen Bereiche der verschiedenen Bestandteile sowie ein

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bevorzugter Stoff werden in der nachstehenden Tabelle II angegeben:

Tabelle II - Ausgangsmaterial

Bestandteil	Bereich (Gew%)	Bevorzugt (Gew%)	Charge Gewicht (g)
Pulverförmi ges Natron kalk-Sili katglas	25-45	40	40
Bindeton	25-45	40	40
Wollastonit	10-25	16	16
Bentonit	0-5	4	4
Anorganischer Farbstoff	0-5	-	4

In der vorstehenden Tabelle ist Wollastonit angegeben, jedoch kann statt dessen ebenso die gleiche Menge Talk, Petalit oder Töpfer-Feuerstein oder ein Gemisch aus diesen Mineralien (wobei dieses Gemisch auch Wollastonit einschließen kann) vorgesehen sein.

Wie mit dem Flußdiagramm der Fig. 3 veranschaulicht, werden zunächst die Glasbrocken oder anderes Abfallglas zerkleinert und in einer Kugelmühle behandelt. Entsprechend einem speziellen Beispiel werden die Glasbrocken in Partikel unterteilt, die durch ein 10-Mesh-Sieb gehen, wobei eine Kugelmühle mit einem Volumen von ca. 3,8 1 mit 1200 g Glaspartikeln und 1000 cm³ Isopropylalkohol angefüllt wird. Unter diesen Umständen wird das Gemisch 24 Std. lang gemahlen. Der Alkohol wird dann zur Verdampfung gebracht, so daß man ein pulverförmiges Glasmaterial mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 5 Mikron (gemessen mit einem Fisher Subsieve Sizer) erhält.

Es werden dann Formelgewichte der verschiedenen Bestandteile in 200 g-Chargen ausgewogen und in eine Kugelmühle mit einem Volumen von etwa O,95 1 zusammen mit 250 cm³ Isopropylalkohol gegeben. Dieses Gemisch wird etwa 4 Stunden lang gemahlen. Der Alkohol wird

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zur Verdampfung gebracht, so daß das Rohgemisch erhalten wird, das für den Trockenpreß- oder Formvorgang verwendet wird. Eine abgemessene Menge dieses Stoffes (beispielsweise zwischen 2 und 3,5 g, wenn es sich um einen Isoliereinsatz für einen Sockel mit mittlerem Gewindedurchmesser handelt, wie er in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist) wird in eine gehärtete Stahlform gegeben und einem Druck im Bereich von etwa 70 kg/cm² bis 500 kg/cm² ausgesetzt. Der erhaltene, noch ungebrannte (grüne) Preßling wird in einen Ofen gebracht und in Luft bei einer oberhalb des Erweichungspunktes des Glases liegenden Temperatur lange genug gebrannt, um das pulverförmige Glas zu schmelzen und den Preßling in einen harten keramischen Gegenstand mit einem sehr dichten, undurchlässigen Aufbau umzuformen.

Für das Ausgangsmaterial der Tabelle II, das pulverförmiges Natronkalk-Silikatglas enthält, sollen die grünen Preßlinge bei einer Temperatur oberhalb 800° C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 1000° C und 1050° C 10 Minuten bis eine Stunde lang gebrannt werden. Naturgemäß ändern sich die Dichte und die Porosität des fertiggestellten keramischen Gegenstandes je nach der speziellen Rohstoffzusammensetzung, dem Preßdruck sowie der Brenndauer und Brenntemperatur.

Für den bevorzugten Ausgangsstoff der Tabelle II liegt der optimale Preß- bzw. Formdruck bei etwa 350 kg/cm² und die optimale Brenndauer bei etwa 15 bis 45 Minuten, mit einer Temperatur zwischen etwa lOOOO c und 1050° C. Auf diese Weise hergestellte keramische Körper haben eine Druckdichte von etwa 1,5 g/cm², nach 40-minütigem Brennen bei 1050° C eine Dichte von etwa 1,9 g/cm², eine Absorption im Bereich zwischen etwa 0,5 % und 6 % und einen Schrumpffaktor von etwa 8 bis 12 %, bezogen auf ihre dem gepreßten Zustand entsprechenden Abmessungen.

Um den Trockenform-Vorgang zu erleichtern und stärkere Preßlinge zu erhalten, die sich einfach handhaben lassen, ohne zu Bruch zu gehen, soll dem Ausgangsstoff nach Möglichkeit ein geeignetes Binde-/Schmiermittel zugegeben werden, nachdem der Kugelmahl-Vor-

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gang abgeschlossen worden ist. Entsprechend einem speziellen Beispiel ließen sich ausgezeichnete Ergebnisse erhalten, indem in den Ausgangsstoff etwa 2,5 Gew% eines wachsemulsionsartigen Binde-/ Schmiermittels eingemischt wurden, das von der Mobil Oil Company unter der Handelsbezeichnung "Cerumul C" vertrieben wird und ein Nebenprodukt der Erdöldestillation bildet. Naturgemäß "brennt" dieses Material während des Brennvorgangs aus dem Preßling aus, so daß es in dem fertiggestellten Keramikkörper nicht mehr anwesend ist.

Das Herausnehmen des Preßlings aus der Form kann dadurch erleichtert werden, daß etwa 0,5 Gew% Zinkstearat in den Ausgangsstoff gemischt werden, nachdem das vorgenannte Binde-/Schmiermittel zugemischt worden ist. Das Zinkstearat verhindert gleichzeitig eine übermäßige Abnutzung der Formstempel und trägt somit zu einer Verlängerung deren Lebensdauer bei. "

Patentansprüche:

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Claims

- 10 Patentansprüche ;

1. Keramisches Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß es ein gepreßtes und gebranntes Gemisch aus Ton, pulverformigem Glas und mindestens einem der Minerale Wollastonit, Petalit und Töpfer-Feuerstein aufweist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch im wesentlichen 10 bis 25 Gew% des Minerals, 25 bis 45 Gew% Bindeton und 25 bis 45 Gew% pulverförmiges Glas aufweist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch ferner bis zu 5 Gew% Bentonit enthält.

4. Bauteil nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch außerdem bis zu 5 Gew% eines anorganischen Farbstoffs enthält.

5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der anorganische Farbstoff Kobaltoxid, Manganoxid oder Eisenoxid ist.

6. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, das als keramischer Isoliereinsatz für den Sockel einer elektrischen Lampe oder einer ähnlichen Vorrichtung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch druckgeformt und gebrannt ist und zwischen 10 und 25 Gew% Wollastonit, zwischen 25 und 45 Gew% Bindeton und zwischen 25 bis 45 Gew% pulverförmiges Glas mit einem Erweichungspunkt unterhalb 8OO° C enthält.

7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Glas Natronkalk-Silikatglas ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß ber stimmte Mengen Ton, mindestens eines der Minerale Wollastonit, Talk, Petalit und Töpfer-Feuerstein sowie pulverförmiges Glas

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zu einem feinpulvrigen Ausgangsstoff gemischt, dieser Ausgangsstoff in eine Form gebracht und mit deren Hilfe zu einem Preßling verformt, hierauf der Preßling aus der Form entfernt und auf eine oberhalb des Erweichungspunktes des pulverförmigen Glases liegende Temperatur erhitzt und schließlich der Preßling auf dieser Temperatur gehalten wird, bis er in einen ausgehärteten keramischen Körper umgewandelt worden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Glas einen Erweichungspunkt hat, der unterhalb 800 C liegt, und der ungebrannte (grüne) Preßling auf eine Temperatur von mindestens 800° C aufgeheizt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, insbesondere für die Herstellung keramischer Isoliereinsätze für die Sockel elektrischer Lampen oder ähnlicher Vorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 25 und 45 Gew% Bindeton, 10 bis 25 Gew% Wollastonit und 25 bis 45 Gew% pulverförmiges Glas mit einem Erweichungspunkt unter 800° C, insbesondere pulverförmiges Natronkalk-Silikatglas, miteinander gemischt, der Preßling

2 durch Ausübung eines Formdruckes von etwa 70 kg/cm bis

2
500 kg/cm auf den erhaltenen Ausgangsstoff geformt und anschließend der Preßling auf eine Temperatur im Bereich zwischen 800 und 1100° C erhitzt und zwischen 10 Minuten einer Stunde auf dieser Temperatur gehalten wird.

KN/hs/sb 3

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