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"Verfahren zur Bearbeitung und Formgebung von Glas bei
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niedrigen Viskositäten" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Bearbeitung und Formgebung von Glas bei niedrigen Viskositäten in einem Werkzeug,
das an der Oberfläche kohlenstoffhaltiges Material enthält.
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Zur Herstellung von Glaswerkstücken ist eine Bearbeitung des Glases
in oder mit Werkzeugen erforderlich, an denen das schmelzflüssige Glas nicht anhaften
kann, um einwandfreie Werkstückoberflächen zu erreichen.
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Aus der DE-OS 25 33 745 ist es bekannt, eine Form zur Herstellung
von Glühlampenkolben mit einer dünnen Schicht aus Korkmehl auszukleiden, um eine
Haftung zwischen dem schmelzflüssigen Glasposten und der Form auszuscheiden.
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Glühlampenkolben werden durch das sogenannte Festblasen hergestellt,
wobei das schmelzflüssige Glas mit Luft in die Form eingeblasen wird. Das Korkmehl
vertohlt bei der Berührung mit dem heißen Glas und das Wertstück haftet beim Ausblasen
des Lampenkolbens nicht an der Form. Zur Verbesserung der Oberflächenqualität der
hergestellten Glas erzeugnisse sowie zur Beeinflussung des Temperaturgefälles zwischen
der kalten Form und dem heißen Glas wird bei derartigen Formen außerdem durch Einbringen
von FeuchtigKeit in die Form ein Dampffilm zwischen dem Glas und der Form erzeugt,
der ebenfalls die Haftung des Glases an der Form vermindern soll.
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Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist, daß die Rückstände des verkohlte
Korkmehles die Oberflächenqualität des Glaspostens bzw. des Glaswerkatückes durch
Strukturfehler nachteilig beeinflussen und daß die Rückstände durch aufwendige
mechanische
Bearbeitung vom Werkstück entfernt werden müssen.
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Haftungsprobleme treten nicht nur bei der Formgebung von Glaswerkstücken
auf, sondern z.B. auch beim Tempern von schmelzflüssigem Glas.
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Zur Herstellung von Glaswerkstücxen ist z.B. eine Portionier rung
der Glasschmelze erforderlich. Dies geschieht in bekannter Weise dadurch, daß ein
über einen Speiser aus der Glasschmelzwanne austretender Strang aus flüssigem Glas
mechanisch mit einer Abschneidevorrichtung in Portionen aufgeteilt wird, die sofort
weiterverarbeitet werden. Durch das Einschneiden der Kalten Messer der Abachneidevorrichtung
kuhlt die abgeteilte Glasmenge, der Glasposten, an den Schnittflächen stark ab und
an den Schneidkanten der Messer der Abschneidevorrichtung werden häufig Luftblasen
und Unebenheiten im Glasposten erzeugt, die wegen der oberflächlichen Abkühlung
des Glaspostens nicht mehr ausheilen können. Bei einem sofort anschließenden Weiterverarbeitungsprozeß,
z.B. Verpressen des Glaspostens in einer geeigneten Form, bleiben daher diese Fehler
erhalten und sind in der Regel an der Oberfläche des fertigen Werkstückes gut sichtbar.
Dies ist unerwünscht und deswegen wurden die verschiedensten Versuche unternommen,
durch veränderte Bedingungen beim Abtrennen der Glasposten derartige Fehler zu vermeiden.
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Aus der DE-OS 28 02 734 ist zu diesem Zweck ein Zwischentiegel aus
porösem festem Kohlenstoff (glasartiger Kohlenstoff , Graphit, Kohlenstoffschaum)
bekannt, in welchem der Glasposten nach Entnahme aus der Glaswanne noch einmal so
hoch aufgeheizt wird, daß seine Viskosität mindestens gleich der Viskosität der
Glasschmelze, aus der er entnommen wurde, wird. Auf diese Weise können die oben
geschilderten Fehler (SchneidmarKen) am Glasposten ausgeheilt werden.
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Es hat sich hierbei jedoch gezeigt, daß die zur Ausheilung
von
groberen Schneidmarken erforderliche längere Standzeit des Glaspostens in dem Zwischentiegel
trotz des durch die Glasschmelze nicht benetzbaren Tiegelmaterials (glasartiger
Kohlenstoff oder Graphit) dazu führen kann, daß sich Glasschmelze in den Poren des
Tiegelmaterials festsetzt oder daß abgedampfte Glaskomponenten, die auf der Tiegeloberfläche
wieder kondensieren, als Haftzentren wirken. An derartigen Stellen kann bevorzugt
eine Hatung zwischen dem Glas und dem Tiegel auftreten, was beim Aufkippen des Glaspostens
zum Fadenziehen führt. Solche Glasposten Können einer weiteren Formgebungsbearbeitung
nicht unterzogen werden, da das Weiterbearbeitungswerkzeug durch die rasch erstarrenden
Glasfäden beschädigt würde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bearbeitung
und Formgebung von Glas bei niedrigen Vistositäten zu schaffen, das eine Haftung
des schmelzflüssigen Glases am Werkzeug mit Sicherheit ausschließt, das aber auch
zugleich eine fehlerlose, einwandfreie Oberfläche des Glases nach Entfernen aus
dem Werkzeug gewährleistet, ohne daß eine aufwendige mechanische Nachbearbeitung
der Glasoberfläche erforderlich wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das kohlenstoffhaltige
Material vor Einbringen des Glases an den mit dem Glas in Berührung kommenden Oberflächen
des Werkzeuges haftend durch schwache Bindungakräfte, wie van der Waals- oder Coulomb-Kräfte,
angebracht und vor Weit er bearbeitung des in das Werkzeug eingebrachten Glases
verflüchtigt und/oder zersetzt wird.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird als kohlenstoffhaltiges
Material eine Schicht aus Kohlenstoffteilchen einer Korngröße von 0,002 bis 100
um in einer Schichtdicke im Bereich von 1 - 1000 um angebracht, wobei nach weiteren
vorteilhaften Ausbildungen der Erfindung die
Schicht entweder durch
Abscheiden von Kohlenstoff aus einem Gasstrom aus einem Inertgas und einem Kohlenwasserstoffgas
auf der erhitzten Werkzeugoberfläche gebildet wird, wobei insbesondere ein Gasstrom
aus Argon und Methan eines Partialdruckes im Bereich von 1 - 250 mbar bei Normaldruck
mit einer Strömungsgeschwindigxeit im Bereich von 1 - 20 l/h auf das auf eine Temperatur
im Bereich von 12000C bis 14000C erhitzte Werkzeug geleitet wird, oder die Schicht
als Rußschicht mit Hilfe einer Petroleumflamme auf den auf eine Temperatur bis maximal
4000C erhitzten Oberflächen des Werkzeuges abgeschieden wird.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß auch bei Werkzeugen komplizierterer
Formgebung für alle Flächen des Werkzeuges die mit dem schmelzflüssigen Glas in
Berührung kommen, eine die Haftung ausschließende Zwischenschicht zwischen WerK-zeug
und Glas erreicht werden kann, wobei ein einwandfreies Lösen des Glases vom Werkzeug
dann gewährleistet ist, wenn die Schichtdicke der Zwischenschicht größer ist als
die Eindringtiefe des schmelzflüssigen Glases. Wegen der geringen Benetzung reichen
schon Schichtdicken von 50 - 100 gm aus, bei besonders heißem schmelzflüssigem Glas
mit Viskositäten im Bereich von 10 bis 100 Pa s ist jedoch unter Umständen eine
etwas größere Schichtdicke zweckmäßig, da infolge der verringerten Viskosität des
Glases seine Eindringtiefe größer wird.
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Das Glas zeigt nach Beendigung des Bearbeitungsprozesses eine absolut
einwandfreie Oberfläche, da der Kohlenstoff in der gewählten Modifikation rückstandslos
oxidierbar ist.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Schicht durch
Aufstreuen von Kohlenstoffpulver einer Korngröße von 1 - 100 um, vorzugsweise 10
bis 30 um, in einer Schichtdicke von ru 50 bis 1000 um, vorzugsweise 100 um, mit
einer Streuvorrichtung aufgebracht.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die
Schicht auf ein Werkzeug aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht,
wobei zwischen Streuvorrichtung und Werkzeug ein eleKtrisches Feld im Bereich von
100 - 3000 V/cm angelegt wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
die Schicht mittels einer, ein Treibgas und Kohlenstoffpulver einer Korngröße im
Bereich von 10 - 30 um enthaltenden Sprühvorrichtung auf die Werkzeugoberflächen
aufgesprüht. Diese Art des Aufbringens des Kohlenstoffpulvers ist besonders für
die Automatisierung großtechnischer Fertigungsabläufe geeignet.
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Bei beiden Verfahrensarten, dem Aufstreuen sowie dem Aufsprühen von
Kohlenstoffpulver ergibt sich der Vorteil, daß auch schräge Flächen gleichmäßig
mit Kohlenstoffteilchen beschicKt werden können.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird als kohlenstoffhaltiges
Material eine Folie mit reiner, teilweise bis ganz verkokter Kunstharzbindung, insbesondere
aus Phenolharzen, Furfurylalkoholen, Epoxidharzen oder Polyimiden auf die Werkzeugoberfläche
aufgelegt. Dieses Vorgehen bietet seine besonderen Vorteile bei Werkzeugen einfacherer
geometrischer Formgebung dadurch, daß Folienteile vorfabriziert werden können und
ohne großen technischen Aufwand, also insbesondere schnell und einfach, auf das
Werkzeug aufzubringen sind. Auch hier ergeben sich einwandfreie Oberflächen des
Glases, die nicht nachbearbeitet zu werden brauchen, da die Folie gemeinsam mit
dem Glasposten leicht aus dem Werkzeug und durch anschließende Oxidation ebenfalls
leicht und schnell von der Oberfläche des Glases entfernbar ist.
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Ein besonderer Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist,
daß
die Zwischenschichten oder Zwischenfolien am heißen Werkzeug angebracht werden können,
ein laufender Fertigungsprozeß also nicht unterbrochen zu werden braucht.
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Die Anwendung des die Haftung von schmelzflüssigem Glas an einem Werkzeug
ausschließenden kohlenstoffhaltigen Materials in Form einer Rußschicht, einer Schicht
aus größeren Kohlenstoffteilchen oder einer Folie aus glasartigem Kohlenstoff wird
beschrieben werden anhand einer Vorrichtung, die zur Zwischenerhitzung eines aus
einer Glaswanne entnommenen Glaspostens zur Ausheilung von durch eine Glasschere
zur Portionierung des Glases verursachten Schneidmarken eingesetzt wird.
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Wie bereits erwähnt, treten Haftungsprobleme auch an Glasformen auf,
die der endgültigen Formgebung des Glases dienen, wie Formen zum Festblasen oder
Gießen oder Pressen oder Schleudern. Auch hier kann die Haftung des Glases am Werkzeug
mit Hilfe des an den mit dem Glas in Berührung kommenden Oberflächen des Werkzeuges
angebrachten kohlenstoffhaltigen Materials ausgeschlossen werden.
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Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben
und ihre Wirkungsweise erläutert.
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Es zeigen Fig. la bis 7c einzelne Bearbeitungsstufen beim Tempern
von abgeteilten Glasposten in einem Zwischentiegel, Fig. 2a und 2b Zwischentiegel,
versehen mit kohlenstoffhaltigem Material gemäß der Erfindung in vergrößerter Darstellung
im Schnitt, Fig. 3a und 3b Weiterverarbeitung eines Glaspostens nach einem Temperprozeß
in einem Ofen mit einem Tiegel in Schnittdarstellung.
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In Fig. la ist ein Glasstrang 1 dargestellt, der eine nicht dargestellte
Schmelzwanne über einen Speiser 3 verläßt. Das Austrittsende 11 des Glasstranges
1 ist hier noch verrundet, zeigt also noch keine durch eine Glasschere verursachte
Schneidmarke. Wird dieser Glas strang 1 mit Messern 5, wie in Fig. Ib dargestellt,
portionsweise abgetrennt, entsteht an der Schnittstelle eine Schneidmarke 7, vergleiche
Fig. Ic. Diese Schneidmarke 7 Kann durch ein Zurückziehen des Glas stranges 1 in
den Speiser 3 und durch das damit-verbundene Wiedererwärmen des unteren Endes des
Glas stranges 1 ausgeheilt werden, vergleiche Glasposten 9 in Fig. Ic. Nicht ausgeheilt
werden kann jedoch die neue Schneidmarke 77, da während des freien Falls des Glaspostens
9 in eine Form diese Schnittfläche von außen nicht mehr schnell genug aufgeheizt
werden kann.
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Zur Ausheilung auch der Schneidmarke 77 wird der Glasposten 9 zunächst
in einen, in einem Mufflelofen 29 unter Schutzgasatmosphäre befindlichen, auf eine
Temperatur im Bereich von 800 bis 14000C aufgeheizten Zwischentiegel 21 gegeben,
der an seinen Oberflächen, die mit dem Glasposten 9 Kontakt haben werden, mit kohlenstoffhaltigem
Material, z.B. einer Folie 25 mit reiner, teilweise bis ganz vertowter Kunstharzbindung,
ausgekleidet ist (vgl. auch vergrößerte Darstellung des Tiegels 21 in Fig. 2a und
2b). Der Muffelofen 29 ist mit einem Verschluß 13 gegenüber der Außenatmosphäre
abgeschlossen.
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Während der Dauer des Verweilens des Glaspostens 9 im Tiegel 21, deren
Länge sich nach der Ausheilzeit der Schneidmarke 77 richtet, werden je nach Art
der Auskleidung mit kohlenstoffhaltigem Material unterschiedliche ReaKtionen eintreten.
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Lose gebundene Kohlenstoffpartikel, wie sie mit einer Schicht 23 aus
Ruß oder aus groberem Kohlenstoffpulver vorliegen, werden schneller unter Hitze-
und Lufteinwir-
kung oxidieren und sich damit rückstandslos vom
Glasposten 9 verflüchtigen als eine Folie 25 mit reiner, teilweise bis ganz verkoktes
Kunstharzbindung.
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Zur raschen Entfernung der Folie 25 kann diese mit Hilfe z.B. eines
Gasbrenners vom Glasposten 9 entfernt werden, wenn dieser aus dem Zwischentiegel
21 fällt. Da die Folie 25 rückstandslos verbrennt, behält der Glasposten 9 eine
einwandfreie Oberfläche.
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In den Fig. 2a und 2b ist der Zwischentiegel 21 zum Tempern eines
Glaspostens noch einmal in vergrößerter Schnittdarstellung gezeigt. Mit dem Bezugszeichen
23 ist die durch schwache Bindungskräfte haftende Schicht aus Kohlenstoffteilchen
einer Korngröße von 0,002 bis 100 um dargestellt Mit dem Bezugszeichen 25 ist die
auf die Innenoberfläche des Tiegels 21 aufgelegte Folie 25 mit reiner, teilweise
bis ganz verkoktes Kunstharzbindung gezeigt.
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Die Auskleidung eines Werkzeuges zur Bearbeitung und Formt gebung
von Glas bei niedrigen Viskositäten mit dem genannten kohlenstoffhaltigen Material
kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
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Beispiel I Auf einem Werkzeug, z.B. dem Tiegel 21 aus z.B. Graphit
oder feuerfester Keramik, wird eine Schicht 23 aus KoRenstoffteilchen einer Korngröße
im Bereich von 2 bis 6 nm erzeugt, indem ein Gasstrom aus Argon und Methan (Partialdruck
133 mbar) mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 l/h bei Normaldruck auf das auf
ca. 12000C heiße Werkzeug geleitet wird. Es bildet sich eine Schicht aus lose gebundenen
Kohlenstoffteilchen, deren Schichtdicke von der Werkzeuggeometrie abhängig ist.
Als Richtwert kann nach einer Beschichtungszeit von 1 min mit einer Schichtdicke
in der Größenordnung von 5 gm gerechnet werden.
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Beispiel II Mit Hilfe einer Petroleumflamme kann eine geschlossene
Schicht von agglomerierten Kohlenstoffteilchen einer mittleren Kristallitgröße von
1 um auf einem Werkzeug geeigneten Materials (z.B. Graphit, glasartiger Kohlenstoff,
feuerfeste Keramik), das auf eine Temperatur bis maximal 4000C aufgeheizt wurde,
erzeugt werden. Bei einer Abscheidedauer von 15 s liegt die Dicke der Schicht bei
etwa 50 um.
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Beispiel III Auf ein Werkzeug geeigneten Materials, wie bei den Beispielen
I und II beschrieben, wird eine Folie gelegt, die z.B. durch Carbonisieren von Pqyimidfolien
erhalten werden kann. Die Schichtdicke der Folie verringert sich mit dem Carbonisieren;
aus einer 12,5 um dicken Polyimidfolie wurde eine 10 ßm dicke carbonisierte Polyimidfolie
erhalten Im Prinzip lassen sich auch dünnere oder dickere Folien entsprechend anwenden.
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Nach dem Arbeitsprozeß fällt die Folie nach einer Werxzeugdrehung
gemeinsam mit dem Glas, z.B. einem Glasposten, aus dem Werkzeug heraus und wird
mit z.B. einem Gasbrenner während des Fallens und Liegens des Glaspostens z.B. in
einer Form zur Weiterverarbeitung rückstandslos verbrannt.
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Das Glas behält eine vollkommen unbeschädigte Oberfläche und kann
ohne Schleif- oder Polierprozesse weiterbearbeitet werden.
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Beispiel IV Auf einen Tiegel aus elektrisch leitfähigem Material,
z.B.
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aus porösem Elektrographit, wird eine Schicht einer Schichtdicke im
Bereich von 50 bis 100 ßm aus Kohlenstoffpulver
einer Kristallitgröße
im Bereich von etwa 1 bis 30 um aus einer Streuvorrichtung aufgebracht. Um eine
gleichmäßige Belegung der Werkzeugoberflächen mit dem Kohlenstoffpulver zu erreichen,
was besonders bei geneigten zu beschichtenden Wertzeugflächen nicht einfach ist,
wird zwischen der Streuvorrichtung und dem zu beschichtenden WerKzeug ein elektrisches
Feld von 1000 V/cm angelegt.
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Beispiel V Aus einem Vorratsbehälter wird eine definierte Menge Kohlenstoffpulver
einer Korngröße im Bereich von 10 -30 um in eine Sprühkammer mit einer Düse entsprechender
Öffnung gefüllt und mit einem gasförmigen Treibmittel, hier komprimiertem Stickstoff,
aus der Spsühammer durch die Düse bei einem Druck von 2 bar auf die Oberfläche z.B.
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eines Tiegels aus elektrisch leitfähigem Material, wie z.B.
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Elektrographit, gesprüht. Durch Anlegen eines eletrlschen Feldes von
1000 V/cm wird eine bevorzugte Absetzung des Kohlenstoffpulvers auf dem Tiegel erreicht.
Die sonstigen Bedingungen entsprechen Beispiel IV.
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Im folgenden wird das Arbeiten mit einem nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren beschichteten Tiegel beschrieben: Soll z.B. ein Tiegel 21 zum Tempern
eines aus einer Glaswanne entnommenen Glaspostens mit Kohlenstoffpulver beschichtet
werden, wird so verfahren (vgl. Fig. 3b), daß der beschichtete Tiegel 21 um seine
Längsachse drehbar in einen vertikalen, elektrisch beheizbaren Rohrofen 27 eingesetzt
wird. Im Ofen 27 herrscht eine Temperatur von etwa 1200°C und Schutzgasatmosphäre,
z.B. N2-Atmosphäre. Falls der Tiegel noch nicht die awünschte Temperatur aufweisen
sollte, muß er zunächst auf die Temperatur des schmelzflüssigen Glases aufgeheizt
werden. Dies muß unter Schutzgasatmosphäre, z.B. einer N2-Atmosphäre, geschehen,
um die Kohlenstoff-
schicht des Tiegels zu erhalten. Der Ofen ist
an seinen -Enden durch Verschlüsse 15 und 17 gegenüber der Außenatmosphäre verschlossen,
die sich zum Einbringen bzw.
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Herausfallenlassen eines im Tiegel 21 zu behandelnden Glaspostens
öffnen lassen. Wird dieser Glasposten ca.
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30 bis 60 s in z.B. mit einer Schicht 23 aus Kohlenstoffpulver versehenen,
etwa 12000C heißen Tiegel 21 getempert, verschwinden die infolge schneller Abkühlung
entstandenen Oberflächenfehler am Glasposten.Durch Drehen des Tiegels 21 um 1800
um seine Längsachse und Öffnen der Bodenklappe 17 kann der Glasposten aus dem Tiegel
21 entfernt werden, ohne daß er an der Tiegelinnenwandung haften bleibt. Während
des Kontaktes mit der Außenluft verbrennt die Schicht 23 aus Kohlenstoffpulver rückstandslos,
eine mechanische Nachbearbeitung des Glaspostens zur Entfernung von die Haftung
am Werkzeug ausschließenden Substanzen ist also nicht erforderlich.
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