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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Verwendung bei der Glasbearbeitung
und die Anwendung einer Oberflächenschicht aus keramischem Material an Glasbearbeitungswerkzeugen.
Genauer genommen bezieht sich die Erfindung auf verschiedene Werkzeuge in der Glasindustrie,
wie Formen, Tiegel, Ablassrohre von Wannen, Scheren und dergleichen, welche Werkzeuge
auf der in Berührung mit dem Glas zu bringenden Fläche einen Belag aus keramischem
Material haben. Auch wenn die Erfindung also an verschiedenen Typen von Werkzeugen
in der Glasindustrie anwendbar ist, wird sie der Einfachkeit halber im folgenden
anhand von Formen zum Formen von Glas beschrieben.
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In der Glas industrie ist es bekannt, verschiedene Type von Formen
zum Formen von Glas zu verwenden. Ein solcher Typ ist poröse Formen aus Graphit
oder Holz, die vor dem Gebrauch mit Wasser gefeuchtet werden, so dass beim Kontakt
mit dem geschmolzenen Glas ein schmierender Dampffilm erzeugt wird.
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Ein anderer Typ von Formen sind die, in denen das Glas in direkter
Berührung mit der Formfläche geformt werden.
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Solche Formen werden bei der Herstellung von sog. festgeblasenen und
zentrifugierte-.l Glas sowie vussglas und Pressglas verwendet. In der manuellen
Glasindustrie herrscht dieser Typ von Formen vor. Diese bestehen üblicherweise aus
Gusseisen oder Stahl und die Formfläche muss gut poliert sein, damit das yeformte
Glasprodukt eine einwandfreie Flächenpolitur erhält.
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Die Formen der letzteren Art sind mit mehreren Nachteilen behaftet.
So muss die Form bei der Verwendung auf eine gewisse bestimmte Temperatur von etwa
5000C erhitzt sein. Ist die Temperatur der Form zu niedrig, schrennt das Glas, d.h.
feine Risse entstehen im Glas,
was dazu führt, dass das Produkt
Ausschussware wird.
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Falls die Temperatur der Form andererseits zu hoch ist, führt dies
zu einem Festkleben der Glasmasse in der Form. Damit die Form ferner zwischen den
verschiedenen Glasformungsvorgängen ihre Temperatur beibehalten kann, wird ihr üblicherweise
eine verhältnismässig grosse Masse verliehen, so dass sie hierdurch besser Wärme
soll speichern können. Demzufolge wird die Form schwer und ungetüm. Trotz ihres
wärmespeichernden Vermögens verliert die Form Wärme zwischen den verschiedenen Formungsvorgängen
und ihr muss demnach Wärme zugeführt werden. Dies erfolgt mit Hilfe verschiedener
Brenner, was einerseits Kosten bedingt und andererseits ein störendes Lärm mit sich
bringt. Ein weiterer Nachteil ist durch die Vorwärmung der Form bedingt, die vor
dem ersten Formungsvorgang bei jeder Schicht vorgenommen werden muss. Diese Vorwärmung
erfolgt in besonderen Öfen und bedeutet, dass teure Arbeitszeit verloren 0 geht
und dass die etwa 500 C heisse Form nach der Vorwärmung von Hand für das Einsetzen
in die Formungsvorrichtung gehandhabt werden muss.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die genannten Formen nur
kurze Zeit verwendet werden können, da aie Formfläche durch Korrosion und Oxydation
angriffen wird.
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Damit eine solche Form weiter verwendet werden kann, muss sie poliert
oder "geputzt" werden, was eine zeitraumende Handarbeit ist, die mit sehr grossen
Kosten verbunden ist. Auch wenn die Polierung sorgfältig und unter Anwendung feinen
Schleifmittels durchgeführt wird, lässt es sich schwer vermeiden, dass die Formfläche
geritzt wird.
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Die oben für Formen angegebenen Nachteile liegen in grösserem oder
geringerem Grad auch bei anderen Arten von Werkzeugen in der Glasindustrie wegen
der verschleis-
senden und korrodierenden Wirkung vor, die der Kontakt
mit der geschmolzenen Glasmasse und die dadurch bedingten hohen Temperaturen bedeutet.
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Es leuchtet somit ein, dass grosse Vorteile erzielt werden würden,
wenn man Werkzeuge, wie Formen, schaffen könnte, die Verschleiss und Korrosion widerstehen
und die nicht zuletzt eine wohldefinierte Fläche mit hoher Politur aufweisen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist, diese und andere Vorteile zu erzielen
und die obenerwähnten Nachteile zu beseitigen.
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Diese Aufgabe hat nun erfindungsmässig dadurch ihre Lösung gefunden,
dass die mit der geschmolzenen Glasmasse in Berührung zu bringende Fläche des Werkzeuges
durch Plasmaspritzen mit einem Belag keramischen Materials versehen wird.
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Die näheren Merkmale der Erfindung gehen aus dem kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 hervor.
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Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Wie bereits angegeben, soll die Erfindung der Einfachkeit halber anhand
von Formen zum Formen von Glas beschrieben werden. Die Erfindung ist jedoch nicht
hierauf beschränkt, sondern ist auch bei anderen Typen von Werkzeugen in der Glasindustrie
anwendbar, die mit geschmolzenem Glas in Berührung gebracht werden.
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Der auf die Formfläche aufgetragene Belag besteht aus zumindest zwei
Schichten. Die der Formfläche nächst liegende Schicht, die sog. Grundschicht, besteht
aus
A1203, vorzugsweise in Kombination mit einer geringeren Menge
TiO2. Die Menge TiO2 kann etwa 5 Gew.-% betragen und ist vorzugsweise etwa 2 Gew.-%.
Ein Zusatz von TiO2 bringt den Vorteil, dass ein leichter schmelzbares und kompakteres
keramisches Material geschaffen wird. Ein weiterer Vorteil einer TiO2 enthaltenden
Grundschicht ist, dass sie zum Unterschied von Schichten ohne TiO2 eine grauliche
Farbe hat. Dieser Farbunterschied lässt sich als Andeutung davon ausnützen, dass
die Deckschicht verschliessen ist und erneuert zu werden braucht, indem die darunterliegende
Grundschicht dabei mit ihrer grauen Farbe hervortritt. Bei Zusatz von mehr als 5
Gew.-% TiO2 neigt die Grundschicht zu einer geringeren Wärmebeständigkeit und die
Gefahr einer Rissbildung kann bei Berührung mit geschmolzenem Glas vorliegen. Die
Grundschicht ist möglichst dünn und hat vorzugsweise eine Dicke von höchstens etwa
0,1 mm, zweckmässigerweise etwa 0,025-0,05 mm. Die Grundschicht wirkt als Sperre
und verhindert eine Diffusion aus der darunterliegenden Form durch die Grundschicht
an die Formfläche heran.
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Auf der Grundschicht wird zumindest eine weitere Schicht angebracht.
Gewöhnlich genügt lediglich eine weitere Schicht, um die mit der Erfindung verbundenen
Vorteile zu erzielen. Es kann jedoch in gewissen Fällen erwünscht und zweckmässig
sein, zwei oder mehrere Schichten auf der Grundschicht anzubringen, z.B. wenn besondere
Forderungen an Wärmebeständigkeit, Wärmeisoliervermögen, Wärmeausdehnung und dergleichen
vorliegen. Im folgenden werden der Einfachkeit halber nur Beläge beschrieben werden,
die aus zwei Schichten bestehen. Für etwaige weitere Schichten gilt, dass sie aus
den gleichen Grundbestandteilen zusammengesetzt sein sollen, die die zweite Schicht
aufbauen können, dass sie aber so zu wählen sind, dass die Zusammensetzung der zweiten
Schicht
von der der übrigen Schichten abweicht.
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Die zweite Schicht oder Aussenschicht besteht aus Oxyden von Al, Zr,
Al+Zr oder Zr+Y, gegebenenfalls in Kombination mit SiO2. Unter bevorzugten Zusammensetzungen
der Deckschicht seien Aluminiumoxyd, Zirkoniumdioxyd, Zirkoniumdioxyd und Yttriumoxyd,
Yttriumoxyd und Aluminiumoxyd, Zirkoniumdioxyd und Aluminiumoxyd erwähnt. In den
Fällen, wo die Schicht aus mehr als einem Bestandteil besteht, kann der Gehalt der
verschiedenen Bestandteile innerhalb weiter Grenzen gewählt werden, und zweckmässige
Gehalte können vom Fachmann einfach festgelegt werden. Besonders bevorzugte Zusammensetzungen
sind aus den nachstehenden Ausführungsbeispielen ersichtlich.
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Auch die Dicke der zweiten Schicht (und etwaiger weiterer Schichten)
beträgt vorzugsweise höchstens etwa 0,1 mm, zweckmässigerweise etwa 0,025-0,05 mm.
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Der Belag der oben erwähnten Schichten ist daaurch vorteilhaft, dass
er in bezug auf Zusammensetzung, Dikke und Härte sehr wohldefiniert ist. Er bildet
ausserdem eine harte, dichte, sehr gleichmässige und isolierende Schicht, die den
darunterliegenden Werkzeugkörper vor dem Wärmeeinfluss des geschmolzenen Glases
schützt.
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Gleichzeitig wird der Belag wegen seiner geringen Dicke direkt von
dem geschmolzenen Glas auf dessen Temperatur erhitzt, und es wird hierdurch vermieden,
dass das Glas einem Wärmeschock ausgesetzt wird und zerspringt. Da das keramische
Material im Belag wärmeschockbeständig ist und etwa denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat wie Glas, wird ausserdem vermieden, dass der Belag zerspringt wenn er einer
Berührung mit der geschmolzenen Glasmasse ausgesetzt wird.
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Durch die oben erwähnten Vorteile werden die Beanspruchungen des darunterliegenden
Werkzeugkörpers in hohem Grade reduziert und es ist demnach nicht mehr notwendig
den
Werkzeugkörper aus den herkömmlichen Formwerkstoffen herzustellen, wie insbesondere
Stahl und Gusseisen, sondern auch andere, oft billigere Werkstoffe, wie Leichtmetall,
keramisches Material oder Gips, können verwendet werden. Da der wärmeisolierende
Flächenbelag von der Glasmasse direkt auf die richtige Temperatur erhitzt wird,
besteht nicht mehr die Forderung daran, dass die Form Wärme speichern soll. Somit
braucht die Form nicht von grosser Masse zu sein, sondern kann so leicht und dünn
gemacht werden, dass sie nur ihre Funktion, den Flächenbelag zu tragen, erfüllt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Form nicht vor der Anwendung vorgewärmt
zu werden braucht, da wie erwähnt der Belag direkt auf die richtige Temperatur erhitzt
wird. Ferner braucht der Form nicht Wärme durch Erhitzen zwischen de Formungsvorgängen
zugeführt werden, sondern es empfiehlt sich im Gegenteil, die Form zwischen den
Formungsvorgängen,z.B. mittels eines Luftgebläses, abzukühlen. Dass diese Eigenschaften
der erfindungsmässigen Form grosse Vorteile in der Form von Energie- und Zeitersparnis
bedeuten, leuchtet ohne weiteres ein.
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Die Herstellung einer erfindungsmässigen Form geht in folgender Weise
vor sich.
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Bevor ein Belag auf die Formfläche aufgespritzt wird, wird die Fläche
zur Reinigung und Entfernung von Oxydschichten davon durch Strahlen mit kleinen
Glaskügelchen vorbehandelt. Auf die somit vorbehandelte, frische Formfläche wird
dann eine Grundschicht von der oben angegebenen Zusammensetzung plasmagespritzt.
Das Plasmaspritzen, das eine Technologie unter intensiver Entwicklung ist, bedeutet,
dass man ein Plasma, d.h. ionisiertes Gas, für das Aufspritzen benützt. Der hohe
Energieinhalt eines Plasmastrahls lässt sich durch den verschiedenen Energieinhalt
erklären, den Materie ver-
schiedener Aggregatzustände besitzt.
Feste Körper haben den niedrigsten Energieinhalt und gasförmige Körper den höchsten.
Falls Materie, die sich bereits in Gasform befindet, weiter erhitzt wird, werden
zunächst eventuelle Moleküle dissoziiert und,wenn die Wärmebewegung hinreichend
gewaltsam wird, werden immer mehr Atome in Elektronen und positiven Ionen zerschlagen,
d.h. das Gas wird ionisiert und geht in ein Plasma über. Ein Apparat, der sich bei
der Erfindung zum Plasmaspritzen als zweckmässig erwiesen hat, ist ein Apparat mit
der Bezeichnung METCO Type 3M Plasma Flame Spray System.
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Die Mündung der Plasmaspritze wird in einem Abstand von 50-80 mm von
der zu belegenden Fläche gehalten und das Aufspritzen wird mit einer Gas/Teilchengeschwindigkeit
von etwa 500-3000 m/s und einer Temperatur von etwa 4000-20 0000C vorgenommen.Als
Trägergas für die Belagteilchen wird Argon verwendet, während das ionisierte Gas
Wasserstoff+,as ist. Die aufgespritzten Belagteilchen haben normalerweise eine Teilchengrösse
von unter etwa 25 Dm. Die Zeit des Plasmaspritzvorganges variiert abhängig von Abstand,
Gasgeschwindigkeit und Teilchengrösse, ist jedoch der Grössenordnung von einer Sekunde
bis zu einer oder einigen Minuten.
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Nachdem die Grundschicht auf die Formfläche aufgespritzt worden ist,
wird das Plasmaspritzen unterbrochen und die Schicht zweckmässigerweise, z.B. mit
feinem Schmierqeltuch, poliert, um die Gleichmässigkeit des Oberflache der Schicht
zu verbessern. alls z.B. eine Schicht mit einer Dicke von etwa 0,05 mm aufgetraben
worden ist, kann diese durch Polieren zweckmässigerweise auf etwa 0,025 mm Dicke
reduziert werden. Danach wird zum Auftragen der zweiten Schicht ein zweites Plasmaspritzen
vorgenommen. Diese zweite Schicht wird zweckmässigerweise zu derselben Dicke wie
die Grundschicht aufgespritzt und nach abgeschlossenem Spritzen wird die Schicht
poliert. Die Po-
lierung kann entweder von Hand mittels z;B. Schmiergeltuch
oder vorzugsweise durch Feuerpolieren vorgenommen werden. Ein solches Feuerpolieren
erfolgt am einfachsten dadurch, dass die Plasmaspritze wieder betrieben wird, jetzt
aber ohne irgendeine Pulverspeisung. Die hohe Temperatur des Plasmastrahls schmilzt
die aufgetragene Schicht, so dass es ausfliesst und ausserordentlich gleichmässig
und glatt wird.
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Eine Alternative des oben beschriebenen Vorgehens mit gesonderten
Belägen von Schichten besteht darin, ein kontinuierliches Plasmaspritzen vorzunehmen,
wobei man im Verlauf des Spritzens die Zusammensetzung des zugeführten Pulvers von
der für die Grundschicht bestimmten Zusammensetzung zu der für die nächste Schicht
bestimmten Zusammensetzung sukzessiv ändert. Auch dieses Verfahren liegt im Bereich
der Erfindung und unterscheidet sich von dem vorher beschriebenen Verfahren nur
dadurch, dass die Grundschicht und die nächste Schicht keine scharfe Grenze gegeneinander
bilden, sondern ineinander übergehen.
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Ein weiteres, alternatives Verfahren zur Herstellung einer erfindungsmässigen
Form, wenn man eine Vorlage des zu formenden Gegenstandes hat, besteht darin, dass
man zunächst die Vorlage mit einer Trennschicht versieht, und danach durch Plasmaspritzen
die bereits erwähnten Schichten in umgekehrter Reihenfolge, d.h. die Deckschicht
zuerst und die Grundschicht zuletzt, aufspritzt. Auf der Grundschicht wird danach
ein abstützendes Werkzeugkörpermaterial, z.B. Leichtmetall od.dgl., angebracht.
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Besteht die Vorlage aus wärmeempfindlichem Material, empfiehlt es
sich, dass die Trennschicht auch eine wärmeisolierende Wirkung hat, um beim Plasmaspritzen
die Vorlage vor Wärmebeanspruchungen zu schützen. Das jetzt angedeutete Verfahren
gestattet eine einfache, schnelle
und billige Herstellung von Formen.
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Nachstehend werden in Tafel 1 einige Beispiele der Herstellung von
keramischen Schichten an erfindungsmässigen Formen gegeben. Die Herstellung erfolgte
in der oben beschriebenen Weise unter Anwendung der früher angegebenen Parameter.
Die für das Plasmaspritzen verwendeten Pulver waren die folgenden.
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A. METCO 101 SF Dieses Pulver enthielt 96 Gew.-% A1203 und 2 Gew.-%
TiO2.
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Die Teilchengrösse des Pulvers betrug weniger als 25 pm und die fertige
Schicht widerstent einer Arbeitstempera-0 tur von etwa 1100 c.
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B. METCO 105 SF Dieses Pulver enthielt 98,0 Gew.-% A1203, hat eine
Teilchengrösse von weniger als 25 tjm und die fertige Schicht widersteht einer Arbeitstemperatur
von bis etwa 16500C.
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C. METCO 201 Dieses Pulver enthielt 93 Gew.-% ZrO2 und ausserdem etwa
5 Gew.-% CaO als Modifizierer, um eine Umwandlung von Zur02 bei hohen Temperaturen
zu verhüten. Vor der Verwendung musste das Pulver zu einer Teilchengrösse entsprechend
der der oben angegebenen Pulver A und B gemahlen werden. Die fertige Schicht widersteht
einer Arbeitstemperatur von etwa 1000-11000C.
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D. METCO 202 Diese Pulver enthielt 80 Gew.-% ZrO2 und 20 Gew.-% Y203.
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Auch dieses Pulver musste zu der geeigneten Teilchen-
grösse
gemahlen werden. Die Schicht war bis etwa 16500C beständig.
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Beim Aufspritzen der Schichten wurden als ;erkzeugkörper Formen aus
Gusseisen und Stahl verwendet. In sämtlichen Fällen wurden zwei Schichten, zuerst
eine Grundschicht und danach eine Deckschicht, aufgetragen. Bei Vergleichsversuchen
wurde eine Form von rostfreiem Stahl lediglich mit einer Grundschicht aus Pulver
B belegt und der Belag wurde poliert. Nach einer gewissen Zeit trat jedoch eine
Diffusion von Fe durch den Belag auf, was sich als bräunliche Flecken an der Oberfläche
des Belags zeigte. Demnach ist offensichtlich ein Belag mit nur einer einzigen Schicht
unzureichend.
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TAFEL 1 Form Grundschicht Deckschicht 1 A B 2 A C 3 A D 4 B C 5 B
D Nach der Herstellung wurden die Formen zum Formen von Glas verwendet. Sämtliche
Formen funktionierten einwandfrei und wiesen die oben angegebenen guten Eigenschaften
auf.