DE3923655C2 - Verfahren zur Herstellung eines Trägers zum Brennen von Keramik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Trägers zum Brennen von Keramik.

Beim Brennen von Keramikgegenständen, wie z. B. Keramik­ platten, werden diese in einem Brennofen auf Trägern an­ geordnet, die mit Stützen zusammengebaut sind, um eine Vielzahl von Trägerstufen zu bilden. Die Träger haben beim Brennen die Aufgabe, den Keramikgegenstand vor Ver­ unreinigung und Beschädigung zu schützen und sie dürfen sich beim wiederholten Brennen weder verformen noch brechen.

Es sind Träger mit diesen Funktionen bekannt, die eine zwei- oder dreischichtige Struktur aufweisen, bestehend aus einer oder zwei Oberflächenschicht-Zonen und einer Hauptzone. Zur Herstellung dieser bekannten Art von Zwei- oder Dreischichten-Trägern ist ein Verfahren be­ kannt, bei welchem im Falle einer Zweischichten-Struktur zwei verschiedene Arten von gemischtem Rohmaterial, wel­ che die Oberflächenschicht-Zone und die Hauptzone bilden, nacheinander in eine Form gefüllt werden. Im Falle einer Dreischichten-Struktur wird zuerst das Rohmaterial für eine Oberflächenschicht-Zone, dann das Rohmaterial für die Hauptzone und schließlich das Rohmaterial für die zweite Oberflächenschicht-Zone in die Form gefüllt. Dieses Herstellungsverfahren ist kompliziert und von geringem Wirkungsgrad. Über dies wird die Dicke jeder Schicht in dem Zwei- oder Dreischichten-Träger bei dem bekannten Herstellungsverfahren nicht gleichmäßig, weil die gemischten Rohmaterialien für die Oberflächenschicht-Zone(n) und das Rohmaterial für die Hauptzone während des Formungsprozesses gleichzeitig geformt werden. Es be­ steht die Gefahr, daß das gemischte Rohmaterial der Haupt­ zone ungewollt an die Oberfläche gelangt. Aus diesem Grund kann die Dicke jeder Oberflächenschicht-Zone nicht unter einen bestimmten Wert (2 mm) verringert werden. Wenn die Gesamtdicke des Trägers festgelegt ist und die Dicke der Oberflächenschicht-Zone(n) nicht verringert werden kann, ist es schwierig, eine ausreichende Dicke für die Haupt­ zone festzulegen, was dann in Schwierigkeiten beim Erzie­ len solcher physikalischer Eigenschaften, wie Temperatur­ wechselbeständigkeit, Widerstand gegen Durchhang sowie Hitzebeständigkeit, führt. Außerdem kann die Glätte der erzeugten Oberfläche des Trägers unbefriedigend sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Herstellung eines Trägers zum Brennen von Keramik aufzuzeigen, welches in einfacher Weise die Her­ stellung derartiger Träger mit reduzierter Dicke der Oberflächenschicht-Zone, verbessertem Glättegrad ihrer Oberfläche, verbesserter Temperaturwechsel- und Hitze­ beständigkeit sowie verbesserten Widerstand gegen Durch­ hang und die nicht mit den zu brennenden Gegenständen reagieren, ermöglicht.

Dies wird nach der Erfindung durch folgende Schritte er­ reicht:

• a) Herstellen von einer oder zwei getrockneten dünnen Platte(n) mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 3 mm aus einer Zubereitung von feuerfestem gemischtem Rohma­ terial, das im wesentlichen aus zumindest einem der Bestandteile Aluminiumoxid, Mullit, Zirkoniumdioxid und Magnesiumoxid (Magnesia) besteht, als Oberflächen­ schicht-Zone(n) des Trägers,
• b) Füllen eines gemischten Rohmaterials aus feuerfestem Aluminiumoxid-Mullit-Material oder feuerfestem Silizium­ carbid-Material als Hauptzone des Trägers in eine Preß­ form oder auf eine in der Preßform angeordnete geformte dünne Platte,
• c) Setzen einer der geformten dünnen Platten über das gemischte Rohmaterial der Hauptzone, wobei dieser Ver­ fahrensschritt bei Fertigung eines Zweischicht-Trägers unterbleibt, falls beim vorhergehenden Verfahrensschritt b) bereits eine geformte dünne Platte in der Preßform angeordnet wurde,
• d) Formen der dünnen Platte(n) und des gemischten Roh­ materials der Hauptzone unter Druck zu einer Einheit, so daß die Dicke der Hauptzone 3 bis 20 mm beträgt,
• e) Trocknen und Brennen des Preßlings.

Mit diesem Verfahren können sowohl Träger mit Zweischich­ ten-Struktur als auch solche mit Dreischichten-Struktur in rationaler Weise hergestellt werden. Man fertigt getrockne­ te, dünne Platten, die als Oberflächenschicht-Zone des Trägers verwendet werden, in einem separaten Arbeitsgang. Eine dieser Platten wird in eine Preßform gelegt, die dann mit dem gemischten Rohmaterial der Hauptzone gefüllt wird. Wahlweise kann man über dieses Rohmaterial der Hauptzone noch eine zweite vorgeformte und getrocknete dünne Platte legen, wenn man einen Träger mit Dreischichten-Struktur herstellen will. Das Rohmaterial der Hauptzone wird zusam­ men mit der oder den in der Preßform befindlichen dünnen Platten zu einer Einheit zusammengepreßt. Da die Preßform nur einmal mit gemischtem Rohmaterial, nämlich dem der Hauptzone, gefüllt werden muß, kann mit einer Preßform ein wesentlich höherer Ausstoß an Trägern erreicht werden, als dies mit dem eingangs beschriebenen bisherigen Verfah­ ren der Fall war, bei dem die Preßform außer mit dem Roh­ material für die Hauptzone auch zusätzlich ein- bis zweimal mit dem Rohmaterial für die Oberflächenschicht-Zone gefüllt werden mußte. Da beim erfindungsgemäßen Verfahren getrockne­ te, dünne Platten als Oberflächenschicht-Zone separat vor­ geformt werden, kennen diese mit gleichmäßiger und gerin­ ger Dicke sowie hoher Glattheit der Oberfläche, z. B. durch Extrudieren und anschließendes Trocknen einfach herge­ stellt werden. Man kann die Dicke der dünnen Platten auf 1 mm und weniger verringern, wodurch die Dicke der Haupt­ zone bei vorgegebener Gesamtdicke des Trägers um so großer wird. Dies führt dazu, daß der Träger verbesserte Eigenschaften in bezug auf die Temperaturwechselbeständig­ keit, die Hitzebeständigkeit, den Widerstand gegen Durch­ hang und gegen allgemeine Verformung hat. Da durch Vor­ formung der getrockneten dünnen Platten sichergestellt ist, daß nur das Rohmaterial dieser Platten an der Oberfläche des Trägers vorhanden ist und da außerdem ein hoher Grad an Glattheit an der Oberfläche erreicht wird, wird sicher­ gestellt, daß die zu brennenden Gegenstände nicht mit der Trägeroberfläche reagieren.

Die DE 36 20 178 A1 nimmt die vorliegende Erfindung nicht vorweg, noch legt sie diese nahe. Bei diesem Verfahren wird nämlich die Hauptzone in Form eines keramischen Schaumkörpers so erzeugt, daß ein Schaumstoffkörper aus offenporigem Kunststoffschaum vorbereitet, mit einer Auf­ schlämmung aus keramischem Material mindestens einmal imprägniert, getrocknet und dann gebrannt wird. Eine Ober­ flächenschicht-Zone (Fassungsschicht) wird dadurch gebil­ det, daß vor und/oder nach dem Brennen der Hauptzone ein keramischer Brei auf die Oberfläche der Hauptzone aufge­ tragen und nach Trocknung gebrannt wird. Keine dieser Verfahrensmaßnahmen entspricht den in dem vorliegenden Patentanspruch angegebenen Verfahrensschritten.

Die DE 35 20 484 C2 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallen mit eingegossenem Gleitstück aus Kera­ mik nach dem Druckgießverfahren. Es sollen mit diesem Ver­ fahren insbesondere Schwinghebel für Brennkraftmaschinen hergestellt werden. Gemäß diesem Verfahren wird das Keramik­ teil in etwa auf die Temperatur der Leichtmetallschmelze erwärmt, in die Druckgießform eingelegt und mit der Metall­ schmelze unter Druck umgossen. Das auf diese Weise gebil­ dete Bauteil wäre als Träger zum Brennen von Keramik überhaupt nicht geeignet, denn das Brennen von Keramik erfolgt je nach Werkstoffart bei Temperaturen zwischen 900 und 2000°C. Aluminium hat hingegen eine Schmelztem­ peratur von etwa 660°C. Würde man ein nach diesem bekann­ ten Verfahren hergestelltes Bauteil als Träger beim Bren­ nen von Keramik verwenden, dann würde dieses Bauteil im Brennofen schmelzen. Das in der DE 35 20 484 C2 beschrie­ bene Verfahren wäre zur Herstellung eines Trägers zum Brennen von Keramik auch nicht geeignet. Zur Herstellung einer Haupt- und Trägerschicht für einen Träger zum Bren­ nen von Keramik verwendet man nämlich Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Zirkoniumoxid und ähnliche feuerfeste Mate­ rialien, die sich nicht ohne weiteres auf Schmelztempera­ tur erwärmen und in eine Druckgießform unter Druck ein­ spritzen lassen. Das Druckgießen ist ein spezielles Form­ gebungs- und Fertigungsverfahren zur Herstellung von weit­ gehend verwendungsfertigen, oft verwickelten, dünnwandi­ gen, sehr maßgenauen Gußstücken mit recht guter Oberflä­ chenbeschaffenheit aus NE-Metall-Gußwerkstoffen in größe­ ren und sehr großen Stückzahlen (vgl. Lueger "Lexikon der Technik", 4. Auflage, Band 8, Seiten 143-145). Das Druckgießverfahren wäre für die Verarbeitung von feuer­ festen Massen ungeeignet, denn einerseits lassen sich feuerfeste Massen nicht einfach auf Schmelztemperatur bringen und andererseits werden feuerfeste Massen als Knetmassen in verhältnismäßig kompaktem Zustand und nicht in dünnflüssiger Form verarbeitet. Außerdem wird beim Druckgießen die Druckgießform geschlossen, bevor das geschmolzene Metall unter Druck in die Form eingefüllt wird. Dies setzt ebenfalls voraus, daß das einzufüllende Metall verhältnismäßig dünnflüssig ist. Im Gegensatz dazu wird gemäß einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die vorgeformte dünne Platte über oder unter ein gemischtes Rohmaterial als Hauptzone des Trägers ge­ setzt, das in eine Preßform gefüllt wird. Anschließend werden die dünne Platte und das gemischte Rohmaterial unter Druck zu einer Einheit gepreßt. Im Gegensatz zum Druckgießen wird also beim erfindungsgemäßen Verfahren das verhältnismäßig kompakte Rohmaterial, aus welchem die Hauptzone besteht, zuerst in die Preßform gebracht und dann mit der dünnen Platte verpreßt. Es ist weder ein Schmelzen des Rohmaterials erforderlich noch braucht die­ ses dünnflüssig zu sein. Das Pressen ist ein ganz anderer Vorgang als das Druckgießen. Wie bereits oben dargelegt wurde, ist das Druckgießen nämlich ausschließlich für die Verarbeitung von Nichteisenmetallen geeignet und vorgesehen. Nichteisen­ metalle sind jedoch als Bestandteil eines Trägers zum Brennen von Keramik vollig ungeeignet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer Ausführungs­ beispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a-1c jeweils eine perspektivische Ansicht unter­ schiedlicher Ausführungsformen eines Zwei­ schichten-Trägers,

Fig. 2 ist eine Ansicht in Perspektive eines Drei­ schichten-Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 3 ist ein Schaubild eines Druckform-Verfahrens zum Formen des Zweischichten-Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung.

Jeder der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Träger hat eine Oberflächenschicht-Zone, die im voraus als eine ge­ trocknete dünne Platte durch z. B. Extrudieren gebildet wird, und eine Hauptzone 2, die aus einem gemischten und in eine Preßform gefüllten Rohmaterial zusammen mit der in die Preßform gesetzten Platte 1 geformt wird.

Die Platte 1 wird im voraus aus einem Rohmaterial, das aus einem der Bestandteile Aluminiumoxid, Mullit, Zirkoniumdioxid und Magnesiumoxid oder einer Kombination von zwei oder mehr dieser Materialien zubereitet ist, durch Extrudieren zu einer Dicke von 0,5 bis 3 mm geformt.

Die Hauptzone 2 wird aus einem gemischten Rohmaterial wie ein feuerfestes Aluminiumoxid-Mullit-Material oder ein feuerfestes Siliziumcarbid-Material hergestellt. Nach der Herstellung beträgt die Dicke der Hauptzone 2 3 bis 20 mm oder vorzugsweise 7 bis 10 mm.

Beispiele von Verfahren zur Herstellung des Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung werden unten beschrieben.

Beispiel 1 (1) Herstellung einer dünnen Platte als Oberflächenschicht-Zone

Eine Zubereitung von feuerfestem Material, bestehend aus einem der Bestandteile Aluminiumoxid, Mullit, Zirkoniumdioxid und Magnesiumoxid oder aus einer Kombination von zwei oder mehr dieser Materialien, oder spezieller eine Zubereitung von Material, das aus hochfeuerfestem Aluminiumoxid-Material ausge­ wählt ist (Alo Super 995, Produkt der Tokyp Kokyu Rozai Co., Ltd.), feuerfesten Aluminiumoxid-Mullit-Materialien (Alo Super KE derselben Firma), elektrisch geschmolzenem feuer­ festem Mullit-Material (Mullo Super 301 derselben Firma), feuerfestem Zirkoniumdioxid-Material (Zirko Super derselben Firma) oder feuerfestem Magnesiumoxid-Material (Mag Super derselben Firma), wird als eine Zubereitung zum Formen der Oberflächenschicht-Zone gebildet und mit einem Plastifizie­ rungsmittel und Wasser in einem vorbestimmten Verhältnis ge­ mischt. Das so zubereitete Rohmaterial wird in einer Misch­ trommel dreimal durchgeknetet. Das geknetete ge­ mischte Rohmaterial wird von einem Extruder verarbeitet, um eine dünne Platte mit einer Breite von 150 bis 300 mm und einer Dicke von 0,5 bis 2,0 mm zu bilden, die durch Passie­ ren eines Durchlauftrockners getrocknet wird. Die getrock­ nete dünne Platte wird in vorbestimmte Abmessungen geschnit­ ten (z. B. 280×130 mm oder 255×255 mm).

(2) Zubereitung von gemischtem Rohmaterial für die Hauptzone.

Eine Zubereitung von einem der Bestandteile aus feuerfesten Aluminiumoxid-Mullit-Materialien (Alo Super KE, Produkt der Tokyo Kokyu Rozei Co., Ltd.), feuerfesten Silizium­ carbid-Materialien (Silikat gebunden an feuerfesten Siliziumcarbid-Materialien) (Neo Super derselben Firma) wird als ein gemischtes Rohmaterial zum Formen einer Hauptzone gebildet und mit einem Plastifizierungsmittel und Wasser in einem vorbestimmten Verhältnis gemischt. Das so zubereitete gemischte Rohmaterial wird auf eine Siebmaschenweite von 2 mm fein gemahlen.

(3) Preßdruckformen

Es wird eine hydraulische Presse verwendet, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die dünne Platte 1 für die Ober­ flächenschicht-Zone, die im Verfahrensschritt (1) gebildet wurde, wird auf einen unteren Stempel 3 einer Preßform gesetzt. Als nächstes wird das gemischte Rohmaterial für die Hauptzone 2, wie sie im Verfahrensschritt (2) zube­ reitet wurde, in die Preßform gefüllt, in welche die dünne Platte 1 gesetzt worden ist. Diese Materialien werden in der hydraulischen Presse von einem oberen Stempel 4 mit einem Druck von 981 bis 1471 bar zusammengedrückt, um einen Zweischichten-Trägerpreßling mit einer Größe von beispielsweise 260×130×10 mm zu formen. Eine Bezugs­ nummer 5 in Fig. 3 bezeichnet ein Gehäuse der Preßform.

(4) Trocknung

Der Preßling wird unter folgenden Bedingungen getrocknet:
60°C; 6 Stunden
100°C; 12 Stunden

(5) Brennen

Der Preßling wird unter folgenden Bedingungen gebrannt:
Maximale Temperatur: 1300°C bis 1800°C
Haltezeit: 5 bis 15 Stunden
Gesamtbrenndauer: 40 bis 70 Stunden

Ein Zweischicht-Träger, wie einer von ihnen in den Fig. 1a bis 1c dargestellt ist, wird auf diese Weise erhalten.

Das feuerfeste Material für die Platte 1 und das feuer­ feste Material für die Hauptzone 2 kennen frei als eine der möglichen Kombinationen der oben erwähnten Materialien entsprechend dem Material und der Gestalt des Gegenstandes, der gebrannt werden soll, sowie anderen geforderten Bedin­ gungen gewählt werden. Wenn ein feuerfestes Aluminiumoxid- Mullit-Material verwendet wird, um das feuerfeste Material sowohl für die Platte 1 als auch für die Hauptzone 2 zu bilden, ist es vorzuziehen, für das feuerfeste Material der Platte 1 eine kleinere Korngröße festzulegen als für das feuerfeste Material der Hauptzone 2.

Zweischichten-Träger wurden durch das oben beschriebene Verfahren in sieben Arbeitsstunden am Tag hergestellt. Als ein Ergebnis war die Anzahl der durch eine einzige Presse geformten Träger 500/Tag, während die Anzahl der Träger, die durch das übliche Verfahren hergestellt wur­ den, in welchen eine Rohmaterialfüllung zweimal durchge­ führt wurde, 100/Tag war. Die Verbesserung im Arbeits­ wirkungsgrad war bemerkenswert.

Beispiel 2

Das gemischte Rohmaterial für getrocknete dünne Platten und eine Hauptzone werden auf dieselbe Art wie in Bei­ spiel 1 erhalten. Eine so erhaltene Platte 1 wird auf den unteren Stempel 3 der in Fig. 3 dargestellten hydrauli­ schen Presse gesetzt, das Rohmaterial der Hauptzone 2 wird über die Platte 1 gefüllt, und eine weitere Platte wird auf das eingefüllte Rohmaterial der Hauptzone 2 ge­ setzt. Diese Materialien werden von der hydraulischen Presse mit dem Stempel 4 bei einem Druck von 981 bis 1471 bar zusammengepreßt, um einen Dreischichten-Träger­ preßling mit einer Größe von beispielsweise 260×130×10 mm zu formen.

Dieser Preßling wird in der gleichen Weise wie im Bei­ spiel 1 getrocknet und gebrannt, um einen solchen Drei­ schichten-Träger zu formen, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

Dreischichten-Träger wurden durch das oben beschriebene Verfahren in sieben Arbeitsstunden am Tag hergestellt. Als ein Ergebnis war die Anzahl der durch eine einzige Presse geformten Träger 400/Tag, während die Anzahl der Träger, die durch das übliche Verfahren hergestellt wur­ den, bei welchen ein dreimaliges Einfüllen mit gemisch­ tem Rohmaterial durchgeführt wurde, nur 50/Tag betrug. Die Verbesserung im Arbeitswirkungsgrad war bemerkens­ wert.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines Trägers zum Brennen von Keramik, gekennzeichnet durch die Schritte:

   • a) Herstellen von einer oder zwei getrockneten dünnen Platte(n) (1) mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 3 mm aus einer Zubereitung von feuerfestem gemischtem Rohmaterial, das im wesentlichen aus zumindest einem der Bestandteile Aluminiumoxid, Mullit, Zirkonium­ dioxid und Magnesiumoxid (Magnesia) besteht, als Oberflächenschicht-Zone(n) des Trägers,
   • b) Füllen eines gemischten Rohmaterials aus feuerfestem Aluminiumoxid-Mullit-Material oder feuerfestem Siliziumcarbid-Material als Hauptzone (2) des Trägers in eine Preßform oder auf eine in der Preßform ange­ ordnete geformte dünne Platte (1),
   • c) Setzen einer der geformten dünnen Platten (1) über das gemischte Rohmaterial der Hauptzone (2), wobei dieser Verfahrensschritt bei Fertigung eines Zwei­ schicht-Trägers unterbleibt, falls beim vorhergehen­ den Verfahrensschritt b) bereits eine geformte dünne Platte in der Preßform angeordnet wurde,
   • d) Formen der dünnen Platte(n) (1) und des gemischten Rohmaterials der Hauptzone (2) unter Druck zu einer Einheit, so daß die Dicke der Hauptzone 3 bis 20 mm beträgt,
   • e) Trocknen und Brennen des Preßlings.