WO2016207447A1

WO2016207447A1 - Cordierithaltiger keramischer werkstoff, ein verfahren zu dessen herstellung, sowie seine verwendung

Info

Publication number: WO2016207447A1
Application number: PCT/EP2016/064896
Authority: WO
Inventors: Rolf H. FROWEIN
Original assignee: Neue Porzellanfabrik Triptis Gmbh
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2016-12-29
Also published as: DE112016002824A5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen cordierithaltigen keramischen Werkstoff, ein Verfahren zur seiner Herstellung sowie seine Verwendung. Der Werkstoff besteht aus einer cordierithaltigen Keramik mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 2,14 · 10^-6 K^-1.

Description

Cordierithaltiger keramischer Werkstoff, ein Verfahren zu dessen Herstellung, sowie seine Verwendung

Besehreibung

Die Erfindung betrifft einen cordierithaltigen keramischen Werkstoff, ein Verfahren zu seiner Herstellung, sowie seine Verwendung .

Keramiken werden in vielen Bereichen der Technik als harte und beständige Bauteile verwendet. Darüber hinaus finden Porzellankeramiken im Haushalt u. a. auch als Geschirr, insbesonders als Kochgeschirr als auch Essgeschirr,

Verwendung. Als solche sind Gefäße, Teller, Tiegel, Töpfe usw. für Lagerung, Zubereitung, Servieren, Verzehr usw. aus Kunststoff, Pappe, Metall, Keramik, Glas, Holz, Gestein u. a. m. zu nennen. Derartige Porzellane bestehen aus einer

Vielzahl von unterschiedlichen Materialien. Diese

spezialisierten Produkte erfüllen aber jeweils nur spezielle Aufgaben. Das bedeutet, dass in der Kette der Speiselagerung, der Zubereitung, des Verzehrs und der Restewiederverwertung verschiedene Produkte erforderlich sind. Bekanntermaßen sind z. B. Gefäße aus Metall oder poröser Keramik zum Aufwärmen in der Mikrowelle nicht geeignet. Im Bereich Kochen, Garen, Braten sind vorzugsweise Metalle (Edelstahl, Aluminium,

Kupfer, emailliertes Eisen) wegen ihrer Hitzebeständigkeit in Anwendung. Aber auch hier wird versucht, mit verschiedensten Beschichtungen aus hitzebeständigen organischen Materialien (Teflon, Silikon) oder auch neuerdings mit sogenannter weißer Keramikbeschichtung Gebrauchseigenschaften zu verbessern. Im Bereich des Verzehrs sind nach wie vor das klassische Porzellan und angrenzende Produkte wie Bone China, Vitreous China aus kulturellen und hygienischen Gründen bevorzugt. Es ist also zu erkennen, dass der Wechsel der Speise von einem zum anderen Artikel stattfindet.

Aus der DE 196 17 147 AI ist weiterhin bekannt, Porzellan oder Keramik mit elektrisch leitenden Schichten zu versehen, um mittels Induktionsvorrichtungen das Porzellan bzw. die Keramik zu erwärmen, um so Speisen zu erwärmen oder sie warm zu halten.

Andererseits sind keramische und glaskeramische Produkte bekannt, bei denen ein niedriger thermischer Ausdehnungs^¬ koeffizient die Zubereitung der Speisen bedingt ermöglichen. Klassische Keramiken (auch Porzellan, Bone China, Vitreous China, Steinzeug, Steingut) weisen einen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten von 5,0 bis 7,0 · 10^~6 K^_1 auf. Deren Temperaturwechselbeständigkeit reicht aber bestenfalls bei entsprechender Optimierung für die klassische Ofenröhre aus, um in sogenannten Auflaufformen Speisen bis ca. 250 °C zu garen. Keramiken mit niedrigeren thermischen Ausdehnungs^¬ koeffizienten existieren auf der Basis von Cordierit und Li- Silikaten .

Die bislang auf dem Markt befindlichen Produkte sind aber nur bedingt geeignet. Einige Keramiken mit einem relativ

niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1,0 bis 1,5 · 10^~6 K^_1 sind porös, besitzen opake Glasuren und

erfüllen so nicht die Anmutung und Basiseigenschaften von Porzellan (DE 20 2010 014 638 Ul) . Verschiedene andere porzellanartige Produkte, erreichen mittlere thermische

Ausdehnungskoeffizienten von 3,1 · 10^~6 K^_1. Bislang

erhältliche Produkte sind nur für den Küchenbereich zum Kochen und Garen vorgesehen und weisen bei höheren Temperaturwechselverhältnissen frühzeitig Risse in der

Glasurschicht oder auch im Grundkörper auf. In den

Gebrauchsanweisungen wird auf besondere Vorsicht hingewiesen.

Aus der DE-B 1621026 ist eine Glasur für keramische Scherben mit einem geringen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,5 bis 2,0 · 10^~6 K^_1 bekannt. Diese Glasur ist opak und wirkt matt .

Zusammengefasst kann festgestellt werden, dass keine Produkte auf dem Markt existieren, die universell allen Anforderungen für Mikrowelle, Gasflamme, Ofenröhre, auch mit Grill,

Cerankochfeld und Induktionskochfeld in Küche und Verzehr gerecht werden.

Die Erfindung hat daher zum Ziel, unter Vermeidung der

Nachteile des Standes der Technik ein Material

bereitzustellen, insbesondere ein Material mit

Porzellancharakter, das für die breite Anwendbarkeit sowohl als technischer Werkstoff als auch für den Gebrauch im

Haushalt, geeignet ist, wie z. B. im Küchen- und

Tafelbereich . Darüber hinaus soll es sich über konventionelle Verfahren herstellen lassen.

Die Erfindung hat auch zum Ziel, einen keramischen Werkstoff bereitzustellen, welcher nicht nur bruchfest ist, sondern welcher auch sehr beständig gegenüber Temperaturwechseln ist, so dass er ohne weiteres von hohen Temperaturen bis auf

Raumtemperatur mit Wasser abgeschreckt werden kann, ohne dass er dabei zerstört wird.

Darüber hinaus hat die Erfindung zum Ziel, einen derartigen keramischen Werkstoff bereitzustellen, welcher auch mit einer kurzen Brenndauer, z. B. mittels eines sogenannten Schnellbrandes hergestellt werden kann, um so den

Energieverbrauch beim Brennen zu verringern.

Darüber hinaus hat die Erfindung auch zum Ziel, einen

derartigen Werkstoff, insbesondere ein Geschirr,

bereitzustellen, welches eine Glasur mit einer so geringen Rauhigkeit aufweist, dass sie eine makroskopische glänzende Oberfläche bildet.

Dieses Ziel wird nun erreicht durch einen keramischen

Werkstoff, welcher zu mehr als 50% aus Cordierit besteht und welcher im gebrannten Zustand folgende Bestandteile in

Masse-% (gebrannt) enthält:

Si0₂ 48 bis 55,5

A1₂0₃ 32 bis 37

MgO 7,5 bis 11,5

sowie übliche Beielemente.

Eine derartige Keramik wird insbesonders gebildet aus

Cordierit, Mullit, Korund sowie einen Rest an röntgenamorphen Bestandteilen. Dabei beträgt die Menge an Cordierit min^¬ destens 60%, insbesonders mindestens 62% bevorzugt ist.

Typische Obergrenzen des Cordieritporzellans betragen

70 Masse-%, zweckmäßigerweise maximal 69%, wobei maximal 68%bevorzugt sind.

Der Gehalt an Mullit beträgt üblicherweise mindestens

10 Masse-%, insbesonders mindestens 9%, wobei die Obergrenze für Mullit insbesonders 15 Masse-% beträgt. Bevorzugt sind Mullitobergrenzen von 14%. Typische Mengen an Korund betragen mindestens 10 Masse-%, insbesondere mindestens 11%, wobei mindestens 12% bevorzugt ist. Der Maximalgehalt an Korund beträgt höchstens

20 Masse-%, wobei höchstens 19%, insbesondere 18% besonders bevorzugt sind.

Die restlichen Bestandteile der Keramik werden durch eine nicht-kristalline röntgenamorphe Struktur gebildet, welche den restlichen Anteil der 100 Masse-% bildet. Sie beträgt üblicherweise mindestens 1 Masse-%, insbesondere mindestens 3%, wobei mindestens 5%, insbesondere 6% bevorzugt sind. Die Höchstmenge an röntgenamorpher Phase beträgt 18 Masse-%, wobei höchstens 16% bzw. 15% üblich sind. Bevorzugt sind Höchstmengen von 13%, und insbesondere 12%, wobei ganz besonders Höchstmengen von 11% bzw. 10% bevorzugt sind.

Die Anzahl sämtlicher kristalliner und nicht-kristalliner Phasen addieren sich in der erfindungsgemäßen Keramik zu 100 Masse-%.

Die erfindungsgemäße Keramik enthält Si0₂ in einer Menge von mindestens 48 Masse-%. Zweckmäßigerweise beträgt die

Mindestmenge jedoch 49,5% bzw. 50%, wobei 50,5% bzw. 51% besonders bevorzugt sind. Die Höchstmenge an Si0₂ beträgt üblicherweise 56 Masse-%, wobei 55,5% bzw. 55% sich als zweckmäßig erwiesen haben. Besonders bevorzugte Höchstmengen betragen 54,5% bzw. 54%.

Der Gehalt an AI₂O₃ beträgt mindestens 30 Masse-%, wobei mindestens 31% bzw. 32% sich als zweckmäßig erwiesen haben. Der Höchstgehalt an AI₂O₃ beträgt höchstens 37 Masse-%, wobei eine Höchstmenge von 36,5% bzw. 36% sich als zweckmäßig erwiesen haben. Besonders bevorzugte Höchstmengen betragen 35, 5 'S . Der Gehalt an MgO beträgt in der erfindungsgemäßen Keramik mindestens 7,5 Masse-%, wobei Mindestmengen von 7,8% bzw. 8% geeignet sind. Besonders bevorzugt sind Mindestmengen von 8,5%. Die Höchstmenge an MgO in der erfindungsgemäßen Keramik beträgt 11,5 Masse-%, insbesonders 11%, wobei sich

Höchstmengen von 10,5% bzw. 10% als zweckmäßig erwiesen haben. Besonders bevorzugt sind Höchstmengen von 9,8% bzw. 9,5%, wobei eine ganz besonders bevorzugte Höchstmenge an MgO 9,2% beträgt.

Der Gesamtgehalt an Alkalioxiden beträgt üblicherweise maximal 4% bzw. 3,8 Masse-%, insbesonders maximal 3,5% bzw. 3,2%, wobei ein Maximalgehalt von 3%, insbesonders 2,8% bevorzugt ist. Typische Alkalioxide sind Li₂0, Na₂0 sowie K₂0. Der typische Minimalgehalt an derartigen Alkalioxiden beträgt mindestens 1 Masse-%, insbesonders mindestens 1,5%, wobei mindestens 1,8% bzw. 2% sich als üblich erwiesen hat. In einzelnen Fällen können derartige Alkalielemente auch ohne weiteres mehr als 2%, insbesonders mindestens 2,1% bzw. 2,2 Masse-% betragen. Der reine Gehalt an K₂0 + Na₂0 beträgt üblicherweise mindestens 2%, insbesonders mindestens 2,2%, wobei sich Maximalgehalte an 3,8%, insbesonders 3,5% als zweckmäßig erwiesen haben. Weitere maximale Gehalte dieser beiden Oxide betragen typischerweise maximal 3%.

Die erfindungsgemäße Keramik enthält auch übliche

Beielemente, die zusammen mit den zuvor beschriebenen

Bestandteilen 100% der Porzellangesamtmenge bilden. Typische Beielemente sind CaO, Li₂0 sowie eine geringe Anzahl von Spurenelementen und Verunreinigungen wie Oxide von Ti, Mn, Co, Cr, Sr, V, Zn sowie Eisen. Des Weiteren können Beielemente, wie Calciumoxid in einer Menge von mindestens 0,1%, insbesondere 0,2% bis maximal 3% vorliegen, wobei ein Maximalgehalt von 2,8% bzw. 2,5% üblich ist. Sofern Eisenoxid als Verunreinigung vorhanden ist, beträgt sein Maximalgehalt üblicherweise nicht mehr als 0,6 Masse-%. Typische Verunreinigungen betragen 0,4 - 0,6

Masse-% .

Das erfindungsgemäße keramische Material weist dabei einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 20°C - 400°C

< 2,6xl0^~6 KT¹ bzw. 2,5xl0^~6 KT¹ auf, wobei ein Wert von kleiner 2,3, insbesonders kleiner 2,2 besonders bevorzugt ist. Ganz besonders bevorzugt sind thermische

Ausdehnungskoeffizienten mit Werten von kleiner 2,15

Des weiteren zeigt das erfindungsgemäße gebrannte keramische Material eine äußerst geringe Porosität von weniger als 0,05 auf. Üblicherweise beträgt die Porosität weniger als 0,05, wobei eine Porosität von < 0,04 insbesonders < 0,03, bevorzugt ist. Besonders ist eine Porosität von < 0,02, insbesonders < 0,015 bevorzugt. Durch die geringe Porosität beträgt die Wasseraufnahme weniger als 0,05 Masse-%.

Üblicherweise liegt sie bei < 0,04%, insbesonders < 0,03%.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß das der

erfindungsgemäße gebrannte keramische Werkstoff eine

außergewöhnlich hohe Temperaturwechselbeständigkeit zeigt, daß es in heißem Zustand mittels Wasser auf Raumtemperatur abgeschreckt werden kann ohne dass es dabei eine Rißbildung zeigt. Die Temperaturwechselbeständigkeit beträgt > 280 °C, insbesondere > 300°C, üblicherweise > 350°C, wobei > 380°C sowie > 400°C ganz besonders bevorzugt ist.

Die erfindungsgemäße Keramik ist vorzugsweise mit einer Glasur der folgenden Zusammensetzung versehen. Si0₂ 51 bis 60 Masse-% (gebrannt)

A1₂0₃ 16 bis 30 Masse-% (gebrannt)

MgO 5,5 bis 12 Masse-% (gebrannt)

B₂0₃ 2,5 bis 5,0 Masse-% (gebrannt)

Na₂0 + K₂0 2,0 bis 3,8 Masse-% (gebrannt)

Die Glasur weist ebenfalls übliche Beielemente auf, wie sie bereits zuvor bei dem keramischen Grundkörper beschrieben sind. Sämtliche Bestandteile ergeben zusammen 100 Masse-%.

Dabei weist die Glasur, wie bereits zuvor erwähnt, mindestens den gleichen, vorzugsweise jedoch einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der keramische Grundkörper auf. Der Si0₂-Gehalt der Glasur beträgt mindestens 51 Masse-%, wobei mindestens 52 Masse-%, insbesonders mindestens 54

Masse-% bzw. 55 Masse-% bevorzugt sind. Besonders bevorzugt sind Mindestgehalte an Si0₂ von 57 Masse-%. Der Maximalgehalt an Si0₂ beträgt höchstens 63 Masse-%, wobei 62 Masse-% bzw. 61 Masse-% bevorzugt sind. Besonders bevorzugt sind maximal 60 Masse-%, insbesonders 59 Masse-%.

Der Anteil an A1₂0₃ an der Gesamtmenge der Glasur beträgt mindestens 16 Masse-%, wobei mindestens 18 Masse-% bzw. 19 Masse-% bevorzugt sind. Der Höchstgehalt an A1₂C>3 beträgt höchstens 30 Masse-%, insbesonders höchstens 29 Masse-%.

Der Gehalt an MgO in der Glasur beträgt mindestens 5,5 Masse- %, wobei 5, 6 Masse-%, insbesonders 9 Masse-% bevorzugt sind. Typische Maximalgehalte an MgO betragen 12 Masse-%,

insbesonders 11 Masse-%, wobei ein Maximalgehalt von 10 Masse-% bevorzugt ist. Der Gehalt an B₂O₃ beträgt mindestens 2,3 Masse-%, wobei ein Mindestgehalt von 2,4 Masse-% bzw. 2,5 Masse-% sich als besonders zweckmäßig erwiesen hat. Der Höchstgehalt an B₂O₃ beträgt höchstens 5 Masse-%, wobei höchstens 4 Masse-%, insbesondere 3,5 Masse-% bevorzugt ist. Als besonders zweckmäßig haben sich Höchstgehalte von 3 Masse-% bzw. 2,8 Masse-% erwiesen.

Gegebenenfalls können die Zusammensetzungen weitere

Alkalioxide, Kalziumoxide sowie Spurenelemente in einer Menge von weniger als 1 Masse-% enthalten, wie sie z. B. für das erfindungsgemäße keramische Grundmaterial beschrieben ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Porzellans mit klassischer Porzellananmutung durch Bildung einer Masse mit der zuvor für das Porzellan angegebenen Zusammensetzung. Eine derartige Zusammensetzung wird üblicherweise durch die Verwendung von Feldspat, kalzinierter Tonerde, Talk, Kaolin sowie gegebenenfalls Schamotte erhalten.

Gegebenenfalls kann einer derartigen Mischung auch ein vorgebrannter Zusatz als Keim zur Cordieritbildung zugesetzt werden. Derartige Keime werden erhalten durch Brennen einer Masse 60 bis 70 Masse-% Kaolin und 30 bis 40 Masse-% Talkum.

Eine derartige Grundmasse wird durch Mischen von 6 bis 10 Masse-% Feldspat, 4,5 bis 10 Masse-% Tonerde, 20 bis 33 Masse-% Talk, 30 bis 55 Masse-%, ggf. bis 60 Masse-% Kaolin sowie gegebenenfalls 5 bis 12 Masse-% Kaolinschamotte

erhalten. Sofern ein Keim zugesetzt wird, beträgt sein Gehalt mindestens 0,5 Masse-%, insbesonders mindestens 1 Masse-% und höchstens 5 Masse-%, insbesonders höchstens 4 Masse-%. Ein damit erzeugtes Rohprodukt wird zuerst unter üblichen Bedingungen getrocknet und dann in einem ebenfalls üblichen Ofen vorgebrannt. Ein derartiges Vorbrennen wird bei

Temperaturen zwischen 700 und 1100°C, insbesondere zwischen 800 und 1000°C durchgeführt, wobei zwischen 850 und 950°C besonders bevorzugt sind. Das Vorbrennen erfolgt über einen Zeitraum von 3 bis 5 Stunden, insbesondere von 3,5 bis 4,5 Stunden .

In einer üblichen Vorgehensweise wird ggf. das derart

erhaltene vorgebrannte Rohprodukt anschließend mit der zuvor beschriebenen Glasur versehen. Eine derartige Glasur wird typischerweise durch eine Mischung aus dem erfindungsgemäß vorgebrannten und gemahlenen keramischen Werkstoff, einem Borsilikatglas, Kaolin, kalzinierter Tonerde, sowie Talk erhalten. Typische Zusammensetzungen von einem solchen

Material betragen vorgebranntes Material 50 bis 55 Masse-%

Borsilikatglas 20 bis 25 Masse-%

Kaolin 3 bis 11 Masse-%

Tonerde kalziniert 2 bis 4 Masse-%

Talkum OOS 12 bis 16 Masse-%

sowie ggf.

vorgebrannter Zusatz als 0,2 bis 0, 8 Masse-% enthält .

Das in der Glasur enthaltene vorgebrannte Material wird erhalten, indem die erfindungsgemäße keramische Grundmasse nach dem Brennen vorgemahlen wird. Typische Mahlprozesse werden beispielsweise zuerst mittels einer üblichen Mühle wie z. B. einer Kugelmühle durchgeführt und das so erhaltene Gut dann in einer Schwingmühle weiter gemahlen wird. Prinzipiell weist das verwendete fein gemahlene, vorgebrannte Material wenig Oberkorn und wenig Feinkorn auf und zeigt eine steile Kornverteilung. Die typischerweise eingesetzten vermahlenen Partikel zeigen eine mittlere Korngröße dso , vorzugsweise zwischen 3 und 5 pm auf, wobei Korngrößen zwischen 3,2 pm und 4,3 pm bevorzugt sind. Durch die steile bzw. enge

Kornverteilung zeigen die Partikel einen Siebrückstand >20 pm von weniger <1%, wobei <0,1% bzw. <0,01% bevorzugt ist.

Körner mit einer Größe von <1 pm sind üblicherweise weniger als 15% enthalten und insbesondere weniger als 12% bzw. 11%.

Das Borsilikatglas enthält 70 - 83%, insbesondere 75 - 83 % Si0₂, 7- 15 %, insbesondere 9 -14 B₂0₃, 2-8%, insbesondere 3- 5% Na₂0 + K₂0, 1,7%, insbesondere 1,5 - 3% A1₂0₃ sowie ggf. geringe Mengen an Erdalkalioxiden als Verunreinigung.

Der letzte keramische Brand, insbesondere derjenige mit

Glasur, wird üblicherweise in einem industriellen

Schnellbrandtunnelofen durchgeführt. Mittels eines derartigen Ofens ist es möglich, Keramik bei maximal 1400°C in höchstens 8, insbesonders höchstens 6,5 bzw. 5 Stunden zu brennen und zwar in der Gesamtzeit im Ofen (Verweilzeit) .

Eine so erhaltene erfindungsgemäße mit Glasur versehene

Keramik zeigt eine geringe Oberflächenrauigkeit .

Dabei liegt der arithmetische Mittelwert RA der Beträge aller Profilwerte (-tiefe) des Rauhigkeitsprofils bei höchstens 0,13, üblicherweise höchstens 0,1, wobei 0,095 bevorzugt ist. Die Rauhtiefe R_z, d. h. der arithmetische Mittelwert

aufeinanderfolgender Einzelmessstrecken bei höchsten 1,00, insbesondere höchstens 0,95, wobei 0,90 besonders bevorzugt ist. Die übliche Standardabweichung δ beträgt dabei höchstens 0,2, insbesondere 0,18, wobei höchstens 0,17 besonders bevorzugt ist. Eine solche Rauigkeit ist ein Maß für eine hohe Porzellananmut bzw. Glanz.

Der erfindungsgemäße cordierithaltige keramische Werkstoff weist üblicherweise die folgenden Parameter auf:

- generelle Porzellananmutung

- Weißgehalt > 70 %

- Transparenz visuell erkennbar

- Glanz weist geringe Opazität auf

- Bruchfestigkeit > 850 kg/cm²

- thermischer Ausdehnungskoeffizient bei 20-400 °C

< 2,6 · 10^~6 IC¹ , insbesondere < 2,35 · 10^~6 IC¹

- Temperaturwechselbeständigkeit > 280 °C, insbesondere

> 300°C, üblicherweise > 350°C, wobei > 380°C sowie > 400°C ganz besonders bevorzugt ist

- Wasseraufnahme < 0,05% , insbesondere < 0,03 %,

- chemische Beständigkeit laut DIN EN ISO 11885

In einer vorteilhaften Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffs weist er eine elektrisch leitende Schicht auf, z. B. in Form eines Induktionsbildes. Damit ist es möglich, den cordierithaltigen Werkstoff mittels einer

Induktionsvorrichtung zu erwärmen oder warmzuhalten, ohne dass dabei das Material nach relativ kurzer Zeit durch

Rissbildung zerstört wird.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform wird zur Herstellung von Geschirr aus Cordierit mit klassischer Porzellananmutung ein vorgebranntes Material mit den Bestandteilen in Masse-%

Feldspat AKW 900/12 6 bis 10

Tonerde kalziniert 5 bis 10

Talkum OOS 20 bis 30

Kaolin Grolleg 30 bis 40 Kaolin SSP 16 bis 20

Kaolinschamotte AK45 5 bis 12 ggf. mit einem vorgebrannten Zusatz als Keim für die

Cordieritbildung von 0,5 bis 5 Masse-% versetzt, dessen

Zusammensetzung die Bestandteile

Kaolin 60 bis 70 Masse-%

Talkum 30 bis 40 Masse-%

und weitere Spurenanteile von Ca, Ti, Se, P unter 1 Masse-% enthält .

Das Material wird über ein Formgebungsverfahren in einen Formling überführt, getrocknet und verputzt. Dann in einem Schnellbrandglühofen bei 900 °C in einer gesamten Verweilzeit von 4 h im Ofen geglüht und anschließend mit einer Glasur versehen, deren Zusammensetzung wenigstens die Bestandteile das vorgebrannte Material 50 bis 55 Masse-%

Borsilikatglas

(z. B. Duranglas 3.3 Schott) 20 bis 25 Masse-%

Kaolin SSP 1 bis 5 Masse-%

Kaolin Grolleg 2 bis 6 Masse-%

Tonerde kalziniert 2 bis 4 Masse-%

Talkum OOS 12 bis 16 Masse-%

vorgebrannter Zusatz als Keim 0,2 bis 0, 8 Masse-% enthält .

Der keramische Brand erfolgt vorteilhaft in einem

industriellen Schnellbrandtunnelofen bei maximal 1400°C in 6 h kalt/kalt.

Für die Verwendung des cordierithaltigen keramischen

Werkstoffes in einer Induktionsvorrichtung kann vorteilhaft ein Induktionsbild auf die Unterseite oder auf die Innenseite des Geschirrs angebracht werden. Durch Schnellbrand bei maximal 860°C und einer Brenndauer von 180 min wird dieses eingebrannt .

Die Erfindung wird durch folgende Beispiele näher erläutert.

1. Die Brennbedingungen

Die Brennbedingungen für den Glattbrand sind fixiert durch die Nutzung eines im Betrieb befindlichen modernen

energieeffizienten Schnellbrandtunnelofens von 70 m Länge, in dem klassisches Porzellan im Mix mit dem erfindungsgemäßen cordierithaltigen keramischen Werkstoff gebrannt wird. Die wesentlichen Parameter sind eine kurze Brennzeit von 6h kalt/kalt, bei 1400 °C im Maximum und reduzierender

Gasatmosphäre. Der Werkstoff neigt unter bestimmten

Bedingungen zum sogenannten Ausschwitzen oder zur

Selbstglasur, was im Kontakt mit den Brennhilfsmitteln zu Ankleberscheinungen führen kann. Deshalb wird hier ein engobiertes Brennhilfsmittel eingesetzt.

2. Die Massezusammensetzung, Herstellung und Verarbeitung

Ausgehend von der bekannten chemischen Zusammensetzung von reinem Cordierit 2MgO x 2A1₂0₃ x 5Si0₂ oder Mg₂Al₃ (AlSi₅0₁₈) kommen als MgO-Lieferant Speckstein oder Talkum, und

ansonsten Feldspat, Kaolin und gebrannte Tonerde als

Basisrohstoffe zum Einsatz.

Die erfindungsgemäße Zusammensetzung beinhaltet die folgenden Bestandteile :

Feldspat AKW 900/12 6 bis 10 Masse- o

0

Tonerde kalziniert 5 bis 15 Masse- o

0

Talkum OOS 20 bis 30 Masse- o

0

Kaolin Grolleg 30 bis 40 Masse- o

0 Kaolin SSP 16 bis 20 Masse-%

Kaolinschamotte AK45 5 bis 12 Masse-%

Die damit erzielte chemische Zusammensetzung liegt bei:

S10₂ 50 bis 54 Masse-%

A1₂0₃ 31 bis 37 Masse-%

Fe₂0₃ 0,4 bis 0, 6 Masse-%

MgO 8 bis 11 Masse-%

K₂0 1,5 bis 3,0 Masse-%

Na₂0 0,5 bis 0, 8 Masse-%

Darüber hinaus wird zur speziellen Erzielung eines niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten 20 - 400°C von

< 2,4 · 10^~6 K^_1 erfindungsgemäß ein Zusatz als Keim für

Cordieritbildung von 0,5 bis 5 % hinzugefügt. Dessen

Zusammensetzung besteht aus einer vorgebrannten Mischung von

Kaolin: 60 bis 70 Masse-%

Talkum: 30 bis 40 Masse-%

und weiteren Spurenanteilen (Ca, Ti, Se, P unter 1 Masse-%) .

Die Herstellung dieser Masse nach o. g. Versatz wird durch

Zusatz von Wasser und ggf. Verflüssiger zu einer geeigneten

Grundmasse durchgeführt. Dazu werden die Rohstoffe in einer

Trommelmühle mit Wasser 6 Stunden gemahlen, um die Masse zu homogenisieren. Nach erfolgter Absiebung (160 μιη) bleibt die

Masse in einem Ruhebehälter, um zu entgasen. Die zu

erreichenden Parameter dabei sind

Dichte: 1720 bis 1750 g/1

Viskosität: Auslaufzeit von 50 ml 40-80 sec

Thixotropiefaktor : 0,7

Scherbenbildung in 10 min: 3 bis 4 mm Als formgebender Prozess für die Herstellung des gewünschten Geschirrs wird die Masse z. B. im Druckgussverfahren

eingesetzt. Alternativ kann auch isostatisch gepresst werden. Nach dem Entformen, Trocknen, Verputzen werden die Artikel in einem Schnellbrandglühofen bei 900 °C in 4 h kalt/kalt einlagig geglüht.

3. Glasurzusammensetzung, Herstellung und Anwendung

Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Glasur liegt etwas niedriger als der thermische Ausdehnungskoeffizient des erfindungsgemäßen cordierithaltigen keramischen Werkstoffs, denn nur so ist die Festigkeit und die

Temperaturwechselbeständigkeit des cordierithaltigen

keramischen Werkstoffes nicht negativ beeinflusst. Tests mit Artikeln, bei denen diese Bedingung nicht eingehalten wurde, zeigen nach Durchführung von Temperaturschocks, dass

Glasurhaarrisse auftreten.

Erfindungsgemäß wurde folgende Glasurzusammensetzung und selektive Aufbereitung entwickelt, die dieser Notwendigkeit entspricht und dabei einen thermischen Ausdehnungs^¬ koeffizienten 20 - 400°C von 2,14 · 10^~6 IC¹ aufweist:

Es wird eine Masse unter analogen Brennbedingungen

vorgebrannt und zusammen mit Borosilikatglas (Duranglas 3.3 von Schott) in einer Trommelmühle mit Alubitkugeln bestimmter Durchmesser selektiv vorgemahlen. Dann werden weitere

Komponenten zugesetzt und weitergemahlen zwecks Mischung und Feinmahlung bis D50 4, 5 bis 5,5 μιη.

Die Zusammensetzung der Glasur enthält die Bestandteile: vorgebrannte Masse,

wie unter Punkt 2 50 bis 55 Masse-%

Borosilikatglas

(Duranglas 3.3 Schott) 20 bis 25 Masse- o

0

Kaolin SSP 1 bis 5 Masse- o

0

Kaolin Grolleg 2 bis 6 Masse- o

0

Tonerde kalziniert 2 bis 4 Masse- o

0

Talkum OOS 12 bis 16 Masse- o

0

vorgebrannter Keimbildner 0,2 bis 0, 8 Masse- o

0

Der Keimbildner ist mit dem in der Masse eingesetzten

identisch .

Mit diesem Versatz wird folgende chemische Zusammensetzung erzielt :

Si0₂ 55, 0 bis 61,0 Masse- 0

0

A1₂0₃ 23, 0 bis 27,0 Masse- 0

0

MgO 9,3 bis 11,3 Masse- 0

0

Na₂0 0, 6 bis 1, 6 Masse- 0

0

K₂0 1,0 bis 2 Masse- 0

0

B₂0₃ 2,3 bis 3, 9 Masse- 0

0

Der Glasurvorgang erfolgt durch Tauch- oder Spritzglasieren. 4. Die gestalterische Produktentwicklung

Erfindungsgemäß wurde ein Artikelsortiment entwickelt, das einerseits den formal funktionellen Anforderungen entspricht, wie Ästhetik, Artikelgröße, Verwendungszweck, Stapelbarkeit, und anderseits insbesondere den wechselthermischen

Anforderungen entspricht.

Zu Letzteren trägt Folgendes bei: die Formgestaltung, durch welche mechanische Kräfte, die durch Temperaturunterschiede auftreten, aufgenommen und letztlich durch die Biegebruchfestigkeit kompensiert werden; ferner die Henkelgestaltung derart, dass

gewährleistet wird, dass einerseits der Artikelkörper mit hohen Temperaturen beaufschlagt wird, aber

andererseits die Griffelemente möglichst nur handwarm aufgeheizt werden;

Scherbengestaltung, insbesondere dabei die Scherbendicke von nur 3,5 bis 5 mm, weil dadurch bei einer relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs der Wärmeausgleich von der heißen Außenseite zur kalten Innenseite schneller vollzogen ist.

5. Die Anpassung des Induktionsbildes

Optional für die Anwendung des Induktionskochfeldes wird ein Induktionsbild auf der Unterseite oder auf der Innenseite am Boden des Artikels aufgetragen. Diese Induktionsbilder können beispielweise besonders einfach als silberhaltige

Abziehbilder ausgestaltet sein. Somit gewährleistet das erfindungsgemäße Geschirr mit dem optionalen Induktionsbild die universelle Anwendbarkeit auch in der Mikrowelle, auf einer Elektroheizplatte, einem Gasbrenner oder Ceranfeld.

Um allen Anwendungsfällen gerecht zu werden, wurde dafür im Design von Boden und Fuß gesorgt, dass das Bild dort

entsprechenden Schutz findet. Das Aufbringen des

Induktionsbildes auf der Innenseite erhöht extrem die

Wirksamkeit der Wärmeübergabe, womit Zeit und Energie

eingespart wird. Weiterhin muss die elektrische Leistungsaufnahme an die jeweilige Größe und Form des Artikels angepasst werden.

Das Einbrennen des Induktionsbildes erfolgt erfindungsgemäß in einem Dekorschnellbrandtunnelofen bei max . 860 °C und einem Brennzyklus von nur 180 Min.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand

Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Rohstoffe sind in Masse-% für die Massezusammensetzung und den Keimbildner sowie der Glasurzusammensetzung angegeben und werden

vorgebrannt und dann auf < 30 μιη gemahlen:

Masse^¬ Glasur^¬ zusammensetzung zusammensetzung

Feldspat AKW 900/12 7

Tonerde kalziniert 5 3

Talkum OOS 26 14

Kaolin Grolleg 33 4

Kaolin SSP 18 2,2

Kaolinschamotte AS 45 10

GlattScherben 52

Borglas 3.3 24

Keimbildner 0,8

Gesamt 100 100

D50 ( m) 5,0 4,5 Keimbildner :

Talkum OOS 33 33

Kaolin SSP 65 65

Ti0₂ 1 1

Ca₃(P0₄)₂ 1 1 Die erzielten Eigenschaften nach Brand bei einer Temperatur von maximal 1400 °C in 6 h sind wie folgt nachgewiesen worden :

Weißgehalt: 72 %

Wasseraufnahme: 0,05 %

Biegefestigkeit: 850 kg/cm²

Temperaturwechselbeständigkeit: ΔΤ 295 °C

Thermischer Ausdehnungskoeffizient

der Masse 20-400 °C: 2,14 · 10^~6 IC¹ Thermischer Ausdehnungskoeffizient

der Glasur 20-400 °C: 2,1 · 10^~6 IC¹

Claims

Patentansprüche

1. Cordierithaltiger keramischer Werkstoff mit klassischer Porzellananmutung, umfassend folgende Bestandteile in

Masse-%

Si0₂ 48 bis 55,5

A1₂0₃ 32 bis 37

MgO 7,5 bis 11,5

sowie ggfs .

K₂0 1,5 bis 3,0 und/oder

Na₂0 0,5 bis 0,8 und/oder

Fe₂0₃ bis 0,6

2. Cordierithaltiger keramischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung

55 - 75% Cordierit,

8 - 16% Mullit,

10 - 20% Korund sowie

Rest zu 100% einer röntgenamorphen Phase

aufweist .

3. Cordierithaltiger keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie - die Glasur folgende Bestandteile in Masse-%

Si0₂ 52 bis 58

A1₂0₃ 16 bis 20

MgO 5, 6 bis 7, 6

Na₂0 0, 9 bis 1, 9

K₂0 0,7 bis 1,7

B₂0₃ 3,4 bis 5, 0

aufweist .

4. Cordierithaltiger keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten

< 2,14 · 1(T⁶ IC¹ aufweist.

5. Cordierithaltiger keramischer Werkstoff nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur einen gleichen oder kleineren thermischen

Ausdehnungskoeffizienten wie das Material aufweist.

6. Cordierithaltiger keramischer Werkstoff nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wasseraufnahme von < 0,05 aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung eines cordierithaltigen

keramischen Werkstoffsmit klassischer Porzellananmutung, dadurch gekennzeichnet, dass

- ein vorgebranntes Material mit den Bestandteilen in Masse-%

Feldspat AKW 900/12 6 bis 10

Tonerde kalziniert 4,5 bis 10

Talkum OOS 20 bis 33

Kaolin 30 bis 55

Kaolin Schamotte AK45 5 bis 12

mit einem vorgebrannten Zusatz als Keim für die

Cordieritbildung von 0,5 bis 5 Masse-% versetzt wird, dessen Zusammensetzung die Bestandteile

Kaolin 60 bis 70 Masse-%

Talkum 30 bis 40 Masse-%

und weitere Spurenanteile von Ca, Ti, Se, P unter

1 Masse-%

enthält ,

- das so mit dem Zusatz versetzte Material unter Zugabe von Wasser und Verflüssiger in eine für den Druckguss geeignete Gießmasse überführt wird,

- nach dem Druckgussverfahren das entformte, getrocknete und verputzte Geschirr in einem Schnellbrandglühofen bei 900 °C in 4 h geglüht wird,

- anschließend das Geschirr mit einer Glasur versehen wird, dessen Zusammensetzung die Bestandteile

vorgebranntes Material 55 Masse

Borosilikatglas 25 Masse

Kaolin 11 Masse

Tonerde kalziniert 4 Masse

Talkum OOS 16 Masse

enthält .

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionsbild auf die Unterseite oder auf die

Innenseite des Geschirrs angebracht wird und durch

Schnellbrand bei maximal 860°C und einer Brenndauer von 180 min eingebrannt wird.

9. Verwendung eines cordierithaltigen keramischen Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 - 6 oder eines nach dem

Verfahren der Ansprüche 7 oder 8 hergestellten Porzellans als technisches Bauteil und/oder als Geschirr.