DE1571372C3 - Tonerdeporzellanmasse für elektrische Isolatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Tonerdeporzellanmasse für elektrische Isolatoren mit bis zu 45 Gewichtsprozent calcinierter Tonerde, mit tonartigen und kaolinischen Stoffen sowie einem MnCte enthaltenden Flußmittel auf der Basis von gebräuchlichen Alkalialuminiumsilikaten in einer Menge von weniger als 20 Gewichtsprozent.

Die keramischen Massen dieser Art müssen den vielfachen Erfordernissen der Herstellung und des Brennens genügen, wobei sie gleichzeitig dem Fertigprodukt in gebranntem Zustand erhöhte Werte der elektromechanischen Eigenschaften verleihen sollen.

Unter diesen Eignungen sind die wichtigsten die Eignung zur Formung und Kalibrierung, zur Trocknung sowie gleichzeitig eine gute Kohäsion im trocknen Zustand, ein großer Brennbereich und eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber Veränderungen der Ofenatmosphäre. Der Fachmann versucht, diese verschiedenen, bisweilen sich völlig widersprechenden Erfordernisse zu vereinigen, indem er besonders mit Ausgangsstoffen unterschiedlicher Herkunft und der Korngröße variiert. Das ist übrigens auch der Grund dafür, warum Angaben aus Veröffentlichungen oder Patenten, abgesehen von den sehr genau angegebenen, überhaupt nicht oder schlecht reproduzierbar sind und selten brauchbar sind, da diese Massen im Hinblick auf eine bestimmte Eigenschaft oder eine Bedingung entwickelt worden sind. Hierbei werden andere Gesichtspunkte außer acht gelassen, denen eine Masse ebenfalls genügen muß, damit sie industriell verwertbar ist.

Wenn man indessen diesen Gegebenheiten bestmöglich Rechnung trägt, hängen die Eigenschaften eines solchen keramischen Stoffes von bestimmten Verhältnissen der mineralogischen Bestandteile ab. Im allgemeinen ist eine tonerdehaltige Keramik zur Herstellung von Isolatoren wie folgt zusammengesetzt

15 bis 45 Gewichtsprozent calcinierte Tonerde
25 bis 60 Gewichtsprozent tonartige Stoffe
20 bis 40 Gewichtsprozent Feldspat

Eine derartige Masse wird im allgemeinen zwischen 1100 und 1400⁰C gebrannt.

Die verwendeten Tone und Feldspäte enthalten immer einen bestimmten Prozentanteil an Quarz, der sich teilweise in dem geschmolzenen Feldspat löst. Ein bestimmter Teil hiervon bleibt jedoch in kristallinem Zustand in dem Scherben zurück und ruft lokale Spannungen hervor, die die mechanischen Eigenschaften herabsetzen.

Einige Autoren haben vorgeschlagen, den Feldspat ganz oder teilweise durch Flußmittel zu ersetzen, die alkalihaltiger sind, um so den freien Quarz der ungebrannten Masse vollständig zu lösen, und zwar besonders durch Ersatz des Feldspates durch Nephelin-Syenit.

Der Feldspat hat folgende allgemeine Formel:
KAIS13O8 für Orthoklas oder

NaAlSi3OefürAlbit.

Im allgemeinen besteht der natürliche Feldspat aus einem Gemisch dieser Minerale mit einem Gehalt an Quarz.
Der Nephelin-Syenit entspricht der Formel:

Nephelin-Syenit ist somit reicher an Alkalien. Damit verbunden ist eine größere Lösungsfähigkeit für freien Quarz, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Scherbens, wie schon zahlreiche Autoren festgestellt haben, sowohl bei den tonerdehaltigen Massen als auch bei den herkömmlichen Massen für Porzellan oder glasartige Stoffe verbessert werden.

Bei Ersatz von AI2O3 durch S1O2 ist zum Brennen der Massen bei den für die herkömmlichen Porzellane üblichen Bedingungen die Verwendung von Flußmitteln bzw. Zuschlägen notwendig, die eine größere Quarzlöslichkeit bewirken bzw. in größerer Menge eingesetzt werden.

Auf Grund dieser Betrachtungen wurde schon vorgeschlagen, tonerdehaltige keramische Massen zur Herstellung von Isolatoren mit einem Versatz zu verwenden, der sich zwischen folgenden Grenzen bewegt:
40

15 bis 45 Gewichtsprozent Tonerde

25 bis 60 Gewichtsprozent tonartige und kaolinische

Stoffe,

20 bis 40 Gewichtsprozent Flußmittel bzw. Zuschläge, die im wesentlichen Feldspat und Nephelin-

Syenit enthalten.

Derart hohe Anteile an Flußmitteln bzw. Zuschlagen bringen den Nachteil mit sich, den Brennbereich durch Schaumbildung zu verkleinern. Dies bedingt wieder eine Verminderung der Biegefestigkeit und eine Neigung zu Verformungen im Verlauf des Brennens. Zum anderen sind bei einer alkalireichen Masse die elektrischen Eigenschaften des Endprodukts verschlechtert.

Durch die Erfindung wird also die Aufgabe gelöst, den Anteil an teueren Flußmitteln und Zuschlägen reduzieren zu können, ohne gleichzeitig zur Erzielung einer guten Biegefestigkeit den Anteil an Tonerde erhöhen zu müssen. In diesem Zusammenhang sei auf einen Aufsatz in American Ceramic Society, Ceramic Bulletin, 1961, Vol. 40, Nr. 2, S. 74 bis 77, hingewiesen, wo als Grundmaterial 65% Tonerde, d. h. ein sehr teueres Material, verwendet wird.

Dies wird bei einer Tonerdeporzellanmasse der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Flußmittel verwendet wird, das neben dem MnO2 als weiteren Flußmittelbestandteil T1O2 enthält, wobei der Gehalt an T1O2 und MnO2, bezogen

auf die Gesamtmasse, 0,5 bis 4 Gewichtsprozent beträgt.

Vorteilhafterweise liegt das Gewichtsverhältnis der Bestandteile TiCh und MnCh bei etwa einem Drittel TiCh auf zwei Drittel MnCh.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die keramische tonerdehaltige Masse folgendermaßen zusammengesetzt:

15 bis 45 Gewichtsprozent calcinierte Tonerde, 30 bis 60 Gewichtsprozent tonartige und kaolini- ι ο sehe Stoffe,

weniger als 20 Gewichtsprozent Flußmittel bzw. Zuschläge, wobei diese 0,5 bis 4 Gewichtsprozent (bezogen auf die keramische Masse) TiCh- MnCh enthalten.

Eine derartige keramische Mischung kann in üblichen öfen bei üblichen Temperaturen gebrannt werden, d. h. zwischen 1280 und 1350° C.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist das Gewichtsverhältnis der tonartigen Stoffe zum Gewicht der kaolinischen Stoffe in der keramischen Masse kleiner als 1.

Keramiken solcher gut verformbarer Massen zeigen vorteilhafterweise erhöhte mechanische Eigenschaften.

Im folgenden werden Beispiele für erfindungsgemäße keramische tonerdehaltige Massen mit den erstrebten Eigenschaften gebracht.

Aus der folgenden Tabelle gehen Zusammenstellung und Zusammensetzungen der verwendeten Ausgangsstoffe hervor:

	Brenn	S1O2	AbCh	Fe2Ch	CaO	MgO	K2O	Na-O	TiOj
	verlust
Ton A	9,7	57,7	30,0	0,7	0,4	0,5	1,8	0,6
Ton B	12,6	54,4	30,1	0,6	0,7	0,7	0,4	0,9
Ton C	13,1	53,5	30,0	1,4	0,3	0,4	0,4	0,2
Ton D	11,7	55,62	30,0	0,58	0,11	0,16	0,83	0,18	0,72
Kaolin E	12,9	47,0	37,6	0,6	0,5	0,4	0,6	0,1
Kaolin F	12,7	48,1	36,4	0,9	0,6	0,5	0,9	0,1
Feldspat	0,2	65,4	19,1	0,4	0,3	0,1	11,5	3,1
Nephelin-Syenit	0,6	61,2	21,0	0,3	0,1	—	5,8	11,0
Tonerde 1			99,2	wobei	70% dieser	Tonerde	eine K	ornerößi	; kleiner als

Tonerde 2

5 μ und eine spezifische Oberfläche in der Größenordnung von 4000 bis 4500 cm²/g haben

99,59 wobei 75% dieser Tonerde eine Korngröße kleiner als

5 μ und eine spezifische Oberfläche in der Größenordnung von 5000 cm²/g haben

Beispiel 1

Tonerde 1

Ton A

Ton B

Kaolin E

Nephelin-Syenit

Zuschlag T1O2 - MnO2

39% 11,5%

8% 25% 14,5%

2%

Diese Mischung hat eine Biegefestigkeit von kg/cm² im Trockenzustand, gemessen an einem Zylinder von 8 mm 0 (Stützenabstand von 60 mm) bei einer Temperatur von 110° C. Die Massen wurden in einem industriellen Tunnelofen bei 1350° C gebrannt. Die Masse hatte dann eine Dichte von 2,76 g/cm³, eine Biegefestigkeit von 2200 kg/cm², gemessen an einem Probestab von 6 mm 0 (Stützenabstand von 25 mm). Passend glasiert zeigt dieser Probestab eine Biegefestigkeit von 2760 kg/cm².

Beispiel 2

Tonerde 1

Ton C

Kaolin F

Nephelin-Syenit

Feldspat

Zuschlag TiO2-MnO2

40%

15%

26%

10%

7%

2%

Nach dem Brennen in einem industriellen Tunnelofen bei einer Temperatur von etwa 1280° C ergab sich für den gebrannten Gegenstand eine Dichte von 2,94 g/cm³ sowie eine Biegefestigkeit für 6 mm starke Rundstäbe von 2425 kg/cm² und für glasierte Stäbe von 2625 kg/ cm². Der Brennbereich dieser Masse beträgt etwa 70°C. Nach dem Brennen in einem industriellen Tunnelofen in reduzierender Atmosphäre erhält man eine Biegefestigkeit für das unglasierte Stäbchen von 2620 kg/cm² und von 3140 kg/cm² für das passend glasierte Stäbchen.

55

6o

Beispiel 3

45 Tonerde 2

Ton D

Ton E

Kaolin F

Nephelin-Syenit

Feldspat

Zuschlag TiO2-MnO2

30% 8%

13%

30% 8,5% 8,5% 2%

Die Biegefestigkeit im trockenen Zustand beträgt 36 kg/cm². Nach dem Brennen bei den Bedingungen des Beispiels 2 erhält man eine Dichte von 2,8 g/cm³ und eine Biegefestigkeit für ein Stäbchen von 6 mm 0 von 2220 kg/cm². In reduzierender Atmosphäre ergab sich eine Biegefestigkeit von 2510 kg/cm² für ein unglasiertes Stäbchen und 2895 kg/cm² für ein glasiertes Stäbchen.

Beispiel 4

Tonerde 2

Kaolin F

Nephelin-Syenit

Feldspat

Zuschlag TiO2-MnO2

30%

15%

36% 8,5% 8,5% 2%

Die Biegefestigkeit im trockenen Zustand beträgt 35 kg/cm². Bei den schon genannten Brennbedingungen ist die Dichte 2,84 g/cm³ und die Biegefestigkeit für ein Stäbchen von 6 mm 0 2160 kg/cm².

Der Prozentanteil und die Zusammensetzung des Zuschlags TiCh-MnCh, der erfindungsgemäß in die keramische Masse eingeführt wurde, kann je nach dem Gehalt der Hauptbestandteile so variieren, daß die im vorstehenden angezeigten Bedingungen, d. h. ein Gehalt zwischen 0,5 und 4% sowie ein Verhältnis von TiCh zu MnCh von 1 : 2, erreicht werden. Die Verwendung von TiCh — MnO2 bewirkt nicht allein spezifisch die Erniedrigung der Brenntemperatur, sondern beeinflußt ebenso das Gefüge des Scherbens.

Beim Vergleich einer tonerdehaltigen Masse von gleicher chemischer Zusammensetzung und sehr verwandter mineralogischer Zusammensetzung, beispielsweise der folgenden Zusammensetzung 5:

Tonerde 1	40%
Feldspat	24%
Bindeton A (Ball Clay)	25%
Kaolin F	11%

Diese spezifische Wirkung des Flußmittels tritt genauso in der Masse 4 im Vergleich mit einer Masse 6 hervor, bei der das TiCh — MnCh enthaltende Flußmittel durch die gleiche Menge einer Mischung von Feldspat-Nephelin-Syenit ersetzt wurde. Man erhält für die Masse 4 eine Dichte von 2,84 g/cm³ und eine Biegefestigkeit von 2160 kg/cm², anstatt einer Dichte von 2,70 g/cm³ und einer Biegefestigkeit von 1890 kg/cm* für die Masse 6.

Man stellt ebenfalls fest, daß die Masse 4 mit 30% Tonerde Eigenschaften hat, die der vorstehenden Masse 5 entsprechen, die 40% Tonerde enthält. So können 25% calcinierte Tonerde, d. h. ein relativ teures Hauptmaterial, eingespart werden.

Erfindungsgemäß ist in den Beispielen 1,2,3 und 4 das Verhältnis

Gewicht der tonartigen Stoffe
Gewicht der kaolinischen Stoffe

kleiner als 1. Dieses Verhältnis beträgt für die 4 angeführten Massen:

erhält man für ein Probestäbchen und bei den im vorstehend dargelegten Versuchsbedingungen tatsächlich eine mechanische Festigkeit über 2200 kg/cm² für ein unglasiertes Stäbchen und eine Dichte von 2,846 g/cm³. Die Dichte der Masse nach Beispiel 2 beträgt 2,94 g/cm³, was, welbst wenn man die Einführung des schweren Oxides TiCh- MnCh berücksichtigt, eine Verbesserung der Dichte von 2% ergibt. Diese Verdichtung des Scherbens spiegelt sich in der mechanischen Festigkeit wieder, die von 2200 kg/cm² auf 2425 ansteigt.

19,5

25

36

während das gleiche Verhältnis in der Masse 5

beträgt.

Die aus den erfindungsgemäßen Massen hergestellte Keramik weist einen verhältnismäßig geringen Glasphasenanteil auf; darauf sind die guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften der mit diesen Massen hergestellten Keramik zurückzuführen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Tonerdeporzellanmasse für elektrische Isolatoren mit bis zu 45 Gewichtsprozent calcinierter Tonerde, mit tonartigen und kaolinischen Stoffen sowie einem MnCh enthaltenden Flußmittel auf Basis von gebräuchlichen Alkalialuminiumsilikaten in einer Menge von weniger als 20 Gewichtsprozent, gekennzeichnet durch ein Flußmittel, das neben dem MnCh als weiteren Flußmittelbestandteil T1O2 enthält, wobei der Gehalt an T1O2 und MnCte, bezogen auf die Gesamtmasse, 0,5 bis 4 Gewichtsprozent beträgt.

2. Tonerdeporzellanmasse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gewichtsverhältnis von TiCh zu MnÜ2 von 1 : 2.

3. Tonerdeporzellanmasse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gewichtsverhältnis von tonartigen Stoffen zu kaolinischen Stoffen kleiner als 1.