Keramische Spezialmassen
Obering. H. Handreck
Hermsdorf/Thüringen (Hescho)
Special Ceramic Compounds
Published in:
Archiv für Technisches Messen
Z944-3, February 1935
Additionally, the ceramic compound triangle
Derived from ATM Z944-1, 1931-T16
(Please notice, that the printed quality is much better than shown at your screen)
Begriffs-Erklärung
Keramische Spezialmassen sind Werkstoffe, die von den bekannten keramischen Erzeugnissen, als deren Hauptvertreter für technische zwecke Hartporzellan [1], Steatit [2], und Steingut [3] angesprochen werden können, in der Zusammensetzung abweichen, jedoch ebenso wie sie nach keramischen Arbeitsverfahren geformt und in einem anschließenden Brande bei hoher Temperatur (über 1000 Grad C) durch chemische Reaktionen, Sinterung und Kristallbildungsvorgänge verfestigt werden. Um besondere Werkstoffeigenschaften zu erzielen, sind bei ihnen die bestandsteile der normalen Massen in der Mengenverhältnissen vorhanden, durch andere ersetzt oder durch Zusätze ergänzt.
Allgemeine Eigenschaften
Alle keramischen Spezialmassen sind im Gegensatz zu organischen Werkstoffen wetter- und tropenfest sowie unempfindlich Feuchtigkeit, beständig gegen alle Alkalien und Säuren, außer Flusssäure, nicht brennbar und bis Temperaturen über 1000 Grad C hitzebeständig. Sie besitzen viel geringere Elastizität als organische Stoffe und unterscheiden sich von ihnen und den Metallen durch größere Formstarrheit und Unveränderlichkeit mit der Zeit und der Temperatur, da sie als „chemisch tote“ Stoffe nicht mehr arbeiten.
Mechanische Eigenschaften (derived from: ATM Z944-1)
Abgesehen von der Sorgfalt bei der der Herstellung der Art und dem physikalischen Zustand, d.h. der Verarbeitung der eingeführte Rohstoffe ist die Zusammenstellung aus den drei Hauptbestandteilen, Kaolin, Feldspat, Quarz von starkem Einfluss auf die Eigenschaften.
Bild Dreieck
Zur Darstellung verwendet man die bekannte Dreieck-Darstellung. Nicht alle wünschenswerten Porzellan-Eigenschaften lassen sich vereinigen, zum Teil stehen sie zueinander im Widerspruch, z.B. geht hohe mechanische Festigkeit auf Kosten der Durchschlagfestigkeit und umgekehrt. ………
Continueing with ATM Z944-3
Übersicht und Einteilung
Ihrer hauptsächlichen chemischen Zusammensetzung kann man Tonerdesilikate sie bei den normalen Massen Porzellan und Steinzeug, Magnesiumsilikate wie bei Steatit, ferner Gemische aus beiden unterscheiden. Als Zusatzstoffe werden bevorzugt Tonerde, Korund, Sillimanit für hochfeuerfeste Erzeugnisse und Zündkerzen; Speckstein, Talkum und andere Magnesium-Verbindungen für dielektrisch verlustarme Massen geringer Leitfähigkeit; Siliziumkarborid für gewisse Isolierstoffe der Heiztechnik, ferner Oxyde und Silikate der Erdalkalien, der Metalle und Nichtmetalle.
Eine Sonderstellung unter den gesinterten nehmen die keramischen Stoffe hoher Dielektrizitätskonstante ein, da sie keine Silikate darstellen, sondern im wesentlichen aus TiO2 bestehen. Das selbe gilt für Sinterkorund, ein dichtes keramisches Erzeugnis aus chemisch reiner Tonerde [4].
Dem Aufbau nach gibt es Stoffe mit stark verglastem Scherben mit allen Übergängen bis zu solchen völlig kristalliner Struktur. Schließlich ist für die praktische Verwendung eine Einteilung in solche mit dichtem und solche mit porösem Scherben zweckmäßig. Ein dichter Scherben bildet die Voraussetzung für eine Beanspruchbarkeit mit Hochspannung und Hochfrequenz. Poröse keramische Stoffe besitzen im allgemeinen Vorzüge in der thermischen Beziehung. Sie vermögen schroffen Temperaturwechseln, dank der ihnen innewohnenden Elastizität, besser standzuhalten, sind jedoch in Bezug auf mechanische Festigkeit unterlegen.
Die dichtscherbigen Massen, die wie Porzellan oder Steatit auch fast sämtliche glasiert werden können, gliedern sich ihrer Zusammensetzung nach in folgende vier Hauptgruppen:
I. Tonsubstandsreiche Massen,
II. Magnesiumsilikatreiche Massen,
III. Tonsubstanz-magnesiumsilikathaltige Massen,
IV. Massen mit hohem Gehalt an Titanverbindungen.
Bei den porösen keramischen Massen unterscheidet man drei weitere Gruppen:
V. Massen des Dreistoffsystem MgO/Al2O3/SiO2,
VI. Tonsubstanzenreiche Massen mit Edelstoffzusätzen,
VII. Massen verschiedener Art.
Keramische Spezialmassen mit dichtem Scherben
Tabelle I gibt einen Überblick „bei ihre wichtigsten Werstoffeigenschaften.
I. Tonsubstanzreiche Spezialmassen mit dichtem Scherben.
Sinterkorund besteht aus 99,8% Al2O3 und 0,2% Verunreinigungen, es wird bei 1800 Grad C gesintert und ist sehr dicht. Es wird für Zündkerzen, Pyrometerschutzrohre und andere Spezialzwecke verwendet.
Isomar, ein specksteinfreies Tonerdesilikat mit hohem Al2O3-Gehalt, besitzt weißen bis blaugrauen Scherben mit gegenüber Porzellan wesentlich verbesserten elektrischen Eigenschaften. Es eignet sich für hochbeanspuchte Zündkerzenisolierungen sowie für Isolierteile, bei denen es auf geringe Leitfähigkeit bei höherer Temperatur verbunden mit Widerstandsfähigkeit gegen schroffe Temperaturwechsel ankommt.
Pyranit, ein sillimanithaltiges Tonerdesilikat von porzellanähnlichem Aussehen ist eine Masse für Zündkerzen, die gegenüber den früher verwendeten Steatit-Isolierkörpern bei etwa gleicher Isolierfähigkeit höhere Temperaturwechselbeständigkeit besitzt.
Pyrodur, ebenfalls eine tonsubstanzreiche Masse für chemisch-technische Zwecke mit weißem Scherben wird für Schiffchen, Tiegel, Düsen, besonders aber für Pyrometerrohre bei 1100…1500 Grad C, in einer Abart bis 1650 Grad C verwendet.
Pythagorasmasse zeichnet sich durch hohe Feuerfestigkeit und gute Temperaturwechselbeständigkeit aus. Der Scherben ist bei 1580 Grad C hochvakuumdicht. Aus der Spezialmasse werden Pyrometerschutzrohre, Heiz- und Verbrennungsrohre sowie Schmelztiegel für Temperaturen bis etwa 1750 Grad C hergestellt.
II. Magnesiumsilikatreiche Spezialmassen mit dichtem Scherben.
Hier gehören die unter den Handelsnamen Calit [5], Calan [5] DRP(nowadays) = DE552750), Ultracalan [5] (DE591090), Frequenta [6] und Frequenta D [6] bekannten keramische Werkstoffe. Als Rohstoffe werden Magnesumhydrosilikate der ungefähren Zusammensetzung 3 MgO . 4 SiO2 . H2O verwendet, die bei Calit und Calan in Form von Talk, bei Frequenta und Frequenta D in Form von Speckstein eingeführt werden. Ultracalan enthält Brucit, ein Magnesiumoxyhydrat, als Grundstoff.
Sämtliche Massen besitzen einen dicht gesinterten Scherben kristalliner Struktur. Calit, Frequenta und Frequenta D enthalten das Kristallgefüge von Magnesiummetasilikat in Form von Klinoenstatit und einer β-Modifikation, Calan von Forsterit. Calan ist mit MgO angereichert. Bei Ultracalan ist der MgO-Gehalt noch erheblich weiter gesteigert.
Die Specksteinmassen Frequenta und Frequenta D unterscheiden sich durch ihre grünlich-gelbe Oberflächenfarbe und grau-weißes Aussehen im Bruch von den rein weißen bis elfenbeinfarbigen Isolierstoffen Calit und Calan. Ultracalan zeigt auf der Oberfläche, im Bruch dunkel-violette Farbe.
Die keramischen Massen dieser Gruppe zeichnen sich durch niedrige dielektrische Verluste, geringe Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen sowie durch große mechanische Festigkeit, insbesondere auch gegen stoß- und schlagartige Beanspruchungen, aus. Erzeugnisse aus Calit und Frequenta lassen sich maßgenau herstellen. An Formstücke einfacher Gestallt können bei Herstellen durch Drehen im allgemeinen Toleranzen von +/- 3% durch Feuchtpressen und Ziehen von 1,5..2% und durch Trockenpressen von nur +/- 1% eingehalten werden.
Der dielektrische Verlustfaktor mit in allen Fällen bei steigender Frequenz ab. In Tabelle II ist der tg d bei verschiedenen Frequenzen im vergleich zu den keramischen Massen der Gruppe IV und zu einigen Hochfrequenzisolierstoffen eingetragen.
Die verlustarmen keramischen Isolierstoffe werden in großem Umfange in der Hochfrequenztechnik als Träger spannungsführender Teile bei Sendern und Empfängern, bei elektromedischen Apparaten sowie als Dielektrikum für Kondensatoren verwendet.
In der Hochspannungs-, Niederspannungs- und Installationstechnik dienen sie als Isolierteile großer mechanischer Festigkeit und Maßgenauigkeit. Ihre geringe Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen wird in der Elektrowärmetechnik bei Anwendung als Isolierperlen für Heizkörper, Isolierteile für elektrische Öfen u.dgl. ausgenutzt.
III. Tonsubstanz-magnesiumsilikathaltige Spezialmassen mit dichtem Scherben.
Es handelt sich hier um Massen des Dreistoffsystem MgO/Al2O3/SiO2 , zu denen bei Gegenwart von Feldspat als vierter Systembilder K2O oder Na2O hinzutritt. Durch Zuschläge von Magnesiumsilikat zu Tonsubstanzhaltigen Massen ist es gelungen, Massen mit wesentlich niedrigen Ausdehnungskoeffizienten herzustellen, als sie bei den Ausgangsstoffen einzeln eigen sind. Diese Massen Ardostan [8] und Sipa [8] weisen dichten grauen Scherben auf und sind gekennzeichnet durch sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Tabelle III) und damit verbundene hohe Temperaturwechselbeständigkeit und Lichtbogenfestigkeit. Wegen ihres niedrigen Ausdehnungskoeffizienten können sie nicht rissfrei glasiert werden. Bei Ardosan wird durch besondere Maßnahmen eine glatte Oberfläche beim Brand erzeugt,
Tabelle III
Ardosan und Sipa werden verwendet als Hoch- und Niederspannungsisolatoren an Stellen, wo schroffe Temperaturwechsel auftreten, als Lichtbogen- und Funkenschutz, als Trägkörper für die Leiter elektrischer Öfen, ferner für alle Zwecke, wo gute Wärmeleitfähigkeit angestrebt wird, und Feuchtigkeitsaufnahme ausgeschlossen werden muss, schließlich bei Beanspruchung mit Hochspannung, wo ein dichter Scherben erforderlich ist.
IV. Dichte Spezialmassen mit hohem Gehalt an Titanverbindungen.
Condensa [9] und Kerafar [10] sind erst in diesem Jahre auf den Markt gekommen. Ihrem Hauptbestandteil, TiO2 , der durch den keramische Prozess aus den amorphen in den kristallinen Zustand übergeführt wird, verdanken sie ihre kennzeichnende Eigenschaft, die ausnehmend hohe Dielektrizitätskonstante. Diese hat gegenüber den sonst bekannten festen Isolierstoffen mit werten zwischen 2 und 8 solche bis zu 80 (Tabelle II). Da die DK von dem Gehalt an TiO2 –Kristallen abhängt, und die Gesetzmäßigkeiten des Aufbaues erforscht sind, hat man es in der Hand, Stoffe dieser Art mit beliebigen DK innerhalb des Bereichs von 10..80 herzustellen.
Sehr wichtig ist, dass diese „hochkapazitiven“ Isolierstoffe gleichzeitig sehr geringe dielektrische Verluste bei Hochfrequenz aufweisen (Tabelle II). Bei Mittel- und Niederfrequenz liegen die Verlustwinkel höher. Doch können bei mittleren DK (etwa ε = 40) immer noch Werte erzielt werden, die nur ein Bruchteil der Verlustfaktoren normalen Porzellans betragen.
Eng verknüpft mit der hohen DK ist eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft dieser keramischen Massen, nämlich der negative Temperaturkoeffizient ihrer DK, wodurch sie sich ebenfalls von den übrigen festen Isolierstoffen unterscheiden (Tabelle IV).
Condensa und Kerafar dienen in erster Linie zum Aufbau von festen und regelbaren Kondensatoren aller Art, die sich infolge der hohen DK mit sehr geringen Abmessungen herstellen lassen. Der negative Temperaturkoeffizient von Condensa besitzt große praktische Bedeutung, denn er ermöglicht es, die stets positiven Temperaturkoeffizienten von Kondensatoren, Spulen oder ganzen Schwingungskreisen auszugleichen und damit die Schwingungskreise temperaturunabhängig zu machen.
Keramische Spezialmassen mit porösem Scherben.
Poröse Massen [11] werden hauptsächlich in der Elektro-Wärmetechnik verwendet, wo sie gleichzeitig als Trägerkörper und als Isolierungen erhitzter Heizleiter dienen. Sie müssen infolgedessen einmal genügende mechanische Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit besitzen und ferner geringe elektrische Leitfähigkeit auch bei hohen Temperaturen. Die Widerstandsfähigkeit gegen schroffe Temperaturwechsel wird durch eine poröse grobkörnige Struktur des Scherben erhöht. Ein solcher Stoff besitzt größere Elastizität und damit die Fähigkeit, örtliche Wärmespannungen besser als ein dichter auszugleichen. Elastizität und Temperaturwechselbeständigkeit sinken, Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit steigen mit abnehmenden Porözitätsgrad. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften sind in Tabelle V zusammengestellt.
V. Poröse Spezialmassen des Dreistoffsystems MgO/Al2O3/SiO2 .
Magnesolit und Thermisol sind Sammelbegriffe für diese Gruppe. Sie umfassen eine ganze Anzahl von Massen, wie StG, Ost, Elwa, Thermisol-Supra und viele andere, die hinsichtlich ihres Porositätsgrades eine stetige reihe von grobporösem bis zu beinahe dichtem Scherben und damit den Übergang zu den dichten Massen der dritten Gruppe bilden. Ihrer Zusammensetzung und Beschaffenheit nach ähneln sie teilweise dem Steinzeug, teilweise dem Steatit und liegen im allgemeinen zwischen beiden. Aus den grobporösen Massen werden größere Stücke mit starken Wandungen, wie Glühkochplatten , Heizdrahtträger und ähnliche angefertigt. Dünnere Scherbenstärken und größere Feinheiten erzielt man mit den dichteren feinporösen Massen. Die Formstücke werden fast ausschließlich nach dem Press- und Ziehverfahren hergestellt.
VI. Tonsubstanzreiche poröse Spezialmassen.
Diese sind wesentlich feuerfester als die Magnesolit- und Thermisolmassen. Sie erhalten vielfach Zusätze von Aluminiumoxyd, Korund, Carborundum, teils um den Erweichungspunkt heraufzusetzen, teils zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, was für viele Zwecke, z.B. in der Elektro-Ofenbau, erwünscht ist.
Q und Q 5 sind hochkaolinhaltige, fein poröse Massen hoher Feuerfestigkeit mit sehr geringen Flussmittelzuschlägen.
Rheostit und K 5, beide korundhaltig, eignen sich für Tragrohre, Haltesteine und Reiter zur Befestigung starker Heizleiter, weniger dagegen für verwickelte Formstücke.
Coladur, eine ebenfalls korundhaltige Masse hoher Feuerfestigkeit, ist gekennzeichnet durch gute Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Sie dient zur Herstellung von Heizkörpern [12], bei denen die Heizdrähte oder Heizbänder in das keramische Material eingebrannt sind. Derartige Heizelemente aus Colodur [13], die in Roh- oder Plattenform bis zu sehr erheblichen Abmessungen ausgeführt werden können, werden zum Aufbau elektrisch beheizter Laboratoriums- und Industrieöfen bis zu Betriebstemperaturen von 1000 Grad C verwendet.
VII. Poröse Spezialmassen verschiedener Art.
Die vorstehende Übersicht macht keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Neben den hier ausgeführten gibt es noch eine große Reihe keramischer Massen der verschiedensten Art für technische Spezialzwecke. Hierzu gehört vor allem das große Gebiet der feuerfesten Steine [14] zum verkleiden von Hochöfen, Schmelztiegeln, Glashäfen u.dgl. aus Schamotte, Silica, Bauxit, Sillimanit, Korund, Magnesium, Chromerz, Zirkon , dann keramische Stoffe von denen zahlenmäßige Wertangaben meist nicht oder nur spärlich bekannt sind, wie Aloska, Marguartmasse, Pyrolith, Silicarbin, Sillimantin, ferner Massen für Filter und Diaphragmen, weiter reine Oxyde, die ohne tonige Bindmittel zu keramischen Massen verarbeitet werden, wie Berylliumoxyd, Magnesia, Zirkonoxyd, schließlich Siliciumkarbidmassen und die mit ihnen verwandten elektrischen Widerstandsmassen Morganit und Globar, sowie viele andere.
Hersteller
1. Robert Bosch AG. Stuttgart, für Pyramit.
2. W. Haldenwanger, Berlin-Spandau, für Pythagorasmasse, Sillimantin, Silicarbin.
3. Hermsdorf-Schomburg-Isolatoren-Gesellschaft (Hescho) Hermsdorf/Thür., für Isomar, Pyrodur; Calit, Calan, Ultracalan; Condensa, Ardostan und Thermisolmassen; K 5 und Calodur.
4. Porzellanfabrik Paul Rauschert, Schmiedeberg, für Pyrolith
5. Staatliche Porzellanmanifaktur, Berlin, für Marquardtmasse; hochfeuerfeste D- und E-Massen.
6. Steatit-Magnesia ag., Berlin, für Frequenta, Frequenta D; Sipa und Magnesolitmassen; Q und Q 5, Rheostit, Aloska.
Literatur
Allgemein.
1. E. Schwandt, Keramische Baustoffe für die Hochfrequenztechnik, Leipzig 1933
Einzelaufsätze
H. Handreck, Z.VDI 71 (1927), S. 1533; ATM Z944-1 (the latter: one paragraph being implemented in this paper) Keram. Rundschau 36 (1928), S. 363; Elektrotechnische Z. 50 (1929), S. 1292 .
W. Demuth, Z. VDI 71 (1927), S. 1566; Elektrotechnische Z. 48 (1927), S. 1629; E. Albers – Schönberg, Elektrotechn. Z. 54 (1933), S. 545.
F. Singer, Z. VDI 71 (1927), S.122; Elektrotechn. Z. 48 (1927), S 1626; W. Demuth, Z. VDI 72 (1927), S. 1560.
H. Kohl, Bericht dtsch. Keram. Ges. 13 (1932), S.3; ATM Z944-4 Dez. 1931.
J. Wallich, Elektrotechn. Z 54 (1933), S. 422; 55 (1934), S. 238; H. Handreck, Z. Hochfrequenztechn. 43 (1934), S. 73; Z. techn. Physik 15 (1934), S. 491; W. Weicker, Elektrotechn. Z. 54 (1933), S. 543.
E. Albers – Schönberg u. J. Gingold, Elektrotechn. Z 53 (1932), S. 205; E. Albers – Schönberg, Elektrotechn. Z. 54 (1933, S. 545; Bericht dtsch. Keram. Ges. 15 (1934), S. 199.
ATM Z124-2; W. Soyck, Funk (1934), S.566.
W. Weicker, a.a.O.; E. Albers – Schönberg u. Stoerk, Elektr. Wirtsch. 31 (1932), S. 327.
H. Handreck, Fußnote 5; Funk (1934), S. 424; Z. VDI 78 (1934), S. 1441; R. Vieweg, Eelektrotechn Z. 55 (1934), S. 573.
E. Albers – Schönberg, Elektrotechn. Z. 55 (1934), S. 238; Bericht dtsch. Keram. Ges. 15 (1934), S. 199; W. Stoyck, a.a.O.; R. Vieweg, a.a.O..
W. Weicker, a.a.O.; E. Albers – Schönberg u. C. Schusterius, Elektrowärme 3 (1933), S. 162.
Elektrotechn. Z. 52 (1931), S. 626.
H. Sauer, BBC-Nachrichten (Mannheim) 20 (1933), S. 138.
14. W. Steger, Z. VDI 77 (1933), S. 81.
Back to: ATM various, general page
Back to: Handbooks, papers and product information