Die physikalischen und chemischen Grundlagen der Keramik

331 Pages·1951·16.572 MB·German

by  Prof. Dr. Hermann Salmang (auth.)

Die physikalischen
und chemischenGrundlagen
der Keramik
VOll
Prof. Dr. Hermann Salmang
Maastrleht
Zweite verbesserte Auflage
Mit 114 Abbildungen
und einer Tafel
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•
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
19S1
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ISBN 978-3-642-53223-8 ISBN978-3-642-53222-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-53222-1
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1933 and 1951 by Springer-VerlagBerlinHeidelberg
OriginallypublishedbySpringer-VerlagBerlinHeidelbergNewYorkin1951.
Softcoverreprintofthe hardcover2ndedition 1951
Vorwort zur ersten Auflage.
Das vorliegende Buch entstand aus dem Bedürfnis heraus, dem Prak
tiker und dem Studierenden der Keramik eine kritische Darstellung
der Ergebnisse der keramischen Forschung zu geben. Dieses Bedürfnis
wurde seit vielen Jahren stark empfunden und dem Verfasser von ver
schiedenen Seitengegenüber geäußert, dadie VerästelungderForschung
die Übersicht über ihre Ergebnisse immer mehr erschwert.
Da es an guten Büchern und Monographien über die keramische
Technik nicht fehlt, sind alle Ausführungen über die keramische Tech
nologie sehrkurz gehalten unddie Beschreibungder Apparatur,Maschi
nerie und Ofenanlagen vollständig fortgelassen worden. Der Forderung
des Tages ist weiterhin dadurch Rechnung getragen worden, daß gegen
überstehendeAnschauungen nurdanneingehendbehandeltwurden,wenn
sie noch nicht geklärt waren oder die unterlegene Anschauung hohen
wissenschaftlichen Wert hatte. Im übrigen hat sich Verfasser bemüht,
nur die obsiegende Ansicht anzuführen. Die selbst auferlegte Be
schränkung brachte es mit sich, daß längere geschichtliche Übersichten
über die Entstehungder modernen Anschauung meist vermieden werden
mußten. So kam es dazu, daß manche Arbeiten unserer Altmeister
nicht entsprechend den Anregungen, die sie gaben, behandelt werden
konnten. Mögen die Manen von Segel' und anderer Meister dies dem
Verfasser vergeben.
In dem Buche sind die bis 1932 einschließlich erschienenen Veröffent
lichungenderFachliteraturmöglichst weitgehendberücksichtigtworden,
die später erschienenen nur so weit, als sie zumV-erständnis des Ganzen
unentbehrlich waren.
Herrn Dr.phil. Otto Koerner danke ich herzlich für seine Hilfe bei
der Herstellung der Abbildungen.
Aachen, im September 1933.
H. Salmang.
Vorwort zur zweiten Auflage.
Die schnelle Entwicklung, die die Erforschung der Strukturen der
Kristalle und der Gläser und die Lehre vom Ionenaustausch genommen
haben, ist die Ursache, daß wesentliche Teile der ersten Auflage jetzt
schon als völlig veraltet gelten müssen. Eine durchgreifende Umarbei
tung aller Kapitel war deshalb unerläßlich. Sie liegt hier vor, erweitert
um eine Darstellung der neuen feuerfesten, der hochfeuerfesten Stoffe
und der keramisch~n Isolierstoffe. Eine umfassende Darstellung der
Eigenschaften dieser Isolierstoffe in Form einer Tabelle konnte am
Schluß beigefügt werden.
Meinem Sohn Otto Salmang danke ich für seine Hilfe bei der Auf
stellung der Register.
~iaastrieht, Ende 19-1-!1.
H. Salmang.
Inhaltsverzeichnis.
1. Strukturen 1
I. Die Struktur der Silikate 1
~. Struktur der Gläser 7
U. Chemie und Physik der Tone............................... II
1. Einteilung und Muttergesteine ..................... II
2. Entstehung der Tonarten 12
;l. Die Keramik der Tone 19
A. Die Tonarten der keramischen Praxis....................... 19
B. Mineralstruktur der Tone.................................. 22
a) Kaolinmineralien....................................... 26
b) Halloysit 29
c) Pyrophyllit............................................ 29
d) Montmorillonit ;lO
e) Glimmertone 31
f) Talk.................................................. 32
C. Färbung der Tone 33
D. Teilchengröße 33
E. Ton und Wasser 39
a) Absorption und Kapillarität ;39
b) Tonverflüssigung 43
c) Ionenaustauschvermögen ................................ 52
d) Absorption von Farbstoffen und Salzen ........ 59
e) Entmisehungen ....................... 59
f) Bildsamkeit ....................................... 60
Bildsamkeit und Wassergehalt 60
Ursachen der Bildsamkeit. 61
Morphologische Theorie 61
Chemische Theorie ................................. 62
Physikalische Theorie 66
Mittel zur Erhöhung der Bildsamkeit 68
Beseitigung und Verminderung der Bildsamkeit 70
Mechanisches Problem der Bildsamkeit 71
Bestimmung der Bildsamkeit.......................... 75
g) Die Zerfrierharkeit der Tone ..................... 77
F. Chemie der Tone ........................... 78
a) Begleitsubstanzcn 78
Tonerde und Kieselsäure 78
Fremdoxyde, Flußmittel .............................. 79
h) Reaktionen der Tonsubstanz ............................ 84
Verhalten gegen Säuren 84
Verhalten gegen Alkalien............................. 84
Rationelle Analyse 84
c) Synthese von Tonsubstanz 86
G. Troeknung ............................................... 87
H. Verhalten der Tone beim Erhitzen......................... 99
a) Austritt des Wassers ................................... 99
b) Das Entwässerungsprodukt 104
Hypothese des Zerfalls in die Oxyde 104
Hypothese einer Silikatbildung 106
Hydratation entwässerten Tones....................... 109
VI Tnhaltsverseichnis.
c) Die exotherme Reaktion bei 900-1050° LlO
d) Umwandlungen bei hohen Temperaturen 111
I. Bildung des keramischen Scherbens 119
a) Schmauchen........................................... 119
b) Brennen bis 10000 120
••••••••••• •••••• ••••••••••••••••••••
Veränderungen im Ton 121
Austreiben von Gascn ................................ 122
Oxydation der Masse 122
Bildung und Zerfall von Salzen 124
Kohlenstoffablagerungen '............... 125
c) Brennen oberhalb 10000 128
••••••••••••••••••••• •••••••••• •
Änderungen der Eigenschaften beim Brennen ........... 128
Einfluß der Brennzeit und der Temperatur 131
d) Keramische Pyrometer " 136
e) Kegelschmelzpunkt " 138
Kegelschmelzpunkt und chemische Zusammensetzung 138
Berechnung der Feuerfestigkeit 141
f) Verflüchtigung und Reduktion 142
g) Erweichung 144
h) Brennfarbe 145
i) Thermochemie 148
IlI. Keramik der Kieselsäure 149
1. Vorkommen in der Natur .................................... 149
2. Die Modifikationen ............................ 153
3. Längenänderungen beim Erhitzen 157
4. Die Quarzumwandlung'" ]59
5. Verhalten von Quarz in keramischen Massen................... 162
IV. Feldspat , 16:-1
V. Glasuren 166
VI. Einteilung der keramischen Erzeugnisse 182
A. Irdengut ................................................. 182
B. Sintergut ................................................ 182
C. Elektrotechnische und hochfeuerfeste Spezialitäten 182
VII. Ziegel 18:-1
YIII. Feuerfeste Stoffe 187
1. Schamottesteine ............................................. 187
A. Verformungsverfahren..................................... 187
B. Einzelheiten einiger Formverfahren ......................... 192
C. Die Eigenschaften feuerfester Stoffe (besonders der Schamotte-
steine) ................................................... 197
a) Übersicht über die Eigenschaften ........................ 197
b) Porosität, Wusseruufnahme, Wasserdurehlässigkeit, Gas-
durchlässigkeit......................................... 198
c) Kaltfestigkeiten........................................ 202
d) Druckfestigkeit bei hohen Temperaturen 204
e) Druckerweichung 205
f) Zugfestigkeit bei höheren Temperaturen .................. 208
g) Biegefestigkeit und Elastizität bei hohen Temperaturen .... 209
h) Abrieb bei hohen Temperaturen ..•..................... 211
i) Die Temperaturwechselbeständigkeit 211
k) Wärmeausdehnung 215
I) Volumbeständigkeit 217
m) Wärmeleitfähigkeit ..................................... 218
n) Elektrische Leitfähigkeit 224
0) Verschlackung 227
2. Silikasteine 238
A. Herstellung und Eigenschaften ............................. 238
Inhaltsverzeichnis. VII
B. Silikasteine im Betrieb .................................... 248
C. Tondinas 250
3. Keramische Isotierstoffe ...................................... 251
4. Magnesiteteine. Forsterit ..................................... 254
5. Dolomit .................................................... 263
6. Chromhaltige Steine 266
7. Siliziumkarbid 268
8. Hochfeuerfeste Oxydmassen 270
9. Kohlenstoff 274
IX. Terrakotten und Steingut 275
X. Steinzeug 281
XI. .Porzella.n 285
I. Entstehung des Scherbens 285
2. Konstitution 288
3. Transparenz und Farbe 293
4. Porosität ............................... 295
5. Wärmeausdehnung 296
6. Festigkeit 296
XII. Elektrische Isolierstoffe 300
I. Elektroporzellan 300
2. Steatit, Cordierit ............................................ 304
3. Titan- und zirkonhaltige Dielektrika........................... 307
Namenverzeichnis................................................ 311
Sachverzeichnis 318
J. Strukturen.
1. Die Struktur der Silikate.'.
Die gültige Lehre vonder Kristallchemie hatihre Gestaltungerhalten
durch V. M. GoldschmidV. Er fußte auf den Anschauungen, die vor
ihmvon A.Werner und J. A. Wasastjernaentwickeltworden waren.
A. Werner" ist der Vater der Koordinationslehre, durch die ein ein
leuchtendesBildder AnordnungderAtomein den Sauerstoffsäuren und
anderen komplizierten anorganischen Verbindungen gegeben wurde.
DasPrinzipberuhtdarauf,daß er vonderMöglichkeitGebrauchmachte,
bei den aufbauenden Metallatomen oder den Atomen der Säure bilden
den Elemente die üblichen Valenzen nach Bedarf bis zum maximal
höchsten Betrag zu erhöhen, den man ihnen zukennen kann. Die maxi
male Koordinationszahl ist meist 6, z. B. in den Verbindungstypen
(Fe(CN)s)K (PdCI , (SiFs)Na2' Aber es gibt auch Elemente, deren
4, 6)K.
höchste Koordinationszahl 4 ist, z.B. C, B und N in den Verbindungen
(CH (BH (NH )R. Die Koordinationszahl 8 ist bei wenigen Ele
4), 4)R, 4
menten vertreten wie Mo und den Erdalkalien z. B. in BaCI.·8NH
3•
Werner lieferte überzeugende Beweise durch den Aufbau und die
Deutung der komplexen Kobaltiake, Chromiake usw., deren Vielzahl
und Isomerie bis dahin entweder unerklärbar oder selbst unbekannt
geblieben war. Elemente mit kleinen Atomvolumen (B, C) haben dem
nach die kleinsten Koordinationszahlen. Bereits Werner dachte sich
die Anordnung der Atome bei der Koordinationszahl 4 als Tetraeder,
bei der Zahl 6 als Oktaeder, bei der Zahl 8 als Würfel, in allen diesen
Fällen um das Zentralatom herumgelagert. Werner unterscheidet beim
Zentralatom Haupt- und Nebenvalenzen, die sich räumlich nicht von
einander unterscheiden. Der Unterschied zwischen diesen beruht dar
auf, daß die Hauptvalenzen an Atome oder Gruppen gebunden sind,
die als Ionen auftreten können. Doch ist dieser Unterschied nicht streng
durchführbar.
1 Bragg,W. L.: StructureofMinerals.CornellUnivers. Press1937.- Evans,
R. C.: Introduction to Cristal Chemistry. Cambridge University Press 1946.
Symposium in Ceramic Age, Nov. 1948 S.249-281 von N.W. Taylor. W. M.
Lipskomb, N.J. Kreidl, S.O. Morgan, S. Zerfoss, Ch. H. Moore jr.
2 Goldschmidt, V.M.: Trans. Faraday Soc. Bd.25 (1929) S.253.
3 DarstellungenderKoordinationslehre: Ephraim,Fr.:Anorgan.Chemie1922
S. 219-249. - Jakob, J.: Sprechsaal Bd.59 (1926) S. 19, Bd.60 (1927) S.3.
Salmang, Keramik. 2. Aufl. 1
2 Strukturen.
Wasastjerna! gelang es, die Radien von etwa 11Atomarten zu
messen, wobei er große Unterschiede fand, z.B. 1,32 Angström-Ein
heiten für 0 und 0,78 für Mg. Dasmacht in Volumen gerechnet einen
Unterschied von5 :1aus. V. M. Goldschmidthat von hier aus weiter
bauend die Atomradien und Ionenradien der übrigen Elemente ermittelt
und eine Hypothese aufgestellt, die diese Erfahrungen mit Werners
Koordinationslehre kuppelt. Hiernach ist der Sauerstoff wegen
seines hohen prozentischen Anteils und wegen seines großen Eigen
volumens der Hauptbaustein der Sauerstoffsäuren und der Silikate. In
der Erdkruste liefert er nicht nur in Gewichtsprozenten, sondern viel
mehr noch in Volumenprozenten den Hauptanteil der Elemente:
Man denkt sich den Sauerstoff so an die
iGew.°/0in IVolum°/0in Zentralatome der Koordination angelagert,
Id.Erdkrusteld.Erdkruste
daß sich die Atome berühren und einen
0 . 49,5 91,77 ZustanddichtesterPackungvorstellen. Ent
Si . 25,7 0,80 sprechend der Atomgröße stellt die Kombi
Al. .. 7,5 0,76
nationSi0 undAI0 solchdichtestgepackte
Fe . 4,7 0,68 4 6
Mg .. 2,0 0,56 Komplexe vor. Das besonders kleine Bor
Ca .. 3,4 1,48 atom kann den Raum zwischen 3 in der
K .. 2,4 2,14 Ebene liegenden O-Atomen gerade aus
Ti. .. 0,5 0,22
füllen, kann aber auch wie das Si den
Raum zwischen den 40-Atomen eines O-Tetraeders füllen. Man hat
hierin die Ursache der sog. Borsäure-Anomalie gesucht, nämlich der
Änderung der Eigenschaften von Boratgläsern mit stark verschiedenem
B-Gehalt.
Wenn die Si0 ·Tetraeder oderAI0 oder Ti0 -Oktaeder einander nur
4 6- 6
an den Ecken berühren, findet geringst mögliche Abstoßung der Kat
ionen statt. Pauling zeigte, daß alle 3Formen des kristallisierten Ti0
2
(Rutil, Brookit und Anatas) gemeinsame Kanten der Polyeder haben,
aber daß Rutil, die stabilste Form, am wenigsten gemeinsame Kanten
hat. Er führte den Ausdruck der elektrostatischen Bindekraft ein:
Das ist die Valenz eines Ions, geteilt durch seine Koordinationszahl. Sie
beträgt für Si: 4/4= 1, für Ti: 4/6= 2/3, für Mg: 2/6= 1/3, für Na: 1/8,
für Al: 3/4, Pauling hat die folgenden 4 Regeln aufgestellt:
1. Um jedes Kation wird ein Koordinations-Polyeder gebildet;
a) der Abstand der Kationen und Anionen ist gleich der Summe der
Radien;
b) die Koordinationszahl wird bestimmt durch das Verhältnis der
Radien von Kation und Anion.
2. In einer stabilen Ionenstruktur muß sich die Summe der elektro
statischen Bindungskräfte zu jedem Ion ergänzen zu seiner Valenz.
3. Die Anwesenheit gemeinsamer Kanten und vor allem gemeinsamer
Flächenbeeinträchtigtdie StabilitäteinerKoordinationsstruktur. Dieser
Effektist großfür großeKationen mit hoherValenz undkleiner Koordi
nationszahl.
1 Wasast.jerna, J.A.: Soc. Sei. Fenniea, Comm. Phys.-Math. Bd,1, NI'.38
(1923) S.1.