Elektrokeramik: Werkstoffe · Herstellung · Prüfung · Anwendungen

280 Pages·1959·15.53 MB·German

by  Dr.-Ing. Alfred Hecht (auth.)

Elektrokeramik
Werkstoffe· Herstellung. Prüfung· Anwendungen
Herausgegeben
im Auftrage des Vereins der keramischen Industrie e. V.
von
Dr.-Ing. Alfred Hecht
Bearbeitet von
Dr.-lng. Alfred Hecht· Direktor Hans Müller
Dr. phil. Werner Rath . Dr.-lng. Horst v. Treufels
Mit 200 Abbildungen
und dem Normblatt DIN 40685
EXIRA
MATERIALS
extras.springer.com
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1959
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ISBN 978-3-642-52725-8 ISBN 978-3-642-52724-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-52724-1
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© by Springer-Verlag Berlin Reidelberg 1959
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag ORG., BerlinlGöttingenlHeidelberg 1959.
Softcover reprint ofthe hardcover 1s t edition 1959
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, HandeIsnameo, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche be
rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sir.ne d(>l'
Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann..
benutzt werden dürften.
Vorwort
Das 1936 erstmalig erschienene Buch über "Neuzeitliche Verwendung
feinkeramischer Werkstoffe in der Technik" wurde 1941 in zweiter Auf
lage im Auftrag des Verbandes deutscher elektrotechnischer Porzellan
fabriken von Herrn W. DEMUTH herausgegeben. Es enthielt einen
Abriß der feinkeramischen technischen Fertigung und die Leitsätze
VDE 0335 für die Prüfung keramischer Isolierstoffe. Die Nachfrage nach
diesem Buch und die zunehmende Verwendung der Isolatoren als
Konstruktionsteile für den Hochspannungs-Elektro-Apparatebau mit
allen seinen Aufgaben und Problemen war Veranlassung für einige
Fachleute der keramischen Isolatorentechnik, eine Neubearbeitung
dieses Buches in Angriff zu nehmen. Die Technische Kommission
des Vereins der keramischen Industrie, die sehr daran interessiert war,
der Öffentlichkeit ein Buch zu übergeben, in dem über die Vorgänge,
Probleme und Methoden der elektrokeramischen Fertigung und der Be
rechnung, Formgebung und Anwendung ihrer Erzeugnisse berichtet wird,
unterstützte die Herausgabe eines solchen Buches über Elektrokeramik.
Die Tatsache, daß die Elektrokeramik eine Industrie ist, die drei Dis
ziplinen der technischen Wissenschaften, nämlich die Keramik, die
Elektrotechnik und den Maschinenbau, in sich vereinigt, erschwert für
normal ausgebildete Ingenieure die übersicht über die Probleme aus drei
Fachgebieten. Insbesondere die Konstrukteure des Elektrogerätebaues
sehen sich vor Aufgaben gestellt, die ihnen aus der schulmäßigen Aus
bildung, wie auch aus der Arbeit in der Elektrotechnik nicht unbedingt
geläufig sind. Es trat deshalb von vielen Seiten der Wunsch an die
keramische Industrie heran, ein Buch zu schaffen, das die Probleme, die
Arbeitsweise und die Eigenarten der keramischen Industrie behandelt,
und zwar nicht, wie üblich, als keramisches Lehr-, Fach- oder Handbuch,
sondern als ein Mittler zwischen der Keramik und dem Elektrogerätebau.
Es galt, die dem Keramiker bekannten Methoden der physikalischen
Chemie auf die Arbeitsweise der Maschineningenieurwissenschaften um
zugestalten und in einer Form zu sprechen, die jedem im Maschinen
baufach und in der Elektrotechnik ausgebildeten Ingenieur und jedem
auf diesem Gebiet tätigen Fachmann geläufig ist. Daraus ergibt sich, daß
über den Inhalt des Buches "Neuzeitliche Verwendung feinkeramischer
Werkstoffe in der Technik" hinaus vor allem die Fragen behandelt
werden mußten, die für den Elektrogerätekonstrukteur wichtig und
interessant sind, so daß vor allem die physikalischen Fragen, und dabei
besonders die elektrotechnischen und Festigkeitsfragen, behandelt
werden mußten. Auch ist ausführlich auf das Anwendungsgebiet ein
gegangen worden, so daß die Hoffnung besteht, damit einen genügenden
IV \'ol'wort
Gesamtüberblick erreicht zu haben. Bei der Bearbeitung standen die
Verfasser vor dem Problem, wie die Auswahl des Stoffes am zweck
mäßigsten zu treffen war, um nicht zu umfangreich zu werden und doch
möglichst viel zusammenfassend zu bieten. X ach Abwägung aller
Gesichtspunkte und in Betonung der Absicht, für den Elektroingenieur
zu schreiben, kam man zu dem Ergebnis, die an sich reichhaltige Literatur
über elektrotechnische und Hochspannungsfragen mehr zusammen
fassend zu behandeln, während die Ausführungen über die mechanischen
und Festigkeitsfragen der spröden ~Werkstoffe, zu denen die Keramik
gehört, wegen des Mangels genügend verbreiteter Literatur eine etwas
breitere Darstellung erfahren sollten. Dadurch hoffen wir besonders, eine
Lücke in der technischen Literatur ausgefüllt zu haben.
Der Abschnitt B I h "Oxydkeramik (Gruppe 700 DIN 40685)
(RATH)" wurde nach Informationen verfaßt, die Herr Dr. JA:ECa:n der
Firma Degussa zur Verfügung gestellt hat. Ihm sei dafür gedankt.
Ein Buch dieser Art muß als erster Versuch gewertet werden, der sicher
noch Vervollkommnungen und Ergänzungen oder auch Streichungen
wünschenswert macht. Es wird deshalb dankbar begrüßt werden, wenn
uns Stellungnahmen zu dem Inhalt und Wünsche bekannt werden, die
in einer weiteren Auflage Berücksichtigung finden könnten.
Für die Ausstattung des Buches in der bekannten ansprechenden
Form und das Eingehen auf die 'Vünsche der Verfasser beim Druck sei
dem Springer-Verlag unser Dank ausgesprochen.
Wir hoffen, eine Arbeit geleistet zu haben, die den entsprechenden
Interessentenkreis findet.
Wunsiedel, im September 1958 Der Herausgeber
Inhaltsverzeichnis
A. Bedeutung und Stellung der elektrotechnischen und technischen feinkera
mischen Industrie innerhalb der Technik und der keramischen Industrie
(HECHT) .................................................... I
B. Die feinkeramischen Werkstoffe der technischen Keramik und ihr!'
Technologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
I. Die vVerkstoffe ........................................ 3
a) Überbliek über die 'Verkstoffe der gesamten Keramik
(RATH)............................................ 3
b) Porzellane (Gruppe 100 DIN 4068i)) (v. TREUFELS) .... 6
c) Die Steatite (Gruppe 200 DIN 40685) (HECHT)........ 8
d) Die keramischen Kondensatorbanstoffe (Gruppe 200 und
300 DIN 40 685) (RATH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
e) Die temperaturwechselbeständigen, dichten Keramikstoffe
(Gruppe 400 DIN 40685) (MÜLLER) . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
f) Die Elektrowärmekeramikstoffe (Gruppe 500 DIN 40 685)
(MÜLLER) ......................................... 21
g) Die hochfeuerfesten keramischen "Werkstoffe (Gruppe 600
DIN 40685) (RATH) ............................... 22
h) Die Oxydkeramik (Gruppe 700 DIN 40685) (RATH) ... 23
II. Fabrikationsgang in der technischen Feinkeramik ......... 24
a) Aufbereitung der keramischen Rohstoffe (RATH) ....... 24
b) Keramische Formgebung (v. TREUFELS) .. . . .. ... . . . . .. 28
1. Drehen ....................................... ". 29
2. Strangpressen .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31
3. Gießen ......................................... 32
4. Pressen ......................................... 34
c) vVeiterbehandlung der geformten Keramik ............ 38
1. Garnieren und Zusammenglasieren (v. TREUFELS) . . .. 38
2. Trocknen (v. TUEUFELS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39
3. Glasieren (v. TREUFELS) .......................... 43
4. Brennen (RATH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46
d) Bearbeitung der keramischen Formlinge. . . . . . . . . . . . . .. 55
1. Rohbearbeitung (MÜLLER) ........................ 55
2. Verglühtbearbeitung (MÜLLER) .................. ". 56
3. Schleifen und Bohren (MÜLLER) . . . . . . .. . . .. . . . . . .. 57
4. Sandstrahlen (HECHT) ........................... 58
5. Metallisieren (MÜLLER) ........................... 59
VI Tn haltsverzeichnis
6. Verbindlmg von keramischen Formstücken mit Metall-
teilen (MÜLLER) ................................ " 60
i. Verbindung von keramischen Formstücken mit Glas
(MÜLLER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63
C. Formgenauigkeit (Schwindung) und I\Iaßtoleranzen keramischer }~rzeugnisse
(v. TREUFELS) .............................................. 64
D. Eigenschaften technischer und elektrotechnischer keramischer Werkstoffe
und Erzeugnisse .............................................. 66
I. Eigenschaftstafel DIN 40685 (RATH) .................... 66
II. Elektrische Eigenschaften und Anforderungen (v. TREUFELS) 68
III. Mechanische Eigenschaften und Anforderungen (HECHT) ... i2
a) Struktur und Festigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. i2
b) Elastizität, Plastizität, Sprödigkeit und Zähigkeit. . . . .. i5
c) Festigkeitsbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. i9
d) Zugbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82
e) Druckbeanspruchung ............................... 84
f) Knickbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
g) Biegebeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
h) Innendruckbeanspruchung ........................... 88
i) Torsionsbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92
k) Scherbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
I) Schlagbiegebeanspruchung (Kerbschlagbeanspruchung) .. 9i
m) Härt,e ............................................ 98
IV. Thermische Eigenschaften und Anforderungen (HECHT) .... 99
a) Temperaturbeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99
b) Lineare Wärmedehnzahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 100
c) Spezifische Wärme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101
d) Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit . . . . . . .. 101
e) Temperaturwechselbeständigkeit....................... 102
f) Lichtbogenfestigkeit .................................. 103
g) Thermische Beanspruchung .......................... 103
V. Sonstige physikalische Eigenschaften und Anforderungen
(RATH) ............................................... 104
VI. Chemische Eigenschaften und Anforderungen (RATH) ..... , 105
E. Prüfung technischer und elektrotechnischer Werkstoffe und Erzeugnisse lOi
I. Allgemeines (v. TREUFELS) ............................. 10i
II. Elektrische Prüfungen (v. TREUFELS) .................... , 108
a) Durchschlagfestigkeit bei 50 Hz unglasiert. . . . . . . . . . . .. 108
b) Dielektrizitätskonstante ............................. HO
c) Dielektrischer Verlustfaktor ......................... II 0
d) Spezifischer Durchgangswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 111
e) Oberflächenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 111
Inhaltsverzeichnis VII
f) Verhalten gegen Kriechstrom ........................ 112
g) Lichtbogenfestigkeit ................................ 112
h) Überschlagspannung ................................ 112
III. Mechanische Prüfungen (HECHT) ........................ 116
a) Allgemeines ....................................... 116
b) Prüfung der Zugfestigkeit ........................... 116
c) InnendruckprüfLmg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
d) Prüfung der Druckfestigkeit ......................... 119
e) Prüfung der Biegefestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 119
f) Torsionsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 121
g) Prüfung auf Schlag-Biege-Festigkeit .................. 121
h) Elastizitäts- und Schubmodul ....................... 122
i) Härteprüfung ...................................... 123
IV. Thermische Prüfungen (HECHT) ......................... 125
V. Sonstige physikalische Prüfungen (RATHjHECHT) .......... 129
a) Prüfung der Abmessungen .......................... 131
b) Oberflächenbeschaffenheit .....................••.... 131
c) Porosität .......................................... 132
d) Grobe Gefügefehler ................................ 134
e) Gasdichtigkeit ..................................... 135
f) Armaturen ........................................ 135
VI. Chemische Prüfungen (RATH) ........................... 135
VII. Wartungs- und Behandlungsvorschriften sowie Gewähr-
leistungsbedingungen (HECHT) .......................... 136
F. Formgebung und Konstruktion von keramischen Bauteilen ............ 136
I. Hochspannungsisolatoren (HECHT) ....................... 136
a) Einfluß der Werkstoffeigenschaften auf Formgebung und
Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 136
b) Einfluß der Technologie auf Formgebung und Kon-
struktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 139
c) Einfluß der elektrischen Anforderungen auf FormgebLmg
und Konstruktion .................................. 146
d) Einfluß der mechanischen Anforderungen auf FormgebLmg
und Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 174
11. Niederspannungsisolatoren (HECHT) ..................... 184
IH. Installations- und Elektrowärmeteile (MÜLLER) ............ 186
Richtlinien für die Formgebung und Bearbeitung von
keramischen Bauteilen ................................. 187
a) Grundregeln ....................................... 187
b) Stranggepreßte Körper ............................. 195
c) Ausführungsbeispiele für glasierte Körper ....... . . . . .. 196
d) Ausführungsbeispiele für zu schleifende Körper ..... . .. 197
VIII lnhaltsvprzeichnis
e ) Verschiedenes ..................................... 200
f) Feuchtpreßverfahren ............................... 200
IV. Keramikkondensatoren (RATH) .......................... 201
V. Technische und chemisch-technische keramische Erzeugnisse
(v. TREUFELS) ......................................... 206
G. Anwendungsgebiete technischer und elektrotechnischer keramischer Erzeug-
nisse .•..................................................... 206
I. Hochspannungstechnik (HECH'l') ..................... , ... 206
II. Niederspannungstechnik (HECHT) ....................... 228
III. Niederspannungsinstallationstechnik (MÜLLER) ............ 232
IV. Hochfrequenztechnik (MÜLLER/HECHT) .................. 236
V. Elektrowärmetechnik (MÜLLER) ......................... 245
VI. Keramische Kondensatoren (RATH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 248
VII. Widerstände mit keramischen Tragkörpern (v. TREUFELS) .. 250
VIII. Technische und chemisch-technische Keramik (v. TREUFELS) 252
Literaturverzeichnis ............................................. 259
Sachverzeichnis ................................................. 265
In der Tasche am Schluß des Buches befindet sich das Normblatt DIN 40685
A. Bedeutung und Stellung der elektrotechnischen
und technischen feinkeramischen Industrie inner
halb der Technik und der keramischen Industrie
Die technische Keramik und besonders die Elektrokeramik ist in der
Elektroindustrie tief verankert, da der anfängliche Hauptbedarf, der sich
auf das Gebiet der Freileitungsisolatoren erstreckte und sein Arbeits
gebiet auch noch mit anderen \Verkstoffen teilen mußte, sich sehr in
Richtung der elektrotechnischen Geräteindustrie verlagert hat. Iso
latoren haben heute in viel größerem Umfang neben ihren Isolieraufgaben
auch Aufgaben von Konstruktionselementen der elektrischen Groß
apparate zu übernehmen. Trotz dieser umfassenden und wichtigen Auf
gaben stellt die technische Keramik, und speziell die Elektrokeramik, in
ihrem Wirtschaftsumfang doch nur einen bescheidenen Teil der gesamten
Industrie dar. Durch ihre Rohstoffe ist sie andererseits den Industrien
der Urproduktion verwandt, da die Rohstoffe zum allergrößten Teil in
Bergwerksbetrieben und in diesen angegliederten Aufbereitungsunter
nehmen für die Zwecke der keramischen Industrie bereitgestellt werden.
Aber auch im Rahmen dieser Industriegruppe stellt sie nur einen kleine
ren Anteil. Diese Situation erschwert der keramischen Industrie häufig
die Möglichkeiten, ihren berechtigten Wünschen in wirtschaftlicher und
in entwicklungs- und fabrikationstechnischer Hinsicht zum Durchbruch
zu verhelfen und die Schwierigkeiten und Besonderheiten, die mit den
Eigenarten des keramischen Werkstoffes und seinen Eigenschaften zusam
menhängen, genügend zur Geltung zu bringen. Auch begrenzt das verhält
nismäßig geringe Wirtschaftsvolumen die Möglichkeiten, Forschungs-und
Entwicklungsarbeiten hinsichtlich Grundlagenforschung der Werkstoffe,
ihrer Aufbereitung und Verarbeitung und auch der in unmittelbarem
Zusammenhang damit stehenden physikalischen und vor allen Dingen
elektrotechnischen und mechanischen Probleme zu fördern. Es ist deshalb
der Elektroindustrie und den Industrien, die die keramische Industrie als
Zulieferanten brauchen, nicht damit gedient, daß ihr in wirtschaftlicher
Beziehung, auch was die zugestandenen Preise anbetrifft, zu sehr Fesseln
angelegt werden, weil dadurch die begrenzten Möglichkeiten auf Grund
ihres Wirtschaftsumfanges noch mehr eingeschränkt werden. Aufgabe
und Interesse der Elektroindustrie müßte also sein, der keramischen
Industrie mit ihrem wesentlich größeren Wirtschaftsvolumen dadurch
zu helfen, daß man ihre Erzeugnisse vor allem nach technischen und uni
versellen wirtschaftlichen Gesichtspunkten beurteilt und nicht nach rein
kaufmännischen und speziell einkaufstechnischen Tendenzen.