Brennen

Beim Brennen von Silikatkeramiken soll eine Verdichtung mit definierter Restporosität erreicht werden. Das Gefüge soll fehlerfrei und homogen sein, und das Bauteil darf sich nicht verziehen. Falls Glasuren eingesetzt werden, müssen diese frei von Fehlern wie Nadelstichen oder Blasen sein. Abweichungen von der Soll-Geometrie entstehen beim Brennen durch eine ungleichmäßige Verteilung der Porosität im Scherben sowie durch den Einfluss von Reibung, Gravitation und Temperaturunterschiede bei der Wärmebehandlung:

• Die ungleichmäßige Porositätsverteilung im Scherben kann durch die Formgebung verursacht sein – z.B. durch Sedimentationseffekte beim Schlickerguss. Sie wird am HTL mit sehr empfindlichen Messverfahren detektiert.
• Reibung und Gravitation führen zum Verzug der Scherben, wenn deren Standfestigkeit zu gering ist. Kritisch ist besonders der Bereich oberhalb von 1000°C, bei dem sich viel Schmelzphase ausbilden kann und stabilisierende Reaktionen wie die Bildung von Sekundärmullit noch unzureichend gegenwirken.
• Temperaturunterschiede innerhalb der Bauteile führen beim Brennen zum Verzug. Größere Temperaturunterschiede in den Bauteilen können auch Risse auslösen oder zur Zerstörung der Bauteile führen. Temperaturunterschiede im Ofen führen zu Streuungen in der Restporosität und den Bauteilabmessungen.

Wenn in den Rohstoffen Eisenoxid enthalten ist, ist auch die Umwandlung des dreiwertigen zum zweiwertigen Eisen zu beachten, die an Luft bei ca. 1200°C stattfindet. Der bei dieser Umwandlung freigesetzte Sauerstoff muss die Bauteile durch die Porenkanäle verlassen können. Sind die Poren aufgrund starker Sinterschwindung bereits geschlossen, kommt es zu einem Aufblähen der Scherben. Als Gegenmaßnahme müssen reduzierende Atmosphären verwendet werden, die die Temperatur der Eisenoxidumwandlung herabsetzen. Gasphasenprozesse führen häufig zu Glasurfehlern. Mittels optischer Dilatometrie und Wägung kann das Sinter- und Entgasungsverhalten von Glasuren am HTL gemessen und optimiert werden.

Die Sinterschwindung der Scherben wird mit den ThermoOptischen Messanlagen (TOM) exakt gemessen. Dabei wird die Atmosphäre gasbeheizter Öfen exakt nachgestellt. Zusätzlich werden weitere wichtige Materialeigenschaften zum Wärmetransport und zur Kriechverformung während des Brennens erfasst. Mittels gekoppelter FE-Modelle werden die thermomechanischen Effekte im Bauteil simuliert und die Prozessparameter optimiert. Neben der Ofenatmosphäre und dem Brennzyklus können dabei auch Brennhilfsmittel berücksichtigt werden, die einen großen Einfluss auf die Temperaturverteilung im Scherben haben und ggf. zur Unterstützung von Scherben mit geringer Standfestigkeit eingesetzt werden müssen. Die Optimierung ist für Glüh- und Glattbrandprozesse ebenso möglich wie für den Schnellbrand. Die Verifizierung der optimierten Prozessparameter kann an großen Silikatkeramiken-Bauteilen mit der ThemoOptischen Messanlage TOM_gas durchgeführt werden.