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Dokumentenidentifikation DE69322371T2 02.06.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0615258
Titel FESTER ISOLATOR UND SEIN HERSTELLUNGSVERFAHREN
Anmelder NGK Insulators, Ltd., Nagoya, Aichi, JP
Erfinder ITOH, Hiromu, Seiwa Kasugai Cooporas 405, Aichi-ken 486, JP;
YAMAGUCHI, Makio, Nagoya-shi, Aichi-ken 467, JP;
ITOH, Naohito, Nagoya-shi, Aichi-ken 468, JP;
NAKAI, Takao, Inazawa-shi, Aichi-ken 492, JP;
MORI, Shigeo, Mie-ken 511, JP
Vertreter LEINWEBER & ZIMMERMANN, 80331 München
DE-Aktenzeichen 69322371
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 21.09.1993
EP-Aktenzeichen 939196937
WO-Anmeldetag 21.09.1993
PCT-Aktenzeichen JP9301354
WO-Veröffentlichungsnummer 9408345
WO-Veröffentlichungsdatum 14.04.1994
EP-Offenlegungsdatum 14.09.1994
EP date of grant 02.12.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.06.1999
IPC-Hauptklasse H01B 17/14
IPC-Nebenklasse H01B 19/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen festen Isolator und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Auf dem technischen Gebiet fester Isolatoren sind ein fester Isolator aus Cristobalitporzellan, das Cristobalitkristalle enthält, ein fester Isolator aus Nicht- Cristobalitporzellan ohne jegliche Cristobalitkristalle und dergleichen entwickelt worden. Bei diesen festen Isolatoren sind hohe mechanische Festigkeit und elektrische Beständigkeit erforderlich.

Die GB-A-1103147 beschreibt Porzellanisolatoren mit säulenförmiger Gestalt, die 15 bis 36% Cristobalit im Porzellankörper enthalten.

Ein fester Isolator aus Cristobalitporzellan, das Cristobalitkristalle in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% enthält, weist gegenüber einem festen Isolator aus Cristobalitporzellan, der Cristobalitkristalle in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% enthält, oder einem festen Isolator aus Nicht-Cristobalitporzellan bessere Festigkeit auf. Vom Standpunkt der Herstellung jedoch ist der feste Isolator aus Nicht- Cristobalitporzellan dem festen Isolator, der mehr als 20% Cristobalit enthält, überlegen, da die Sintertemperatur während des Brennvorgangs leicht in einem weiten Bereich reguliert werden kann.

Ein Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit von Isolatoren wird auf den Seiten 1260 bis 1261 von "Ceramics Industry Engineering Handbook", herausgegeben von Gihodo, 15. Februar 1971, geoffenbart. Bei einem solchen Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit von Isolatoren wird als Rohmaterial des Isolatorkörpers ein Rohmaterial verwendet, mit dem die Bildung von Cristobalitkristallen einfacher ist, und es werden die Bildung der Cristobalitkristalle vereinfachende Brennbedingungen eingesetzt, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolators während des Sintervorgangs mehr als jenen einer Glasurschicht auf der Oberfläche des Isolators zu erhöhen, wodurch Druckspannung in der Glasurschicht während des Abkühlungsvorgangs verursacht wird, um die Zugspannungs- und die Biegefestigkeit des Isolators um 10 bis 40% zu erhöhen.

Beim festen Isolator aus Cristobalitporzellan, der Cristobalitkristalle in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% enthält, ist das obige Verfahren nützlich, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolatorkörpers während des Sintervorgangs zu erhöhen. Beim festen Isolator, der Cristobalitkristalle in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% enthält, oder beim festen Isolator aus Nicht-Cristobalitporzellan kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Isolators jedoch während des Brennvorgangs nicht erhöht werden. Es ist daher schwierig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glasur einzustellen, um eine Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Isolatorkörper und der Glasurschicht zu erhöhen. Aus diesem Grund ist das obige Verfahren zur Herstellung des letzteren festen Isolators nutzlos. Da die auf der Oberfläche des Isolators ausgebildete Glasurschicht eine extrem geringe Dicke aufweist, wird die Glasurschicht beschädigt, wenn während der Handhabung der Isolatorprodukte leichte Sprünge auftreten. Aus diesem Grund ist das obige Verfahren für die Herstellung des ersteren festen Isolators aus Cristobalitporzellan, das eine große Menge an Cristobalitkristallen enthält, nicht immer nützlich.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen festen Isolator mit hoher Festigkeit aus Cristobalitporzellan, das Cristobalitkristalle in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% enthält, oder aus Nicht-Cristobalitporzellan herzustellen, sowie ein Verfahren zur Herstellung des festen Isolators mit hoher Festigkeit anzubieten.

Gemäß vorliegender Erfindung wird ein fester Isolator bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.

Gemäß vorliegender Erfindung wird die innere Spannung nach dem folgenden Verfahren gemessen:

Der Isolatorkörper wird mit einer vorbestimmten Dicke an einem mittleren Abschnitt davon in Längsrichtung rundherum ausgeschnitten, und eine Vielzahl von Dehnungsmeßstreifen des elektrischen Widerstandstyps wird mit einem vorbestimmten Abstand in seiner diametralen Richtung am Querschnitt des ausgeschnittenen Stücks befestigt. Daraufhin wird das ausgeschnittene Stück an den Befestigungspositionen der jeweiligen Dehnungsmeßstreifen ausgeschnitten, um Plattenproben jeweils in Form eines Blocks von 10 mm Länge und Breite und 5 mm Dicke bereitzustellen. So wird das Dehnungsausmaß einer jeden der Plattenproben in Umfangslänge durch die jeweiligen Dehnungsmeßstreifen gemessen, und das Dehnungsausmaß pro Längeneinheit wird als innere Spannung in den jeweiligen Abschnitten gemessen.

Die Erfindung stellt auch ein Herstellungsverfahren für den festen Isolator bereit, wie in Anspruch 2 dargelegt.

Wenn der feste Isolator einer Biegebelastung von außen unterzogen wird, wirkt auf die Oberfläche des Isolators auf jener Seite, an der die Biegebelastung ausgeübt wird, eine Zugspannung, während auf die Oberfläche des Isolators auf der gegenüberliegenden Seite eine Druckspannung wirkt. So beginnt eine Beschädigung der Oberfläche des Isolators an einem Abschnitt, an dem eine maximale Zugspannung angelegt wird. Wenn in diesem Fall eine innere Spannung in der Oberfläche des Isolators in Druckrichtung vorliegt, wirkt die innere Spannung der Zugspannung entgegen, die durch die von außen ausgeübte Biegebelastung verursacht wird, und mäßigt die Zugspannung, wodurch die Festigkeit des festen Isolators erhöht wird.

Beim festen Isolator gemäß vorliegender Erfindung wird die Differenz Y an innerer Spannung zwischen dem diametral äußeren Abschnitt des Isolatorkörpers und dessen diametral mittlerem Abschnitt durch die Formel Y ≥ (1,76 · 10&supmin;&sup6;) X dargestellt und verursacht große innere Spannungen in der Oberfläche des Isolatorkörpers in Druckrichtung. So bewirkt eine solche große innere Spannung, daß die Zugfestigkeit, die auf die Oberfläche des Isolators wirkt, gemäßigt wird, und die Festigkeit des Isolators erhöht wird. Beim festen Isolator liegt die innere Spannung nicht nur in der Oberfläche des Isolators vor, sondern erhöht sich auch vom inneren Abschnitt des Isolators zu seinem äußeren Umfangsabschnitt. So ist die Bruchfestigkeit des Isolators gewährleistet, auch wenn die Oberfläche des Isolators beschädigt wird. Das ist nützlich, um die hohe Festigkeit des festen Isolators beizubehalten.

Beim Herstellungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung wird der Isolatorkörper nach dem Sintern mit den durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten Za, Zb und Zc abgekühlt.

So wird der gesinterte Isolatorkörper abgeschreckt, ohne daß irgendein Abkühlungsriß durch übermäßigen Anstieg der inneren Spannung darin verursacht wird, und ein solches Abschrecken des Isolatorkörpers ist nützlich, um die Differenz der inneren Spannung in Druckrichtung zu erhöhen.

Das heißt, die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit Za im ersten Abkühlungstemperaturbereich von der Sintertemperatur auf 600ºC ist extrem höher als eine herkömmliche durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit von 50ºC bis 100ºC/h. Daher wird die Temperaturdifferenz zwischen dem inneren Abschnitt und dem äußeren Abschnitt des Isolatorkörpers während des Abkühlungsvorgangs groß, und der äußere Umfangsabschnitt des Isolatorkörpers wird in einem Zustand verfestigt, wo der innere Abschnitt des Isolatorkörpers immer noch in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird. Daraufhin wird der innere Abschnitt des Isolatorkörpers allmählich verfestigt und zusammengezogen. Als Ergebnis verbleibt im äußeren Umfangsabschnitt des Isolatorkörpers eine innere Spannung, die große innere Spannung in Druckrichtung verursacht.

Im zweiten Abkühlungstemperaturbereich von 600ºC bis 500ºC wird der Quarz im Isolatorkörper vom β-Typ in den α-Typ umgewandelt, wodurch der Wärmeausdehnungskoeffizient im Isolatorkörper rasch geändert wird. Als Ergebnis nimmt die innere Spannung des Isolatorkörpers zu, wodurch Abkühlungsrisse im Isolatorkörper verursacht werden. Aus diesem Grund wird die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit Zb im zweiten Temperaturbereich als gleich groß oder etwas größer als die herkömmliche Abkühlungsgeschwindigkeit festgelegt, um das Auftreten von Abkühlungsrissen zu vermeiden.

Im dritten Abkühlungstemperaturbereich von 500ºC auf Raumtemperatur wird das Vergüten des Isolatorkörpers überflüssig, wenn die obigen Abkühlungsbedingungen erfüllt werden. Daher kann die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit Zc im dritten Abkühlungstemperaturbereich so eingestellt werden, daß sie gleich groß wie oder größer als die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit im zweiten Abkühlungstemperaturbereich ist. Es ist daher möglich, auf wirtschaftliche Weise einen festen Isolator mit hoher Festigkeit herzustellen, bei dem ein größerer Unterschied in der inneren Spannung zwischen dem inneren und dem äußeren Abschnitt des Isolatorkörpers besteht.

AUSFÜHRUNGSFORMEN Ausführungsform 1: Beziehung zwischen innerer Spannung und Festigkeit

In Fig. 1 der Zeichnungen wird ein fester Isolator 10 dargestellt, auf den die vorliegende Erfindung angewandt wird. Der feste Isolator 10 besteht aus Nicht-Cristobalitporzellan, und wird durch das Ausbilden eines Isolatorkörpers unter Verwendung eines Rohmaterials, das aus 20 bis 40 Gew.-% Quarzsand, 20 bis 40 Gew.-% Feldspat und 40 bis 60 Gew.-% Ton besteht, und Brennen des Isolatorkörpers unter verschiedenen Bedingungen hergestellt. Die Komponente des Porzellans besteht aus 10 bis 20 Gew.-% Quarz, 8 bis 20 Gew.-% Mullit und 50 bis 70 Gew.-% Glas. Der feste Isolator weist einen festen säulenförmigen Isolatorkörper 11 auf, der mit einer Vielzahl im gleichen Abstand angeordneter Glockenabschnitte 12 ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Durchmesser des Isolatorkörpers 11 mit 85 mm bestimmt.

In Fig. 2 werden drei Arten von Verfahren A, B, C zur Herstellung des festen Isolators 10 dargestellt, worin das Sintern der Isolatorkörper unter gleichbleibenden Bedingungen durchgeführt wurde, während das Abkühlen der Isolatorkörper unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt wurde. Während des Sintervorgangs bei den jeweiligen Herstellungsverfahren wurden die Isolatorkörper im Verlauf von drei Stunden ab Beginn des Erhitzens bis auf 300ºC erhitzt. Daraufhin wurden die Isolatorkörper im Verlauf von zwei Stunden bis auf 500ºC erhitzt und im Verlauf von sieben Stunden bis auf 1.000ºC erhitzt. Daraufhin wurden die Isolatorkörper fünf Stunden lang auf 1.000ºC gehalten und im Verlauf von 5,5 h bis auf 1.250ºC erhitzt. Darauf wurden die Isolatorkörper zwei Stunden lang auf 1.250ºC gehalten. Die gesinterten Isolatorkörper wurden unter verschiedenen nachstehend beschriebenen Bedingungen auf Raumtemperatur abgekühlt.

Beim Abkühlungsvorgang des Herstellungsverfahrens A wurde eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit des gesinterten Isolatorkörpers so reguliert, daß sie in einem ersten Abkühlungstemperaturbereich von der Sintertemperatur auf 600ºC 600 ºC/h betrug, in einem zweiten Abkühlungstemperaturbereich von 600ºC auf 500ºC 70ºC/h betrug und in einem dritten Abkühlungstemperaturbereich von 500ºC auf Raumtemperatur 250ºC/h betrug. Beim Abkühlungsvorgang des Herstellungsverfahrens B wurde eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit des Sinterkörpers so reguliert, daß sie im ersten Abkühlungstemperaturbereich von der Sintertemperatur auf 600ºC 400ºC betrug, im zweiten Abkühlungstemperaturbereich von 600ºC auf 500 ºC 70ºC/h betrug und im dritten Abkühlungstemperaturbereich von 500ºC auf Raumtemperatur 250ºC/h betrug. Diese durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten sind viel größer als jene bei einem herkömmlichen Abkühlungsvorgang.

Im Gegensatz dazu wurde die Abkühlungsgeschwindigkeit des gesinterten Isolatorkörpers während des Abkühlungsvorgangs beim Herstellungsverfahren C in einem Vergütungsbereich reguliert, der kleiner ist als die Abkühlungsgeschwindigkeiten bei den Herstellungsverfahren A und B. Das heißt, die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit des gesinterten Isolatorkörpers wurde so reguliert, daß sie in einem ersten Abkühlungstemperaturbereich von der Sintertemperatur auf 1.150ºC 30ºC/h betrug, in einem zweiten Abkühlungstemperaturbereich von 1.150ºC auf 950ºC 55ºC/h betrug, in einem dritten Abkühlungstemperaturbereich von 950ºC bis 650ºC 80ºC/h betrug und in einem vierten Abkühlungstemperaturbereich von 650ºC auf Raumtemperatur 40 ºC/h betrug.

In den Fig. 3 (a) und 3 (b) wird ein Meßverfahren für die innere Spannung in diametraler Richtung in jeweiligen Abschnitten der festen Isolatoren 10a, 10b, 10c dargestellt, die nach den Herstellungsverfahren A, B und C hergestellt sind. In Fig. 4 wird die nach diesem Meßverfahren gemessene innere Spannung gezeigt. Das Meßverfahren für die innere Spannung stammt von den Erfindern des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes, und darin wurde jeder Mittelabschnitt der Isolatorkörper ausgeschnitten, um ein ausgeschnittenes Stück mit zwei Schirmabschnitten bereitzustellen, wie in Fig. 3 (a) gezeigt, und eine Vielzahl von Dehnungsmeßstreifen 14 wurde an einem Querschnitt des ausgeschnittenen Stücks 13 mit einem vorbestimmten Abstand in diametraler Richtung befestigt. Vorausgesetzt, daß sich die äußersten Dehnungsmeßstreifen 14 in einer Position befinden, die 5 mm vom äußeren Umfang des Querschnitts zu seiner Mitte beabstandet ist.

Die Dehnungsmeßstreifen 14 sind jeweils vom elektrischen Widerstandstyp, und jeder Wert der Dehnungsmeßstreifen 14 wurde so eingestellt, daß er einen Standardwert von 0 hat. Die ausgeschnittenen Stücke wurden jeweils an den Befestigungspositionen der jeweiligen Dehnungsmeßstreifen 14 ausgeschnitten, um Plattenproben 15 jeweils in Form eines Blocks mit 10 mm Länge und Breite und 5 mm Dicke bereitzustellen, wie in Fig. 3 (b) gezeigt. So wurde das Dehnungsausmaß einer jeden der Plattenproben 15 in ihrer Umfangslänge durch die jeweiligen Dehnungsmeßstreifen 14 gemessen, und das Dehnungsausmaß pro Längeneinheit wurde als innere Spannung gemessen.

Fig. 4 ist ein Graph, der jede innere Spannung in jeweiligen Abschnitten der ausgeschnittenen Stücke zeigt, wobei die innere Spannung im inneren Abschnitt des Isolators klein ist und im äußeren Abschnitt des Isolatorkörpers allmählich groß wird. Bei den nach den Herstellungsverfahren A und B hergestellten festen Isolatoren 10a, 10b, wird die Differenz in der inneren Spannung zwischen dem inneren und dem äußeren Abschnitt des Isolators extrem groß. Im Gegensatz dazu wird die Differenz in der inneren Spannung zwischen dem inneren und dem äußeren Abschnitt des Isolators beim nach Herstellungsverfahren C hergestellten festen Isolator 10c extrem klein. Die für die Messung der inneren Spannung verwendeten ausgeschnittenen Stücke der festen Isolatoren wurden in einen Zustand versetzt, in dem die innere Spannung der ausgeschnittenen Stücke entspannter war als jene im Isolatorkörper. Demgemäß wird, obwohl sich jeder absolute Werte der gemessenen inneren Spannung von jedem absoluten Wert der echten inneren Spannung im Isolatorkörper unterscheidet, die gemessene innere Spannung als geeigneter Wert für die Bewertung der Differenz der inneren Spannung zwischen dem inneren und dem äußeren Abschnitt des Isolators betrachtet.

In Fig. 5 werden beschädigte Zustände der Oberfläche der jeweiligen festen Isolatoren 10a, 10b, 10c dargestellt, die unter Verwendung einer in Fig. 6 gezeigten Beschädigungsvorrichtung 20 gemessen wurden. Die Beschädigungsvorrichtung 20 weist ein Armelement 22, das so drehbar auf einem Mittelabschnitt eines Stützpfeilers 21 gehalten wird, daß es in eine vertikale Richtung beweglich ist, sowie einen Hammer 23 auf, der an einem distalen Ende des Armelements 22 montiert ist. Am unteren Ende des Hammers 23 ist eine Kugel 24 aus Wolfram befestigt. Die Länge des Armelements 22 beträgt 330 mm, das Gewicht des Hammers 23 ist 133 g, und der Radius der Wolframkugel 24 ist 5 mm. Der Hammer 23 ist so angeordnet, daß er von einer geeigneten Höhe herabfällt, um die Oberfläche des Isolatorkörpers zu beschädigen.

Um das Ausmaß der Beschädigung zu messen, wurden die festen Isolatoren 10a, 10b, 10c jeweils seitlich auf einer Trägerstruktur der Beschädigungsvorrichtung 20 angeordnet, und der Hammer 23 wurde aus einer vorbestimmten Höhe auf jede Oberfläche der Isolatoren 10a, 10b, 10c fallen gelassen. So wurde die Tiefe der Schäden in bezug auf eine Aufprallenergie des Hammers 23 gemessen, wie im Graphen von Fig. 5 gezeigt. Wie aus dem Graphen von Fig. 5 herausgeht, ist das Ausmaß an Beschädigung an den unter den Abschreckbedingungen hergestellten Isolatoren 10a, 10b gering, während das Ausmaß der Beschädigung am unter der Vergütungsbedingung hergestellten Isolator 10c größer ist als jenes an den Isolatoren 10a, 10b. Aufgrund dieses Ergebnisses ist festgestellt worden, daß die Oberflächenfestigkeit der Isolatoren 10a, 10b höher ist jene des Isolators 10c.

In Fig. 7 wird eine Beziehung zwischen der Tiefe der Beschädigungen an den jeweiligen Isolatoren 10a, 10b, 10c und der Zerstörungsspannung darin dargestellt. Zur Messung der Zerstörungsspannung wurden die festen Isolatoren jeweils in einer aufrechten Position angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt, und an ihrem oberen Ende wurde von einer Seite eine äußere Kraft R ausgeübt. So wurde die bei der Zerstörung der jeweiligen festen Isolatoren auftretende äußere Kraft R gemessen. In diesem Fall wirkt die äußere Kraft R als Zugspannung an einer Seite des Isolators und wirkt als Druckspannung an der anderen Seite des festen Isolators. Als Ergebnis wird der feste Isolator an seinem beschädigten Abschnitt dadurch zerstört, daß eine maximale Zugspannung darauf wirkt. Die Zerstörungsspannung wird gemäß vorliegender Erfindung als Beschädigungsfestigkeit bezeichnet.

Wie aus Fig. 7 hervorgeht, wird die Beschädigungsfestigkeit der unter der Abschreckbedingung hergestellten festen Isolatoren 10a, 10b unabhängig von der Tiefe der Beschädigung hoch, während die Beschädigungsfestigkeit des unter der Vergütungsbedingung hergestellten festen Isolators 10c unter jener der festen Isolatoren 10a, 10b liegt. Fig. 8 ist ein Graph, worin die Beschädigungsfestigkeit der festen Isolatoren in bezug auf eine Bruchfestigkeit in einem nichtbeschädigten Zustand als Festigkeitsrate gezeigt wird. Bei einer solchen Festigkeitsrate ist eine der Beschädigungsfestigkeit ähnliche Tendenz festgestellt worden. Wie aus der Festigkeitsrate hervorgeht, wird die Beeinträchtigungsrate der Festigkeit der festen Isolatoren 10a, 10b in bezug auf die Festigkeit im nichtbeschädigten Zustand gering.

Aufgrund der oben beschriebenen Ergebnisse sind die folgenden Fakten bestätigt worden. Für den Fall, daß im äußeren Abschnitt des festen Isolators in Druckrichtung eine große innere Spannung vorliegt, wird das Ausmaß der Beschädigung an der Oberfläche des festen Isolators gering, und die Beeinträchtigung der Bruchfestigkeit (Beeinträchtigung der Festigkeitsrate) am beschädigten Abschnitt wird gering, auch wenn die Oberfläche des festen Isolators beschädigt wird. Demgemäß wird, auch wenn die Oberfläche des festen Isolators während der Handhabung des Isolators beim Zusammenbauen durch Unachtsamkeit von einem Werkzeug beschädigt wird, die Beeinträchtigung der Festigkeit des Isolators eingeschränkt, wodurch die Auftretensrate von qualitativ minderwertigen Isolatoren verringert wird.

Ausführungsform 2: Beziehung zwischen dem Durchmesser des Isolatorkörpers, der Differenz in der inneren Spannung und der Festigkeit des Isolatorkörpers

Verschiedene Arten von Isolatorkörpern mit unterschiedlichem Durchmesser wurden mit Ausnahme der Abkühlungsgeschwindigkeit im Abkühlungsvorgang unter den gleichen Bedingungen wie in Ausführungsform 1 abgekühlt, um verschiedene Arten fester Isolatoren mit unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlicher innerer Spannung herzustellen. So wurden die Festigkeit der jeweiligen festen Isolatoren in bezug zum Durchmesser des festen Isolators und die Differenz in der inneren Spannung zwischen dem diametral mittleren Abschnitt und dem äußeren Abschnitt des festen Isolators gemessen.

In Fig. 9 wird eine Beziehung zwischen einer Differenz in der inneren Spannung und einer Festigkeitsrate (Beschädigungsfestigkeit/Festigkeit im nichtbeschädigten Zustand) in jeweiligen Isolatorkörpern mit 85 mm Durchmesser und unterschiedlicher innerer Spannung dargestellt, deren Oberflächen unter Verwendung der in Fig. 6 gezeigten Beschädigungsvorrichtungen Beschädigungen mit 1,0 mm, 1,5 mm und 2,0 mm Tiefe zugefügt wurden. In Fig. 9 bezeichnen "o"-Punkte die Isolatorkörper mit einer Beschädigung mit 1,0 mm Tiefe, "Δ"-Punkte bezeichnen die Isolatorkörper mit einer Beschädigung mit 1,5 mm Tiefe, quadratische Punkte bezeichnen die Isolatorkörper mit einer Beschädigung von 2,0 mm Tiefe. Außerdem stellen die gekrümmten Linien G10L, G10U die Ober- und die Untergrenzen der Festigkeitsrate der Isolatorkörper dar, denen eine Beschädigung mit 1,0 mm Tiefe zugefügt wurde, die gekrümmten Linien G15L, G15U stellen die Ober- und die Untergrenzen der Festigkeitsrate der Isolatorkörper dar, denen eine Beschädigung mit 1,5 mm Tiefe zugefügt wurde, und die gekrümmten Linien G20L, G20U stellen Ober- und Untergrenzen der Festigkeitsrate des Isolatorkörper dar, denen die Beschädigung mit 2,0 mm Tiefe zugefügt wurde. Aus den gekrümmten Linien in Fig. 9 geht hervor, daß die Festigkeitsrate in Übereinstimmung mit der Zunahme der Differenz in der inneren Spannung unabhängig von der Tiefe der Beschädigungen hoch wird. In Fig. 9 ist die Festigkeitsrate von 50% durch eine strichpunktierte Linie L dargestellt, da eine Festigkeitsrate über 50% bei den Isolatorkörpern mit einer Beschädigung von 1,5 mm Tiefe in der Praxis besser ist.

In den Fig. 10, 11 und 12 wird eine Beziehung zwischen der Differenz in der inneren Spannung und der Festigkeitsrate in den Isolatorkörpern mit jeweils 85 mm, 145 mm und 220 mm Durchmesser dargestellt, denen eine Beschädigung mit 1,5 mm Tiefe zugefügt wurde. In jedem Graphen der Fig. 10, 11 und 12 ist die Festigkeitsrate von 50 % durch eine strichpunktierte Linie L dargestellt. Aus den Graphen der Fig. 10, 11 und 12 geht hervor, daß für den Fall, daß die Differenz in der inneren Spannung bei den Isolatorkörpern mit 85 mm Durchmesser mehr als 150 · 106, bei den Isolatorkörpern mit 134 mm Durchmesser oder mehr als 270 · 106 oder bei den Isolatorkörpern mit 220 mm Durchmesser mehr als 390 · 106 beträgt, jeweils eine Festigkeitsrate von mehr als 50% erhalten wird.

In Fig. 13 sind die Differenzen in der inneren Spannung zum Erhalten der Festigkeitsrate von 50% in bezug auf die jeweiligen Durchmesser der Isolatorkörper durch "o"-Punkte angezeigt. Eine Linie, die die "o"-Punkte verbindet, ist durch die folgende Gleichung dargestellt:

Y = (1,76 · 10&supmin;&sup6;) X

worin Y die Differenzen in der inneren Spannung darstellt und X (mm) die jeweiligen Durchmesser der Isolatorkörper darstellt. Um die Isolatorkörper mit einer Festigkeitsrate von mehr als 50% zu erhalten, ist es daher erforderlich, daß die folgende Formel erfüllt wird:

Y ≥ (1,76 · 10&supmin;&sup6;) X

Im Graphen von Fig. 13 stellen "X"-Punkte jeweils eine Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Differenz in der inneren Spannung bei herkömmlichen Isolatoren dar, deren Festigkeitsrate geringer als 50% ist. Daher versteht es sich, daß die Differenz in der inneren Spannung bei den Isolatoren über der Festigkeitsrate von 50% extrem groß ist.

Ausführungsform 3: Abkühlungsgeschwindigkeit in bezug auf den Durchmesser und die Differenz in der inneren Spannung der Isolatorkörper

Bei dieser Ausführungsform wurden verschiedene Arten von Isolatorkörpern mit unterschiedlichem Durchmesser mit Ausnahme der Abkühlungsgeschwindigkeit im Abkühlungsvorgang unter den gleichen Bedingungen wie in Ausführungsform 1 gesintert und abgekühlt, um verschiedene Arten fester Isolatoren mit unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlicher innerer Spannung zu erhalten. So wurde die Abkühlungsgeschwindigkeit in bezug auf den Durchmesser und die Differenz in der inneren Spannung der Isolatoren gemessen.

Um die Bedingung des Auftretens einer maximalen Zugspannung zu analysieren, die durch thermische Spannung in einem gesinterten Isolatorkörper verursacht wird, wurde ein Isolatorkörper mit 125 mm Durchmesser bei 1.250ºC gesintert und mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 200ºC/h von der Sintertemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt. In Fig. 14 wird ein Ergebnis der Analyse veranschaulicht, worin die innere Spannung des Isolatorkörpers im Abkühlungstemperaturbereich von 600ºC auf 500ºC rasch auf einen Maximalwert erhöht wurde. In Hinblick darauf ist festgestellt worden, daß eine solche Steigerung der inneren Spannung durch rasche Änderung eines Wärmeausdehnungskoeffizienten verursacht wird, wenn der Quarz in der Komponente des gesinterten Isolatorkörpers vom b-Typ zum α-Typ geändert wird.

Demgemäß wird der Abkühlungstemperaturbereich von 600ºC auf 500ºC während des Abkühlungsvorgangs als spezieller Abkühlungstemperaturbereich betrachtet, wo Abkühlungsrisse auftreten, wenn der gesinterte Isolatorkörper abgeschreckt wird. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Abkühlungsbedingung im speziellen Abkühlungstemperaturbereich getrennt von jenen im vorangehenden und im folgenden Abkühlungstemperaturbereich zu untersuchen. Daher wurde der Abkühlungsvorgang in einen ersten Abkühlungstemperaturbereich von der Sintertemperatur auf 600ºC, einen zweiten Abkühlungstemperaturbereich von 600ºC auf 500ºC und einen dritten Abkühlungstemperaturbereich von 500ºC auf Raumtemperatur unterteilt, um jede durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit in den Abkühlungstemperaturbereichen zu untersuchen.

Um feste Isolatoren durch Abkühlen verschiedener Arten von bei 1.250ºC gesinterten Isolatorkörpern herzustellen, wurde eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit im ersten Abkühlungstemperaturbereich von der Sintertemperatur auf 600ºC als Za(ºC/h) bestimmt, eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit im zweiten Abkühlungstemperaturbereich von 600ºC auf 500ºC wurde mit 10ºC/h bestimmt, und eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit im dritten Abkühlungstemperaturbereich von 500ºC auf Raumtemperatur wurde mit 50ºC/h bestimmt. Im zweiten und im dritten Abkühlungstemperaturbereich wurde die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit so bestimmt, daß das Auftreten von Abkühlungsrissen in den gesinterten Isolatorkörpern vermieden wurde. In Fig. 15 werden Unterschiede in der inneren Spannung der Isolatorkörper in bezug auf den Durchmesser X der Isolatorkörper und die durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten gezeigt. Jeder Wert der Unterschiede in der inneren Spannung ist in Klammer angegeben. In Fig. 15 stellen "x"-Punkte das Auftreten von Abkühlungsrissen im ersten Abkühlungstemperaturbereich dar, "o"-Punkte stellen Unterschiede in der inneren Spannung (über der Festigkeitsrate von 50%), definiert durch die Formel "Y > 1,76 · 10&supmin;&sup6;) X ohne Verursachung irgendwelcher Abkühlungsrisse dar, und "Δ"-Punkte stellen Unterschiede in der inneren Spannung (unter der Festigkeitsrate von 50%), definiert durch die Formel "Y < (1,76 · 10&supmin;&sup6;) X dar. So ist die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit Za im ersten Abkühlungstemperaturbereich zur Herstellung eines festen Isolators mit einer hohen Festigkeitsrate ohne Verursachung irgendwelcher Abkühlungsrisse durch die folgende Forme) definiert:

- 1,0 · + 400 ≤ Za ≤ -2,4 X + 900

Um feste Isolatoren durch Abkühlen verschiedener bei 1.250ºC gesinterter Isolatorkörper mit unterschiedlichem Durchmesser herzustellen, wurde eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit der Isolatorkörper mit weniger als 150 mm Durchmesser im ersten Abkühlungstemperaturbereich von der Sintertemperatur auf 600ºC mit 400ºC/h festgelegt, und eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit der Isolatorkörper mit mehr als 150 mm Durchmesser mit 250ºC/h festgelegt. Eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit der Isolatorkörper im zweiten Abkühlungstemperaturbereich von 600ºC auf 500ºC wurde mit Zb ºC/h festgelegt, und eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit der Isolatorkörper im dritten Abkühlungstemperaturbereich von 500ºC auf Raumtemperatur würde mit 50ºC/h festgelegt. Außerdem wurden die durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten im ersten und im dritten Abkühlungstemperaturbereich so festgelegt, daß das Auftreten von Abkühlungsrissen in den Isolatorkörpern vermieden wurde.

In Fig. 16 werden Unterschiede in der inneren Spannung in bezug zum Durchmesser X der Isolatorkörper und zur durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeit Zb dargestellt. In Fig. 16 stellen "x"-Punkte das Auftreten von Abkühlungsrissen im zweiten Abkühlungstemperaturbereich dar, "o"-Punkte bezeichnen das Nicht-Vorhandensein von Abkühlungsrissen. Demgemäß ist die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit Zb im zweiten Abkühlungstemperaturbereich zur Herstellung eines festen Isolators mit hoher Festigkeitsrate, ohne daß irgendwelche Abkühlungsrisse verursacht werden, so definiert, daß die folgende Gleichung erfüllt wird:

Zb ≤ -0,45 X + 160

In diesem Fall wird die für den Abkühlungsvorgang erforderliche Zeit lang, wenn die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit Zb als eine geringere Geschwindigkeit bestimmt wird. Es ist daher erforderlich, die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit entsprechend dem Durchmesser des Isolatorkörpers auf mehr als einen angemessenen Wert einzustimmen. In der tatsächlichen Praxis ist ein unterer Grenzwert der durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeit Zb so definiert, daß die folgende Gleichung erfüllt wird:

- 0,25 X + 80 ≤ Zb

Es ist daher vorzuziehen, daß die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit im zweiten Abkühlungstemperaturbereich so definiert ist, daß die folgende Gleichung erfüllt wird:

- 0,25 X + 80 ≤ Zb ≤ -0,45 X + 160

Für den Fall, daß die obigen Abkühlungsbedingungen im ersten und im zweiten Abkühlungstemperaturbereich angenommen werden, ist es nicht notwendig, den gesinterten Isolatorkörper im dritten Abkühlungstemperaturbereich von 500ºC auf Raumtemperatur abzuschrecken. Es ist daher vorzuziehen, daß die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit Zc im dritten Abkühlungstemperaturbereich so definiert ist, daß sie gleich groß wie oder größer als die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit Zb im zweiten Abkühlungstemperaturbereich ist, wie in der folgenden Formel:

Zb ≤ Zc.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines festen Isolators, an den die vorliegende Erfindung angepaßt ist;

Fig. 2 ist ein Graph, der die Erhitzungs- und Abkühlungskurven bei den Sinter- und Abkühlungsvorgängen bei der Herstellung fester Isolatoren zeigt;

Fig. 3 veranschaulicht ein Meßverfahren für die innere Spannung in einem Isolatorkörper, worin Fig. 3 (a) eine perspektivische Ansicht ist, die Dehnungsmeßstreifen darstellt, die an einem Querschnitt eines Ausschnittstücks befestigt sind, das aus dem Isolatorkörper ausgeschnitten ist, und Fig. 3 (b) eine perspektivische Ansicht ist, die eine Plattenprobe veranschaulicht, die aus dem Ausschnittstück an der Befestigungsposition von Dehnungsmeßstreifen ausgeschnitten ist;

Fig. 4 ist ein Graph, der die innere Spannung in jeweiligen Abschnitten des Isolatorkörpers zeigt;

Fig. 5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der auf jede Oberfläche von Isolatorkörpern ausgeübten Aufprallenergie und der Tiefe der Beschädigungen zeigt;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Beschädigungsvorrichtung;

Fig. 7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Tiefe der Beschädigungen an jeder Oberfläche der Isolatorkörper und der Zerstörungsspannung (Bruchfestigkeit) zeigt;

Fig. 8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Tiefe der Beschädigungen an jeder Oberfläche der Isolatorkörper und jeder Festigkeitsrate der Isolatorkörper zeigt;

Fig. 9 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Differenz in der inneren Spannung in den Isolatorkörpern und deren Festigkeitsrate zeigt;

Fig. 10 ist ein Graph, der die Differenz in der inneren Spannung im Isolatorkörper mit 85 mm Durchmesser und dessen Festigkeitsrate zeigt;

Fig. 11 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Differenz in der inneren Spannung im Isolatorkörper mit 145 mm Durchmesser und dessen Festigkeitsrate zeigt;

Fig. 12 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Differenz in der inneren Spannung im Isolatorkörper mit 220 mm Durchmesser und dessen Festigkeitsrate zeigt;

Fig. 13 ist ein Graph, der eine Festigkeitsrate von 50% in bezug auf den Durchmesser des Isolatorkörpers und die Differenz in der inneren Spannung zeigt;

Fig. 14 ist ein Graph, der die maximale innere Spannung des Isolatorkörpers während eines Abkühlungsvorganges desselben in bezug auf eine verstrichene Zeit und die Abkühlungstemperatur zeigt;

Fig. 15 ist ein Graph, der die durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten im ersten Abkühlungstemperaturbereich in bezug auf den Durchmesser des Isolatorkörpers zeigt; und

Fig. 16 ist ein Graph, die die durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten im zweiten Abkühlungstemperaturbereich in bezug auf den Durchmesser des Isolatorkörpers zeigt.


Anspruch[de]

1. Fester Isolator, der einen säulenförmigen Körper entweder aus Cristobalitporzellan, das Cristobalitkristalle in einer Menge von weniger als 10% enthält, oder aus Nicht-Cristobalitporzellan umfaßt, worin:

die innere Spannung des säulenförmigen Körpers des Isolators in Richtung der Druckbeanspruchung in dessen diametral äußeren Schicht größer als in seinem diametral inneren Bereich ist; und

die Differenz Y zwischen der inneren Spannung in der diametral äußeren Schicht des Isolators und jener in seinem diametral mittleren Bereich Y ≥ 1,76 · 10&supmin;&sup6;X ist, worin X (mm) der Durchmesser des säulenförmigen Isolatorkörpers und als 20 · 250 definiert ist.

2. Verfahren zur Herstellung des in Anspruch 1 definierten festen Isolators, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

das Sintern eines ungebrannten festen Isolatorkörpers bei einer vorbestimmten Sintertemperatur über 1.000ºC; und

das Abkühlen des gesinterten festen Isolatorkörpers;

worin der Abkühlschritt unterteilt ist in:

einen ersten Abkühltemperaturbereich von der Sintertemperatur herunter auf auf 600ºC;

einen zweiten Abkühltemperaturbereich von 600ºC herunter auf 500ºC; und

einen dritten Abkühltemperaturbereich von 500ºC herunter auf Raumtemperatur; und

worin die mittlere Abkühlgeschwindigkeit Za (ºC/h) im ersten Abkühltemperaturbereich in bezug auf den Durchmesser X (mm) des Isolatorkörpers so festgelegt ist, daß sie im folgendermaßen definierten Bereich liegt: 1,0 · + 400 ≤ Za ≤ -2,4 X + 900;

die mittlere Abkühlgeschwindigkeit Zb (ºC/h) im zweiten Abkühltemperaturbereich in bezug auf den Durchmesser X (mm) so festgelegt ist, daß sie im folgendermaßen definierten Bereich liegt: -0,25 · + 80 ≤ Zb ≤ -0,45 X + 160 definiert ist; und

die mittlere Abkühlgeschwindigkeit Zc (ºC/h) im dritten Abkühltemperaturbereich nicht geringer als Zb ist.







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