DE102018112375A1

DE102018112375A1 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus keramischen Material mittels Schlickerguss sowie hiermit hergestellter Formkörper

Info

Publication number: DE102018112375A1
Application number: DE102018112375.2A
Authority: DE
Inventors: Franz-Peter Eckes; Christian Kunert
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus keramischen Material mittels Schlickerguss. Mit dem Verfahren können Formkörper, beispielsweise aus Quarzglas, hergestellt werden.Das Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mittels Schlickerguss sieht dabei vor, zum Gießen der Schlickermasse in eine Gussform zu verwenden, wobei die Gussform zumindest in einem Teil des Kontaktbereichs mit der eingegossenen Schlickermasse ein Formmaterial umfasst, dessen Maximum in der Mikroporenverteilung bei höchstens 1 µm liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus keramischen Material mittels Schlickerguss. Mit dem Verfahren können Formkörper, beispielsweise aus Quarzglas, hergestellt werden.
Formkörper aus keramischen Material haben in viele industrielle Fertigungsprozesse Einzug erhalten, beispielsweise Tiegel oder sonstige Behälter. Ein weit verbreitetes Herstellverfahren zur Erzeugung derartiger keramischer Formkörper ist der Schlickerguss.
Hierbei wird eine keramische Schlickermasse hergestellt und in eine entsprechende Gussform eingebracht. Es erfolgt eine Entwässerung und Trocknung der Schlickermasse zu einem Vor-Körper, woraufhin sich ein Sintern des Vor-Körpers bei einer vorgegebenen Sintertemperatur anschließt, um einen gesinterten, festen und temperaturstabilen Formkörper zu erhalten. Ein keramisches Material kann beispielsweise gesintertes Quarzglas umfassen.
So werden beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2006 060 561 A1 Quarzglasbehälter genannt, welche mittels Schlickerguss aus Quarzglas hergestellt werden. Diese Quarzglasbehälter können beispielsweise im Bereich der Herstellung von polykristallinem Silizium für die Solarindustrie zum Einsatz kommen. Zum Herstellen des Vor-Körpers wird die Schlickermasse in eine entsprechend aufgebaute Gussform eingebracht.
Typischerweise bestehen diese Gussformen aus Gips. Auch sind Gussformen aus Ton bekannt.
Das Schlickergießen in Gussformen aus Gips ist ein seit vielen Jahren anerkanntes Herstellverfahren. Gips bietet sich aus vielerlei Gründen an. Zum einen kann der Rohstoff zur Herstellung der Gipsformen vergleichsweise einfach und kostengünstig beschafft werden. Auch das Herstellen der Gipsformen in Formengießereien, teilweise mit Hilfe eines sogenannten Mutterstücks, ist bekannt. Die Gipsformen können kernlos, mit Kern oder auch aus mehreren Einzelteilen mit verschiedenen Teilungsebenen aufgebaut sein.
Wenn im Zuge des Schlickergießens die Schlickermasse in die Gussform aus Gips eingebracht wird, beginnt ein Prozess zu laufen, bei dem der Gips der Schlickermasse Wasseranteile entzieht, wodurch sich die mineralischen Bestandteile an der Gipsform ablagern, verdichten und zunehmend verfestigen. Dieser Prozess wird als Scherbenbildung bezeichnet. Die Gipsform ist daher vorher sorgfältig zu trocknen. Sobald genügend Wasseranteile entzogen sind und der Vor-Körper hinreichend stabil ist, kann der Vor-Körper aus der Gipsform entformt werden. Die Gipsform kann gereinigt, getrocknet und für weitere Gusszyklen zur Verfügung gestellt werden.
Das Schlickergießen mittels Gussformen aus Gips weist allerdings auch einige Nachteile auf.
Zum einen unterliegt jede Gussform bei jedem Gießzyklus einem gewissen Verschleiß, beispielsweise durch Materialabtrag an der formgebenden Kontaktfläche der Gussform, so dass die Gussform früher oder später ausgetauscht werden muss, da andernfalls vorgesehene Toleranzen in den Abmessungen der gegossenen Formkörper nicht mehr eingehalten werden können.
Das Herstellen einer Gussform aus Gips ist zeitintensiv, da die Erhärtungszeiten des Formengipses lang sind.
Dies führt insbesondere dann zu Problemen, wenn etwa kurzfristig Teile einer Gussform aus Gips, beispielsweise beim Aufbauen, aneinanderstoßen und zerbrechen, so dass diese Gussform nicht genutzt werden kann. Die Wiederbeschaffungszeiten liegen in der Regel bei mehreren Tagen, so das an einen kurzfristigen Ersatz nicht gedacht werden kann.
In diesem Zusammenhang ist auch die geringe mechanische Festigkeit von Gips zu sehen, welche die kurze Haltbarkeit der Formen bedingt. Gerade bei komplizierteren Gussformen, welche aus mehreren Teilformen bestehen, ist diese Gefahr sehr groß, da nach jedem Abguss die Gussformen auseinandergenommen, gereinigt und wieder zusammengesetzt werden müssen. Ein Aneinanderstoßen von Teilformen kann sehr rasch zum Abplatzen von Ecken oder Kanten oder sonstigen Beschädigungen führen, was eine weitere Verwendbarkeit der Gussform meistens ausschließt. Das Anfertigen von Ersatz für Teilformen ist ebenso schwierig, da häufig die gesamte Gussform mit all ihren Teilformen zueinander angepasst werden muss.
Durch die geringe mechanische Stabilität von Gips werden die Gussformen häufig sehr dickwandig ausgeführt. Dies erfordert etwa bei großen Gussformen den Einbau von Armierungen bzw. Stützgestellen in die Gussform. Dadurch kann es zu einer Kontamination des Gipses und schließlich der eingegossenen Schlickermasse durch Eisenverbindungen kommen, welche dann in den Vor-Körper und schließlich das Endprodukt gelangen können. In diesem Zusammenhang ist auch der unerwünschte Eintrag von Produkten aus einem Trennmittel, welches häufig im Kontaktbereich mit der Schlickermasse aufgetragen wird und welches ein Entformen unterstützt, zu sehen.
Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass der Scherbenbildungs- und Trocknungsprozess, also die Zeitdauer, die für den Wasserentzug zu veranschlagen ist, recht lang ist. Für größere Formkörper aus keramischen Material, welche durchaus ein Gewicht von 100 kg oder sogar 1.000 kg oder darüber hinaus haben können, sind hier mehrere Tage oder sogar mehrere Wochen vorzusehen, die für die Formungsprozesse erforderlich sind.
Eine Erwärmung zur Förderung der Trocknung ist ungünstig für die Gipsformen, sobald diese etwa 40°C oder mehr erreicht.
Schließlich ist es auch ungünstig, dass Formteile mit filigranen Konturen oder kleinen Radien kaum herstellbar sind.
Wünschenswert wäre es demnach, ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus keramischen Material zur Verfügung zu stellen, was zumindest einige dieser Nachteile vermindert oder bestenfalls gar nicht aufweist.
Insbesondere soll ein solches Verfahren eine raschere Scherbenbildung und Trocknung von eingefüllter Schlickermasse ermöglichen, ohne dass die Stabilität und Qualität des erzeugten Vor-Körpers darunter leidet.
Ferner soll die Haltbarkeit der Gussformen verbessert werden, so dass eine höhere Anzahl von Abgüssen mit einer einzigen Gussform möglich ist. Demnach soll also der Formenverschleiß reduziert werden durch eine bessere mechanische Festigkeit der Gussform.
Schließlich soll auch einer Verunreinigung der hergestellten Formteile mit Fremdkomponenten aus der Gussform entgegengewirkt werden.
Dieser Probleme haben sich die Erfinder angenommen.
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mittels Schlickerguss, eine Gussform sowie einen Formkörper nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mittels Schlickerguss, umfassend die folgenden Schritte:

- Erstellen einer Schlickermasse
- Gießen der Schlickermasse in eine Gussform, wobei die Gussform zumindest in einem Teil des Kontaktbereichs mit der eingegossenen Schlickermasse ein Formmaterial umfasst, dessen Maximum in der Mikroporenverteilung bei höchstens 1 µm liegt,
- Trocknen der Schlickermasse zu einem Vor-Körper,
- Sintern des Vor-Körpers bei einer vorgegebenen Sintertemperatur zum Erhalt des Formkörpers,
- Abkühlen des gesinterten Formkörpers.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein mittels dieses Verfahrens gefertigter Formkörper.
Völlig überraschend hat sich herausgestellt, dass eine nicht auf dem Material Gips basierende Gussform zumindest vergleichbare, wenn nicht bessere Ergebnisse in der Formgebung von keramischen Materialien ermöglicht.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Größe und die Verteilung der Poren in dem Formmaterial, zumindest im Kontaktbereich mit der einzubringenden Schlickermasse, von sehr großer Bedeutung in Bezug auf den Wasserentzug aus der Schlickermasse und damit auf die Zeit der Formgebung haben. Damit ist es nunmehr auch möglich, andere Formmaterialien als Gips in Erwägung zu ziehen, sofern die Mikroporenverteilung im Maximum unter einer Grenze von höchsten 1 µm bleibt.
Durch feinere Poren in dem Formmaterial lässt sich eine höhere Saugwirkung, also eine Beschleunigung des Wasserentzugs aus der in die Gussform eingegossenen Schlickermasse, erreichen. Ursächlich hierfür sind die kapillaren Saugkräfte des Formmaterials, welche mit abnehmendem Kapillardurchmesser, also kleineren Poren, zunehmen. Hierdurch kommt es, insbesondere im Vergleich zu Formmaterialien wie Gips oder auch Ton, zu einer besseren Entwässerungswirkung der erfindungsgemäßen Gussformen. Hierdurch kann die Durchlaufzeit, d.h. die Verweildauer der Gussformen mit eingegossener Schlickermasse, signifikant reduziert werden.
Erfindungsgemäß kann die Gussform daher zumindest in einem Teil des Kontaktbereichs mit der einzugießenden bzw. eingegossenen Schlickermasse ein Formmaterial umfassen, dessen Maximum in der Mikroporenverteilung bei höchstens 1 µm liegt. Dies bedeutet, dass die Gussform vorteilhaft zumindest in einem Teil des Kontaktbereichs mit der einzugießenden bzw. eingegossenen Schlickermasse, also zumindest einem Teil der formgebenden Flächen, mit einem derartigen feinporigen Formmaterial versehen sein kann.
Eine Mikroporenverteilung mit einem Maximum von höchstens 1 µm beschreibt das Vorhandensein von hinreichend kleinen Poren im Material, welche die höheren Kapillarkräfte in Bezug auf Wasser freisetzen.
Es hat sich gezeigt, dass ein noch kleineres Maximum in der Mikroporenverteilung diese Kapillarkräfte noch verstärken kann. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt daher das Maximum in der Mikroporenverteilung bei höchstens 0,5 µm, bevorzugt bei höchstens 0,4 µm und besonders bevorzugt bei höchstens 0,3 µm. Um überhaupt Kapillarkräfte freizusetzen, ist das grundsätzliche Vorhandensein von Mikroporen allerdings erforderlich. Eine vollständig geschlossene Oberfläche im Kontaktbereich würde keine Kapillarkräfte freisetzen können.
Daher wird für den feinporösen Kontaktbereich der erfindungsgemäßen Gussform ein Material verwendet, dessen offene Porosität im Bereich zwischen 4 und 30 %, bevorzugt zwischen 6 und 20 %, besonders bevorzugt zwischen 7 und 15 % liegt. Da sehr feine Mikroporen zwar zu einer Erhöhung der kapillaren Saugwirkung führen, gleichzeitig aber die Menge des abtransportierten Wassers stark einschränken, sollte das Maximum in der Mikroporenverteilung bei wenigstens 0,01 µm, bevorzugt bei wenigstens 0,03 µm und besonders bevorzugt bei wenigstens 0,05 µm liegen. Die Mikroporenverteilung kann in Anlehnung an die Norm DIN-EN 993-1 bestimmt werden.
Von hoher Bedeutung ist auch eine möglichst konstante, gleichmäßige Verteilung der Poren hinsichtlich ihrer Größe und Anzahl über das Volumen des Formmaterials, insbesondere für die Herstellung von Formkörpern mit gleichbleibender Wanddicke.
Für die Herstellung von Formkörpern mit unterschiedlichen oder auch sehr stark schwankenden Wanddicken ist es von Vorteil, wenn das Gesamtvolumen der offenen Porosität gezielt variiert werden kann, und damit die Geschwindigkeit des Wasserentzugs an die entsprechende Wanddicke angepasst werden kann.
Von Vorteil kann der gesamte Kontaktbereich der erfindungsgemäßen Gussform mit der eingegossenen Schlickermasse das erfindungsgemäße Formmaterial umfassen. Dies kann beispielsweise über eine entsprechende Auskleidung der Kontaktfläche mit dem Formmaterial oder ein Ersetzen der formgebenden Flächen mit dem Formmaterial umfassen. Bei einem Auskleiden der Kontaktfläche der Gussform ist auf eine hinreichende Dicke der Auskleidung zu achten, also auf eine hinreichende Ausdehnung in Richtung der Oberflächennormalen auf der formgebenden Fläche. Diese sollte wenigstens 1 cm betragen, bevorzugt 2 cm. Ist der gesamte Kontaktbereich der Gussform mit dem feinporigen Formmaterial versehen, so kann ein gleichmäßiger, homogener Wasserentzug erreicht werden.
Selbstverständlich kann die Gussform auch vollständig aus dem Formmaterial gefertigt sein, was sich beispielsweise bei kleineren, weniger komplizierten Gussformen anbieten kann. Sofern die Gussform mehrteilig oder mit Kern ausgestattet ist, verhält es sich hier ebenso, d.h. vorteilhaft umfassen auch diese formgebenden Flächen das Formmaterial.
In einer anderen Ausführungsform können nur ausgewählte Teile des Kontaktbereichs der erfindungsgemäßen Gussform mit der eingegossenen Schlickermasse das erfindungsgemäße Formmaterial umfassen. Die übrigen Teile des Kontaktbereichs können beispielsweise aus wasserundurchlässig und nichtporösen Materialien, beispielsweise Kunststoff, ausgeführt werden. Auf diese Weise kann der Wasserentzug in bestimmte Richtungen gelenkt werden, um beispielsweise bestimmte Bereiche des Vor-Körpers schneller zu trocknen als andere.
Erfindungsgemäß kann das Formmaterial weitgehend oder vollständig frei von Gips, also von Calciumsulfat-Dihydrat, sein, d.h. für das Formmaterial wird weitgehend oder vollständig auf die Verwendung von Gips oder auch Tonmaterialien verzichtet.
Bei größeren, mehrteiligen Gussformen ist es aber möglich, etwa stützende Teile aus Gips oder Tonmaterialien vorzusehen, den Kontaktbereich zu der Schlickermasse dann aber mit dem Formmaterial auszustatten. Dies kann beispielsweise über Plattenzuschnitte aus dem Formmaterial erfolgen, welche dann eine Verkleidung der Kontaktfläche ausbilden können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Formmaterial gesintertes Quarzglas umfassen. Gesintertes Quarzglas in unterschiedlichen Formaten kann beispielsweise unter der Bezeichnung „Quarzal“ von der Fa. Schott AG, Mainz, bezogen werden. Als Formmaterial eignen sich alle Sorten gesinterten Quarzglases mit maximalen Korngrößen bis 15 mm, solange die beschriebene Mikroporenverteilung vorliegt.
Gesintertes Quarzglas kann mittels Schlickergießen von amorpher Kieselsäure zu entsprechenden Formbauteilen geformt werden, wie es beispielsweise in der Druckschrift P. Schultz: „Schlickergießen von amorpher Kieselsäure von großformatigen und komplizierten Teilen", Keramische Zeitschrift, 38. Jahrgang, Nr. 8, 1986, beschrieben ist.
Unerwarteterweise hat sich gezeigt, dass ein derartiges gesintertes Quarzglas die gewünschte Mikroporenverteilung zeigt und daher in idealer Weise für die Formgebung keramischer Formkörper selbst genutzt werden kann.
Von großem Vorteil ist hier weiterhin, dass keine Änderungen in Bezug auf die Verwendung der Schlickermasse erforderlich sind, etwa bei einem Wechsel von herkömmlichen Gussformen aus Gips zu einer erfindungsgemäßen Gussform mit der oben genannten Mikroporenverteilung und einer Verwendung von gesintertem Quarzglas im Kontaktbereich mit der Schlickermasse. Dies ist umso erstaunlicher, als dass die Schlickermasse und das Material der formgebenden Kontaktfläche in einer engen Wechselwirkung zueinander stehen. Von daher wäre zu erwarten gewesen, dass bei der Erstellung der Schlickermasse Änderungen erforderlich sein würden, etwa in Bezug auf die Viskosität oder die Rheologie des Schlickers.
Das Verfahren bietet den weiteren großen Vorteil, dass es nicht zu einer unerwünschten Anreicherung von Verunreinigungen in dem Vor-Körper aufgrund von Diffusionsprozessen aus dem Formmaterial heraus in den Vor-Körper kommt. Der Grad der Verunreinigung ändert sich daher vorzugsweise nicht von der Schlickermasse zu dem Vor-Produkt, d.h. eine hochreine Schlickermasse führt zu einem hochreinen Vor-Produkt und dann letztendlich zu einem hochreinen keramischen Formkörper.
Von daher kommt es auch nicht zu einer Anreicherung des geformten Vor-Körpers mit Calciumverbindungen im Vergleich zu der ursprünglichen Schlickermasse. Ebenso erfährt der erzeugte Vor-Körper auch keine Anreicherung mit Elementen aus der Armierung oder Stützkonstruktionen, etwa Eisenverbindungen, im Vergleich zu der Schlickermasse.
Ein weiterer Vorteil ist in der höheren mechanischen Festigkeit von gesintertem Quarzglas als Formmaterial im Vergleich zu etwa Gips oder Ton zu sehen. Hierdurch kommt es zu weniger Verschleiß, selbst an filigranen Formendetails. Der Verschleiß kann bei der Handhabung der Formen entstehen oder beim Befüllen der Formen mit der abrasiven Schlickermasse. In beiden Fällen wirkt sich die höhere mechanische Festigkeit von gesintertem Quarzglas als Formenmaterial positiv aus. Dies führt zu einer deutlich größeren Formlebensdauer und einer längeren Haltbarkeit der Gussformen, wodurch sich die Wiederbeschaffungskosten verringern.
Auch sind größere Gussformen möglich, welche auch ohne Armierung oder Stützgestell eine hinreichende Stabilität aufweisen können. Auch ein modularer Aufbau mit häufigem Austausch von stark beanspruchten Gussformteilen ist möglich. Schließlich ist es auch möglich, Gussformteile mit filigranen Konturen, scharfen Kanten oder kleinen Radien herzustellen.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von gesintertem Quarzglas als Formmaterial ist in der höheren Scherbenbildungsrate im Vergleich zu Gipsformen zu sehen. Dies führt zu einer deutlichen Verkürzung der Prozesszeit bis zur Erzeugung des Vor-Körpers. Hierdurch lässt sich eine höhere Gießfrequenz pro Form erreichen, so dass gerade bei größeren Stückzahlen weniger Gussformen und damit weniger Investitionskosten und auch weniger Standfläche benötigt wird.
In diesem Zusammenhang ist auch von Vorteil, dass bei der Verwendung von gesintertem Quarzglas als Formmaterial auch eine Beschleunigung des Trocknens der Schlickermasse in der Gussform möglich ist. Typischerweise erfolgt diese Trocknung der Schlickermasse in einer Gussform aus Gips bei Raumtemperatur oder bei leicht erhöhter Temperatur, wobei eine Temperatur oberhalb von 40°C vermieden wird, da diese zu Schädigungen des Gipsmaterials führen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, die Scherbenbildung und Trocknung bei erhöhter Temperatur durchzuführen, um die Prozesszeit noch weiter zu reduzieren. Gerade ein Trocknen bei einer Temperatur von wenigstens 40°C, bevorzugt wenigstens 45°C und besonders bevorzugt wenigstens 50°C oder sogar darüber hinaus kann, insbesondere gegen Ende des Trocknungsprozesses, diesen nochmals deutlich verkürzen. Vorzugsweise wird die Gussform mit der Schlickermasse einer erhöhten Temperatur über eine Dauer von wenigstens 1 h, bevorzugt wenigstens 2 h und besonders bevorzugt wenigstens 3 h ausgesetzt.
Der Scherbenbildungs- und Trocknungsprozess ist beendet, wenn ein bestimmter Festigkeitszustand des Vor-Körpers erreicht ist. Hiernach erfolgt das Entformen, also die Entnahme des Vor-Körpers aus der Gussform. Die Gussform kann anschließend gereinigt und getrocknet werden. Hieran schließt sich das dem Fachmann bekannte Sintern des Vor-Körpers bei einer vorgegebenen Sintertemperatur und das Abkühlen des gesinterten Formkörpers auf Raumtemperatur an. Der auf diese Weise erzeugte Formkörper aus keramischen Material kann nachfolgend weiter bearbeitet werden.
Weiterhin überraschend hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung von gesintertem Quarzglas als Formmaterial auf den Einsatz von sonst üblichen Trennmittel im Bereich der formgebenden Kontaktflächen weitgehend oder vollständig verzichtet werden kann, was zum einen Vorbereitungszeit in der Fertigung einspart, zum anderen aber auch dazu führt, dass der Vor-Körper keine Verunreinigung aus dem Trennmittel, häufig eine Graphit-Suspension, erfährt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann allgemein für Schlickermassen eingesetzt werden, welche ein mineralisches Grundmaterial mit Zusatz von Wasser umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Schlickermasse Quarzglas in Form von im wesentlichen amorphen SiO₂-Körnern mit Zusatz von Wasser umfassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Gussform zur Formgebung eines keramischen Formkörpers mittels Schlickerguss, wobei die Gussform zumindest in einem Teil des Kontaktbereichs mit der eingegossenen Schlickermasse ein Formmaterial umfasst, dessen Maximum in der Mikroporenverteilung bei höchstens 1 µm liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Maximum in der Mikroporenverteilung des Formmaterials der Gussform bei höchstens 0,5 µm, bevorzugt bei höchstens 0,4 µm und besonders bevorzugt bei höchstens 0,3 µm.
Vorzugsweise umfasst das Formmaterial den gesamten Kontaktbereich der Gussform mit der einzugießenden Schlickermasse.
Von Vorteil ist das Formmaterial weitgehend oder vollständig frei von Calciumsulfat-Dihydrat oder Calciumverbindungen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Formmaterial der Gussform gesintertes Quarzglas. Eine derartige Gussform, insbesondere eine Gussform umfassend oder bestehend aus gesintertem Quarzglas, kann ebenfalls mittels Schlickergussverfahren hergestellt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung einer Gussform wie vorstehend beschrieben zur Herstellung eines keramischen Formkörpers. Der keramische Formkörper kann dabei gesintertes Quarzglas umfassen oder daraus bestehen.
Schließlich betrifft die Erfindung einen Formkörper, umfassend ein keramisches Material, welcher mittels Schlickerguss mit dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
Vorzugsweise kommt hierbei eine Gussform wie vorstehend beschrieben zum Einsatz.
Der auf diese Weise erzeugte Formkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er nur geringe Verunreinigungen mit Calcium- und/oder Eisenverbindungen aufweist. Dies betrifft auch die Außenflächen des Formkörpers, insbesondere diejenigen Außenflächen, welche während der Formgebung in direktem Kontakt mit der Gussform stehen. Demnach gehen die Verunreinigungen in dem Material des Formkörpers vorzugsweise nicht über diejenigen hinaus, welche bereits in der ursprünglichen Schlickermasse enthalten waren.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäß erzeugter Formkörper somit einen oberflächennahen Bereich, welcher insbesondere diejenigen Flächen umfasst, die während der Formgebung in direktem Kontakt mit der Gussform stehen, bei denen gegenüber dem Grundmaterial des Formkörpers keine Anreicherung mit Verunreinigungen, insbesondere mit Calcium- und/oder Eisenverbindungen, vorliegt. Dieser oberflächennahe Bereich reicht insbesondere bis zu einer Tiefe von einigen Millimetern, ausgehend von der Oberfläche, in den Formkörper hinein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist daher der Anteil der Verunreinigungen, insbesondere mit Calcium- und/oder Eisenverbindungen, in einem oberflächennahen Bereich bis zu einer Tiefe von wenigstens 2 mm, bevorzugt wenigstens 4 mm und besonders bevorzugt von wenigstens 6 mm oder von 10 mm gleich dem Anteil der Verunreinigungen in der verwendeten Schlickermasse.
Der Formkörper, insbesondere der Formkörper aus gesintertem Quarzglas, kann verschiedenste geometrische Formen aufweisen und rein beispielhaft als Block oder Platte, als gebogene Platte oder Unterlage, als Behälter oder als Rolle oder Walze ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
Die Zeichnungen zeigen:

1 schematisch den Aufbau einer Gussform im Querschnitt,
2 einen Formkörper in einer Draufsicht, welcher mittels der Gussform aus 1 geformt wurde, und
3 die Mikroporenverteilung ausgewählter Werkstoffe.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen um der Klarheit willen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile in oder an diesen Ausführungsformen. Zur besseren Verdeutlichung der Erfindung sind die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht immer maßstabsgerecht gezeichnet.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Gussform 10 im Querschnitt. Die Gussform 10 ist einteilig ausgebildet. Es sind selbstverständlich auch mehrteilige Gussformen möglich, beispielsweise mit einem Kern, um Formkörper herstellen zu können, welche als Behälter ausgebildet sind. Im Beispiel ist die Gussform 10 mit einer Schlickermasse 20 aufgefüllt.
Die Gussform 10 wird zur Formgebung eines keramischen Formkörpers mittels Schlickerguss verwendet. Der Schlickerguss ist ein Gießverfahren zum Formen eines Vor-Körpers mit einer gewissen Festigkeit, welcher auch Grünkörper oder Grünling genannt wird. Der Vor-Körper wird anschließend gesintert, um den festen Formkörper zu erhalten.
Ohne Beschränkung auf das abgebildete Ausführungsbeispiel ist die Gussform 10 vollständig aus dem erfindungsgemäßen Formmaterial hergestellt, also monolithisch aufgebaut. Im Beispiel ist die Gussform 10 vollständig aus gesintertem Quarzglas hergestellt. Die Gussform 10 weist ein Maximum in der Mikroporenverteilung auf, welches bei höchstens 1 µm liegt.
Das gesinterte Quarzglas umfasst im Beispiel das Material mit der Bezeichnung „Quarzal“ und ist von der Fa. Schott AG, Mainz, erhältlich. Grundsätzlich können auch Quarzglasmaterialien anderer Hersteller geeignet sein, sofern die geforderte Mikroporenverteilung gegeben ist.
Dies bedeutet, dass im Kontaktbereich 11, also der formgebenden Fläche der Gussform 10 mit der eingegossenen Schlickermasse 20, das erfindungsgemäße Formmaterial vorliegt, dessen Maximum in der Mikroporenverteilung bei höchstens 1 µm liegt. Demnach bestehen die Wände und der Boden der Gussform 10 aus dem erfindungsgemäßen Formmaterial.
Eine Mikroporenverteilung mit einem Maximum von höchstens 1 µm beschreibt das Vorliegen von hinreichend kleinen Poren, welche die höheren Kapillarkräfte in Bezug auf Wasser freisetzen und damit den Trocknungsprozess der Schlickermasse unterstützen. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Maximum in der Mikroporenverteilung noch geringer, insbesondere bei höchstens 0,5 µm, bevorzugt bei höchstens 0,4 µm und besonders bevorzugt bei höchstens 0,3 µm.
Die offene Porosität des Formmaterials im Kontaktbereich 11 liegt ohne Beschränkung auf das Ausführungsbeispiel bei etwa 12 %. Als geeignet wird ein Bereich zwischen 4 % und 30 %, bevorzugt zwischen 6 % und 20 %, besonders bevorzugt zwischen 7 % und 15 % angesehen.
Im abgebildeten Beispiel umfasst das Formmaterial den gesamten Kontaktbereich 11. Es ist aber auch möglich, die Gussform aus einem anderen Material herzustellen und lediglich im Kontaktbereich 11 mit dem erfindungsgemäßen Formmaterial auszukleiden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die formgebenden Seitenflächen der Gussform 10 mit beispielsweise plattenförmigen Formmaterial ausgekleidet werden.
Im abgebildeten Beispiel ist die Gussform 10 vollständig ohne Gips- und/oder Tonmaterialien gefertigt. Auf diese Weise ist die Gussform frei von Calciumsulfat-Dihydrat. Die Gussform 10 kommt ferner ohne Armierungen und Stützkonstruktionen aus, so dass sie auch frei von Eisenverbindungen ist.
Die Gussform 10, umfassend gesintertes Quarzglas, wird ebenfalls mittels Schlickergussverfahren hergestellt. Verschiedene Zusammensetzungen für die Erzeugung einer hierzu geeigneten Schlickermasse sind möglich. Es hat sich gezeigt, dass das Maximum der Mikroporenverteilung abhängig ist von Korngrößenverteilung der in die Schlickermasse eingehenden SiO₂-Körner. Von Bedeutung ist daher ein hinreichender Feinkornanteil des in die Zusammensetzung eingehenden Materials. Eine mögliche Zusammensetzung weist beispielsweise einen Feinkornanteil mit einer Korngröße von bis zu 0,3 mm, vorzugsweise bis zu 0,2 mm, in einem Umfang von etwa 30 % bis 70 % und einen weiteren Feinkornanteil mit einer Korngröße in einem Bereich von 0,3 mm bis 1,0 mm in einem Umfang von etwa 3 % bis 10 % auf. Zur Erzeugung des Schlickers wird ferner Wasser zugesetzt.
Die Gussform 10 wird zur Herstellung eines Formkörpers mittels Schlickerguss verwendet, umfassend die folgenden Schritte:

- Erstellen einer Schlickermasse
- Gießen der Schlickermasse in die erfindungsgemäße Gussform 10, wobei die Gussform zumindest im Kontaktbereich mit der eingegossenen Schlickermasse ein Formmaterial umfasst, dessen Maximum in der Mikroporenverteilung bei höchstens 1 µm liegt und einer offenen Porosität von mindestens 4 % liegt,
- Trocknen der Schlickermasse zu einem Vor-Körper,
- Sintern des Vor-Körpers bei einer vorgegebenen Sintertemperatur zum Erhalt des Formkörpers,
- Abkühlen des gesinterten Formkörpers.

Durch die feinere Porenstruktur in dem Formmaterial lässt sich eine höhere Saugwirkung, also eine Beschleunigung des Wasserentzugs aus der in die Gussform 10 eingegossenen Schlickermasse erreichen. Ursächlich hierfür sind die kapillaren Saugkräfte des Formmaterials, welche mit abnehmendem Kapillardurchmesser, also kleineren Poren, zunehmen. Hierdurch kommt es, insbesondere im Vergleich zu Formmaterialien wie Gips oder auch Ton, zu einer besseren Entwässerungswirkung der erfindungsgemäßen Gussformen.
Die offene Porosität des Formmaterials im Kontaktbereich 11 liegt ohne Beschränkung auf das Ausführungsbeispiel bei etwa 12 %. Als geeignet wird ein Bereich zwischen 4 % und 30 %, bevorzugt zwischen 6 % und 20 %, besonders bevorzugt zwischen 7 % und 15 % angesehen.
Es werden keine besonderen Anforderungen, die über die üblichen für die Erstellung der Schlickermasse hinausgehen, gestellt. Dies bedeutet, dass bekannte Schlickermassen verwendet werden können. Insbesondere in Bezug auf die Viskosität oder die Rheologie des Schlickers werden keine geänderten Anforderungen durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Gussform 10 gestellt, so dass prinzipiell jede Schlickermasse, welche bisher in Gussformen aus Gips oder Ton gegossen wurde, auch für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann. Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Gussform 10 ist es nicht erforderlich, die Kontaktflächen mit einem Trennmittel, wie es bei Verwendung von Formen aus Gips oder Ton notwendig ist, zu versehen.
Der Eintrag von Verunreinigungen aus der Gussform 10 aufgrund von Diffusionsprozessen aus dem Formmaterial in den Vor-Körper während des Trocknens kann wirksam unterbunden werden. Dies kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn die Gussform 10 aus gesintertem Quarzglas gefertigt ist und die Schlickermasse amorphe Kieselsäure umfasst. Der Grad der Verunreinigung ändert sich daher nicht von der Schlickermasse zu dem Vor-Produkt, d.h. es können Vor-Körper und damit auch Formkörper nach dem Sintern mit sehr hoher Reinheit erzeugt werden. Die Materialqualität des Formkörpers hängt damit im Wesentlichen von der Materialqualität und Reinheit der in die Schlickermasse eingehenden Rohstoffe ab.
Durch die höhere Scherbenbildungsrate kann der Wasserentzug aus der Schlickermasse deutlich beschleunigt werden, was sich in einer deutlichen Verkürzung der Prozesszeit zur Erzeugung des Vor-Körpers zeigt. Um die Prozesszeit noch weiter zu verkürzen, wird die Gussform 10 mit der eingegossenen Schlickermasse 20 einer erhöhten Temperatur ausgesetzt. Vorzugsweise liegt diese oberhalb der Raumtemperatur.
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Trocknen bei einer Temperatur von wenigstens 40°C, bevorzugt wenigstens 45°C und besonders bevorzugt wenigstens 50°C oder sogar darüber hinaus. Um ein gutes Durchtrocknen zu erreichen, wird die Gussform 10 dieser erhöhten Temperatur über eine längere Zeit ausgesetzt. In einem Ausführungsbeispiel wird daher die Gussform 10 mit der Schlickermasse 20 einer erhöhten Temperatur über eine Dauer von wenigstens 1 h, bevorzugt wenigstens 2 h und besonders bevorzugt wenigstens 3 h ausgesetzt.
Der Trocknungsprozess ist beendet, wenn der Schlickermasse 20 eine hinreichend große Menge an Wasseranteilen entzogen wurde. Die mineralischen Bestandteile der Schlickermasse lagern sich dadurch an der Gussform 10 ab, verdichten und verfestigen sich zunehmend. Sobald sich ein bestimmter Festigkeitszustand des Vor-Körpers einstellt, kann das Entformen erfolgen, also die Entnahme des Vor-Körpers aus der Gussform 10. Vor dem Sintern kann der teilweise noch feuchte Vor-Körper, wenn erforderlich, noch nachgearbeitet werden.
Erfindungsgemäß kann auch ein Hohlkörper als Vor-Körper erzeugt werden mittels Hohlguss-Verfahren. Hierbei ist zu beachten, dass die Schlickermasse weniger lange in der Gussform 10 verbleibt. Sofern der Vor-Körper zu einem Anteil einen bestimmten Festigkeitszustand erreicht hat, in anderen Worten nach der Ausbildung einer vorbestimmten Scherbendicke, wird die übrige, noch flüssige Schlickermasse ausgegossenen und der in der Gussform 10 verbleibende Scherben trocknet dann weiter bis zum Erreichen der zum Entformen erforderlichen Festigkeit.
Nachfolgend schließen sich das Sintern des Vor-Körpers bei einer vorgegebenen Sintertemperatur und das Abkühlen des gesinterten Formkörpers auf Raumtemperatur an. Der auf diese Weise erzeugte Formkörper aus keramischen Material kann nachfolgend weiterbearbeitet werden. In 2 ist rein beispielhaft ein Formkörper 30 in einer Draufsicht gezeigt, welcher mittels der Gussform 10 geformt wurde.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann allgemein für Schlickermassen eingesetzt werden, welche ein mineralisches Grundmaterial mit Zusatz von Wasser umfassen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schlickermasse Quarzglas in Form von im wesentlichen amorphen SiO₂-Körnern mit Zusatz von Wasser. Die Reinheit, also der Anteil von SiO₂ an dem Ausgangsmaterial, ist dabei sehr hoch und liegt typischerweise bei wenigstens 99%, besser 99,5%. Eine mögliche Schlickermasse kann beispielsweise wie folgt zusammengesetzt sein:

38 Gew.-% der Körnung 0,3-1 mm
7 Gew.-% der Körnung 0-0,3 mm
39 Gew.-% der Körnung <50 µm
16 Gew.-% der Körnung <10 µm

Der Wassergehalt des Schlickers bezogen auf den Anteil des Glasanteils beträgt ca. 10 %.
3 verdeutlicht die Mikroporenverteilung ausgewählter Werkstoffe. Hierbei wurden Messungen zur Bestimmung der Porenvolumenverteilung durch Quecksilberintrusion in Übereinstimmung mit DIN 66 133 durchgeführt.
Den Messungen zugrunde gelegt wurden verschiedene erfindungsgemäße Formmaterialien auf der Basis von gesintertem Quarzglas, wobei sich diese in der Korngrößenverteilung unterscheiden.
Die Messungen zeigen, dass die erfindungsgemäßen Formmaterialien auf der Basis von gesintertem Quarzglas ein Maximum der Mikroporenverteilung aufweisen, welche bei einem Porendurchmesser von weniger als 1 µm liegen. Bei den meisten analysierten Formmaterialien auf der Basis von gesintertem Quarzglas liegt das Maximum der Mikroporenverteilung sogar bei weniger als 0,5 µm, zum Teil bei weniger als 0,4 und bei einem weiteren Teil bei weniger als 0,3 µm.
Im Vergleich dazu wurde ein Formmaterial auf der Basis von Gips analysiert. Hier zeigt die Messung der Mikroporenverteilung eine signifikant gröbere Mikroporenverteilung, das Maximum der Mikroporenverteilung liegt bei deutlich über 1 µm, etwa bei 2 µm oder sogar darüber.
Da die kapillaren Saugkräfte mit abnehmendem Kapillardurchmesser zunehmen, erklärt dies die bessere Entwässerungswirkung von Gussformen aus gesintertem Quarzglas als Formmaterial im Vergleich zu Gussformen aus Gips.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006060561 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. Schultz: „Schlickergießen von amorpher Kieselsäure von großformatigen und komplizierten Teilen“, Keramische Zeitschrift, 38. Jahrgang, Nr. 8, 1986 [0038]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mittels Schlickerguss, umfassend die folgenden Schritte: - Erstellen einer Schlickermasse - Gießen der Schlickermasse in eine Gussform, wobei die Gussform zumindest in einem Teil des Kontaktbereichs mit der eingegossenen Schlickermasse ein Formmaterial umfasst, dessen Maximum in der Mikroporenverteilung bei höchstens 1 µm liegt, - Trocknen der Schlickermasse zu einem Vor-Körper, - Sintern des Vor-Körpers bei einer vorgegebenen Sintertemperatur zum Erhalt des Formkörpers, - Abkühlen des gesinterten Formkörpers.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formmaterial den gesamten Kontaktbereich mit der eingegossenen Schlickermasse umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum in der Mikroporenverteilung des Formmaterials bei höchstens 0,5 µm, bevorzugt bei höchstens 0,4 µm und besonders bevorzugt bei höchstens 0,3 µm liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Porosität des Formmaterials in einem Bereich zwischen 4 % und 30 %, bevorzugt zwischen 6 % und 20 %, besonders bevorzugt zwischen 7 % und 15 % liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formmaterial weitgehend oder vollständig frei von Calciumsulfat-Dihydrat ist.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formmaterial gesintertes Quarzglas umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Vor-Körper keine Anreicherung mit Verunreinigungen im Vergleich zu der ursprünglichen Schlickermasse erfährt, vorzugsweise keine Anreicherung mit Calcium- oder Eisenverbindungen.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherbenbildung und das Trocknen bei erhöhter Temperatur von wenigstens 40°C, bevorzugt wenigstens 45°C und besonders bevorzugt wenigstens 50°C erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform der erhöhten Temperatur über eine Dauer von wenigstens 1 h, bevorzugt wenigstens 2 h und besonders bevorzugt wenigstens 3 h ausgesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche der Gussform frei von Trennmittel ist, wenn Schlickermasse eingefüllt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlickermasse ein mineralisches Grundmaterial mit Zusatz von Wasser umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlickermasse Quarzglas in Form von im wesentlichen amorphen SiO₂-Körnern und Wasser umfasst.
Gussform zur Formgebung eines keramischen Formkörpers mittels Schlickerguss, wobei die Gussform zumindest in einem Teil des Kontaktbereichs mit der einzugießenden Schlickermasse ein Formmaterial umfasst, dessen Maximum in der Mikroporenverteilung bei höchstens 1 µm liegt.
Gussform nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Formmaterial den gesamten Kontaktbereich mit der einzugießenden Schlickermasse umfasst.
Gussform nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum in der Mikroporenverteilung bei höchstens 0,5 µm, bevorzugt bei höchstens 0,4 µm und besonders bevorzugt bei höchstens 0,3 µm liegt.
Gussform nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formmaterial weitgehend oder vollständig frei von Calciumsulfat-Dihydrat ist.
Gussform nach einem der vier vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formmaterial gesintertes Quarzglas umfasst.
Verwendung einer Gussform nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 17 zur Herstellung eines keramischen Formkörpers, insbesondere zur Herstellung eines Formkörpers umfassend oder bestehend aus gesintertem Quarzglas.
Formkörper, umfassend ein keramisches Material, insbesondere umfassend oder bestehend aus gesintertem Quarzglas, hergestellt oder herstellbar mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, insbesondere unter Verwendung einer Gussform nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 17.
Formkörper nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigung mit Calcium- und/oder Eisenverbindungen, insbesondere an seinen Außenflächen, nicht über diejenige Verunreinigung der ursprünglichen Schlickermasse hinausgeht.