DE19516867A1 - Verfahren zur Herstellung von Sinterformkörpern, insbesondere zur Verwendung als Baumaterialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sin­ terformkörpern geringer Dichte und hoher Festigkeit, insbeson­ dere zur Verwendung als Baumaterialien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Baumaterialien deren Hauptbestandteil Sand ist, sind allge­ mein bekannt. Sand wird dazu durch Bindemittel in Formen ver­ festigt. Durch solche Herstellungsverfahren bekannte Baumate­ rialien sind beispielsweise Bausteine, Bodenbeläge und Flie­ sen. Üblicherweise wird als Bindemittel Kalk oder Zement un­ ter Zusatz von Wasser verwendet. Eine zusätzliche thermische Behandlung durch Temperatureinwirkung mit höheren Tempera­ turen ist hier nicht erforderlich.

Es sind auch Verfahren zur Herstellung von Sinterformkörpern bekannt, insbesondere von Sinterformkörpern hoher Dichte und hoher Festigkeit, bei denen eine Temperaturbehandlung verwen­ det wird:
Bei einem Verfahren zur Herstellung von Quarzgut (Sili­ kat-Technik 13, Nr. 7, 1962, 229-232) wird Quarzsand hoher Reinheit mit mindestens 99,6% SiO₂ durch Trockenpressen zu dem gewünschten Formkörper ausgeformt, dessen Gestalt durch Zusatz eines Bindemittels erhalten bleibt. Anschließend wird eine thermische Behandlung durchgeführt, die den Formkörper in einen glasartigen Zustand überführt. So hergestellte Form­ körper sind wegen ihrer hohen Dichte und Festigkeit als Bauma­ terialien nur bedingt geeignet und insbesondere als Bausteine praktisch nicht verwendbar, da bei zu hohem Gewicht die Wärme­ dämmung sowie die Bearbeitbarkeit unzureichend sind.

In einem anderem bekannten Verfahren (DE-PS 1 30 031) werden Sinterformkörper ebenfalls mit hoher Dichte herstellbar. Dazu werden als Hauptausgangsstoffe Glas und Quarz unter Zusatz von Formgebungsmitteln verwendet, die naß gemischt und vermah­ len werden. Nach einer anschließenden schnellen Trocknung wer­ den bei einer Temperatureinwirkung zwischen 700°C und 1.000°C in einem Dichtbrand die festen Formkörper erhalten. Auch die­ se Formkörper sind wegen ihrer hohen Dichte aus den vorste­ hend genannten Gründen als Baumaterialien nur bedingt geeig­ net.

Mit einem bekannten gattungsgemäßen Verfahren (DE 32 48 537 C2) sollen Sinterformkörper geringer Dichte und hoher Festigkeit herstellbar sein. Solche Sinterformkörper sollen insbesondere als Baumaterialien verwendbar sein. Sie sollen sich einerseits durch hohe Festigkeit auszeichnen, so daß sie als Bausteine im Hoch- und Tiefbau verwendet werden können und sie sollen andererseits aufgrund einer herstel­ lungsbedingten Makrostruktur zahlreiche Hohlräume und damit eine geringe Dichte aufweisen, die erheblich unter der Dichte von Quarz bzw. Quarzsandschüttungen liegen und beispielsweise nur etwa 50% davon betragen können. Durch das Vorliegen der Hohlräume soll ein mit solchen Sinterformkörpern hergestell­ tes Mauerwerk eine hervorragende Wärme-, Kälte- und Schalliso­ lation aufweisen.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird vorgeschlagen, Körner von Quarzsand im Korngrößenbereich von 0,002 bis 2 mm in eine Form entsprechend der Gestalt des gewünschten Sinterformkör­ pers einzubringen, wobei an der Form eine stationäres elektri­ sches Hochspannungsfeld anliegt, so daß der Quarzsand aufgela­ den wird. Die erhaltene Anordnung der aufgeladenen Körner des Quarzsandes soll anschließend in der Form gesintert werden.

Ausdrücklich ist herausgestellt, daß der verwendete Quarzsand eine hohe Reinheit aufweisen soll und insbesondere gewaschene und anschließend getrocknete Quarzsande zu verwenden sind.

Für den Sintervorgang wird explizit eine Sintertemperatur von etwa 1.450°C bis etwa 1.600°C vorgeschlagen. Diese Temperatur kann bis in die Nähe des Schmelzpunkts von Quarz (1.710°C) er­ höht werden. Es wird somit auf relativ hohe, übliche Sinter­ temperaturen verwiesen mit einer Tendenz diese nur wenig unter dem Schmelzpunkt zu wählen. Als Größenordnung für die erforderliche elektrische Feldstärke wird ein Wert von 1.000 V/cm angegeben.

Bei der Nacharbeitung dieses Verfahrens hat sich herausge­ stellt, daß die gewünschten Sinterformkörper mit geringer Dichte und hoher Festigkeit so nicht zu erhalten sind:

Es hat sich überraschend gezeigt, daß die Verwendung reiner Quarzsande, wie sie auch im weiter oben genannten Stand der Technik mit einem Reinheitsgrad von 99,6% SiO₂ angegeben sind, zu Sinterformkörpern mit geringer Festigkeit und wenig Zusammenhalt führen. Solche Sinterformkörper haben weitgehend unabhängig von der Einwirkung und Größe des elektrischen Hoch­ spannungsfeldes und auch weitgehend unabhängig von einer Tem­ peratureinwirkung eine bröselige Struktur, die schon bei ge­ ringer Belastung ihren Zusammenhalt verliert und auseinander­ fällt. Solche Sinterformkörper auf der Basis reiner Quarzsan­ de ohne zusätzliche Bindemittel sind somit als Baumateria­ lien, insbesondere als Bausteine wegen mangelnder Festigkeit und schlechter Bearbeitbarkeit nicht verwendbar.

Weiter hat sich gezeigt, daß übliche Sintertemperaturen in einem typischen Bereich etwas unter der Nähe des Schmelzpunk­ tes von Quarz, wie sie von etwa 1.450°C bis etwa 1.600°C ange­ geben sind, gerade nicht zu einem Sinterformkörper geringer Dichte mit einer hohen Porösität und mit Hohlräumen führen. Überraschend hat sich herausgestellt, daß sich bei der Verwen­ dung von reinen Quarzsanden und der genannten üblichen Sinter­ temperatur während des Sintervorgangs eine breiige Masse bil­ det, die dann beim Abkühlen glasig wird. Durch die Überfüh­ rung in eine breiige Masse während des Sintervorgangs wird of­ fensichtlich auch der Einfluß der Aufladung mit dem elektri­ schen Hochspannungsfeld zunichte gemacht, da eine anfängliche Ausrichtung der Sandkörner zerfließt. Es wird somit nur ein dichter, harter und glasiger Formkörper in der Art einer Ka­ chel erhalten. Ein solcher Formkörper ist insbesondere als Baustein für ein Mauerwerk nicht geeignet.

Andererseits führt eine Temperaturbehandlung als Dichtbrand in dem weiter bekannten Temperaturbereich von 700°C bis 1.000°C, wie er weiter oben im Stand der Technik zur Herstel­ lung von Sinterformkörpern hoher Dichte auf der Basis von Glas und Quarz angegeben ist, ebenfalls zu schlechten Ergeb­ nissen mit zu geringer Festigkeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, das gattungsgemäße Verfahren so abzuändern und weiterzubilden, daß tatsächlich Sinterformkörper geringer Dichte und hoher Fe­ stigkeit, wie sie für Baumaterialien, insbesondere Bausteine erforderlich sind, herstellbar werden.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 wird als Aus­ gangsmaterial ungewaschener Sand mit den Hauptbestandteilen SiO₂ und Al₂O₃ verwendet und bei einer Temperatur von 1.250°C bis 1.350°C gesintert.

Überraschend hat sich gezeigt, daß die besten Ergebnisse mit ungewaschenem Sand erzielt werden, der als Hauptbestandteile SiO₂ und Al₂O₃ enthält und beide Bestandteile nicht in nur ge­ ringem Anteil vorliegen. Gemäß Anspruch 2 werden sehr gute Er­ gebnisse dann erzielt, wenn der Volumenanteil von SiO₂ des Sandes etwa 1/2 bis 3/4 beträgt und der wesentliche Restan­ teil aus Al₂O₃ besteht.

Weitere Verunreinigungen des Sandes führen zu keinen erkenn­ bar schlechteren Ergebnissen. Insbesondere waren gemäß An­ spruch 3 in verwendeten Sanden mit guten Ergebnissen auch An­ teile von K₂O und/oder Fe₂O₃ in geringerem Anteil enthalten.

Ein wesentliches Verfahrensmerkmal, um tatsächlich Sinterform­ körper geringer Dichte und hoher Festigkeit zu erhalten, ist zusätzlich zu der Verwendung geeigneter Sande mit der vorste­ hend angegebenen Zusammensetzung ein genau festliegender Tem­ peraturbereich von 1.250°C bis 1.350°C für den Sintervorgang.

Dieser Temperaturbereich liegt überraschend unterhalb sonst üblichen Sintertemperaturbereichen, die in der Tendenz näher am Schmelzpunkt liegen und im Stand der Technik in typischer Weise von etwa 1.450°C bis etwa 1.600°C angegeben sind. Der erfindungsgemäße relativ niedrige Sintertemperaturbereich von 1.250°C bis 1.350°C dürfte einerseits durch die Zusammenset­ zung des erfindungsgemäßen Sandes und andererseits durch die ausrichtende Wirkung des elektrischen Hochspannungsfeldes be­ dingt sein. Der erfindungsgemäße Sintertemperaturbereich liegt somit überraschend gerade zwischen dem im Stand der Technik angegebenen Temperaturbereich von 700°C bis 1.000°C für einen Dichtbrand einer keramischen Masse aus Glas und Quarz und dem im weiteren Stand der Technik in der Art einer üblichen Sintertemperatur angegebenen Bereich von 1.450°C bis 1.600°C.

Wird der erfindungsgemäße Temperaturbereich nicht eingehal­ ten, werden die Ergebnisse schlecht und unbrauchbar. Unter­ halb einer Sintertemperatur von 1.250°C werden der Zusammen­ halt und die Festigkeit stark reduziert, über 1.350°C ent­ steht ein hartes, glasiges Material.

Diese Ergebnisse sind dabei weitgehend unabhängig von einer zeitlichen und betragsmäßig genau definierten Einwirkung des elektrischen Hochspannungsfeldes. Es ist daher davon auszuge­ hen, daß auch bei einer kurzzeitigen Einwirkung eines statio­ nären elektrischen Hochspannungsfeldes ab einer bestimmten Feldstärke eine weitgehende Aufladung und Ausrichtung der Sandkörner erfolgt, die sich auch bei höheren Feldstärken in ihrem Ergebnis auf den Sinterformkörper nicht mehr ändert. Es ist lediglich dafür Sorge zu tragen, daß diese Ausrichtung bis und während des Sintervorgangs erhalten bleibt und nicht durch beispielsweise mechanische Erschütterungen zerstört wird.

Es kann somit durch austesten eine untere Grenze der Größe des erforderlichen elektrischen Hochspannungsfeldes ermittelt werden, bei dem das Verfahren in gewissen Abhängigkeiten zur Größe des Formkörpers und der Art der verwendeten Form gute Ergebnisse liefert. Höhere Feldstärken sind dann nicht erfor­ derlich und sollten aus ökonomischen Erwägungen auch nicht verwendet werden. Zu einer preiswerten Herstellung der Sinter­ formkörper trägt auch bei, daß die erfindungsgemäße Sinter­ temperatur gegenüber üblichen Sintertemperaturen relativ niedriger liegt und somit weniger Energie aufzuwenden ist.

Die mechanischen Eigenschaften der Sinterformkörper können zu­ dem durch die Höhe der Sintertemperatur beeinflußt werden. Sintertemperaturen im unteren erfindungsgemäßen Bereich bei 1.250°C ergeben Formkörper, die bei weniger Härte insbeson­ dere mit üblichen Sägen und Bohrern leicht zu bearbeiten sind. Formkörper, die mit höheren Temperaturen in der Nähe von 1.350°C gesintert wurden, ergeben härtere und sprödere Materialien, die jedoch ebenfalls noch gut zu bearbeiten sind.

Weiter hat sich gezeigt, daß gemäß Anspruch 4 der verwendete Sand eine körnige Struktur aufweisen muß. Weder sehr feiner, mehliger Sand noch grober, kiesartiger Sand ergeben Sinter­ formkörper mit den gewünschten Eigenschaften.

Nach Anspruch 5 kann eine an sich bekannte Form verwendet werden mit elektrisch leitendem Boden und Deckel, die von­ einander elektrisch isoliert sind. Zwischen dem Boden und Deckel ist das Hochspannungsfeld anlegbar. Es hat sich ge­ zeigt, daß es nicht erforderlich ist, das Hochspannungsfeld während des Sintervorgangs aufrechtzuerhalten.

Nach Anspruch 6 ist als Formmaterial Graphit geeignet, das so­ wohl elektrisch leitfähig ist als auch die hohen Temperaturen während des Sintervorgangs verträgt.

Alternativ oder zusätzlich zu einem Hochspannungsfeld, das un­ mittelbar an der Form anliegt, kann der Sand nach Anspruch 7 durch ein elektrisches Hochspannungsfeld hindurch in die Form eingefüllt werden. Bevorzugt fällt der Sand durch seine Schwerkraft durch ein Hochspannungsfeld in die Form. Das Hochspannungsfeld liegt dabei zwischen zwei Elektroden, die oberhalb und in einem gegenseitigen Abstand über der Form angebracht sind. Typische Feldstärken liegen hier in an sich bekannter Weise bei 1.000 V/cm.

Für praktisch verwendbare Formkörpergrößen als Baumateria­ lien, z. B. für Bausteine, Wand- und Bodenplatten liegt nach Anspruch 8 eine geeignete Temperatureinwirkungszeit für den Sintervorgang zwischen 1 und 1,5 Stunden.

Mit Anspruch 9 wird ein Sinterformkörper entsprechend dem Ver­ fahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 beansprucht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ersichtlich besonders gut und nützlich in Regionen einsetzbar, wo Sande in der angegebe­ nen Zusammensetzung in großen Mengen vorhanden sind und zudem kostengünstig Energie, z. B. Sonnenenergie zur Verfügung steht. Auch Regionen mit Wassermangel sind geeignet, da beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Bindemittel und kein Wasser verwendet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Sinterformkörpern geringer Dichte und hoher Festigkeit, insbesondere zur Verwendung als Baumaterialien, wobei

• a) trockener Sand in eine dem Sinterformkörper entsprechen­ de Form eingebracht wird,
• b) der Sand durch Anlegen eines stationären elektrischen Hochspannungsfeldes in der Form oder beim Einbringen in die Form aufgeladen wird, und
• c) der aufgeladene Sand in der Form durch Temperatureinwir­ kung gesintert wird,

dadurch gekennzeichnet,

• d) daß ungewaschener Sand mit den Hauptbestandteilen SiO₂ und Al₂O₃ verwendet wird, und
• e) daß bei einer Temperatur von 1.250°C bis 1.350°C gesin­ tert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sand einen 1/2 bis 3/4 Volumenanteile SiO₂ enthält und der wesentliche Restanteil aus Al₂O₃ besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Sand weiter Anteile von K₂O und/oder Fe₂O₃ enthalten sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der verwendete Sand eine körnige Struktur aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Form verwendet wird mit elektrisch lei­ tendem Boden und Deckel, die voneinander elektrisch iso­ liert sind und zwischen denen das Hochspannungsfeld anleg­ bar ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Form aus Graphit verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sand durch das elektrische Hochspannungs­ feld hindurch in die Form eingefüllt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperatureinwirkungszeit für den Sinter­ vorgang zwischen 1 und 1,5 Stunden liegt.

9. Sinterformkörper erhältlich nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.