Verfahren zur Herstellung eines porösen Sintermaterials und nach diesem Verfahren hergestelltes Sintermaterial
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Sintermaterials. Dieses kann ein metallisches oder nichtmetallisches Sintermaterial sein, das eine beliebige Anzahl kugelförmiger oder anderswie in beliebiger Weise gestalteter Poren beliebiger Grösse an beliebigen Stellen im Innern oder an der Oberfläche enthält. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren können poröse Sintermaterialien hergestellt werden, die für mannigfache Zwecke verwendbar sind und die dabei gestellten Anforderungen, z.B. Hitzebeständigkeit, Wärmeisolierung, Festigkeit, geringes Gewicht, geringe Kosten usw. erfüllen.
Metall sinter, die als Lagerlegierungen, Katalysatoren für chemische Umsetzungen, Filterstoffe usw. dienen, sollen porös sein, und um die Sinter porös zu machen, werden durch Abwandlung der Korngrösse der Teilchen und Änderung des angewandten Kompressionsgrades zwischen den körnigen Teilchen des zu sinternden Materials sehr kleine Poren erzeugt. Wenn diese Poren jedoch zu klein sind, kann es vorkommen, dass sie im Laufe des Sinterverfahrens verschwinden, und es ist daher bis jetzt äusserst schwierig gewesen, poröse Sintermaterialien zu erhalten. welche die gewünschten kugelförmigen Poren der gewünschten Grösse und Festigkeit aufweisen.
Nichtmetallische Sintermaterialien, wie Feuerungssteine oder auch gewöhnliche Backsteine, können zum Zwecke einer Verbesserung ihrer adiabatischen und wärmehaltenden Eigenschaften porös gemacht werden.
Hierfür sind zwei Methoden bekannt: eine besteht darin, dass man Sägemehl in den Ton mischt und die Mischung bei hohen Temperaturen sintert, um das eingemischte Sägemehl nach dem Formen der Steine zu verbrennen, wodurch in den gesinterten Steinen sehr kleine Poren entstehen, die andere Methode besteht darin, dass man ein anorganisches Blähmittel, wie ein tonerdehaltiges Blähmittel in den Ton einmischt und die Mischung sintert. Die beim Einmischen von Sägemehl erhältlichen Poren sind jedoch unregelmässig geformt und zeigen spitze Winkel, die eine erhöhte Beanspruchung verursachen können, wodurch nicht nur die Festigkeit der Steine sehr stark herabgesetzt wird, sondern auch der Schmelzpunkt des Steines im allgemeinen stark erniedrigt wird, weil die nach dem Verbrennen des Sägemehls zurückbleibende Asche Alkalimetalle, wie z.B.
Kalium enthält, die mit dem Ton und den feuerbeständigen Stoffen reagieren und folglich die Feuerbeständigkeit der so erzeugten Steine stark herabsetzen. Auch bei Steinen, die durch Abmischen mit einem anorganischen Blähmittel, wie einem tonerdehaltigen Blähmittel, hergestellt worden sind, wird, sofern dieses tonerdehaltige Blähmittel nicht in dem gleichen Tonerdeprodukt verwendet wird - d.h.
nur ein tonerdehaltiges Produkt der gleichen Qualität wie das tonerdehaltige Blähmittel -, dieser anorganische Bestandteil, beispielsweise Tonerde, mit dem Ton und den feuerbeständigen Stoffen im allgemeinen reagieren und dadurch deren Feuerbeständigkeit stark vermindern.
Da die herkömmlichen Sandformen in ihren wärmehaltenden Eigenschaften mangelhaft sind, ist es üblich gewesen, Sägemehl oder Fasern zur Ergänzung dieser wärmehaltenden Eigenschaften zuzusetzen. Es lässt sich jedoch nicht sagen, dass dieses Verfahren zufriedenstellend ist. Um in diesem Fall eine maximale wärmehaltende Eigenschaft ohne Herabsetzung der Festigkeit der Sandformen zu erzielen, sollten sie mit einer Anzahl kugelförmiger Poren in den Formen selbst ausgestattet werden; diese Forderungen sind bei den herkömmlichen Sandformen niemals erfüllt worden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Sintermaterials, das sich dadurch auszeichnet, dass man Körner aus einem durch Erhitzen expandierbaren oder einem bereits expandierten Kunststoff mit einem Stoff vermischt, der eine höhere Feuerfestigkeit aufweist als der Kunststoff, und dass man die Mischung formt, bei Verwendung eines expandierbaren Kunststoffes diesen expandiert und sodann die Mischung sintert, um den genannten Kunststoff vollständig zu verdampfen oder zu verbrennen.
Wenn man einen bereits expandierten Kunststoff verwendet, dann verwendet man vorzugsweise einen sogenannten nicht ausreifenden expandierten Kunststoff , das heisst einen expandierten Kunststoff. der nicht weiterexpandier bar ist, oder, mit anderen Worten, einen Kunststoff, der zunächst expandiert u. dann speziell behandelt worden ist, um weiteres Expandieren zu verhindern. Als expandierten Kunststoff kann man expandiertes Polystyrol oder ähnliche Stoffe, wie expandiertes Polyäthylen, expandiertes Hartpolyurethan und expandiertes Polyvinylchlorid verwenden. Der Stoff der eine höhere Feuerfestigkeit als der expandierte oder expandierbare Kunststoff aufweist, kann ein sinterfähiger metallischer oder nichtmetallischer Stoff sein.
Ferner betrifft die Erfindung nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte geformte, poröse Sintermaterialien.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es, die Herstellungskosten für die porösen Sinterstoffe im Vergleich zu mit herkömmlichen nicht expandierten bzw.
nicht expandierbaren Kunststoffen hergestellten Sinterstoffen zu erniedrigen. Polystyrol kann beispielsweise auf das 60fache seines Volumens expandiert werden, so dass bei Verwendung des expandierten Kunststoffes die Kosten sehr niedrig sind und die Verwendung expandierter Kunststoffe im Vergleich mit der Verwendung nicht expandierter Körner von Kunststoffen bzw. Harzen sehr vorteilhaft ist und die Gasentwicklung viel niedriger ist, wodurch das Auftreten von Rissen vermieden wird.
Es gibt zwei bevorzugte Ausführungsarten, die genannten nicht- reifenden, expandierten Kunststoffe zuzugeben und mit Körnern oder Pulvern von Metallen oder Nichtmetallen zu den porösen Sinterstoffen zu versintern:
Eine dieser Arbeitsweisen besteht darin, dass man eine Mischung aus dem vorexpandiertem Kunststoff und dem getrennt hergestellten Metall bzw. Nichtmetall, die gesintert werden soll, beispielsweise granulierte Pulver von Rohstoffen für Ziegelsteine und Sandzuschläge zusammen mit einem geeigneten Bindemittel, knetet und die geknetete Mischung beliebig verformt und darauf die Formkörper bei Temperaturen von 150 bis 20000C je nach dem zu verwendenden Metall bzw. Nichtmetall sintert.
Wesentlich ist, dass die expandierten Kunststoffe < (nicht-reifende Eigenschaften haben, damit ein Reissen der verkneteten Mischung infolge einer Sekundärexpansion der Kunststoffe während des Trocknens bei höherer Temperatur vermieden wird.
Die andere Arbeitsweise besteht darin, dass man eine Mischung aus einem noch nicht expandierten expandierbaren Kunststoff und Körnern bzw. Pulvern von einem Metall bzw. einem Nichtmetall knetet und danach den Kunststoff durch Erhitzen der in Formen gegebenen Mischung auf eine Temperatur von 50 bis 120cm je nach dem zu expandierenden Kunststoff expandiert und dadurch die geknetete Mischung in der Form aufgrund der Ausdehnung des expandierten Kunststoffs verformt und schliesslich den Formkörper aus der Form nimmt und bei einer Temperatur von 150 bis 20000C sintert.
Bei diesem erfindungsgemässen Verfahren haben die gebildeten Poren im allgemeinen genau dieselbe Gestalt wie die zugemischten Kunststoffkörner, so dass, wenn die gesinterten Erzeugnisse eine genügende Festigkeit besitzen sollen, dies leicht dadurch erreicht werden kann, dass man kugelförmige Kunststoffteilchen für die expandierten Kunststoffe wählt. Auch die Anzahl der Poren in dem Sinterstoff, die Grösse und Anordnung der Poren können durch die Verwendung expandierter Kunststoffe frei gewählt werden.
Um den porösen Sinterstoff wärmeisolierend zu machen, empfiehlt sich eine Verwendung von Kunststoffkörnern mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm.
Wenn die so erzeugten Sinterstoffe aus Metallen oder Legierungen beispielsweise in Trägermetallen Verwendung finden sollen, so kann eine Anzahl der in dem Metallsinter gebildeten Poren dazu neigen, die Menge des darin zurückgehaltenen Schmiermittels zu vergrössern, so dass die Lebenszeit des Lagers merklich verlängert werden kann, was mit einem grossen wirtschaftlichen Vorteil verbunden ist. Da ferner die Kosten der nichtreifenden expandierten Kunststoffe äusserst niedrig sind, können die apparativen Kosten stark erniedrigt werden.
Überdies besteht die Möglichkeit, die Poren an einer beliebig gewählten Stelle zu konzentrieren, so dass, wenn man die Poren nur an einer mit der Welle in Berührung stehenden Oberfläche des Lagers konzentriert, die übrigen Bereiche des Lagers nicht betroffen werden und ihre eigene Festigkeit beibehalten, während nur der mit Poren versehene Bereich mit einem Schmiermittel gesättigt wird.
Das gleiche Ergebnis kann mit Sinterstoffen erzielt werden, die hauptsächlich aus einem Oxyd hergestellt sind und für Filterstoffe und Katalysatoren Verwendung finden können.
Weiterhin sind die Festigkeiten der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten feuerfesten Steine und gewöhnlichen Backsteine im allgemeinen viel grösser als diejenigen von herkömmlichen Erzeugnissen mit unbestimmt ausgebildeten Poren, da die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Erzeugnisse durch Wahl kugelfönniger Kunststoffkörner für die nicht-reifenden, expandierten Kunststoffe, die mit den feuerfesten Steinen bzw. gewöhnlichen Backsteinen verknetet werden sollen, eine Anzahl von kugelförmigen Poren aufweisen. Da die Körner des expandierten Kunststoffs im Laufe der Versinterung vollständig verbrannt werden und keine Fremdstoffe zurücklassen, kann weiterhin die den feuerfesten Stoffen eigene Feuerfestigkeit vollständig erhalten bleiben.
Da die Erzeugnisse auch hochwertige adiabatische und wärmehaltende Eigenschaften besitzen, wird bei der Anwendung auf verschiedene Sorten von Ofenauskleidungen oder adiabatischen Ausrüstungen nicht nur der für die Konstruktion erforderliche Betrag aufgrund des geringen Verbrauchs an Steinen erniedrigt, sondern der Ofen kann auch viel leichter hergestellt werden. Wenn die porösen Sinterstoffe für wärmeisolierende Aufsätze verwendet werden, kann eine beträchtliche Erhöhung der Ausbeute aus Blöcken erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf Sandkerne und Sandformen in der Giesserei anwendbar. Bei einer Verwendung erfindungsgemäss hergestellter poröser Sandkerne, poröser Metallformen und poröser feuerfester Formen können Gase aus den Formen und dem Metallguss viel rascher und einfacher entfernt werden, als dies bei nach bekannten Verfahren hergestellten Formen möglich ist.
Ferner ist die vorliegende Erfindung auf die Herstellung poröser Pellets aus Eisenerz oder Nichteisen-Erz Konzentraten anwendbar. Pellets mit kugelförmigen Poren sind nicht nur ausgezeichnet reduzierbar, sondern sind auch ausreichend stossunempfindlich.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die erfindungsgemäss hergestellten nichtmetallischen Sinterstoffe unter Berücksichtigung ihrer vorteilhaften Eigenschaften zur Herstellung von hochwertigen ästhetischen keramischen Erzeugnissen, elektrischen Isolatoren, Ziegeln und gesinterten Widerstandsstoffen wie Siliciumcarbid, wie auch für feuerfeste Steine und gewöhnliche Backsteine geeignet sind. Auch für die metallischen Sinterstoffe besteht ein breites Anwendungsgebiet, ihre wirtschaftliche Bedeutung ist in der Tat beachtlich.
Die Merkmale der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Sinterstoffe seien im folgenden aufgezählt:
1. In den Sinterstoffen bilden sich kaum Risse und Brüche.
2. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist sehr klein.
3. Das Gewicht ist gering, und bei hohen Temperaturen tritt keine Verformung infolge des Eigengewichts auf.
4. Die apparative Ausrüstung für die Herstellung der Sinterstoffe ist sehr einfach.
5. Die erforderliche Trockenzeit nach dem Formen der Sinterstoffe kann stark abgekürzt werden.
6. Die Arbeitsweise ist sehr einfach.
7. Die Kosten der Anlage wie auch der Herstellung der porösen Sinterstoffe sind niedrig.
8. Da die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltenen Steine überlegene wärmehaltende Eigenschaften besitzen, kann ein aus solchen Steinen aufgebautes Gebäude Heizungskosten sparen.
9. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte keramische Stoffe sind rissfest, solide und leicht.
10. Unter Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich die Temperaturen, bei denen keramische Widerstände verwendet werden, stark erhöhen.
11. Erfindungsgemäss hergestellte poröse Pellets aus Eisenerzen und Nicht-Eisen-Erzen sind hinsichtlich ihrer Reduzierbarkeit überlegen.
Es sei nochmals betont, dass die Trocknungszeiten von geneteten Mischungen aus expandierten Kunststoffen und Metallen bzw. Nicht-Metallen, wenn diese expandierten Kunststoffe mit getrennt hergestellten, zu sinternden Metallen bzw. Nicht-Metallen vermischt worden sind, ohne dass eine sekundäre Expansion der expandierten Kunststoffe verhindert wird, äusserst lang sind, weil das in der gekneteten Mischung vorhandene Wasser die Sekundärexpansion der Kunststoffe bei ungefähr 900C fördert, und dass demgegenüber erfindungsgemäss durch die Verwendung von nicht-reifenden, expandierten Kunststoffen die Trockenzeiten herabgesetzt werden können.
Wenn beispielsweise expandierte Kunststoffe verwendet werden, zerbrechen Eisenerz-Pellets leicht bei Temperaturen oberhalb 900C, wenn das Wasser nicht vorher vollständig aus den Pellets entfernt worden ist.
Verwendet man dagegen nicht-reifende, expandierte Kunststoffe, so können Eisenerz-Pellets erhitzt und bei Temperaturen oberhalb 1000C getrocknet werden, ohne dass das Wasser zuvor aus den Pellets entfernt werden muss.
Während für das Trocknen von Schamott-Ziegeln, die unter Verwendung von expandierten Kunststoffen hergestellt worden sind, ungefähr 3 Wochen benötigt werden, verkürzt sich diese Zeit bei Verwendung von nichtreifenden, expandierten Kunststoffen auf 10 Stunden.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Herstellung eines porösen Sintermaterials, dadurch gekennzeichnet, dass man Körner aus einem durch Erhitzen expandierbaren oder einem bereits expandierten Kunststoff mit einem Stoff vermischt, der eine höhere Feuerfestigkeit aufweist als der Kunststoff, und dass man die Mischung formt, bei Verwendung eines expandierbaren Kunststoffes diesen expandiert und sodann die Mischung sintert, um den genannten Kunststoff vollständig zu verdampfen oder zu verbrennen.