DE102020127583A1 - Schaumkeramik, Schaumkeramikfilter, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Offenbarung betrifft allgemein Schaumkeramiken und Filter umfassend eine solche Schaumkeramik, sowie ein Verfahren zur Herstellung von Schaumkeramik und von Filtern umfassend oder aus einer solchen Schaumkeramik. Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung der Schaumkeramik sowie eines Filters umfassend oder aus einer solchen Schaumkeramik.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Offenbarung betrifft allgemein Schaumkeramiken und Filter umfassend eine solche Schaumkeramik, sowie ein Verfahren zur Herstellung von Schaumkeramik und von Filtern umfassend oder aus einer solchen Schaumkeramik. Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung der Schaumkeramik sowie eines Filters umfassend oder aus einer solchen Schaumkeramik.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Schaumkeramiken werden beispielsweise als Filtermaterialien für die Filterung von geschmolzenem Metall verwendet. Insbesondere ist es seit langem bekannt, dass Schaumkeramiken umfassend Al2O3 zur Filterung von Schmelzen von Nichteisenmetallen wie beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen verwendet werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird allgemein unter einer Keramik ein anorganischer, nichtmetallischer, polykristalliner Werkstoff verstanden. Eine Keramik wird typischerweise in einem Verfahren umfassend die Schritte der Vorlage eines Rohstoffgemisches umfassend ein pulverförmiges anorganisches Material, Bildung eines in der Regel wässrigen Schlickers (oder einer Aufschlämmung oder Suspension), Formen eines Grünkörpers und Brand des Grünkörpers erhalten oder ist in einem solchen Verfahren herstellbar. Der Brand des Grünkörpers unter Bildung eines keramischen Werkstoffes umfasst in der Regel einen Sintervorgang. Keramiken können dabei so aufgebaut sein, dass sie ein Grundmaterial, welches den wesentlichen Anteil, also mindestens 50 Gew.-%, insbesondere mindestens 60 Gew.-%, der Keramik ausmacht und in der Regel aus Körnern besteht oder Körner, wie beispielsweise Kristallkörner oder Kristallite oder Kristalle oder Aggregate von Kristallen oder Kristalliten, umfasst, beispielsweise Al2O3, wie beispielsweise α-Al2O3, Korund, umfassen. Neben dem Grundmaterial können Keramiken noch eine weitere Phase umfassen, welche die einzelnen Körner des Grundmaterials zumindest teilweise umgibt und miteinander verbindet. Diese weitere Phase, in welchen die Körner des Grundmaterials der Keramik eingebettet sind, wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als Matrix bezeichnet. Insbesondere kann die Matrix ein Bindemittel oder einen Binder umfassen oder als Bindemittel oder Binder ausgebildet sein. Die Matrix umfasst allgemein wenigstens ein Bindemittel. Es ist allgemein aber auch möglich, dass die Matrix ein Gemisch von Bindemitteln umfasst. Die Matrix kann dabei auch als Bindemittel ausgebildet sein oder sogar aus dem Bindemittel bestehen. Es ist aber auch möglich, dass die Matrix neben dem Bindemittel noch Komponenten des Grundmaterials umfasst, beispielsweise in Form von teilweise aufgeschmolzenem und in die Matrix aufgenommenem Grundmaterial.
  • Unter einem Bindemittel oder einem Binder wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein Stoff in einem Stoffgemisch verstanden, der an der Grenzfläche anderer Bestandteile des Stoffgemischs, hier also beispielsweise an den Phasen- oder Korngrenzen der Körner des Grundmaterials, Bindungen zu diesen Bestandteilen herstellt und dadurch in der Lage ist, beispielsweise durch Adhäsion und/oder Kohäsion, diese Bestandteile, hier also die Körner des Grundmaterials, miteinander zu verbinden und/oder zu vernetzen.
  • Unter einer Schaumkeramik wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Keramik mit einer schaumartigen Struktur verstanden. Insbesondere kann eine Schaumkeramik ausgebildet sein umfassend eine offene, durchgehende Porosität, sodass ein Durchtritt eines fluiden Materials von einer ersten Seite eines Körpers aus oder umfassend eine solche Schaumkeramik durch die Poren der Schaumkeramik hindurch zu einer zweiten Seite des Körpers, vorzugsweise einer der ersten Seite des Körpers gegenüberliegenden Seite des Körpers, möglich ist. Eine solche Schaumkeramik und entsprechend ein solcher Schaum werden auch als „offenzellig“ bezeichnet. Solche Schaumkeramiken können durch ihre Dichte, welche in der Regel als relative Dichte angegeben ist, sowie durch die Porengröße definiert werden. Die relative Dichte ist dabei gegeben durch das Verhältnis der gemessenen Dichte der Schaumkeramik zur theoretischen Dichte einer hinsichtlich des Feststoffes identisch zusammengesetzten Keramik ohne Porosität. Typische gemessene Dichten von Schaumkeramiken können bei 0,25 bis 0,50 g/cm3 liegen. Die Porengröße einer Schaumkeramik wird in der Regel als Porenzahl bezogen auf eine Länge angegeben, also beispielsweise als Poren pro Zentimeter oder ppi (pores per inch). Je größer dieser Wert ist, desto kleiner sind die Poren.
  • Für die Filtration von geschmolzenem Aluminium oder von Aluminiumlegierungen werden seit langem Schaumkeramiken verwendet, welche als Komponenten Aluminiumoxid sowie Aluminiumphosphat umfassen. Dabei wirkt das Aluminiumphosphat als Bindemittel, welches Aluminiumoxidpartikel des Grundmaterials zumindest teilweise umgibt und miteinander verbindet, sodass eine solche Schaumkeramik auch beschrieben werden kann als umfassend ein Kern- bzw. Grundmaterial, welches kristallines Aluminiumoxid, häufig in Form von α-Al2O3, beispielsweise in Form von kalziniertem α-Al2O3, umfasst, sowie einer Matrix umfassend ein Phosphat umfassendes Bindemittel oder einen Phosphat umfassenden Binder, wobei die Matrix, also hier die Phosphat umfassende Matrix, das Kern- oder Grundmaterial bzw. die dieses Material bildenden oder von diesem Material umfassten Körner zumindest teilweise umgibt und miteinander verbindet. Die Matrix umfasst also hier wenigstens ein Phosphat umfassendes Bindemittel. Solche Schaumkeramiken werden auch als phosphatgebundene Schaumkeramiken oder als phosphatgebundene aluminiumoxid-basierte Schaumkeramiken bezeichnet. In der Regel wird bei den phosphatgebundenen Schaumkeramiken dem Schlicker Monoaluminiumdihydrogenphosphat Al(H2PO4)3 zugegeben, welches sich beim Brennen der Keramik zu Aluminiumphosphat AlPO4 umsetzt.
  • Zwar sind solche Schaumkeramiken und Filter aus oder umfassend solche phosphatgebundenen Schaumkeramiken seit vielen Jahren auf dem Markt etabliert, weisen allerdings eine Reihe von Nachteilen auf. Ungünstig ist beispielsweise der in der Regel recht hohe thermische Ausdehnungskoeffizient des keramischen Materials, welcher zwischen etwa 8,5*10-6/K und 8,9*10-6/K liegt oder liegen kann, in Verbindung mit einem hohen Elastizitätsmodul und einer nur geringen Wärmeleitfähigkeit und die daraus resultierende nur geringe Thermoschockbeständigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit des Filtermaterials ist aufgrund der porösen, teilweise amorphen und/oder polykristallinen Struktur des Filtermaterials nur sehr schwer messbar. Während des Filtrationsvorgangs kann es auch zum Angriff der Phosphatmatrix durch die Schmelze kommen, sodass die mechanische Festigkeit der Schaumkeramik weiter verringert wird. Darüber hinaus kommt es bei solchen Schaumkeramiken nach Gebrauch als Filtermaterial auch dazu oder kann dazu kommen, dass Monophosphan entsteht, ein giftiges Gas, welches insbesondere für die Entsorgung gebrauchter Filter problematisch ist. Auch kommt es bei herkömmlichen Schaumkeramiken oft zu einem Partikelaustrag, was auch als „Schnee“ oder „Kreiden“ oder üblicherweise als Schneien bezeichnet wird. Je nach der Art des verwendeten Bindemittels kann es bei einem 17" Filter, der ein Gewicht zwischen ca. 3,3 kg und 4,0 kg aufweist, zu einem Partikelaustrag von bis zu 1,2 g kommen, was einem Materialverlust durch Schneien oder Kreiden von 0,36%o entspricht. Auch wenn dies auf den ersten Blick nur ein geringer Materialverlust des Filtermaterials ist, ist dies dennoch sehr nachteilig, weil diese ausgetragenen Partikel beispielsweise auch in das Gussteil übergehen können und dies dann hinsichtlich seiner Eigenschaften nachteilig beeinflussen können.
  • Ein weiteres häufiges Problem im Leichtmetallguss, beispielsweise in der Herstellung von Aluminiumgussteilen, ist insbesondere das Auftreten von Poren im Alugussteil. Diese sind in der Regel auf Wasserstoff zurückzuführen, welches das einzig lösliche Gas in einer Aluminiumschmelze darstellt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Wahl des Filtermaterials die Ausbildung von Poren beeinflussen und gezielt minimieren kann. Beispielsweise beschreiben Fankhänel et al. (Erzmetall 71 (2019), Seite 32 ff.), dass die Ausbildung von Poren durch einen Filter umfassend eine Mischoxidkeramik, welche 15 Gew.-% Spodumen LiAlSi2O6 und 85 Gew.% Al2O3 umfasst, im Vergleich zu einem reinen Al2O3-Filtermaterial vermindert werden kann. Dies wird auf die Bildung von LiAlH4 zurückgeführt, sodass die Ausbildung von gasförmigen Wasserstoff, der zu Porenbildung führt, zumindest reduziert werden kann.
  • Das von Fankhänel et al. vorgeschlagene Spodumen-haltiges Filtermaterial ist allerdings ungünstig, denn bei Spodumen kommt es bei der Herstellung großformatiger Schaumkeramiken zu einer Phasenumwandlung. Die Folge sind Rissbildungen nach dem Brand der Schaumkeramik. Weiterhin weist Spodumen einen im Verglich zu Al2O3 niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Aufgrund der Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dieser niedrig dehnenden Phase und Al2O3 kommt es zum Auftreten von thermomechanischen Spannungen im Material, welche letztlich zu einem mechanischen Versagen des Filters durch Bruch führen können.
  • Weiter sind verschiedene Schaumkeramiken als Ersatz für die bekannten phosphatgebundenen Schaumkeramiken vorgeschlagen worden. Beispielsweise beschreibt die US-amerikanische Patentschrift US 8,518,528 B2 eine Schaumkeramik für die Anwendung als Filtermaterial beispielsweise für den Aluminiumguss, wobei die Schaumkeramik ein Aluminiumsilikat-haltiges Kern- oder Grundmaterial umfasst, nämlich Al2SiO5, insbesondere Kyanit, sowie ein das Kern- oder Grundmaterial umgebendes, glasiges, boroxidhaltiges Material. Das glasige Material umgibt die Körner des Grundmaterials zumindest teilweise und verbindet diese miteinander, und zwar insbesondere in Form eines durchgehenden, zusammenhängenden Materials. Das Problem der Porenbildung aufgrund von Wasserstoff wird nicht angesprochen, allerdings kann auf diese Weise zumindest eine leichtere Umweltverträglichkeit des Filtermaterials erzielt werden, da auf das unter Entsorgungs- und Umweltgesichtspunkten ungünstige Phosphat verzichtet wird. Allerdings zeigen auch diese Filtermaterialien ein deutliches Kreiden/Schneien. Insbesondere zeigt sich im Vergleich der Schaumkeramiken nach US 8,518,528 B2 und herkömmlichen phosphatgebundenen Schaumkeramiken, dass diese einen deutlich größeren Partikelaustrag aufweisen. So konnte in einem Versuch gezeigt werden, dass bei einem 17"-Filter aus einer Schaumkeramik nach US 8,518,528 B2 ein Partikelaustrag von 1,2 g erhalten wurde. Ein 17"-Filter aus einer phosphatgebundenen Schaumkeramik hingegen verlor lediglich 0,03 g. Partikelaustrag aus einem Filtermaterial bzw. einer Schaumkeramik ist nicht nur störend, weil auf diese Weise das Gussteil mit Partikeln verunreinigt und hinsichtlich der resultierenden Eigenschaften des Gussteils nachteilig beeinflusst werden kann. Der Partikelaustrag hängt nämlich auch direkt mit der Festigkeit der Schaumkeramik zusammen. Je geringer das Schneien ist, desto größer ist auch die Festigkeit der Schaumkeramik.
  • Die EP 3 508 461 A1 beschreibt eine Schaumkeramik umfassend Al2O3 als Grundmaterial und kolloidales SiO2 als ein Bindemittel. Die Schaumkeramik kann als weiteres Bindemittel auch ein Boratglas und/oder Boroxid umfassen. Auf diese Weise wird ein Filtermaterial erhalten, welches eine geringere Aufnahme von Magnesium nach der Filtration von Magnesium-haltigen Legierungen aufweist. Nach EP 3 508 461 A1 soll das dort beschriebene Schaumkeramikmaterial auch weniger zu Partikelaustrag im Vergleich mit Filtern mit Aluminiumsilikaten als Bestandteil des Grundmaterial neigen. Allerdings betrifft auch diese Schrift nicht das Problem der Porenbildung in einem Gussteil aufgrund von Wasserstoff. Weiterhin ist aufgrund des silikatischen Bindemittels auch davon auszugehen, dass das Ausschneiverhalten der in EP 3 508 461 A1 beschriebenen Schaumkeramiken schlechter ist als das bekannter phosphatgebundener Schaumkeramiken.
  • Es besteht daher ein Bedarf an Schaumkeramiken für den Einsatz als Filtermaterial im Metallguss, insbesondere im Leichtmetallguss, beispielsweise im Guss von Aluminium oder Aluminium und/oder Magnesium umfassenden Legierungen, sowie an Verfahren zur Herstellung solcher Schaumkeramiken, welche die Porenbildung in Metallgussteilen zumindest reduzieren und/oder mit geringerem Partikelaustrag und/oder mit verbesserter mechanischer Festigkeit und/oder verbesserter Umweltverträglichkeit, sowie an Verfahren zur Herstellung solcher Schaumkeramiken. Ebenso besteht ein Bedarf an Filtern für den Guss von Nichteisenmetallen, welche solche Schaumkeramiken umfassen.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Schaumkeramik, welche die Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet. Weitere Aspekte betreffen die Bereitstellung eines Filters umfassend eine solche Schaumkeramik sowie ein Herstellungsverfahren für solche Schaumkeramiken sowie allgemein die Verwendung der Schaumkeramik.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Spezielle oder bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der weiteren Offenbarung.
  • Die Erfindung betrifft daher eine Schaumkeramik umfassend ein Grundmaterial umfassend Al2O3 und vorzugsweise Li2O sowie eine Matrix umfassend SiO2 und/oder B2O3 und/oder P2O5 und/oder Li2O und/oder CaO, wobei sich bevorzugt die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundmaterials und der Matrix voneinander um höchstens 6*10-6/K, bevorzugt um höchstens 5*10-6/K, besonders bevorzugt um höchstens 4*10-6/K, ganz besonders bevorzugt um höchstens 3*10-6/K, und am meisten besonders bevorzugt um höchstens 2*10-6/K, unterscheiden.
  • Eine solche Ausgestaltung ist überaus vorteilhaft.
  • Denn ein Grundmaterial umfassend Al2O3 weist in der Regel eine sehr gute chemische Stabilität auf, insbesondere für den Fall, dass die Schaumkeramik für den Einsatz als Filtermaterial im Metallguss, beispielsweise im Leichtmetallguss, wie dem Guss von Aluminiumschmelzen oder Aluminium-haltigen Schmelzen, geeignet sein soll. Denn es ist bekannt, dass Al2O3, beispielsweise von Form von kalziniertem Al2O3, eine gute Resistenz im Kontakt mit Aluminiumschmelzen aufweist.
  • Die Schaumkeramik weist weiterhin eine Matrix umfassend SiO2 und/oder B2O3 und/oder P2O5 und/oder Li2O und/oder CaO auf. Beispielsweise kann die Matrix als Bindemittel Kieselsäure umfassen, beispielsweise in Form von pyrogener Kieselsäure. Es ist aber auch möglich und kann sogar bevorzugt sein, dass die Matrix ein kolloidales Kieselsol als Bindemittel umfasst. In diesem Fall kann nämlich der Schlicker besonders einfach insbesondere unter Verwendung eines solchen Kieselsols, wie es beispielsweise unter dem Namen Levasil vertrieben wird, aber auch anderer kommerziell erhältlicher Kieselsole, hergestellt werden. Eine solche Ausgestaltung der Matrix wie vorstehend ausgeführt kann insbesondere zur Reduktion der Brenntemperatur und damit unter Kosten- und Umweltgesichtspunkten vorteilhaft sein. Beispielsweise kann B2O3 als Flussmittel zur Erniedrigung beispielsweise einer Schmelz- oder Sintertemperatur wirken. B2O3 ist daher ein weiterer optionaler Bestandteil der Matrix. Die Matrix kann aber auch so ausgestaltet sein, dass sie alternativ oder zusätzlich P2O5 umfasst (sogenannte Phosphat umfassende Matrix). P2O5 ist ein bekannter Bestandteil von Bindemitteln für Keramiken, wie Schaumkeramiken, insbesondere als Bestandteil von Aluminiumphosphat. Solche Schaumkeramiken mit einer Matrix, welche zumindest teilweise Phosphat umfassen, weisen nur einen geringen Partikelaustrag auf, haben also eine hohe Festigkeit. Da allerdings phosphatgebundene Keramiken aus Umwelt- und Arbeitssicherheitsgesichtspunkten ungünstig sind, ist vorteilhaft die Schaumkeramik nach einer Ausführungsform so ausgestaltet, dass die Matrix neben P2O5 weitere Bestandteile, insbesondere SiO2 und/oder B2O3 und/oder Li2O und/oder CaO umfasst. Ein besonders bevorzugter Bestandteil der Matrix kann Li2O sein. Ein weiterer besonders bevorzugter Bestandteil der Matrix kann CaO sein.
  • Mit anderen Worten wird gemäß einer Ausführungsform eine Schaumkeramik umfassend ein Grundmaterial umfassend Al2O3 sowie eine Matrix bereitgestellt, wobei die Schaumkeramik Li2O umfasst. Li2O kann dabei sowohl als Komponente des Grundmaterials vorliegen oder als Komponente der Matrix oder einer die Matrix bildenden Phase. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Ausgestaltung einer Schaumkeramik überraschenderweise die Festigkeit der Schaumkeramik deutlich verbessert. Insbesondere kann damit der Partikelaustrag sogar gegenüber Standard-Schaumkeramiken, also phosphatgebundenen Schaumkeramiken, nochmals vermindert werden.
  • Es ist unklar, worauf diese Verbesserung der Festigkeit zurückzuführen ist. Es könnte sein, dass Li2O als eine Komponente der Matrix zu einer besseren Verbindung zwischen den Partikeln des Grundmaterials führt, also die Kohäsion des Materials durch eine stärkere Bindung verbessert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Schaumkeramik umfassend ein Grundmaterial umfassend Al2O3 sowie eine Matrix bereitgestellt, wobei die Schaumkeramik CaO umfasst. Insbesondere umfasst die Matrix CaO. Es hat sich gezeigt, dass auch bei einer solchen Ausgestaltung eine besonders gute Festigkeit der Schaumkeramik erzielt werden kann. Insbesondere kann dies erzielt werden, wenn die Schaumkeramik neben CaO insbesondere noch B2O3 und/oder SiO2 umfasst, vorzugsweise B2O3 und SiO2.
  • Es hat sich weiterhin gezeigt, dass mit einer Ausgestaltung der Schaumkeramik umfassend ein Grundmaterial umfassend Al2O3 und vorzugsweise Li2O sowie eine Matrix umfassend SiO2 und/oder B2O3 und/oder P2O5 und/oder Li2O und/oder CaO, ein besonders homogener thermischer Ausdehnungskoeffizient erzielt werden kann. Insbesondere erscheint es möglich, eine solche Ausgestaltung durch einen gewissen Gehalt der Matrix an CaO zu ermöglichen.
  • Bevorzugt unterscheiden sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundmaterials und der Matrix voneinander um höchstens 6*10-6/K, bevorzugt um höchstens 5*10-6/K, besonders bevorzugt um höchstens 4*10-6/K, ganz besonders bevorzugt um höchstens 3*10-6/K, und am meisten besonders bevorzugt um höchstens 2*10-6/K. Dies hat zur Folge, dass an der Grenzfläche zwischen dem Grundmaterial bzw. an der Grenzfläche zwischen den Körnern, welche das Grundmaterial bilden oder von diesem umfasst werden, und der Matrix bei einer Temperaturbelastung der Schaumkeramik, welche beispielsweise beim Aufheizen eines die Schaumkeramik umfassenden Filters für den Metallguss erfolgt, weniger thermomechanische Spannungen ausbilden. Mit anderen Worten kann auf diese Weise überraschend einfach der bei anderen Filtermaterialien bekannte und störende Partikelaustrag auf einfache Weise weiter vermindert werden. Dies hat auch zur Folge, dass auf diese Weise Metallgussteile, insbesondere Leichtmetallgussteile, wie beispielsweise Gussteile aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, mit weniger Partikeleintrag und folglich verbesserter Qualität erhalten werden können, wenn eine solche Schaumkeramik als Filtermaterial verwendet wird.
  • Mit anderen Worten wird gemäß einer Ausführungsform eine Schaumkeramik bereitgestellt, bei welchen der thermische Ausdehnungskoeffizient des Grundmaterials und der thermische Ausdehnungskoeffizient der Matrix aufeinander abgestimmt, und zwar in der Form, dass diese sich lediglich sehr gering unterscheiden. Die Schaumkeramik hat also auf diese Weise einen resultierenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher sehr homogen ist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird unter dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder α der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient verstanden. Dieser ist dabei als mittlerer Wert im Temperaturintervall von 20°C bis 700°C angegeben, sofern dies nicht ausdrücklich anders ausgeführt ist. Die Bezeichnungen α und α20-700 sowie thermischer Ausdehnungskoeffizient und linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient werden im Rahmen dieser Offenbarung synonym verwendet. Beim angegebenen Wert handelt es sich um den nominalen mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten. Sofern dieser im Rahmen der vorliegenden Offenbarung für ein Glas bestimmt ist, erfolgt die Bestimmung gemäß ISO 7991. Für die Keramik bzw. Schaumkeramik erfolgt die Bestimmung anhand von PU-Streifen, welche im entsprechenden Schlicker getränkt und sodann gebrannt werden. Nach dem Brand erfolgt die Vermessung der keramischen Streifen zur Ermittlung des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
  • Um einen besonders homogenen resultierenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schaumkeramik zu erhalten, kann es vorteilhaft sein, wenn sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundmaterial und Matrix möglichst wenig voneinander unterscheiden. Insbesondere ist es möglich, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundmaterial und Matrix im Rahmen der Messgenauigkeit gleich sind.
  • Die Erfinder vermuten, dass der beobachtete sehr homogene thermische Ausdehnungskoeffizient der Schaumkeramik nach einer Ausführungsform möglicherweise auf eine vorteilhafte Zusammensetzung der Schaumkeramik zurückzuführen sein könnte. Insbesondere könnte hier der Gehalt der Schaumkeramik an Li2O und/oder an CaO vorteilhaft sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaumkeramik daher Li2O, wobei der Gehalt der Schaumkeramik an Li2O vorzugsweise mindestens 0,3 Gew.-% ist und insbesondere vorzugsweise höchstens 5 Gew.-% beträgt, besonders bevorzugt höchstens 0,5 Gew.-%. Zum einen hat sich, wie vorstehend ausgeführt, herausgestellt, dass durch einen Gehalt der Schaumkeramik an Li2O das Auftreten von Poren bzw. Blasen in Gussteilen beispielsweise von Aluminiumgussteilen bzw. von Gussteilen von Aluminiumlegierungen oder Aluminium-haltigen Legierungen minimiert werden kann. Daher beträgt der Gehalt der Schaumkeramik an Li2O wenigstens 0,3 Gew.-%. Denn auf diese Weise ist sichergestellt, dass es auch zu einer spürbaren Reduktion der Blasen im Gussteile und mithin zum ausreichenden Gettern von Wasserstoff aus der Nichteisenmetallschmelze kommen kann. Der Gehalt der Schaumkeramik an Li2O sollte allerdings nicht zu hoch sein, da es sich bei Li2O um einen teuren Rohstoff handelt. Auch senkt Li2O als Alkalioxid bekanntermaßen die Temperaturstabilität von Werkstoffen. Daher beträgt gemäß einer Ausführungsform der Gehalt der Schaumkeramik an Li2O höchstens 5 Gew.-%, vorzugsweise sogar höchstens 0,5 Gew.-%. Überraschenderweise hat sich jedoch herausgestellt, dass mit einem Gehalt der Schaumkeramik an Li2O nicht nur die Entstehung von Blasen in einem Gussteil vermindert werden kann. Vielmehr kann damit auch in höchst überraschender Weise die Festigkeit einer Schaumkeramik weiter verbessert werden. Dies zeigt sich an einem sogar gegenüber bekannten festen Schaumkeramiken, wie phosphatgebundenen Schaumkeramiken, nochmals vermindert Kreiden/Schneien der L2O- umfassenden Schaumkeramiken. Damit ist es sogar möglich, eine hochfeste Schaumkeramik zu erhalten, welche kein P2O5 umfasst. Zumindest jedoch kann der Gehalt einer Schaumkeramik an P2O5 durch den Zusatz von Li2O zur Schaumkeramik vermindert werden. Dies ist inbesondere auch deshalb überraschend, da zwar bekannt war, dass Schaumkeramiken, welche ein Li2O-haltiges Mineral, nämlich Spodumen, als Bestandteil umfassen, die Blasenbildung einem Gussteil vermindern können. Gleichzeitig waren solche Schaumkeramiken aber nicht ausreichend mechanisch stabil, was auf die Phasenumwandlung von Spodumen im Temperaturbereich der Anwendung der Schaumkeramik zurückzuführen ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaumkeramik mindestens 0,1 Gew.-% CaO und vorzugsweise höchstens 20 Gew.-% CaO, bevorzugt höchstens 10 Gew.-% CaO und besonders bevorzugt höchstens 2 Gew.-% CaO. Dies ist besonders für die Ausbildung einer sehr festen Schaumkeramik vorteilhaft.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaumkeramik mindestens 75 Gew.-% Al2O3 und vorzugsweise höchstens 95 Gew.-% Al2O3. Al2O3 ist eine wesentliche Komponente der Schaumkeramik nach der vorliegenden Offenbarung, insbesondere eine wesentliche Komponente des Grundmaterials. Denn Al2O3 verfügt, wie vorstehend bereits ausgeführt, über eine sehr gute Resistenz in typischen Anwendungsfällen von Schaumkeramik, beispielsweise der Filtration von geschmolzenem Metall, wie beispielsweise geschmolzenem Aluminium. Der Anteil an Al2O3 darf jedoch auch nicht zu hoch sein. Insbesondere ist es notwendig, zur Sicherstellung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit der Schaumkeramik wenigstens ein Bindemittel zuzusetzen, welches von der Matrix umfasst ist und ausgebildet ist, die Körner des Grundmaterials beim Brand miteinander zu verbinden. Üblicherweise umfasst das wenigstens eine Bindemittel einen Stoff, welcher bei den Brandtemperaturen in der Lage ist, Bindungen zu den Körnern des Grundmaterials auszubilden, und kann insbesondere wenigstens ein Flussmittel umfassen, also ein die Schmelz- oder Sintertemperatur senkendes Mittel. Aufgrund der hohen Schmelztemperatur von Al2O3 ist dieses als Flussmittel aber nicht geeignet daher ein zu hoher Gehalt der Schaumkeramik an Al2O3 unvorteilhaft. Es ist zwar möglich, bei sehr hohen Brenntemperaturen eine fast reine Al2O3-Keramik zu erzielen, dies ist jedoch wirtschaftlich nur schwierig darstellbar, da aufgrund der hohen Brenntemperaturen auch hohe Herstellungskosten resultieren würden. Daher ist der Gehalt der Schaumkeramik an Al2O3 vorzugsweise begrenzt und beträgt vorzugsweise nicht mehr als 95 Gew.-%.
  • Sofern im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auf die Zusammensetzung der Schaumkeramik und/oder den Gehalt der Schaumkeramik an einer bestimmten Komponente und/oder einem bestimmten Bestandteil eingegangen wird, bezieht sich dies stets auf den Feststoffgehalt der Schaumkeramik. Die Poren werden für die Angabe der chemischen und/oder mineralogischkristallographischen Zusammensetzung in Gew.-% bzw. Vol.-% also jeweils nicht berücksichtigt.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaumkeramik zwischen mindestens 5 Gew.-% SiO2 und vorzugsweise höchstens 25 Gew.-% SiO2, beispielsweise höchstens 20 Gew.-% SiO2.
  • SiO2 ist eine Komponente, welche über eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit verfügt. Insbesondere kann SiO2 als Bindemittel oder eine Komponente eines Bindemittels vorliegen, beispielsweise, wenn es dem Schlicker bzw. der Aufschlämmung in Form von Kieselsäure zugesetzt wird. Um eine ausreichende mechanische Festigkeit der Schaumkeramik durch eine ausreichende Verbindung oder Verkittung der Körner des Grundmaterials zu gewährleisten, sollte der Gehalt der Schaumkeramik an SiO2 nicht zu gering sein und beträgt vorzugsweise wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 10 Gew.-%. Ein zu hoher Gehalt der Schaumkeramik an SiO2 kann allerdings ebenfalls nachteilig sein. Insbesondere ist es möglich, dass SiO2 im Kontakt mit Schmelzen von Nichteisenmetallen von diesen angegriffen und zumindest teilweise an- oder aufgelöst wird. Dies kann zu einer Verunreinigung beispielsweise von Nichteisenmetallschmelzen führen und ist daher ungünstig. Daher ist der Gehalt der Schaumkeramik an SiO2 vorzugsweise begrenzt und beträgt gemäß einer Ausführungsform höchstens 25 Gew.-%, beispielsweise etwa 20 Gew.-%.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaumkeramik mehr als 15 Gew.-% SiO2, insbesondere mehr als 18 Gew.-% SiO2, bevorzugt mehr als 19 Gew.-% SiO2 und besonders bevorzugt mehr als 20 Gew.-% SiO2.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft daher auch eine Schaumkeramik umfassend ein Grundmaterial umfassend Al2O3 sowie eine Matrix umfassend SiO2,insbesondere eine Schaumkeramik nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, wobei die Schaumkeramik mehr als 15 Gew.-% SiO2, insbesondere mehr als 18 Gew.-% SiO2, bevorzugt mehr als 19 Gew.-% SiO2 und besonders bevorzugt mehr als 20 Gew.-% SiO2 umfasst und vorzugsweise höchstens 25 Gew.-% SiO2.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaumkeramik zwischen mindestens 0,1 Gew.-% B2O3 und vorzugsweise höchstens 5 Gew.-% B2O3. Ein bevorzugter Bereich für den Gehalt an B2O3 kann sein mindestens 0,3 Gew.-% und vorzugsweise höchstens 1,5 Gew.-%. B2O3 ist ein bekanntes Flussmittel und daher vorteilhaft zur Absenkung der Sintertemperatur. Die Temperatur, bei welcher die Schaumkeramik gebrannt wird, kann daher gesenkt werden, wenn die Schaumkeramik B2O3 umfasst. Vorteilhaft kann es sein, wenn der Gehalt der Schaumkeramik an B2O3 wenigstens 0,1 Gew.-% B2O3 bevorzugt mindestens 0,3 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 0,5 Gew.-% beträgt. Allerdings sollte der Gehalt an B2O3 auch nicht zu hoch sein, denn sonst wird die Temperaturfestigkeit der Schaumkeramik zu stark beeinträchtigt. Daher ist der Gehalt der Schaumkeramik an B2O3 vorzugsweise begrenzt und beträgt gemäß einer Ausführungsform nicht mehr als vorzugsweise höchstens 5 Gew.-%, bevorzugt höchstens 1,5 Gew.-%.
  • Es ist jedoch auch möglich und kann gemäß einer Ausführungsform sogar besonders bevorzugt sein, wenn die Schaumkeramik im Wesentichen Bor-frei vorliegt. Unter einer im Wesentlichen Bor-freien Ausgestaltung wird gemäß der Offenbarung verstanden, dass der Gehalt der Schaumkeramik an B2O3 höchstens 500 ppm, bezogen auf das Gewicht, (0,05 Gew.-%) beträgt, vorzugsweise weniger, beispielsweise höchstens 300 ppm (0,03 Gew.-%), oder höchstens 200 ppm (0,02 Gew.-%) oder höchstens 100 ppm (0,01 Gew.-%). In diesem Fall liegt B2O3 Als Spurenbestandteil vor.
  • Eine solche Ausgestaltung der Schaumkeramik ist beispielsweise möglich durch einen Schlicker, welchem keine B2O3-haltigen Ausgangsstoffe, beispielsweise ein Boratglas, Boroxid und/oder Borsäure, zugegeben werden. Unter B2O3-haltigen Ausgangsstoffe werden hierbei allgemein solche Ausgangsstoffe verstanden, in welchen Bor bzw. B2O3 als wesentlicher Bestandteil, also nicht lediglich als Spur und/oder als unvermeidliche Verunreinigung umfassen. Ein B2O3-haltiger Ausgangsstoff wird vorliegen bei einem Gehalt des Ausgangsstoffs an B2O3 von mehr als 1 Gew.-%.
  • B2O3 ist nicht nur ein Flussmittel, das zur Senkung der Sintertemperatur verwendet werden kann. Vielmehr kann es auch eine etwaig vorhandene SiO2-Matrix vor einer Aluminiumschmelze schützen, sodass insbesondere dann ein Gehalt der Schaumkeramik an B2O3 von Vorteil ist, wenn die Schaumkeramik auch SiO2 umfasst. Alternativ kann es vorteilhaft sein, dass der Schlicker zur Herstellung der Schaumkeramik B2O3 aufweist, insbesondere gerade bei einer Ausgestaltung der Schaumkeramik in der Form, dass diese SiO2 umfasst, ohne dass notwendigerweise auch die resultierende Schaumkeramik B2O3 umfassen muss.
  • Beispielsweise kann B2O3 einem keramischen Pulver zur Herstellung des Schlickers bzw. der Aufschlämmung als Boroxid oder als Borsäure zugegeben werden. Dies kann jedoch ungünstig sein, da es beispielsweise durch Boroxid B2O3 zum Gelieren eines Kieselsols kommen kann, sodass die Rheologie des Schlickers ungünstig ist. Es kann daher von Vorteil sein, wenn andere Bor umfassende Stoffe als Ausgangsmaterialien anstelle von Boroxid oder Borsäure eingesetzt werden, die anders als die vorgenannten Borverbindungen nicht die vorgenannten unerwünschten Reaktionen im Schlicker hervorrufen oder wenn, dann zu einem wesentlich geringeren Grad.
  • B2O3, das als Flussmittel wirkt und daher die Sinter- oder Brandtemperatur eine Keramik herabsetzen kann, was unter dem Gesichtspunkt einer kostengünstigen Fertigung vorteilhaft ist, sollte in der Regel eine Komponente der Matrix sein. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, dass es auch möglich ist, dass der Schlicker B2O3 umfasst, nicht jedoch die aus einem B2O3-umfassenden Schlicker erhaltene Schaumkeramik. Die Erfinder vermuten, dass dies daran liegen könnte, dass B2O3 in diesem Fall als Flussmittel wirkt und daher die Sinterung der Keramik positiv beeinflusst, sich jedoch im weiteren Verlauf des Sinterprozesses verflüchtigt. Insbesondere kann dies auch im Zusammenhang mit der Reaktion mit weiteren Komponenten oder Bestandteilen des Schlicker bzw. der Schaumkeramik stehen, beispielsweise im Falle eines Li2O- und B2O3-umfassenden Schlickers in der Bildung von leichtflüchtigen oder leichtlöslichen Boraten.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft daher auch eine Schaumkeramik umfassend ein Grundmaterial umfassend Al2O3 sowie eine Matrix umfassend SiO2, insbesondere eine Schaumkeramik nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, wobei der Gehalt der Schaumkeramik an B2O3 höchstens 500 ppm, bezogen auf das Gewicht, beträgt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Schaumkeramik bis auf unvermeidliche Spuren frei von P2O5. Mit anderen Worten handelt es sich gemäß einer Ausführungsform um eine nicht-phosphatgebundene Schaumkeramik. Unter unvermeidlichen Spuren wird dabei im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein Gehalt der Schaumkeramik an P2O5 von höchstens 500 ppm P2O5 verstanden.
  • Zwar sind, wie vorstehend ausgeführt, phosphatgebundene Schaumkeramiken auf Basis von Al2O3 als Grundmaterial und Aluminiumphosphat, beispielsweise Monoaluminiumorthophosphat, als Bindemittel durchaus etablierte Materialien, beispielsweise für die Filtration von Aluminium umfassenden Schmelzen, und es kann mit diesen auch eine hohe Festigkeit der Schaumkeramik erzielt werden. Jedoch kann es bei der Filtration solcher Legierungen dazu kommen, dass sich Aluminiumphosphid und/oder - im Falle von Schmelzen von Legierungen, welche Magnesium umfassen - Magnesiumphosphid bildet, welches jeweils nach dem Gebrauch beispielsweise mit Wasser zu Monophosphan PH3 reagieren kann. Um die Bildung dieses Gefahrstoffs zu vermeiden, insbesondere auch vor dem Hintergrund einer vereinfachten Entsorgung der Filtermaterialien, kann daher eine Ausgestaltung der Schaumkeramik als nicht-phosphatgebundene Schaumkeramik vorteilhaft sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Schaumkeramik als phosphatgebundene Schaumkeramik ausgebildet, wobei der Gehalt der Schaumkeramik an P2O5 höchstens 10 Gew.% und vorzugsweise mindestens 5 Gew.-%. Auf diese Weise kann eine Schaumkeramik erhalten werden, welche eine gute Festigkeit aufweist, allerdings ist bei dieser Schaumkeramik der Gehalt an P2O5 im Vergleich mit herkömmlichen Schaumkeramiken vermindert, sodass auf diese Weise Entsorgungsprobleme aufgrund einer Bildung von Monophosphan zumindest vermindert werden können.
  • Vorteilhaft kann es hier sein, wenn die Schaumkeramik noch Li2O umfasst, insbesondere als Bestandteil der Matrix.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaumkeramik so ausgebildet, dass das Grundmaterial α-Al2O3 umfasst. α-Al2O3, Korund, weist eine hohe thermische Beständigkeit auf und ist die stabilste Modifikation von Al2O3. Zudem ist es in großer Menge verfügbar und daher unter Kostengesichtspunkten sowie vor dem Hintergrund einer guten Verfügbarkeit bevorzugt. Vorzugsweise kann α-Al2O3 als kalziniertes α-Al2O3 vorliegen.
  • Wie vorstehend ausgeführt, ist ein Gehalt der Schaumkeramik an der Komponente Li2O vorteilhaft für den Fall, dass die Schaumkeramik als Filtermaterial für den Guss von Nichteisenmetallen verwendet wird. Daher wurde beispielsweise eine Schaumkeramik umfassend Spodumen vorgeschlagen.
  • Fankhänel et al. gehen davon aus, dass das Gettern von Wasserstoff in Spodumen-haltigen Schaumkeramiken nach der vorliegenden Gleichung abläuft: LiAlSi2O6 + 4 Al + 4 H → LiAlH4 + 2 Al2O3 + 2 Si
  • Mit anderen Worten können also rein rechnerisch für eine Formeleinheit Spodumen, LiAlSi2O6, vier Wasserstoffatome gegettert werden. LiAlH4 ist dabei ein festes Reaktionsprodukt und trägt mithin nichts zur Porenbildung im Gussstück bei.
  • Trotz dieses günstigen Einflusses auf die Porenbildung in Gussteilen, wobei Fankhänel et at. nicht nur beschreiben, dass es zu einer Reduktion des Porenanteils insgesamt kommt, sondern die verbliebenen Poren auch feiner sind und sich besser verteilen, hat sich bei weiteren Untersuchungen gezeigt, dass Spodumen-umfassende Schaumkeramiken im praktischen Einsatz nicht verwendet werden können. Spodumen weist nämlich eine Phasenumwandlung bei der Sinterung der Keramik auf. Damit ist die Herstellung großformatiger Filter nicht möglich.. Denn es gibt hier einen Volumensprung bei der Phasenumwandlung von 3,2 g/cm3 auf 2,4g/cm3.
  • Überraschend hat sich gezeigt, dass dieser negative Effekt vermieden werden kann, wenn andere Lithium-haltige Ausgangsstoffe, nämlich insbesondere Lithium-haltige Ausgangsstoffe, die bei Herstellungstemperaturen, also während der Sinterung der Schaumkeramik, keinen Phasensprung aufweisen, und/oder Lithium-haltige Ausgangsstoffe, welche nicht als Lithiumhaltiges Kettensilikat ausgebildet sind, verwendet werden.
  • Geeignete Lithium-haltige Ausgangsstoffe umfassen beispielsweise Lithium-haltige Inselsilikate, wie Eukryptit, oder Lithium-haltige Schichtsilikate, wie Petalit, oder vorzugsweise anorganische nicht-silikatische Lithium-Verbindungen, wie beispielsweise Mischoxide umfassend Lithiumoxid sowie wenigstens ein weiteres Metalloxid, beispielsweise Lithium-Aluminium-Spinell, oder Lithium-haltige Salze, beispielsweise Lithiumcarbonat. Es ist aber auch möglich, dass der Lithium-haltige Ausgangsstoff als amorphes Material vorliegt, beispielsweise als Lithiumumfassender Fluss, beispielsweise als Lithium-haltiger Glasfluss oder als Lithium-haltige Glasfritte, wobei das Glas auch als silikatisches Glas, beispielsweise auch als Borsilikatglas, ausgebildet sein kann. Vorzugsweise sind die Lithium-haltigen Ausgangsstoffe dabei so ausgebildet, dass sie bis auf unvermeidliche Spuren, also Gehalten von höchstens 500 ppm, bezogen auf das Gewicht, vorzugsweise weniger, frei sind von Fluor.
  • Dies ist überraschend, da diese Materialien, beispielsweise Lithium-haltige Schichtsilikate, wie beispielsweise Lepidolith K(Li,Al)3[(F,OH)2](Si,Al)4O10, oder Petalit LiAlSi4O10, eine Schichtstruktur aufweisen und dafür bekannt sind, dass sie zwischen den einzelnen, aus der Eckenverknüpfung von SiO4 4-Tetraedern hervorgegangenen Schichten von Silikatanionen Moleküle einlagern können und eine sehr gute Quellfähigkeit besitzen. Es war daher davon ausgegangen worden, dass der Einsatz solcher Lithium-haltigen Schichtsilikate nachteilig für die Stabilität der Schaumkeramiken sein würde, insbesondere, dass es beim Brand der Schaumkeramik zum Bruch der Keramik durch Austreiben von Wasser kommen würde.
  • Darüber hinaus ist die Reaktionsgleichung zum Gettern von Wasserstoff unter Verwendung von beispielsweise Petalit als Lithiumquelle ungünstiger im Vergleich mit der sich für Spodumen ergebenden Reaktion. Für Petalit ergibt sich diese Reaktion rechnerisch zu: 3 LiAlSi4O10 + 20 Al + 12 H → 3 LiAlH4 + 10 Al2O3 + 12 Si.
  • Rein rechnerisch können also auch hier für eine Formeleinheit des lithiumhaltigen Minerals, hier Petalit, 4 Formeleinheiten Wasserstoff gegettert werden. Allerdings ist die Reaktionsgleichung unter Hinblick auf die entstehenden Nebenprodukte ungünstiger. Denn aus der Reaktionsgleichung ergibt sich, dass bei dieser Umsetzung für eine Formeleinheit Petalit mehr als 6 Formeleinheiten metallisches Aluminium verbraucht werden - im Gegensatz zu lediglich 4 Formeleinheiten bei der entsprechenden Reaktion mit Spodumen. Auch wird doppelt so viel metallisches Silizium freigesetzt.
  • Eine entsprechende Umsetzung mit Lepidolith erscheint in erster Abschätzung noch kritischer, denn hier kann bei der Umsetzungsreaktion gegebenenfalls noch Kalium in die Schmelze gelangen und diese verunreinigen. Hier ist auch insbesondere der Fluorgehalt von Lepidolith nachteilig.
  • Allerdings hat sich in praktischen Versuchen überraschenderweise gezeigt, dass trotz der Verwendung von lithiumhaltigen Schichtsilikaten als Ausgangsmaterial bei der Herstellung einer Schaumkeramik und als Bestandteil des Grundmaterials keine der vorgenannten Schwierigkeiten tatsächlich auftreten. Die Erfinder sind der Auffassung, dass dies daran liegt, dass nur ein geringer Teil des Lithiums für die Getterreaktion zur Verfügung steht, nämlich insbesondere der, welcher an der Grenzfläche der Schaumkeramik angeordnet ist. Insbesondere ist es möglich, dass weniger die genaue Art der verwendeten lithiumhaltigen Phase, insbesondere die genaue Art einer verwendeten Kristallphase oder eines verwendeten Minerals, für den Mechanismus der Bildung von LiAlH4 von Bedeutung ist. Die Erfinder vermuten, dass dies darauf zurückzuführen sein könnte, dass während des Brennvorgangs zumindest ein Teil des relativ mobilen Lithiums aus der kristallinen Phase des Grundmaterials in die Matrix übergeht.
  • Vorteilhaft können daher neben Lithium-haltigen Schichtsilikaten wie insbesondere Petalit auch andere Lithium-haltige Ausgangsstoffe verwendet werden, welche nicht als Lithium-haltiges Kettensilikat ausgebildet sind, beispielsweise Materialien, welche als Fluss wirken können, wie beispielsweise Lithiumoxid umfassende Salze, oder Mischoxide, beispielsweise Lithium-Aluminate. Vorteilhaft bildet sich hier nämlich ebenfalls keine Lithium-haltige kristalline Phase bzw. ist keine Lithium-haltige kristalline Phase als solche nachweisbar. Vielmehr scheint in diesem Fall das Lithium als insbesondere eine Komponente der die Partikel des Grundmaterials zumindest teilweise umgebenden Matrix ausgebildet zu sein. Es ist aber auch möglich, dass Lithium zumindest teilweise in Form eines Mischkristalls vorliegt und somit auch Komponente des Grundmaterials sein kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Matrix zumindest teilweise glasig ausgebildet.
  • Unter einer glasigen Ausbildung der Matrix wird verstanden, dass die Matrix amorph ausgebildet ist und vorzugsweise durch einen zumindest partiell ablaufenden Schmelzvorgang erhalten ist.
  • Eine solche Ausbildung der Matrix als zumindest teilweise glasig kann ganz besonders vorteilhaft sein. Zum einen kann bei einem wenigstens partiellen Aufschmelzen zumindest einer Bindemittelphase eine besonders gute Benetzung der Körner des Grundmaterials erfolgen. Zum anderen weist ein Glas üblicherweise keine inneren Strukturen, wie beispielsweise Korngrenzen, auf, an welcher es zu einem Eindringen beispielsweise von korrosiven Substanzen kommen kann. Mit anderen Worten führt eine zumindest teilweise glasige Ausbildung der Matrix dazu, dass die Schaumkeramik als Ganzes stabiler wird. Denn zum einen führt die zumindest teilweise glasige Ausbildung der Matrix zu einem besseren Verbund des Grundmaterials, erhöht also deren Kohäsion. Zum anderen wird der korrosive Angriff durch die Ausbildung einer zumindest teilweise glasigen Matrix, welche vorzugsweise gegenüber den mit ihr in Kontakt tretenden Materialien, wie beispielsweise flüssigen Nichteisenmetallen und weiteren Bestandteilen oder Komponenten von solchen Schmelzen, wie beispielsweise korrosiven Gasen, inert ausgebildet ist, verringert, da diese durch die fehlenden Grenzflächen den Durchtritt korrosiver Medien zum Grundmaterial zumindest erschwert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Matrix Li2O. Eine solche Ausgestaltung ist vorteilhaft, denn auf diese Weise liegt an der Grenzfläche zwischen der Schaumkeramik und einer mit dieser in Kontakt tretenden Schmelze eines Metalls, vorzugsweise eines Nichteisenmetalls, insbesondere eine Schmelze von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, für das Gettern von Wasserstoff verfügbares Lithium vor.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Matrix ein lithiumhaltiges Silikatglas und/oder ein lithiumhaltiges Boratglas, vorzugsweise ein lithiumhaltiges Borosilikatglas. Eine solche Ausgestaltung kann ganz besonders vorteilhaft sein, dann auf diese Weise werden nicht nur die Vorteile einer glasigen Ausbildung der Matrix und die Verfügbarkeit von Lithium an der Grenzfläche der Schaumkeramik, an welchem diese in Kontakt mit einer etwaigen Wasserstoffhaltigen Schmelze eines Metalls treten kann, sichergestellt. Vielmehr kann eine solche Ausgestaltung auch besonders vorteilhaft hinsichtlich der Ausbildung einer Schaumkeramik mit aufeinander abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundmaterial und Matrix sein. So kann der thermische Ausdehnungskoeffizient von Silikat- und/oder Boratgläsern sowie von Borosilikatgläsern durch den Alkaligehalt, beispielsweise den Gehalt von Lithiumoxid im Glas, variiert werden und bis zu mehr als 10*10-6/K betragen. Damit ist es aber auch möglich, eine Zusammensetzung einer Glasphase zu wählen, welche eine thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, welche an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundmaterials bzw. an den oder die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des vom Grundmaterials umfassten Materials, hier also insbesondere Al2O3, anzupassen bzw. auf diesen abzustimmen. Da binäre Alkalisilikatgläser, wie beispielsweise reines Lithium-Silikatglas, in der Regel eine nur sehr schlechte chemische Beständigkeit aufweisen, kann es vorteilhaft sein, dem Glas zur Erhöhung der chemischen Stabilität als weitere Komponente Boroxid B2O3 zuzugeben. Auf diese Weise kann auch vorteilhaft die Brenntemperatur der Keramik herabgesetzt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schaumkeramik die folgenden Komponenten in Gew.-% auf Oxidbasis:
    Al2O3 75 bis 95
    Li2O 0 bis 5, bevorzugt 0,3-5, bevorzugt 0,3 bis 0,5
    SiO2 0 bis 25, bevorzugt 5 bis 25, bevorzugt 10 bis 25
    B2O3 0 bis 5, bevorzugt 0,1 bis 5, bevorzugt 0,3 bis 1,5 und/oder wobei der Gehalt an B2O3 höchstens 500ppm, bezogen auf das Gewicht, beträgt
    CaO 0 bis 20, bevorzugt 0,1 bis 20, bevorzugt 0,1 bis 10, besonders bevorzugt 0,1 bis 2
    P2O5 0 bis 10, bevorzugt höchstens 10 Gew.-%, bevorzugt höchstens 5 Gew.-%.
  • Die Angabe der Komponenten betrifft damit im Rahmen der vorliegenden Offenbarung die chemische Zusammensetzung des Materials. Sofern daher im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Schaumkeramik beispielsweise 90 Gew.-% Al2O3 umfasst, wird dies so verstanden, dass dies den Gesamtgehalt der Schaumkeramik an Aluminiumoxid betrifft. Dabei kann in der Schaumkeramik Al2O3 sowohl in Form von Al2O3 als auch in Form anderer Verbindungen, beispielsweise in Form eines Aluminiumsilikats, umfassen.
  • Gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform umfasst die Schaumkeramiken die folgenden Bestandteile in Vol.-%, bezogen auf den Feststoffanteil:
    α-Al2O3 (Korund) 85 bis 95
    Quarz 0,8 bis 2
    Cristobalit 0 bis 2
  • Die Schaumkeramik kann neben diesen genannten Bestandteilen noch weitere kristalline Phasen umfassen, beispielsweise AlPO4. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaumkeramik AlPO4 in kristalliner Form, wobei der Gehalt der Schaumkeramik an kristallinem AlPO4 vorzugsweise mindestens 3,5 Vol.-% beträgt und bevorzugt nicht mehr als 9 Vol.-%, besonders bevorzugt nicht mehr als 8 Vol.-%, ganz besonders bevorzugt nicht mehr als 7,5 Vol.-%.
  • Es hat sich gezeigt, dass eine solche Ausgestaltung sehr vorteilhaft ist.
  • Korund ist der Hauptbestandteil der Schaumkeramik nach dieser Ausführungsform, sodass auf diese eine sehr gute chemische Beständigkeit einer solchen Schaumkeramik gerade für den Einsatz als Filtermaterial im Aluminiumguss gegeben ist.
  • Weiterhin umfasst die Schaumkeramik nach dieser Ausführungsform Quarz, insbesondere Tiefquarz, in Gehalten von 0,8 Vol.-% bis höchstens 2 Vol.-%, sowie optional Cristobalit, wobei der Gehalt der Schaumkeramik an Cristobalit begrenzt ist und vorzugsweise höchstens 2 Vol.-% beträgt. Dies ist vorteilhaft, weil der thermische Ausdehnungskoeffizient von Cristobalit nochmals deutlich größer ist als der von kristallinem Quarz, und es bei Cristobalit gerade im Bereich zwischen 200°C und 300°C zu einer deutlichen Zunahme der thermischen Dehnung kommt. Die thermische Dehnung in diesem Temperaturbereich ist bei Quarz geringer, allerdings deutlich größer als beispielsweise bei amorphem SiO2 (Kieselsäure). Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Quarz wird dabei üblicherweise mit größer als 10*10-6/K angegeben, beispielsweise zwischen 12 und 16*106/K. Dies ist bereits deutlich größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient von Korund, welcher bei etwa 8*10-6/K liegt. Die Erfinder vermuten, dass der im Vergleich zu Quarz nochmals größere thermische Ausdehnungskoeffizient von Cristobalit dazu führen kann, dass sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundmaterial und Matrix zu stark unterscheiden, was zu einer verminderten Festigkeit der Schaumkeramik, die sich beispielsweise im sogenannten Kreiden/Schneien zeigt, führen kann.
  • Beispielsweise hat sich gezeigt, wie auch nachstehend anhand von Diffraktogrammen ausgewählter Schaumkeramiken in 1 bis 3 nochmals erläutert wird, dass in üblichen phosphatgebundenen Schaumkeramiken mehr Cristobalit als Quarz vorhanden ist. Mit anderen Worten überwiegt dort ein höherdehnendes Material in der Matrix. Zwar sind herkömmliche Schaumkeramiken bereits recht fest, weisen aber dennoch einen gewissen Partikelaustrag auf. Dieser kann mit Schaumkeramiken nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zumindest vermindert werden.
  • Im Vergleich zeigt eine silikatisch gebundene Schaumkeramik, deren Phasengehalt beispielsweise in 2 beispielhaft dargestellt ist, zwar einen deutlich erhöhten Anteil an Quarz im Vergleich zu Cristobalit. Allerdings umfasst diese Schaumkeramik nur sehr wenig Korund und insbesondere Kyanit und Boromullit als dominierende Kristallphasen. Dies ist vor dem Hintergrund der chemischen Beständigkeit der Schaumkeramik gegenüber beispielsweise Aluminiumschmelzen nachteilig. Aufgrund der Verwendung von Kieselsäure als Rohstoff sowie auch unter Berücksichtigung des hohen amorphen Anteils (sichtbar als erhöhter Untergrund bei niedrigen 2θ-Werten, auch als „amorpher Buckel“ bezeichnet) ist weiterhin auch davon auszugehen, dass hier ein hoher Anteil an amorphem SiO2 vorliegen sollte. Dieses Material weist einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Diese silikatisch gebundenen Schaumkeramiken weisen einen hohen Partikelaustrag, mithin also eine nur geringe Festigkeit auf. Es wird vermutet, dass dies insbesondere an dem ungünstigen Verhältnis der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundmaterial (etwa 7*10-6/K) und der Matrix (welche hohe Gehalt an niedrig dehnenden Bestandteilen wie amorphem SiO2 aufweisen dürfte) liegt oder liegen könnte.
  • Unter einem Bestandteil der Schaumkeramik wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine von der Schaumkeramik umfasste feste Phase verstanden, beispielsweise eine glasige Phase oder eine kristalline Phase.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaumkeramik einen resultierenden linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von mindestens 7*10-6/K, vorzugsweise mindestens 7,5*10-6/K, und vorzugsweise höchstens 9*10-6/K, bevorzugt höchstens 8,5*10-6/K, auf.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Schaumkeramik, vorzugsweise einer Schaumkeramik nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, umfassend die Schritte
    • - Bereitstellen eines vorzugsweise wässrigen Schlickers umfassend ein Al2O3 umfassendes Ausgangsmaterial und ein SiO2- und/oder B2O3 und/oder P2O5 und/oder Li2O und/oder CaO umfassendes Ausgangsmaterial,
    • - Tränken eines offenzelligen Schaums, insbesondere eines offenzelligen Polymerschaums, mit dem Schlicker, sodass ein mit dem Schlicker beschichteter Schaum erhalten wird,
    • - Trocknen des Schaums, sodass ein Grünkörper einer Schaumkeramik erhalten wird,
    • - vorzugsweise Ausbrennen des Polymerschaums, sowie
    • - Sintern des Grünkörpers unter Erhalt einer Schaumkeramik.
  • Unter einem Schlicker wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung das Gemisch umfassend das oder die pulverförmigen Ausgangsmaterialien sowie eine flüssige Phase, insbesondere eine wässrige Phase, zur Herstellung einer Keramik verstanden. Der Schlicker kann auch als Slurry oder Aufschlämmung oder Suspension bezeichnet werden.
  • Unter einem Grünkörper wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein ungebrannter Rohling verstanden. Insbesondere kann der Grünkörper als durch Schlickerguss erhaltener, aus durch Bindemittel verklebter Rohling verstanden werden, wobei das Bindemittel insbesondere auch ein organisches Bindemittel sein kann.
  • Unter einem silikatischen Glas wird ein amorphes, durch einen Schmelzprozess erhaltenes Material verstanden, welches als Netzwerkbildner SiO2 umfasst.
  • Unter einem Boratglas wird ein amorphes, durch einen Schmelzprozess erhaltenes Material verstanden, welches als Netzwerkbildner B2O3 umfasst.
  • Häufig werden Gläser, welche als Netzwerkbildner SiO2 und B2O3 umfassen, als Borosilikatgläser oder Borsilikatgläser bezeichnet.
  • Der Begriff des Netzwerkbildners wird Rahmen der vorliegenden Offenbarung im Sinne von Zachariasen verstanden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schlicker eine Silikatglas- oder Boratglasfritte, vorzugsweise eine Borosilikatglasfritte.
  • Dies ist insbesondere auch deswegen vorteilhaft, weil auf diese Weise B2O3 als Komponente der Schaumkeramik, wie vorstehend ausgeführt, ja die Brenntemperatur herabsetzt, aber vermieden wird, Ausgangsmaterialien zu verwenden, die zum Gelieren des Schlickers und damit zu einer ungünstigen Rheologie, beispielsweise einer starken Erhöhung der Viskosität, des Schlickes führen können.
  • Unter einer Glasfritte wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung insbesondere ein pulverförmiges, glasiges Material verstanden, welches durch einen Schmelzprozess mit einem abschließenden Abschrecken der flüssigen Schmelze sowie einem anschließenden Verkleinerungsprozess, beispielsweise einem Mahlen, erhalten wurde. Solche Glaspulver können insbesondere als Bindemittel beispielsweise für Emailfarben eingesetzt oder als Lotglas zur Herstellung von Verbindungen zwischen zu fügenden Komponenten verwendet werden.
  • Die Verwendung von Fritte als Ausgangsmaterial für die Matrix einer Keramik kann auch deswegen vorteilhaft sein, weil durch den zuvor bei der Herstellung der Fritte abgelaufenen Prozess bereits eine innige Vermischung der Komponenten der Fritte auf molekularer Ebene abgelaufen ist, nämlich durch das Aufschmelzen der Ausgangsmaterialien der Glasschmelze mit dem anschließenden Läutern und Homogenisieren der Schmelze. Mit anderen Worten wird durch den Einsatz einer Fritte, beispielsweise einer Glasfritte, das Auftreten größerer Inhomogenitäten in der Schaumkeramik, beispielsweise in der Matrix der Schaumkeramik, zumindest vermindert. Denn in einer Glasschmelze kommt es während des Schmelzvorgangs bereits zu einer Homogenisierung und einer gleichmäßigen Verteilung der einzelnen Komponenten des zur Glasherstellung verwendeten Gemenges.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schlicker ein lithiumhaltiges Ausgangsmaterial, vorzugsweise ein lithiumhaltiges Ausgangsmaterial, das kein lithiumhaltiges Kettensilikat ist oder umfasst, insbesondere Lithium-haltige Inselsilikate, wie Eukryptit, oder Lithium-haltige Schichtsilikate, wie Petalit, oder insbesondere anorganische nicht-silikatische Lithium-Verbindungen, wie beispielsweise Mischoxide umfassend Lithiumoxid sowie wenigstens ein weiteres Metalloxid, beispielsweise Lithium-Aluminium-Spinell, oder Lithium-haltige Salze, beispielsweise Lithiumcarbonat, oder einen Lithium-umfassenden Fluss, beispielsweise einen Lithium-haltigen Glasfluss oder eine Lithium-haltige Glasfritte, wobei das Glas als silikatisches Glas, beispielsweise auch als Borsilikatglas, ausgebildet sein kann, wobei vorzugsweise die Lithium-haltigen Ausgangsstoffe dabei so ausgebildet sind, dass sie bis auf unvermeidliche Spuren, also Gehalten von höchstens 500 ppm, bezogen auf das Gewicht, vorzugsweise weniger, frei sind von Fluor, besonders bevorzugt ein lithiumhaltiges Schichtsilikat und/oder ein lithiumhaltiges Glas.
  • Dies ist besonders vorteilhaft zur Herstellung einer lithiumhaltigen Schaumkeramik. Vorzugsweise ist das lithiumhaltige Ausgangsmaterial als Schichtsilikat ausgebildet und/ oder als lithiumhaltiges Glas. Mit anderen Worten ist es auch möglich und kann sogar bevorzugt sein, wenn der Schlicker mehr als ein lithiumhaltiges Ausgangsmaterial umfasst.
  • Die Zugabe eines lithiumhaltigen Ausgangsmaterials ist insbesondere vorteilhaft zur Herstellung einer Schaumkeramik, welche zur Verminderung von Blasen in Gussteilen von Nichtmetallschmelzen geeignet ist.
  • Dabei ist die Verwendung eines lithiumhaltigen Schichtsilikats und/oder eines lithiumhaltigen Glases vorteilhaft, weil auf diese Weise die Ausbildung von Phasen mit ungünstigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder mit Phasenumwandlungen im Bereich der Anwendungstemperatur, wie beispielsweise die Ausbildung von Spodumen, verhindert wird. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, die Bildung einer kristallinen Lithium-haltigen Phase zu vermindern. Darunter wird verstanden, dass in einem Röntgendiffraktogramm keine Lithium-haltige kristalline Phase identifiziert werden kann. Nicht ausgeschlossen ist es aber, dass das Lithium zumindest teilweise eine Mischkristallbildung mit weiteren von der Schaumkeramik umfassten kristallinen Phasen eingeht. Dies ist jedoch im Diffraktogramm nicht ersichtlich. Die Erfinder vermuten allerdings, dass Lithium überwiegend als Bestandteil einer amorphen Matrix vorliegen dürfte. Dies legen zumindest röntgenographische Untersuchungen nahe, bei welchen Schaumkeramiken unterschiedlicher Zusammensetzungen, insbesondere hinsichtlich der Matrix, untersucht und miteinander verglichen wurden. Während beispielsweise eine herkömmliche phosphatgebundene Schaumkeramik eine sehr niedrigen amorphen Gehalt aufweist, ist beispielsweise der amorphe Gehalt einer Schaumkeramik umfassend Li2O erhöht. Entsprechende Röntgendiffraktogramme sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schlicker keinen B2O3-haltigen Ausgangsstoff, beispielsweise kein Boratglas, kein Boroxid und/oder keine Borsäure. Unter B2O3haltigen Ausgangsstoffe werden hierbei allgemein solche Ausgangsstoffe verstanden, in welchen Bor bzw. B2O3 als wesentlicher Bestandteil, also nicht lediglich als Spur und/oder als unvermeidliche Verunreinigung umfassen. Ein B2O3-haltiger Ausgangsstoff wird vorliegen bei einem Gehalt des Ausgangsstoffs an B2O3 von mehr als 1 Gew.-%.
  • Der Schlicker kann noch weitere Ausgangsstoffe umfassen.
  • Zur gezielten Einstellung der Rheologie des Schlickers kann dieser beispielsweise ein oder mehrere weitere Stoffe umfassen. Beispielsweise kann der Schlicker zur Einstellung der Rheologie insbesondere ein Tonmineral umfassen, wie beispielsweise Bentonit. Auch können Additive, wie beispielsweise Verflüssiger, zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit des Schlickers zugesetzt werden. Solche Additive sind dem Fachmann bekannt. Sie sind häufig organisch ausgebildet und zersetzen sich beim Brand.
  • Zur Sicherstellung einer hinreichenden mechanischen Stabilität des Grünkörpers ist es weiterhin möglich, dass der Schlicker weitere Ausgangsstoffe umfasst, beispielsweise organische und/oder polymerische Bindemittel, welche für eine ausreichende Grünkörperfestigkeit des ungebrannten Rohlings sorgen.
  • Auch kann der Schlicker Additive zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften des Schlickers umfassen, beispielsweise Entschäumer und/oder Entlüfter und/oder Additive, die die Benetzung des Feststoffs verbessern.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft weiterhin auch einen Filter für die Filtration von Schmelzen von Nichteisenmetall, insbesondere von Schmelzen von Leichtmetallen, vorzugsweise von aluminiumhaltigen Schmelzen, umfassend eine Schaumkeramik nach vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und/oder hergestellt oder herstellbar in einem Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen.
  • Beispiele
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen weiter erläutert.
  • Beispiel 1
  • Eine beispielhafte Zusammensetzung eines Schlickers zur Herstellung einer silikatisch gebundenen Schaumkeramik ist gegeben in der folgenden Tabelle in Gew.-%:
    Anorganischer Binder 20% Kolloidales SiO2 (Kieselsol)
    rheologisches Additiv 3% Bentonit
    organischer Binder 1,5% Butyl-Methacrylat-Copolymer, z.B. Luhydran
    Hauptmaterial 40% calcinierte Tonerde (Al2O3)
    Nebenmaterial 15% Petalit
    Anorganischer Binder 5% Boratglasfritte
    Anorganischer Binder 5% Borsäure (H3BO3)
    Verflüssiger 0,1%
    Wasser 10,4%
  • Die Boratglasfritte kann dabei vorzugsweise folgende Zusammensetzung aufweisen, in Gew.-% auf Oxidbasis:
    SiO2 53
    Al2O3 14,4
    Fe2O3 0,2
    MgO 0,5
    B2O3 7,5
    Na2O 0,3
    CaO 23
    K2O 0,4
    Sonstige 0,7
  • Es sind aber auch andere Zusammensetzungen der Fritte möglich. Beispielsweise können auch Fritten verwendet werden, welche kein SiO2 umfassen. Allerdings sind solche Fritten, welche beispielsweise lediglich CaO, Al2O2 und B2O3 als Komponenten umfassen, oft sehr aggressiv und können daher nicht gut verarbeitet werden. Vorteilhaft ist es daher, wenn die Boratglasfritte als silikatische Boratglasfritte ausgebildet ist. Dies verbessert auch die Verarbeitbarkeit eines Schlickers.
  • Mit einem solchen Schlicker kann eine Schaumkeramik mit folgender Zusammenfassung erhalten werden (Angaben in Gew.-%):
    Hauptmaterial 54% calcinierte Tonerde (Al2O3)
    Nebenmaterial 20% Petalit
    Binder 9% SiO2
    Binder 7% Boratglas
    Binder 6% B2O3
    Rheologisches Additiv 4% Bentonit
  • Die kalzinierte Tonerde liegt chemisch als Al2O3 vor, und zwar in der Modifikation Korund (α-Al2O3). Petalit ist überraschenderweise als solches in einer röntgendiffraktometrischen Untersuchung nicht mehr nachweisbar. Die Erfinder vermuten, dass Petalit sich beim Brand in der Form umsetzt, dass er ein Teil der amorphen Matrix bildet. Beispielsweise kann sich also auf diese Weise eine Lithium umfassende Matrix ausbilden. Auch Bentonit setzt sich beim Brand um und wird Bestandteil der Matrix.
  • Eine beispielhafte chemische Zusammensetzung, angegeben in Gew.-% auf Oxidbasis, einer nicht-phosphatgebundene Schaumkeramik, welche mit dem Schlicker nach der vorstehenden Zusammensetzung erhlten wurde, ergibt sich wie folgt:
    Komponente Gehalt in Gew.-%
    Al2O3 77,9
    SiO2 20,4
    TiO2 0,07
    Fe2O3 0,14
    CaO 0,16
    K2O 0,12
    MgO 0,09
    MnO 0,01
    Na2O 0,44
    B2O3 0,01
    Li2O 0,48
    Cr2O3 0,01
    P2O5 0,07
    V2O5 <0,01
    ZnO <0,01
    ZrO2 0,06
    Summe 100
    Glühverlust 0,09
  • Die Zusammensetzung wurde dabei mittels RFA und ICP-Analyse, berechnet auf geglühtes Material, ermittelt. Die Gehalte der Bestandteile B2O3 und Li2O wurden hierbei mittels ICP-OES ermittelt. Es handelt sich hierbei im Beispiel 1 um eine Schaumkeramik, welche aus einem Schlicker mit einem B2O3-haltigen Ausgangsstoff erhalten wurde, welche allerdings B2O3 lediglich in Spuren umfasst. Die Erfinder gehen davon aus, dass eine Schaumkeramik einer solchen Zusammensetzung auch aus einem Schlicker erhältlich ist, welcher keine B2O3-haltigen Ausgangsstoffe umfasst. Jedoch könnte es sein, dass gerade durch die Verwendung eines B2O3haltigen Ausgangsstoffes Vorteile im Gefügeaufbau der resultierenden Schaumkeramik und/oder im Herstellungsverfahren liegen können.
  • Beispiel 2
  • Eine weitere beispielhafte Zusammensetzung eines Schlickers zur Herstellung einer phosphatgebundenen Schaumkeramik ist gegeben in der vorliegenden Tabelle:
    Binder 13% Monoaluminiumphosphat (AlPO4)
    Verflüssigungssystem 0,1%
    Wasser 12%
    Hauptkomponente 61% calcinierte Tonerde (Al2O3)
    Nebenkomponente 11% Petalit
    Rheologisches Additiv 1,3% Bentonit
    Festigkeitsadditiv 1,6% Böhmit (AIOOH)
  • Mit einem solchen Schlicker kann eine Schaumkeramik mit der folgenden Zusammensetzung erhalten werden:
    Binder 7% Monoaluminiumdihydrogenphosphat AlH2PO4
    Hauptkomponente 76% calcinierte Tonerde Al2O3
    Nebenkomponente 13,5% Petalit
    Rheologisches Additiv 1,7% Bentonit
    Festigkeitsadditiv 1,8% Böhmit AIOOH
  • Bentonit wandelt sich hierbei beim Brand um und reagiert mit dem Phosphat, wodurch sich Aluminiumphosphat bildet. Auch hier ist Petalit als solches in einer XRD nicht mehr nachweisbar.
  • Eine beispielhafte chemische Zusammensetzung, angegeben in Gew.-% auf Oxidbasis, der Schaumkeramik, die aus einem Schlicker wie vorstehend ausgeführt erhalten wurde, ergibt sich wie folgt:
    Komponente Gehalt in Gew.-%
    Al2O3 81,0
    SiO2 10,9
    TiO2 0,01
    Fe2O3 0,14
    CaO 0,14
    K2O 0,15
    MgO 0,02
    MnO <0,01
    Na2O 0,48
    Li2O 0,54
    Cr2O3 <0,01
    P2O5 6,54
    SO3 <0,01
    ZnO 0,01
    ZrO2 <0,01
    Summe 100
    Glühverlust 0,14
  • Die Zusammensetzung wurde dabei mittels RFA, berechnet auf geglühtes Material, ermittelt.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter erläutert. Es zeigen
    • 1 bis 3 XRD-Aufnahmen von unterschiedlichen Schaumkeramiken, sowie
    • 4 Dilatometerkurven von unterschiedlichen Schaumkeramiken.
  • 1 zeigt eine erste XRD-Aufnahme einer ersten herkömmlichen phosphatgebundenen Glaskeramik. Die quantitative Auswertung dieses Diffraktogramms ergibt einen Phasengehalt von 90,5 Vol.-% α-Al2O3 (Korund), 6,4 Vol.% SiO2 (Cristobalit) 2,8 Vol.-% AlPO4 und 0,2 Vol.-% SiO2 (Quarz). Der Phasengehalt an amorphen Material, welcher an der Ausbildung eines erhöhten Untergrunds an reflektierter Röntgenstrahlung im Winkelbereich 2θ bis etwa 30° abgeschätzt werden, ist hier sehr gering.
  • In 2 ist eine XRD-Aufnahme eines im Markt erhältlichen SiO2-gebundenen Filtermaterials dargestellt. Die Auswertung ergibt, dass dieses Material lediglich 5,8 Vol.-% Al2O3 in Form von Korund umfasst und 0,4 Vol.-% SiO2 als Cristobalit. Da es sich um ein nicht phosphatgebundenes Filtermaterial handelt, kann auch kein AlPO4 festgestellt werden. Der Gehalt an SiO2 in Form von Quarz beträgt hier 6,7 Vol.-%, ist also im Vergleich zur Phosphatgebundenen Schaumkeramik erhöht. Weiterhin umfasst die Schaumkeramik 34,2 Vol.-% Al2SiO5 als Kyanit sowie 52,9 Vol.-% Boromullit mit einer angenommenen Zusammensetzung Al4.5Si0.9B0,6O9,4. Auffällig ist weiterhin neben des im Vergleich zur herkömmlichen phosphatgebundenen Schaumkeramik sehr unterschiedlichen Phasengehalts und dem Auftreten von Phasen, welchen in der phosphatgebundenen Schaumkeramik gar nicht enthalten sind, ein deutlich erhöhter Gehalt an amorphem Material (sichtbar als „amorpher Buckel“ insbesondere im Winkelbereich zwischen 16° und 30° 2θ).
  • 3 zeigt eine XRD-Aufnahme einer Schaumkeramik nach einer Ausführungsform, welche dem Beispiel 2 nach der vorliegenden Anmeldung entspricht. Es handelt sich dabei um eine Schaumkeramik, welche P2O5 umfasst sowie auch Li2O. Die Auswertung des Diffraktogramms ergibt einen Phasengehalt von 90,4 Vol.-% Al2O3, 1,6 Vol.-% SiO2 (Cristobalit) sowie 6,9 Vol.-% AlPO4 und 1,1 Vol.-% SiO2 (Quarz). Der Untergrund des Diffraktogramms im Winkelbereich bis 30° 2θ ist leicht erhöht im Vergleich zum Diffraktogramm der 1. Mithin ist der amorphe Phasengehalt hier etwas höher als bei einer herkömmlichen phosphatgebundenen Schaumkeramik. Allerdings zeigen sich Verschiebungen im Phasengehalt in der Form, dass das Material nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weniger Cristobalit aufweist, dafür etwas mehr Quarz und deutlich mehr kristallines AlPO4. Überraschenderweise ist keine kristalline Phase umfassend Li2O im Diffraktogramm nachweisbar. Die Erfinder vermuten, dass Li2O als Bestandteil der im Vergleich zur herkömmlichen phosphatgebundenen Schaumkeramik erhöhten amorphen Phase vorliegt. Ein solches Filtermaterial zeigt eine besonders gute Festigkeit, insbesondere ist beispielsweise das Schneien im Vergleich zu einer herkömmlichen phosphatgebundenen Schaumkeramik nochmals reduziert.
  • Überraschend ist auch, dass dieses Material trotz des kristallographisch nachweisbaren größeren Phasengehalts an AlPO4 dennoch einen geringeren Volumensprung bei Herstellung aufweist als das herkömmliche phosphatgebundene Filtermaterial. Dies ist insbesondere deshalb überraschend, als dieser Volumensprung von üblicherweise etwa 2-3% auf die Umwandlung von Berlinit bzw. AlPO4 bei etwa 200°C zurückzuführen ist. Wie ersichtlich ist aus 4, in welcher die Dilatometerkurven (erhalten nach DIN 51045-1:2005-08 und DIN 51045-2:2009-04, wobei hier die Aufheizrate abweichend von der Norm 10 K/min betrug) für eine herkömmliche phosphatgebundene Schaumkeramik (entsprechend der in 1 charakterisierten Schaumkeramik), die hier mit 1.) bezeichnet ist, sowie für eine Schaumkeramik nach einer Ausführungsform, welche der in 3 hinsichtlich des Phasengehalts charakterisierten Schaumkeramik entspricht, hier bezeichnet mit 2.), dargestellt sind, ist der Volumensprung bei etwa 200°C, welche auf eine Phasenumwandlung bei 200°C hindeutet, bei der Schaumkeramik 2.) nach einer Ausführungsform deutlich verringert.
  • Die Ursache hierfür ist nicht ganz verstanden. Die Erfinder vermuten jedoch, dass dies möglicherweise an der chemischen Zusammensetzung insbesondere der Matrix liegen könnte, möglicherweise auch daran, dass die Matrix für Schaumkeramiken nach der vorliegenden Offenbarung einen größeren amorphen Phasengehalt aufweist als eine herkömmliche phosphatgebundene Schaumkeramik. Dabei scheint allerdings nicht allein das Vorliegen einer amorphen Phase allein von Bedeutung zu sein, sondern auch eine geeignete chemische Zusammensetzung. Denn der geringere Volumensprung für eine Schaumkeramik nach Ausführungsformen führt zu einer verbesserten Festigkeit, die sich unter anderem auch in einem geringeren Kreiden der Schaumkeramik zeigt. Zwar weist die in 2 dargestellte, nicht phosphatgebundene Schaumkeramik auch eine amorphe Phase auf, insbesondere auch mit einem größeren Anteil als die in 3 bzw. Kurve 2 von 4 charakterisierte Schaumkeramik nach einer Ausführungsform. Allerdings ist gerade eine solche Schaumkeramik gekennzeichnet durch eine eher geringe Festigkeit, die sich auch in einem starken Partikelaustrag zeigt. Gerade im Zusammenspiel einer geeigneten Zusammensetzung der Schaumkeramik, insbesondere auch der Matrix, und der Erzeugung geeigneter kristalliner Phasen, ergeben sich damit die vorteilhaften Eigenschaften von Schaumkeramiken nach Ausführungsformen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 8518528 B2 [0010]
    • EP 3508461 A1 [0011]

Claims (20)

  1. Schaumkeramik umfassend - ein Grundmaterial umfassend Al2O3 und vorzugsweise Li2O sowie - eine Matrix umfassend SiO2 und/oder B2O3 und/oder P2O5 und/oder Li2O und/oder CaO, wobei sich bevorzugt die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundmaterials vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Matrix um höchstens 6*10-6/K, bevorzugt um höchstens 5*10-6/K, besonders bevorzugt um höchstens 4*10-6/K, ganz besonders bevorzugt um höchstens 3*10-6/K, und am meisten besonders bevorzugt um höchstens 2*10-6/K, unterscheiden.
  2. Schaumkeramik umfassend - ein Grundmaterial umfassend Al2O3 sowie - eine Matrix umfassend SiO2, insbesondere Schaumkeramik nach Anspruch 1, wobei die Schaumkeramik mehr als 15 Gew.-% SiO2, insbesondere mehr als 18 Gew.-% SiO2, bevorzugt mehr als 19 Gew.-% SiO2 und besonders bevorzugt mehr als 20 Gew.-% SiO2 umfasst und vorzugsweise höchstens 25 Gew.-% SiO2.
  3. Schaumkeramik umfassend - ein Grundmaterial umfassend Al2O3 sowie - eine Matrix umfassend SiO2, insbesondere Schaumkeramik nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, wobei der Gehalt der Schaumkeramik an B2O3 höchstens 500 ppm, bezogen auf das Gewicht, beträgt.
  4. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaumkeramik Li2O umfasst, wobei der Gehalt der Schaumkeramik an Li2O vorzugsweise mindestens 0,3 Gew.-% ist und insbesondere vorzugsweise höchstens 5 Gew.-% beträgt, besonders bevorzugt höchstens 0,5 Gew.-%.
  5. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend mindestens 0,1 Gew.-% CaO und vorzugsweise höchstens 20 Gew.-% CaO.
  6. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend mindestens 75 Gew.-% Al2O3 und vorzugsweise höchstens 95 Gew.-% Al2O3.
  7. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend mindestens 5 Gew.-% SiO2, bevorzugt mindestens 10 Gew.-% SiO2, und vorzugsweise höchstens 25 Gew.-% SiO2.
  8. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend zwischen mindestens 0,1 Gew.-% B2O3 und vorzugsweise höchstens 5 Gew.-% B2O3.
  9. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schaumkeramik ist auf unvermeidliche Spuren frei von P2O5 ist. oder wobei die Schaumkeramik als phosphatgebundene Schaumkeramik ausgebildet ist, wobei der Gehalt der Schaumkeramik an P2O5 höchstens 10 Gew.-% und vorzugsweise mindestens 5 Gew.-%, und wobei vorzugsweise die Schaumkeramik Li2O umfasst, insbesondere als Bestandteil der Matrix.
  10. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schaumkeramik mindestens 0,1 Gew.-% CaO und vorzugsweise höchstens 20 Gew.-% CaO umfasst.
  11. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Grundmaterial α-Al2O3 umfasst.
  12. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Matrix zumindest teilweise glasig ausgebildet ist.
  13. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Matrix Li2O umfasst, bevorzugt ein Lithium-haltiges Silikatglas und/oder ein Lithium-haltiges Boratglas, besonders bevorzugt ein Lithium-haltiges Borosilikatglas.
  14. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die folgenden Komponenten in Gew.-%: Al2O3 75 bis 95 Li20 0 bis 5, bevorzugt 0,3-5, bevorzugt 0,3 bis 0,5 SiO2 0 bis 25, bevorzugt 5 bis 25, bevorzugt 10 bis 25 B2O3 0 bis 5, bevorzugt 0,1 bis 5, bevorzugt 0,3 bis 1,5 und/oder wobei der Gehalt an B2O3 höchstens 500ppm, bezogen auf das Gewicht, beträgt CaO 0 bis 20, bevorzugt 0,1 bis 20, bevorzugt 0,1 bis 10, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 P2O5 0 bis 10, bevorzugt höchstens 10 Gew.-%, bevorzugt höchstens 5 Gew.-%.
  15. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die folgenden Bestandteile in Vol.-%, bezogen auf den Feststoffanteil: α-Al2O3 (Korund) 85 bis 95 Quarz 0,8 bis 2 Cristobalit 0 bis 2
  16. Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit einem linearen thermischen. Ausdehnungskoeffizienten von mindestens 7*10-6/K, vorzugsweise mindestens 7,5*10-6/K, und vorzugsweise höchstens 9*10-6/K, bevorzugt höchstens 8,5*10-6/K.
  17. Verfahren zur Herstellung einer Schaumkeramik, insbesondere einer Schaumkeramik, insbesondere einer Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend die Schritte - Bereitstellen eines vorzugsweise wässrigen Schlickers umfassend ein Al2O3 umfassendes Ausgangsmaterial und ein SiO2- und/oder B2O3 und/oder P2O5 und/oder Li2O und/oder CaO umfassendes Ausgangsmaterial, - Tränken eines offenzelligen Schaums, insbesondere eines offenzelligen Polymerschaums, mit dem Schlicker, sodass ein mit dem Schlicker beschichteter Schaum erhalten wird, - Trocknen des Schaums, sodass ein Grünkörper einer Schaumkeramik erhalten wird, - vorzugsweise Ausbrennen des Polymerschaums, sowie - Sintern des Grünkörpers unter Erhalt einer Schaumkeramik.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schlicker eine Glasfritte, bevorzugt eine Silikatglas- oder Boratglasfritte, besonders bevorzugt eine Borosilikatglasfritte, umfasst, wobei die Glasfritte vorzugsweise Li2O als Komponente umfasst.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei der Schlicker ein lithiumhaltiges Ausgangsmaterial umfasst, vorzugsweise, vorzugsweise ein lithiumhaltiges-Ausgangsmaterial, das kein lithiumhaltiges Kettensilikat ist oder umfasst, insbesondere Lithium-haltige Inselsilikate, wie Eukryptit, oder Lithium-haltige Schichtsilikate, wie Petalit, oder insbesondere anorganische nicht-silikatische Lithium-Verbindungen, wie beispielsweise Mischoxide umfassend Lithiumoxid sowie wenigstens ein weiteres Metalloxid, beispielsweise Lithium-Aluminium-Spinell, oder Lithium-haltige Salze, beispielsweise Lithiumcarbonat, oder einen Lithium-umfassenden Fluss, beispielsweise einen Lithium-haltigen Glasfluss oder eine Lithium-haltige Glasfritte, wobei das Glas als silikatisches Glas, beispielsweise auch als Borsilikatglas, ausgebildet sein kann, wobei vorzugsweise die Lithium-haltigen Ausgangsstoffe dabei so ausgebildet sind, dass sie bis auf unvermeidliche Spuren, also Gehalten von höchstens 500 ppm, bezogen auf das Gewicht, vorzugsweise weniger, frei sind von Fluor, besonders bevorzugt ein lithiumhaltiges Schichtsilikat und/oder ein lithiumhaltiges Glas.
  20. Filter für die Filtration von Schmelzen von Nichteisenmetall, insbesondere von Schmelzen von Leichtmetallen, vorzugsweise von aluminiumhaltigen Schmelzen, umfassend eine Schaumkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und/oder hergestellt oder herstellbar in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19.
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