• SINTERVERFAHREN / SINTERTECHNIK

    Richter Formteile Abbildung eines Slides, welches Gussteile des MIM Verfahrens zeigt.

1. WAS VERSTEHT MAN UNTER SINTERN?

Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallteilen oder Keramikteilen. Durch das Zusammenpressen des pulverförmigen Ausgangsmaterials entsteht der fein- oder grobkörnige Grünkörper, der bei der anschließenden Temperaturbehandlung seine endgültige Form erhält und somit zu einem festen Werkstück wird.

Die Sinterwerkstoffe werden beim Sintern durch das „Zusammenbacken“ – Zusammenpressen – der Pulver zu Bauteilen geformt.

2. VIDEO: WAS IST SINTERN? GRUNDLAGEN ÜBER DAS VERFAHREN

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3. SINTERN GENAUER BETRACHTET

Beim Sintern werden Werkstoffe hergestellt oder verändert. Trotz des Erhitzens – oft unter erhöhtem Druck – bleibt die Form des Werkstücks erhalten, weil die Erwärmung der feinkörnigen keramischen oder metallischen Stoffe unterhalb der Schmelztemperatur bleibt. Da sich die Partikel des pulverförmigen Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume zusammengedrückt werden, tritt in der Regel eine Schwindung während des Vorgangs auf.

Grundsätzlich haben Sinterprozesse eine große Bedeutung in der Keramikherstellung („Sinterglaskeramik“) und in der Metallurgie („Sintermetalle“ und „Pulvermetallurgie“). Dabei ist das Festphasensintern vom Flüssigphasensintern zu unterscheiden, bei dem es auch zu einer Schmelze kommt.
Erst durch die Temperaturbehandlung des fein- oder grobkörnigen Grünkörpers erhält das Sintererzeugnis seine endgültigen Eigenschaften, wie Festigkeit, Härte oder Temperaturleitfähigkeit. Dies kann im Sinterprozess, je nach Anforderungen, gezielt gesteuert werden. Der Grünkörper wird in einem vorangegangenen Prozessschritt, wie bspw. der Extrusion, geformt.

Bild 1: 1. Loses Pulverhaufwerk im Kontaktstadium. 2. Ausbildung von Sinternhälsen. 3. Kornwachstum. 4. Verdichteter Sinterkörper (nach IGer96I).

3.1 DAS GRUNDPRINZIP DES SINTERNS:

Mit dem Vermischen der körnigen oder pulvrigen Stoffe beginnt der Sinterprozess. Anschließend wird das Granulat erwärmt und miteinander verbunden bzw. verdichtet. Dies ist auch der entscheidende Unterschied zur reinen Schmelze, denn es werden keine (zumindest nicht alle) Ausgangsstoffe geschmolzen. Umgangssprachlich wird in diesem Zusammenhang gerne das Wort „zusammenbacken“ verwendet. Das Sintern wird dem Fertigungsverfahren Urformen und der Kategorie „Stoffeigenschaften ändern“ zugeordnet.
Pulver besitzen eine große Oberfläche und somit eine große Oberflächenenergie.
Jedes System strebt jedoch nach einem Zustand geringster freier Enthalpie (geringste innere Energie), was man sich beim Sintern zunutze macht. Die Oberflächenenergie sinkt, weil sich die einzelnen Körner vergrößern.

Das Bauteil verfestigt sich durch den zugleich steigenden Anteil abgesättigter chemischer Bindungen.
Nach dem Mischen der Pulver wird die Pulvermasse in die Form des herzustellenden Werkstücks gebracht. In der Metallurgie erfolgt dies meist durch Verpressen der Pulvermassen. Bei der Keramikherstellung erfolgt eine Formung und anschließendes Trocknen – wie bspw. bei der Produktion von Steinzeug oder Tongut. Damit die Pulverpartikel gut zusammenhalten, wird oft ein Bindemittel eingesetzt. Etwa beim Kalten Gießen. Der, durch das Verpressen, entstandene Grünling oder Grünkörper wird durch eine darauffolgende Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet.

3.2 BEI WELCHEN TEMPERATUREN ERFOLGT DAS SINTERN?

Beim Sintern – der Wärmebehandlung – durchlaufen die Bauteile im Ofen drei Stadien:

  • Eliminieren des Bindemittels bei Temperaturen zwischen 300 und 600°C
  • Eigentliches Sintern bei Temperaturen von 1.120-1.135°C
  • Abkühlen im Ofen

4. ABLAUF DES SINTERVERFAHRENS

Der Sintervorgang zeichnet sich durch das Formen von Metalllegierungen unterhalb ihrer Schmelztemperatur zu Präzisionsteilen aus. Dazu wird Metallpulver, je nach gewünschter Legierung, miteinander vermischt und durch Erwärmen miteinander verbunden.

Unter hohem Druck wird das Gemisch in die Werkzeuge gepresst und verdichtet. Erst durch die anschließende Wärmebehandlung erhält das Bauteil die gewünschten Eigenschaften wie Festigkeit, Härte oder Leitfähigkeit.

1. Ausgangsstoff der Sinterteile mischen

Zunächst werden die gewünschten Pulver oder Granulate für den Sinterprozess ausgewählt und im entsprechenden Verhältnis vermengt. Ebenso ist hier die zusätzliche Zuführung eines Gleitmittelzusatzes möglich.

2. Formgebung

Durch formen oder pressen des vermischten Ausgangsstoffes bei hohem Druck in die Matrize, wird der sogenannte Grünling geformt. Dieser entspricht nun bereits der Form des gewünschten Sinternproduktes.

3. Verdichtung

Nun folgt die eigentliche Sinterung. Bei der Hochtemperaturbehandlung des Grünlings kommt es zu einer Vergrößerung und Verschmelzung der Pulverkörnchen.

Dabei wird die offene Porosität der Sinterteile deutlich verringert. Erst jetzt entstehen die gewünschten Eigenschaften des Bauteils, wie Festigkeit, Härte oder Leitfähigkeit.

4. Abkühlung & Nachbearbeitung

Im vorletzten Schritt des Sinterprozesses, nach dem Abkühlen, erfolgt die Nachbearbeitung. Hier kommt es bei Bedarf zur mechanischen Nachbearbeitung und Oberflächenbehandlung.

5. Endkontrolle

Nach Abschluss des Sinterverfahrens werden alle Bauteile einer umfassenden Sichtkontrolle unterzogen.

Der gesamte Umfang aller Kriterien und Maßnahmen der Qualitätskontrolle in der Sintertechnik wird funktionsgerecht je nach Kundenanforderung abgestimmt.

5. VOR- UND NACHTEILE

Der klare Vorteil des Sinterns liegt in der Verwendung und dem Zusammenführen von Ausgangsstoffen, die sich auf andere Weise nur sehr schwer oder gar nicht verbinden lassen.

Die verbleibende Porosität ist der größte Nachteil des Sintervorgangs. Chemisch gesehen sind noch immer makroskopische Partikel des Ausgangsstoffes vorhanden, die das Bauteil, im Vergleich zu bspw. Metalllegierungen, inhomogen und somit brüchig machen. Dies hat eine Durchlässigkeit für Flüssigkeiten und Gase zur Folge, die i.d.R. unerwünscht ist. Hoher Ausschuss oder die Notwendigkeit einer Imprägnierung sind die Folge.

6. SINTERNPRODUKTE

Generell erweitert die ständige Entwicklung und Optimierung neuer Metallpulver die Anwendungsmöglichkeiten für Sinterformteile. Deshalb erstreckt sich der Einsatz von Sinterbauteilen nicht nur auf den Automobilbau oder Brachen von Haushalts-, Heimwerker- und Büromaschinen.

  • Keramikherstellung: Bauteile wie Schneidkeramik, Elektroporzellan oder keramische Magnete
  • Herstellung von Metallformteilen: metallische Form- und Fertigteile in großen Serien, wie in der
    • Automobilindustrie, z. B. Lager und Lagerschalen, Gleitlager, Bauteile für Motoren und Getriebe, Siebe, Filter, Dauermagnete und Bremsbeläge
    • Werkzeug-Teile oder Wendeschneidplatten aus Hartmetallen
  • Zahntechnik: Herstellung von Keramikzähnen, Verblendungen

6.1 WAS KANN NICHT DURCH SINTERN HERGESTELLT WERDEN?

Bohrungen und Einstiche eines Werkstücks, die quer zur Pressrichtung liegen oder ein Gewinde haben.

7. URSPRUNG DER SINTERTECHNOLOGIE

Seit der Erfindung der Keramik findet der Sinterprozess Anwendung und wird laufend empirisch verfeinert. Während das Brennen von Porzellan dabei zu den ältesten Anwendungsbereichen zählt, gewinnt das Sintereisen aufgrund des Kupfermangels während des zweiten Weltkrieges zunehmend an Bedeutung.
Eine systematische Erforschung des Sinterverfahrens setzte allerdings erst in den

1950er Jahren ein, als man begann, Metallbauteile aus Pulverformkörpern herzustellen.
Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend auf den Umgang mit Hochleistungskeramiken übertragen.
Seit der Erfindung der Sintertechnik Anfang der 1990er Jahre, ist das Sinterverfahren auch als Lasersintern (LS) bekannt, weil damals alle Systeme einen Laser verwendeten.

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