Urformen durch Gießen und Sintern

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1 Urformen durch Gießen und Sintern Seite 1 von 31

2 Inhaltsverzeichnis: 1.0 Gießen (kr) Definition Urformen aus dem flüssigen, breiigen und pastenförmigen Zustand 1.1 Gießeigenschaften (kr) Definition der Gießeigenschaften 1.2 Gusswerkstoffe (kr) Gusswerkstoffe aus Eisen-Kohlenstofflegierungen Nichteisen Schwermetalle und Legierungen Leichtmetall Legierungen Gusswerkstoffe aus Thermoplasten und Duroplasten Nichthärtbare Massen oder Thermoplaste (Polymerisate) Härtbare Massen oder Duroplaste (Polykondensationsharze) Mineralische Gusswerkstoffe 1.3 Schmelzen von Metallen (kr) Kupolofen Elektrische Schmelzöfen Tiegelöfen 1.4 Arten von Formen (hh) Verlorene Formen Dauerformen 1.5 Gießtechnisches Konstruieren (hh) Werkstoffgerechtes Konstruieren Modell und formgerechtes Konstruieren Kerngerechtes Konstruieren Putzgerechtes Konstruieren 2.0 Das pulvermetallurgische Fertigungsverfahren (sa) 3.0 Pulverherstellung (sa) 3.1 Verfahren zur Herstellung von Pulver Seite 2 von 31

3 4.0 Formgebung und Verdichtung (sa) 4.1 Koaxiales Pressen 4.2 Isostatisches Pressen 5.0 Sintern (sa) 5.1 Grundlagen des Sinterprozesses 5.2 Sintertechnologie 5.3 Der Sintervorgang 5.4 Sinterverfahren 5.5 Sinteratmosphäre 6.0 Nachbehandlung (sa) 6.1 Eigenschaftsänderung durch Kalibrieren bei Raumtemperatur 6.2 Eigenschaftsänderung durch Nachpressen und Nachsintern 6.3 Infiltrieren 6.4 Tränkung 7.0 Gefüge- und Grenzflächenbestimmter Eigenschaften nichtoxidischer Keramiken (sa) 7.1 Moderne pulvertechnologische Herstellungsmethoden für keramische Hochleistungswerkstoffe Seite 3 von 31

4 1.0 Gießen Definition Gießen Unter Urformen versteht man das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen eines Zusammenhaltes. Hierbei treten die Stoffeigenschaften des Werkstückes definierbar in Erscheinung. Man unterscheidet: Urformen aus dem gas- und dampfförmigen Zustand Urformen aus dem flüssigen, breiigen und pastenförmigen Zustand Urformen aus dem ionisierten Zustand durch elektrolytisches Abscheiden Urformen aus dem festen, körnigen und pulverigen Zustand Urformen aus dem flüssigen, breiigen und pastenförmigen Zustand Temperatur [ C] a Schmelz und L Legierungen Erstarrungstemperatur reiner Metalle a b Schmelz- und Erstarrungspunkt S L Metalle b von Legierungen Zeit [s] Mit Erreichen der Schmelztemperatur stellt sich bei reinen Metallen der Haltepunkt S (Soliduspunkt) ein. Obwohl ständig weitere Wärmeenergie zugeführt wird, steigt die Temperatur nicht an. Erst wenn der Haltepunkt L (Liqiduspunkt) erreicht ist und Temperatur bei weiterer Wärmezufuhr ansteigt, liegt der flüssige Zustand, Schmelze, vor. Bei Legierungen spricht man anstelle der Haltepunkte von Knickpunkten, weil die Temperatur bei Überführung in den flüssigen Zustand zunimmt. Nach dem Gießen in Formen, die der Schmelze ihre Wärmeenergie entzieht, treten umgekehrte Verhältnisse auf. Diesen Vorgang nennt man Erstarrung. Seite 4 von 31

5 Durch das Formgebungsverfahren Gießen werden aus Metallen und Legierungen Gussstücke erzeugt. Aber auch andere zahlreiche Werkstoffe erhalten durch Gießverfahren ihre endgültige Form, z.b. - Porzellan und Beton - Gläser und - Kunststoffe Im folgendem werden ausschließlich metallische Gusswerkstoffe und deren Gießverfahren betrachtet. Durch Gießen lassen sich metallische Werkstücke dann besonders wirtschaftlich fertigen, wenn mit Gießverfahren wie - Sandformguss, - Kokillen- und Druckguss sowie - Präzisions- oder Genauguss Bessere Werkstückeigenschaften erzielt werden als mit konkurrierenden Formgebungsverfahren, wie z.b. de, Pressen, dem Fügen, dem Sintern und dem Erodieren. Die Werkstücke lassen sich durch die gewünschten Eigenschaften und Besonderheiten den verschiedenen Formgebungsverfahren zuordnen. Diese Zuordnung ist bedingt durch - die Maßgenauigkeit, - die Oberflächengüte, - die Wanddicke, - die Stückzahl, Seite 5 von 31

6 - die Stückmasse - die Kompliziertheit der Gestalt und - den Abmessungen. 1.1 Gießeigenschaften Damit ein Werkstoff durch Gießen problemlos in die gewünschte Gestalt gebracht werden kann, sind günstige Gießeigenschaften erwünscht. Folgende Eigenschaften sind notwendig: - gutes Fließvermögen - Formfüllungsvermögen - Gute Speisungseigenschaften Ferner sollte ein Gusswerkstoff wenig zu Gasaufnahme und Oxidation beim Schmelzen und Gießen neigen; auch Reaktionen mit dem Formstoff sollten kein schädliches Ausmaß annehmen Definitionen der Gießeigenschaften Das Fließvermögen ist ein Maß dafür, wie weit ein Metall in einer Form fließen kann, bis der Metallfluss durch die fortschreitende Erstarrung stockt. Typische Gussfehler bei mangelhaftem Fließvermögen sind Kaltschweißen sowie nicht ausgelaufene Gussstückteile. Das Fließvermögen nimmt grundsätzlich mit steigender Gießtemperatur zu. Das Fließvermögen wird mit Hilfe von Gießspiralen festgestellt. Unter Formfüllungsvermögen versteht man die Fähigkeiten des Gießmetalls, die Konturen der Form wiederzugeben. Die Genauigkeit der Abbildung soll naturgemäß Seite 6 von 31

7 möglichst hoch sein. Problematisch sind beispielsweise Kanten und Ecken der Form, in die das Gießmetall nur in begrenztem Maße eindringen kann, so dass als Folge abgerundete Kanten am Gussstück entstehen. Das Formfüllungsvermögen ist von verschiedenen Faktoren abhängig: wie Temperaturhöhe Viskosität Formwerkstoff Feuchtigkeitsgehalt Porosität Oxidhautbildung Oberflächenspannung Legierungsbestandteile Fließquerschnitt und Fließweg Druckhöhe Das Speisungsvermögen (oder auch Lunkerverhalten) beschreibt, inwieweit durch die gusswerkstoffspezifische sowie konstruktiv beeinflusste Schwindung das Gussstück nach der Erstarrung die gewünschte Form und Größe annimmt. Das spezifische Volumen der Metalle nimmt im flüssigen Zustand mit sinkender Temperatur ab. Während der Erstarrung erfolgt bei den meisten Metallen eine sprunghafte Volumenverminderung, und im festen Zustand sinkt das spezifische Volumen mit abnehmender Temperatur weiter ab. 1.2 Gusswerkstoffe Grundsätzlich können alle schmelzbaren Stoffe durch Erstarren und alle aushärtbaren Stoffe (Duroplaste, Beton, u.s.w.) durch Aushärten in Gusstechnik zu konkreten, geometrischen definierten Werkstoffen verarbeitet werden. Aufgrund ihrer Eigenschaften sind einige Werkstoffe besonders für die Verarbeitung in Gusstechnik prädestiniert. Seite 7 von 31

8 1.2.1 Gusswerkstoffe aus Eisen-Kohlenstofflegierungen Gusseisen ist ein gut gießbares, nicht schmiedbares Eisen mit etwa 2,5-4% Kohlenstoffgehalt. Grauguss (Gusseisen mit Lamellengraphit) Anwendung: weniger beanspruchte Werkstücke des allgemeinen Maschinenbaus Perlitisches Gusseisen Graphit ist in wesentlich feineren Lamellen abgelagert als bei Graugruß, dadurch ist dieses Gusseisen zäher, verschleißfester und weist höhere Festigkeitswerte auf. Anwendung: für höher beanspruchte Teile wie z.b. Motorengehäuse, Führungsschlitten, u.s.w. Späroguss Graphit ist fast vollständig in kugeliger Form im Gefüge eingelagert, dadurch tritt im Gegensatz zur Lamellenform eine wesentlich verminderte innere Kerbwirkung auf, was zu einer bedeutenden Festigkeitserhöhung führt. Anwendung: Für Hochbeanspruchte Werkstücke komplizierter Form Hartguss (Weißguss) Kohlenstoff bleibt überwiegend als Eisenkarbid (FE 3 C) chemisch gebunden. Dies wird durch Manganzusätze und rasches Abkühlen (Abschreckplatte, Kokillen, ) erreicht. Anwendung: Sonderwerkstücke mit großer Oberflächenhärte, z.b. Walzenzylinder, Ventilsteuerungsteile wie Nocken und Stößel. Temperguss Durch einen Entkohlungsprozeß wird das Gusseisen des abgeschlossenen Werkstückes in einem, dem Stahl ähnlichen Zustand mit analogen Eigenschaften übergeführt und dadurch in der Qualität verbessert. Anwendung: Fußhebel, Montageklemmen, Fittings, Schlüssel Stahlguss Alle legierten und unlegierten Stähle können in der Gießtechnik verwendet werden und behalten ihre charakteristischen Eigenschaften bei. Die Hauptschwierigkeit resultiert aus dem notwendigen höheren Gusstemperaturen und dem gegenüber Grauguss ca. doppelten so großen Schwindmaß. Seite 8 von 31

9 Anwendung: Hochbeanspruchte- oder sonderbeanspruchte Maschinenteile komplizierter, geometrischer Form Nichteisen Schwermetalle und Legierungen Kupfer, Zinn, Zink, Blei, Messing (Kupfer-Zink Legierung), Bronze (Kupfer-Zinn Legierung) Leichtmetall-Legierungen Aluminium und Magnesium-Gusslegierungen Gusswerkstoffe aus Thermoplasten und Duroplasten In den DIN Normblättern 7728, 7741 bis 7748 sind die wichtigsten Kunststoffe definiert Nichthärtbare Massen oder Thermoplaste (Polymerisate) Darunter versteht man Kunststoffe, die thermoplastisch, d.h. wiederholbar wärmebildsam sind Härtbare Massen oder Duroplaste (Polykondensationsharze) Darunter versteht man Kunststoffe, die beim Erwärmen zuerst plastisch werden und dann bei weiterer Erwärmung erhärten Mineralische Gusswerkstoffe wie Gips, Beton, u.s.w. erfordern in der Regel andere als die beschriebenen Techniken 1.3 Schmelzen von Metallen Kupolofen Gusseisen und Temperguss werden vorwiegend im Kupolofen erschmolzen Der Kupolofen ist ein ca. 10 m hoher, feuerfest ausgemauerter Schachtofen zum Umschmelzen von Roheisen in Gusseisen. Wird mit Roheisen, Koks und Zuschlägen beschickt. Das sich unten sammelnde flüssige Eisen wird abgestochen. Aus einem 100 Jahre altem Buch: Der Schmelzraum des Ofens besteht aus einem senkrecht stehenden Schacht, der oben eine Öffnung, die Gicht hat. Wie beim Hochofen füllt man Brennmaterial und Schmelzmaterial in abwechselnden Schichten in den Ofen. Unten brennt der Ofen und schmilzt das Metall; die Gase, die sich beim Verbrennen entwickeln, ziehen nach oben und entweichen durch die Gicht, während gleichzeitig Seite 9 von 31

10 Brennmaterialien und Metall nach unten sinken. Die Schmelzmaterialien werden also durch die glühenden Gichtgase schon sehr stark vorgewärmt, ehe sie zur Flamme kommen. So lange das Schmelzen dauern soll, wird oben fortgesetzt Material nachgefüllt. Das flüssige Metall wird unten abgestochen. Seite 10 von 31

11 1.3.2 Elektrische Schmelzöfen Mit elektrischen Öfen lassen sich Temperaturen der Schmelze bis zu 1600 C erreichen. Weitere Vorteile sind die guten Entgasungs-, Desoxydations- und Legierungsmöglichkeiten, der geringe Abstand, die Verwendung von billigen Einsatzstoffen, das Fehlen der Schwefelaufnahme sowie geringere Emissionen als beim Kupolofenbetrieb. Diesen stehen als Nachteil die hohen Anschaffungsund Energiekosten gegenüber. Nach der Bauart lassen sich die elektrischen Schmelzöfen wie folgt einteilen Lichtbogenöfen (siehe Bild ) Induktionsöfen (siehe Bild ) Bild Bild Seite 11 von 31

12 1.3.3 Tiegelöfen Werden zum Schmelzen von Kupfer und Kupferlegierungen, niedrig schmelzenden Schwermetallen, Leichtmetall-Legierungen und in Sonderfällen für die Erzeugung von hochwertigen Sonderguss und Sonderstahlsorten eingesetzt. Die Beheizung erfolgt mit Öl, Gas, Kohlenstaub, (Koks) sowie mit elektrischer Energie. Seite 12 von 31

13 1.4 Arten von Formen Verlorene Formen (Sandformen, Formmasken) Für jeden zu fertigenden Werkstück-Formteil muss eine eigene nur einmalig verwendbare Herstellungsform (Negativform) vorgesehen werden. Das Gussstück kann nur aus der Form genommen werden, wenn man sie zerstört. Diese Formen werden durch Einformen von Modellteilen oder durch Ziehen von Schablonen (Schablonenformen) in Sand (Sandformen) oder durch Überziehen von Modellteilen mit dünnen Kunststoffschichten (Maskenformen), hergestellt. Um eine Form herzustellen muss zunächst ein Modell vorhanden sein. Modelle sind jeweils das genaue Abbild des gießtechnisch herzustellenden Werkstückes im Maßstab 1:1, welche in allen Ebenen um das Schwindmaß vergrößert werden. Man unterscheidet: Modelle aus Holz, Metall oder Kunststoff. Sie werden vor dem Gießen aus der Form genommen und können wieder verwendet werden. Modelle aus Wachs werden vor dem Gießen aus der Form geschmolzen. Modelle aus Schaumstoff vergasen während des Gießens. Ihr Einsatzgebiet liegt hauptsächlich im Modelbau, Prototypenbau und für Sonderanfertigungen. Sandformen werden hergestellt durch Einformen von Modellteilen in Sand (Modellformerei) oder durch Ziehen von Schablonen in Sand (Schablonenformerei). Die Herstellung von Schablonen kann von Hand oder maschinell erfolgen. Seite 13 von 31

14 Der zur Herstellung der Sandform verwendete Formsand muss gut bildsam, gasdurchlässig, hitzebeständig und standfest sein. Er darf am Gussstück nicht Festbrennen und am Modell nicht kleben. Der unmittelbar am Modell anliegende Modellsand ist ein sorgfältig zusammengesetztes Gemisch aus Quarzsand, Betonit, Kohlenstaub und Wasser. Gebrauchter Formsand wird nach Zerschlagen der Form gesiebt und zum Auffüllen einer neuen Form verwendet Dauerformen Unter dem Begriff Dauerform fasst man die Gießwerkzeuge für das Kokillen- und das Druckgießverfahren zusammen. Der Begriff Dauerform sagt aus, dass die Form nicht nach jedem Abguss zerstört werden muss. Die Standzeiten von Gießwerkzeugen, lassen sich wie folgt einteilen: 5000 Abgüsse bei Eisenwerkstoffe Abgüssen bei Kupferwerkstoffen Abgüssen bei Aluminiumwerkstoffen Abgüssen bei Magnesiumwerkstoffen Abgüssen bei Zinkwerkstoffen Seite 14 von 31

15 Da Gießwerkzeuge hohe mechanische und thermische Belastungen ausgesetzt sind, wird ihre Lebensdauer und damit ihre wirtschaftliche Auslastung im wesentlichen durch die Konstruktion, die anwendungsgerechte Auswahl der Gießwerkzeug-Werkstoffe sowie die Fertigungsqualität der Gießwerkzeuge im Betrieb beeinflusst. Seite 15 von 31

16 - Niederdruck-Gießverfahren: Unter Niederdruckgießverfahren versteht man eine Gießanordnung, bei der die Metallschmelze mittels eines Steigrohrs von unten her in die aufgesetzte Gießform, Kokille gebracht wird. Die Aufwärtsbewegung des flüssigen Metalls wird entgegen der Schwerkraft durch Gasdruck bewirkt. - Seite 16 von 31

17 Druckgießverfahren Beim Druckgießverfahren wird das flüssige Metall unter hohem Druck in die Form eingebracht der Druck wird auch während des Erstarrens durch ein Kolben- Zylinder-System aufrechterhalten. Durch hohe Einspritzgeschwindigkeiten bis 100m/sec erreicht man, dass selbst verwickelte Formteile mit kleinen und unterschiedlichen Wanddicken gefertigt werden können. - Schleudergießen Hierunter versteht man ein Gießverfahren, bei dem das Flüssige Metall in eine rotierende Form unter Einwirkung einer Zentrifugalkraft einfließt und erstarrt. Seite 17 von 31

18 Kokillenguss Bei diesem werden Blöcke, Brammen, Drahtbarren u. a. in Dauerformen, das sind Kokillen aus metallischen Werkstoffen (meist Gußeisen) hergestellt, die durch Umformen (Walzen, Schmieden, Pressen, Drahtziehen u.s.w.) zu einem Halbzeug (Blech, Profil, Draht) oder Rohteil (Schmiede oder Preßteil) weiterverarbeitet werden, das in seiner Gestalt und seinen Abmessungen dem ursprünglichen Block nicht mehr ähnlich ist. Seite 18 von 31

19 1.5 Gießtechnisches Konstruieren Werkstoffgerechtes Konstruieren Die Konstruktion sollte nicht zu kompliziert sein, möglichst einfache Linienführung ohne unnötige Vorsprünge. Über eines muss sich der Konstrukteur im Klaren sein: Es ist für den Gießereitechniker unmöglich, in allen Teilen eines Gussstückes und bei allen Wanddicken unter gleichen Abkühlungsbedingungen die gleich Festigkeit zu garantieren. Es ist daher für jedes Werkstück die maßgebliche Wanddicke festzulegen und für diese die Festigkeit zu fordern. Alle geringeren Wanddicken weisen eine höhere Festigkeit, alle größeren Wanddicken eine geringere Festigkeit auf. Das kann unter Umständen dazu führen, dass bei geringeren Wanddicken in Werkstücken gewisse Bearbeitungsschwierigkeiten auftreten, daher sollten hinsichtlich der Festigkeit nicht zu überspitzte Forderungen gestellt werden Modell- und formgerechtes Konstruieren Toleranzen und Bearbeitungszugaben hängen von der jeweiligen Formmethode ab, nach der das Werkstück gefertigt wird. Daher muss das Modell der Formmethode angepasst werden. Modelle für Serienfertigungen sollten keine Losteile aufweisen, und die Teilung sollte möglichst in einer Ebene liegen und Hinterschneidungen sind zu vermeiden. Seite 19 von 31

20 Kerngerechtes Konstruieren Nach Möglichkeit sind Kerne zu vermeiden, da sie die Fertigungszeiten und somit auch die Kosten der Herstellung erhöhen. Sollten Kerne unumgänglich sein, sollte man sie so anbringen, dass sie nach dem Gießen leicht zu entfernen sind Putzgerechte Konstruktion Nach dem Abguss müssen bei jedem Werkstück die anhaftenden Formstoffresten und Grate entfernt werden. Der Konstrukteur sollte diesen Umstand schon bei der Planung und Konstruktion des Werkstückes berücksichtigen. Seite 20 von 31

21 2.0 Das pulvermetallurgische Fertigungsverfahren Sintern ist ein Glühen von gepresstem Metall und keramischen Pulver, bei dem durch Diffusion und Rekristallisation ein zusammenhängendes Gefüge entsteht. Legierungszusätze Gleitmittel Mischen Koaxiales Pressen - einseitig - zweiseitig Isostatisches Pressen Sintern Zusätzliche Arbeitsgänge - Kalibrieren - Nachpressen - Nachpressen + Nachsintern - Nach- bzw. Umformen, warm oder kalt - Tränken (Lager) Mögliche Nachbearbeitung - Wärmebehandlung - Galvanisieren Fertigteil Seite 21 von 31

22 3.0 Pulverherstellung Metallpulver müssen für die Verarbeitung zu Sinterformteilen ein bestimmtes Eigenschaftsprofil besitzen, um eine Fertigung unter gleich bleibenden Bedingungen zu gewährleisten und die Qualität zu sichern Verfahren zur Herstellung von Pulver: a) Mechanisches Zerkleinern b) Rasche Erstarrung einer Schmelze c) Reduktionsverfahren d) Elektrolytische Abscheidung e) Carbonyl-Verfahren a).mechanisches Zerkleinern: Metallische Drähte, Späne oder Granulate werden in Hochenergiemühlen zerkleinert. Eigenspannungen die sich beim Zerkleinern in den Pulverkörner aufbauen, müssen durch Glühen abgebaut werden. b). Rasche Erstarrung einer Schmelze: Hier finden 2 verschieden Methoden Verwendung: Gasverdüsen Zentrifugalzerstäubung Nach diesen Verfahren liegen die Werkstoffe in metastabilen Zuständen vor. Beim Gasverdüsen wird die Schmelze durch Löcher im Schmelztiegel abgezogen und dabei zerstäubt. Mit Abkühlgeschwindigkeiten zwischen10³ und K/s werden Partikelgrößen zwischen 10 und 100µm erreicht. Beim Zentrifugalzerstäuben wird die Oberfläche eines vorliegenden Stabes, der sich sehr schnell dreht ( bis U/min), aufgeschmolzen. Durch die Rotation driftet das aufgeschmolzene Metall an den Rand des Stabes und reißt sich von diesem infolge der Fliehkraft los. Während ihres Fluges kühlen sich die Tröpfchen in einem Heliumoder Argonstrom ab. Es entsteht ein feines Pulver (>100µm) bei Abkühlgeschwindigkeiten größer als 10K/s. Die Erstarrung kann aber auch erst beim Auftreten auf einen gekühlten Schirm eintreten. Seite 22 von 31

23 Das Aufschmelzen geschieht z.b. nach dem Rotating Electrode Process (REP).Hier wird mit Hilfe eines Lichtbogens oder eines Plasmastrahls unter Schutzgas das Material aufgeschmolzen. c).reduktionsverfahren: Sind all jene Verfahren, die Eisenerz im festen Zustand, d.h. ohne den Umweg über die flüssige Roheisenstufe, reduzieren. Das dabei entstehende Produkt ist Eisenschwamm. Arten der Verfahren: Wirbelschicht Verfahren Retorten Verfahren Schachtofen Verfahren Drehrohrofen Verfahren d).elektrolytische Abscheidung: Elektrolyse von Cu-Sulfatlösungen zur Erzeugung von Cu-Pulver aus Anodenkupfer. e).carbonyl-verfahren: Carbonyle sind chemische Verbindungen von Metallen mit (CO)- Gruppen, sie zerfallen bei höheren Temperaturen in reines Metall. Dient zur Anwendung bei Fe- und Ni- Pulvern für Magnetwerkstoffe. 4.0 Formgebung und Verdichten Am meisten wird das Pressen in Werkzeugen mit einem oder zwei koaxialen Stempeln (Koaxiales Pressen) angewandt, z.b. für alle Sinterteile, die auf Festigkeit beansprucht werden. Eine andere Art der Zusammenfügung der Teilchen ist das Isostatische Pressen. Dies ist jedoch nur für einfache Formen und Halbzeuge geeignet Koaxiales Pressen Die Pulverkommpaktierung durch Pressen in Matrizen hat bisher die breiteste technische Anwendung erfahren. Das Pulver wird in den Pressraum geschüttet, der erheblich größer sein muss als das Volumen des fertigen Bauteils, da die Fülldichte etwa nur 60% der theoretischen erreichbaren Dichte beträgt. Nach dem Füllen ist der Zusammenhalt der Pulverkörner infolge Adhäsion und mechanischer Verklammerung nur gering. Der Ausgeübte Druck bewirkt ein Gleiten der Pulverkörner aneinander und eine gleichzeitige Kaltverschweißung. Eine 100% -ige Dichte wird dabei nicht erreicht. Die Seite 23 von 31

24 Dichte im gepressten Körper ist nicht gleichmäßig, da ein Teil der Presskraft beim Gleiten der Pulverkörner an der Wand infolge Reibung über die Matrize übertragen wird. Koaxiale gedrückte Presslinge weisen nur in der Mitte eine geringere Dichte auf. Zur Verbesserung der Gleitverhältnisse mischt man dem Pulver presserleichternde Mittel bei. (z.b.: Zinkstearat) 4.2. Isostatische Pressen Beim einachsigen Pressen zeigt das Pulver ein Verhalten, das sich zwischen dem einer Flüssigkeit und einem Festkörper befindet. Die daraus resultierende ungleichmäßige Dichteverteilung und das begrenzte Verhältnis von Höhe zum Querschnitt des gepressten Bauteils, wird mit dem isostatischen Pressen vermieden. Beim isostatischen Pressen wird das Pulver in eine elastisch oder plastisch deformierbare Hülle (Kapsel) geschüttet, die mit einem Druckmedium (Flüssigkeit oder Glas) beaufschlagt wird. Vorteile des isostatischen Pressens sind: Gleichmäßige Dichtverteilung Verzicht auf presserleichternde (Gleit-) Mittel ist möglich Komplizierte Formen mit Hinterschneidungen können gefertigt werden Nachteile des isostatischen Pressens: Geringe Produktionsgeschwindigkeit Geringe Formtreue bei Verwendung deformierbarer Hüllen Eingeschlossene Gase können zu Fehlern führen Wegen der geringen Relativbewegung der Pulverkörner tritt kaum Verschweißen auf. 5.0 Sintern 5.1. Grundlagen des Sinterprozesses Das Sintern wird überwiegend außerhalb des Presswerkzeuges durchgeführt. Die Bildung eines zusammenhängenden kristallinen Gefüges durch den physikalischen chemischen Prozess bei der Sinterung soll möglichst unterhalb des Schmelzpunktes erfolgen. Nur so ist die Formstabilität gewährleistet. Im begrenzten Maße kann eine flüssige Phase bei der Sinterung zugelassen werden, wenn dadurch der Kristallisationsprozess beschleunigt wird und eine kontrollierbare Maßabweichung erfolgt. Die Sinterung geschieht meist drucklos, nachdem das gepresste Teil aus der Form genommen worden ist. Seite 24 von 31

25 Folgende Ausnahmen haben eine begrenzte technische Bedeutung: Die Schüttsinterung -> hierbei wird das Pulver drucklos in einer wieder verwendbaren Form gesintert. Die Drucksinterung -> bei der das Pulver in einer einmal oder begrenzt wieder verwendbaren Form auf theoretische Dichte verdichtet und zugleich gesintert wird. Das heißisostatische Pressen -> hierbei wird das lose geschüttete oder vorverdichtete Pulver in einer verlorenen Form gleich verdichtet und gesintert. An den Berührungsstellen der einzelnen Pulverpartikel bilden sich im Frühstadium der Sinterung so genannte Sinterbrücken. Das heißt, an den Berührungsstellen der durch Adhäsionskraft aneinander gebundenen Teilchen erfolgt ein erster Stofftransport, der sich physikalisch durch die Zunahme der Leitfähigkeit nachweisen lässt. Ein immer fester werdender Verband der Sinterbrücken erfolgt mit zunehmender Temperatur und Zeit Sintertechnologie Der gepresste Formkörper hat je nach seiner Dichte und Art des verwendeten Pulvers eine Presskörperfestigkeit von 10 bis 20 N/mm2. Der Zusammenhalt des Presskörpers kommt durch die Adhäsionskraft zwischen den Pulverteilchen zustande. Durch das Sintern entstehen aus den Partikelkontakten im Presskörper metallische Bindung und im späteren Sinterstadium ein vollständig neues Gefüge. Die ursprünglichen Teilchen sind nicht mehr zu erkennen. Beim Sintern findet eine Eigenschaftsänderung durch Umlagerung von Stoffteilchen statt. Damit ist die Festlegung erfüllt und das Sintern ist bei den Fertigungsverfahren unter Urformen einzuordnen. Sintern ist eine Wärmebehandlung, bei der sich die Eigenschaftswerte, besonders die Festigkeit, in Richtung des porenfreien Zustandes verändern. Je nach verbleibender Restporosität und dem entstehenden Sintergefüge wird dieser Zustand, der Festigkeit, mehr oder weniger vollständig erreicht. Bei Mehrstoffsystemen kann eine flüssige Phase entstehen. Die feste Phase, der überwiegende Teil, bleibt bestehen. Dadurch wird die Formstabilität gewährleistet. Die Sinterung führt zu einer zusätzlichen Verdichtung. Bei engen Maßtoleranzen, ist durch die Schwindung, ein Kalibrieren zwingend Seite 25 von 31

26 erforderlich. Durch beschleunigtes Abkühlen oder Abschrecken von der Sintertemperatur oder von einem anderen Stadium der Abkühlung aus, kann an das Sintern eine Wärmebehandlung ohne Zwischenabkühlung angeschlossen werden Der Sintervorgang Der Sintervorgang lässt sich in drei Stadien unterteilen: 1. Anfangs- oder Frühstadium: Die ursprünglichen Teilchen sind bei diesem Sinterstadium noch sichtbar. Der erste Zusammenhalt zwischen den Pulverteilchen entsteht durch Brückenbildung und Kornwachstum. Es erfolgt eine geringe Schwindung. 2. Mittleres Stadium Hier erfolgt die Ausbildung eines zusammenhängenden Porenraums. Die Erkennbarkeit der einzelnen Teilchen geht verloren und gleichzeitig beginnt die Schwindung. 3. Spätstadium Im Spätstadium erfolgt die Verringerung des Porenraums, der in zunehmendem Maße von außen zugänglich wird (geschlossene Poren). Im Grenzfall erfolgt eine vollständige Verdichtung (Dichtsinterung). Diese drei Phasen lassen sich in der Praxis jedoch nicht von einander trennen. Da der Verlauf der Sinterung durch Diffusionsvorgänge gesteuert wird, handelt es sich um eine zeitabhängige und temperaturabhängige Reaktion. Die physikalischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Streckgrenze, E-Modul, Bruchdehnung, Dauerfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit sind abhängig von der Sintertemperatur und der Sinterzeit. Diese Eigenschaften entstehen aber nicht absolut gleichzeitig. Die Leitfähigkeit entwickelt sich am schnellsten, da sie überwiegend von den metallischen Kontakten der Pulverteilchen im Frühstadium der Sinterung abhängt. Bei höheren Temperaturen bzw. etwas später entwickeln sich die Festigkeitseigenschaften. Seite 26 von 31

27 5.4. Sinterverfahren Alle Verfahren umfassen das Sintern in fester Phase, bei denen der Grünling während des ganzen Sintervorgangs im festen Zustand bleibt und nur eine im Formkörper enthaltene Legierungskomponente bei Sintertemperatur kurzfristig schmilzt. Die Sintertemperatur, die Sinteratmosphäre und die Ofenkonstruktion sind für das Ergebnis der Sinterung von Bedeutung Sinteratmosphäre Schutzgas wird in den Sinteröfen eingesetzt, um das Sintergut vor Oxidation zu schützen und damit das Entstehen von Zunder oder Anlauffarben vermieden wird. Die wichtigsten Schutzgase sind: Wasserstoff, Stickstoff, Wasserstoff-Stickstoffgemisch, Exogas und Endogas 6.0 Nachbehandlung Der Sintervorgang ist bei allen Presskörpern mit einer Maßänderung verbunden. Sie kann bei Eisenpulvern mit geringen Legierungszusätzen so klein gehalten werden, dass die Bauteile mit nur mittleren Toleranzanforderung direkt im gesinterten Zustand eingebaut werden können und keine Nachbehandlung erforderlich wird. 6.1 Eigenschaftsänderung durch Kalibrieren bei Raumtemperatur Gesinterte Formteile bieten dem Verbraucher besonders hohe Maß- und Formgenauigkeit in Großserien. Aus diesem Grund ist ein weiterer Arbeitsgang, das Kalibrieren notwendig. Es dient dem Ziel, die Maß- und Formgenauigkeit und die Oberflächengüte der Werkstücke zu erhöhen und die physikalischen Eigenschaften zu verbessern. Das Kalibrieren nutzt besonders die plastischen Eigenschaften von Sinterwerkstoffen und Sinterwerkstücken. Bei Werkstücken mit mäßiger Dichte dient es dazu, beim Sintern aufgetretene Maßveränderungen zu beseitigen. Bei höheren Drücken tritt eine Erhöhung der Zugfestigkeit unter gleichzeitigem Abfall der Bruchdehnung ein. Je größer der Kalibrierdruck steigt, umso größer wird die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung fällt mehr ab. Seite 27 von 31

28 Ein geringfügiges Nachpressen führt zunächst zum Abreißen von Sinterbrücken und setzt die Festigkeit des Teils etwas herab. Erst bei höheren Drücken und stärkerer Nachverdichtung steigt die Festigkeit durch Kaltverfestigung und Kaltverschweißung wieder an. Ein Beispiel zeigt, wie dieser Effekt zur Steigerung der Bauteilfestigkeit ausgenutzt werden kann. Die radiale Druckfestigkeit eines Zahnrades für einen Liegendenbeschlag konnte durch Kalibrieren von 3150 N auf 3750 N gesteigert werden. Bei genügend zähen Sinterwerkstoffen lassen sich durch Nachpressen mit hohem Druck und bei entsprechender Werkzeuggestaltung noch beträchtliche Umformungen erzielen. Im einfachsten Fall kann es sich um lokale Nachverdichtung handeln, z. B. Kugellaufbahnen. Durch freies Fließen in einer Richtung können ballige Formen geschaffen werden, wie sie z. B. bei Kalottenlagern benötigt werden Eigenschaftsänderung durch Nachpressen und Nachsintern (Zweifachsintern) Die während der ersten Kalibrierung entstandenen Kaltverfestigungen der Pulverteilchen können bei einer Wärmebehandlung oberhalb der Rekristallisationstemperatur aufgehoben werden. Der Formkörper kann daher durch erneutes Kalibrieren erheblich nachverdichtet und umgeformt werden. So kann z. B. ein Formkörper aus Eisenpulver, der nach dem ersten Pressen mit 60 KN/cm 2 eine Dichte von g/cm 3 erreicht hat, nach einer kurzen Sinterung bei C erneut mit gleichem Druck gepresst werden und erreicht dann eine Dichte von g/cm 3. Dabei entstehen neue Kontaktstellen, die bei einer erneuten Sinterung zu einem erheblichen Anstieg der Festigkeit und Zähigkeit führen. Dieses vier- bis fünfstufige Verfahren wird als Zweifachsintertechnik bezeichnet. Durch die Wiederholung der Arbeitsgänge ist es sehr kostenintensiv aber es ist besonders zur Herstellung von Sinterteilen mit höherer Festigkeit und Dichte geeignet. Bei den meisten höherlegierten Sinterwerkstoffen gelingt es unter Anwendung der Zweifachsintertechnik nicht, porenfreie Werkstücke herzustellen. Die Kaltverfestigung, die einer weiteren Verdichtung einen immer höheren Widerstand entgegensetzt, verhindert das vollständige Verdichten. Nur durch eine Verdichtung oberhalb der Rekristallisationstemperatur lässt sich eine nahezu vollständige Beseitigung der Restporen erreichen. Diese Technologie bezeichnet man als Sinterschmieden und geht von einem Sinterkörper aus, dessen Geometrie dem Fertigteil ähnlich ist. Von dem beschriebenen Kalibrieren unterscheidet sich dieses Verfahren durch die erhöhte Temperatur während des Warmpressens. Damit lässt sich ein Dichtebereich, des Formkörpers aus Eisenpulver, von g/cm 3 erreichen. Seite 28 von 31

29 6.3. Infiltrieren Sinterteile der Einfachsintertechnik haben noch eine erhebliche Restporosität. Dieser Porenraum kann zum Träger wichtiger Gebrauchseigenschaften werden. Er kann z. B. mit einem Metall gefüllt werden, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Sinterkörper hat. Dieser Arbeitsvorgang kann entweder als getrennte Wärmebehandlung oder mit einem speziellen Tränkmetall, gleichzeitig mit der Sinterung ausgeführt werden Tränkung Der Porenraum kann, wenn er eine größere Anzahl untereinander verbundener Poren enthält zur Tränkung mit Gleitmittel, Kunststoffen und Metallen genutzt werden. Die gesinterten Gleitlager werden nahezu immer mit flüssigen Schmierstoffen, meist Mineralöle, getränkt. Die Tränkung geschieht im Vakuumofen. Die Gleitlager werden in den leeren Tränkkessel eingesetzt, der danach evakuiert wird. Dann wird das Öl eingelassen, das anschließend unter einen Druck von 2-4 bar gesetzt wird. 7,0 Gefüge- und Grenzflächenbestimmte Eigenschaften nichtoxidischer Keramiken Die nichtoxidischen Hochleistungskeramiken, eine Klasse überwiegend kovalent gebundener Werkstoffe auf der Basis von SiC, Si 3 N 4 und AlN, zeichnen sich unter anderem durch eine weitgehende Beeinflussbarkeit der Gefügeentwicklung während des Herstellungsprozesses und das Auftreten innerer Grenzflächen in Gestalt glasartiger Korngrenzenphasen aus. Letztere können unter den durch die angrenzenden Kristallite aufgeprägten Zwangsbedingungen thermochemisch stabil sein und weisen Gleichgewichtsdicken von etwa 1 nm auf. Im Arbeitskreis Strukturkeramik des PML Stuttgart interessieren wir uns speziell für Phänomene, die in direktem Zusammenhang mit der strukturellen und chemischen Beschaffenheit dieser nanoskaligen Korngrenzenfilme stehen, nämlich Grenzflächenreaktionen und Materietransport beim Sintern, Segregations- und Kristallisationsvorgänge, Verformungswiderstand bei hohen Temperaturen und Wärmeleitfähigkeit. Im Zentrum dieser Arbeiten steht der moderne Werkstoff Flüssigphasengesintertes Siliziumcarbid (LPS-SiC), der über ein großes Anwendungspotenzial als Hochtemperaturmaterial im Bereich oberhalb 1250 C verfügt. Zu der erwähnten thermochemischen Stabilität nanostrukturierter, insbesondere silikatischer Filme an inneren Grenzflächen existieren Kontinuumsmodelle, deren Gültigkeit am Modellsystem SiC-SiO 2 experimentell verifiziert werden konnte. Die Präparation dieses Modellsystems, das eine besondere Ausprägung der Van-der- Waals-Wechselwirkung zeigt, stellt jedoch besondere Anforderungen, weil sich die Ausgangsstoffe bei üblichen Sintertemperaturen (> 1750 C) bereits thermisch zersetzen. Die Zersetzungsreaktion zu SiO(g) und CO(g) kann durch Aufgabe eines CO-Partialdruckes während des Sintervorganges kontrolliert werden. Seite 29 von 31

30 Die intergranularen Phasen praktisch einsetzbarer LPS-SiC-Materialien sind Oxycarbidgläser mit wesentlich komplexerer Zusammensetzung (R-Si-Al-O-N-C), die wegen ihrer Devitrifikationsneigung nicht als Massivmaterialien herstellbar sind. Die Löslichkeitsgrenzen von C und N in diesen Korngrenzenphasen, die durch analytische Elektronenmikroskopie (EELS, EFTEM) sowie durch wellenlängendispersive Mikroanalyse an grobkörnigen Modellgefügen erhalten wurden, sind ausschlaggebend für die Viskosität der Schmelzphasen und damit wichtige Kenngrößen zur Beschreibung der Sinter-, Kornwachstums- und Kriechverformungsprozesse. Als Untersuchungsmethoden kommen raster- und transmissionselektronenmikroskopische Techniken (SEM, TEM, HREM, STEM), Auger-Mikroskopie, Mikrosonden-Methoden (WDX, EDX) und Elektronen-Energieverlustspektroskopie (PEELS bzw. EELS Imaging am STEM, HREM mit Post-Column Imaging Filter, EFTEM mit Omega-Filter) zum Einsatz. Grundsätzliches Interesse besteht auch an Arbeiten zum Gefügedesign und an der Untersuchung von Gefüge-Eigenschafts-Korrelationen. In diesem Rahmen verfolgen wir Untersuchungen zur quantitativen Gefügeanalyse und Wärmeleitfähigkeit mehrphasiger Materialien, die Korngrenzenfilme als Bestandteil ihrer Mikrostruktur enthalten. Grenzflächeneffekte in Festkörpern gewinnen weiter an Bedeutung, wenn die mittlere Korngröße in den Nanometerbereich sinkt; dadurch erhöht sich der Volumenanteil der Korngrenzen in Bereiche um 5-50 %. Da in den hier besprochenen Materialien Korngrenzenfilme mit Dicken um 1 nm vorherrschen, kann davon ausgegangen werden, dass in nanokristallinen Gefügen etwa die Hälfte der Atome an inneren Grenzflächen lokalisiert sind. Als hervorstechende makroskopische Eigenschaft zeigen so aufgebaute Polykristalle unter anderem superplastische Verformbarkeit bei erhöhten Temperaturen. Es stellt sich weiterhin die interessante Frage, welche mikrostrukturellen Veränderungen sich als Korngrößeneffekte ergeben, wenn charakteristische Längenskalen des Gefüges, namentlich die Korngrenzenlänge und -dicke, sich einander annähern. LPS- SiC ist ein für solche Untersuchungen besonders geeignetes Material, weil es auf Grund der kovalenten Bindungsanteile ein äußerst träges Kornwachstum zeigt und bei vollständiger Verdichtung mittlere Korngrößen unter 100 nm realisierbar erscheinen. Dieses viel versprechende Gebiet der nanokristallinen Nichtoxidkeramiken, mit dessen Bearbeitung unlängst begonnen wurde, soll zukünftig ausgebaut werden Moderne pulvertechnologische Herstellungsmethoden für keramische Hochleistungswerkstoffe Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist das Processing von SiC-, Si 3 N 4 - und AlN- Materialien sowie ihrer Composite, insbesondere die wissenschaftliche Durchdringung suspensionsgestützter Formgebungsverfahren und Flüssigphasen-Sinterprozesse. Seite 30 von 31

31 Neben massiven Proben wird auch die Erzeugung keramischer Funktionsschichten durch Oberflächenmodifikation, CVD-Beschichtung und Abscheidung aus Teilchensuspensionen verfolgt. Aufgrund der thermischen und elektronischen Leitfähigkeitscharakteristik der Konstituenden sind für AlN-SiC-Compositmaterialien besonders interessante Eigenschaftskombinationen zu erwarten. Im Rahmen der Arbeiten zu diesem System werden sowohl kolloidtechnologische Fragestellungen (Hydrolysestabilisierung von AlN in wässrigen Suspensionen, elektrophoretische Abscheidung von Keramikschichten und Multischichten, entmischungsfreie Zentrifugierverfahren auf der Grundlage der DLVO- Theorie, Grünkörperverfestigung durch Osmose) als auch die beim Sintern auftretenden Phänomene (Phasenreaktionen, Benetzungseffekte, Migration der Schmelzphasen zwischen Schichten) untersucht. Den Hintergrund unserer Aktivitäten zum Gefügedesign von LPS-SiC mit neuartigen Sinterzusätzen (AlN-R 2 O 3 und R I 2O 3 -R II 2O 3, R = Seltenerdelemente) bildet zunächst das Bestreben, die Glasübergangs- bzw. Erweichungstemperaturen silikatischer Korngrenzenphasen durch Erhöhung der Konnektivität und Bindungsstärke im Glasnetzwerk so zu steigern, dass eine substanzielle Verbesserung der Kriechbeständigkeit in den Bereich um s -1 bei 1400 C und 300 MPa Biegespannung erreicht wird. Es handelt sich hierbei um Eckwerte, die den möglichen Einsatz als Strukturkomponenten in Gasturbinen charakterisieren. Solche Verbesserungen sind durch eine Stickstoffanreicherung der intergranularen Phase sowie durch den Einbau besonders refraktärer Spezies wie Lu 3+ erreichbar. Durch eine Oberflächenmodifikation, die zu hohen Druckspannungen in der Randschicht des Materials führt, kann zudem in Analogie zur chemischen Härtung von Glas ein kräftiges Ansteigen der Biegebruchfestigkeit auf etwa 1 GPa erreicht werden. Si 3 N 4 -Keramik ist in vielen Anwendungsbereichen ebenfalls ein zwar technisch überlegener, aber zu teurer Werkstoff. Dies liegt zum einen am Preis der Ausgangspulver im sub-µm-bereich und zum anderen an der Verdichtung durch Gasdrucksintern, die einen hohen apparativen Aufwand erfordert. Si 3 N 4 -Werkstoffe mit deutlich verringerten Herstellungskosten erfordern zum einen die Verwendung preiswerterer, direktnitridierter Ausgangspulver verfolgt, deren Sinterfähigkeit durch geeignetes Pulverprocessing erhöht werden kann. Durch die Wahl niedrigschmelzender Sinteradditive ist zum anderen eine Verdichtung zum Festkörper schon bei Temperaturen erreichbar, bei denen noch keine thermische Zersetzung des Si 3 N 4 eintritt (druckloses Sintern). Speziell wird hier der Ansatz verfolgt, mit einer transienten Flüssigphase zu arbeiten, aus der die niedrigschmelzende Komponente Li 2 O nach abgeschlossener Verdichtung entfernt wird, um dennoch zu einem Material mit guten Hochtemperatureigenschaften zu kommen. Seite 31 von 31