Taschenbuch der Logistik

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1 Taschenbuch der Logistik Reinhard Koether ISBN Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

2 2.1 Gießen 37 Bild 2.19: Betriebsteile und Materialfluss einer Gießerei (Koether) Bild 2.20: Schmelzbetrieb (Mahle) Bild 2.21: Rissprüfung eines Gussteils (Honsel)

3 38 2 Urformende Fertigungsverfahren 2.2 Sintern von Metallwerkstoffen Die Pulvermetallurgie ist das Teilgebiet der Metallurgie, das sich mit der Herstellung von Metallpulvern und von Bauteilen aus Metallpulver beschäftigt (DIN 30900). Sinterwerkstücke werden in mindestens drei Stufen hergestellt: Ausgangsstoffgewinnung, Formgebung und Verdichtung sowie Verfestigung durch Sintern. Wichtigste Vorteile pulvermetallurgischer Fertigungsverfahren sind die hohe Genauigkeit der Werkstücke und die große Breite nutzbarer Werkstoffe (Bild 2.22). Sinterteile sind porös,können jedoch 93 bis 95 %der theoretisch möglichen Dichte (z. B. Schmiedeteile) erreichen. Häufig ist die Porosität auch erwünscht, z. B. um das Werkstück mit Schmierstoffen zu tränken (z. B. Gleitlagerschalen) Verfahrensablauf Pulverherstellung Ausgangsmaterial für Sinterwerkstücke ist ein Metallpulver mit Korndurchmessern zwischen 1 m m und 400 m m(bild 2.23). Für optimale Press- und Sinterbedingungen werden unterschiedliche Teilchengrößen vermischt. Diese Pulver werden mechanisch oder chemisch hergestellt (Bilder 2.24 und 2.25): Zerkleinern, Mahlen, Zerstäuben von Schmelzen, elektrolytisches Abscheiden, Reduktion von Oxiden, chemische Reduktion, elektrolytische Reduktion, Gewinnung aus der Gasphase. Wenn die gewünschte Legierung bereits als Schmelze oder fester Stoff vorliegt, kann daraus das benötigte (vorlegierte) Pulver kostengünstig hergestellt werden. Ist der Werkstoff, z.b.wegen unterschiedlicher Schmelztemperaturen nicht als Gusslegierung herstellbar, werden Pulverfraktionen aus reinen Elementen gemischt (Elementarpulververfahren). Durch Zugaben von Binder (z. B. Polymer) können die Verarbeitbarkeit und Fließfähigkeit des Pulvers und die Festigkeit des Grünkörpers (ungesinterten Presslings) verbessert werden. Formgebung Das Pulver wird in eine Form gepresst oder eingekapselt und verdichtet (kompaktiert), sodass ein Grünkörper (oder Grünling) entsteht, der zwar annähernd die gewünschte Form, aber noch nicht die gewünschte Festigkeit erreicht. Die wichtigsten Formgebungsverfahren sind: Pressen und Sintern (konventionelle Pulvermetallurgie), Pulverschmieden, Pulverspritzguss, Heiß-isostatisches Pressen.

4 2.2 Sintern von Metallwerkstoffen 39 Bild 2.23: Eisenpulverkorn [Kiupel] Bild 2.22: Sinterteile [Kiupel] Bild 2.24: Ablauf zur Herstellung von Eisenpulver [ Kiupel] Bild 2.25: Attritor zum Mahlen und Mischen von Hartmetall-Ansätzen (

5 40 2 Urformende Fertigungsverfahren Bei konventioneller Pulvermetallurgie wird das aufbereitete Metallpulver in die Form geschüttet und verpresst. Der erzeugte Grünling wird anschließend bei 800 bis 1200 Czueinem Festkörper gesintert (Bild 2.26). Das Pulverschmieden ist eine Weiterentwicklung der konventionellen Pulvermetallurgie. Nach der Wärmebehandlung wird das Werkstück in eine weitere Form gepresst (Kalibrieren). Die Maßgenauigkeit von Werkstücken aus weichen Werkstoffen lässt sich so von IT9 bis IT10 auf IT5, von solchen aus harten Werkstoffen auf IT7 bis IT8 verbessern. Außerdem erreichen Pulverschmiedeteile eine hohe Festigkeit und müssen i. d. R. nicht nachbearbeitet werden. Zum Pulverspritzguss (MIM Metall Injection Moulding) wird eine spezielle Pulvermischung verwendet, bei der die Pulverkörner vom Binder ummantelt sind, sodass sie besonders gut fließen. Das Pulver wird ähnlich wie beim Kunststoffspritzguss in die Form gefüllt und verpresst. Der Binder plastifiziert, sodass der Grünling seine Form behält. Durch Sintern wird der Binder ausgetrieben, das Pulver verschweißt, und das Werkstück erhält seine endgültige Dichte, Form und Festigkeit. Die Werkstücke sind in den meisten Fällen von so hoher Qualität, dass kein weiterer Nachbearbeitungsschritt nötig ist (Bild 2.27). Anders als bei den zuvor beschriebenen Verfahren wird das Metallpulver zum heiß-isostatischen Pressen (HIP) in eine Negativform eingekapselt. Die Form wird dazu nach der Befüllung und Verdichtung des Pulvers verschlossen und gasdicht verschweißt. Die Kapsel wird dann für mehrere Minuten bis mehrere Stunden, je nach Werkstückgröße, einem allseitig wirksamen isostatischen Druck von 20 bis 300 MPa und Sintertemperaturen (z. B. 480 Cfü ralbis zu 1700 Cfü rw)ausgesetzt. Das Pulver wird dadurch verdichtet und zu einem Körper mit annähernder Festkörperdichte komprimiert. Im letzten Schritt wird die Kapsel vom Sinterteil getrennt, meist abgedreht oder abgefräst(bild 2.29 und 2.30). Weiterhin können Grünlinge als Stangenmaterial auch extrudiert werden. Das Herstellungsverfahren ist dem Strangpressen (Kap. 3.1) ähnlich. Mit thermischem Spritzen (Flammspritzen, Plasmaspritzen) wird eine metallische Schicht auf das Werkstück aufgebracht, um das Werkstück zu vergrößern (z. B. Verschleißausgleich) oder um eine verschleißfeste Oberfläche zu erzielen. Sintern In einer oder zwei Stufen (Vorsintern Sintern) wird der Grünling häufig unter Schutzgas auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erwärmt und gegebenenfalls gleichzeitig gepresst. Dadurch zersetzt sich der Polymerbinder, das poröse Werkstück wird verdichtet, und es entstehen chemische und metallurgische Bindungen (Neukristallisation durch Austausch von Atomen und Atomgruppen). Die Pulverkörnchen verbinden sich zu einem festem Körper mit neu entstandenem Gefüge, und das Werkstück erhält seine engültige Form und Eigenschaften. Lasersintern ist ein Verfahren des Rapid Prototypings. Ein Laserstrahl verschweißt entlang einer Höhenlinie einen als Pulver vorliegenden Werkstoff (Bild 2.28). Schicht für Schicht wird damit ein metallisches Werkstück aufgebaut, das als Musterteil oder als Formwerkzeug, z. B. für Kunststoffspritzguss von Musterteilen, eingesetzt werden kann.

6 2.2 Sintern von Metallwerkstoffen 41 Bild 2.26: Ablauf konventionelle pulvermetallurgische Herstellung [Kiupel] Bild 2.27: Ablauf Pulverspritzguss (ENWERTEC) Bild 2.28: Lasersintern (

7 42 2 Urformende Fertigungsverfahren Vergleich pulvermetallurgischer Fertigungsverfahren Verfahrensvergleich Pressen und Sintern Pulverspritzguss Pulverschmieden heiß-isostatisches Pressen (HIP) und Herstellbare Werkstückform Werkstückeigenschaften komplexe Werkstücke ohne Hohlformen Werkstückmasse bis 2,3 kg bevorzugte Werkstoffe: Stahl, Kupfer, Messing hohe Genauigkeit: IT9 bis IT 10 mittlere Dichte (ca. 90%) komplexe Werkstücke ohne Hohlformen Werkstückmasse bis 2,3 kg bevorzugte Werkstoffe: Stahl sehr hohe Genauigkeit: bis IT 5 sehr hohe Dichte (bis 100%) sehr komplexe Werkstücke, auch mit Hinterschneidungen, jedoch ohne Hohlformen Werkstückmasse bis 0,3 kg bevorzugte Werkstoffe: Stahl, rostfreier Stahl; Sonderpulver mit Binder hohe Genauigkeit: IT 9 hohe Dichte (ca. 90% bis 95%) komplexe Werkstücke ohne Hohlformen Werkstückmasse bis kg bevorzugte Werkstoffe: Titan, Sonderstähle, Hartmetalle, Sonderlegierungen hohe Genauigkeit: IT9 sehr hohe Dichte (bis 100%) Erforderliche Werkzeuge und Maschinen Formwerkzeug Presse Sinterofen Formwerkzeug Presse Sinterofen Schmiedegesenk Kalibrierpresse Formwerkzeug mit Schiebern Spritzgussmaschine Sinterofen Formwerkzeug (einmaliger Gebrauch) HIP-Anlage (Bild 2.29) (Kompressor, Druckbehälter, Ofen) Stückzeiten Rüstzeiten sehr geringe keine Nachbearbeitung Stückzeiten hohe Rüstzeiten keine Nachbearbeitung Stückzeiten, aber zusätzliche Fertigungsstufe hohe Rüstzeiten keine Nachbearbeitung Stückzeiten hohe Rüstzeiten sehr hohe keine Nachbearbeitung lange Stückzeiten (Bild 2.30) Rüstzeiten Wirtschaftliche Stückzahlen Großserien Großserien Großserien (Bild 2.31) Einzelstücke bis Kleinserien

8 2.2 Sintern von Metallwerkstoffen 43 Bild 2.29: Ausrüstung für heiß-isostatisches Pressen, maximal 600 kg Hartmetall pro Zyklus ( Widia) Bild 2.30: Ablauf heiß-isostatisches Pressen [ Bousack ] Bild 2.31: Anwendungsfeld Pulverspritzguss ( www. mimtec.com)

9 44 2 Urformende Fertigungsverfahren Verfahrensvergleich Pressen und Sintern Pulverspritzguss Pulverschmieden heiß-isostatisches Pressen (HIP) Energiekosten Emissionen mittel (Sintertemperatur je nach Werkstoff) gering (Abwärme) mittel (Sintertemperatur je nach Werkstoff) gering (Abwärme) mittel (Sintertemperatur je nach Werkstoff) gering (Abwärme) mittel (Sintertemperatur je nach Werkstoff) gering (Abwärme) Werkstoffausnutzung sehr hoch, Abfall wird wieder verwendet sehr hoch, Abfall wird wieder verwendet sehr hoch, Abfall wird wieder verwendet sehr hoch, Abfall wird wieder verwendet Vorteile, Nachteile und Anwendungsfelder des Sinterns Neben der hohen Werkstoffausnutzung und dem relativ geringen Energieverbrauch bietet die pulvermetallurgische Herstellung folgende Vorteile: hohe Genauigkeit auch bei komplizierten Geometrien, meist keine Nachbearbeitung nötig (Near-net-shape-Produktion), Herstellung von Werkstücken hoher Genauigkeit, aus harten oder spröden Werkstoffen, die spanend nur schwierig bearbeitet werden können, Bearbeitung von Metallen mit hohen Schmelzpunkten (z. B. W, Mo, Ta), Herstellung von Werkstoffen aus nicht legierbaren Elementen. Nachteilig ist dagegen der hohe Kapitalbedarf für Formwerkzeuge. Pulvermetallurgische Fertigungsverfahren werden deshalb vorwiegend für zwei Situationen eingesetzt: Herstellung von Großserienteilen komplizierter Geometrie (Vorteil: keine Nachbearbeitung) z. B. in der Automobilindustrie, Hausgeräteindustrie oder Konsumgüterindustrie Herstellung von Werkstücken aus schwierigen Werkstoffen (Vorteil: Werkstoffe können bearbeitet werden, obwohl sie nicht legierbar sind oder hohe Schmelzpunkte haben); Beispiele: Luft- und Raumfahrtindustrie, Schneidstoffe (vgl. Kap. 4.1). (Bild 2.32) Insgesamt hat in den letzten 20 Jahren der weltweite Pulververbrauch für pulvermetallurgische Produktion um durchschnittlich 4% pro Jahr zugenommen. Die großen Mengen von Sinterteilen werden in der Automobilindustrie aus Stahlwerkstoffen hergestellt (Bilder 2.33 und 2.34). Sie ersetzen dort Werkstücke aus Zink- Druckguss oder konventionell gefertigte Stahlteile.