Sintern

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Mit gesinterten Wendeschneidplatten ausgestatteter Fräskopf

Sintern gehört zu den Fertigungsverfahren des Urformen. Dabei wird aus einem formlosen Stoff durch Verpressen und Sintern ein Werkstück hergestellt. Vor allem bei der Fertigung hochfester Schneidstoffe ist das Sintern ein wichtiges Herstellungsverfahren. Durch Druck und Temperatur werden dadurch Materialien bearbeitet, bei denen herkömmliche Verfahren oft zu aufwendig sind.


Verfahren

Die Ausgangsstoffe für das Sintern sind meist pulverisierte Metalle, aber auch Metallcarbide, Metalloxide oder Kunstharze. Die Zusammensetzung der Ausgangswerkstoffe bestimmt die späteren Eigenschaften der Sinterteile. Das Sintern gliedert sich der Reihenfolge nach in folgende Schritte:

Pulvermischen

Beim Pulvermischen werden die verschiedenen Ausgangsstoffe in einer Mischtrommel zusammen gegeben und vermischt. In einigen Fällen werden auch Zusätze, wie Diamanten, beigegeben. Das ist zum Beispiel bei der Herstellung hoch-fester Schneidwerkzeuge der Fall. Das Metall dient dabei als Matrix.

Pressen

Die gemischten Ausgangswerkstoffe werden unter hohen Drücken von bis zu 6000 bar zusammengepresst. Dadurch vergrößern sich die Berührungsflächen der Pulverteilchen und die Porenräume verkleinern sich gleichzeitig. Dabei entsteht eine so genannte Kaltverfestigung, welche dazu führt, dass ein erster Zusammenhalt entsteht. Die physikalische Kraft hinter diesem Phänomen nennt sich Adhäsion.

Glühen

Die endgültige Festigkeit wird beim Sintern durch das Glühen erreicht. Unter Vakuum oder eine Umgebung in Schutzgas wird das verpresste Pulver auf hohe Temperatur gebracht. Je nach Ausgangsstoff ist diese unterschiedlich und liegt knapp unter dem Schmelzpunkt. Dadurch tritt eine Diffusion ein. Das bedeutet, dass die Atome in benachbarte Pulverteilchen über wandern. An den kaltverfestigten Berührungsstellen kommt es zu einer Rekristallisation. Bei einigen Anlagen erfolgt das Glühen bereits beim Pressen. In diesem Fall spricht man vom Heißpressen.

Kalibrieren

Bei hohen Ansprüchen an die Maßgenauigkeit und Oberflächengüte können Sinterteile nach dem Glühen nachgepresst werden. Bei einem Druck von ca. 1000 bar wird so eine höhere Güte erreicht.


Sinterwerkstoffe

Nachfolgend werden die unterschiedlichen Sinterwerkstoffgruppen aufgelistet und kurz erläutert:

Poröse Stoffe

Poröse Sinterwerkstoffe werden für Filter und selbstschmierende Gleitlager (SintA) eingesetzt. Ausangsstoffe sind Reineisen oder eine Eisen-Kupfer-Zinn-Legierung. Sinterlager werden mit Öl getränkt und erhalten eine Reserve von Schmierstoff in Form von Fett. Sie sind wartungsfrei und besitzen gute Lauf- und Notlaufeigenschaften. Zum Einsatz kommen sie zum Beispiel bei Anlassern oder Wasserpumpen.

Hochporöse Stoffe

Hochporöse Sinterwerkstoffe (SintAF) werden aufgrund ihrer niedrigen Raumerfüllung und ihres großen Porenvolumens bis 27% als Filter verwendet. Zum Beispiel als Filter für Kraftstoff oder Gas.

Sinterreibstoff

Sinterreibstoffe enthalten unter anderem CuSn-. Pb- und Graphitbestandteile und mineralische Zusätze. Sie sind verschleißfest und besitzen gute Wärmeleiteigenschaften und eine hohe Temperaturbeständigkeit. Verwendet werden sie zum Beispiel für Brems- und Kupplungsbeläge.

Sinterwerkstoff für Formteile

Für Formteile werden Eisen-, Gusseisen oder Stahlpulver als Ausgangsstoff verwendet. Dazu werden meist noch weitere Legierungselemente gegeben. Verwendet werden diese Sinterwerkstoffe zum Beispiel für Zahnriemenräder oder Stoßdämpferkolben.

Gesintertes Hartmetall

Gesinterte Hartmetalle sind VBS (Verbundwerkstoffe und werden aus Wolfram-, Titan- und Tantalcarbid hergestellt. Als Bindemittel wird meist Kobalt wegen seines niedrigen Schmelzpunktes hinzugegeben. Sie sind in der Regel spröde, stoßempfindlich und bis 900°C schneidfest. Daher werden sie oft als Schneidstoffe oder Verschleißteile verwendet.


Geschichte

Das Sintern wird seit Erfindung der Keramik verwendet und das Verfahren wurde seither empirisch verfeinert. Das Brennen von Porzellan zählt hierbei zu den ältesten Anwendungen. Während des Zweiten Weltkrieges wurden die ursprünglich kupfernen Geschossführungsringe in Deutschland (wegen des Kupfermangels) durch Sintereisen („SiFe“) ersetzt. Das war der erste Einsatz von Sintermetall in großem Stil. Eine systematische Erforschung des Sintervorgangs setzte jedoch erst in den 1950er Jahren mit der Entwicklung der Pulvermetallurgie ein, als man begann, Metallbauteile aus Pulverformkörpern herzustellen. Die dem Sintern zugrundeliegenden Phänomene konnten wegen der einfacheren chemischen Gegebenheiten bei Metallen leichter erforscht werden. Anschließend wurden die gewonnenen Erkenntnisse auch auf den Umgang mit Hochleistungskeramiken übertragen. Im Bereich der Silikatkeramik wird seither besonders die Kinetik des Sinterns untersucht.


Vorteile

Das Sintern bietet gegenüber anderen Verfahren zum Urformen einige Vorteile: So kann man beim Sintern einbaufertige Teile mit hoher Toleranz herstellen, welche keiner spanenden Nachbearbeitung bedürfen. Ebenfalls lassen sich Stoffe verbinden, die sonst nicht verbindbar wären. So lassen sich beispielsweise Diamanten in Metalle einbetten für die Herstellung von Hochleistungsschneidstoffen. Auch sind die gewünschten Eigenschaften des Sinterwerkstückes leicht durch die Auswahl und das Mischverhältnis der Ausgangsstoffe einstellbar. Da die Werkzeuge beim Sintern nicht verschleißen ist es ebenfalls leicht und günstig Massenserien zu produzieren.


Weiterführende Suche


Quellen und Literatur

  • Randall M. German: Sintering Theory and Practice. John Wiley & Sons, Hoboken 1996, ISBN 0-471-05786-X
  • Land- und Baumaschinentechnik; Alois Wimmer; Europa-Lehrmittel Verlang; 2016

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