PULVER METALLURGIE

PULVER

METALLURGIE

Pulvermetallurgie

Eine Verfahrenstechnik zur Herstellung fertig gestalteter Teile, die von metallischen Pulvern ausgeht, die in Formen gepreßt und anschließend auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Metalles erhitzt werden, wird mit Sintertechnik oder Pulvermetallurgie bezeichnet. Sie umfaßt:

1. Pulvererzeugung, 2. Formpreßtechnik, 3. Sintertechnik.

Anwendungsgebiete

Die Anwendungsgebiete der Sinterwerkstoffe lassen sich in folgende Gruppen unterteilen

Gruppe 1:

Massenteile, bei denen der Werkstoff einen besonderen Aufbau hat, der über den Schmelzfluß nicht zu erreichen ist, wobei an die Formgebung keine besonderen Ansprüche gestellt werden.

Hierzu gehören Erzeugnisse aus hochschmelzenden Metallen, z.B. Glühfäden aus Wolfram, Hartmetalle, elektrische Kontakte, die aus nicht legierbaren Komponenten wie Wolfram-Silber, Silber-Graphit oder ähnlichen Komponenten bestehen, ferner Brems- und Kupplungsbeläge sowie Kernbrennstoffe im Reaktorbau.

Gruppe 2:

Teile aus sinterfähigen Werkstoffen, die fertiggepreßt werden.

Hier handelt es sich also um Formteile, die auch durch andere Fertigungsverfahren hergestellt werden könnten, für den Kraftfahrzeug- und Apparatebau, für Büro- und Nähmaschinen und für Magnete.

Gruppe 3:

Teile mit besonderem spezifischem Aufbau gemäß Gruppe l, die jedoch durch Pressen ihre endgültige Form erhalten.

Hierzu gehören z.B. Lagerbüchsen mit ölgetränktem Porenraum, absichtlich porös gehaltene Stücke, insbesondere Filter, ferner Kupplungssegmente, Sinterkontakte u.ä.

Die wirtschaftlichen Grenzen in der Fertigung von Sinterteilen werden etwa dann erreicht, wenn für formschwierige Teile Festigkeiten über 600 N/mm² verlangt werden. Hier sollte der Feinguß (Genauguß) für die Fertigung einsetzen, obwohl die Maßgenauigkeit bei gesinterten Teilen besser ist.

Verfahrenstechnik

1. 2. 1. Pulvererzeugung

Die wichtigsten Verfahren zur Herstellung geeigneter Pulver sind:

a) Reduktionsverfahren,

b) elektrolytische Abscheidung,

c) Carbonylverfahren,

d) mechanische Zerkleinerung,

e) Verdüsungsverfahren.

a) Beim Reduktionsverfahren werden pulverförmige Metalloxide (Erze) vorwiegend thermisch mit Kohlenstoff reduziert. Das Fertigpulver ist schwammig. Die Reinheit des Ausgangsstoffes ist maßgebend für die Qualität des Pulvers. Nach diesem Verfahren werden Eisenpulver hergestellt (HOEGANAES- und PYRON-Prozeß).

b) Das elektrolytische Verfahren eignet sich vor allem für die Erzeugung von Kupferpulver. Aber auch das nach diesem Verfahren gewonnene Eisenpulver läßt sich gut verpressen (HUSQVARNA).

c) Nach dem Carbonylverfahren lassen sich Eisen- und Nickelpulver von sehr großer Reinheit und feinem Korn herstellen. Dieses feine Korn entsteht beim Zerfall des Eisen- bzw. Nickelcarbonyls mit einer Korngröße zwischen 2 µm und 10 µm (BASF-Prozeß).

d) Die Herstellung mechanisch zerkleinerter Pulver nach dem HAMETAG-Verfahren ist fast ganz zurückgegangen.

e) Das Verdüsungsverfahren ist das zukunftsreichste Verfahren zur Herstellung von Pulvern unmittelbar aus Metallschmelzen. Es lassen sich Eisen, NE-Metalle und sämtliche Legierungspulver für die Sintertechnik erzeugen (MANNESMANN-RZ-Verfahren, Roheisen-Zunder), sowie das durch Wasserverdüsung von Stahlschmelzen gewonnene Pulver (W-Pulver).

Zur Erzeugung von Eisenpulver nach dem RZ-Verfahren geht man von Stahlschrott aus, der im sauer zugestellten Kupolofen mit Elektrographit geschmolzen und gleichzeitig aufgekohlt wird. Das flüssige Roheisen wird mit Hilfe von Preßluft zerstäubt, dabei teilweise oxydiert und in einem Wasserbecken abgeschreckt. Die Anlage ist schematisch in Bild 1 dargestellt. Die sich bildenden feinen Roheisenteilchen sind

mit einer Oxidschicht, die vorwiegend aus Fe₃O₄ besteht, umgeben. Bei dem nun folgenden Glühen

(= 1150 °C) findet eine Reduktion des Eisenoxids mit dem Kohlenstoff statt, die in Teilreaktionen abläuft und sich zusammengefaßt nach folgender Gleichung vollzieht:

10 Fe₃C + 3 Fe₃O₄ 39 Fe + 8 CO + 2 CO₂.

Bei dieser Reaktion wird also kein Fremdgas benötigt. Ein großer Teil der aufgewandten Warmeenergie kann durch den hohen Kohlenoxidanteil des Gases zurückgewonnen werden. Dieses Pulver ist gekennzeichnet durch den lockeren, teilweise hohlkugeligen Kornaufbau und die gute Kantenbeständigkeit der grünen Preßlinge, weshalb es sich für kompliziert geformte Preßlinge bewährt.

Die Weiterentwicklung der Verdüsungstechnik, insbesondere die Verdüsung von Stahlschmelzen durch Wasser in Verbindung mit einer thermischen Nachbehandlung der Pulver, führte zur großtechnischen Erzeugung von unlegierten und fertiglegierten Pulvern mit einer spratzigen, kompakten Form, die sich gut verpressen lassen. Zur Erzielung guter Preß- und Sintereigenschaften wird das Pulver thermisch

nachbehandelt.

Unlegienes Eisenpulver besitzt eine Preßbarkeit, die derjenigen des Elektrolyt-Eisenpulvers entspricht, und ist weiter dadurch ausgezeichnet, daß durch Einfachpressen mit einem Druck von 60 kN/cm² eine Raumerfüllung von 90% und mehr erreicht wird.

Besondere Bedeutung hat die Herstellung von fertiglegierten Pulvern gewonnen. Es hat sich herausgestellt, daß fertiglegiertes Eisen-Phosphor-Pulver mit etwa 0,45% P bei Einfachpressung auf Zugfestigkeiten von 350 N/mm² bis 400 N/mm² kommt bei Dehnungen von 15% bis 20%. Fertiglegiertes Eisen-Kupfer-Pulver läßt sich ebenfalls durch Wasserverdüsung gewinnen. Hieraus im Einfachpreßverfahren erzeugte Sinterteile bringen Festigkeiten bis zu 600 N/mm² und gute

Zähigkeitseigenschaften, jedoch starke negative Maßänderungen. Auch fertiglegiertes austenitisches Cr/Ni-Stahlpulver ist unter Einhaltung bestimmter Bedingungen bei der Wasserverdüsung -- geringer Sauerstoffgehalt des Pulvers -- herstellbar, obwohl der Kohlenstoff in der Pulvermetallurgie nicht die Rolle einnimmt, die er in der Schmelzmetallurgie hat, gibt es Methoden zur Herstellung gesinterter Kohlenstoffstähle.

1. 2. 2. Pressen

Pulver hat im aufgeschütteten Zustand ein größeres Volumen als im verdichteten. Die Druckfortpflanzung in einem Preßkörper folgt nicht den Gesetzen der Hydrostatik. Wird z. B. eine Matrize mit Eisenpulver gefüllt und einseitig gepreßt, so entsteht ein Körper unterschiedlicher Dichte. Das rührt von den Reibungsverlusten her, die innerhalb des Körpers unterschiedlich sind. Daraus folgt eine Anderung der Druckfortpflanzung. Vor dem bewegten Stempel erhält das Pulver eine größere Dichte, Bild 2a. doppelseitige Pressung liefert deshalb eine bessere Gleichmäßigkeit, Bild 2b.

Nach Unkel ist die höchste Dichte stets in der Ecke zwischen der druckbelasteten Stirnfläche und dem Körperumfang vorhanden. Rechnerisch lassen sich die Reibvorgänge und damit die Verluste bei komplizierten Körpern kaum erfassen. Hier liefert die Praxis die notwendigen Aufschlüsse.

Komplizierte Preßlinge müssen in verschiedene Füllräume aufgeteilt werden (Bild 3). Dabei ergibt sich für jeden Körperquerschnitt der Füllraum durch die Füllhöhe. Hieraus folgt, daß die Füllhöhe h gleich dem Produkt Werkstückhöhe w mal Füllfaktor q ist:

h w q

mm mm 1

Der Füllfaktor q ist:

Das Füllvolumen gibt den Rauminhalt einer bestimmten Menge lose aufgeschütteten Pulvers an. Die Angabe erfolgt gewöhnlich in cm³/100g.

Sowohl bei einfachen als auch bei komplizierten Formteilen werden alle Füllräume auf die Matrizenoberkante bezogen, wodurch das Füllen der Preßräume sehr erleichtert wird, Bild 3.

Beispiel für die Ermittlung des Füllfaktors

Ein Körper von 10mm Höhe ist zu pressen. Die Dichte soll im gepreßten Zustand 6,5 g/cm³ betragen. 100g des zu verpressenden Pulvers (Eisenpulver) nehmen ein Volumen von 25 cm³ ein = Füllvolumen. Demnach beträgt die Scheindichte des Pulvers:

Damit ergibt sich der Füllraum:

Die Füllhöhe = Scheinhöhe:

Für dieses Beispiel braucht der Preßdruck zum Erreichen der erforderlichen Dichte nicht mehr berücksichtigt werden, da der Körper bei der Art des zu verpressenden Pulvers und bei Verdichtung auf eine Höhe von 10 mm mit dem Füllfaktor 2,27 zwangsläufig die Dichte 6,5 g/cm³ aufweist.

Die Preßtechnik ist ausschlaggebend für die Erzeugung brauchbarer Preßteile. Die Dichte steigt mit zunehmendem Preßdruck an. Jedoch ist mit steigender Füllhöhe mehr Reibungsarbeit zu leisten, weshalb mit zunehmender Preßhöhe die durchschnittliche Dichte proportional absinkt. Auch grobes und unregelmäßiges Korn erhöht die Reibungs- und Verformungsarbeit, so daß die Porosität ansteigt, die Dichte sich also verringert. Sehr feines Korn kann die Dichte noch stärker verringern. Mischpulver unterschiedlicher Größe und verschiedenartiger Kornstruktur liefert die besten Dichtewerte.

Durch den Preßdruck werden die einzelnen Pulverteilchen elastisch oder plastisch verformt. Nach Beendigung der Druckbeanspruchung bleiben im gepreßten Körper noch Spannungen, die erst bei dem nachfolgenden Sintern abgebaut werden. Praxisübliche Sinterzeiten und Sintertemperaturen haben kaum besonderen Einfluß auf die Dichtesteigerung. Da jedoch Festigkeit und Dehnung eines Preßlings in hohem Maße von der Dichte abhängen, wird -- falls die Wirtschaftlichkeit es zuläßt -- das Doppelpreßverfahren angewandt. Wird nämlich auf den gesinterten Körper, der als spannungsfreigeglüht betrachtet werden kann, nochmals ein Druck ausgeübt -- der Druck braucht nicht höher zu sein als der erste Preßdruck --, so wird die Dichte infolge einer weiteren Umformung der Pulverteilchen gesteigert, wobei die ausgeübte Preßkraft fast restlos zur Verdichtung ausgenutzt wird, da keine Kräfte zur

Pulververschiebung, also durch Reibung verlorengehen. Die Verformung geht leichter,wenn die Höhe der Vorsintertemperatur nur eine geringe Festigkeit des Preßlings ergeben hat. Die Sintertemperatur nach der zweiten Pressung liegt möglichst hoch.

Neuerdings gewinnt die Einführung der Warmpreßtechnik als wirtschaftliches Mittel zur Porositätsverminderung der Sinterteile zunehmende Bedeutung. Hierbei handelt es sich um eine Nachverdichtung gesinterter Formteile bei erhöhten Temperaturen. Das in seiner äußeren Form fertige Sinterteil wird im geschlossenen Werkzeug vertikal nachverdichtet, wobei übliche Preßdrücke

von 40 MN/cm² bis 60 MN/cm² angewandt werden. Durch den verringerten Fließwiderstand beim Warmnachpressen kann eine Verdichtung bis zu Raumerfüllungen von etwa 97 % erzielt werden.

Ein in der Entwicklung befindliches, wirtschaftlich bedeutendes Verfahren ist das Pulverschmieden. Hierbei geht man von einem pulvermetallurgisch vorgefertigten Formkörper aus, der bei einer Warmformgebungstemperatur von 800°C bis 1100°C in ein auf 200°C bis 300°C vorgewärmtes geschlossenes Werkzeug eingepreßt und in allen drei Raumachsen plastisch umgeformt wird. Das Verfahren wird auch 'Sinterforging' oder 'Hot-forging' genannt.

Im Vergleich zum geschmolzenen Stahl ist der Fließwiderstand des porösen Materials erheblich niedriger, so daß auch komplizierte Formkörper hergestellt werden können. Es werden Dichten von etwa 99,5 % angestrebt. Die so hergestellten Teile sind in ihren Eigenschaften mit den gesenkgeschmiedeten Teilen vergleichbar.

Für das Pulverschmieden werden folgende Vorteile angegeben:

a) vereinfachter Schmiedeablauf und damit bessere Ausnutzung der Preßkapazität,

b) niedrigere Umformkräfte,

c) kein Grat, daher Materialersparnis,

d) Kosten- und Materialersparnis durch verringerte Nachbearbeitung,

e) feinkörnige Gefügestruktur,

f) größere Gewichtskonstanz der Teile.

Zur Verwendung kommen im allgemeinen legierte Pulver, die teurer sind als die vergleichbaren gewalzten Rohmaterialien. Ersparnisse sind daher nur zu erwarten, wenn große Serienmengen herzustellen sind.

Nach diesem Verfahren fertigt eine Firma in den USA in zwei Fertigungsketten innenverzahnte Hohlräder  für ein automatisches Getriebe (nach dem Sintern geschmiedete Formteile). Zunächst wird ein hohles Rohteil vorgepreßt und anschließend gesintert. Nach dem Abkühlen der Vorform auf etwa 900°C wird das Teil selbsttätig der Schmiedepresse zugeführt und formgepreßt. Ein neuartiges Preßwerkzeug gestattet ein isostatisches Pressen des Sinterrohlings, d.h. es kommt zu dem Stempeldruck von oben noch ein hydraulischer Druck rundum von außen nach innen, so daß eine gleichmäßige Raumerfüllung gewährleistet wird. Für dieses isostatische Pressen können auch die üblichen Gleitmittel wie Zinkstearat,

entbehrt werden. Das hat den Vorteil, daß diese Zusätze nicht erst in der Stearatabbrennkammer ausgetrieben werden müssen. Außerdem werden Sintertemperaturen von 1300°C statt der üblichen 1150°C vorgesehen. Dadurch wird die Durchlaufzeit der Teile erheblich kürzer.

1. 2. 3. Preßwerkzeuge

In der Pulvermetallurgie werden vorwiegend zwei verschiedene Verdichtungsmethoden angewandt, die sich in der Freilegung des gepreßten Körpers unterscheiden:

a) das Abziehverfahren

Das Abziehverfahren hat sich als das günstigere herausgestellt. Die Arbeitsweise eines

Werkzeuges nach dem Abziehverfahren ist aus Bild 4 zu erkennen. Da der Preßkörper zwei verschiedene WeIkstückhöhen hat, sind zwei Unterstempel vorzusehen, von denen der eine vorgehoben ist (1). Wenn der Oberstempel in die mit Pulver gefüllte Matrize (9) eintaucht, entstehen an der Matrizenwand Reibungskräfte. Hierdurch wird die Matrize mit nach unten genommen. Relativ betrachtet, ist dies gleichbedeutend mit einer Aufwärtsbewegung der beiden Unterstempel, und damit gleich einer Druckwirkung dieser Stempel.

Durch diese Relativbewegung der Matrize wird eine gleichmäßige Verdichtung des Pulvers erreicht. Nach Hochfahren des Oberstempels wird die Matrize in die Abzugstellung gebracht, wodurch der Preßkörper auf dem Unterstempel ruht und abgenommen werden kann. Durch diese Beschaffenheit des Werkzeuges sind die mannigfachen Möglichkeiten, die zu einem Riß oder Bruch des Körpers führen könnten, weitgehend ausgeschaltet.

b) das Ausstoßverfahren.

Handelt es sich um die Herstellung einfacher Preßkörper, lassen sich auch Preßwerkzeuge einsetzen, die nach dem Ausstoßverfahren arbeiten (Bild 5). Soll ein Teil gepreßt werden, das zur richtigen Füllraumaufteilung eine Stempelunterteilung verlangt, so besteht beim Ausstoßen des gepreßten Körpers die Gefahr der Rißbildung oder der Zerstörung des Teiles. Zur Deutung sei der gleiche Körper betrachtet wie bei dem Abziehverfahren. Auch beim Werkzeug für das Ausstoßverfahren muß der Unterstempel (6) vorgeschoben werden. Hierzu dient eine Feder (7), die sich auf der Federplatte (8) abstützt. Diese ist mit der Unterplatte (1) starr verbunden.

Beim Eintauchen des Oberstempels erfolgt die schon beim Abziehwerkzeug beschriebene 'Relativbewegung' der Matrize und gleichmäßige Verdichtung des Pulvers. Der Unterstempel (6) setzt sich auf die Stempelplatte (13). Nach Zurückziehen des Oberstempels stößt

der Auswerfer (12) über die Stößelplatte (11), die Säulen (14), die Stempelplatte (13) und die Unterstempel (6) und (6a) den Preßkörper aus.

Auf Federn ruhende Stempel können zu einer Bruchgefahr werden, wie Bild 6 zeigt. Nach Rücklauf des Oberstempels (a) sind die Federn der Füllmatrize und des Unterstempels entlastet, die Matrize springt in ihre Füllstellung zurück (b), der Preßling wird ohne Rißbildung mitgenommen. Durch partielle Entspannung kann jedoch schon ein Riß auftreten (c). Häufig ergibt sich aber auch dadurch Bruchgefahr, daß die hochschnellende Matrize einen Teil des Preßkörpers abreißt (d). Ist nach Rückspringen der Matrize in Füllstellung gemäß Stellung (b) kein Anriß erfolgt, so ist doch der auf einer Feder sitzende Unterstempel (6) entlastet und in Füllstellung hochgefahren. Wenn die Ausstoßbewegung einsetzt, eilt dieser gefederte Stempel vor, der ihm zugeordnete Teil des Preßlings kann schon abreißen, bevor der feste Stempel den Preßkörper erreicht hat (e). Infolge dieser Unsicherheiten und Gefahren verliert

das Ausstoßverfahren an Bedeutung.

Zum Verpressen werden sowohl mechanische als auch hydraulische Pressen verwendet, die den Besonderheiten der Preßtechnik angepaßt sein müssen. Mechanische Pressen bringen zwar eine höhere Stückleistung, sind jedoch in ihrer Verwendungsmöglichkeit begrenzt und auch verschleißanfälliger. Zur Erzeugung großer Mengen einfacher Teile mit möglichst gleichmäßiger Stückhöhe ist ihr Einsatz sehr wirtschaftlich. In der Höhe stark profilierte Körper, die eine konstante Dichte und gute Dichteverteilung haben sollen, werden vorzugsweise auf hydraulischen Pressen verarbeitet. Die stufenlose Regelung der Preßgeschwindigkeit kann den Eigenarten der verschiedenen Pulver gut angepaßt werden. Nachpreß- und Kalibrierungsarbeiten können ebenfalls mit automatischer Regelung oder Handregelung ausgeführt werden. Die hydraulischen Pressen werden für Druckkräfte von 300 MN bis 4000 MN, schwere Typen mit Drücken oberhalb 5000 MN bis 20000 MN ausgeführt.

1. 2. 4. Sintern

Die an das Pressen anschließende Wärmebehandlung ist von entscheidender Bedeutung dafür, daß das Preßteil die gewünschten Eigenschaften erhält. Diese Wärmebehandlung, das Sintern, ist ein Glühen bei Temperaturen, die unterhalb des Schmelzpunktes des Grundpulvers liegen. Hierbei vollziehen sich insbesondere Diffusionsvorgänge zwischen den sich berührenden Pulverteilchen, die zu einer Festigkeitssteigerung führen. Daher darf die Sintertemperatur nicht zu niedrig, die Zeit nicht zu kurz sein. Die Sintertemperaturen für Eisenwerkstoffe liegen zwischen 1150°C bis 1250°C.

Üblich sind elektrisch beheizte Sinteröfen mit Cr-Ni-Heizleitern. Als Bandöfen mit erreichbaren Temperaturen bis 1100°C dienen sie hauptsächlich zum Sintern von NE-Metallen und auch von Eisen. Als Öfen mit Stearat-Abbrennkammern haben sich sehr gut Stoßöfen mit Molybdänheizleitern bewährt, und ebenso beheizte Hubbalkenöfen für Temperaturen bis 1350°C. Alle Öfen können mit Schutzgas

betrieben werden. Dieses soll eine Oxydation der Pulverteilchen verhindern, und die Molybdän-Heizleiter schützen. Als Schutzgas verwendet man vorwiegend Ammoniak-Spaltgas, daneben exotherme Gase und Endogas.

Der Fertigungsablauf des Sinterns vollzieht sich so, daß die in Sinterkasten eingepackten Preßlinge zunächst die Stearat-Abbrennkammern des Ofens durchlaufen. Die Stearate (preßerleichternde Mittel) werden hier bei etwa 500°C ausgetrieben, da sie beim Verbleiben den Sintervorgang stören würden. Anschließend gelangen die Teile in die Hochtemperaturzone, die sie bei 1050°C bis 1250°C in einer Zeit

zwischen 30 min bis l20 min durchlaufen.

Das Sintern ist mit einer allseitigen Schrumpfung verbunden, deren Größe von verschiedenen Faktoren abhängig ist, z. B. von der Herstellungsart des Pulvers, von der Korngröße, vom Preßdruck, von der Dichte, von Sintertemperatur und -zeit und von der Form des Preßlings, so daß eine genaue Vorausbestimmung eines nach allen Dimensionen gültigen Kontraktionskoeffizienten nicht möglich ist. Man kann jedoch durch Zugabe von etwa 0,5 % bis l,5 % Kupfer den Schwundausgleich steuern. In diesem Fall dient also das Kupfer nicht zur Erhöhung der mechanischen Eigenschaften des Preßlings. Trotz dieser Steuerung des Schwundausgleiches werden die Matrizen auf Sollmaß gearbeitet, d.h., man sieht von einer Matrizenkorrektur ab, da eine empirische Vorausbestimmung eines Matrizenmaßes unzuverlässig ist und daher teuere Bearbeitungskorrekturen an den Matrizen vorzunehmen wären. Der Schwundausgleich mit Kupferzugabe ist allerdings nur bei Eisenwerkstoffen anwendbar.

1. 2. 5. Nachbehandlung von Sinterteilen

Zur Nachbehandlung und Verbesserung der Sinterteile können folgende Methoden angewandt werden:

- Doppelpressen

- Kalibrieren

- Kohlen (Oberfläche bis Kern, nur bei Eisen anwendbar)

- Infiltrieren (Kern; bei Eisen und bei Cermets [= Metalle mit Nichtmetallen] anwendbar)

- Imprägnieren, Lackieren (Oberfläche bis Kern, bei allen Werkstoffen)

- Oxydieren (Oberfläche, nur anzuwenden bei Eisen)

- Galvanisieren (Oberfläche, bei allen metallischen Werkstoffen)

Zur Steigerung der physikalischen Werte eines Preßteiles kann das Doppelpreßverfahren dienen. Hierbei wird ein gepreßtes und gesintertes Teil erneut verdichtet und gesintert. Im allgemeinen verfährt man dabei so, daß der Vorpreßdruck 40 MN/cm² beträgt und die Erstsinterung bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt wird. Das Nachverdichten wird mit etwa 60 MN/cm² vorgenommen, das Sintern bei der üblichen Temperatur. Hierbei werden Dichtesteigerungen bis 20 % erzielt. Die Doppelpreßtechnik ist aufwendiger und teurer als die Einfachpreßtechnik.

Die Kohlung gehört zur wichtigsten Nachbehandlung eisenhaltiger Teile. Dem Eisenpulver beigemischter Graphit legiert sich zwar mit dem Eisen. Ein großer Teil des Kohlenstoffes verbrennt jedoch beim Sintern, so daß es nicht immer gelingt, gleichmäßig gekohlte Sinterteile zu erzeugen. Das ist wohl möglich durch eine Zementation nach dem Sintern, verteuert aber die Produktion, schont jedoch die

Werkzeuge bei der Doppelpressung oder Kalibrierung, da die Teile bei diesen Fertigungsprozessen noch weich sind.

Bei der Gasaufkohlung gesinterter Proben aus RZ 150, RZ 150 mit 1 % Graphit, RZ 150 mit Cu, Ni und Ni + Cu bzw. Ni + Cr ergaben sich starke Maßänderungen in Abhängigkeit von der Aufkohlungstemperatur, die zusätzlich von der Art des Pulvers und der Pressung -- Einfach- oder Doppelpressung -- abhängig sind. Bei einfach gepreßten Proben, deren Maßänderung positiv verläuft, ist bei einer Aufkohlungstemperatur, die 900°C nicht unterschreitet, das geringste positive Wachsen zu erwarten. Bei doppelgepreßten Proben läßt sich bei Eisenpulver mit 5 % Cu sowie mit 2 % Ni + 2 % Cr ebenso verfahren. Eisenpulver mit 5 % Ni sowie mit 2 % Ni + 2 % Cu zeigt negative Maßänderung, also Schrumpfung, die am geringsten ist bei niedrigen Einsatztemperaturen (~ 780°C). Eisenpulver mit 2 % Cu bzw. 2 % Ni kann bei geeigneter Aufkohlungstemperatur maßänderungsfrei einsatzgehärtet werden. Einsatzhärtung von Eisenpulvern mit 1 % Graphitzusatz kann bei verschiedenen Einsatztemperaturen zu positiven und negativen Maßänderungen führen. Für Sinterteile ist die Kohlung im Salzbad nicht günstig, weil in den Poren Salzreste verbleiben können, die zur Korrosion führen. Dagegen ist die Kohlung im Kasten oder Gasstrom gut durchführbar. Durch Abschrecken in der üblichen Art werden die Teile gehärtet.

Infiltrieren ist ein Tränken poröser Sinterkörper mit Buntmetall (Kupfer, Messing, Cu-Mn-Fe), wodurch wasser-, öl- und luftdichte Teile hergestellt werden können. Da die infiltrierten Teile außerordentlich viel Metall (bis 20 %) aufnehmen, ist das Endprodukt sehr teuer, weshalb dieses Verfahren nur eingesetzt wird, wenn die vorgenannten dichten Teile verlangt werden. Tränkkörper werden gefertigt durch Auflegen eines Stückes Buntmetall mit dem gleichen Volumen wie das der auszufüllenden Poren. Im Sinterofen schmilzt das Buntmetall und dringt in die Poren ein. Hierdurch können Zugfestigkeiten bis zu 700 N/mm² erzielt werden.

Die Poren eines gesinterten Metallkörpers lassen sich durch Imprägnieren mit Öl, Paraffin, Kunstharzlösungen, Lacken und Phosphaten anfüllen. Hierdurch wird die Schmierwirkung verbessert, oder der Korrosionsschutz erhöht. Die offenen Poren z. B. einer Lagerbüchse nehmen so viel Öl auf, daß ein derartiges Teil während seines ganzen Einsatzes nicht zusätzlich geschmiert zu werden braucht. Man spricht von 'öllosen Lagern'. Auch bei größeren und schweren Lagern nutzt man dieses Ölreservoir aus, will dabei jedoch nur eine gute 'Notlaufschmierung' erreichen, d.h., bei unterbrochener oder zeitlich begrenzter Schmiermittelversorgung soll das Lager nicht trocken laufen.

Künstliche Oxydation wird durch Behandeln mit Wasserdampf vorgenommen. Die fertigen Teile werden im Ofen bis etwa 500°C erwärmt, dann wird Dampf in den Ofen gelassen. An der Oberfläche und in den benachbarten Poren bildet sich eine dichte und harte Oxidschicht aus Fe₃O₄:

3Fe + 8H₂O Fe₃O₄ + 4H₂O + 4H₂

Charakteristische Anwendungsbeispiele oxydierter Teile sind pulvermetallurgisch hergestellte Stoßdämpferkolben, ferner Kettenräder, Büchsen, Scheiben, Stellhebel, bestimmte Arten von Zahnstellrädern, Rollen für Kühlschränke, Herde u. a., Bild 7. Alle diese Teile zeichnen sich durch einen hohen Abriebwiderstand aus. Bei der galvanischen Behandlung sollen die Sinterkörper eine Dichte von 7,2 g/cm³ oder mehr haben, weil sonst kein einwandfreier Niederschlag von Kupfer, Nickel, Chrom u.a. möglich ist. Haben die Teile zu viele Poren, müssen diese geschlossen werden, am besten mit Kunstharzen. Die Oberfläche muß vor der elektrolytischen Behandlung von den Harzrückständen befreit werden.

1. 2. 6. Sinterwerkstoffe

Zur Herstellung einsatzfähiger Sinterteile müssen oxidfreie Pulver verwendet werden. Das Sintern hat in einer reduzierenden Atmosphäre zu geschehen. Daher fallen Metalle, deren Oxide sich in Wasserstoff nicht entsprechend reduzieren lassen, für die Herstellung von Sinterteilen teilweise oder ganz aus. Am meisten werden Eisen und Eisenlegierungen sowie Kupfer und dessen Legierungen gesintert. Dagegen sind Aluminium und andere Leichtmetalle schwierig zu sintern. Es werden aber auch Mischungen aus Metallen und Nichtmetallen (z. B. Graphit) oder auch aus Eisen mit anderen Metallen gesintert. Bei den Pulvern werden bestimmte Anforderungen an die Reinheit, die Gestalt, das Volumen im Schüttzustand u.a. gestellt. Sinterkörper aus Eisen erreichen bei Einfachpreßtechnik eine Dichte bis zu 7,1 g/cm³. Der Porenraum ist hierbei nur gering.

Ein nachträgliches Imprägnieren ist bei so hoher Dichte nicht möglich, weil die Poren geschlossen sind. Infolge der hohen Dichte ist die Festigkeit hoch. Daher eignen sich diese Sinterkörper besonders für Maschinenteile, nicht dagegen für Lagerbüchsen. Zur Kohlung wird dem Eisenpulver häufig Kohlenstoff in Form von Graphit beigemengt. Auch Kohlung nach dem Sintern ist möglich. Solche Sinterteile können in einen vergüteten Zustand gebracht werden. Mit dem Eisen lassen sich auch andere Legierungskomponenten mischen, wie Kupfer, Nickel, und Blei. Hierdurch werden starke Festigkeitssteigerungen, aber geringere Dehnungswerte erreicht.

Von den Nichteisenmetallen kommen hauptsächlich Pulver aus Kupfer und Kupferlegierungen zur Verwendung, ferner Silber und Nickel. Der Vorteil solcher Sinterteile liegt neben der hohen Maßgenauigkeit hauptsächlich in der erreichbaren Porosität. Solche Körper nehmen in ihren Poren große Mengen Öl auf, weshalb sie als selbstschmierende Lager immer mehr Anwendung finden. Auch Imprägnieren mit Kunstharz, Paraffin usw. ist möglich. Die aus Eisen- oder Bronzepulver hergestellten Gleitlager sind selbstschmierend. Sie sind sauber, weil sie nicht tropfen. Ihr Einsatz bringt dort Vorteile, wo eine Schmierung nicht möglich ist oder sich eine Wartung nicht lohnt, z. B. bei Meßzählgeräten. Andere Teile aus Sinterbronze bzw. Sintermessing mit hoher Dichte eignen sich gut für höher beanspruchte Bauteile. Die Sinterwerkstoffe sind nach einem übersichtlichen System geordnet. Als Ordnungsmerkmal dient die Raumerfüllung und der von ihr abhängige Porenraum, der als das wichtigste Kennzeichen aller pulvermetallurgischen Werkstoffe gilt. Denn er bestimmt entscheidend Gebrauchseigenschaften und Einsatzgebiet. Die Werkstoffe lassen sich in 3 Hauptgruppen unterteilen, in der Praxis werden 8 Klassen unterschieden:

Klasse SINT-A

Sinterwerkstoffe mit sehr niedriger Dichte und großem Porenraum (Filter).

Besonders bewährte Pulver: Chrom-Nickel-Stahl (18/8-Typ), Bronze, daneben Nickel -- Silber --

Monel -- verschiedene Kunststoffpulver.

Porosität:        30 % bis 50 %

Dichte: 1 g/cm³ bis 6,4 g/cm³

Festigkeit:       10 N/cm² bis 150 N/cm²

Dehnung:        0,5 % bis 12 %

Anwendungsbereich: Filtertechnik, Fließbett-Technik für Oberflächenreaktionen.

Klasse SINT-B

Sinterwerkstoffe mit niedriger Dichte und großem Porenraum (ölgetränkte Gleitlager).

Bewährte Pulver:        Sintereisen -- Sintereisen mit Zugabe von Graphit, Kupfer -- Sinterbronzen -- Sinterbronzen graphithaltig.

Porosität:        18 % bis 30 %

Dichte: 5,8 g/cm³ bis 7,0 g/cm³

Festigkeit:       70 N/mm² bis 280 N/mm²

Dehnung:        3 %

Anwendungsbereich: Selbstschmierende Lager (geräuscharmer Lauf, Wartungsfreiheit), Temperaturbereich bei richtiger Abstimmung der Ölqualität des Tränköles von etwa -40°C bis +130°C, Gleitbeläge, Reibbeläge in Kupplungen und Bremsen.

Klasse SINT-C

Sinterwerkstoffe mit mittlerer Dichte und mittelgroßem Porenraum. Die Werkstoffe auf Eisenbasis werden mit 'Sinterstahl' bezeichnet.

Bewährte Pulver:        Sinterstahl -- Sinterstahl, kupferhaltig -- Sinterstahl,

kupfer- und kohlenstoffhaltig -- Sinterstahl, kupfer- und nickelhaltig (bleihaltig) -- Sinterbronze -- Sintermessing -- Sinterneusilber.

Porosität:        bis 20 %

Dichte: 6,4 g/cm³

Festigkeit:       100 N/mm² bis 300 N/mm²

Anwendungsbereich: Ölpumpenzahnräder für Kraftfahrzeug-Motoren, Teile für Stoßdämpfer, Formteile für den Nähmaschinenbau, Formteile und Zahnräder für den Büromaschinenbau, Teile für Türschlösser, Polschuhe.

Klasse SINT-D

Sinterwerkstoffe mit hoher Dichte und niedrigem Porenraum (Bauteile hoher Festigkeit).

Bewährte Pulver:        ähnlich wie bei SINT-C.

Porosität:        Bei dieser und den folgenden Klassen von untergeordneter Bedeutung, daher hohe Festigkeit der Teile.

Dichte: 7 g/cm³ bis 8 g/cm³

Festigkeit:       200 N/mm² bis 500 N/mm²

Anwendungsbereich: Fliehgewichte für Fliehkraftkupplungen, Hebel für Steuergeräte, Einzelteile für Rechen- und Büromaschinen, Formteile für den Nähmaschinenbau, Einzelteile für Jagd- und Sportwaffen.

Teile aus SINT-D lassen sich durch Einsatzhärtung (feste oder gasförmige Kohlungsmittel) aufkohlen. Gute Zerspanbarkeit, löt- und schweißbar. Viele Teile lassen sich maßgenau herstellen und durch Maßkalibrierung auf hohe Oberflächengüten bringen.

Klasse SINT-E

Sinterwerkstoffe mit sehr hoher Dichte und fast ohne Porenraum (Bauteile mit hoher Zähigkeit oder besonderen physikalischen Eigenschaften).

Als Pulver kommen zur Verwendung Sinterstahl mit besonderen physikalischen Eigenschaften sowie kupferhaltiger Sinterstahl.

Dichte: 7,2 g/cm³

Festigkeit:       > 200 N/mm² bei hoher Dehnung. Die Teile werden aus hochwertigen Pulvern nach dem Doppelpreßverfahren hergestellt. Sie sind gut zerspanbar, lassen sich schweißen, hartlöten und auch kaltumformen.

Anwendungsbereich: Büromaschinenteile, Relaisteile in schnellansprechenden Relais u.a.

Klasse SINT-F

Sinterwerkstoffe mit sehr hoher Dichte ohne oder fast ohne Porenraum

a) (Bauteile mit sehr hoher Festigkeit). Als Pulver kommen zur Verwendung Sinterstahl hoher Dichte und        hoher Festigkeit.

Dichte: 7,5 g/cm³

Festigkeit:       > 500 N/mm²

Die weitgehende Porenfreiheit wird im Gegensatz zu Klasse E vornehmlich durch Infiltrieren mit verschiedenen Stoffen erreicht. So lassen sich Werkstoffe auf Eisenbasis gut mit Kupferlegierungen infiltrieren.

Die Oberflächen der SlNT-F-Werkstoffe sind völlig porenlos, weshalb sich galvanische Überzüge einwandfrei aufbringen lassen. Die Maßgenauigkeit ist wegen des Herstellungsverfahrens eingeschränkt, die Teile sind jedoch gut zerspanbar. Die Kaltumformbarkeit ist begrenzt.

Anwendungsbereich: im Maschinen- und Kraftfahrzeugbau.

b) (Werkstoffe mit besonderen physikalischen Eigenschaften). Diese Werkstoffe als Sondergruppe der Werkstoffklasse SINT-F lassen sich nur pulvermetallurgisch herstellen. Hier kann man die Durchdringungsverbundmetalle für elektrische Kontakte sowie hochwolframhaltige Werkstoffe unterscheiden.

Pulver aus hochschmelzenden, abbrandfesten Metallen, z. B. Wolfram oder Molybdän, werden zu einem Skelett gepreßt und mit Kupfer und Silber dicht getränkt. Wegen des besonders guten Abbrandverhaltens eignen sich mit Kupfer getränkte Werkstoffe auf der genannten Basis als Kontakte für Hochspannungs- und Ölschalter, die mit Silber getränkten Werkstoffe für hochbeanspruchte Schaltstücke in Niederspannungs-Leistungsschaltern. Gesintertes Wolframtränkmetall wird wegen des günstigen Abbrandverhaltens als Elektrodenwerkstoff sowohl bei der Widerstandsschweißung als auch bei der Funkenerosion vielfach angewandt. Diese Werkstoffe werden vorwiegend als Halbzeug in Standardabmessungen bereitgehalten.

Die hochwolframhaltigen Werkstoffe unter der Bezeichnung G 17 und G 18 mit 90 % Wolfram und mehr, Rest Kupfer und Nickel, erreichen fast theoretische Dichte, weshalb sie sich besonders gut als Schwungmasse für Armbanduhren mit automatischem Aufzug, als Mengenmesser für Gase und Flüssigkeiten, als Abschirmmaterial gegen Gammastrahlen und schließlich für Kreiselgeräte im Flugzeugbau eignen.

Mit Einführung der Warmpreßtechnik wurden zwei weitere Sinterklassen hinzugenommen:

Klasse SINT-G

Sinterwerkstoffe mit nahezu 100 % Raumerfüllung.

Bewährte Pulver:        Sinterschmiedestahl -- Silber-Nickel -- Silber-Graphit -- Silber-Cadmiumoxid.

Dichte: Bei einer Raumerfüllung von > 97 % bis > 99 % beträgt die Dichte je nach dem Grundwerkstoff 6,5 g/cm³ bis 10,2 g/cm³.

Die Pulver werden durch Pressen bei Warmformgebungstemperatur verarbeitet. Mit dieser Verfahrenstechnik lassen sich Werkstoffe erzeugen, die schmelzmetallurgisch schwierig oder gar nicht herstellbar sind. Hervorragend geeignet für elektrische Kontakte sind die auf Silberbasis erzeugten Teile.

Klasse SINT-H

Lagerwerkstoffe mit sehr hoher Raumerfüllung und eingelagertem Festschmierstoff.

Bewährte Pulver:        Sinterbronze, graphithaltig und hochgraphithaltig -- Sinterbronze, graphit- und bleihaltig sowie hochgraphithaltig, bleihaltig.

Raumerfüllungsgrad höher als 90 %.

Durch die eingelagerten Festschmierstoffe erhalten die Werkstoffe selbstschmierende Eigenschaften.

Anwendungsbereiche:           Gleitlager, Kolbenringe, Gleitplatten.

Grundsätzlich lassen sich bei Sinterkörpern alle Zerspanungsarten anwenden. Hierbei sind für die Eigenart der porigen Teile entsprechende Regeln zu beachten. Auch unlösbare Verbindungen entweder miteinander oder mit kompakten Körpern sind möglich durch Zusammensintern, Löten, Schweißen und auch Kleben.

Sehr große Bedeutung für die Zerspanungstechnik haben die Sinterhartmetalle gewonnen. Zu ihrer Herstellung werden feine Pulver aus den Calbiden des Wolframs und/oder des Titans mit einem niedriger schmelzenden Metall, z. B. Kobalt oder Nickel, gemischt, zu Platten oder anderen Formteilen gepreßt und bei etwa 800°C vorgesintert. Diese Teile können jetzt durch Bohren, Drehen, Feilen usw. in die gewünschte Endform (Formplättchen zum Bestücken der Schneidwerkzeuge) gebracht werden. Nach dem anschließenden Fertigsintern bei 1600°C bis 1700°C ist eine Bearbeitung nur noch durch Schleifen möglich.

Die verschiedenartigen Herstellungsverfahren in der Fertigung lassen sich nicht allgemein vergleichen. Man findet Vor- und Nachteile erst, wenn man nach den fertigungstechnischen, werkstofftechnischen, kostenmäßigen usw. Eigenheiten oder nach Stückzahl, Stückgröße, Werkzeugkosten u.a. fragt. Der Versuch eines Vergleiches der Herstellungsverfahren ist in der Tabelle 1. wiedergegeben.