Traditionelle Edelstahlherstellungsverfahren nutzen üblicherweise Gießen oder Schmieden. Edelstahlgussteile stehen jedoch häufig vor vielen Herausforderungen, wie z. B. hohen Verarbeitungsschwierigkeiten, geringer Maßgenauigkeit, rauer Oberfläche, Designbeschränkungen und inneren Defekten wie Entmischung, Schrumpfung oder Sandlöchern. Geschmiedeter Edelstahl weist eine geringe Plastizität auf und ist schwer zu formen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Guss- und Schmiedeverfahren bietet gesinterter Edelstahl erhebliche Vorteile, darunter eine niedrigere Sintertemperatur, eine nahezu konturnahe Fertigung, hervorragende Maßgenauigkeit, hohe Materialausnutzung sowie eine gleichmäßige und feine Mikrostruktur. Diese Vorteile haben zu einer breiten Anwendung in Branchen wie Maschinenbau, Chemie, Schiffsbau, Automobilbau und Instrumentierung geführt.
Inhalte
Was ist gesinterter Edelstahl?
Gesinterter Edelstahl ist ein pulvermetallurgisch hergestelltes Material, bei dem feine Edelstahlpulver unter hohem Druck verdichtet werden, um eine präzise Geometrie zu bilden.
Der entstandene Grünling wird anschließend in einem Sinterofen mit kontrollierter Atmosphäre bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung gesintert. Während des Sinterprozesses erleichtern Diffusionsmechanismen die metallurgische Bindung zwischen den Pulverpartikeln, wodurch ein dichtes und mechanisch robustes Bauteil mit den gewünschten physikalischen und mechanischen Eigenschaften entsteht.
Arten von Edelstahl
Austenitisch
Typische Vertreter sind 304L und 316L, die die kubisch-flächenzentrierte Matrix beibehalten, im Wesentlichen unmagnetisch bleiben und die beste Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Austenitische Edelstähle lassen sich leicht verarbeiten und schweißen.
Ferritisch
Beispielsweise haben 409L, 410L und 434L im erstarrten Zustand ein kubisch-raumzentriertes Gitter und enthalten kein Nickel zur Stabilisierung des Austenits. Sie zeichnen sich durch niedrige Rohstoffkosten, gute Oxidationsbeständigkeit und weichmagnetische Eigenschaften bei hohen Temperaturen aus und werden daher häufig in ABS-Schalldämpfern, Auspuffflanschen und Halterungen für Haushaltsgeräte verwendet.
Martensitisch
Martensitische Edelstähle zeichnen sich durch hohe mechanische Festigkeit und Härte aus, vor allem die Stähle 410 und 420. Diese Edelstahlsorte hat einen hohen Kohlenstoffgehalt und wandelt sich nach dem Öl- oder Gashärten und Anlassen in harten Martensit um. Die Korrosionsbeständigkeit von martensitischem Edelstahl ist jedoch geringer als die von austenitischem und ferritischem Stahl.
Herstellungsprozess von gesintertem Edelstahl
Konventionelles Pulvermetallurgieverfahren
Die konventionelles Pulvermetallurgieverfahren für Edelstahl ist wie folgt:
Vermischung
Beim Pulvermischen fügen wir Edelstahlpulvern Schmiermittel hinzu, um die Leistung der Teile beim Pressen zu verbessern. Diese Additive reduzieren die Reibung zwischen den Pulverpartikeln und an den Matrizenwänden, senken die Ausstoßkräfte und tragen zu einer höheren Rohdichte bei. Zu den von uns verwendeten Schmiermitteln gehören Stearinsäure, Zinkstearat, Lithiumstearat und Paraffin.
Verdichten
Beim Pulververdichtungsverfahren wird Edelstahlpulver unter hohem Druck in die Matrizenhöhle gepresst, um einen Grünling mit definierter Form, Größe, Porosität und Festigkeit zu erzeugen.
Da Edelstahl ein hochlegierter Werkstoff mit harten Partikeln und geringer Kompressibilität ist, sind höhere Pressdrücke erforderlich, die typischerweise im Bereich von 500 bis 800 MPa liegen.
Pulvermetallurgisches Sintern
Das Sintern ist einer der wichtigsten Schritte bei der Herstellung von gesintertem Edelstahl. Es spielt eine entscheidende Rolle für die Mikrostruktur und die endgültige Leistung des Edelstahl-Sinterkörpers. Beim traditionellen pulvermetallurgischen Sinterverfahren beträgt die Temperatur beim Sintern von Edelstahl 1250 °C. Dieser Prozess wird üblicherweise unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre durchgeführt.
Warmverdichtung
In der Pulvermetallurgie Warmverdichtung Mischt Metallpulver mit einem speziellen Schmiermittel und erhitzt die Mischung auf eine bestimmte Temperatur, üblicherweise zwischen 100 °C und 180 °C. Das vorgewärmte Pulver wird dann in eine beheizte Matrize gegeben und verdichtet.
Dieses Verfahren ist in der Pulvermetallurgie weithin anerkannt und dient der Herstellung von Teilen mit höherer Dichte und besseren mechanischen Eigenschaften. Im Vergleich zur Kaltverdichtung erreicht die Warmverdichtung eine höhere Gründichte und Grünfestigkeit bei geringerem Pressdruck. Typische Verbesserungen sind eine Erhöhung der Gründichte um 0.15 bis 0.3 g/cm³ und eine Steigerung der Grünfestigkeit um 50 % bis 100 %.
Metallspritzgussverfahren
Metallspritzguss (MIM) ist ein Near-Net-Verfahren zur Herstellung von Edelstahlteilen mit komplexen Geometrien und hohen mechanischen Eigenschaften. Im Vergleich zu herkömmlichen Presssinterverfahren überwindet MIM Herausforderungen wie geringe Dichte und geringe Festigkeit. MIM-Teile erreichen typischerweise 95 % bis 99 % der theoretischen Dichte, eine Zugfestigkeit von über 500 MPa und eine Dehnung von über 45 %. Edelstahl-MIM-Teile können mit einer Genauigkeit von ±0.3 % bis ±0.5 % hergestellt werden.
Allerdings werden bei MIM feine Metallpulver verwendet, die mit hohen Materialkosten verbunden sind.
Vermischung
Der Prozess beginnt mit der Mischung von feinem Edelstahlpulver mit einem organischen Bindemittel, typischerweise im Verhältnis 60:40. Das Bindemittel kann auf Paraffin-, Öl- oder Polymerbasis sein. Diese Mischung (Feedstock genannt) wird anschließend erhitzt und unter hohem Druck in eine Form gepresst.
Spritzguss
Das Ausgangsmaterial wird einer Spritzgussmaschine zugeführt, erhitzt und unter hohem Druck in eine Form gepresst. Dadurch entsteht ein „Grünteil“, das in Form und Größe dem Endteil entspricht.
Entbinderung
Die Entbinderung kann durch thermische Entbinderung, Lösungsmittelextraktion, Kapillarentbinderung oder katalytische Verfahren erfolgen. Bei Edelstahl ist die thermische Entbinderung die gängigste Methode.
Wird das Bindemittel nicht vollständig entfernt, können Defekte wie Blasen- und Rissbildung sowie Oxide, Kohlenstoff oder Carbide zurückbleiben, die sich negativ auf den Sintervorgang auswirken.
MIM-Sintern
Durch Sintern wird die Verdichtung abgeschlossen und die spröden Grünteile in feste Metallteile umgewandelt. MIM verwendet im Allgemeinen höhere Sintertemperaturen als herkömmliche Pulvermetallurgieverfahren, wodurch eine höhere Dichte und mechanische Festigkeit erreicht wird.
Laut Sungs Forschung, 17-4PH Edelstahlpulver und Bindemittel wurden im Verhältnis 60:40 gemischt, anschließend bei einem Druck von 300 kg/cm² spritzgegossen und thermisch entbindert. Durch Erhöhung der Sintertemperatur von 900 °C auf 1350 °C in einer Wasserstoffatmosphäre konnte die relative Dichte der Teile von 61 % auf 99 % gesteigert werden, und auch die Zugfestigkeit wurde verbessert.
Isostatisches Pressen
Anwendungen von gesintertem Edelstahl
Filtration und Flüssigkeitskontrolle
Gesinterter Edelstahl weist eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf und hält korrosiven Chemikalien, hohen Temperaturen und wiederholten Reinigungszyklen stand. Daher werden häufig Filter aus gesintertem Edelstahl zur Gas- und Flüssigkeitsfiltration sowie zur Durchflussregulierung eingesetzt.
Autoteile
Gesinterte Edelstahlteile widerstehen der Korrosion durch Streusalz, Abgase und Schmierstoffe und gewährleisten gleichzeitig die für sicherheitskritische Komponenten erforderliche Maßgenauigkeit. Zu den gängigen Automobilteilen aus gesintertem Edelstahl gehören Zahnräder, Kettenräder, Sensorringe, ABS-Tonräder, Buchsen und Auspuffkomponenten.
Medizintechnik
Ingenieure verwenden MIM-Edelstahl häufig zur Herstellung chirurgischer Instrumente, endoskopischer Werkzeuge, Implantatgehäuse und kieferorthopädischer Brackets. Gesinterte Edelstähle wie 316L und 17-4 PH bieten eine gute Biokompatibilität und eignen sich für die Herstellung medizinischer Präzisionsteile in medizinischen Anwendungen.
Konsumgüter und Elektronik
Edelstahl-Spritzguss wird zur Herstellung von Smartwatch-Gehäusen, dekorativen Beschlägen, Gerätekomponenten und kleinen mechanischen Teilen verwendet. Er bietet nicht nur eine hochwertige Oberflächenbeschaffenheit für sichtbare Teile, sondern ermöglicht auch die Herstellung komplexer Geometrien ohne teure Bearbeitung.
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