Verdichtetes Metallpulver weist eine geringe mechanische Festigkeit auf und ist für den praktischen Einsatz zu zerbrechlich.
Bei der Pulvermetallurgie wird der Grünling beim Sinterprozess unter seinen Schmelzpunkt erhitzt, wodurch sich die Metallpartikel verbinden und verdichten. Dadurch werden Festigkeit, Härte und strukturelle Integrität des Teils deutlich verbessert.
Phasen des Sinterprozesses
Der Sinterprozess erfolgt in drei Hauptphasen: Vorwärmen, Hauptsintern und Abkühlen. Jede Phase ist entscheidend für das Erreichen der gewünschten Eigenschaften wie Zugfestigkeit und mechanische Festigkeit.
Vorsintern (Entwachsen)
Das Vorsintern ist die erste Phase, in der die Pulvermetallkomponente schrittweise auf 500–900 °C erhitzt wird.
Warum ist das notwendig?
Das Entfernen von Schmier- und Bindemitteln aus den verdichteten Pulverpartikeln ist ein vorrangiges Ziel. Diese Schmier- und Bindemittel unterstützen zwar die Verdichtung, müssen aber entfernt werden, um eine Verklebung und Verdichtung zwischen den Pulvern zu verhindern.
Darüber hinaus werden durch das Vorsintern Oxide auf der Oberfläche der Metallpulver reduziert. Diese Oxide müssen reduziert werden, bevor die Pulverpartikel gesintert und verdichtet werden können, um Hochleistungswerkstücke herzustellen.
Schmiermittel wie Zinkstearat erzeugen beim Erhitzen und Zersetzen Kohlenmonoxid. Kohlenmonoxid über 18 Vol.-% reagiert leicht zu Kohlenstoff oder Kohlendioxid, wodurch sich Kohlenstoffablagerungen auf der Werkstückoberfläche bilden. Dadurch erscheinen Blasen oder Beulen auf der Werkstückoberfläche. Um dieses Problem zu lösen, können Sie die Durchflussrate der Sinteratmosphäre erhöhen.
Hochtemperatursintern
Hier passiert die Magie.
In dieser Phase steigen die Temperaturen auf etwa 70–90 % des Schmelzpunkts des Metalls. Beispielsweise werden kupferbasierte Teile bei etwa 820 °C gesintert, eisenbasierte Teile bei etwa 1120 °C und Edelstahlteile bei fast 1250 °C.
Das Hochtemperatursintern erfolgt in drei Stufen.
- Anfangsphase: Die verdichteten Pulverpartikel bilden Flächenkontakte (Hälse), und das Material beginnt sich leicht zu verdichten. In dieser Phase sind die meisten Poren in den Teilen miteinander verbunden.
- Zwischenstadium: Mit der Zeit werden die Hälse allmählich größer und die Körner beginnen zu wachsen. Dies führt zu einer Verringerung der Porosität und einer deutlichen Zunahme der Dichte.
- Endstadium: Zu diesem Zeitpunkt sind die meisten Poren isoliert. Das Gas in den Poren verlangsamt die weitere Verdichtung. Zusätzlich erhöht sich im Endstadium die Kornwachstumsrate deutlich.
Die folgende Abbildung zeigt die relative Dichteänderung des Werkstücks während des Hochtemperatur-Sinterprozesses.
Daher werden die mechanischen Eigenschaften des Grünlings nach dem Hochtemperatursintern deutlich verbessert, beispielsweise Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit.
Kühlung:
Die Abkühlphase folgt dem eigentlichen Sinterprozess. Sie verfestigt und stabilisiert die Teile. Durch die allmähliche Abkühlung von hoher auf Raumtemperatur bleibt die beim Sintern aufgebaute strukturelle Integrität des Teils erhalten.
Die Abkühlgeschwindigkeit ist entscheidend für die Formung der Mikrostruktur des Materials. Niedrigere Geschwindigkeiten sind empfehlenswert, da sie die Mikrostruktur verfeinern und mechanische Eigenschaften wie Zähigkeit und Festigkeit verbessern.
Eine effektive Kühlung hilft, Spannungen abzubauen, die während des Sinterprozesses entstehen. Werden diese Spannungen nicht richtig bewältigt, können sie beim Abkühlen zu Verformungen oder Rissen der Teile führen.
Darüber hinaus können durch die Anpassung der Ofenatmosphäre die Oberflächeneigenschaften verbessert oder der Oxidationsgrad gesteuert werden.
Beispielsweise erhöht die Bildung einer schützenden Oxidschicht während des Abkühlens die Korrosionsbeständigkeit bestimmter Metalle erheblich.
Vorteile des Sinterprozesses
Der Sinterprozess verbessert insbesondere die folgenden mechanischen Eigenschaften von Teilen:
Verbesserte Härte und Festigkeit
Durch Sintern werden Härte und Festigkeit der Materialien deutlich verbessert, sodass sie erheblichen Belastungen und Beanspruchungen standhalten können.
Verbesserte Verschleißfestigkeit
Der Prozess erhöht die Dichte und stärkt die Partikelbindungen, wodurch die Verschleißfestigkeit gesteigert wird – entscheidend für Teile, die ständiger Reibung ausgesetzt sind.
Höhere Ermüdungslebensdauer
Durch das Sintern werden die Eigenschaften der Materialien verbessert, sodass sie wiederholter Belastung standhalten und so ihre Haltbarkeit und Zuverlässigkeit auf lange Sicht verbessern.
Erhöhte Duktilität
Durch kontrolliertes Sintern werden Materialien flexibler und neigen weniger dazu, unter Belastung zu brechen, was für die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität von entscheidender Bedeutung ist.
Gute Energieeffizienz
Da das Sintern unterhalb des Schmelzpunkts des verwendeten Materials erfolgt, ist es energiesparender als herkömmliche Schmelzverfahren.
Überragende magnetische Effizienz
Durch Sintern werden im Vergleich zum Gießen oder Bearbeiten auch die magnetischen Eigenschaften von Materialien verbessert, sodass es sich ideal für Anwendungen eignet, bei denen effiziente magnetische Reaktionen erforderlich sind.
Sinteröfen für die Pulvermetallurgie
Verschiedene fortgeschrittene Sinteröfen erfüllen verschiedene Bedürfnisse im fortgeschrittenen Pulvermetallurgie-Prozess, wie z. B. die präzise Sinterkontrolle für magnetische Anwendungen. Im Folgenden werden die wichtigsten verwendeten Ofentypen detailliert beschrieben:
Stoßöfen
Diese Öfen sind speziell für die hochvolumige, konsistente Produktion von Pulvermetallurgieteile. Stoßöfen transportieren Teile durch mehrere Temperaturzonen, um den Sinterprozess zu optimieren.
Förderbandofen
Die Förderbandtrommel ist in der Lage, große Mengen pulvermetallurgischer Teile kontinuierlich zu sintern.
Im Vergleich zu Stoßöfen bieten Bandöfen einen kontinuierlichen, reibungslosen Transportmechanismus. Dies reduziert den Handhabungsaufwand und minimiert mögliche Schäden an den Teilen.
Vakuumöfen
Vakuumöfen führen Sinterprozesse unter Hochvakuum durch, um Oxidation und Kontamination durch atmosphärische Gase zu verhindern.
Vakuumsinteröfen können höhere Sintertemperaturen von bis zu 2000 °C erreichen, haben jedoch im Vergleich zu Förderband- und Durchstoßöfen eine geringere Chargenkapazität.
Nachfolgend finden Sie einen Vergleich der wichtigsten Sinteröfen.
| Sinterofentyp | Kapazität | Kosten Implikation | Sinterzeit |
|---|---|---|---|
| Stoßöfen | Etwa 3 Tonnen pro Zyklus | Die Anfangsinvestition ist hoch; Produktionskosten ≈ 0.41–0.55 US-Dollar/kg | Schnell (ca. 3.5 Stunden pro Zyklus) |
| Förderbandofen | Etwa 2 Tonnen pro Zyklus | Die Anfangsinvestition ist hoch; Produktionskosten ≈ 0.41–0.55 US-Dollar/kg | Schnell (ca. 4.5 Stunden pro Zyklus) |
| Vakuumöfen | Etwa 0.2 Tonnen pro Zyklus | Die Anschaffungs- und Produktionskosten sind hoch; ≈ 2.07–4.14 US-Dollar/kg | Langsam (ca. 20 Stunden pro Zyklus) |
Sinteratmosphäre
Die Sinteratmosphäre beeinflusst die mechanischen Eigenschaften, das Aussehen und die Produktionskosten des Werkstücks. Ihre Hauptfunktionen sind:
- Hilft beim Abbrennen von Schmier- und Bindemitteln im Werkstück
- Reduzierung der Oxidschicht auf der Pulveroberfläche
- Kontrolle des Kohlenstoffgehalts des Grünlings
- Verhindert die Oxidation des Produkts
Stickstoff
Stickstoff wird häufig aufgrund seiner inerten Eigenschaften eingesetzt. Er verhindert die Oxidation während des Sinterprozesses und erhält so die Reinheit des Metallpulvers. Besonders häufig wird er beim Sintern von Edelstahl und Schnellarbeitsstahl eingesetzt, um unerwünschte chemische Reaktionen zu vermeiden.
Wasserstoff
Wasserstoff hat die Eigenschaft, in Metallen schnell zu diffundieren und Oxide stark zu reduzieren. Er ist ideal für Edelstahl, Wolfram und Molybdän.
Argon
Argon ist relativ inert und reagiert nicht mit hochaktiven Elementen wie Titan und Chrom.
Vakuum
Eine Vakuumatmosphäre wird verwendet, um Luft aus der Sinterumgebung zu entfernen und so Oxidation und Kontamination zu minimieren. Sie eignet sich ideal zum Sintern von modernen Materialien und Komponenten, die hohe Präzision und Reinheit erfordern.
Empfohlene Sinterofenhersteller
Gasbarre-Produkte, Inc.
Gasbarre mit Hauptsitz in Pennsylvania, USA, wurde 1973 mit dem Ziel gegründet, Geräte für die Pulvermetallurgieindustrie zu entwickeln und herzustellen.
Abbott Furnace Company
Die Abbott Furnace Company mit Sitz in Pennsylvania, USA, stellt Industrieöfen her. Das Unternehmen produziert hauptsächlich Sinteröfen, Glühöfen, Anlassöfen und Spezialofenprodukte.
Centorr Vacuum Industries
Centorr Vacuum Industries mit Sitz in Nashua, New Hampshire, USA, stellt Hochtemperatur-Vakuum- und Schutzatmosphärenöfen her.
Herausforderung im Sinterprozess
Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung in der Pulvermetallurgie stellt die Kontrolle des Produktschrumpfungsverhältnisses im Sinterprozess eine große Herausforderung dar. Daher erstellen wir üblicherweise Grundformen, um die Ausdehnungs- und Schrumpfungsverhältnisse in neuen Sinteröfen zu testen und so das Risiko von Maßabweichungen deutlich zu reduzieren. Die Kontrolle von Maßänderungen bei jedem neuen Produkttyp bleibt jedoch eine komplexe Aufgabe.
BLUE ist ein professioneller Pulvermetallurgieunternehmen Bereitstellung einer großen Auswahl an standardmäßigen Sinterteilen ohne Werkzeugkosten.
Typische Produkte der Pulvermetallurgie sind Rotoren und Zahnräder von Ölpumpen, Riemenscheiben und Flansche von Wasserpumpen, Stoßdämpferkomponenten, ABS-Ringe, Zahnriemenscheiben und Zahnräder.
Sie können unsere erkunden Standard-Sinterteile-Shop oder downloaden Unsere Produktliste. Darüber hinaus bieten wir individuelle Lösungen, die auf Ihr spezifisches Projekt zugeschnitten sind.
FAQ
Was bedeutet gesintert?
„Gesintert“ bezieht sich auf ein Material oder Teil, das durch den Sinterprozess hergestellt wurde, bei dem Pulvermaterialien unter ihren Schmelzpunkt erhitzt werden, um eine metallurgische Bindung zwischen den Partikeln zu erreichen.
Durch den Sinterprozess entstehen Komponenten mit hoher Maßgenauigkeit, gleichmäßiger Mikrostruktur und kontrollierter Porosität, die in der Pulvermetallurgie häufig für Teile wie Zahnräder, Buchsen und Strukturkomponenten verwendet werden.
Welche Kapazität hat der Sinterofen?
Kleinere Chargenöfen können pro Zyklus Material von wenigen Kilogramm bis zu mehreren Hundert Kilogramm verarbeiten und eignen sich daher perfekt für die spezialisierte oder kundenspezifische Produktion.
Im Gegensatz dazu können größere Durchlauföfen im industriellen Maßstab, wie etwa Förderbandöfen, mehrere Tonnen Material in einem einzigen Zyklus verarbeiten und sind daher gut für die Massenproduktion geeignet.
Wie lang ist ein Sinterofen für die Pulvermetallurgie?
Sinteröfen unterscheiden sich je nach Bauart und Einsatzzweck stark in ihrer Länge.
Kammeröfen, die im Allgemeinen für die Kleinserienproduktion eingesetzt werden, haben üblicherweise eine Länge zwischen 10 und 30 Metern.
Im Gegensatz dazu sind Durchlauföfen, die auf die Massenproduktion ausgelegt sind, oft länger als 30 Meter, um einen stetigen Teilefluss durch mehrere Heizzonen zu ermöglichen.
Was ist die übliche Maschenbandgeschwindigkeit eines Pulvermetallurgie-Förderbandofens?
Die Bandgeschwindigkeiten in Sinteröfen variieren üblicherweise zwischen 100 und 130 mm/min.
Die Anpassung dieser Geschwindigkeit ist für die genaue Steuerung der Sinterzeiten von entscheidender Bedeutung und stellt sicher, dass die Teile für die richtige Dauer den erforderlichen Temperaturen ausgesetzt sind.
Diese Präzision ist entscheidend, um eine optimale Verdichtung und die gewünschten mechanischen Eigenschaften der Teile zu erreichen.
Verbessert der Sinterprozess die Oberflächenbeschaffenheit?
Normalerweise führt das Sintern zu einer raueren Oberfläche der fertigen Teile.
Um eine glattere Oberfläche zu erhalten, müssen nach dem Sintern häufig zusätzliche Prozesse wie maschinelle Bearbeitung oder Schleifen durchgeführt werden.
Diese Schritte tragen dazu bei, dass die Teile besser aussehen und effektiver funktionieren.