Sinterzahnräder, auch Pulvermetallzahnräder genannt, werden im Pulvermetallurgieverfahren (PM) hergestellt. Sie weisen eine nahezu konturnahe Geometrie und präzise Zahnprofile auf, die für eine effiziente Drehmomentübertragung in mechanischen Systemen wichtig sind. Sinterzahnräder werden aus eisenbasierten Legierungen und anderen nickel- oder kupferbasierten Pulvermaterialien hergestellt, um die erforderliche Festigkeit und Haltbarkeit zu gewährleisten. Diese Zahnräder finden Anwendung in verschiedenen Branchen, darunter Automobilindustrie, Elektrowerkzeuge und Industriemaschinen. Ein wesentlicher Vorteil von Zahnräder aus Pulvermetall ist ihre kostengünstige Produktion, die im Vergleich zu herkömmlichen Schmiede- oder Gussverfahren Materialabfall und Nachbearbeitung minimiert.
Inhalte
Herstellungsprozess von Sinterzahnrädern
Pulvermischen
Der Herstellungsprozess von Sinterzahnrädern beginnt mit der Umwandlung des Metalls in Pulverform. Dieses feine Metallpulver wird durch eines der folgenden Verfahren gewonnen:
Zerstäubung
Die Zerstäubung ist ein weit verbreitetes Verfahren, bei dem geschmolzenes Metall durch einen Hochdruckgas- oder Flüssigkeitsstrahl in feine Tröpfchen zerlegt wird. Die entstehenden Pulverpartikel können in unterschiedlichen Größen von 10 µm bis 500 µm erhältlich sein.
- Gaszerstäubung erzeugt typischerweise kugelförmige Partikel im Bereich von 15 bis 250 µm.
- Wasserzerstäubung führt häufig zu unregelmäßig geformten Partikeln mit einer mittleren Größe von 50 bis 150 µm.
Elektrolyse
Die Partikelgröße von durch Elektrolyse hergestellten Metallpulvern liegt im Allgemeinen zwischen 25 und 200 µm. Die Partikelgröße und -morphologie kann jedoch durch verschiedene elektrolytische Parameter, wie beispielsweise die Stromdichte, beeinflusst werden.
Reduktion von Metallerzen
Dieses Verfahren führt typischerweise zu hervorragenden Pulvern. Bei Carbonyleisen- und -nickelpulvern, die durch chemische Zersetzung gewonnen werden, liegt die Partikelgröße im Allgemeinen zwischen 1 und 8 µm.
Verdichtung
Beim Verdichtungsprozess wird eine hochpräzise Form mit der gewünschten Zahnradgeometrie mit einer Pulvermischung gefüllt. Der Verdichtungsdruck beträgt in der Regel 400–800 MPa. Dieser Schritt bestimmt die endgültige Geometrie des Zahnrads. Jegliche Unvollkommenheit kann zu Inkonsistenzen und strukturellen Schwächen im fertigen Bauteil führen.
Sintern
Nun wird der Grünling einer Sinterprozess, wo es in einem Sinterofen unter kontrollierter Atmosphäre auf hohe Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts erhitzt wird. Bei Eisenkomponenten können die Sintertemperaturen bis zu 1120 °C erreichen, während für Edelstahlteile Temperaturen von bis zu 1250 °C erforderlich sind. Beim Sintern verschmelzen benachbarte Pulverpartikel miteinander, was zu einer Erhöhung der Dichte des Bauteils führt.
Nachbehandlung
In der Pulvermetallurgie (PM) handelt es sich bei Sekundäroperationen um Prozesse nach dem Sintervorgang, die durchgeführt werden, um die Maßgenauigkeit, Oberflächenqualität und mechanische Festigkeit des Teils zu verbessern. Die häufigsten Sekundäroperationen sind:
Größe
Beim Sintern kann es zu geringfügigen Maßverzerrungen des Zahnrads kommen. Daher wird es einer Kalibrierprüfung unterzogen. Dabei wird das gesinterte Zahnrad wieder in eine hochpräzise Form gelegt und unter mäßigem Druck nachgepresst. Dieser Prozess verformt die Oberfläche leicht, um engere Toleranzen zu erreichen und offene Porositäten zu versiegeln. Bei Präzisionsanwendungen kann durch Kalibrieren eine Toleranz von ±0.01 mm erreicht werden.
Maschinenbearbeitung
Für komplexere Merkmale wird das gesinterte Zahnrad zusätzlich einem Bearbeitungsprozess unterzogen, der Folgendes umfasst: Bohren, Drehen, Fräsen, Schleifen und Honen von Bohrungen, Flächen und Zahnradzähnen.
Oberflächenbehandlung
Gesinterte Zahnräder werden außerdem einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um die Verschleißfestigkeit und den Korrosionsschutz zu verbessern. Zur Oberflächenbehandlung werden je nach Bedarf verschiedene Veredelungsmethoden eingesetzt, wie z. B. Vibrationsentgraten, Polieren, Läppen, Beschichten und Plattieren.
Wärmebehandlung
Um die gewünschte Kombination aus Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit zu erreichen, wird nach dem Sintern eine Wärmebehandlung durchgeführt. Hierzu können beispielsweise Glühen, Abschrecken, Anlassen und Aufkohlen eingesetzt werden.
Pulvermetallwerkstoffe für Sinterzahnräder
Reineisen und Eisenlegierungen
Reineisen und eisenbasierte Legierungen wie Fe-C-Stähle (Eisen-Kohlenstoff) und Fe-Cu-C-Legierungen sind die gängigsten und kostengünstigsten Materialien für die Herstellung von Sinterzahnrädern. Hersteller bevorzugen diese Materialien aufgrund ihrer guten mechanischen Festigkeit und Haltbarkeit.
Edelstahl und legierte Stähle
Da Edelstahl (316 und 304) für seine Oxidationsbeständigkeit bekannt ist und die Komponente vor Korrosion schützt, wird er zur Herstellung von Zahnrädern verwendet, die rauen Bedingungen ausgesetzt sind.
Kupferlegierung
Kupfer und seine Legierungen werden aufgrund ihrer hohen chemischen Oxidationsbeständigkeit, ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und ihrer nichtmagnetischen Eigenschaften zur Herstellung von Zahnrädern verwendet. Solche Zahnräder eignen sich am besten für Anwendungen mit geringer Belastung in korrosiven oder heißen Umgebungen. Zu diesen Legierungen gehören:
Bronze
Bronze, eine Legierung, die hauptsächlich aus Kupfer (Cu) und Zinn (Sn) besteht, ist eines der zuverlässigsten Materialien für die Herstellung von Sinterzahnrädern. Dies liegt an seinen Eigenschaften wie hoher Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Daher gilt es als ideal für Anwendungen, die eine lange Lebensdauer und einen reibungslosen Betrieb erfordern.
Messing
Es handelt sich um eine Legierung aus Kupfer und Zink. Die Zugabe von Zink zu Kupfer verringert die Duktilität und erhöht die Festigkeit. Sinterzahnräder aus diesen Legierungen werden in Umgebungen mit geringer Belastung eingesetzt, beispielsweise in Präzisionsinstrumenten oder kleinen mechanischen Geräten.
Vorteile von Sinterzahnrädern
Enge Toleranzen
Einer der Hauptvorteile der Zahnradherstellung durch Sintern ist die außergewöhnliche Maßgenauigkeit. Gesinterte Zahnräder können Toleranzen von bis zu ±0.01 mm konstant einhalten und gewährleisten so präzises Ineinandergreifen und zuverlässige Leistung.
Qualitätskonsistenz
PM bietet eine hohe Wiederholgenauigkeit, da jedes Zahnrad mit derselben Matrize hergestellt wird, wodurch Konsistenz und Präzision gewährleistet werden. Dies gewährleistet eine gleichbleibende Qualität über alle Chargen hinweg.
Kosteneffizienz
Bei der Herstellung von Zahnrädern durch Sintern ist weniger Bearbeitung erforderlich, es entsteht weniger Materialabfall und oft entfallen nachträgliche Nachbearbeitungen im Vergleich zu bearbeiteten Zahnrädern. Dies macht sie kostengünstig, obwohl die Ausrüstung teuer ist und eine Anfangsinvestition erfordert. Diese Werkzeugkosten werden jedoch durch langfristige Produktionseinsparungen ausgeglichen.
Minimaler Abfall
Bei der Zahnradherstellung durch Sintern entsteht nur etwa 3–5 % Materialabfall, im Vergleich zu 50 % bei der konventionellen Bearbeitung.
Design-Flexibilität
PM ermöglicht die Erstellung komplexer Geometrien, einschließlich Hinterschnitten, internen Merkmalen und unregelmäßigen Zahnradprofilen.
Umweltfreundlich
Da Sintern weniger Energie verbraucht, weniger Abfall produziert und die Möglichkeit bietet, Metallpulver zu recyceln, ist es im Vergleich zu herkömmlichen, bearbeiteten Zahnrädern eine nachhaltigere Option.
Branchenübergreifende Anwendungen von Sinterzahnrädern
Automotive-Anwendungen
Pulvermetallzahnräder finden in zahlreichen Automobilsystemen Anwendung, darunter:
- Elektrische Fensterhebermotoren
- Getriebe
- Nockenwellen und Kurbelwellen
Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Ermüdungsbeständigkeit gelten sie als ideal für elektrische Antriebsstränge und EV-Getriebe.
Power Tools
Gesinterte Zahnräder werden aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Verschleißfestigkeit auch in verschiedenen Elektrowerkzeugen wie Bohrmaschinen und Schraubendrehern verwendet. In diesen Werkzeugen sorgen sie für das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahlregelung, wodurch die Effizienz des Werkzeugs erhalten bleibt und gleichzeitig Lärm und Vibrationen reduziert werden.
Medizintechnik
Gesinterte Zahnräder sind bewährte Komponenten in medizinischen Geräten und chirurgischen Instrumenten. Ihre Präzision, ihre Rückwirkungsfreiheit und ihre Zuverlässigkeit sind entscheidend für Anwendungen, bei denen Patientensicherheit und Gerätegenauigkeit von größter Bedeutung sind.
Haushaltsausstattung
Gesinterte Zahnräder finden sich häufig in Geräten wie Waschmaschinen, Staubsaugern und Küchenmixern. Diese Zahnräder sorgen für eine leise, zuverlässige Bewegung und eine gleichmäßige Kraftübertragung und tragen so zur Gesamtleistung und Haltbarkeit des Geräts bei.
Industriemaschinen
Aufgrund ihrer Präzision und Haltbarkeit sind diese Zahnräder in Industriemaschinen, einschließlich Aktuatoren, Förderbändern und Bewegungssteuerungssystemen, unverzichtbar.
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