Sintern, auch Frittieren genannt, ist ein Verfahren, bei dem Pulverpartikel durch hohe Temperaturen unterhalb ihres Schmelzpunkts verdichtet und zu einem festen Bauteil verbunden werden. Das gängigste Sinterverfahren ist das pulvermetallurgische Sintern, das zur Verbesserung der Festigkeit, Dichte und gewünschten mechanischen Eigenschaften von Pulvermetallteilen eingesetzt wird.
Inhalte
Was ist ein Sinterprozess?
Beim Sintern wird das Pulver erhitzt, wodurch die Atome diffundieren, die Partikel näher zusammenrücken, die Oberfläche abnimmt und sich die Form verändert.
Phasen des Sinterns
Im Allgemeinen wird der Sinterprozess in drei Phasen unterteilt: Anfangsphase, Zwischenphase und Endphase.
Erstphase
Pulverpartikel bilden durch Diffusion Kontaktpunkte. An diesen Kontaktpunkten bilden sich Einschnürungen, und das Material verdichtet sich leicht. In diesem Stadium sind die meisten Poren im Bauteil miteinander verbunden.
Fortgeschrittenes Stadium
Die Hälse zwischen benachbarten Pulvern sind gewachsen und berühren sich, d. h. sie treten in das Zwischenstadium ein. Dies führt zu einer Verringerung der Porosität und einer deutlichen Erhöhung der Dichte.
Letzte Phase
Zu diesem Zeitpunkt sind die meisten Poren isoliert. Das Gas in den Poren verlangsamt die weitere Verdichtung.
Wenn die Werkstückdichte 92 % erreicht, sind die Poren praktisch nicht mehr miteinander verbunden. Darüber hinaus wird im Endstadium die Kornwachstumsrate deutlich beschleunigt.
Sintertemperaturen
Die Sintertemperatur von Metallen liegt zwischen 60 % und 80 % ihres Schmelzpunkts.
Hier sind einige gängige konventionelle Metallsintertemperaturen:
- Eisensintertemperatur: 1120–1150 °C (2048–2102 °F)
- Kupfersintertemperatur: 800 °C
- Edelstahl-Sintertemperatur: 1250 °C.
- Die Sintertemperatur von Keramik liegt im Allgemeinen zwischen 1000 und 2000 °C.
Sinteratmosphäre
Die Sinteratmosphäre beeinflusst die mechanischen Eigenschaften und das Aussehen des Endprodukts. Gängige Sinteratmosphären sind: Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Vakuum und zersetztes Ammoniak. Ihre Hauptfunktionen sind:
- Verhindern Sie, dass Außenluft in den Sinterofen eindringt und eine Oxidation oder Entkohlung des Werkstücks verursacht.
- Die Sinteratmosphäre trägt dazu bei, die Oxidschicht auf der Oberfläche des verdichteten Pulvers zu reduzieren.
- Hilft beim Abbrennen von Schmier- und Klebstoffen im Werkstück.
Arten von Sinterprozessen
Zu den gängigen Sinterverfahren zählen: Festphasensintern, Flüssigphasensintern, Reaktionssintern, Mikrowellensintern und Funkenplasmasintern.
Festkörpersintern
Festphasensintern Es handelt sich um einen diffusionsgetriebenen Prozess, der Pulver unterhalb ihres Schmelzpunktes verbindet und verdichtet, ohne eine flüssige Phase zu bilden. Er beruht auf der atomaren Diffusion entlang der Korngrenzen, um die Oberflächenenergie zu reduzieren und ein dichtes, stabiles Mikrogefüge zu erzeugen.
Flüssigphasensintern
Flüssigphasensintern eignet sich gut für Materialien, die sich durch Festkörpersintern nur schwer verdichten lassen oder hohe Schmelzpunkte aufweisen, wie beispielsweise Wolframkarbid und Siliziumkarbid. Die beim Flüssigphasensintern verwendeten Rohstoffe sind üblicherweise Pulver mehrerer Elemente. Wenn die Sintertemperatur den Schmelzpunkt eines Elements übersteigt oder den eutektischen oder peritektischen Punkt zwischen den Pulvern überschreitet, entsteht eine Flüssigphase.
Durch Flüssigphasensintern kann die Sinterrate effektiv erhöht werden, da die Kapillarkraft der Flüssigphase das Pulver kondensieren kann und die Atome in der Flüssigkeit schneller diffundieren als im Feststoff.
Permanentes Flüssigphasensintern
Beim permanenten Flüssigphasensintern ist die Flüssigphase während des Sinterprozesses immer vorhanden, wie beispielsweise beim Sintern von W-Cu-Pulver.
Transientes Flüssigphasensintern
Beim transienten Flüssigphasensintern handelt es sich um einen Prozess, bei dem sich in der frühen Phase des Sinterns eine flüssige Phase bildet, die jedoch in der späteren Phase erstarrt.
Funkenplasmasintern
Funkenplasmasintern (SPS), auch als feldunterstütztes Sintern (FAST) oder elektrisches Entladungssintern bekannt, ist ein druckunterstütztes Impulsstromverfahren zur Herstellung von Keramik, Metallen und Hartstoffen.
SPS leitet Tausende oder sogar Zehntausende Gleichstromimpulse durch das Werkstück, wobei die Heizrate bis zu 600 °C/min erreicht. Durch die Kombination von hohem Strom, schneller Erwärmung, hoher Temperatur und hohem Druck verdichtet SPS Teile schnell und effizient.
Mikrowellensintern
In den letzten Jahren hat sich das Mikrowellensintern als effektive Methode zur Keramikherstellung etabliert. Im Gegensatz zum herkömmlichen drucklosen Sintern nutzt es den dielektrischen Verlust des Materials, um Mikrowellen zu absorbieren und im Inneren Wärme zu erzeugen. Dadurch erwärmt sich der Keramikrohling schnell und gleichmäßig von innen, was kürzere Sinterzeiten, niedrigere Temperaturen und eine verbesserte Energieeffizienz ermöglicht.
Durch Mikrowellensintern lassen sich komplex geformte Keramiken mit feineren, gleichmäßigeren Mikrostrukturen sowie höherer Dichte und Festigkeit herstellen. Janney beispielsweise sinterte Al₂O₃ erfolgreich bei 1200 °C in 60 Minuten – 250 °C weniger als bei herkömmlichen Verfahren.
Druckloses Sintern
Das drucklose Sintern ist das am weitesten verbreitete Sinterverfahren. Es erfordert lediglich hohe Temperaturen und keinen äußeren Druck, um die Pulverpartikel miteinander zu verschmelzen. Das konventionelle pulvermetallurgische Sinterverfahren ist das drucklose Sintern.
Reaktives Sintern
Reaktives Sintern ist eine Art Sinterprozess, bei dem chemische Reaktionen gleichzeitig zwischen den Metallpulvern stattfinden, was zur Bildung flüssiger Phasen oder Verbindungen innerhalb des Materials führt.
Durch Reaktionssintern kann die Dichte von Grünlingen innerhalb weniger Minuten auf über 95 % erhöht werden. Aufgrund der im Inneren entstehenden flüssigen Phase neigt das Werkstück jedoch zu Verformungen. Reaktionssintern wird häufig zur Herstellung hochentwickelter Keramikwerkstoffe wie Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) verwendet.
Zum Sintern verwendete Materialien
Mit dem Sinterprozess können zahlreiche Materialien verarbeitet werden, hauptsächlich wie folgt:
Metallindustrie
Die meisten Metalle können durch Sintern hergestellt werden, darunter Eisen, Eisen-Kupfer-Legierungen, Bronze, Messing, reines Kupfer, Edelstahl der Serien 300 und 400, Nickellegierungen, legierter Stahl, Titanlegierungen und weichmagnetische Verbundwerkstoffe.
Diese Materialien können durch Matrizenverdichtung, Metallspritzguss und 3D-Druck geformt und dann zu den fertigen Teilen gesintert werden.
Keramik
Keramik hat extrem hohe Schmelzpunkte und lässt sich mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nur schwer verarbeiten.
Gesinterte Keramik Dazu gehören: Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkoniumoxid, Siliziumnitrid, Bornitrid und Siliziumkarbid.
Keramik wird üblicherweise durch Kaltpressen, Spritzgießen oder isostatisches Pressen geformt und anschließend gesintert.
Kunststoffe
Gesinterte Kunststoffe Sie sind vielseitig einsetzbar, unter anderem als Schalldämpfer. Zu den gesinterten Kunststoffen zählen: PP, PE, UPE, PA, PTFE und PVDF. Sie zeichnen sich durch eine hohe Filterleistung und eine leichte Struktur aus.
Sinterofen
Konventionell Pulvermetallurgie-Sinteröfen Dazu gehören hauptsächlich die folgenden Typen:
Förderband-Sinterofen
Die Betriebstemperatur von Förderbandsinteröfen liegt typischerweise unter 1150 °C und wird durch die Hitzebeständigkeit des Bandmaterials begrenzt. Daher werden diese Öfen in der Regel für eisen- und kupferbasierte Produkte eingesetzt. Das Förderband bewegt sich üblicherweise mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 250 mm pro Minute, bei einer Standardbreite von etwa 500 mm.
Stoßsinterofen
Ein Stoßsinterofen bewegt Produkte mithilfe einer Schubstange durch die Heizzonen und bietet einen hohen Automatisierungsgrad und kontinuierlichen Betrieb.
Vakuum-Sinterofen
Vakuumsinteröfen können sehr hohe Temperaturen von bis zu 2500 °C oder mehr erreichen und eignen sich daher zum Sintern hochschmelzender Materialien wie Keramik, Wolframkarbid und Molybdän. Ihr Hauptnachteil ist jedoch die relativ geringe Produktionseffizienz.
Vor- und Nachteile des Sinterns
Vorteile des Sinterns
Das Sinterverfahren bietet folgende Vorteile:
- Durch Sintern hergestellte Teile weisen von Charge zu Charge eine hohe Konsistenz der Teilequalität auf.
- Durch das Verfahren können enge Toleranzen erreicht werden.
- Pulvermetallurgisches Sintern ist in der Großserienproduktion kostengünstig.
- Das Sintern erfolgt nahezu endkonturnah und erfordert keine nachträglichen Endbearbeitungsvorgänge.
Nachteile des Sinterns
Es hat auch einige Nachteile:
- Herkömmliche Sinterteile weisen Poren auf und ihre mechanischen Eigenschaften sind möglicherweise nicht so gut wie die von bearbeiteten oder geschmiedeten Teilen.
- Herkömmliche Pulvermetall-Sinterverfahren erfordern eine lange Sinterzeit.
- Das Press-Sinter-Verfahren ist zudem auf eine Präzisionspulverform angewiesen und eignet sich daher weniger für die Kleinserienproduktion.
Suchen Sie einen Hersteller von Sinterprodukten? BLUE ist ein vertrauenswürdiger Lieferant für Pulvermetallurgie Mit 20 Jahren Erfahrung und ISO 9001:2015-Zertifizierung. Wir bieten eine breite Palette an Standard-Sintermetallteilen ohne Werkzeugkosten. Besuchen Sie unseren Shop, um die passende Lösung für Ihr Projekt zu finden, oder lassen Sie uns Teile individuell anpassen – wir bieten auch kostenlose Formenbau-Services an.
FAQ
Was ist der Sinterprozess in der Metallherstellung?
Sintern ist ein thermischer Prozess in der Metallherstellung, der verdichtete Metallpulver durch Erhitzen bis knapp unter ihren Schmelzpunkt verfestigt. Dabei kommt es an den Kontaktpunkten der Partikel zur Atomdiffusion, wodurch metallurgische Bindungen entstehen und die Porosität reduziert wird. Das Ergebnis ist ein dichtes, hochfestes Bauteil, dessen endgültige Geometrie und Eigenschaften durch den ursprünglichen Pulverpressling bestimmt werden.
Wie lange dauert das Sintern?
Dies hängt von der Sintermethode ab.
Das konventionelle pulvermetallurgische Sintern dauert etwa 4 Stunden.
Das Funkenplasmasintern dauert nur etwa 5–10 Minuten.
Was ist der Unterschied zwischen Sintern und Glühen?
Durch Sintern wird das verdichtete Pulver in ein Bauteil mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften umgewandelt.
Glühen ist ein Wärmebehandlungsprozess, der die Eigenschaften fester Metalle durch Verringerung der Härte und Wiederherstellung der Duktilität verbessert.
Was ist der Unterschied zwischen Sintern und Schmelzen?
Das Sintern erfolgt unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls, typischerweise bei 70–90 %, wodurch die Partikel verbunden werden, ohne sie zu verflüssigen.
Im Gegensatz dazu wird das Metall beim Schmelzen vollständig verflüssigt, wie es bei Gießverfahren der Fall ist.