1. Was verstehen Sie unter den Begriffen Pulvermetallurgie und Sintern?
Erzeugung von Metallpulvern, Charakterisierung der Pulver, Herstellung von Produkten aus diesen Pulvern durch Press- und Sinterprozesse
Sintern (Glühen) unterhalb seiner Schmelztemperatur
2. Wann ist es nützlich Bauteile durch PM herzustellen?
Massenformteile
einzige Fertigungsvariante für bestimmte Werkstoffe nötige Verwendung von Speziellen Legierungen/Metallverbindungen Bsp.: Hochtemperatur
Kosteneinsparungen im Vergleich mit alternativen Prozessen (Schmelzmetallurgie)
3. Nennen Sie möglichst konkrete Vorteile der Pulvermetallurgie?
Pulvermetallurgie löst das Urformen und Endformen vollständig ab (Pulver -> Pressen -> Sintern -> Bauteil)
abfallarme Bauteilherstellung mit hoher Materialausnutzung (95 % bei PM, Zerspanen nur ca. 50 %) und kurzen Fertigungszeit
reduzierter Energieaufwand (30 % – 50 % im Vergleich zum Zerspanen) 1 t Stabstahl ≈ 3.500 kWh 1 t wasserverdüstes Eisenpulver ≈ 2.100 kWh
feinkörnige Werkzeugstähle (PM) > konventionelle Werkzeugstähle
4. Nennen Sie möglichst konkrete Nachteile der Pulvermetallurgie?
Kosten für Metallpulver und geometrisch komplexe Presswerkzeuge
Die Leistungsfähigkeit der Pressen ist begrenzt (Flächenausdehnung max. 250 cm2 & Höhe max. 60 mm )begrenzte Formgestaltung (Konstruktion & Fertigung
hohe Anschaffungs- und Betriebskosten der Sinteranlagen (hohe Temperaturen, Schutzgase oder Vakuum)
Je komplizierter die Gestalt, je höher die Genauigkeitsanforderungen und je teurer der Werkstoff, desto günstiger ist die Substitution durch Sinterbauteile, für deren Herstellung außerdem noch gewisse Mindestlosgrößen gewährleistet sein müssen!
5. In welchen Anwendungen wird die Pulvermetallurgie eingesetzt?
Hartmetalle
Kontaktwerkstoffe
Friktions- und Antifriktionswerkstoffe
porösen Materialiendispersionsverfestigte oder nanostrukturierte Werkstoffe
Gradientenwerkstoffe
Metallmatrix-Verbundwerkstoffehochporöse, zellular aufgebaute metallische Werkstoffe
Entwicklung von geeigneten Herstellungsverfahren
3-D-Druck von Bauteilen mit verschiedenen Verfahren
7. Welchen Nutzen bietet die Pulvermetallurgie?
einzige Fertigungsvariante für bestimmte Werkstoffe
Kosteneinsparungen im Vergleich mit alternativen Prozessen (Schmelzmetallurgie)Einstellung besonderer Eigenschaften
8. Welche Produkte sind herstellbar?
Massenformteile (Automobilindustrie !) : Gurtschlösser, Synchronringe, Zahnräder
poröse Werkstoffe
hochschmelzende Werkstoffe
Verbundwerkstoffe (elektrische Kontaktwerkstoffe, Hartmetalle, Reibwerkstoffe)
spezielle Hochleistungslegierungen (Herstellung von Halbzeugen)
Verbunde für Schneidwerkzeuge
oxiddispersionsverstärkte Legierungen und nanostrukturierte Werkstoffe
9. Beschreiben Sie die Fertigungsschritte beim Sintern von Stahlbauteilen?
10. Welche technischen Möglichkeiten zur Gewinnung von Pulvern kennen Sie? Erläutern Sie ein Beispiel! (Hinweis 1-2 Verfahren beschreiben können)
mechanisches Zerkleinern
Verdüsen von Pulvern
Reduktion von Metallverbindungen
11. Durch welche Parameter wird die Reaktion bei der Reduktion von Metallpulvern beeinflusst?
• Verteilung des festen/ Zuführung des gasförmigen Reduktionsmittels zum Reaktionsgut
• Verhältnis Reduktionsmittel/ Reduktionsnebenprodukt
• Porigkeit des Reaktionsgutes
• Teilchengröße, -gestalt, Agglomeratbildung
• Wärmezufuhr
• Temperatur-Zeit-Profil
12. Welche Aggregate werden beim mechanischen Zerkleinern/mechanischen Legieren genutzt? In welchem Fall wird welches Aggregat gewählt?
Zerkleinerung duktiler Materialien erfolgt in Schwing- und Planetenkugelmühlen mit höherer Mahlkörperernergie
Mahlkörper: abhängig von Härte, Mahlbarkeit und geforderter Reinheit
z.B. Hartporzellan, unlegiertem Stahl, Chrom-Nickel-Stahl, Achat, TiTiO2-Werkstoffen oder Hartmetall
Mahlbehälter werden mit verschleißbeständigen Werkstoffen (Hartmetall) ausgekleidet Haltbarkeit und geringe Verunreinigungen
duktiles Pulver -> 5 µm bis 10 µm Partikelgröße
sprödes Pulver -> weniger als 2 µm Partikelgröße
13. Welche Unterschiede bestehen bzw. welche Schwierigkeiten treten beim Mahlen von spröden und duktilen Pulvern auf?
Von deren mechanischen Eigenschaften hängt es ab, ob die aufgebrachte Spannung zum Sprödbruch führt oder ob der Bruch erst eintritt, nachdem das Umformvermögen des Werkstoffes infolge Kaltverfestigung erschöpft ist.
14. Beschreiben Sie die Vorgänge bei der mechanischen Zerkleinerung!
Das Wirkprinzip der mechanischen Zerkleinerung beruht auf der Übertragung mechanischer, im Mahlaggregat erzeugter Bewegungsenergie auf den zu zerkleinernden Festkörper.
Die Bewegungsenergie im Mahlaggregat wird in mechanische Spannungen umgesetzt, die auf die Kristallite der Mahlgutteilchen einwirken.
15. Welche Besonderheiten treten während des Mahlens bei folgenden Legierungspartnern auf:
Spröd - Spröd
Duktil - Spröd
Duktil - Duktil
a) spröd/spröd:
b) spröd/duktil:
c) duktil/duktil:
16. Wie verändert sich die Partikelgröße mit fortschreitender Mahldauer (Diagramm) ?
17. Warum stellt sich ein Mahlgleichgewicht ein?
18. Welche Parameter haben Einfluss auf die Partikelform während des Verdüsens?
Druck der auf die Schmelze einwirkt
(Energie)Temperatur, Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze
Abkühlungsbedingungen (beeinflusst durch Gasart)
der Fläche auf der die Schmelztröpfchen verdüst werden
↑ einwirkende Energie ↓ mittlere Teilchendurchmesser D [µm] des Pulvers
19. Welche Pulverpartikelform ist für nachfolgende Kompaktierungsprozesse anzustreben?
Pulver unregelmäßig geformt
20. Wie und wozu wird Metallpulver aufbereitet?
Unabhängig davon welches Verfahren zur Pulverherstellung gewählt wird, beinahe immer ist eine anschließende Aufbereitung erforderlich.
reduzierendes Glühen von oxidiertem Pulver (Lagerung z.T. problematisch)
reduzierendes Glühen zur Verbesserung der Pressbarkeit
Erhöhung der Sinteraktivität durch erneutes Mahlen (plastische Verformung)
Reduzierung der Sinteraktivität durch Glühen (Erholung & Rekristallisation)
Problem: schlechte Fließeigenschaften von feinem Pulver -> granulieren und anschließendes Zerkleinern für bessere Teilchengröße
manche Pulver sind derart oxidationsempfindlich, dass eine Lagerung unter Inertgas oder Vakuum notwendig ist (Ti, Cr, etc.)
Die Mischung von Pulver, dass sowohl größere Bestandteile, als auch kleine Bestandteile umfasst, hat den Vorteil, dass die Zwischenräume von den kleineren Stücken verfüllt werden und somit die Dichte erhöht wird.
21. Welche Sicherheitsmaßnahmen müssen im Umgang mit Metallpulvern beachtet werden?
Brennbarkeit, Explosivität und Toxizität beachten!!! Während der Herstellung der Pulver, beim Handling und bei der Weiterverarbeitung unter Luft kann es zu Reaktionen mit Sauerstoff kommen!selbstentzündliche Metallpulver
22. Warum ist es für Massenformteile oftmals sinnvoll Pulvermischungen und keine fertig legierten Pulver zu verwenden?
Günstiger, geringere Festigkeit also einfacher Pressbar als fertige Legierung
23. Skizzieren Sie vier verschiedenen pulverbasierten Legierungstechniken der PM unter Veranschaulichung der Verteilung der Legierungselemente?
24. Was ist der Unterschied zwischen Anlegieren und (Fertig-)Legieren von Pulvern?
Anlegiert sind die Pulver an einander angeschmolzen und entmischen nicht so stark dadurch legierte Pulver können unter anderem aus Düsen verfahren aus einer fertigen legierungsschmelze erstellt werden.
25. Wie unterscheiden sich fertiglegiertes und gemischtes Pulver hinsichtlich der spannungsbezogenen Verpressbarkeit? (Diagramm)
26. Skizzieren Sie die Veränderungen der Elementverteilung eines Pulvergemisches beim mechanischen Legieren ? (Skizzen) Wie lässt sich dies charakterisieren?
Topografiebild
Beugungsbild:
27. Was ist mit Agglomeration gemeint und welche Vorteile haben Agglomerate gegenüber der losen Pulverform? (Diagramm)
Vermeidung von Staub
definiertes Fließ- und Durchströmungsverhalten
Verhinderung von Entmischungen
hohe spez. Oberfläche und große Porosität bei gutem Fließverhalten
28. Welche Möglichkeiten der Agglomeration kennen Sie?
29. Welche Parameter von Metallpulvern können charakterisiert werden ?
30. Wie kann die Morphologie von Pulvern untersucht und beeinflusst werden ?
Mikroskopische Verfahren bei sehr kleinen Partikelgrößen < 1μm ->REM
31. Welche zwei geometrischen Faktoren können zur Beschreibung der Morphologie von Pulvern genutzt werden ?
Regemäßigkeit der Oberfläche und Rundheit
32. Welche Verfahren können zur Partikelgrößenanalyse von Pulvern genutzt werden ?
Siebturm
Luftstrahl Sieb
Laserstrahlverfahren
33. Welches Verfahren wird industriell zur Partikelgrößenanalyse von Pulvern genutzt?
34. Was verstehen Sie unter der spezifischen Oberfläche und warum ist diese wichtig für den Sinterprozess?
Die spezifische Oberfläche von Pulvern bestimmt die Oberflächenaktivität der Pulverpresslinge beim Sintern
Sie beeinflusst somit die Triebkraft für den Materialtransport beim Sintern
spezifische Oberfläche ist die auf 1 g bezogene Oberfläche eines pulverförmigen Stoffs
Es ist zweckmäßig, die spez. Oberfläche auf 1 cm3 zu beziehen.
35. Was verstehen Sie unter dem Fließverhalten von Pulver und warum ist diese wichtig für die Pulvermetallurgie?
Formgebungs- und Verdichtungsvorgang erfordert eine schnelle und gleichmäßige Füllung des Presswerkzeuges
Fließwiderstände ergeben sich aus der inneren Reibung des Pulvers und der Reibung an der Trichterwand
36. Wie verändert sich das Fließverhalten von Pulver mit der Partikelgröße? (Diagramm)
37. Was verstehen Sie unter Schüttdichte, Klopfdichte und Pressdichte ?
Fülldichte dichte nach befüllen
Klopfdichte ist die Dichte nach Aufbringung von mechanischer Arbeit wie Vibration etc.
Pressdichte stellt sich nach dem Pressen ein
38. Wie verändert sich die Klopfdichte, wenn eine grobe und eine feine Pulverfraktion in verschiedenen Anteilen gemischt werden?
Dichte nimmt zu da sich die kleineren Fraktionen in den Lücken der Größeren ansammelt
39. Welche Faktoren beeinflussen die Pressbarkeit von Pulver ?
Die Pressbarkeit wird neben der Teilchenform und Oberflächenbeschaffenheit noch vom Herstellungsverfahren und den plastischen und elastischen Eigenschaften beeinflusst. Den größten Einfluss auf die Pressbarkeit übt der Pulverwerkstoff selbst aus: Je duktiler der Werkstoff ist, desto besser ist auch seine Verdichtbarkeit.
40. Wie wird das Pressverhalten von Pulver analysiert ?
Für die Untersuchung des Pressverhaltens wird die Pulvermenge je Pressling verwendet, die es gestattet, einen Presskörper durch beidseitiges Pressen herzustellen, dessen Höhe etwa gleich dem Durchmesser ist → die Dichte des Presskörpers ist ein Mas für die Pressbarkeit
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