Teil 3

Verhältnis zwischen Höhe : Durchmesser der Presskörper ≤ 2,5

scharfe Kanten durch Flächen ersetzen

Kreisprofile quer zur Pressrichtung wegen spitzer Pressstempel vermeiden

Zähne mit Modul < 0,5 sind nicht abpressbar

Abstand zwischen Zahngrund und Nabe ist zu vergrößern

Durchbrüche in Pressrichtung wegen einfacheren Werkzeugbaus als Rundprofil

feinverzahnte Rändelungen erfordern komplizierte Werkzeuge und erschweren die Auspressung und Kreuzrändel sind presstechnisch nicht herstellbar

Sinterhärten

die gesinterten Formteile werden durch einen extrem gekühlten Schutzgasstrom mit Abkühlraten bis zu 5 K/s aus der Sinterhitze „abgeschreckt“

ausreichend legierte Stähle härten bei dieser Abkühlung und ermöglichen eine Erhöhung von Festigkeit, Härte und des Verschleißwiderstands

abschließendes Anlassen im nachgelagerten Durchlaufofen erfolgen → Vorgänge und Eigenschaftsveränderungen vergleichbar zur konventionellen Wärmebehandlung von Stählen

Nachpressen

zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit von einfachen Sinterformteilen durch Kaltverfestigung und Kaltverschweißung (effektiv bei Sinterteilen geringerer Dichte)

Wasserdampfoxidation

Erhöhung der Korrosions- und Verschleißfestigkeit von Sinterstählen mit 5 bis 15 % Porosität durch Bildung einer dichten, blauschwarzen Reaktionsschicht aus Magnetit (Fe3O4 )

Fe-C Legierung:

Fe-Mo Legierung:

äußerst wichtiges Legierungselement zur Verbesserung der Einhärtbarkeit von Stahl

Molybdän stabilisiert den Ferrit und unterdrückt damit in C-freien FeMo-Legierungen die Austenitisierung → beim Sintern liegt Ferrit (α-Fe)

die Volumendiffusion ist bei ferritischem Eisen um etwa zwei Größenordnungen höher als im austenitischen Eisen

durch die intensiveren Diffusionsprozesse werden höhere Dichten und eine starke Abrundung der Poren erreicht

sehr gute Festigkeitseigenschaften bei dynamischer Beanspruchung

Fe-Ni Legierung:

Fe-Cu Legierung:

neben der festigkeitssteigernden Wirkung bewirkt die Fe-Cu-Mischkristallbildung eine Volumenzunahme des Eisengitters beim Sintern

Damit ist es möglich, die mit dem Sintern verbundene Schwindung des Eisens zu kompensieren und bereits mit einmaligem Pressen und Sintern von Pulvern, die ≈ 2 % Cu enthalten, weitgehend maßgetreue Teile herzustellen.

höhere Kupfergehalte führen zu einer Volumenzunahme der Sinterkörper, die in Abhängigkeit von der Teilchengröße des Eisenpulvers zwischen 8 bis 10 % Cu ein Maximum erreicht

Wird die Schmelztemperatur des Kupfers beim Sintern überschritten, können infolge der Flüssigphasendiffusion sowie Teilchendisintegration eine Volumenzunahme und Teilchenumordnung sowie Lösen und Wiederausscheiden von Eisen auftreten.

Schmelzinfiltration von Fe-Presslingen in flüssigem Kupfer ist ebenfalls möglich!

Aushärtung durch die temperaturabhängige Löslichkeit von Cu in Fe

1120 °C → 9 % Cu in Fe löslich

Die über Ausscheidungshärtung, erzielbaren Festigkeitssteigerungen sind beträchtlich

Schnellarbeitsstähle → ledeburitischen Stähle → sehr inhomogenes Gussgefüge

grobe Primärcarbide und ausgeprägte Makro- und Mikroseigerungen, die sich beim Erstarren der Schmelze bilden

um das Seigern zu begrenzen muss für eine rasche Abkühlung des Gusses gesorgt werden (Blöcke kleiner Abmessungen)

Es bedarf hoher Lösungsglühtemperaturen und hoher Warmumformgrade, um das Gefüge soweit zu homogenisieren, dass Härtbarkeit, Formstabilität beim Härten, Verschleißfestigkeit und Schleifbarkeit erzielt werden

bessere Eigenschaften als bei Herstellung durch die Schmelzmetallurgie

Verbesserung von Härte und Härtbarkeit, Carbidverteilung, Zähigkeit und der Bearbeitbarkeit durch Schleifen rechtfertigen die erhöhten Kosten

insbesondere für hochwertige Werkzeuge der Metallbearbeitung die aus hochlegierten, schmelzmetallurgisch schwer zu verarbeitbaren Stählen hergestellt werden müssen

bei Formteilen → hohe Materialausnutzung & geringer Bearbeitungsaufwand bei der Werkzeugfertigung

ungünstiges Pressverhalten von hochlegierten und mischkristallgehärteten Stahlpulvern (auch nach dem Weichglühen der Pulver) begrenzt Dichte

Mahlen ist nicht sinnvoll, da der steigende Sauerstoffgehalt die technologisch relevanten Eigenschaften stark verschlechtert

Verdüsen, weichglühen, Pressen in Matritzen und Sintern zur Herstellung von Formteilen mit Pressdichten von 6,5 g cm–3 bei einem Pressdruck von 800 MPa

isostatische Verdichtung und Sinterschmieden sind optimal geeignet um kompakte Schnellarbeitsstähle (≤ 1 % Porosität) herzustellen

Sinteratmosphäre: Vakuum (N2 -H2 - Gemisch)

Sintertemperatur: ≥ 1220 °C (abhängig von der chem. Zusammensetzung des HSS-Stahls → 10 bis 20 % flüssige Phase beim Sintern zur Förderung der Verdichtung (T-abhängig)

Kompromiss aus Sinterdichte und Karbidgröße

Sinterdauer 0,5 bis 4 h

(optionale Optimierung durch Graphitzugabe)

Erhöhung der Härte und einstellen der Biegebruch und Biegefließgrenze

10% Wolfram - 4% Molybdän - 3% Vanadium - 11% Kupfer

Superlegierungen: metallische Werkstoffe, die bei 85 % von TS eine hohe Warmfestigkeit besitzen und bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden

Cr → Hauptlegierungselement → erhöht Oxidationsbeständigkeit (Al auch bei bestimmten oxidationsbeständigen Legierungen – Al2O3 Schichten)

Al und Ti → Ausscheidungshärtung und Y2O3 → Dispersionshärtung

Superlegierungen vom ODS-Typ (oxide dispersion strengthened) auf Ni-Basis und auf Fe-Cr Basis → Herstellung durch Pulvermetallurgie

Ausscheidung von Mischkristallen die die Versetzung an den korngrenzen behindern

Dispersionshärtung ist eine besondere Form der Ausscheidungshärtung hierbei werden Carbide an den Korngrenzen ausgeschieden

Je nach Legierung tritt Ausscheidungshärtung oder Dispersionshärtung auf

Oxid-dispersionsverstärkte Stähle

Oxidationsbeständigkeit durch eine festhaftende und oxidationshemmende Schutzschicht

warmfesten und oxidationsbeständigen Fe-Cr-(Al) Sinterlegierungen

i.d.R. ≥ 13 % Cr, ≥ 5 % Al und kaum andere Legierungselemente

oberhalb 1250 °C → Abfall der Kriechfestigkeit, Kornwachstum und Versprödung

Dispersionshärtung kann mechan. Eigenschaften entscheidend verbessern

mechanische Legieren → 0,6 Gew.-% Y2O3 mit 10 bis 50 nm in der Stahl-Matrix

Weiterverarbeitung durch HIP, Strangpressen oder Warmschmieden

feinkörniges Material, was zu Blechen gewalzt werden kann

Doppelpressen und eine zweite Sinterung können die Restporosität reduzieren und Festigkeitsniveau sowie Verformbarkeit steigern

weitere Legierungselemente werden zur Ausscheidungshärtung hinzugefügt ->Ni und P zu CuSn-Messing & Ni zu CuSn-Bronze

Dispersationshärtung Zusatz von Carbiden

aushärtbare hochfeste Berylliumbronzen → nur Schmelzmetallurgie

Mischkristallbildung des beim Sintern aufschmelzenden Zinns mit Kupfer bewirkt eine Volumenzunahme des Sinterkörpers

Oxidbildung?

ODS-Kupferlegierungen die durch innere Oxidation hergestellt werden

Dabei wird eine aluminiumhaltige Kupferlegierung verdüst und dann in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bis zur vollständigen Oxidation des legierten Aluminiums zu fein verteilen Al2O3 geglüht. Das dabei gebildete Kupferoxid wird vor der Weiterverarbeitung (Pressen & Sintern) wieder reduziert.

Al2O3 -Schicht behindert das Sintern, weshalb Elemente zugegeben werden, die beim Sintern zunächst ein niedrigschmelzendes Eutektikum bilden, was die Al2O3 -Schicht durchbricht

Magnesium (0,5 %) hat eine sinteraktivierende Wirkung durch partielle Reduktion der Oxidhäute und die Bildung von MgAl2O

Zusatz kleiner Mengen (<0,1 %) schmelzbildender Komponenten z.B. Sn oder Pb mit sehr geringer Löslichkeit im Al → verbessertes Verdichtungsverhalten

Festigkeits- und Härtesteigerung durch Ausscheidungshärtung hochfeste AlZnMgCu-Legierungen

dispersionsverfestigte, „warmfeste“ Aluminiumlegierungen Ruß (C) wird während des Hochenergiemahlens zu Aluminiumcarbid (Al4C3 ) oder zu oxidischcarbidischen Mischphasen umsetzt)

metallischen Verbundwerkstoffen (MMC – metal matrix composite)

keramische Partikel (SiC, Al2O3 oder B4C) als Verstärkungskomponente

Elastizitätsmodul, gute Festigkeiten, eine hohe Verschleißbeständigkeit und reduzierte thermische Ausdehnung

vielfältige Eigenschaftskombinationen für verschiedene Anwendungsfälle

Reduzierung der Materialverluste um 70 bis 80 % bei teuren Ti-Legierungen

Einsparungen an Maschinenarbeit 50 bis 80 %

Pulvermischungen aus den reinen Metallpulvern, bzw. aus Titanpulver und einem Vorlegierungspulver

Metallverdüsung

Deutlich leichter um 50 %

großtechnische Anwendung der Pulvermetallurgie begann mit der industriellen Herstellung der hochschmelzenden Metallen W und Mo, da die schmelzmetallurgische Herstellung (noch) nicht möglich war

(heute können auch leistungsfähige Vakuumlichtbogen- und Elektronenstrahlöfen Mo, Ta, Re und W schmelzen)

Pulvermetallurgie bedingt ein feinkörniges und homogenes Gefüge, dass leichter verarbeitet werden kann und eine hohe Duktilität sicherstellt

(Partikelverstärkung von Refraktärmetallen ist nur durch PM möglich)

„gebrauchsdauergeschmierte“ oder „selbstschmierende “Lager

Porenvolumen von 15 bis 27 % - Porendurchmesser 1 bis 20 µm

Porensystem in dem 98 bis 99 % der Poren verbunden sind

500 und 2000 Porenausgänge auf einer Oberfläche von 1 mm2

Gesamtlänge der Porenkanäle bis 1000 bis 2000 m pro 1 cm3

Die offenen Poren werden zu 90 % mit einem Öl getränkt

hervorragende Notlaufeigenschaften und Laufruhe

Anwendungen bei denen keine Schmierung möglich ist

Anwendungen bei denen keine Verunreinigungen durch austropfendes Öl eintreten darf

Pendelbewegungen und niedrige Gleitgeschwindigkeiten (kein zusammenhängender Ölfilm bei massiven Lagern)

senkrechte oder geneigten Lagerstellen, die bei Massivlagern ein Ausfließen von Schmiermittel erwarten lassen.

Kraftfahrzeug, Anlasser, Öl- und Wasserpumpen, Lichtmaschinen, Scheibenwischer oder Verteiler

Haushaltmaschinen, Ventilatoren, Regler, Kühlschränke, Küchenmaschinen, Staubsauger, Hobbywerkzeuge

optische Geräte und medizinische Ausrüstungen

Büromaschinen, Textil-, Verpackungs-, Druck- und Landwirtschaftsmaschinen

bei größere Gleitflächenbeanspruchung und hohen/tiefen Temperaturen werden Sinterlager aus Metall-Verbundwerkstoffe mit eingelagerten Feststoffschmiermitteln eingesetzt

bei hoher Dreckbelastung (Kohlestäube, Gießereistaub, Bergbau)

starke Bindungskräfte zwischen den Gitterbausteinen

hohe Schmelztemperaturen, geringe thermische Dehnung und hoher E-Modul → Verschleiß- und Hochtemperaturbeständigkeit

Schleifmittel (un)gebundene Pulver (SiC)

gesinterte Hartstoffformkörper (sehr hart aber sehr spröde)

Sinterverbunde mit einer Binderphase (spröde, sinterwilliger)

metallische Hartstoffe: Verbindungen der Übergangsmetalle der Gruppe IVa bis VIIIa des Periodensystems mit den Elementen B, N, C, Si gegebenenfalls P und S sowie deren Monoxide

Wolframcarbid (WC) als wichtigste Hartphase – hexagonal, hoher E-Modul, hohe Bruchzähigkeit von ca. 6 MPa m1/2

gute Benetzbarkeit durch Metalle der Eisengruppe

Härten von 3000 HV10 bei Korngrößen von 150 nm

Festigkeit von weniger als 800 MPa

nichtmetallische Hartstoffe: Verbindungen der Elemente B, C, N, Si untereinander zuzüglich einiger Oxide wie Al2O3 , ZrO2 oder ThO2 (auch die „superharten“ Stoffe Diamant und Bornitrid)

metallischer Bindungsanteil und metallische Leitfähigkeit fehlen

Wolframcarbid (WC) als wichtigste Hartphase – hexagonal, hoher E-Modul, hohe Bruchzähigkeit von ca. 6 MPa m^1/2

Einsatz bindephasenfreier Hartstoffformkörpern ist aufgrund ihrer Sprödigkeit begrenzt

Kombination von metallischen Hartstoffen und einem Bindemetall

WC-Co-Hartmetalle marktdominierend für Zerspanung kurzspanender Werkstoffe

Herstellung durch Sintern eines Gemisches aus WC und Co, meist Sintertemperatur 1350 bis 1500 °C (Co kann WC sehr gut benetzen)

ab 700 °C → 80 % der Verdichtung durch Festphasensintern

γ-Co (kfz) löst bis zu 20 Gew.-% WC und liegt daher beim Sintern als mit WC gesättigte flüssige Phase vor, was die vollständige Verdichtung des Sinterkörpers (<1 %) günstiges Verhältnis von Härte und Biegebruchfestigkeit

Wolframcarbid → Karburierung von W-Pulver nach Mischen mit Ruß unter Wasserstoffgas bei 1400 bis 1800 °C

Reinheit des Wasserstoffs, Temperatur beeinflussen wesentlich die Teilchengröße und deren Verteilung im Reaktionsprodukt

Günstig ist die Verwendung eines W-Pulvers, dessen Teilchengröße der angestrebten WC-Teilchengröße entspricht, da die Steuerung der Hartmetallkorngröße über die Zerkleinerung beim Mahlen zu unregelmäßigen Gefügen führt.

Formteile werden auf automatischen Pressen in Matrizen mit bis zu 300 MPa gepresst

Austreiben des Presshilfsmittels (Entwachsen) unter Wasserstoff oder im Vakuum bis 600 °C (1- Phase des Aufheizens)

Sintern bei 1350 bis 1500 °C je nach Zusammensetzung des Hartmetalls in der Regel unter Vakuum oder in Wasserstoff

Endkonturverarbeitung mit Diamant-Werkzeugen

Prüfung von Biegefestigkeit und Härte der Hartmetalle

Restporosität wird metallographisch am Querschliff durch Vergleich mit Richtreihen bestimmt (<1 %)

zerstörungsfreie Prüfung gesinterten Hartmetalle durch magnetische Messungen (Koerzitivfeldstärke, Wirbelstrom)

Gefügeanalyse zu Phasenanteilen durch REM und XRD

unbeschichtete Hartmetalle kommen vorwiegend bei der Bearbeitung von Holz/Kunststoffen, für Umformwerkzeuge oder im Verschleißschutz zur Anwendung

Hartmetallplättchen für spanende Werkzeuge