Sintern in der Pulvermetallurgie
Was ist Sintern in der Pulvermetallurgie?
Diese Frage wurde in einer kürzlich durchgeführten Umfrage unter einer Stichprobe von Konstrukteuren gestellt, die in verschiedenen Bereichen von Unternehmen des produzierenden Gewerbes arbeiten.
Das Ergebnis: Niemand war in der Lage, eine 100%ig korrekte Definition des Sinterns und der Funktionsweise des Prozesses zu liefern.
Darüber hinaus haben die 3D-Drucker, die in den letzten Jahren auf den Markt gekommen sind, weitere Verwirrung zu diesem Thema geschaffen. In der Tat wird der Prozess dieser Drucker oft mit dem des Sinterns verwechselt.
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Wir haben uns deshalb entschlossen, diesen übersichtlichen Artikel zu schreiben, um Sie darüber zu informieren, was genau Sintern ist.
Das Ergebnis: Niemand war in der Lage, eine 100%ig korrekte Definition des Sinterns und der Funktionsweise des Prozesses zu liefern.
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Definition
Lassen Sie uns mit einer Definition beginnen:
"Der Sinterprozess in der Pulvermetallurgie ist eine Form der Wärmebehandlung. Ein konventioneller Prozess wird bei einer Temperatur durchgeführt, die etwas unterhalb der Schmelztemperatur des Materials liegt. Eine präzise Temperatur ermöglicht es den Metallen, ihre Eigenschaften zu behalten, indem sie fest miteinander verschmelzen."
Das Sintern wird durchgeführt, um einem bestimmten Material Festigkeit und eine feste Struktur zu verleihen. Das Ziel ist es, Metallpulver zu einem Modell für den Endanwender zu formen. Die Sinterung erfolgt in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre und mehreren Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen.
Der Sinterprozess in der Pulvermetallurgie: 4 Schritte
Nachdem wir nun erklärt haben, was Sintern in der Pulvermetallurgie bedeutet, wollen wir den Prozess etwas genauer beschreiben und versuchen, nicht zu technisch zu werden.
Dieser Prozess besteht aus vier Hauptschritten:
- Die Ausahl der Legierung
- Die Pressphase
- Die Sinterungsphase
- Die Feinbearbeitung
Wir werden nun jede Phase im Detail analysieren.
Die Ausahl der Legierung
Der erste Schritt im Sinterprozess basiert auf der Wahl der Legierung und besteht aus dem Mischen der ausgewählten Komponenten in Pulverform.
Der Prozess hängt von den Eigenschaften ab, die im endgültigen Auftragsprodukt erreicht werden sollen.
Die Mischungen können Standard- oder Spezialmischungen sein:
- Standard: die gängigsten Mischungen, die für Stangen- und Blechziehprodukte verwendet werden.
- Spezial: maßgeschneiderte Legierungen, für das spezifische Produkt, das der Kunde herstellen möchte.
Doch was braucht man, um diese speziellen Mischungen herzustellen?
- Gute Kenntnisse der Metallurgie
- Erfahrung mit dem Verhalten des Endprodukts (das Ergebnis einer ausgewogenen und studierten Beziehung zwischen den Komponenten).
Obwohl ein gründliches Verständnis und Design des Produkts notwendig sind, sind meist empirische Tests erforderlich, um die Eigenschaften richtig zu bestimmen.
Dies ist jedoch keine so große Herausforderung, wie es vielleicht scheint.
Warum?
Schauen wir uns den Prozess gemeinsam an:
- Sie können die verschiedenen Komponenten intern mischen, wodurch ein "Trial-and-Error"-Prozess entsteht.
- Sie erstellen eine große Probe von Spänen aus verschiedenen Mischungen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.
- Sie werden nacheinander getestet und diejenige Mischung, welche die Anforderungen am besten erfüllt, wird ausgewählt.
- Sie definieren die am besten geeignete Mischung, die im Archiv mit Ihrer Artikelnummer verbunden werden soll.
Die Pressphase
Die zweite Stufe des Sinterprozesses ist die Pressstufe. Dies ist der Moment, in dem das Teil seine Form annimmt.
Die wichtigsten Elemente der Pressphase sind:
- Doppeltwirkende hydraulische Pressen
- Die Form
- Die Matrize
Doppeltwirkende hydraulische Pressen, die von oben und unten Druck ausüben, erzeugen den "Grünling", der die geforderten Eigenschaften erfüllen muss.
Ein wichtiger Aspekt, der je nach Größe der Teile zu berücksichtigen ist, sind die unterschiedlichen Presstonnagen.
Doch zunächst muss eine Form oder ein Formwerkzeug hergestellt werden. Die Formen oder Werkzeuge, die beim Sintern verwendet werden, sind einfacher und billiger als die, die bei anderen Herstellungsverfahren verwendet werden, wie z.B. beim Metallspritzguss (den wir später definieren werden), Kunststoffspritzguss, Zamak- oder Aluminiumdruckguss und andere.
Die Form ist ein kreisförmiger Stahlblock, der außen einen Hohlraum in der gewünschten Form aufweist. Ein oberer und unterer Stempel, die mit dem oberen und unteren Zylinder der Presse verbunden sind, vervollständigen die Form.
Das Ergebnis in diesem Stadium wird ein Block mit der gewünschten Form sein. Die Höhe des Teils kann durch Arbeiten an den Stempeln variiert werden.
Ein wesentliches Merkmal der Pulvermetallurgie ist die Möglichkeit, recht komplexe Innen- und Außenprofile herzustellen. Sowohl Stempel- als auch Matrizenteile werden in der Regel mittels Drahterodieren hergestellt, einer wirtschaftlichen und hochpräzisen Bearbeitungstechnik.
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Die Sinterungsphase
Was passiert nach der Pressphase?
Nach der Pressphase können wir je nach Größe der Chargen drei verschiedene Situationen haben:
- Kleinserie (<1.000 Stück): Ein Bediener nimmt das Stück und legt es in eine Box.
- Mittlere Charge (1.000-20.000 Stück): Ein automatisiertes System in der Presse bewegt das Stück in Richtung einer "Rutsche", so dass es in eine Box gelegt wird.
- Große Charge (>20.000 Stück): Ein Roboter kann zum Entladen in die Box eingesetzt werden.
Allerdings handelt es sich immer noch um komprimiertes Pulver (zerbrechlich und noch nicht gesintert), was bedeutet, dass selbst bei mittelgroßen Chargen ein Bediener benötigt wird. In diesem Fall kommt es zu einer Kostenerhöhung.
Zurück in der Produktion hat der Block die Box erreicht. Hier ist die Positionierung abhängig von Form, Gewicht und anderen Faktoren.
Es gibt drei Standardfälle:
- Schüttgut.
- In Reihen und übereinander angeordnet.
- Reihen, die auf flachen Platten aufliegen.
Im Falle eines unregelmäßig geformten Blocks oder Stücks ist die erste Option die beste.
Sobald dies geschehen ist, findet die eigentliche Sinterphase statt, indem alle Kästen mit den Teilen durch den Ofen bewegt werden. Die Teile durchlaufen den Ofen in einer kontrollierten Atmosphäre und werden unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt. Auch das Timing ist unterschiedlich, je nach den erforderlichen Eigenschaften des Teils.
Obwohl es eine Abkühlphase gibt, sind die Teile noch sehr heiß, wenn sie aus dem Ofen kommen. Sie bleiben für einige Stunden intakt, bevor sie zur nächsten Stufe übergehen.
Wenn die Toleranzen sehr eng sind, ist eine Kalibrierungsphase erforderlich:
1. Das Teil wird zurück in die Presse gelegt.
2. Das Teil wird mit Hilfe eines Kalibrierstempels gepresst und justiert.
Die Kalibrierung kann auch an manuellen Pressen durchgeführt werden, dies kann jedoch ein langwieriger und kostspieliger Prozess sein.
Dies markiert das Ende des Produktionsprozesses.
Die Feinbearbeitung
Sinterteile eignen sich für verschiedene Nachbearbeitungsverfahren:
- Öl-Imprägnierung.
- Harz-Imprägnierung.
- Galvanisierung.
- Vernickeln.
- Verchromen.
- Dampf-Oxidation.
Kurz gesagt ist das Sintern in der Pulvermetallurgie eine Wärmebehandlung, bei der in vier Hauptschritten Metallpulver geformt werden, um ihre innere Festigkeit und strukturelle Integrität zu erhöhen, wodurch Endverbrauchsteile entstehen und geliefert werden.
Pulvermetallurgie vs. Metall-Spritzguss vs. selektives Lasersintern
Das Sintern in der Pulvermetallurgie, wie wir es beschrieben haben, ist ein alter und sehr unterschiedlicher Prozess im Vergleich zum selektiven Lasersintern.
Vorteile und Nachteile des selektiven Lasersinterns
Es gibt zwei Hauptunterschiede:
- 3D-Drucker benötigen keine Form, um das Objekt zu formen.
- 3D-Drucker sind in der Regel nicht für die kostengünstige Massenproduktion geeignet.
Das Sintern in der Pulvermetallurgie ist ein Verfahren, das billiger und genauer ist als der 3D-Druck, aber in Zukunft werden wir alle die additive Fertigungstechnologie benötigen.
Hier finden Sie eine Zusammenfassung der Vor- und Nachteile des selektiven Lasersinterns im Vergleich zur Pulvermetallurgie.
| Pulvermetallurgie | Selektives Laser-Sintern |
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Metall-Spritzguß vs. Pulvermetallurgie
Wir werden nun die Hauptunterschiede zwischen dem Sintern in der Pulvermetallurgie und dem Metall-Spritzgießen definieren.
- Der endgültige Sinterprozess ist unterschiedlich.
- Das Verfahren unterscheidet sich drastisch von der Sintertechnik, insbesondere dem Gießen.
Der Prozess ist in drei Stufen unterteilt:
- Die ursprüngliche Metalllegierung wird in die Form "eingespritzt" und mit einem polymeren Bindemittel vermischt.
- Das Bindemittel wird entfernt, wobei eine gewisse Porosität zurückbleibt.
- Das Teil neigt dazu, zu "schrumpfen", wodurch die Porosität geschlossen wird, weshalb die Formen größer gemacht werden.
Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung der Vor- und Nachteile des Metall-Spritzgießens im Vergleich zur Pulvermetallurgie.
| Pulvermetallurgie | Selektives Laser-Sintern |
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Vor- und Nachteile des Sinterns
Wir haben die beiden Hauptalternativen zum Sintern in der Pulvermetallurgie als Herstellungsverfahren verglichen. Jetzt werden wir die Vorteile und Grenzen dieses Verfahrens aufzeigen.
VORTEILE:
VORTEILE:
- Porosität (Mehrjahresschmierung)
- Reproduzierbarkeit in großen Serien
- Formen von mittlerer Komplexität (aber einfach im Vergleich zu alternativen Verfahren)
- Grüne Technologie
- Geringer Abfall und Energie, da kein Schmelzen erforderlich ist
- Gute Oberflächengüte
- Schwingungsdämpfung durch Porosität
NACHTEILE:
- Porosität macht das Sinterteil weniger fest.
- Unvollständiges" Endteil aufgrund mangelnder Komplexität beim Pulverpressen.
Wir hoffen, dass Sie diesen Artikel hilfreich fanden. Wir arbeiten mit unseren Kunden in einem schrittweisen, beratenden Ansatz - deshalb glauben wir, dass das Verständnis ihrer täglichen Abläufe, zusammen mit den Herausforderungen, denen sie gegenüberstehen, den Unterschied ausmacht.
Wenn Sie noch mehr erfahren möchten, laden Sie unser E-Book über das Sintern herunter.