Berufskolleg Ennepetal                                                  Fachschule für Technik
Ennepe-Ruhr-Kreis                                                        
58256 Ennepetal 2. Semester

 

 

Facharbeit
für das Fach Kommunikation

- Sintern -
Vorteile und Nachteile
gesinterter Gleitlager und Formteile



 

Verfasser: Dirk

Kursleiter: Herr Dedecek

Abgabetermin:

Abgegeben:




Gliederung

1. Anwendung von gesinterten Gleitlagern und Formteilen im Industriebereich
   1.1 Definition und Normen
   1.2  Vergleich der Kristallisation
         1.2.1 Kristallisation beim Gießen
         1.2.2 Kristallisation beim Sintern
   1.3 Formgebung
   1.4 Grundlagen des Sinterprozesses
 
2. Sintertechnologie
   2.1 Sintern
   2.2 Der Sintervorgang
   2.3 Sinterverfahren
   2.4 Sinteratmosphäre

3. Weiterverarbeitung und Nachbehandlung nach dem Sintern
   3.1 Eigenschaftsänderung durch Kalibrieren bei Raumtemperatur
   3.2 Eigenschaftsänderung durch Nachpressen und Nachsintern
   3.3 Warmumformen
   3.4 Nachbehandlungsverfahren
        3.4.1 Infiltrieren
        3.4.2 Tränkung

4. Eigenschaften und Verwendung von Sinterteilen

5. Vor- und Nachteile der Sintertechnik

6. Anhang

7. Quellennachweis

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1. Anwendung von gesinterten Gleitlagern und Formteilen im Industriebereich

Formteile und Gleitlager aus gesinterten metallischen Werkstoffen sind Bauteile, die aus legiertem und unlegiertem Eisen, Stahl und Nichteisenmetallen auf pulvermetallurgischen Wege hergestellt sind. Bei dieser Fertigung erfolgt eine besonders hohe Ausnutzung der Rohstoffe verbunden mit erheblicher Energieeinsparung.
Mit diesem Verfahren können komplizierte Formen mit hoher Genauigkeit in Großserien hergestellt und Werkstoffeigenschaften hervorgebracht werden, die nach schmelzmetallurgischen Methoden (Gießen) nicht zu verwirklichen sind. Der Industrie stehen somit Bauteile zur Verfügung, die interessante Anwendungen ermöglichen.

  1. Das gesinterte Gleitlager, das in seinem Porenraum den Schmierstoff für einen lang anhaltenden Wartungsfreien Betrieb trägt.
     
  2. Das gesinterte Maschinenteil mit seinen unterschiedlichen Formen und Werkstoffeigenschaften, die dem jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden können. Es bietet sich für die spanlose bzw. fast spanlose Herstellung multifunktionaler Bauteile in Serienproduktion an.
     
  3. Das Sinterschmiedeteil bietet hohe Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften mit guter Maßgenauigkeit und einem nahezu gleichmäßigen Gefüge. Dadurch wird es zu einem besonders hochbelastbaren Bauteil.

 

1.1 Definition und Normen
 
Die DIN 8580 ordnet das Formgebungsverfahren, Sintern und das Gießverfahren den urformenden Verfahren zu. Das Gießverfahren wird als „Urformen aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand definiert“, für das Sinterverfahren gilt dann: „Urformen aus dem festen, körnigen oder pulverigen Zustand.“
Als Pulvermetallurgie wird nach DIN 30900 und ISO 3252 das Teilgebiet der Metallurgie bezeichnet, dass sich mit der Herstellung von Metallpulvern oder Bauteilen aus diesem Pulver durch Anwendung eines Formgebungsprozesses und Sinterprozesses beschäftigt.
Zur Herstellung solcher Werkstoffe benötigt man mindestens drei Fertigungsstufen.

In dieser Facharbeit wird der Schwerpunkt auf die Formgebung und Verdichtung sowie auf die Verfestigung durch Sintern gelegt.

 

1.2 Vergleich der Kristallisation beim Sintern und Gießen
 

1.2.1 Kristallisation beim Gießen

Die Kristallisation beim Gießen erfolgt je nach Zusammensetzung des Eisens, der Gefügeart und des Kohlenstoffgehalts, bei unterschiedlichen Temperaturen statt. Die gesteuerte gleichmäßige Einbindung von Nichtmetallen oder in der Schmelze unlöslichen Metallen, wie es beim Sintern angewandt wird, ist wegen der unterschiedlichen spezifische Gewichte, z. B. Schmelztemperatur, beim Gießen nicht möglich.
 

1.2.2  Kristallisation beim Sintern

Beim Sintern geht man von einem kristallinen Rohstoff aus, der in Pulverform vorliegt. Die zur Herstellung von Sinterteilen verwandten Pulver haben Teilchengrößen von 0,2 bis 0,8 mm. Zur Herstellung von Präzisionsbauteilen aus Sinterstahl verwendet man Pulver mit einer Teilchengröße von größer als 0,2 mm. Für poröse Metallfilter verwendet man Korngrößen bis 0,8 mm.
Das Pulver wird verdichtet und in einem zweiten, physikalischen chemischen Prozeß, der als Sintern bezeichnet wird, entsteht der endgültige Gefügezustand. Sintern ist ein Glühen von feinkörnigen, pulvrigen Stoffen, bei dem durch Platzwechsel der Atome die Teilchen über ihre Berührungsflächen hinweg zusammen kristallisieren. Beim Sintern setzt an den kaltumgeformten Stellen die Rekristallisation ein, gleichzeitig wird der Berührungsquerschnitt durch Diffusion vergrößert. (Bild 1) Bei der Sintertechnologie müssen wie bei der Schmelztechnologie eine Reihe von Voraussetzungen erfüllt sein.

 

1.3  Formgebung

Es muss ein pulverförmiger Rohstoff vorhanden sein, der sich durch Formgebung und Sinterung in einem zusammenhängenden Gefüge verwandeln lassen kann. (siehe Bild 2)

Die Formgebung erfolgt in der Regel bei Raumtemperatur. In Ausnahmefällen kann sie aber auch bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes durchgeführt werden.

Das Formwerkzeug muss gleichmäßig gefüllt werden, daher sollte das Metallpulver ausreichende Fließeigenschaften haben. Hilfsmaßnahmen, wie Rütteln, Vibrieren, Stampfen oder Druckfüllen können angewandt werden.

Das Metallpulver muss mit einem Druck, der eine möglichst lange Standzeit des Werkzeuges erlaubt, bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur verdichtet werden.

Nach dem Pressen, Verdichten soll sich der Presskörper, Grünling unbeschädigt aus dem Werkzeug entnehmen lassen. Er muss eine ausreichende Festigkeit für die weitere Behandlung besitzen. (Grünfestigkeit)

 

1.4 Grundlagen des Sinterprozesses

Das Sintern wird überwiegend außerhalb des Presswerkzeuges durchgeführt. Die Bildung eines zusammenhängenden kristallinen Gefüges durch den physikalischen chemischen Prozess bei der Sinterung soll möglichst unterhalb des Schmelzpunktes erfolgen. Nur so ist die Formstabilität gewährleistet.
Im begrenzten Maße kann eine flüssige Phase bei der Sinterung zugelassen werden, wenn dadurch der Kristallisationsprozess beschleunigt wird und eine kontrollierbare Maßabweichung erfolgt.
Die Sinterung geschieht meist drucklos, nachdem das gepresste Teil aus der Form genommen worden ist.


An den Berührungsstellen der einzelnen Pulverpartikel bilden sich im Frühstadium der Sinterung sogenannte „Sinterbrücken“. Das heißt an den Berührungsstellen der durch Adhäsionskraft aneinander gebundenen Teilchen erfolgt ein erster Stofftransport, der sich physikalisch durch die Zunahme der Leitfähigkeit nachweisen lässt.
Ein immer fester werdender Verband der Sinterbrücken erfolgt mit zunehmender Temperatur und Zeit. Diese Tatsache lässt sich zunächst durch eine Zunahme der Festigkeit und später durch eine höhere Dehnung beweisen. Dafür ist der Stofftransport in kleinsten Bereichen verantwortlich, der auf vier Auslöser zurückzuführen ist:

  1. Gitterdiffusion
  2. Oberflächendiffusion
  3. Verdampfen und Kondensation
  4. Plastisches Fließen
     

Die Sintervorgänge beginnen schon weit unter der Schmelztemperatur der jeweiligen Metalle. Die Veränderung der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung ist in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit.

 

2. Sintertechnologie
 

Sintern

Der gepresste Formkörper hat je nach seiner Dichte und Art des verwendeten Pulvers eine Presskörperfestigkeit von 10 bis 20 N/mm2. Der Zusammenhalt des Preßkörpers kommt durch die Adhäsionskraft zwischen den Pulverteilchen zustande. Durch das Sintern entstehen aus den Partikelkontakten im Presskörper „metallische“ Bindung und im späteren Sinterstadium ein vollständig neues Gefüge. Die ursprünglichen Teilchen sind nicht mehr zu erkennen.
Beim Sintern findet eine Eigenschaftsänderung durch Umlagerung von Stoffteilchen statt. Damit ist die Festlegung in DIN 8580 erfüllt und das Sintern ist bei den Fertigungsverfahren unter Urformen einzuordnen.
Sintern ist eine Wärmebehandlung, bei der sich die Eigenschaftswerte, besonders die Festigkeit, in Richtung des porenfreien Zustandes verändern. Je nach verbleibender Restporosität und dem entstehenden Sintergefüge wird dieser Zustand, der Festigkeit, mehr oder weniger vollständig erreicht.
Bei Mehrstoffsystemen kann eine flüssige Phase entstehen. Die feste Phase, der überwiegende Teil, bleibt bestehen. Dadurch wird die Formstabilität gewährleistet. Die Sinterung führt zu einer zusätzlichen Verdichtung. Bei engen Maßtoleranzen, ist durch die Schwindung, ein Kalibrieren zwingend erforderlich.
Durch beschleunigtes Abkühlen oder Abschrecken von der Sintertemperatur oder von einem anderen Stadium der Abkühlung aus, kann an das Sintern eine Wärmebehandlung ohne Zwischenabkühlung angeschlossen werden.

 

2.2 Der Sintervorgang


Der Sintervorgang lässt sich in drei Stadien unterteilen:

1. Anfangs- oder Frühstadium:
Die ursprünglichen Teilchen sind bei diesem Sinterstadium noch sichtbar. Der erste Zusammenhalt zwischen den Pulverteilchen entsteht durch Brückenbildung und Kornwachstum. Es erfolgt eine geringe Schwindung.

2. Mittleres Stadium
Hier erfolgt die Ausbildung eines zusammenhängenden Porenraums. Die Erkennbarkeit der einzelnen Teilchen geht verloren und gleichzeitig beginnt die Schwindung.

3. Spätstadium
Im Spätstadium erfolgt die Verringerung des Porenraums, der in zunehmendem Maße von außen zugänglich wird (geschlossene Poren). Im Grenzfall erfolgt eine vollständige Verdichtung (Dichtsinterung).

Diese drei Phasen lassen sich in der Praxis jedoch nicht von einander trennen.
Die wichtigste Art des Stofftransportes sind die Diffusionsvorgänge beim Sintern. Große Anteile an Oberflächendiffusion ergeben sich bei niedrigen Temperaturen und großen spezifischen Oberflächen. Die Gitterdiffusion, Volumendiffusion, überwiegt bei üblichen Sintertemperaturen und mittleren bis späten Sinterstadien.
Da der Verlauf der Sinterung durch Diffusionsvorgänge gesteuert wird, handelt es sich um eine zeitabhängige und temperaturabhängige Reaktion. Die physikalischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Streckgrenze, E-Modul, Bruchdehnung, Dauerfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit sind abhängig von der Sintertemperatur und der Sinterzeit. Diese Eigenschaften entstehen aber nicht absolut gleichzeitig. Die Leitfähigkeit entwickelt sich am schnellsten, da sie überwiegend von den metallischen Kontakten der Pulverteilchen im Frühstadium der Sinterung abhängt. Bei höheren Temperaturen bzw. etwas später entwickeln sich die Festigkeitseigenschaften. Die Entwicklung einer hohen Bruchdehnung erfolgt zeitlich etwas versetzt und läuft auch noch in Temperaturbereichen, in denen die Festigkeit nicht mehr ansteigt.
 

2.3 Sinterverfahren

Alle Verfahren umfassen das Sintern in fester Phase, bei denen der Grünling während des ganzen Sintervorgangs im festen Zustand bleibt und nur eine im Formkörper enthaltene Legierungskomponente bei Sintertemperatur kurzfristig schmilzt. Die Sintertemperatur, die Sinteratmosphäre und die Ofenkonstruktion sind für das Ergebnis der Sinterung von Bedeutung.
 

2.4 Sinteratmosphäre

Schutzgas wird in den Sinteröfen eingesetzt, um das Sintergut vor Oxidation zu schützen und damit das Entstehen von Zunder oder Anlauffarben vermieden wird. Die wichtigsten Schutzgase sind Wasserstoff, Stickstoff, Wasserstoff- Stickstoffgemisch, Exogas und Endogas

 

3. Weiterverarbeitung und Nachbehandlung nach dem Sintern

Der Sintervorgang ist bei allen Presskörpern mit einer Maßänderung verbunden. Sie kann bei Eisenpulvern mit geringen Legierungszusätzen so klein gehalten werden, dass die Bauteile mit nur mittleren Toleranzanforderung direkt im gesinterten Zustand eingebaut werden können und keine Nachbehandlung erforderlich wird.
 

3.1 Eigenschaftsänderung durch Kalibrieren bei Raumtemperatur

Gesinterte Formteile bieten dem Verbraucher besonders hohe Maß- und Formgenauigkeit in Großserien. Aus diesem Grund ist ein weiterer Arbeitsgang, das Kalibrieren notwendig. Es dient dem Ziel, die Maß- und Formgenauigkeit und die Oberflächengüte der Werkstücke zu erhöhen und die physikalischen Eigenschaften zu verbessern. Das Kalibrieren nutzt besonders die plastischen Eigenschaften von Sinterwerkstoffen und Sinterwerkstücken. Bei Werkstücken mit mäßiger Dichte dient es dazu, beim Sintern aufgetretene Maßveränderungen zu beseitigen.
Bei höheren Drücken tritt eine Erhöhung der Zugfestigkeit unter gleichzeitigem Abfall der Bruchdehnung ein. Je größer der Kalibrierdruck steigt, um so größer wird die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung fällt mehr ab.
Ein geringfügiges Nachpressen führt zunächst zum Abreißen von Sinterbrücken und setzt die Festigkeit des Teils etwas herab. Erst bei höheren Drücken und stärkerer Nachverdichtung steigt die Festigkeit durch Kaltverfestigung und Kaltverschweißung wieder an. Ein Beispiel zeigt, wie dieser Effekt zur Steigerung der Bauteilfestigkeit ausgenutzt werden kann. Die radiale Druckfestigkeit eines Zahnrades für einen Liegendenbeschlag konnte durch Kalibrieren von 3150 N auf 3750 N gesteigert werden.
Bei genügend zähen Sinterwerkstoffen lassen sich durch Nachpressen mit hohem Druck und bei entsprechender Werkzeuggestaltung noch beträchtliche Umformungen erzielen. Im einfachsten Fall kann es sich um lokale Nachverdichtung handeln, z. B. Kugellaufbahnen. Durch freies Fließen in einer Richtung können ballige Formen geschaffen werden, wie sie z. B. bei Kalottenlagern benötigt werden.
 

3.2 Eigenschaftsänderung durch Nachpressen und Nachsintern (Zweifachsintern)

Die während der ersten Kalibrierung entstandenen Kaltverfestigungen der Pulverteilchen können bei einer Wärmebehandlung oberhalb der Rekristallisationstemperatur aufgehoben werden. Der Formkörper kann daher durch erneutes Kalibrieren erheblich nachverdichtet und umgeformt werden.

So kann z. B. ein Formkörper aus Eisenpulver, der nach dem ersten Pressen mit 60 KN/cm2 eine Dichte von 7.0 - 7.1 g/cm3 erreicht hat, nach einer kurzen Sinterung bei 850 0 C erneut mit gleichem Druck gepresst werden und erreicht dann eine Dichte von 7.3 - 7.4 g/cm3. Dabei entstehen neue Kontaktstellen, die bei einer erneuten Sinterung zu einem erheblichen Anstieg der Festigkeit und Zähigkeit führen.

Dieses vier- bis fünfstufige Verfahren wird als Zweifachsintertechnik bezeichnet. Durch die Wiederholung der Arbeitsgänge ist es sehr kostenintensiv aber es ist besonders zur Herstellung von Sinterteilen mit höherer Festigkeit und Dichte geeignet.
 

3.3  Warmumformen

Bei den meisten höherlegierten Sinterwerkstoffen gelingt es unter Anwendung der Zweifachsintertechnik nicht, porenfreie Werkstücke herzustellen. Die Kaltverfestigung, die einer weiteren Verdichtung einen immer höheren Widerstand entgegensetzt, verhindert das vollständige Verdichten. Nur durch eine Verdichtung oberhalb der Rekristallisationstemperatur lässt sich eine nahezu vollständige Beseitigung der Restporen erreichen. Diese Technologie bezeichnet man als Sinterschmieden und geht von einem Sinterkörper aus, dessen Geometrie dem Fertigteil ähnlich ist. Von dem unter 3.2 beschriebenen Kalibrieren unterscheidet sich dieses Verfahren durch die erhöhte Temperatur während des Warmpressens. Damit lässt sich ein Dichtebereich, des unter 3.2 genannten Formkörpers aus Eisenpulver, von 7.4 - 7.8 g/cm3 erreichen.


3.4 Nachbehandlungsverfahren
 

3.4.1 Infiltrieren

Sinterteile der Einfachsintertechnik haben noch eine erhebliche Restporosität. Dieser Porenraum kann zum Träger wichtiger Gebrauchseigenschaften werden. Er kann z. B. mit einem Metall gefüllt werden, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Sinterkörper hat. Dieser Arbeitsvorgang kann entweder als getrennte Wärmebehandlung oder mit einem speziellen Tränkmetall, gleichzeitig mit der Sinterung ausgeführt werden.
 

3.4.2 Tränkung

Der Porenraum kann, wenn er eine größere Anzahl untereinander verbundener Poren enthält zur Tränkung mit Gleitmittel, Kunststoffen und Metallen genutzt werden. Die gesinterten Gleitlager werden nahezu immer mit flüssigen Schmierstoffen, meist Mineralöle, getränkt. Die Tränkung geschieht im Vakuumofen. Die Gleitlager werden in den leeren Tränkkessel eingesetzt, der danach evakuiert wird. Dann wird das Öl eingelassen, das anschließend unter einen Druck von 2 - 4 bar gesetzt wird.

 

4. Eigenschaften und Verwendung von Sinterteilen

Die Verwendung der Sinterteile hängt vom Pulverwerkstoff und von der Größe des Porenraumes ab. Die Eigenschaften der Sinterteile lassen sich außerdem durch den Pressdruck und die Sintertemperatur beeinflussen. Hochporöse Sinterwerkstoffe mit 27% Porenraum werden z. B. als Filter, poröse Sinterwerkstoffe mit 6 - 12% Porenraum, die vor dem Einbau mit Öl getränkt werden, als Lagerwerkstoffe mit guten Gleit- und Notlaufeigenschaften verwendet. Sinterteile aus Stahl können wärmebehandelt, also z. B. gehärtet werden. Fräser aus Schnellarbeitsstahl und Schneidplatten aus Hartmetall werden durch Pressen und Sintern in einem Arbeitsgang hergestellt, dadurch besitzen sie eine höhere Dichte und ein feineres Gefüge.

 

5. Vor- und Nachteile der Sintertechnik

Um sich zur Herstellung von Werkstücken für das Urformverfahren Sintern zu entscheiden, muss man die Vor- und Nachteile gegeneinander abwägen.
Die Vorteile des Sinterns bieten sich an für die Herstellung von: (Bild 3-7)

  1. preisgünstigen Massenteilen (Massenfertigung)
  2. Legierungen aus Metallen mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten
  3. gewünschten Werkstoffeigenschaften durch entsprechende Pulvermischung
  4. ölgetränkten Gleitlagern, wegen den guten Notlaufeigenschaften


Gleichzeitig ist Sintern ein umweltfreundliches Verfahren, da wenig Werkstückverlust bei der Herstellung von Werkstücken anfällt.
 

Die Einschränkungen, Nachteile, beim Sintern sind:

  1. die hohen Kosten für die Presswerkzeuge
  2. die Einschränkung in der Formgebung, z. B. können keine Werkstücke mit Hinterschneidungen, Querbohrungen und Gewinde hergestellt werden
  3. Pressen mit großer Presskraft erforderlich
  4. die begrenzte Werkstückgröße, durch die hohe erforderliche Presskraft und die geringe Verdichtung im Werkstückinneren
     

Die hohen Kosten für die Presswerkzeuge entstehen durch den komplizierten und umfangreichen Werkzeugaufbau (siehe Bild 8).
Das Sinterverfahren ist bei relativ engen Toleranzen, großen Stückzahlen und kleinen Werkstückgrößen wirtschaftlich und steht dadurch in Konkurrenz mit dem Urformverfahren Gießen und den spanenden Fertigungsverfahren.

 

6. Anhang

7.Quellennachweis

Als Quelle zu dieser Facharbeit diente eine Ausarbeitung, dessen Grundlage eine Vorlesungsreihe des "Fachverbandes Pulvermetallurgie", 58093 Hagen war.

Bildnachweise:
Bilder 1, 2, 3, 4, 5 und 6: "Fachkunde Metall", Europa Lehrmittelverlag, 42781 Haan - Gruiten.
Bild 7: "Fertigungstechnik 2", Verlag Handwerk und Technik GmbH, Lademannbogen 135, 22339 Hamburg.
Bild 8: "Metalltechnik, Der Werkzeugbau", Europa Lehrmittelverlag, 42781 Haan - Gruiten.

 

Bild 1:
Vorgänge beim Pressen und Sintern

Bild 2
Formgebung, Pressen des Pulvers

Bild 3
Fräser aus heißisostatisch hergestellten Halbzeug

Bild 4
Gesintertes Zahnriemenrad

Bild 5:
Sintergeschmiedetes Pleuel

Bild 6:
Heißisostatisch verdichtetes Hartmetall

Bild7
Anwendungsbeispiele

Bild 8 Aufbau und Wirkungsweise eines Preßwerkzeuges
Die Presswerkzeuge müssen in geöffneter Stellung die zur Herstellung des Werkstückes erforderliche Menge des Sinterwerkstoffes aufnehmen können. Dieser sogenannte „Füllraum“ wird vom Unterstempel und dem Mantel gebildet. Je nach Füllfaktor des Pulvers und dem geforderten Porenvolumen des Werkstückes besitzt die Füllhöhe die 2,5- bis 3,5fache Höhe des fertigen Werkstückes. Beim Pressen drückt der Oberstempel das Pulver zur endgültigen Form.

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