Fertigungstechnik 1, Pulvermetallurgie

Vorlesung 

Fertigungstechnik 1, Pulvermetallurgie 

Werkstoffausnutzung verschiedener Fertigungsverfahren 

Abteilung Maschinenbau 

Deutschsprachiges Curriculum 

Prof. Dr.-Ing. Peter Chr. Hornberger 

2 

Quelle: König/Lange 

F1S1

Pulvermetallurgie, nicht „Sintern“ 

Vorlesung 





Bildquelle: Spur/Stöferle 

Bearbeitung: Pries 

3 

Sintertechnik 

Beim Sintern werden die Stoffeigenschaften verändert 

Einordnung des Sinterns in die Hauptgruppe 6.1 nach DIN 8580 

Pulvermetallurgie 

rgie 

F1S1 

Die Pulvermetallurgie umfasst das Herstellen von metallischem Pulver und 

das Fertigen von Teilen aus diesem Pulver mit oder ohne Zusatz von 

nichtmetallischen Stoffen durch Formen und Sintern (DIN 30 900)

Vorlesung 


Verfahrensschritte bei der Sintertechnik (Ablauf) 




Quelle: Spur/Stöferle 


4 

fertiges 

Werkstück 

F1S1 

Grünling 

Merken: 

mind. 3 Verfahrensschritte 

- Pulverherstellung/Mischen 

- Pressen 

-Sintern 

fertiges Werkstück

Vorlesung 


Verfahrensschritte der Einfach-Sintertechnik 

Einfach-Sintertechnik 




fertiges 

Werkstück 



5 

Qualität = ? 

Pulverherstellung 

und Mischen 

Pressen: 

- Grünling 

Sintern 

Einfach -Sintertechnik 

Pulverherstellung/Mischen + Pressen + Sintern fertiges Werkstück 

F1S1

Vorlesung 


Verfahrensschritte der Zweifach-Sintertechnik 





fertiges 

Werkstück 



6 


und Mischen 

Pressen: 

- Grünling 

erstes 

Sintern 

wiederholtes 

Sintern 

Nachpressen: (kalt) Kalibrieren: 

Schmieden: (warm) - Maßhaltig- 

- Porigkeit mindern 

keit erzeugen 


Zweifach-Sintertechnik 

Mischen + Pressen + Sintern fertiges Werkstück 

Hinzu kommen: Nachpressen + 2. Sintern + Kalibrieren fertiges Werkstück 

F1S1

Vorlesung 


Verfahrensschritte der Mehrfach-Sintertechnik 





fertiges 

Werkstück 



7 


und Mischen 

Pressen: 

- Grünling 

erstes 

Sintern 

wiederholtes 

Sintern 

Nachpressen: (kalt) Kalibrieren: 

Schmieden: (warm) - Maßhaltig- 

- Porigkeit mindern 

keit erzeugen 


Zweifach-Sintertechnik 

Mischen + Pressen + Sintern fertiges Werkstück 

Hinzu kommen: Nachpressen + 2. Sintern + Kalibrieren fertiges Werkstück 

Mehrfach-Sintertechnik Die Abfolge Nachpressen + Sintern wird mehrfach wiederholt, 

bis das Ergebnis der Porigkeit zufriedenstellend ist. 

F1S1

Vorlesung 


Verfahrensschritte der Pulvermetallurgie 

(nach Hirschborn) 






8 

F1S1

Vorlesung 





12 

Pulververdichtung bei einseitiger und zweiseitiger Druckwirkung 



Verdichtung bei einseitiger Druckwirkung 

Verdichtung des Metallpulvers durch koaxiales Pressen 

Pressneutrale 

- Zone der geringsten 

Verdichtung im Werkstück 

- Pulver wird beim Pressen 

nicht verschoben 

Anwendung: 

Querbohrungen durch 

Verwendung von Schiebern 

Lage der Pressneutralen 

ergibt sich über die Wahl 

des Geschwindigkeits- 

verhältnisses v 1 : v 2 

v 1 

v 1 

v 1 = v 2 mittige Lage 

v 2 

F1S1 

Verdichtung bei zweiseitiger Druckwirkung

Vorlesung 


2. Formen eines zweischnittigen Werkstückes 

mit Hilfe eines geteilten Unterstempels 




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Quelle: Pries 

Forderung Beim Pressen des Pulvers muss darauf geachtet werden, dass im Formteil 

eine möglichst gleichmäßige Dichte erzeugt wird. 

Problem 

Lösung 

Füllfaktor 

Bei mehrquerschnittigen Werkstücken kann diese Forderung mit einem 

"normalen" koaxialen Presswerkzeug nicht realisiert werden. 

Es werden Werkzeuge verwendet, die über mehrere Unterstempel 

verfügen. 

Im Beispiel sind zwei Unterstempel erforderlich, von denen der linke 

Stempel 10 mm länger ist als der rechte Stempel 

(Stempellängendifferenz = Werkstückhöhendifferenz), 

Bild A 

Der Füllfaktor des Pulvers wird mit Q = 2,50 angenommen 

F1S1

Vorlesung 


Füll- und Presstechnik bei der Herstellung 

mehrschnittiger Sinterformteile (Prinzipbeispiel) 




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A B C D 

A) Formling 

B) erforderliche Pulversäule bei einem Füllfaktor von 2,5 

C) Füllstellung des Werkzeugs 

D) Stellung nach dem Pressen 

F1S1

Vorlesung 


2. Formen eines zweischnittigen Werkstückes 

mit Hilfe eines geteilten Unterstempels 




16 

Quelle: Pries 

Pulversäulen erforderliche Füllhöhe der linken Seite 10 mm · 2,50 = 25 mm 

erforderliche Füllhöhe der rechten Seite 20 mm · 2,50 = 50 mm, 

Bild B 

F1S1 

Befüllen 

Pressen 

Merken 

Wegen der Dosiertechnik (Abrakeln) müssen beim Befüllen des 

Werkzeuges die Oberkanten der beiden Pulversäulen bündig sein. 

Dafür muss der linke Stempel angehoben werden, und zwar in 

diesem Beispiel um 15 mm 

(Anhebeweg = Pulversäulendifferenz – Werkstückhöhendifferenz), 

Bild C. 

Beim Pressen werden die Geschwindigkeiten der beiden 

Unterstempel so synchronisiert, dass am Ende ihre Unterseiten 

wieder bündig sind, 

Bild D. 

Der rechte Stempel bewegt sich also etwas schneller. 

Je mehr Unterstempel erforderlich sind, desto komplizierter und 

teurer werden das Werkzeug und die Pressmaschine. Es sind 

Werkstückformen zu bevorzugen, die in der Höhe nur geringe 

Unterschiede aufweisen, also möglichst einquerschnittig sind.

Weitere Pressverfahren 

Vorlesung 





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Schatt 


Formverfahren für .... 

langgestreckte Werkstücke 

- Drähte 

z.B.: Wolframdrähte für 

Glühlampenwendel 

Verdichtung des Metallpulvers durch Strangpressen 

Trennblech 

- nach E.Gregory 

flächige Werkstücke 

- Bleche 

z.B.: poröse Bleche 

Bi-Metalle 

F1S1 

Verdichtung des Metallpulvers durch Walzen 

Förderung des Pulvers zum Walzspalt durch Reibung an 

den Walzen; vertikale Pulverzuführung durch Schwerkraft

Vorlesung 


Übliche Sintertemperaturen einiger technischer Werkstoffe 




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Schmelztemperatur als 

Vergleich: 

T Schmelz, Fe = 1536 °C 

ΔT ≅ 400 K 

Vorteil der Sintertechnik: 

wesentlich geringere 

Temperaturen, d.h. 

wesentlich geringerer 

Energieverbrauch 

T Schmelz, Wo = 3410 °C 

ΔT ≅ 2000 K 

F1S1

Vorlesung 


Unterschiedliche Phasen des Sinterprozesses 




19 

F1S1

Vorlesung 





3. Möglichkeiten der Nachbehandlung von Sinterwerkstücken (1/2) 

21 

(Quelle: Pries) 

Pulvergeformte Werkstücke sind nach der festigkeitgebenden Wärmebehandlung (Sintern) 

funktionstüchtige Bauteile, deren Eigenschaften jedoch durch eine oder mehrere Nach- 

behandlungen noch verbessert werden können. 

Nach- Werkstücke, die aus einem Einkomponentenpulver p hergestellt wurden, weisen 

pressen einen Restluftanteil (Porosität) auf. Dadurch sind ihre mechanischen Eigen- 

+ Sintern schaften nicht so gut wie die vergleichbarer vergossener Werkstücke. 

Dieser Nachteil kann durch wiederholtes Nachpressen und erneutes Sintern 

reduziert werden (Mehrfachsintertechnik). Bei Eisen ist dadurch z.B. eine 

spez. Masse von ρ Fe,Sinter,max = 7,70 kg/dm 3 erreichbar. 

(Zum Vergleich: ρ Fe,vergossen = 7,85 kg/dm 3 ) 

Kalibrierung 

Werkstücke, besonders wenn sie aus einem Mehrkomponentenpulver hergestellt 

wurden, schrumpfen beim Sintern und verlieren dadurch u. U. ihre Maßhaltigkeit. 

Beim Kalibrieren wird das Werkstück in einem gesonderten Werkzeug mit 

eingeengten Toleranzen nachgepresst (Erhöhung der Formgenauigkeit). Bei 

weichen Werkstoffen sind dadurch die Toleranzfelder IT 4 ... 5 erreichbar 

(Schleifqualität); lität) bei härteren Werkstoffen IT 7 ... 8 (Drehqualität). 

F1S1

Tränken 

Vorlesung 





3. Möglichkeiten der Nachbehandlung von Sinterwerkstücken (2/2) 

22 


Bei Werkstücken, die aus einem Einkomponentenpulver hergestellt wurden, 

kann der verbliebene Luftanteil nachträglich noch aufgefüllt werden. 

Und zwar durch das Einbringen von ... 

▪ Schmierstoff 

Das Werkstück wird in ein Bad mit flüssigem Schmierstoff gelegt, welcher durch 

Kapillarwirkung in das Werkstück eingesogen wird. Das Ergebnis sind Gleitlagerwerkstoffe 

mit Lebensdauerschmierung (z.B. für Küchengeräte) oder mit 

besonderen Notlaufeigenschaften. 

▪ Metall 

Das Werkstück wird in ein Bad eines niedrigschmelzenden Metalls gelegt und so 

mit diesem aufgefüllt. Außerhalb des Bades erstarrt das Metall, und es ist ein so 

genannter Verbundwerkstoff entstanden. 

z.B.: Fe mit 15 ... 20% Luftanteil mit Cu aufgefüllt zur Verbesserung der 

elektrischen Leitfähigkeit. 

▪ Kunststoff 

Verfahrensablauf wie bereits beschrieben 

z.B.: Fe mit 20 ... 30% Luftanteil mit Kunststoff aufgefüllt zur Verbesserung der 

Gleiteigenschaften 

Vergüten/ 

Härten 

Jeder gesinterte Werkstoff kann derselben Wärmebehandlung unterzogen 

werden, wie die vergleichbaren vergossenen Werkstoffe. 

F1S1

Vorlesung 





Einteilung der Sinterstähle in Klassen nach ihrem Raumerfüllungsgrad [%] 

23 



Restporigkeit ca. 2% 

geschmiedete 

Teile 

ad lungsgra 

Ra aumerfül 

Porigkeit 

mech. belastbare Bauteile 

(geringe Porigkeit hohe Belastbarkeit) 

Gleitlager (Poren mit Schmierstoff gefüllt) 

Filter (offene Poren) 

Werkstoffklasse 

F1S1

Anwendungen von Sinterwerkstoffen 

Zuordnungen nach Werkstoffklassen 

Vorlesung 





24 

Bildquelle: N.N. 


F1S1

Vorlesung 





Vergleich der Eigenschaften: Sinterstähle – gegossene Fe-Werkstoffe 

25 



1. Sinterstähle erreichen die Werte 

der allg. Baustähle (DIN 17100) 

2. Die Werte höherwertiger Stähle 

können nicht erreicht werden. 

F1S1 

Zugfestigkeit von Sinterstählen und anderen 

Werkstoffen 

Bruchdehnung von Sinterstählen und anderen 

Werkstoffen a Grauguss (DIN 1691) b Temperguss (DIN 1692) 

Merken: 

Bei vergleichbaren Werkstoffen 

können die gesinterten Werkstoffe 

die Festigkeits- und Umformeigenschaften 

der gegossenen Werkstoffe 

nicht ihterreichen. 

d.h.: Für hohe mechanische 

Belastungen sind gesinterte 

Werkstoffe nicht geeignet.

Vorlesung 


Einsatzbereiche technischer Keramikwerkstoffe 




26 

F1S1

Historischer Ursprung 

Vorlesung 





1. Einsatzgebiete der Pulvermetallurgie als fertigungstechnische Lösung (1/7) 

Problem: In den 20er Jahren wurde intensiv nach einem Werkstoff als Ersatz für 

die bis dahin verwendeten Natur-Diamant-Ziehsteine bei der Fertigung von 

Osmium/Wolfram-Glühlampenwendeln (Marke OSRAM) gesucht. 

28 


Lösung: 

das Hartmetall WIDIA (= wie Diamant) 

vorgestellt von der Fa. Krupp 1926 auf der Leipziger Messe nach einem Patent 

aus dem Jahre 1923. 

F1S1

Vorlesung 






29 


Heutige Einsatzgebiete 

1.1 Formgebung bei Werkstoffen mit sehr hohem Schmelzpunkt 

a) Einkomponentenpulver 

Es gibt viele Werkstoffe, die schmelztechnisch nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand 

geformt werden können. Im Vergleich zum Schmelzen sind bei der Pulvermetallurgie 

die für das Sintern erforderlichen Ofentemperaturen erheblich geringer. 

Daher bietet es Kostenvorteile, wenn ein Werkstoff nicht als Schmelze, sondern als 

Pulver verarbeitet t werden kann. 

F1S1 

erforderliche Temperatur: T sinter = 0,5 ... 0,8 · T Schmelz 

(nur gültig für 1. Näherung) 

zum Vergleich Wolfram W T s = 3410 °C 

einige Schmelz- Tantal Ta T s = 3000 °C 

temperaturen: Molybdän Mo T s = 2622 °C 

Niob Nb T s = 2415 °C 

Titan Ti T s = 1668 °C 

Kobalt Co T s = 1494 °C 

Beispiele: 

Glühlampenwendel aus Wolfram W 

T Schmelz = 3410 °C 

T Sinter = ca. 1600 °C 

Heizelemente aus Tantalkarbid TaC 

T Schmelz = ca. 3500 °C 

T Sinter = ca. 1800 °C

Vorlesung 






30 



1.1 Formgebung bei Werkstoffen mit sehr hohem Schmelzpunkt 

b) Mehrkomponentenpulver 

Es werden die Pulver von unterschiedlichen Metallen oder Metallverbindungen 

miteinander gemischt, um so bestimmte gewünschte Werkstoffeigenschaften zu 

erreichen. 

Dabei besteht eine Komponente immer aus einem Metall, welches einen niedrigen 

Schmelzpunkt hat. 

Beispiele: Hartmetalle für spanende Werkzeuge 

mit den Bestandteilen: WC mechanische h Verschleißfestigkeit 

it 

TaC thermische Verschleißfestigkeit 

Co Zähigkeit, gleichzeitig Bindemittel 

erforderliche Temperatur: T Sinter 

> T Schmelz, niedrigstschmelzende Komponente 

Ergebnis: 

Die Pulverkörner der höher schmelzenden Komponenten 

verbinden sich durch Diffusion zu einem Skelett, der so 

genannten Matrix. 

Die Pulverkörner der niedrigstschmelzenden Komponente 

werden flüssig und füllen die Hohlräume der Matrix auf. 

Es entsteht ein porenfreier Werkstoff. 

F1S1

Vorlesung 







1.2 Formgebung von sehr spröden Werkstoffen, 

die mit anderen Verfahren nicht geformt bzw. bearbeitet werden können 

31 


Beispiele: keramische Werkstoffe Gebrauchskeramik, Fliesen, Werkzeuge, usw. 

- Korund-Schleifscheiben 

- Scheidkeramik für Zerspanung 

Kohlewerkstoffe 

- Briketts, Pellets 

Kohlenstoff als Brennmaterial, Elektroden, usw. 

Reaktorbrennstäbe Urandioxid 

- Kugelpellets, Tablettenpellets 

F1S1

Vorlesung 







13F 1.3 Formgebung von Werkstoffverbindungen mit extrem unterschiedlichen 

h 

Schmelzpunkten 

Bei diesen so genannten Verbundwerkstoffen ist entweder ein Werkstoff- 

bestandteil nicht ihtschmelzbar lb oder der eine Werkstoff ktffwürde üd sich ihbi bei einer 

schmelztechnischen Verbindung schon in der Dampfphase befinden, während der 

andere Werkstoff noch nicht flüssig ist. 

32 


Beispiele: Diamant-, CBN-Schleifscheiben 

Diamant- oder CBN-Körner werden zusammen mit einem Kobaltpulver geformt 

und bei ca. 1700 °C gesintert. Das Kobalt wird flüssig, umschließt die 

Diamantkörner und bindet sie dadurch. d Werkstoffe für elektrische Kontakte 

Anwendungen: z.B. in Relais und Schützen 

mit den Bestandteilen: W, Co Härte, Abbrandfestigkeit 

Cu, Ag 

elektrische Leitfähigkeit 

Werkstoffe für Reibbeläge 

Metallkohlen für Elektromotoren 

Diese Kohlen bestehen aus einer Kombination i von Kupfer und Graphit, 

wobei das Kupfer die Graphitkörner umschließt und sie dadurch bindet. 

mit den Aufgaben: Cu elektrische Leitfähigkeit 

Graphit 

Gleitfähigkeit 

mit den Bestandteilen: Fe Scherfestigkeit 

F1S1

Vorlesung 







1.4 Formgebung von Werkstücken, die für ihre Funktionserfüllung eine definierte 

Porosität benötigen 

Beispiele: 

Filter, Gleitlager, "schwitzende" Werkstoffe 

... mit einem Werkstoffanteil von ... ... für folgende Anwendungen ... 

< 75 % Filter 

75 ... 85 % Gleitlager 

> 90 % Formteile 

max. ca. 98 % geschmiedete Formteile 

... und der Unterscheidung: 

poröse Werkstücke mit offenem Porenraum 

- Filter Werkstoffe z.B. Bronze, VA-Stahl 

poröse Werkstücke mit geschlossenem Porenraum 

- Gleitlager Tränken mit Schmierstoff 

33 


F1S1

Vorlesung 



1.5 Formgebung von Werkstücken mit örtlichen Unterschieden in den 

Werkstoffeigenschaften 





Bei diesen so genannten Schichtwerkstoffen werden in definierte 

Werkstückbereiche Werkstoffe eingelagert, die gegenüber ihrer 

Umgebung andere physikalische Eigenschaften haben. 

Beispiel: Bremsbeläge mit einer eingearbeiteten Cu-Fe-Schicht zur örtlichen 

Reduzierung des elektrischen Widerstandes für eine elektrische 

Verschleißanzeige 

i 

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