Werkstoffe 12 - Pulvermetallurgische Werkstoffe
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12. PULVERMETALLURGISCHE WERKSTOFFE
12.1. GRUNDLAGEN DER PULVERMETALLURGIE
12.2. PULVERMETALLURGISCHEFERTIGUNGSVERFAHREN
12.3. HARTMETALLE
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Grundlagen der
Pulvermetallurgie
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Urformen
3252Die Pulvermetallurgieist nach EN ISO ein Teilgebiet der Metallur-
gie, das sich mit der Herstellung von Metallpulvern und Bauteilen daraus
(durch Formen und Sintern) befat.
Es gehrt nach zur Hauptgruppe 1 der Fertigungsverfahren:8580
Werkstcke werden ausformlosenStoffen geschaffen,neben der Pulvermetallurgie zhlen u.a. Extrudieren und
Gieen dazu.
Erstellung einer Erstform
Zusammenhalt
schaffen
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Vorteile der Pulvermetallurgie:
Verwendung hochschmelzenderKomponenten (z.B. W,Mo, Ta, Nb) und sehr unterschiedlicher Komponenten(z.B. Cermetsoder W/Cu)
Herstellung von Werkstoffen mit Hartstoffen in duktilerMatrix(z.B. Hartmetalle usw.)
homogenes Gefge(isotrope Eigenschaften), frei vonSeigerungen
komplexe Geometrienbei hchster Przision
Herstellung vonporsen Werkstoffenmit zweckange-pater Porositt
Herstellung endmanaherFertigteile (near-net-shape-Fertigung) bei geringen Abfllen
Vor- und Nachteile der Pulvermetallurgie
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Nachteile der Pulvermetallurgie:
keine hochfestenBauteile (Sinterdichte < Feststoffdich-
te!)
geometrischeRandbedingungen (Konstruktionshinwei-se)
konomischeRandbedingungen (hoher Investitionsauf-wand
fr Werkzeuge/Vorrichtungen: PM bei hohen Stckzah-
len, z.B. in der Automobilindustrie, diegnstigste Alter-native
Vor- und Nachteile der Pulvermetallurgie
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Eigenschaftsprofil von PM-Werkstoffen
schmelzmetallurgisch hergestellte Legierungen erstarren nach den Ge-
setzen des jeweiligen Zustandsdiagramms brauchbare Werkstoffeentstehen nur bei bestimmten Analysen des Stoffsystems
PM-Werkstoffgefge knnen gesteuertwerden
PM-Werkstoffe knnen mit Eigenschaften ausgestattet werden, die bei Gu-
bzw. Knetwerkstoffen nichtrealisierbarsind.
Pulverteilchen werden bei der Herstellung extrem abgeschreckt(bis zu106K/s!) metastabile und hochbersttigteMischkristalle Sintern:
Ausscheidung feindisperser, intermetallischer Phasen.
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Eigenschaftsprofil von PM-Werkstoffen
PM-Werkstoffe knnen bis zu 95% Carbidenthalten, schmelzmetallur-gisch hergestellte WS nur bis ca. 25%
Pulvermischung bleibt im PM-Werkstoff erhalten(Diffusion der Atome nur
ber kurze Weglngen) homogene Verteilung der Phasen in beliebigem
Anteil im Grundgefge mglich
Verdichtung der Pulverteilchen Funktionsporen, aber: Verringerung
der Porositt bis zur theoretischen Dichtemglich
Nutzungder Porenrume als Reservoirfr Schmierstoffe als Filterfr Gase und Flssigkeiten zur Verringerung der Dichte (Gewichtsminimierung)
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Eigenschaftsprofil von PM-Werkstoffen
Wirtschaftlichkeit: Werkstoff-/Energieaufwand deutlich geringergegen-
ber Gieen/Schmieden (hohe WS-Ausnutzung [um 95%] bei geringerem
Energiebedarf)
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Eigenschaftsprofil von PM-Werkstoffen
Eigenschaften werden entscheidend durch die Verfahrensbedingungenge-
prgt (Einflu auf Dichte/Porosittdes fertigen Bauteils)
bei Guwerkstoffen sind Grundeigenschaften meist durch die Analyse
vorgegeben, evtl. im Einschmelzmaterial schon vorhanden, anders bei
PM-Werkstoffen:
Bsp.: Dichte von Sinterteilen
hhere Dichte ergibt hhere Festigkeit & Zhigkeit
Beeinflussung der Sinterdichte durch Pulverform, Verdichtungsart
und Sinterbedingungen, auch nachtrgliche Erhhung u.U. nochmglich
PM-Werkstoffe sind erst im Fertigteil wirklich vorhanden!
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geometrische Randbedingungen der Pulvermetallurgie:
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Hinweise zur sintergerechten Konstruktion:
Vermeidung von Stempelbrchen Vermeidung einer ungleichen Dichteverteilung durch berpressungen Vermeidung von Beschdigungen der Grnlinge durch Ribildung oder
Abplatzungen
Schlankheitsgrad des Prekrpers (Hhe/Durchmesser 2,5)
scharfe Kanten, tangentiale bergnge, spitze Winkel, spitze Prestem-pel vermeiden
schmale Querschnitte und Stege mit mind. 2 mm Dicke
Prewerkzeuge mglichst einfach, d.h. Durchbrche nur im Rundprofil,keine feinverzahnten Rndelungen usw.
Quelle: Gestaltungsrichtlinien fr Sinterformteile des Fachverbandes Pulvermetallurgie, zitiert inhttp://www.wzl.rwth-aachen.de/de/629c52491e476b86c1256f580026aef2/ft_ii_u2.pdf (14.06.2010)
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Hinweise zur sintergerechten Konstruktion:
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Einflu der Bauteilmerkmale auf die Herstellungskosten- konomische
Randbedingungen:
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Unterschiede & Gemeinsamkeiten zwischen PM und Gieen:
groe Bauteilesind mittels PM technischund aus Kostengrndennicht her-stellbar (PM-Erzeugnisse nur ca. 1% der Gieereiproduktion)
Pulvermetallurgie
festePulverteilchen
PressenzuFormteil
porsesHalbzeug
Gieen
Schmelze
ErstarrenzuFormteil
massivesHalbzeug
Edukt
Vorgang
Produkt
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Rohstoffausnutzung & Energiebedarf verschiedener Fertigungsverfahren:
Que
lle:
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Sinterwerk-st
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df.(14
.06
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Sinterbauteile in der Getriebetechnik(Sinterstahl GmbH, Fssen):
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Sinterbauteile in der Motorentechnik(Sinterstahl GmbH, Fssen):
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Pulvermetallurgische
Fertigungsverfahren
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Fertigungsstufen
verschiedene Verfahren unterschiedliche Gestalt/Gre Auswirkungauf Press- und Sinterverhalten
Pulvergewinnung
Pressen (Flldichte Predichte < Feststoffdichte)
Formgebung und Verdichtung
Wrmebehandlung Verbindung zwischen den Pulverteilchen
Verfestigung durch Sintern
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Pulvermetallurgisches Fertigungsverfahren
Pressen SinternMischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
Fertigteil
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Mischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
mechanisch: Zermahlen in speziellen Mhlen Zerstuben
einer Schmelze mit Luft, Dampfoder Wasser
physikalisch: Verdampfen und anschlieende Kondensa-tion(Verdsung)
chemisch: Reduktionsverfahren oder chemische Transport-
reaktionen, z.B.:
MOND-Verfahren: Ni(CO)4(l) Ni (s) + 4 CO (g) VAN-ARKEL-DE-BOER-Verfahren: TiI4(s) Ti (s) + 2 I2(s)
elektrolytisch: kathodische Abscheidung des Metalls als Schwamm
Pulvergewinnung
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Mischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
Pulvergewinnung
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Mischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
Pulvergewinnung
Wasserverdsung
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Mischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
Reduktionsverfahren
Pulvergewinnung
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Mischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
hoher bis sehr hoher Reinheitsgrad, oxidfrei
geometrische Anforderungen an Pulverkrner:
Korngre: 10-100 m (bei PM-Sthlen: 1-50 m) Je feiner das Pulver, desto grer die Oberflchenenergie(Sintervor-
gang) und desto dichter der Sinterwerkstoff.
Kornformen: kugelig, spratzig, dendritisch,plttchenfrmig usw.
REM-Aufnahmen von Metall-Pulvern
Pulvergewinnung
Anforderungen
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Mischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
Flldichte Fliezeit abhngig von Pulverformvon den-
dritisch bis kugeligBsp. Fe: 2,5 g/cm3
Klopfdichte Dichte nach Klopfen, Schttelnusw.
Bsp. Fe: 3,5 g/cm3
Predichte Dichte nach dem Kaltpressen
Bsp. Fe: 6,5 g/cm3
Sinterdichte Dichte nach dem SinternBsp. Fe: 7,0 g/cm3
Feststoffdichte Dichte ohne PoreneinfluBsp. Fe: 7,8 g/cm3
Fllfaktor Fllhhe vor/Fertighhe nach dem Sintern
Raumerfllungzur Beurteilung der Porositt Sinterdichte/Feststoffdichte in %
Pulvergewinnung
Kenngren
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Mischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
Pulver Preling - Schmelzperle
Pulvergewinnung
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Mischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
Pulvergewinnung
Eigenschaftsprofil
Kontrollgren:
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Mischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
nach Herstellungsverfahren:
Pulvergewinnung
Eigenschaftsprofil
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Mischen
Metall-
pulverZustze
Gleit-
mittel
homogene Verteilungder einzelnen Stoffe
Einstellung der gewnschten Werkstoffei-
genschaften, Verringerung der Reibungskrfte
beim Pressen
Vielzahl von Legierungskombinationenmg-
lich:
Pulvergewinnung
Mischvorgang
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Pressen
koaxiales Pressen oderMatrizenpressen:
Formgebung und Verdichtung
Stadien des Prevorgangs
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Pressen
Verdichtung des Pulvers unter Druck (bis 1500 Tonnen Prekraft)
Prewerkzeug mit der Hohlform des zu formenden Werkstcks
Formgebung und Verdichtung
Predruck
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Pressen
Einstellung der Porosittdurch Wahl des Predrucks Predruck-Dichte-
Kurve
Formgebung und Verdichtung
Predruck
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Pressen
Alternative zum koaxialen Pressen: isostatisches Pressen
Vermeidung der ungleichen Dichteverteilungbeim koaxialen Pressen
Pulver werden in elastische Kapseln gerttelt, verschlossen und in einerFlssigkeit hohem Druck ausgesetzt (nur einfache Formen und Halbzeug)
zur Erinnerung: In einer Fls-sigkeit breitet sich der Druck
gleichmig (isostatisch) aus
und steht auf allen Flchensenkrecht
Formgebung und Verdichtung
Stadien des Prevorgangs
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Pressen
Vergleich koaxiales Pressen/isostatisches Pressen:
Formgebung und Verdichtung
Stadien des Prevorgangs
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Sintern
Fertigteil
Sintern ist ein urformendes Fertigungsverfah-
ren zur Herstellung von Halbzeugen oder Fer-
tigteilen unter Umgehung der flssigen Phase
(Schmelze)
Sintern ist Glhen(bei etwa 2/3 TSder Haupt-
komponente) von feinkrnigen, pulvrigen Stof-
fen Sinterbandofen
Verfestigung durch Sintern
Definition: Sintern
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Sintern
Fertigteil
Vorgnge beim Sintern:
Teilchen vergrerndurch Platzwechsel der Atome ihre Kontaktflchen
Teilchen kristallisieren unter Vernderung der Poren
Triebkraft: Verringerung der Oberflchenenergie
Verfestigung durch Sintern
Definition: Sintern
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Sintern
Fertigteil
1. Anfangsstadium:
Umordnungder Teilchen Bildung erster Kontaktflchen(sogenannter Hlse) Verringerung der TeilchenoberflcheAbnahme der Gesamtenergie geringe Dichtezunahme
2. Zwischenstadium:
Wachstum der Hlse und Bildung von Korngrenzen Entstehung eines Porenkanalsystems Entweichen von Gasen magebliche Zunahme der Dichte
3. Endstadium:
Kornwachstum und Schlieung des Porenkanalsystems
Verfestigung durch Sintern
Stadien des Sinterns
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Sintern
Fertigteil
Halsbildung
Verfestigung durch Sintern
Stadien des Sinterns
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Sintern
Fertigteil
vorher nachher
Verfestigung durch Sintern
Stadien des Sinterns
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Sintern
Fertigteil
Verfestigung durch Sintern
Stadien des Sinterns
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Sintern
Fertigteil
Einflu von Sinterzeit und temperatur auf Festigkeit:
Verfestigung durch Sintern
Stadien des Sinterns
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Sintern
Fertigteil
Sintern Volumennderung (Schwindung bei rei-
nen Metallen, bestimmte Legierungen zeigen kei-
nen Effekt), evtl. SchwundausgleichZweifachsintertechnik(Doppelpressen) hhere
Dichte, hhere (Dauer-)Festigkeit und Kaltverfesti-
gung, hhere Dehnung
Verfestigung durch Sintern
Kalibrierung/Nachbehandlung
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Sintern
Fertigteil
Nachbehandlung: groe Porositt birgt Korrosions-
gefahrbzw. Durchlssigkeitfr Gase/Flssigkeiten
Infiltration mit niedrigschmelzenden Metallen imVakuum
Trnkung mit len, Wachsen, Silikonen
Dampfbehandlung blauschwarze Eisenoxid-Schicht als einfacher Korrosions- und Verschlei-
schutz
Verfestigung durch Sintern
Kalibrierung/Nachbehandlung
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Sintern
Fertigteil
Herstellung von Hartmetallen
Herstellung mittels Schmelzmetallurgie mglich,aber hohe Schmelztemperaturen ntig
Entmischung durch Dichteunterschiede(Bsp.: Co-
balt 8,8 g/cm3; Wolframcarbid 15,7 g/cm3), un-kontrollierte Gefgeeinstellung
PM-Route meist relativ einfach mageschnei-
dertes homogenes Gefge
Verfestigung durch Sintern
Anwendungen
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Sintern
Fertigteil
Herstellung von Schnellarbeitssthlen:
Verfestigung durch Sintern
Anwendungen
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Sintern
Fertigteil
Vergleich von SM-/PM-Schnellarbeitssthlen:
Verfestigung durch Sintern
Anwendungen
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Sintern
Fertigteil
Sintersthle:
Verfestigung durch Sintern
Anwendungen
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MIM-Verfahren(Metal Injection Moulding):
auch: PM-Spritzgieen Kombination von Spritzguverfahren (Formgestaltung!) mit den Eigenschaf-
ten hochwertiger Metalle und hchster Materialausnutzung
Schema:
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Bezeichnung von Sinterwerkstoffen:
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Zusammenfassung:
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https://www.youtube.com/watch?v=VdfPL8W5Ujohttps://www.youtube.com/watch?v=EqJX0Men8fE -
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Hartmetalle
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Definitionen
Hartmetall (cemented carbide)
Verbundwerkstoff
Hartstoffe(hard aggregates)
(z.B. 90-94% WC) Hrte
Bindemetall(metallic binder)
(z.B. 6-10% Co) Zhigkeit
WC-Co-HartmetallWC-(Ti, Ta, Nb)C-
Co-HartmetallCermets Sonderhartmetall
Einteilung derLegierungssysteme
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http://www.hartmetall.nl/ -
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Hartstoffe
metallische Hartstoffe: Verbindungen der bergangsmetalle
Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, V
mit den Nicht-/Halbmetallen
C, N, B, Si
Hartstoffe besitzen ausgeprgten metallischen Charakter
Einlagerungsstrukturen mit einfachen, hochsymmetrischem Aufbau
Struktur der Metallmatrix: hexagonal-einfach: WC, NbN
hexagonal-dichtest: W2C, Mo2C, V2C, Ta2C, Ta2N
kubisch-dichtest: TiC, ZrC, VC, NbC, TaC, TiN
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Hartstoffe
technologische Bedeutung: Carbide von W, Ti, Ta & Nb
Eigenschaften:
hohe Schmelztemperaturen hohe Hrte& Verschleifestigkeit
hoher E-Modul
hohe Druck- und Warmfestigkeit
hohe elektrische und thermische Leitfhigkeit
gute Temperaturwechselbestndigkeit
gute Benetzbarkeit durch Metallschmelzen
Korrosionsbestndigkeit
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5/24/2018 Werkstoffe 12 - Pulvermetallurgische Werkstoffe
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WERKSTOFFE 12 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
Herstellung &
EigenschaftenHerstellung durch klassische pulvermetallurgische
Verfahren
Eigenschaften: Kombination der hohen Hrte der
Hartstoffe mit hoher Zhigkeit der Metalle
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WERKSTOFFE 12 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
Anwendungen
Schneidwerkzeuge
Werkzeuge zum Stanzen & Tiefziehen
Verschleiteile (Spikes, Mahlkugeln)
Maschinenteile (Walze, Zylinder, Turbinenschau-
feln)
(KRUPP, 1933)
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