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5/24/2018 Werkstoffe 12 - Pulvermetallurgische Werkstoffe

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WERKSTOFFE 12 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014


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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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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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Wirtschaftlichkeit: Werkstoff-/Energieaufwand deutlich geringergegen-

ber Gieen/Schmieden (hohe WS-Ausnutzung [um 95%] bei geringerem

Energiebedarf)


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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:

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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:


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


Predruck

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Pressen

Einstellung der Porosittdurch Wahl des Predrucks Predruck-Dichte-

Kurve


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



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Pressen

Vergleich koaxiales Pressen/isostatisches Pressen:



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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


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


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


Stadien des Sinterns

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Sintern

Fertigteil

Halsbildung



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Sintern

Fertigteil

vorher nachher



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Sintern

Fertigteil



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Sintern

Fertigteil

Einflu von Sinterzeit und temperatur auf Festigkeit:



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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


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


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


Anwendungen

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Sintern

Fertigteil

Herstellung von Schnellarbeitssthlen:


Anwendungen

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Sintern

Fertigteil

Vergleich von SM-/PM-Schnellarbeitssthlen:


Anwendungen

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Sintern

Fertigteil

Sintersthle:


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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Herstellung &

EigenschaftenHerstellung durch klassische pulvermetallurgische

Verfahren

Eigenschaften: Kombination der hohen Hrte der

Hartstoffe mit hoher Zhigkeit der Metalle

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Anwendungen

Schneidwerkzeuge

Werkzeuge zum Stanzen & Tiefziehen

Verschleiteile (Spikes, Mahlkugeln)

Maschinenteile (Walze, Zylinder, Turbinenschau-

feln)

(KRUPP, 1933)

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Vielen Dank fr IhreAufmerksamkeit