mini|Gesinterter offenporiger Metallschaum mini|Wendeschneidplatte aus Sinterhartmetall mit einer Hartstoffbeschichtung
Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von Werkstoffen. Aus dem in einem vorangegangenen Schritt hergestellten Grünkörper, bestehend aus fein- oder grobkörnigem Keramik- oder Metallgemisch, wird durch Wärmebehandlung ein festes Werkstück. Die Temperatur erreicht dabei jedoch nicht die Schmelztemperatur der Hauptkomponenten, so dass die Gestalt (Form) des Werkstückes erhalten bleibt. Es kommt in der Regel zu einer Schwindung, weil sich die Partikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume aufgefüllt werden. Dadurch erhält das Sintererzeugnis seine endgültigen, gewünschten Eigenschaften wie Härte, Festigkeit oder Temperaturleitfähigkeit.
Man unterscheidet grundsätzlich das Festphasensintern und das Flüssigphasensintern, bei dem es auch zu einer Schmelze kommt. Sinterprozesse sind von großer Bedeutung bei der Keramikherstellung („Sinterglaskeramik“) und in der Metallurgie („Sintermetalle“ und „Pulvermetallurgie“).Hermann Salmang, Horst Scholze, Rainer Telle (Hrsg.): Keramik. 7. Auflage. Heidelberg 2007, S. 313, 314.
Grundprinzip alt=Querschnitt durch ein Sinterwerkzeug und das gesinterte Teil|mini|Querschnitt durch ein Sinterwerkzeug und das gesinterte Teil
Beim Sintern werden zumeist körnige oder pulvrige Stoffe vermischt und dann durch Erwärmung miteinander verbunden oder verdichtet. Im Gegensatz zur reinen Schmelze werden hierbei jedoch keine oder zumindest nicht alle Ausgangsstoffe aufgeschmolzen. Die Ausgangsstoffe werden also, umgangssprachlich formuliert, „zusammengebacken“. Es ist deshalb bei den zwei Fertigungsverfahren Urformen und Stoffeigenschaften ändern kategorisiert.Hermann Salmang, Horst Scholze, Rainer Telle (Hrsg.): Keramik. 7. Auflage. Heidelberg 2007, S. 313.Hans Barthelmes: Handbuch Industrial Engineering: Vom Markt zum Produkt, Carl Hanser Verlag, 2013, ISBN 978-3-446-42926-0 S. 316.
Beim Sintern macht man sich zunutze, dass Pulver eine große Oberfläche und damit eine große Oberflächenenergie besitzen, jedes System jedoch danach strebt, einen Zustand geringster freier Enthalpie einzunehmen. Beim Sintern vergrößern sich die einzelnen Körner, sodass die Oberflächenenergie sinkt. Zugleich steigt der Anteil abgesättigter chemischer Bindungen, sodass sich der Körper insgesamt verfestigt.
Die Pulvermassen werden zunächst in die Form des gewünschten Werkstücks gebracht. Dies erfolgt dabei entweder durch Verpressen der Pulvermassen (Herstellung technischer Produkte) oder durch Formung und anschließendes Trocknen (beispielsweise bei der Herstellung von Steinzeug oder Tongut). Hierbei muss wenigstens ein minimaler Zusammenhalt der Pulverpartikel gegeben sein. Ist dieser Zusammenhalt nicht gegeben, muss ein Bindemittel verwendet werden, wie z. B. beim kalten Gießen. Dieser sogenannte Grünling oder Grünkörper wird im Anschluss durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet.
Geschichte Das Sintern wird seit Erfindung der Keramik verwendet und das Verfahren wurde seither empirisch verfeinert. Das Brennen von Porzellan zählt hierbei zu den ältesten Anwendungen.
Während des Zweiten Weltkrieges wurden die ursprünglich kupfernen Geschossführungsringe in Deutschland (wegen des Kupfermangels) durch Sintereisen („SiFe“) ersetzt. Das war der erste Einsatz von Sintermetall in großem Stil. Eine systematische Erforschung des Sintervorgangs setzte jedoch erst in den 1950er Jahren mit der Entwicklung der Pulvermetallurgie ein, als man begann, Metallbauteile aus Pulverformkörpern herzustellen. Die dem Sintern zugrundeliegenden Phänomene konnten wegen der einfacheren chemischen Gegebenheiten bei Metallen leichter erforscht werden. Anschließend wurden die gewonnenen Erkenntnisse auch auf den Umgang mit Hochleistungskeramiken übertragen. Im Bereich der Silikatkeramik wird seither besonders die Kinetik des Sinterns untersucht.Hermann Salmang, Horst Scholze, Rainer Telle (Hrsg.): Keramik. 7. Auflage. Heidelberg 2007, S. 314.
Vor- und Nachteile Der größte Vorteil des Sinterns ist das Zusammenbringen von Ausgangsstoffen, welche sich auf andere Weise nur sehr schwer oder gar nicht zu einem neuen Werkstoff verbinden lassen.
Gesinterte Stoffe bestehen zumeist, chemisch gesehen, immer noch teilweise aus mikroskopischen Partikeln der Ausgangsstoffe. Sie sind also nicht so homogen wie z. B. Metalllegierungen. Aus diesem Grund können sie auch eine Porosität aufweisen, welche den Werkstoff für Flüssigkeiten und Gase durchgängig machen kann. Von gewissen Ausnahmen, z. B. bei der Herstellung von Filtern und Katalysatorbauteilen sowie Gleitlagern, abgesehen, ist diese Durchlässigkeit allgemein unerwünscht. Daher kommt es bei der Herstellung von Bauteilen zu teilweise erheblichem Ausschuss, dessen Anteil dann durch Nachbehandlung, wie z. B. Imprägnieren, verringert werden muss.
Ein weiterer Aspekt ist in diesem Zusammenhang ein teilweise erheblicher Volumenschwund. Er beträgt bei gewöhnlichen Grünkörpern meist 15–20 % in jeder Raumrichtung. Wird der Grünling einfach nur größer dimensioniert leidet bei ungleichmäßiger Schrumpfung schnell die Maßhaltigkeit. Beim Reaktionssintern kann eine Volumenänderung oft weitgehend verhindert werden.
Sintervorgang Der Sintervorgang läuft in drei Stadien ab, während derer sich die Porosität und das Volumen des Grünlings deutlich verringert. Im ersten Stadium erfolgt lediglich eine Verdichtung des Grünlings, wohingegen sich im zweiten Stadium die offene Porosität deutlich verringert. Die Festigkeit der Sinterkörper beruht auf den im dritten Stadium gebildeten Sinterhälsen, die durch Oberflächendiffusion zwischen den Pulverpartikeln entstehen.Hermann Salmang, Horst Scholze, Rainer Telle (Hrsg.): Keramik. 7. Auflage. Heidelberg 2007, S. 315.
In manchen Fällen erfolgt nach dem letzten Vorgang noch ein Kalibrieren des Werkstückes, meistens dann, wenn eine sehr hohe Maßgenauigkeit erforderlich ist, die durch den nicht exakt berechenbaren Volumenverlust nicht durch reines Sintern erreichbar ist. Dabei wird das quasi fertige Werkstück noch einmal unter hohem Druck in eine Form gepresst. Auf diese Weise ist eine hohe Maßhaltigkeit oder zum Beispiel die Einhaltung der technischen Toleranzen (Form- und Lagetoleranz) möglich.
Man wendet das Sintern heute im Bereich der Minerale (Keramik), technischen Keramik und Metalle (Pulvermetallurgie) an. Es wird auch im Bereich der Nanotechnologie verwendet, bei der durch das Einsintern einer Metallschicht (Silizidierung mit z. B. Wolfram, Titan oder Tantal) sich der Schichtwiderstand von Polysilizium deutlich senken lässt (MOS-Feldeffektbauelemente).
Im Bereich der additiven Fertigung verwendet man auch bahngesteuerte Laser, die das Verschmelzen lokal herbeiführen, und nennt dies Lasersintern.
Wichtige Sinterprodukte Weichmagnetische Ferrite für Transformatoren und Drosseln in leistungselektronischen Geräten z. B. Schaltnetzteilen sowie Filter, Übertrager und Antennen vom Tonfrequenz- bis in den MHz-Bereich Bauteile wie Schneidkeramik, Elektroporzellan oder keramische Magnete Metallische Form- und Fertigteile in großen Serien, vor allem in der Automobilindustrie, z. B. Lager und Lagerschalen, Gleitlager, Bauteile für Motoren und Getriebe, Siebe, Filter, Dauermagnete, Reib- und Bremsbeläge aber auch Werkzeug-Teile oder Wendeschneidplatten aus Hartmetallen. die Zahntechnik verwendet Sintern zur Herstellung von Keramikzähnen und Verblendungen.
Die Entwicklung und Optimierung neuer Metallpulver erweitert ständig die Bereiche der Anwendungsmöglichkeiten für Sinterformteile (Automobilbau, Haushalts-, Heimwerker- und Büromaschinen).
Die Herstellung von Hohlkugelstrukturen erfolgt zum Beispiel durch Sintern von mit Metallpulver beschichteten Styroporkügelchen.
Sintern in der Eisen- und Stahlmetallurgie mini|Gesintertes Eisenerz
Ziel des Sinterns in der Eisenmetallurgie ist es, nicht sofort einsatzfähige Feinerze und Konzentrate zu agglomerieren und damit dem Hochofenprozess zuzuführen. Geschichtlich war die Grundüberlegung dazu, die durch das Sieben der Stückerze anfallenden Feinanteile (Feinerz) der Verarbeitung zuzuführen. Ziel ist, einen möglichst selbstgehenden Möller zu erzeugen.
Der bekannteste Sinterprozess für Roherze ist das Dwight-Lloyd-Verfahren:
Zum Sintern wird dafür ein Mischgut erzeugt, das aus Feinerzen, Kreislaufstoffen, Brennstoff (Koksgrus), Kalksandstein und Sintereigenabsiebung besteht. Dieses Mischgut wird mit Wasser vermischt und auf ein Endlosrostband geschichtet. Der in der Mischung enthaltene Koks wird dann durch Erdgas/Gichtgasflammen gezündet. Das unter dem Rostband befindliche Saugzuggebläse zieht nun die Brennfront durch die Mischung, sodass der Sinterkuchen am Abwurf des Bandes vollständig durchgebrannt ist.
Durch die im Prozess entstehende Wärme schmelzen die Feinerze oberflächlich auf, sodass ihre Körner eine feste Verbindung eingehen. Nach dem Brechen des Sinterkuchens wird er gekühlt und klassifiziert. Sogenannter Rostbelag und Sinterrückgut verbleiben in der Sinteranlage, der Fertigsinter wird dem Hochofen zugeführt.
Vorteile des Sinterns sind neben der Feinerz- und Kreislaufstoffverhüttung die Beseitigung des Glühverlustes und das Vorreduzieren der Erze.
Sintern in der Keramik Keramik ist einer der ältesten Werkstoffe und wird vielseitig eingesetzt. Bereits im Altertum spielten Ton und später Porzellan eine wichtige Rolle im Alltag. Heute sind neben den klassischen vor allem auch die sogenannten „technischen Keramiken“ von großer Bedeutung. Es handelt sich hierbei um keramische Produkte, die für technische Anwendungen hergestellt werden.
Sie zeichnen sich durch besondere Eigenschaften, wie etwa Verschleißfestigkeit, Härte, Druckfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit oder elektrische Isolation aus.
Manche Keramiken besitzen zudem Halbleitereigenschaften (FeO, ZnO, SiC) oder Supraleitfähigkeit (YBa2Cu3O7-x).
Im Allgemeinen sind keramische Werkstoffe anorganisch, nichtmetallisch und in der Regel polykristallin. Sie sind überwiegend hart und spröde aufgrund ihrer ionischen und kovalenten Bindungen.
Keramiken lassen sich den Gruppen Silikat-, Oxid- und Nichtoxid-Keramik zuordnen. Zu den Silikatkeramiken gehören beispielsweise technische Porzellane, Steatit, Cordierit und Mullit-Keramiken. Hauptbestandteile sind Ton und Kaolin sowie Feldspat und Speckstein als Silikatträger. Oxidkeramiken enthalten zumeist über 90 % einphasige oder ein-komponentige Metalloxide. Die wichtigsten Vertreter sind Aluminiumoxid (Al2O3), Magnesiumoxid (MgO), Zirkoniumoxid (ZrO2), Aluminiumtitanat (Al2TiO5) und Piezokeramiken. Zur Gruppe der Nichtoxid-Keramiken gehören die Carbide (Siliciumcarbide mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren, Borcarbid) und Nitride (Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Siliciumaluminiumoxinitrid). Ein hoher Anteil an kovalenten Bindungen verleiht diesen Werkstoffen auch bei hohen Temperaturen sehr gute mechanische Eigenschaften – siehe Temperaturbeständigkeit.
Einzelne Keramikprodukte besitzen sehr vielfältige Eigenschaften. Demzufolge gibt es auch zahlreiche Herstellungsverfahren – je nach Anforderungsprofil des Bauteils, Art des Materials, Preis und Stückzahl. Insgesamt lassen sich die Produktionsprozesse jedoch in zwei große Schritte zusammenfassen – Formgebung und Verdichtung.
Formgebung Bei der Formgebung ist man bestrebt, eine homogene Packungsdichte, das heißt eine gleichmäßige Massenverteilung im gesamten Grünling zu erreichen. Darüber hinaus wird die Wahl des Formgebungsverfahrens auch durch Faktoren wie Art des Materials, Form des gewünschten Bauteils, beabsichtigte Stückzahl und Kosten beeinflusst.
Grundsätzlich stehen drei Arten der Formgebung zur Verfügung:
Pressen Gießen Plastische Formgebung
Pressen Trockenpressen und Feuchtpressen