Lektion 9.1UrformenKapitel 9 · Pulver und Keramik

Pulvermetallurgie (Pressen und Sintern)

Pulver in einer Matrize pressen, dann im Bandofen sintern

Die Pulvermetallurgie stellt Metallteile her, ohne das Metall je zu schmelzen: Man presst feines Pulver in eine Matrize und erhitzt es dann, bis sich die Teilchen verbinden. Kleine Zahnräder in Akkuschraubern und ölgefüllte Bronzebuchsen in Tischventilatoren entstehen so. Es ist eine der günstigsten Methoden, kleine, genaue Metallteile in Millionenstückzahlen zu fertigen.

Foto: Alchemist-hp, CC BY-SA 3.0 de, via Wikimedia Commons

Pulvermetallurgie durch Pressen und Sintern · füllen, pressen, ausstoßen, sinternDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten: Die obere Reihe läuft in einer Presse ab, die untere in einem langen Ofen.

So funktioniert es

Mischen. Feines Metallpulver mit Körnern meist unter 0,15 mm (etwa wie Mehl) wird mit Legierungspulvern wie Graphit oder Kupfer gemischt. Etwa 0,5–1 % Wachs als Gleitmittel kommen hinzu, damit das Pulver in der Matrize gleitet.
Füllen. Ein Füllschuh fährt über die Matrize und lässt Pulver in die Kavität fallen (den Hohlraum, der die Form gibt). Der Unterstempel steht auf einer festen Tiefe, sodass jede Füllung gleich viel enthält.
Pressen. Ober- und Unterstempel pressen das Pulver von beiden Seiten mit etwa 400–800 MPa (4–8 Tonnen pro Quadratzentimeter). Das Ergebnis ist ein „Grünling“: Er hat schon die volle Form, wird aber nur von verhakten Körnern zusammengehalten und ist daher etwa so zerbrechlich wie Kreide.
Auswerfen. Der Unterstempel steigt und schiebt das Teil aus der Matrize. Der Füllschuh schiebt es beim Zurückfahren zum Nachfüllen zur Seite, sodass die Presse alle paar Sekunden ein Teil fertigt.
Sintern. Ein Maschenband trägt die Teile durch einen langen Ofen voller Schutzgas (Gas, das Oxidation verhindert, die Reaktion hinter dem Rosten). Zuerst brennt das Gleitmittel ab. Dann wandern bei etwa 1.120 °C für Eisen und Stahl Atome über jede Berührungsstelle (Diffusion) und lassen feste „Hälse“ zwischen den Teilchen wachsen.
Bei Bedarf nachbearbeiten. Viele Teile sind direkt nach dem Ofen fertig. Andere erhalten eine Kalibrierpresse für engere Maße, Ölimprägnierung für selbstschmierende Lager, Wärmebehandlung für mehr Härte oder spanende Bearbeitung für Querbohrungen und Gewinde.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Meist Eisen und Stahl; auch Edelstahl, Bronze, Messing, Kupfer, Aluminium, Magnetlegierungen und Wolframcarbid
Typische Teile: Zahnräder, Kettenräder, Nocken, Buchsen, Schlossteile, Magnete, Filter
Bauteilgröße: Meist einige Gramm bis etwa 2 kg, überwiegend handtellergroß; die Presskraft begrenzt die Stirnfläche
Präzision: Etwa ±0,05–0,1 mm im gesinterten Zustand; enger nach einer Kalibrierpresse
Oberfläche: Fein, mattgrau, etwa Ra 1–3 µm (Ra ist die mittlere Höhe der Oberflächenunebenheiten)
Geeignete Losgröße: Hohe Stückzahlen: typischerweise von etwa 10.000 bis zu Millionen Teilen pro Jahr
Werkzeug- und Maschinenkosten: Werkzeugsatz etwa 10.000–100.000 US-Dollar; Pressen und Öfen kosten Hunderttausende bis Millionen Dollar
Geschwindigkeit: Etwa 10–30 Teile pro Minute und Presse; der Weg durch den Ofen dauert etwa 1–3 Stunden, läuft aber ununterbrochen

Stärken und Grenzen

Stärken

Endkonturnah: kaum oder keine Nachbearbeitung und sehr wenig Ausschuss
Niedrige Kosten pro Teil bei hohen Stückzahlen
Ermöglicht Mischungen, die sich nicht schmelzen lassen, etwa Kupfer-Wolfram oder Metall mit eingebauten Poren
Von Teil zu Teil sehr gut wiederholbar

Grenzen

Restporen (oft 5–15 % des Volumens) machen die Teile schwächer als massiven Stahl
Werkzeugsätze sind teuer, daher lohnen sich kleine Serien selten
Die Formen müssen sich geradlinig aus der Matrize lösen: keine Hinterschnitte oder Querbohrungen
Größe und Höhe sind durch die Presskraft und durch die Gleichmäßigkeit der Pulverpackung begrenzt

Wo es eingesetzt wird

AutomobilbauÖlpumpenräder, Steuerkettenräder, Rotoren der Ventilsteuerung, Synchronnaben im Getriebe
Elektrowerkzeuge und HaushaltsgerätePlanetenräder; selbstschmierende Buchsen in Bohrmaschinen, Ventilatoren und Mixern
Schlösser und BeschlägeSchlossnocken, Hebel, Falleteile
ElektrikWeichmagnetische Motorkerne, Ferrit- und Seltenerdmagnete
FilterFilter aus porösem Bronze und Edelstahl, Schalldämpfer an Druckluftventilen
SchneidwerkzeugeWolframcarbid-Wendeplatten und Bohrerspitzen

So erkennen Sie es

Eine gleichmäßig matte graue Oberfläche; unter der Lupe sieht man manchmal winzige Poren.
Prismenartige Formen: Der Umriss bleibt von oben bis unten gleich, mit ebenen Flächen und Stufen nur in Pressrichtung.
Bronzebuchsen, die sich leicht ölig anfühlen, weil ihre Poren Öl speichern.
Fasen, die am Rand in einer winzigen Fläche enden, weil eine messerscharfe Stempelkante brechen würde.

Im Vergleich mit

Metallpulverspritzguss9.2formt eine Paste aus Pulver und Kunststoff, daher entstehen kleinere, komplexere Teile, die am Ende fast voll dicht sind.Heißisostatisches Pressen9.3presst mit heißem Gas von allen Seiten, um die letzten Poren zu schließen, zu viel höheren Kosten pro Teil.Druckguss1.4schmilzt Aluminium oder Zink und spritzt es in eine Stahlform; geeignet für Gehäuse, nicht für Stahlzahnräder.

Ansehen

MPIF Videos · Der ganze Weg vom Pulver zum fertigen Teil, vom Branchenverband

Simeko AG · Was im Ofen zwischen den Teilchen passiert

Comtec Mfg., Inc. · Echte Pressen, ein Sinterofen und fertige Teile

GKN Powder Metallurgy · Wie das Metallpulver selbst hergestellt wird, und moderne Fertigungslinien

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Pulvermetallurgie — Überblick über das Verfahren, mit Fotos gesinterter Teile
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Pulver in Form pressen, dann unterhalb des Schmelzpunkts erhitzen, bis sich die Teilchen verbinden.
Am besten für kleine Teile mit einfachem Umriss, die zu Hunderttausenden und fast ohne Abfall entstehen.
Restporen kosten etwas Festigkeit, ermöglichen aber selbstschmierende Lager und Filter.