Formteile aus Sintermetall
Oberflächenbehandlung
Die Sinterteile haben auf Grund der Porosität eine grosse Reaktionsoberfläche, so dass gasförmige oder flüssige Medien leicht nach innen dringen können. Dies ist ein Vorteil bei Behandlung mit korrosionshemmenden Medien, z. B. bei der Wasserdampfbehandlung in einer mit 500 °C überhitzten Wasserdampfatmosphäre, durch die Eisenoxid in der Randschicht gebildet wird. Damit wird ein fast vollständiger Porenverschluss und zusätzlich eine höhere Verschleissfestigkeit erreicht.
Ein gewünschter Korrosionsschutz lässt sich durch Tränken der Sinterteile in Korrosionsschutzöl erzielen. Eine bessere Langzeitwirkung und günstigere Gleiteigenschaften erzielt ein nachfolgendes Phosphatieren. Metallische Überzüge wie das galvanische Verzinken und Vernickeln haben bessere Schutzwirkungen, beeinträchtigen aber durch ihre Schichtdicke >15 µm die Massgenauigkeit.
Härten
Falls die werkstoffeigene Sinterhärte und eine Steigerung durch Dampfbehandlung (siehe Oberflächenbehandlung) nicht ausreichend sind, können kohlenstoffhaltige Sinterstähle nach verschiedenen Verfahren gehärtet werden. Eine gute Härtbarkeit ergibt sich bei geringer Porosität und einer möglichst gleichmässigen Dichteverteilung im Bereich von Querschnittsveränderungen.
Konstante Härtetiefen bei Oberflächenhärtung erfordern eine Mindestdichte von 7 g/cm3, um das Eindringen der Aufkohlungsmittel bei geringerer Porosität in tiefere Bereiche zu verhindern. Wegen der Gefahr des Härteverzuges bei massgenauen Teilen ist ein verzugsarmes Nitrieren oder Karbonitrieren bei chromhaltigem Material zu empfehlen. Hierbei bilden sich sehr verschleissfeste Randschichten.
Wirtschaftlichkeit
Schon bei Stückzahlen von einigen Tausend steht (abhängig von der Komplexität des Bauteiles) ein wirtschaftliches Produktionsverfahren zur Verfügung, bei dem abfallfrei produziert und der Rohstoff restlos ausgenutzt wird. Dank der sehr guten Formgebungsmöglichkeit in der Pulvermetallurgie haben gesinterte Serienteile meist einen bedeutend niedrigeren Herstellungspreis (als vergleichsweise mechanisch gefertigte Bauteile).
Bedingt durch die hohe Massgenauigkeit nach dem Sintern ist das Bauteil meist ohne Nacharbeit einbaufertig, so dass keine mechanische Endbearbeitung wie z.B. Bohren oder Verzahnen nötig ist. Bevorzugte Einsatzfelder sind daher für die Sintertechnik Bauteile mit Innen- oder Aussenverzahnung bzw. komplexen Geometrien. Gerade hier kann durch Wegfall mehrerer mechanischer Bearbeitungsoptionen eine Kostenersparnis bis zu 50% erreicht werden.
Gestaltung von Sinterformteilen
Bestimmte technische Anforderungen an Sinterteile können auf unterschiedliche Weise erfüllt werden. Beispielsweise wird eine hohe Genauigkeit der Teile durch eine einfachere Geometrie, eine schwindungsarme Legierung, einen Kalibriervorgang oder auch durch eine spanende Nachbearbeitung erreicht. Für die Entscheidung, welche mögliche Variante gewählt wird, sind in der Regel die resultierenden Kosten ausschlaggebend. Das Bild unten zeigt schematisch die wichtigsten Einflussgrössen auf den Stückpreis. Bestimmte Legierungszusätze wie Chrom, Molybdän oder Nickel, die das Werkstoffverhalten beeinflussen sollen, erhöhen die Material- und Herstellkosten (höherer Mischaufwand) (1). Je höher die gefertigte Stückzahl ist, umso geringer ist der resultierende Stückpreis wegen der Abnahme des Fixkostenanteils (2).
Die Geometrieverhältnisse eines Sinterteiles beeinflussen ganz entscheidend die Werkzeugkosten sowie die Gebrauchs- und Werkstoffeigenschaften. Jede Profilierung bedeutet einen komplizierteren Werkzeugaufbau und damit einen erhöhten Werkzeugverschleiss. Hinterschneidungen in Pressrichtung (Gewinde, negative Schrägen, Querbohrungen etc.) sind presstechnisch nicht möglich; diese können nur durch spanende Bearbeitung hergestellt werden (3).
Grundteleranzen von IT8 bis IT9 quer zur Pressrichtung und IT11 bis IT12 in Pressrichtung sind ohne Nacharbeit herstellbar. Durch einen Kalibriervorgang (separates Werkzeug) sind Toleranzen von IT7 erreichbar (4). Sinterteile mit einer erhöhten Dichte weisen Vorteile bezüglich ihrer Gebrauchseigenschaften auf. Eine hohe Dichte erfordert gesteigerte Pressdrücke und robustere Werkzeugauslegung. Daher sollte die Dichteforderung im Einzelfall sorgfältig abgewogen werden (5). Erfordert die Genauigkeit oder Ausführung der Sinterteile eine spanende Bearbeitung, führt dies nicht zuletzt wegen des hohen Handlingaufwandes zu einer erheblichen Stückpreissteigerung (6).
Ungünstig | Günstig
Bemerkungen
Weder der Durchmesser von Bohrungen noch der Abstand zu einer Werkstückkante sollte kleiner 1,5 mm sein.
Wenn der Oberstempel öffnet, gibt es kein Kräftegleichgewicht mehr in dem Pressling: die elastische Verformung des Unterstempels und die inneren Kräfte in dem Pressling versuchen das Teil zu verbiegen. Ein entsprechendes Wandstärkenverhältnis ist zu empfehlen.
Tangentiale Übergänge erfordern scharfe bzw. spitze Werkzeugkanten und sind deshalb zu vermeiden.
Enge Aussparungen sollten vermieden werden, da hierfür ein Werkzeug mit geschwächten Sektionen nötig wäre.
Lange und dünne Stege verhindern eine gute Befüllung des Werkzeuges mit dem Metallpulver, zudem sind die Stempel zerbrechlich.
Gerundete Ecken und Kanten begünstigen den Pulverfluss und erhöhen die Standzeit der Werkzeuge.
Dünne Wandstärken <2 mm sollten vermieden werden, sie behindern den Pulverfluss und schwächen die Stempel.
Bei vollständig konischen Werkstücken würde der Oberstempel während des Pressvorgangs in der Matrize verklemmen. Ein zylindrischer Ansatz verhindert dies.
Die Tiefe von Nuten, die durch den Oberstempel geformt werden, darf nicht zu gross sein. Die Verdichtung des Pulvers unterhalb der Nuten wäre im Verhältnis zu dem gesamten Werkstück zu hoch.
Für Form A: a < 0,2 x H
Für Form B: b < 0,3 x H
Die mit "d" bemassten Zonen werden durch den Oberstempel geformt. Während des Zurückziehens des Oberstempels bewirkt die Reibung zwischen diesem und der Aussenwand des Werkstücks eine Zerstörung (Aufrauhung) der Oberfläche. Eine Ausformschräge verhindert dies.
Bei Zahnrädern mit einem Modul m<0,5 können sich die Pulverkörner in der Verzahnung verklemmen und verhindern eine vollständige Befüllung.
Um eine möglichst gleichmässige Verdichtung über die Länge des Presslings zu erreichen, sollte das Verhältnis s/H > 1:4 sein.
Bei langen Körpern soll das Verhältnis H/d nicht grösser als 4 sein, da die Dichte durch Reibvorgänge mit der Entfernung zum Pressstempel abnimmt.
Ausführung von Fasen bei Sinterformteilen
Für runde Kanten und steile Winkel wären dünne und scharfkantige Werkzeuge notwendig. Diese Werkzeugkanten würden sich beim Pressen gegen die Matrize verbiegen und verklemmen bzw. extrem verschleissen. Eine kleine und flache Fläche an den Kanten erhöht die Standzeiten.
| Amax | Bmax (mm) | Cmax (mm) | Dmax (mm) | Emax (mm) |
|---|---|---|---|---|
| 45° | 0,3 | 0,15 | 0,1 | 0,3 |
| 45° | 0,5 | 0,25 | 0,2 | 0,5 |
| 60° | 0,6 | 0,50 | 0,2 | 1,0 |
In vielen Industriebereichen werden Sinterteile als ideale Lösungen für anspruchsvolle mechanische Komponenten und Systeme erkannt:
- Automobilindustrie
- Allgemeiner Maschinenbau
- Industrielle Anwendungen
- Audio und Video
- Haustechnik
- Medizintechnik
- Mess- und Regeltechnik
- Technik für Haus und Garten