Pulvermetallurgie (eBook)

Professor Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Werner Schatt studierte an der TH Dresden, wo er 1959 zum Dr.-Ing. promovierte. 1966 habilitierte er an der TH "Otto von Guericke" in Magdeburg. Im gleichen Jahr trat er die Nachfolge von Professor F. Eisenkolb an der TU Dresden an. Als Emeritus ist Prof. Schatt in der Doktorandenbetreuung sowie wissenschaftspublizistisch tätig.  Dr.-Ing. habil. Klaus-Peter Wieters absolvierte ein Studium der Werkstoffkunde an der TU Dresden, wo er 1974 zum Dr.-Ing. promovierte. Seit 1971 ist er wissenschaftlicher Oberassistent am Bereich Werkstoffwissenschaft. 1989 habilitierte sich Dr. Wieters an der TU Dresden und ist dort seit 1990 wissenschaftlicher Mitarbeiter.    Professor Dr.-Ing. Bernd Kieback studierte von 1971-76 an der Universität Charkow (Ukraine). 1982 promovierte er an der TU Dresden zum Dr.-Ing.  Bis 1991 war er Mitarbeiter des Zentralinstituts für Festkörperphysik und Werkstoffforschung in Dresden, zuletzt als Leiter des Teilinstituts für Pulvermetallurgie und Verbundwerkstoffe. 1992 übernahm er in Dresden die Leitung der Abteilung Pulvermetallurgie des Fraunhofer-Institutes für Angewandte Materialforschung und kurz darauf  die Leitung der Abteilung Pulvertechnologie in Bremen. 1993 wechselte er an die TU Dresden. Parallel leitet Prof. Kieback den Institutsteil Dresden des Fraunhofer-Instituts IFAM. Er ist seit 2000 Vorsitzender des Ausschusses für Pulvermetallurgie.   

Vorwort 5
Autoren 7
Inhaltsverzeichnis 9
1 Einführung 15
Literatur zu Kapitel 1 18
2 Herstellung von Pulvern 19
2.1 Mechanische Zerkleinerung ohne Phasenumwandlung 20
2.2 Mechanische Zerkleinerung mit Phasenumwandlung 24
2.2.1 Druckluft- und Druckwasserverdüsung 26
2.2.2 Inertgasverdüsung 30
2.2.3 Spezielle Methoden der Dispergierung von Schmelzen 33
2.2.4 Faserherstellung 36
2.3 Trockene Reduktion von Metallverbindungen 38
2.3.1 Reduktion von Eisenoxiden 38
2.3.2 Reduktion von Nichteisenmetallverbindungen 42
2.3.3 Reduktion von Metallverbindungen mit Metallen 45
2.4 Pulvergewinnung durch Elektrolyse 46
2.4.1 Pulvergewinnung aus wässrigen Elektrolyten 47
2.4.2 Schmelzflusselektrolyse 49
2.5 Nasse Reduktion von Metallverbindungen 50
2.6 Spezielle Verfahren der Pulverherstellung 52
2.6.1 Herstellung mikro- und nanokristalliner Feinstpulver durch Verdampfung und Kondensation 53
2.6.2 Pulvergewinnung durch Gasphasenreaktionen 55
2.6.3 Herstellung von Hartstoffpulvern 57
2.6.4 Herstellung von superharten Hartstoffen 58
2.6.5 Pulverherstellung durch chemische Fällung 60
Literatur für Kapitel 2 61
3 Aufbereitung der Pulver 63
3.1 Klassieren der Pulver 63
3.2 Glühbehandlung von Pulvern 64
3.3 Zugabe von Presshilfsmitteln 65
3.4 Mischen von homogenen und heterogenen Pulvern 67
3.5 Anlegieren und Beschichten von Pulvern 72
3.5.1 Anlegieren von Pulvern 73
3.5.2 Beschichten von Pulvern 75
3.6 Mechanisches Legieren von Pulvern 78
3.7 Granulieren von Pulvern 79
Literatur zu Kapitel 3 82
4 Prüfung und Charakterisierung der Pulver 85
4.1 Teilchengrößenbestimmung 85
4.1.1 Trennverfahren 86
4.1.2 Sedimentationsverfahren 91
4.1.3 Zählverfahren 94
4.2 Ermittlung der spezifischen Oberfläche 103
4.3 Untersuchung der Mischungsgüte 108
4.3.1 Bestimmung der Mischungsgüte im Makrobereich 110
4.3.2 Kennzeichnung der Mischungsgüte im Mikrobereich 111
4.4 Technologische Prüfmethoden 114
4.4.1 Fließverhalten und Haftfähigkeit 114
4.4.2 Füll- und Klopfdichte 118
4.4.3 Pressverhalten der Pulver 121
Literatur zu Kapitel 4 123
5 Formgebung der Pulver 125
5.1 Grundlagen und Vorgänge der Verdichtung 125
5.1.1 Pressdruck und Verdichtung 126
5.1.2 Pressen in Formen 128
5.2 Formgebung mit Druckanwendung bei Normaltemperatur 130
5.2.1 Zweiseitiges Pressen in Matrizen 130
5.2.2 Isostatisches Pressen 141
5.2.3 Walzen von Pulvern 144
5.2.4 Impulspressen 147
5.3 Formgebung mit Druckanwendung bei erhöhter Temperatur 149
5.3.1 Heißpressen (Drucksintern) und heißisostatisches Pressen 149
5.3.2 Sinterschmieden 153
5.3.3 Strangpressen 155
5.4 Formgebung ohne Druckanwendung 158
5.4.1 Schlickergießen und nasse Verfahren 158
5.4.2 Pulverspritzgussverfahren 159
5.4.3 Sprühkompaktieren 164
Literatur zu Kapitel 5 166
6 Sintern, Verfahren und Anlagen 169
6.1 Schutzatmosphären 171
6.1.1 Reine Gase 173
6.1.2 Ammoniak-Spaltgas 176
6.1.3 Über Verbrennung von Kohlenwasserstoffen hergestellte Schutzgase 177
6.1.4 Oxidierende Atmosphären 179
6.1.5 Vakuum 179
6.2 Beheizung der Öfen 180
6.2.1 Heizleiter auf Nickel-Chrom-Basis 181
6.2.2 Heizleiter auf Eisen-Chrom-Aluminium-Basis 181
6.2.3 Siliciumcarbid-Heizelemente 182
6.2.4 Molybdändisilicid-Heizleiter 182
6.2.5 Molybdän- und Wolfram-Heizleiter 182
6.2.6 Graphit-Heizleiter 183
6.2.7 Induktive Beheizung 183
6.2.8 Mikrowellenheizung 184
6.3 Sinteröfen 185
6.3.1 Kontinuierlich arbeitende Sinteröfen 186
6.3.2 Periodisch arbeitende Sinteröfen 193
6.4 Tränken 196
Literatur zu Kapitel 6 198
7 Prüfung von Sinterwerkstoffen 199
7.1 Dichte, Porosität und Schwindung 201
7.2 Festigkeit, Elastizitätsmodul und Härte 205
7.3 Bruchzähigkeit und -sicherheit 211
7.4 Gefügeuntersuchung von Sinterwerkstoffen 217
7.4.1 Herstellung der Schlifffläche 217
7.4.2 Entwicklung des Gefüges 219
7.4.3 Quantitative Gefügeanalyse 222
Literatur zu Kapitel 7 228
8 Formteile aus Sintereisen oder Sinterstahl 229
8.1 Technologische Grundoperationen 233
8.2 Nachbehandlung von Sinterformteilen 242
8.3 Sinterformteile auf Eisenbasis 248
8.3.1 Niedriglegierte Sinterstähle 248
8.3.2 Hochlegierte Sinterstähle 256
8.4 Herstellung und Eigenschaften geschmiedeter Sinterstähle 262
Literatur zu Kapitel 8 274
9 Sinterwerkstoffe aus Nichteisenmetallen 277
9.1 Kupferbasis-Werkstoffe 278
9.2 Aluminiumbasis-Werkstoffe 285
9.2.1 Sinterformteile aus Aluminium 285
9.2.2 Aluminium-Hochleistungswerkstoffe 289
9.2.3 Aluminiumverbundwerkstoffe 294
9.3 Titanbasis-Werkstoffe 295
9.4 Berylliumwerkstoffe 300
Literatur zu Kapitel 9 301
10 Hochdichte und hochlegierte Sinterwerkstoffe 305
10.1 Gesinterte Schnellarbeitsstähle und hartstoffangereicherte Eisenbasislegierungen 306
10.2 Pulvermetallurgisch hergestellte Superlegierungen 317
Literatur zu Kapitel 10 328
11 Gleitwerkstoffe und Sinterlager 331
11.1 Ölgetränkte Sinterwerkstoffe 332
11.2 Poröse Sinterwerkstoffe für Gasschmierung 339
11.3 Metall-Festschmierstoff-Verbundwerkstoffe 340
11.4 Metall-Polytetrafluorethylen-Verbundwerkstoffe 346
11.5 Gleitwerkstoffe auf Stützschalen 347
11.5.1 Metallische Gleitwerkstoffe 347
11.5.2 Metall-Hochpolymer-Verbundgleitlager 348
11.6 Sintergleitwerkstoffe für hohe Beanspruchungen 351
Literatur zu Kapitel 11 354
12 Reibwerkstoffe 355
12.1 Reibwerkstoffe für Trockenlauf 356
12.1.1 Aufbau und Wirkungsweise 356
12.1.2 Herstellung 360
12.1.3 Werkstoffe, Eigenschaften, Anwendung 12.1.3.1 Werkstoffe auf Kupferbasis 362
12.2 Reibwerkstoffe für Öllauf 374
12.2.1 Aufbau und Wirkungsweise 374
12.2.2 Herstellung 377
12.2.3 Werkstoffe, Eigenschaften, Anwendung 378
Literatur zu Kapitel 12 382
13 Hochporöse Werkstoffe und Filter 385
13.1 Filter und durchströmte Werkstoffe 386
13.1.1 Einsatz und Anwendung 386
13.1.2 Prüfung der spezifischen Eigenschaften 388
13.1.3 Herstellung und Eigenschaften 393
13.2 Zellulare metallische Werkstoffe 402
13.2.1 Metallschaum-Treibmittel-Verfahren 403
13.2.2 Metallpulver-Platzhalter-Verfahren 404
13.2.3 Offenzellige Metallschäume 404
13.2.4 Hohlkugelstrukturen 406
13.3 Hochporöse Werkstoffe für Sonderzwecke 407
Literatur zu Kapitel 13 409
14 Kontaktwerkstoffe 411
14.1 Vorgänge an Kontakten 412
14.2 Werkstoffe auf Basis hochschmelzender Metalle 414
14.2.1 Werkstoffherstellung 415
14.2.2 Sinterwolfram 416
14.2.3 Sintermolybdän und Sinterrhenium 417
14.2.4 Wolfram–Kupfer-Verbundwerkstoffe 418
14.2.5 Wolfram–Silber-Verbundwerkstoffe 420
14.2.6 Wolframcarbid–Silber-Verbundwerkstoffe 421
14.2.7 Kontaktwerkstoffe für Vakuumschaltgeräte 422
14.3 Verbundwerkstoffe auf Silberbasis 425
14.3.1 Werkstoffherstellung 425
14.3.2 Silber–Metalloxid-Verbundwerkstoffe 426
14.3.3 Silber–Nickel-Verbundwerkstoffe 433
14.4 Metall–Graphit-Verbundwerkstoffe 436
14.4.1 Silber–Graphit-Verbundwerkstoffe 437
14.4.2 Kupfer–Graphit-Verbundwerkstoffe 438
Literatur zu Kapitel 14 439
15 Hochschmelzende Metalle und Legierungen 443
15.1 Herstellung von Halbzeugen und Formteilen 445
15.1.1 Sintern von Wolfram, Molybdän und Tantal 445
15.1.2 Weiterverarbeitung der Sinterteile 448
15.2 Anwendungen von Wolfram-, Molybdän- und Tantal- Werkstoffen 456
15.2.1 Hochwarmfeste Bauteile 456
15.2.2 Korrosiver Beanspruchung ausgesetzte Teile 462
15.2.3 Bauelemente der Elektrotechnik und Elektronik 463
15.3 Schwermetalle 470
Literatur zu Kapitel 15 472
16 Pulver- und Sintermagnete 475
16.1 Pulverkerne 477
16.2 Sintereisenmagnete 482
16.3 AlNiCo-Sintermagnete 487
16.3.1 Herstellung der AlNiCo-Sinterteile 487
16.3.2 Wärmebehandlung, Gefüge und Eigenschaften 490
16.4 Hartmagnete aus intermetallischen Phasen von Seltenerd- und Übergangsmetallen 493
16.4.1 Samarium-Cobalt-Magnete 493
16.4.2 Neodym-Eisen-Bor-Magnete 504
Literatur zu Kapitel 16 516
17 Hartstoffe und Hartstoffverbunde 519
17.1 Übersicht und Charakterisierung der Hartstoffe 519
17.1.1 Metallische Hartstoffe 519
17.1.2 Nichtmetallische Hartstoffe 521
17.2 Hartmetalle 524
17.2.1 Bildung des Hartmetallgefüges 525
17.2.2 Mechanische Eigenschaften von Hartmetallen 528
17.2.3 Herstellung von Hartmetallen 532
17.2.4 Anwendung unbeschichteter Hartmetalle 534
17.2.5 Beschichtung von Hartmetall 539
17.2.6 Hartmetalle mit verändertem Bindemetall oder Härteträger 544
17.3 Werkzeuge aus superharten Stoffen 546
17.4 Cermets 550
17.4.1 Einflussnahme von Eigenschaften der Komponenten 551
17.4.2 Anwendung und Entwicklungsaussichten 552
Literatur zu Kapitel 17 553
Anhang 555
Normen für die Pulvermetallurgie und für Sinterwerkstoffe 555
Prüfnormen mit enger Beziehung zur Pulvermetallurgie 558
Quellenangabe 559
Abkürzungen 559
Sachverzeichnis 561

3 Aufbereitung der Pulver (S. 49)

In den meisten Fällen ist das Pulver unmittelbar nach der Gewinnung (Rohpulver) für pulvermetallurgische Zwecke nicht verwendbar. Es muss noch einer Aufbereitung unterzogen werden, zu der vor allem das Trennen in Teilchengrößenklassen (Klassieren), ein reinigendes oder entfestigendes Glühen, die Zugabe von Presshilfsmitteln, das Mischen verschiedener Teilchenfraktionen oder Pulverarten sowie das mechanische Legieren und das Granulieren gehören.

3.1 Klassieren der Pulver

Das mit der Herstellung anfallende Pulver (Rohpulver) überstreicht meist einen sehr großen Teilchengrößenbereich. Um eine optimale Schüttdichte (Abschn. 4.4.2) und Verpressbarkeit (s. Abschn. 4.4.3) der zum Einsatz kommenden Pulver gewährleisten zu können, sind jedoch bestimmte Teilchengrößenzusammensetzungen erforderlich. Das Rohpulver muss deshalb nach der Herstellung zunächst in verschiedene Teilchengrößenklassen, sog. Fraktionen (Abschn. 4.1), getrennt werden, aus denen anschließend durch Mischen die geforderte Teilchengrößenverteilung aufgebaut wird (Abschn. 3.4).

Auch an das Granulieren schließt sich im Allgemeinen ein Klassieren an, da die Größenverteilung der Granulatkörner nicht zu breit sein darf. Das Klassieren kann mittels Siebens, Schlämmens und Sichtens geschehen. Beim Sieben (Abschn. 4.1.1) wird das Pulverhaufwerk direkt infolge unterschiedlicher geometrischer Abmessungen der Teilchen getrennt. Die Siebklassierung wird in der Regel für Teilchen >, 0,02 mm angewendet. Mit Hilfe von Siebböden verschiedener Maschenweite wird das Rohpulver in einzelne Fraktionen zerlegt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine größere Zahl von Siebmaschinentypen entwickelt worden. Sie unterscheiden sich sowohl in der Ausbildung der Siebböden als auch in der Art der Siebbewegung. Die Sieböffnungen der Siebböden können rund, quadratisch oder rechteckig sein, hinsichtlich der Siebbewegung trennt man in Wurf-, Plan- und Luftstrahlsiebe.

Beim Sichten und Schlämmen dient nicht die Teilchengröße, sondern die Sinkgeschwindigkeit in gasförmigen oder flüssigen Medien als Trennmerkmal. Die Sinkgeschwindigkeit, die ein Teilchen in einem Medium erreicht, hängt vom Volumen, der Dichte und Form des Teilchens, von der Dichte und Viskosität des Mediums sowie von der Beschleunigung des Teilchens im Kraftfeld ab. Im Fall des Sichtens (Abschn. 4.1.1) bewegen sich die Teilchen in einem Luftstrom entgegen der Schwerkraft.

Durch Sichter lassen sich Pulverteilchengrößen im Bereich von etwa 5 bis 60 µm klassieren. Für die technische Klassierung stehen verschiedene Arten von Sichtern zur Verfügung, die grundsätzlich als Schwerkraftsichter mit Sichtung im Schwerefeld oder als Fliehkraftsichter, bei denen die Sinkgeschwindigkeit der Teilchen durch die Fliehkraft vergrößert wird, arbeiten. Unter den ersteren unterscheidet man je nach dem verwirklichten Konstruktionsprinzip Horizontalstrom-, Aufstrom-, Zickzack- und Gegenstrom-Umlenksichter.

Die bei der zweiten Gruppe erforderlichen Fliehkräfte werden dadurch erzeugt, dass der Klassierraum rotiert oder – wenn der Sichter steht – dass die Sichtluft zu einer Wirbelströmung gezwungen wird. Das Schlämmen geschieht mit bewegten Flüssigkeiten (Wasser) und wird vorwiegend für die Klassierung oxidischer und silikatischer Pulver eingesetzt.

Es kann ebenfalls als Schwere- und Fliehkraftverfahren durchgeführt werden. Der durch Schlämmen trennbare Teilchengrößenbereich liegt etwa in denselben Grenzen wie beim Windsichten. Falls eine hohe Reinheit der Pulver gefordert wird, wie z.B. für die Herstellung von Sintersuperlegierungen, kann die Pulveraufbereitung auch in einem geschlossenen System unter Schutzgasatmosphäre erfolgen.