Einführung in das Grundprinzip des Sinterns

(1) Grundprinzip des Sinterns
Sintern ist einer der grundlegendsten Prozesse bei der Herstellung pulvermetallurgischer Erzeugnisse. Das Sintern spielt eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften des Endprodukts, da die durch das Sintern verursachten Ausschüsse durch nachfolgende Prozesse nicht mehr behoben werden können; umgekehrt lassen sich bestimmte Fehler aus den dem Sintern vorausgehenden Prozessen innerhalb eines gewissen Bereichs durch Anpassung des Sinterprozesses korrigieren, beispielsweise durch eine geeignete Änderung der Temperatur sowie eine Anpassung der Erwärmungs- und Abkühlzeit und -geschwindigkeit.

Sintern ist der Prozess, bei dem Pulver oder ein Pulverpressling auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Grundbestandteile erhitzt und anschließend auf bestimmte Weise und mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Das Ergebnis des Sinterns ist, dass die Pulverpartikel miteinander verbunden werden und die Festigkeit des Sinterkörpers zunimmt. Während des Sinterprozesses treten eine Reihe physikalischer und chemischer Veränderungen auf, durch die das Aggregat aus Pulverpartikeln in ein Kornaggregat umgewandelt wird und ein Produkt oder Material mit den erforderlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften entsteht. Während des Sinterns können neben der Verbindung der Pulverpartikel auch Verdichtung, Legierungsbildung, Wärmebehandlung und Verbindungen auftreten. Im Allgemeinen wird der Sinterprozess von Metallpulvern wie folgt eingeteilt:
1. Sintern von einphasigem Pulver (reines Metall, Schmelze oder Metallverbindung)
2. Festphasensintern von mehrphasigem Pulver (Metall-Metall oder Metall-Nichtmetall)
3. Flüssigphasensintern von mehrphasigem Pulver:
4. Schmelzinfiltration
Üblicherweise sind die ersten drei Sinterarten diejenigen, mit denen die PORITE-Mikrolager derzeit in Berührung kommen und die sie verstehen müssen. Während des Sinterprozesses durchlaufen die Pulverpartikel üblicherweise die folgenden Veränderungsstadien
1. Die Partikel beginnen, sich zu verbinden
2. Der Verbindungshals zwischen den Partikeln wächst
3. Der Porenkanal wird geschlossen
4. Sphäroidisierung der Poren
5. Porenschrumpfung
6. Porenvergröberung
Die verschiedenen Veränderungen im oben genannten Sinterprozess stehen in engem Zusammenhang mit der Bewegung und Wanderung von Stoffen. Theoretisch ist der Mechanismus wie folgt:
1. Verdampfung und Kondensation
2. Volumendiffusion
3. Oberflächendiffusion
4. Diffusion zwischen den Produkten
5. Viskoses Fließen
6. Plastisches Fließen

(2) Sinterprozess

2-1. Sinterprozess
Der Sinterprozess der Pulvermetallurgie lässt sich grob in vier Temperaturphasen unterteilen:
Erwärmen
Sintern und Wärmeerhaltung
Langsames Abkühlen
Schnelles Abkühlen
1. Niedertemperatur-Vorsinterphase. In dieser Phase finden hauptsächlich die Rückgewinnung des Metalls, die Verflüchtigung von adsorbiertem Gas und Wasser sowie die Zersetzung und Entfernung des Formmittels im gepressten Grünling statt. Bei PORITE-Mikrolagern aus Kupfer und Eisen wird R, B, 0 (Rapid Burning 0ff) verwendet, um die Niedertemperatur-Vorsinterphase zu ersetzen. Nach R, B, 0 oxidieren Kupfer- und Eisenprodukte, können jedoch im Körper reduziert werden und außerdem das Sintern fördern.
2. Sintern im mittleren Temperaturbereich. In dieser Phase beginnt eine erneute Agglomeration. Zunächst werden innerhalb der Partikel die verformten Partikel rückgebildet und zu neuen Partikeln reorganisiert. Gleichzeitig werden die Oxide auf der Partikeloberfläche vollständig reduziert und an den Partikelgrenzflächen bilden sich Sinterhälse.
3. Die Sinterphase wird durch eine Hochtemperatur-Haltephase abgeschlossen. Diese Phase ist der Hauptprozess des Sinterns. Wenn Diffusion und Fließen vollständig ablaufen und nahezu abgeschlossen sind, bilden sich zahlreiche geschlossene Poren, die weiter schrumpfen, sodass Porengröße und Gesamtzahl der Poren abnehmen und die Dichte des Sinterkörpers deutlich zunimmt.
4. Abkühlphase: Der tatsächliche Sinterprozess ist ein kontinuierlicher Prozess. Daher ist auch der Prozess des langsamen Abkühlens von der Sintertemperatur über einen bestimmten Zeitraum und anschließend des schnellen Abkühlens, bis der Ofen Raumtemperatur erreicht, eine Phase der Austenitzerlegung und der allmählichen Bildung des endgültigen Gefüges.
Die Temperatur bezieht sich normalerweise auf die höchste Sintertemperatur, also die Temperatur während der Haltephase, die im Allgemeinen 1/2~4/5 der absoluten Schmelzpunkttemperatur beträgt. Der Temperaturindex a=0.67~0.80; seine Untergrenze liegt geringfügig über der Temperatur des neu gebildeten Produkts, während die Obergrenze hauptsächlich unter wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten festgelegt wird und zusammen mit der Sinterzeit gewählt wird. 2-2. Faktoren, die den Sinterprozess beeinflussen:
1. Eigenschaften des Materials, einschließlich verschiedener Grenzflächenenergien und freier Energien: Diffusionskoeffizient, Viskositätskoeffizient, kritische Scherspannung, Dampfdruck und Verdampfungsrate, Gittertyp und Produktmorphologie, heteromorphe Umwandlungsmechanismen usw. 2. Pulvereigenschaften: einschließlich Partikelgröße, Partikelform und -morphologie, Partikelstruktur und chemischer Zusammensetzung der Partikel.
3. Physikalische Eigenschaften von Presslingen: einschließlich Pressdichte, verbleibender Pressspannung, Verformung oder Zerstörung des Oxidfilms auf der Partikeloberfläche und Gas in den Poren des Presslings.
4. Parameter des Sinterprozesses: einschließlich Haltezeit, Heiz- und Abkühlgeschwindigkeit, Sintergas usw. 2-3. Änderungen der Größe und Dichte von Presslingen während des Sinterns
In der Produktion sind die Anforderungen an Maß- und Formgenauigkeit der Produkte sehr hoch. Daher ist es äußerst wichtig, die Dichte- und Maßänderungen der Grünlinge während des Sinterns zu kontrollieren. Faktoren, die die Dichte- und Maßänderungen der Teile beeinflussen, sind:
1. Schrumpfung und Entfernung von Poren: Das Sintern führt zu Schrumpfung und zur Entfernung von Poren, d. h. zur Verringerung des Volumens der Sinterkörper.
2. Eingeschlossenes Gas: Beim Pressen und Formen können sich im Pressling viele geschlossene, isolierte Poren bilden. Beim Erhitzen und Zerkleinern dehnt sich die Luft in diesen isolierten Poren aus.
3. Chemische Reaktion: Bestimmte chemische Elemente im Grünling und in der Sinteratmosphäre reagieren mit einer bestimmten Menge Sauerstoff im Rohmaterial des Grünlings und erzeugen ein Gas, das entweder verdampft oder im Grünling verbleibt, wodurch der Grünling schrumpft oder sich ausdehnt.
4. Legieren: Werden zwei oder mehr Elementpulver legiert und löst sich ein Element im anderen zu einer festen Lösung, kann sich das Grundgitter ausdehnen oder zusammenziehen.
5. Schmiermittel: Wird dem Metallpulver eine bestimmte Menge Schmiermittel beigemischt und zu einem Grünling gepresst, verbrennt das beigemischte Schmiermittel bei einer bestimmten Temperatur, wodurch der Grünling schrumpft. Können die bei der Zersetzung entstehenden gasförmigen Stoffe jedoch die Oberfläche des Sinterkörpers nicht erreichen, kann sich der Grünling ausdehnen.
6. Pressrichtung: Beim Sintern verändert sich die Größe des Presslings in der zur Pressrichtung senkrechten bzw. parallelen Richtung nicht gleich. Im Allgemeinen ist die Änderungsrate in senkrechter Richtung (radiale Richtung) größer, während sie in paralleler Richtung (axiale Richtung) kleiner ist.
2-4. Vorbereitung vor dem Sintern
Prüfen Sie, ob die gesinterten Produkte für die Sintertemperatur und die Geschwindigkeit des Maschenbands geeignet sind, kontrollieren Sie die zu sinternden Produkte und entfernen Sie nicht qualifizierte gepresste Grünlinge. Im Allgemeinen erfolgt die Prüfung gemäß den Anforderungen der Prozesszeichnungen. Üblicherweise werden die geometrischen Abmessungen und die Abweichungen des Einzelgewichts des Produkts, also die Dichte der gepressten Grünlinge, sowie das Vorhandensein von Ausbrüchen an Kanten und Ecken, Delaminationsrissen und starker Aufrauung an den gepressten Grünlingen geprüft.
Bestimmen Sie das Sinterverfahren (z. B. stehend, liegend oder entladend) entsprechend der Form und Größe der gepressten Grünlinge. Blasen Sie anschließend mit einer pneumatischen Düse den auf der Produktoberfläche verbliebenen Staub ab. In besonderen Fällen müssen Platten mit hohem Aluminiumanteil gesintert werden. 2-5. Nacharbeiten nach dem Sintern
Nach dem Sintern müssen die Produkte zunächst geprüft und die nicht konformen Teile ausgesondert werden. Anschließend müssen sie geölt und entsprechend der Produktklassifizierung ordentlich gestapelt werden. In besonderen Fällen müssen die Produkte in eine gemeinsame Maschine (Trommel) gegeben werden, um Grate zu entfernen und aneinander haftende Teile zu trennen.
2-6. Analyse der Ausschussprodukte im Sinterofen
Zu den Sinterausschussprodukten gehören Produkte, die im Prozess nicht mehr gerettet werden können, sowie „Nachsinterprodukte“, die durch Nachbearbeitung in qualifizierte Produkte umgewandelt werden können.
1. Veränderungen und Verzug
2. Blasenbildung und Rissbildung
3. Grübchen
4. Maßabweichung
5. Über- und Unterbrennen
6. Oxidation und Entformen
7. Metallografische Fehler

(3) Grundaufbau des Sinterofens und Einführung in den Band-Sinterofen

Um hochwertige und kostengünstige pulvermetallurgische Produkte in großen Mengen herzustellen, müssen während des Sinterns die Aufheizgeschwindigkeit, die Sintertemperatur und -zeit, die Abkühlgeschwindigkeit und -zeit sowie die Ofenatmosphäre streng kontrolliert werden. Daher ist die Auswahl eines geeigneten Sinterofens ein wichtiger Bestandteil der pulvermetallurgischen Produktion.
3-1. Klassifizierung der Sinteröfen
Entsprechend der Beheizungsmethode werden sie in brennstoffbeheizte und elektrisch beheizte Öfen unterteilt:
Entsprechend dem Produktionsverfahren werden sie in diskontinuierliche und kontinuierliche Öfen unterteilt:
Entsprechend der Fördermethode der gesinterten Produkte werden kontinuierliche Sinteröfen in Bandöfen, Herdöfen, Stoßofen- und Stufenöfen unterteilt

Der pulvermetallurgische Prozess stellt folgende Anforderungen an den Aufbau des Sinterofens:
1. Ein abgedichtetes Ofengehäuse oder eine Muffelhülse, um die reduzierende Atmosphäre im Ofen aufrechtzuerhalten und das Eindringen von Luft zu verhindern
2. Ein stabiler und zuverlässiger Materialtransportmechanismus
3. Eine Vorwärmzone zum Entfernen des Schmiermittels und des adsorbierten Gases aus dem gepressten Grünling
4. Ein Hochtemperatur-Sinterband mit ausreichender Leistung, um sicherzustellen, dass das Produkt ausreichend gesintert und wärmebehandelt wird
5. Ein wassergekühltes Kühlband, um Oxidation zu verhindern und die endgültige metallografische Struktur zu bilden
6. Eine Vorrichtung zur Einstellung und Regelung der Aufheizgeschwindigkeit, Sintertemperatur, Wärmeerhaltungszeit, Abkühlgeschwindigkeit usw.
7. Ein strenges Temperaturregelsystem
8. Die Temperaturverteilung im Querschnitt der Ofenkammer ist gleichmäßig
9. Das Heizelement muss die Anforderungen der Sintertemperaturbedingungen erfüllen
10. Beim Ein- und Ausschalten des Elektroofens sowie beim Beschicken und Entleeren darf keine Luft in den Ofen zurückströmen, und am Ofen darf kein Wasserdampf anhaften.

Der elektrische Pulvermetallurgie-Sinterofen besteht im Allgemeinen aus drei Bereichen: Vorwärmband, Sinterband und Kühlband. Die gesamte Ofenkonstruktion ist üblicherweise vertikal mit einem Muffelrohr verbunden und bildet eine Einheit; das Ofenrohr wird mit Schutzgas durchströmt (wie in der Abbildung dargestellt). Die Funktionen der drei Bänder im Sinterofen sind folgende:
1. Vorwärmband: Vorwärmen der Pulverpresslinge und Abbrennen der Schmiermittel:
2. Sinterband: Hält die Presslinge ausreichend lange auf der vorgegebenen Temperatur, um die für Sinterteile erforderlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu erzielen;
3. Kühlband: einschließlich Vorkühlband und Wassermantel-Kühlband. Zum langsamen Abkühlen der Presslinge von hoher Temperatur auf die Rekristallisationstemperatur und anschließend zum schnellen Abkühlen, um die endgültige Gefügestruktur des Produkts zu erhalten. 3-4. Einführung in den Sinterofen mit Maschenband
Der Sinterofen mit Maschenband ist der am häufigsten eingesetzte Sinterofen zum Sintern von Produkten auf Eisen- und Kupferbasis. Das Maschenband besteht aus einer hitzebeständigen Legierung. Im Allgemeinen liegt die maximale Sintertemperatur unter 1150℃. Die Breite des Maschenbands und die Größe des Ofens werden entsprechend der Größe und Menge des Produkts ausgewählt. Das Maschenband wird von einer Antriebsvorrichtung bewegt, sodass es im Ofen kontinuierlich umläuft und dadurch das Material transportiert wird. Das Produkt kann in das Eisengitter eingelegt oder direkt auf das Maschenband gelegt werden und bewegt sich mit dem Maschenband, sodass die Presslinge vorgewärmt, gesintert und gekühlt werden und schließlich am Auslass austreten. Der genaue Betriebsablauf ist im „Betriebsstandard für Sinteröfen 3005“ beschrieben. Die neuerdings verwendete R.B.0.-Vorrichtung ist ein Verfahren zur Beschleunigung der Entwachsung durch direkte Verbrennung von Stadtgas oder Flüssiggas. Die Verwendung des RB0-Verfahrens kann die Länge der Vorwärmzone verkürzen, Stellfläche für die Ausrüstung einsparen und den Austritt von Schmiermitteldämpfen begünstigen, wodurch eine große Menge Schutzgas eingespart und gleichzeitig die Ofenleistung deutlich erhöht wird. Der genaue Betriebsablauf ist im „Standard für das Betriebsverfahren R.B.0“ beschrieben.