Pulvermetallurgische Fertigungstechnik

Man ist geneigt, unter dem Begriff Pulvermetallurgie die Herstellung und Verarbeitung von metallischen Pulvern zu verstehen. Bedingt durch die Entwicklung der großen überregionalen Fachverbände und ihren prägenden Einfluss gibt es jedoch keine allgemein akzeptierte Definition, die Abgrenzungen zu anderen Fertigungstechniken sind inkonsistent und pragmatisch festgelegt sowie ständigem Wandel unterworfen. Pulvermetallurgie bezeichnet deshalb eine unübersichtliche Vielfalt völlig verschiedener Methoden oder Verarbeitungsschritte für jedes betrachtete Material. Die Grenzen zur Verarbeitung keramischer Stoffe sind fließend.

Es gibt zahlreiche Methoden, Metallpulver herzustellen, von denen hier nur einige besonders wichtige kurz besprochen werden können. Große industrielle Bedeutung hat die Verdüsung einer Schmelze mit Wasser. Im einfachsten Fall lässt man einen flüssigen Metallstrom aus einer Keramikdüse im Boden eines Gießtrichters im freien Fall ausströmen, Abb. 2.1. In kurzem Abstand unter dem Ende der Schmelzedüse trifft aus einer konzentrisch angeordneten Ringdüse Wasser mit hohem Druck unter einem Winkel von ungefähr 30° aus, wodurch die Schmelze mechanisch zerlegt wird und sehr rasch erstarrt. Alternativ zu Ringdüsen werden in manchen Anlagen zwei bis vier Einzeldüsen auf die Schmelze gerichtet.

Konventionelle metallische Werkstoffe werden bei aller Variantenvielfalt der Formgebung mehr oder weniger stets nach dem gleichen Verfahrensablauf verarbeitet, nämlich Schmelzen, Gießen, Warm- und Kaltumformen sowie abschließend Zerspanen. Im Gegensatz dazu gibt es bei der Formgebung pulverförmiger Stoffe eine große Vielfalt von unterschiedlichen Verfahren, von denen viele als Nischenprozess oder Problemlöser für Spezialanwendungen nur an einem einzigen Standort in der Welt betrieben werden.

Von allen pulvermetallurgischen Formgebungsverfahren hat das Matrizenpressen mit weitem Abstand die größte technische Bedeutung. Der typische Verfahrensablauf für Formteile aus plastisch verformbaren Metallen ist in Abb. 4.1 skizziert: Das Pulver wird bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen unter 200 °C in einem geschlossenen, hochpräzisen Werkzeug in Form gepresst, wodurch der Werkstoff so viel Festigkeit erhält, dass man den Grünling mit der gebotenen Vorsicht handhaben kann.

Das Wort „sintern“ kommt aus der Bergmannssprache und bedeutet etwa „tropfen, rinnen, fließen“, steht als „Sinter“ aber auch für Ablagerungen, die sich z. B. als Kalk an Felswänden aus Wasser ausscheiden oder in Stollen und Höhlen Tropfsteine bilden. In anderer Bedeutung wurde unter „Sinter“ Metall-, besonders Eisenschlacke verstanden, ebenso die äußere Oxidschicht, die sich während der Erwärmung vor dem Schmieden auf Eisen und Stahl bildet. Verwandt ist das heute gebräuchlichere Wort „Zunder“ [GRIM84]. Bis zur heutigen Verwendung in der Technik hat das Wort einen erheblichen Bedeutungswandel erfahren. In der Pulvermetallurgie versteht man unter dem Begriff „Sintern“ eine Wärmebehandlung von Materialien, die aus Pulvern bestehen und unter der Einwirkung von Temperatur, Zeit und gegebenenfalls äußerem Druck gegenseitige Kontaktbrücken bilden. Diese Brücken zwischen sich berührenden Partikeln können alleine durch atomare Austauschreaktionen im festen Zustand entstehen oder durch flüssige Bestandteile im Gefüge mit oder ohne Lösung des Grundwerkstoffes gebildet werden. Industriell verwendet man sehr unterschiedliche Ofenbauformen zum Sintern, die ganz an den Werkstoff und gegebenenfalls an die Geometrie der Bauteile angepasst sein müssen. Für die Massenfertigung von Formteilen kommen aus Kostengründen nur kontinuierliche oder quasikontinuierliche Systeme in Frage.

Mit Ausnahme der spezifischen Wärme, des Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Curie-Temperatur und der Schmelztemperatur hängen die Eigenschaften poröser Sinterwerkstoffe von der Porosität ab. Eine quantitative Beschreibung dieser Porositätsabhängigkeit der Eigenschaft P liefert

Dieser Text ist bei weitem keine umfassende Darstellung pulvermetallurgischer Rohstoffe und ihrer Herstellung, Formgebungs- und Sinterverfahren, Werkstoffe und Fertigungsschritte. Bei der ungeheuren Fülle unterschiedlicher Aspekte wäre eine solche Übersicht nur von einem großen Kollektiv vielseitig spezialisierter Autoren zu erarbeiten. Zu einer Reihe von Einzelthemen gibt es jedoch vertiefende Monographien, auf die man zurückgreifen kann, etwa zu den Grundlagen des Sinterns [GEGU73, EXNE78, SCHA92, GERM96], zu einzelnen Fertigungstechniken wie Pulverschmieden [KUHN90], Metallpulverspritzguss [GERM97] oder Formgebung und Verdichtung bei hohen Temperaturen [BOSE03], zu Werkstoffen der Pulvermetallurgie allgemein [UPAD00b] und speziellen Werkstoffen wie Hartmetallen [SCHE88, KOLA94, BROO98, SPRI02], Eisen und Stahl, [ŠALA95, HÖGA97, GERM98b] oder rostfreien Stählen [KLAR07] und Bearbeitungsschritten [ŠALA05]. Daneben gibt es zahlreiche Einführungen und teilweise regelrecht enzyklopädische Übersichten, die den Begriff Pulvermetallurgie im Titel tragen. Mit dem vorliegenden Beitrag sollen den vorhandenen Zusammenfassungen des Arbeitsgebietes speziell unter dem Gesichtspunkt der Fertigungstechnik und der Gebrauchseigenschaften einige Ergänzungen zur Seite gestellt werden, die die Formteilfertigung von Stahlbauteilen betreffen. Die Arbeitsgänge nach dem Sintern, auf die keine Fertigung verzichten kann, wurden bewusst nicht behandelt, denn sie unterscheiden sich von den Arbeitsgängen mit porenfreien Werkstoffen nur dadurch, dass man immer den Einfluss der Porosität berücksichtigen muss. Auch auf eine Darstellung der Werkstoff- und Eigenschaftsnormung wurde nicht eingegangen. In Europa befinden sich diese Themen im Fluss und hinken den aktuellen Entwicklungen der Technik immer hinterher. Eine befriedigende, logisch nachvollziehbare Normung auf diesem Gebiet gibt es weltweit nicht. Der Anwender ist deshalb in den meisten Fällen auf die Unterlagen der Hersteller und die unmittelbare Zusammenarbeit mit den Projektabteilungen der Industrie angewiesen, um zu kostengünstigen und innovativen Bauteilen zu kommen, die die Möglichkeiten der Technik ausschöpfen.