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Sintern – Backen für Fortgeschrittene

Durch extremen Druck und bei hohen Temperaturen erzeugt man aus Metallpulvern Materialien mit ganz besonderen Eigenschaften. Die TU Wien hat die Technik des Metallsinterns maßgeblich weiterentwickelt.

Ein Sinterofen an der TU Wien in Betrieb

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Ein Sinterofen an der TU Wien in Betrieb

Ein Sinterofen an der TU Wien in Betrieb

Ein Sinterofen an der TU Wien in Betrieb

Christian Gierl-Mayer vor dem Kaltwandofen

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Christian Gierl-Mayer vor dem Kaltwandofen

Christian Gierl-Mayer vor dem Kaltwandofen

Christian Gierl-Mayer vor dem Kaltwandofen

Dass man Metall schmelzen und gießen kann, weiß man schon seit Jahrtausenden. Dass es oft viel besser ist, Metallteile aus pulverförmigem Ausgangsmaterial herzustellen, ist eine Erkenntnis, die sich erst in den letzten Jahrzehnten durchgesetzt hat. Dabei wurden Keramiken immer schon gesintert („gebrannt“), und auch Stahl konnte bis ins vierzehnte Jahrhundert nicht schmelzmetallurgisch hergestellt werden, sondern über eine Technologie, die den heutigen Sinterschmieden recht ähnlich ist. Spezielle Metallpulver werden in Form gepresst und dann gesintert – also bei hoher Temperatur zu einem soliden Metallobjekt zusammengebacken. So lassen sich Hochleistungsmaterialien mit ganz besonderen Eigenschaften herstellen, zum Beispiel für extrem widerstandsfähige Werkzeuge. Die österreichische Industrie ist in diesem Bereich weltweit ganz vorne, einige Chemie-Arbeitsgruppen der TU Wien haben daran einen wesentlichen Anteil.

Druck und Hitze
Wenn feines Pulver zum harten, widerstandsfähigen Werkstück werden soll, sind mehrere Arbeitsschritte nötig: Zunächst muss ein passendes Pulver erzeugt werden. Die Körnchen sind oft mit einer Oxidschicht überzogen, man mixt noch spezielle Schmiermittel bei, sodass ein möglichst homogener Mix entsteht. Dann wird das Metallpulver so fest zusammengepresst, dass die einzelnen Körner sich ineinanderschieben. Die Oxidschicht bricht auf, die Metallkörner kommen in direkten Kontakt und haften aneinander. Aus dem Pulver wird ein Körper, der sich handhaben lässt, ohne zu brechen.

Dafür ist ein extrem hoher Druck von mehreren hundert Megapascal nötig. Das entspricht dem Druck, den ein Elefant ausüben würde, wenn man ihn auf der Fläche von wenigen Quadratmillimetern balancieren ließe.

Mit dem gepressten Metallpulverstück – dem sogenannten „Grünling“ – wird dann der entscheidende Schritt des Sinterns durchgeführt: Das Werkstück wird erhitzt, allerdings nicht so sehr, dass die Metallkörnchen aufgeschmolzen werden. Der Hauptbestandteil des Pulvers soll fest bleiben. Es kommt zu Diffusionseffekten zwischen den einzelnen mikroskopischen Körnchen, unerwünschte Bestandteile wie Sauerstoff werden entfernt, auf atomarer Ebene findet Materialaustausch statt, doch die körnige Struktur bleibt erhalten.

Trotzdem darf man sich das Resultat nicht porös wie einen Badeschwamm vorstellen: Durch das extrem kompakte Zusammenpressen und den intensiven Materialtransport innerhalb des Werkstücks beim Sintern bleiben oft kaum Hohlräume übrig, eine relative Dichte von über 90% kann erreicht werden. Beim Flüssigphasensintern wählt man Temperaturen, die ausreichen um bestimmte Komponenten des Pulvers zum Schmelzen zu bringen. Dabei ist sogar eine relative Dichte von 100% erreichbar.

Das Sintern von metallischen Werkstoffen findet – im Gegensatz zum „Brennen“ von Keramiken - normalerweise unter einer besonderen Schutzatmosphäre statt. Ihre Zusammensetzung kann eine große Auswirkung auf den Sinterprozess haben.

Viele Vorteile

„Die Industrie ist immer auf der Suche nach neuen Materialien mit ganz bestimmten Eigenschaften, dafür braucht man auch immer neue Verarbeitungstechniken“, sagt Prof. Herbert Danninger, Dekan der Fakultät für Technische Chemie an der TU Wien. Er beschäftigt sich seit vielen Jahren mit Pulvermetallurgie.

In vielen Bereichen ist die Technik des Sinterns heute konkurrenzlos: Man kann bei der Bearbeitung unter Druck Materialien zusammenfügen, die sich geschmolzen nur schwer zu Legierungen verarbeiten lassen. Sintern ist auch bestens geeignet, wenn es darum geht, um wenig Geld große Stückzahlen von komplex geformten Präzisionsteilen zu erzeugen.

Auch die gewünschte Geometrie des Endproduktes kann darüber entscheiden, welche Herstellungstechnik die beste ist: Bei Gussverfahren sind möglichst abgerundete Ecken am besten, beim Sintern kann man auch sehr scharfkantige Formen erzeugen.

Meist versucht man, möglichst dichte Endprodukte herzustellen, doch manchmal kann die Porosität des Endproduktes beim Sintern auch ein Vorteil sein: So können gesinterte Metallteile etwa für selbstschmierende Gleitlager verwendet werden, die das eigene Schmiermittel bereits in sich eingebaut haben.

Zu forschen gibt es in diesem Bereich genug: Viele verschiedene Ausgangsstoffe können gesintert werden, von Eisen-basierten Verbindungen über Aluminium-Legierungen und Wolfram bis zu Keramik-Verbundstoffen. Ein besonderer Vorteil der TU-Forschungsgruppen in diesem Bereich ist, dass man hier über ausgezeichnete Analytik-Methoden verfügt: Von der Massenspektrometrie bis hin zur Röntgenographie kann man viele Verfahren verwenden, um die Prozesse des Sinterns noch besser zu verstehen.

Weiterlesen: Österreich ist in der Sinter-Technologie ganz vorne, und daran hat die TU Wien einen großen Anteil