Published on 6/15/2017
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Perfektes Vakuumsintern - Schritt für Schritt - Nr. 1

Perfektes Vakuumsintern - Schritt für Schritt - Nr. 1

Dies ist der erste Teil eines Artikels mit einer eingehenden Beschreibung des Vakuum-Entbindern und Vakuumsintern. Sie werden Gelegenheit haben, Ihr Wissen zu diesem Thema zu erweitern. Schritt für Schritt möchte ich Ihnen das nötige Fachwissen vermitteln, damit Sie die vor Ihnen liegenden Herausforderungen erfolgreich meistern können. Ich möchte Ihnen auch einige nützliche Tipps dazu geben, wie Sie für Ihre Anwendung die besten Entscheidungen treffen, um sicherzustellen, dass Sie ein perfektes Sintern erzielen.

Vorteile des Vakuumsintern

Komponenten, die gesintert werden müssen, sind häufig empfindlich und kompliziert und können bei der Herstellung leicht beschädigt werden. Das Sintern umfasst die Wärmebehandlung von Materialpulver, um eine einwandfreie Verschmelzung der einzelnen Partikel sicherzustellen. Diese interpartikuläre Verbindung wird durch die atomare Diffusion gewährleistet, die durch hohe Temperaturen thermodynamisch begünstigt wird. Diese Behandlung dient im Wesentlichen dazu, eine hohe Qualität des Endmaterials zu erzielen, insbesondere in puncto Dichte, Porosität und mechanische Festigkeit. Die Eigenschaften des Endprodukts, insbesondere die Oberflächengüte und die mechanischen Eigenschaften, können durch das Sintern in einem Vakuumofen verbessert werden. Damit werden eine Reduzierung der Oxidation der einzelnen Partikel und ein anschließendes verbessertes Verschmelzen garantiert.

Das Pressen von Metallpulvern, das Metallpulverspritzgießen (MIM-Verfahren), das 3D-Drucken und andere vergleichbare Technologien können in großem Maße von der besseren Qualität und Flexibilität des Vakuumsinterns profitieren.

Das Sintern in einem Vakuum ist eine effektive Methode zur Herstellung von Komponenten mit besonderen Formen, denn dadurch wird der Aufwand der maschinellen Nachbearbeitung in erheblichem Maße reduziert. Das sind die Vorteile des Vakuumsinterns im Überblick:

  • Saubere glänzende Teile
  • Hervorragende Qualität
  • Weniger Mängel
  • Einfache Instandhaltung
  • Flexibilität der Produktion

Entbindern: Der erste kritische Schritt beim Sintern

Damit wir in die Phase des Sintern ohne Mängel eintreten können, muss das Werkstück zunächst entbindert werden. Die erste Entscheidung betrifft also das Verfahren zum Entbindern der Werkstücke. Durch das Entbindern wird das primäre Bindemittel von der geformten Komponente entfernt. Typischerweise wird das Entbindern in mehreren Schritten durchgeführt, und das Werkstück durchläuft mehr als einen Zyklus, um sicherzustellen, dass möglichst viel von dem Bindemittel vor dem Sintern entfernt wird. Das genaue Verfahren hängt von der Art des verwendeten Bindemittels ab. Abgesehen von Bindemitteln, für die es spezifische Verfahren gibt, handelt es sich bei den meisten um Wärmebehandlungen, denen möglicherweise eine Vorbehandlung im Wasser vorausgeht.

Dann stellt sich die Frage, ob man das Entbindern im gleichen Ofen wie das anschließende Sintern durchführen sollte oder ob man einen spezifischeren Ofen dafür nutzen sollte. Hier kann keine eindeutige Antwort gegeben werden, denn es müssen gleich mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören unter anderem die Anforderungen des Reinigungsverfahrens, die Zerbrechlichkeit der Werkstücke, der Einsatz von menschlicher Arbeitskraft, Produktionsanforderungen, Energieverbrauch und die erforderliche Verfahrensatmosphäre. Alle diese Faktoren spielen bei der Beantwortung der Frage, ob das Entbindern und das Sintern in demselben Ofen durchgeführt werden sollten, eine wichtige Rolle. Ich möchte nun näher auf die einzelnen Faktoren eingehen.

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Entbindern und Sintern: Wie man den idealen Ofen auswählt

  • Anforderungen des Reinigungsverfahrens Grundsätzlich kann man sagen, dass das Entbindern und das Sintern gewissermaßen in Konflikt zueinander stehen. Das Entbindern ist nämlich eigentlich ein „schmutziges“ Verfahren, was bedeutet, dass alle Substanzen, mit Ausnahme des Metallpulvers, das wir zum Verschmelzen bringen wollen, unvermeidbar ihren Weg in den Ofen finden. Dagegen muss das Sintern in einer möglichst reinen Umgebung stattfinden, und alle Substanzen, wieder mit Ausnahme des Metallpulvers, können die Eigenschaften des Produkts negativ beeinflussen. Wie wir später sehen werden, gibt es hocheffektive Techniken, um diesen Konflikt aufzulösen und beide Behandlungen im selben Ofen durchzuführen. Vor diesem Hintergrund sollten Sie also prüfen, welche Vorgehensweise für Ihre Anwendung am besten geeignet ist. Falls das von Ihnen verwendete Bindemittel besonders „schwierig“ ist oder falls Ihre Anwendung eine überdurchschnittlich hohe Reinheit erfordert, kann es erforderlich sein, oder zumindest ratsam, das Entbindern in einem separaten Ofen durchzuführen.
  • Zerbrechlichkeit der Werkstücke Man sollte auf jeden Fall daran denken, dass die Werkstücke nach dem Entbindern extrem zerbrechlich sind, und dass sie beim Transport von einem Ofen in den anderen aufgrund von Vibrationen zerbrechen können. Dieses Problem kann jedoch einfach gelöst werden, indem ein Vorsintern im Entbinderofen durchgeführt wird (wobei dieser Ofen in der Lage sein muss, die erforderlichen Temperaturen zu erreichen, also höhere als beim Entbindern).
  • Geplanter Einsatz von menschlicher Arbeitskraft Wenn das Entbindern in demselben Ofen wie das Sintern durchgeführt werden kann, bietet das den Vorteil, dass keine menschliche Arbeitskraft zum Transport der Werkstücke von einem Ofen in den anderen eingesetzt werden müssen. Gerade bei hohen Produktionsanforderungen kann dieser Vorteil extrem wichtig sein, denn dabei könnte man den Ofen abends beladen, das Entbindern und Sintern könnte die Nacht über durchgeführt werden und am nächsten Morgen könnten die fertigen Werkstücke entnommen werden, ohne dass dafür eine Nachtschicht erforderlich wäre. Andererseits, bei einem nur geringen Produktionsvolumen, das auch tagsüber erledigt werden kann, und/oder falls das Personal ohnehin aus anderen Gründen im Dienst sein muss, verliert dieser Vorteil an Relevanz.
  • Produktionsanforderungen Falls die Produktion so überschaulich ist, dass sie auch mit einem einzigen kleinen Ofen erledigt werden kann, könnte die Anschaffung eines separaten Ofens für das Entbindern eine übermäßige finanzielle Belastung darstellen. Dabei muss berücksichtigt werden, dass unter einem bestimmten Limit die Kosten des Ofens durch die Verringerung des Nutzvolumens nicht weiter reduziert werden können. Bei einer hohen Produktion, oder falls die Produktion beträchtlich ansteigt, könnte die Anschaffung eines Entbinderofens finanziell durchaus sinnvoll sein, denn diese Öfen sind beim Vergleich mit dem Nutzvolumen zweifellos kostengünstiger. Falls der Einsatz von zwei Öfen vorgesehen ist, sollte man bei der Auswahl der Ofenkapazitäten unbedingt berücksichtigen, dass das thermische Entbindern länger dauern kann, als das Sintern. Falls beispielsweise das Entbindern doppelt so lange dauert wie das Sintern, dann sollte auch die Kapazität des Entbinderofens doppelt so hoch sein, um etwaige Engpässe zu vermeiden. Ebenso wie die Volumenverhältnisse muss auch das Verhältnis zwischen einzelnen Längen studiert werden, um den Transport der Ladung von einem Ofen zum anderen zu ermöglichen.
  • Energieverbrauch Sofern alle anderen Bedingungen gleich bleiben, ist es offensichtlich, dass die aufeinanderfolgende Durchführung beider Verfahren in demselben Ofen in puncto Energieeinsparungen Vorteile bringen würde. Denn beim Einsatz von zwei Öfen müssten die Werkstücke zunächst im Entbinderofen abgekühlt und dann im Sinterofen wieder erhitzt werden. Man sollte jedoch berücksichtigen, dass die im Entbinderofen verbrauchte Energie von der im Sinterofen verbrauchten Energie beträchtlich abweichen kann. Lassen Sie uns als Beispiel einen typischen Heißwandofen zum Entbindern nehmen, mit einer Retorte, in der die Ladung bearbeitet wird, wobei der Widerstand extern angebracht ist und mit einer substanziellen Schicht aus feuerfestem Keramikmaterial. Wenn wir seinen Verbrauch mit dem eines Graphitsinterofens vergleichen, werden wir wohl zu dem Ergebnis kommen, dass der Verbrauch bei beiden etwa gleich ist. Das oben angeführte Argument könnte also hier zutreffen. Wenn wir jedoch einen Metallsinterofen haben, und falls der Partialdruck während des Entbindern hoch ist, dann wäre der Energieverbrauch des Metallsinterofens höher, aufgrund der eingeschränkten Effizienz der Metallabschirmung beim Vorhandensein einer Konvektion.
  • Erforderliche Verfahrensatmosphäre Bei vorigen Kommentaren haben wir spekuliert, dass Entbinderöfen beträchtlich teurer sind als Sinteröfen. Das ist sicherlich richtig, falls die Verfahrensatmosphäre inert ist (typischerweise Vakuum, Argon oder Stickstoff). Falls jedoch eine Atmosphäre mit entzündlichen Gasen erforderlich ist, wie zum Beispiel Wasserstoff, könnten die erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen dazu führen, dass die Kostendifferenz an Relevanz verliert, und dass die anderen Punkte zugunsten der Durchführung beider Verfahren in einem Ofen überwiegen würden.

Haben Sie noch weitere Fragen zum Entbindern? Für Fragen stehe ich Ihnen sehr gerne zur Verfügung. Ebenso gerne kann ich Ihnen noch weitere Informationen und Tipps zum Entbindern und Sintern bereitstellen.

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Bei etwaigen Fragen, Kommentaren oder Bedenken im Zusammenhang mit dem Sintern in Vakuumöfen helfe ich Ihnen sehr gerne weiter.

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