Ein praxisorientierter Leitfaden für MIM-, CIM- und pulvermetallurgische Teile

Sintern ist ein Hochtemperatur-Fertigungsverfahren, bei dem Pulverpartikel miteinander verbunden werden, ohne den Werkstoff vollständig aufzuschmelzen. Es wird häufig beim Metallpulverspritzgießen, beim Keramikpulverspritzgießen und in der Pulvermetallurgie eingesetzt, um aus einem empfindlichen pulverförmigen Teil eine stabile, dichte und funktionsfähige Komponente zu machen.

Einfach ausgedrückt verleiht das Sintern einem aus Pulver geformten Teil seine endgültige Festigkeit, Dichte, Maßstabilität und Materialleistung.

Vor dem Sintern kann ein gepresstes oder spritzgegossenes Pulverteil bereits die erforderliche Form haben. Es ist jedoch noch porös, schwach und nicht für den praktischen Einsatz geeignet. Während des Sinterns wird das Teil in einer kontrollierten Ofenatmosphäre erhitzt. Die Pulverpartikel verbinden sich, die Poren schrumpfen, die Dichte steigt und das Teil wird deutlich fester.

Bei kundenspezifischen MIM-, CIM- und pulvermetallurgischen Teilen ist das Sintern einer der wichtigsten Produktionsschritte. Es beeinflusst direkt die Endabmessungen, das Schwindmaß, die mechanische Festigkeit, die Härte, die Porosität, den Oberflächenzustand und die Chargenkonstanz.

Dieser Leitfaden erklärt, was Sintern ist, wie der Sinterprozess funktioniert, warum er bei der MIM- und CIM-Fertigung wichtig ist und was Ingenieure bei der Konstruktion kundenspezifischer Sinterteile berücksichtigen sollten.

Was ist Sintern?

Sintern ist das Erhitzen eines pulverförmigen Werkstoffs auf eine Temperatur unterhalb seines Schmelzpunkts, sodass sich die Pulverpartikel miteinander verbinden.

Der Werkstoff wird normalerweise nicht vollständig aufgeschmolzen. Stattdessen bewegen sich Atome über die Kontaktstellen zwischen den Pulverpartikeln. Diese Kontaktstellen werden stärker, Poren werden kleiner und das Teil wird dichter.

Sintern wird üblicherweise eingesetzt für:

• Metallische Spritzgussteile

• Keramische Spritzgussteile

• Teile aus der Pulvermetallurgie

• Gesinterte Metallfilter

• Teile aus Wolfram und Molybdän

• Hartmetallwerkzeuge und Verschleißteile

• Hochentwickelte Keramikkomponenten

• Poröse Metallkomponenten

Das Verfahren eignet sich besonders für Werkstoffe, die sich nur schwer oder kostspielig gießen, schmieden oder aus Vollmaterial zerspanen lassen. Außerdem können Hersteller damit komplexe Kleinteile mit guter Wiederholgenauigkeit fertigen.

Wie der Sinterprozess funktioniert

Der Sinterprozess mag von außen einfach aussehen. Ein Teil kommt in einen Ofen, durchläuft einen Heizzyklus und kommt anschließend fester wieder heraus. Im Inneren des Teils finden jedoch mehrere wichtige Veränderungen auf Partikelebene statt.

Partikelbindung

Zu Beginn des Sinterns berühren sich die Pulverpartikel an vielen kleinen Kontaktstellen. Mit steigender Temperatur beginnen sich Atome über diese Kontaktbereiche hinweg zu bewegen. Dadurch entstehen stärkere Bindungen zwischen den Partikeln.

Halsbildung

Während die Bindung fortschreitet, bilden sich zwischen benachbarten Partikeln kleine „Hälse“. Diese Hälse wachsen während des Sinterzyklus und tragen dazu bei, dass das Teil an Festigkeit gewinnt.

Dies ist einer der wesentlichen Unterschiede zwischen einem Pressling aus losem Pulver und einem Sinterteil. Die Partikel werden nicht mehr nur zusammengepresst. Sie sind durch feste Bindungen miteinander verbunden.

Verdichtung

Während des Sinterns werden die Poren im Inneren des Teils kleiner. In vielen Anwendungen bedeutet eine höhere Dichte eine bessere Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit.

Allerdings muss nicht jedes gesinterte Teil vollständig dicht sein. Einige Komponenten werden absichtlich mit kontrollierter Porosität hergestellt, beispielsweise Filter, Lager oder Fluidregelungskomponenten.

Schrumpfung

Gesinterte Teile schrumpfen während des Prozesses normalerweise. Das ist normal und zu erwarten. Bei MIM und CIM ist die Schrumpfung besonders wichtig, da das geformte Grünteil absichtlich größer als das fertige Teil ist.

Werkzeuge, Feedstock, Entbindern, Ofenprofil und Auflagemethode beeinflussen die endgültige Schrumpfung. Eine gute Kontrolle des Sinterprozesses ist für stabile Abmessungen erforderlich.

Kornwachstum

Wenn die Temperatur zu hoch oder die Haltezeit zu lang ist, kann das Kornwachstum übermäßig werden. Dies kann Festigkeit, Zähigkeit und Maßstabilität beeinträchtigen. Bei Hochleistungsbauteilen muss der Sinterzyklus sorgfältig kontrolliert werden.

Sintern im Vergleich zum Schmelzen

Sintern unterscheidet sich vom Schmelzen.

Beim Schmelzen wird das Material erhitzt, bis es flüssig wird. Beim Sintern wird das Material unterhalb seines Schmelzpunkts erhitzt, sodass sich die Pulverpartikel verbinden, während das Teil im Allgemeinen seine äußere Form beibehält.

Dieser Unterschied ist bei Werkstoffen mit hohen Schmelzpunkten wichtig, etwa Wolfram, Molybdän, Wolframkarbid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und anderen Hochleistungskeramiken. Statt diese Werkstoffe vollständig zu schmelzen, können Hersteller pulverbasierte Formgebungs- und Sinterverfahren einsetzen, um dichte Hochleistungsbauteile herzustellen.

Bei MIM- und CIM-Teilen ermöglicht das Sintern außerdem die Herstellung komplexer Formen aus feinen Metall- oder Keramikpulvern. Das Formteil ist vor dem Sintern überdimensioniert und schrumpft während des Ofenzyklus auf die endgültigen Abmessungen.

Warum das Sintern beim Metallpulverspritzgießen entscheidend ist

Beim Metallpulverspritzgießen ist das Sintern der Schritt, bei dem ein entbindertes Braunteil in ein fertiges Metallbauteil umgewandelt wird.

Der MIM-Prozess umfasst in der Regel vier Hauptschritte:

1. Feedstock-Aufbereitung

2. Spritzgießen

3. Entbindern

4. Sintern

Nach dem Spritzgießen enthält das Grünteil Metallpulver und Bindemittel. Nach dem Entbindern ist der größte Teil des Bindemittels entfernt, das Braunteil ist jedoch weiterhin empfindlich und porös.

Während des Sinterns wird das Braunteil in einer kontrollierten Atmosphäre erhitzt. Die Metallpartikel verbinden sich durch Diffusion, die Poren werden kleiner, die Dichte nimmt zu und das Teil schrumpft auf seine endgültige Größe.

Diese Schrumpfung ist zu erwarten und muss bei der Auslegung der Werkzeuge berücksichtigt werden. Eine MIM-Form erzeugt nicht direkt das endgültige Metallmaß. Sie erzeugt ein überdimensioniertes Grünteil, das während des Entbinderns und Sinterns vorhersehbar schrumpfen muss.

Aus diesem Grund steht die Sintersteuerung in engem Zusammenhang mit Maßgenauigkeit, Dichte, Festigkeit, Härte, Oberflächenqualität und Produktionsstabilität.

Bei kundenspezifischen MIM-Teilen ist das Sintern nicht nur ein Ofenprozess. Es ist Teil der umfassenden technischen Steuerung - von der Werkstoffauswahl und Werkzeugkonstruktion bis hin zum Entbindern, zur Abstützung, Prüfung und abschließenden Qualitätsfreigabe.

Sintern beim Keramikspritzgießen

Sintern ist auch beim Keramikspritzgießen von entscheidender Bedeutung.

Beim CIM wird Keramikpulver mit einem Bindemittel gemischt und in komplexe Formen spritzgegossen. Nach dem Entbindern wird das keramische Grünteil bei hoher Temperatur gesintert. Die Keramikpartikel verbinden sich, die Porosität nimmt ab und das Teil wird hart, dicht und verschleißfest.

Zu den gängigen CIM-Werkstoffen gehören Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid und andere technische Keramiken. Diese Werkstoffe werden häufig eingesetzt, wenn das Teil eine hohe Härte, elektrische Isolierung, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit oder Hochtemperaturstabilität benötigt.

Das CIM-Sintern erfordert eine sorgfältige Kontrolle, da Keramikteile empfindlich auf Schrumpfung, Rissbildung und Verformung reagieren können. Gleichmäßige Erwärmung, geeignete Abstützung und eine stabile Pulverqualität sind für die Maßgenauigkeit des fertigen Teils wichtig.

Gängige Arten des Sinterns

Es gibt mehrere Arten des Sinterns. Das richtige Verfahren hängt vom Werkstoff, der erforderlichen Dichte, dem Teiledesign, dem Kostenziel und der späteren Anwendung ab.

Festphasensintern

Festphasensintern findet unterhalb des Schmelzpunkts des Hauptwerkstoffs statt. Es bildet sich keine wesentliche flüssige Phase. Die Partikelbindung und Verdichtung erfolgen hauptsächlich durch Diffusion.

Dieses Verfahren wird häufig für viele Metalle und Keramiken eingesetzt.

Flüssigphasensintern

Beim Flüssigphasensintern bildet sich während des Prozesses eine geringe Menge einer flüssigen Phase. Diese Flüssigkeit unterstützt die Umlagerung der Partikel und verbessert die Verdichtung.

Dieses Verfahren ist bei Hartmetall, Wolfram-Schwerlegierungen und einigen speziellen pulvermetallurgischen Werkstoffen üblich.

Druckloses Sintern

Druckloses Sintern wird in einem Ofen ohne die Anwendung eines externen mechanischen Drucks durchgeführt. Es wird häufig eingesetzt, da es für die Chargenproduktion und viele verschiedene Teilegeometrien geeignet ist.

Heißisostatisches Pressen

Beim heißisostatischen Pressen (HIP) werden hohe Temperaturen und hoher Druck eingesetzt, um die innere Porosität zu verringern und die Dichte zu verbessern. Es wird häufig für Hochleistungsteile eingesetzt, die eine bessere Ermüdungsfestigkeit, Druckbeständigkeit oder strukturelle Zuverlässigkeit erfordern.

HIP ist in der Regel teurer als das Sintern im Standardofen und wird daher auf Grundlage der Leistungsanforderungen ausgewählt.

Funkenplasmasintern

Das Funkenplasmasintern (SPS) nutzt elektrischen Strom und Druck, um pulverförmige Materialien schnell zu erhitzen und zu verdichten. Es wird häufig in der Forschung, bei fortschrittlichen Werkstoffen und für spezielle Anwendungen eingesetzt.

Es ist nicht das gängigste Verfahren für die standardmäßige MIM-Produktion, spielt aber bei der fortschrittlichen Pulververarbeitung eine wichtige Rolle.

Gängige Werkstoffe für gesinterte Teile

Viele Metalle und Keramiken können durch Sintern verarbeitet werden. Die Werkstoffauswahl hängt von Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Härte, magnetischen Eigenschaften, Verschleißfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Kosten ab.

Edelstahl

Edelstahl ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien für MIM-Teile. Zu den gängigen Güten gehören 316L, 17-4PH, 304, 420 und 440C. MIM-Teile aus Edelstahl werden in medizinischen Geräten, Werkzeugen, Schlössern, Unterhaltungselektronik, Industrieteilen und präzisen mechanischen Baugruppen eingesetzt.

Niedriglegierter Stahl

Niedriglegierte Stähle werden eingesetzt, wenn Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Kostenkontrolle wichtig sind. Nach dem Sintern können sie wärmebehandelt werden, um Härte und mechanische Eigenschaften zu verbessern.

Wolfram und Schwerlegierungen

Wolfram und Wolfram-Schwerlegierungen lassen sich aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts nur schwer mit herkömmlichen Schmelzverfahren verarbeiten. Für diese Werkstoffe werden häufig Pulvermetallurgie und Sintern eingesetzt.

Sie werden in Gegengewichten, Strahlenschutzkomponenten, Teilen zur Schwingungsdämpfung und Bauteilen mit hoher Dichte eingesetzt.

Titan

Gesinterte Titanteile werden eingesetzt, wenn geringes Gewicht, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit wichtig sind. Titan erfordert während des Sinterns eine sorgfältige Kontrolle der Atmosphäre, da es empfindlich auf Sauerstoff und Verunreinigungen reagiert.

Hochleistungskeramiken

Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid und andere Keramiken werden häufig gesintert, um eine hohe Härte, Verschleißfestigkeit, elektrische Isolierung und chemische Stabilität zu erzielen.

Gesinterte Keramikteile werden in medizinischen, elektronischen, optischen, fluidtechnischen und industriellen Anwendungen eingesetzt.

Häufige Sinterfehler

Sinterfehler können die Festigkeit, das Erscheinungsbild, die Abmessungen und die Zuverlässigkeit eines Teils beeinträchtigen. Das Verständnis dieser Fehler hilft Ingenieuren, die Konstruktion und die Produktionsstabilität zu verbessern.

Verzug

Verzug tritt auf, wenn sich das Teil während des Sinterns verformt. Ursachen können ungleichmäßige Schrumpfung, eine unzureichende Abstützung, eine ungleichmäßige Wanddicke, die Schwerkraft oder ein ungeeignetes Ofenprofil sein.

Dünne Wände, lange nicht abgestützte Abschnitte und asymmetrische Formen verziehen sich eher.

Rissbildung

Risse können während der Entbinderung, des Aufheizens, des Abkühlens oder des Sinterns auftreten. Mögliche Ursachen sind eingeschlossenes Bindemittel, zu schnelles Aufheizen, innere Spannungen, scharfe Übergänge oder eine schlechte Materialverteilung.

Eine gute Konstruktion und eine kontrollierte Entbinderung sind wichtig, um das Rissrisiko zu verringern.

Porosität

Eine gewisse Porosität ist bei vielen gesinterten Teilen normal. Übermäßige Porosität kann jedoch Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und Druckdichtheit verringern.

Anforderungen an die Dichte sollten frühzeitig besprochen werden, insbesondere bei strukturellen Anwendungen oder Dichtungsanwendungen.

Blasenbildung

Blasenbildung kann auftreten, wenn Gas im Teil eingeschlossen ist und nicht ordnungsgemäß entweichen kann. Dies kann mit der Binderentfernung, der Aufheizrate, der Feedstock-Qualität oder der Teilegeometrie zusammenhängen.

Oxidation

Oxidation kann auftreten, wenn die Ofenatmosphäre für das Material nicht geeignet ist. Bei Edelstahl, Titan und anderen empfindlichen Materialien ist eine kontrollierte Atmosphäre besonders wichtig.

Konstruktionsaspekte für Sinterteile

Sinterteile unterscheiden sich von CNC-bearbeiteten Teilen, Gussteilen und Schmiedeteilen. Das Design muss Schwindung, Unterstützung, Wandstärke, Pulverfluss und Nachbearbeitung berücksichtigen.

Gleichmäßige Wandstärke

Eine gleichmäßige Wandstärke trägt dazu bei, ungleichmäßige Schwindung und Verzug zu verringern. Große Änderungen der Wandstärke können während des Sinterns Spannungs- und Dichteunterschiede verursachen.

Scharfe Ecken vermeiden

Scharfe Innenecken können die Spannungskonzentration und das Rissrisiko erhöhen. Geeignete Radien können die Festigkeit und Herstellbarkeit verbessern.

Schwindung frühzeitig berücksichtigen

Bei MIM- und CIM-Teilen muss die Schwindung bereits in der Werkzeugphase berücksichtigt werden. Die Formkavität ist größer als das fertige Teil. Die Schwindungsrate hängt von Material, Feedstock, Teilegeometrie und Sinterbedingungen ab.

Unterstützung während des Sinterns

Einige Teile benötigen während des Sinterns keramische Setter, Stützen oder spezielle Vorrichtungen. Dies ist besonders bei dünnen, langen oder asymmetrischen Teilen wichtig.

Wann sollten Sie Sinterteile wählen?

Sintern ist geeignet, wenn Teiledesign, Material und Stückzahl zu den Prozessvorteilen passen.

Sinterteile kommen für Sie möglicherweise infrage, wenn:

• Das Teil ist klein oder mittelgroß

• Die Geometrie ist komplex

• Das Material ist schwer zu bearbeiten

• Eine Fertigung in großen Stückzahlen ist erforderlich

• Eine gute Materialausnutzung ist wichtig

• Das Teil erfordert eine hohe Härte oder Verschleißfestigkeit

• Das Teil weist feine Details auf, die durch Bearbeitung nur schwer herzustellen sind

• Das Projekt benötigt nach der Werkzeugfreigabe eine stabile Wiederholgenauigkeit

Bei einfachen Teilen in kleinen Stückzahlen kann CNC-Bearbeitung weiterhin schneller und wirtschaftlicher sein. Bei komplexen Metall- oder Keramikteilen in großen Stückzahlen kann MIM oder CIM eine gute Option sein.

Fertigung kundenspezifischer Sinterteile

MIM Supplier bietet kundenspezifische Fertigungsunterstützung für MIM-Teile, CIM-Teile und pulvermetallurgische Komponenten. Wir unterstützen Kunden bei der Prüfung von Zeichnungen, Materialoptionen, Toleranzen, Schwindungsrisiken, Anforderungen an die Oberflächenbehandlung und Prüfverfahren.

Bei kundenspezifischen Sinterteilen ist eine frühzeitige technische Prüfung wichtig. Eine kleine Designänderung kann das Werkzeugrisiko verringern, die Sinterstabilität verbessern oder die Produktionskosten senken.

Wir können Teile unterstützen, die in folgenden Bereichen eingesetzt werden:

• Medizinische Geräte

• Unterhaltungselektronik

• Automobilkomponenten

• Industrieausrüstung

• Optische und Präzisionsinstrumente

• Komponenten zur Flüssigkeitssteuerung

• Schloss- und Beschlagkomponenten

• Verschleißfeste Teile

• Kleine strukturelle Metallkomponenten

• Hochentwickelte Keramikkomponenten

Je nach Projekt können wir auch Sekundärprozesse wie CNC-Bearbeitung, Schleifen, Wärmebehandlung, Polieren, Passivieren, Galvanisieren, Beschichten und Qualitätsprüfung unterstützen.

Benötigte Informationen für ein Angebot zu Sinterteilen

Um ein genaues Angebot zu erstellen, stellen Sie uns nach Möglichkeit bitte die folgenden Informationen zur Verfügung:

• 2D-Zeichnung mit Toleranzen

• 3D-Modell im STEP-, STP-, IGS-, X_T- oder ähnlichen Format

• Werkstoffgüte

• Stückzahl für Prototypen und Serienproduktion

• Anforderungen an die Oberflächenbehandlung

• Anforderungen an die Wärmebehandlung

• Kritische Abmessungen

• Prüfanforderungen

• Anwendung oder Arbeitsumgebung

• Besondere Anforderungen wie Härte, Dichte, Korrosionsbeständigkeit oder Druckdichtheit

Wenn Sie nicht sicher sind, ob MIM, CIM, Pulvermetallurgie oder CNC-Bearbeitung für Ihr Teil am besten geeignet ist, kann unser Entwicklungsteam die Zeichnung prüfen und ein geeignetes Fertigungsverfahren vorschlagen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Sintern in einfachen Worten?

Sintern ist ein Prozess, bei dem Pulvermaterial unterhalb seines Schmelzpunkts erhitzt wird, sodass sich die Partikel miteinander verbinden. Dadurch wird das Teil fester, dichter und formstabiler.

Ist Sintern dasselbe wie Schmelzen?

Nein. Beim Schmelzen wird das Material in eine Flüssigkeit umgewandelt. Beim Sintern werden Pulverpartikel miteinander verbunden, ohne dass das Hauptmaterial vollständig schmilzt. Dadurch behält das Teil während des Ofenprozesses seine Form.

Warum schrumpfen MIM-Teile beim Sintern?

MIM-Teile schrumpfen, weil sich die Poren verringern und sich die Metallpartikel während des Sinterns einander annähern. Diese Schrumpfung ist zu erwarten und muss bei der Werkzeugkonstruktion berechnet werden.

Welche Materialien können gesintert werden?

Viele Metalle und Keramiken können gesintert werden, darunter Edelstahl, niedriglegierter Stahl, Wolframlegierungen, Titan, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid und andere Pulverwerkstoffe.

Können Sinterteile nach dem Sintern bearbeitet werden?

Ja. Einige Sinterteile können nach dem Sintern zerspant, geschliffen, mit Gewinden versehen, poliert, beschichtet, wärmebehandelt oder galvanisch beschichtet werden. Die Nachbearbeitung hängt vom Material, den Toleranzen und der endgültigen Anwendung ab.

Fazit

Sintern ist ein wichtiger Prozess beim Metallpulverspritzgießen, Keramikpulverspritzgießen und in der Pulvermetallurgie. Dabei werden Pulverpartikel miteinander verbunden, die Porosität wird verringert, die Dichte erhöht und das Teil erhält seine endgültige Festigkeit und Leistungsfähigkeit.

Bei kundenspezifischen Sinterteilen beeinflusst die Sintersteuerung die Schrumpfung, Maßgenauigkeit, mechanischen Eigenschaften, Oberflächenqualität und Fertigungskonstanz. Bei einer guten Konstruktion müssen von Anfang an Materialauswahl, Wandstärke, Schrumpfung, Stützverfahren, Toleranzen und Nachbearbeitung berücksichtigt werden.

Wenn Sie kundenspezifische MIM-, CIM- oder pulvermetallurgische Teile benötigen, senden Sie uns bitte Ihre 2D-Zeichnungen, 3D-Dateien, Materialanforderungen, Stückzahl und Angaben zur Anwendung. Unser Team kann Ihr Projekt prüfen und eine geeignete Fertigungslösung empfehlen.