So funktioniert Sintern Sintern von Aluminium-Legierungen

Sintern ist ein Verfahren, um Werkstücke herzustellen. Aluminium zu sintern war bisher nicht möglich – die TU Wien hat dafür ein neues Verfahren entwickelt.

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Sintern ist ein Verfahren, um Werkstücke herzustellen. Dabei werden feinkörnige Stoffe durch Erhitzung in die gewünschte Form gebracht. Im Vorfeld des Sinterns werden die Ausgangsstoffe, die in der Regel aus Keramik, Metall oder Kunststoff bestehen, zu sogenannten Grünlingen gepresst – die schon aus der gewünschten fertigen Form bestehen. Um einen Grünling herzustellen, gibt es verschiedene Verfahren:

• Verpressen

• Gießen

• Plastische Formgebung

Nachdem der fertige Grünling vorgetrocknet wurde, erfolgt das Sintern. Abhängig vom Ausgangsmaterial verwendet man unterschiedliche Temperaturen, in der Regel liegen diese aber knapp unterhalb der Schmelztemperatur.

Der Sintervorgang besteht aus drei Phasen:

• 1. Durch Diffusion bilden sich Kontaktstellen zwischen den Teilchen – die Dichte des Werkstoffes nimmt langsam zu.

• 2. Die Körnchen verschmelzen weiter miteinander, das Material verdichtet sich um bis zu 30 %. Über Poren entweichen eingeschlossene Gase nach außen.

• 3. Die Porosität nimmt weiter zu, jetzt muss der Sinterprozess rechtzeitig beendet werden, bevor es zum sogenannten Riesenkorn-Wachstum kommt (wenn große Körner kleinere verschlucken).

Nach der Abkühlung ist das Werkstück fertig – eine Nachbearbeitung entfällt in der Regel. Sintern eignet sich vor allem für komplexe Bauteile, die günstig hergestellt werden sollen. Die Herstellung ist abfallfrei, zudem lassen sich durch die Pulverform Werkstoffeigenschaften kombinieren.

Wissenschaftler forschen an neuen Sinter-Technologien

Am Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien forscht man seit vielen Jahren an Sinter-Technologien und arbeitet mit einigen Firmen auf diesem Gebiet zusammen. „Das Ausgangsmaterial sind feine Metallpartikel, die mit dem Sauerstoff der Luft reagieren und daher meist mit einer dünnen Oxidschicht überzogen sind“, erklärt der Chemiker Christian Gierl-Mayer.

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Sintern von Aluminium

Wenn man dabei allerdings Aluminium verwendet, hat man ein Problem: Die Oxidschicht um die Aluminiumpartikel lässt sich nämlich erst bei sehr hohen Temperaturen entfernen. Gleichzeitig hat das Aluminium aber einen relativ niedrigen Schmelzpunkt, der die maximale Sintertemperatur begrenzt. Es ist daher unmöglich; die Oxidschicht zu entfernen, bevor das gesamte Metallstück geschmolzen ist.

Auch die Trägersubstanz, in der das Metallpulver gebunden ist, wird durch thermische Prozesse entfernt, die erst bei erhöhten Temperaturen ablaufen. Durch das Überlappen der Temperaturbereiche der Binderentfernung mit dem Sintern werden Rückstände des Bindemittels in das gesinterte Werkstück mit eingebaut, wenn man Aluminium mit derselben Technik verarbeitet wie andere Metalle.

Forschern gelang das Sintern mit Aluminium

An der TU Wien gelang es nun, eine Lösung für dieses Problem zu finden: Entscheidend ist, im Sinterofen die richtige Atmosphäre zu schaffen. Normalerweise verwendet man eine sauerstoffarme Umgebung, um das vollständige Oxidieren eines Metallpulvers zu verhindern. Bei Aluminium hingegen ist eine sauerstoffreiche Atmosphäre nützlich: „Die Aluminiumoxidschicht der Partikel ist so dicht, dass sie die Partikel vor dem vollständigen Oxidieren schützt, gleichzeitig hilft der Sauerstoff beim Verbrennen der Kohlenstoffanteile des Bindematerials“, erklärt Gierl-Mayer.

Nach diesem ersten Schritt ersetzt man die Sauerstoffatmosphäre durch Stickstoff und erhöht die Temperatur weiter. Mit Hilfe von Magnesium wird die Aluminiumoxidschicht schließlich aufgebrochen, eine flüssige Phase entsteht und die Aluminiumpartikel werden zu einem soliden Metallstück gesintert.

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