Das Sintern von Metallen ist eine Technik, um diese miteinander zu verbinden. Es gibt einen erheblichen Unterschied zwischen Sintern und Legieren.

Sintern: Was ist das und wie funktioniert es?

Das Sintern ist ein thermischer Prozess, bei dem zwei Metalle miteinander verbunden werden. Hierbei werden die Bestandteile in der Regel pulverisiert, gemischt und nun erhitzt. Wichtig zu wissen ist hierbei, dass jedes Metall einen anderen Schmelzpunkt hat. Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der sich das Metall verflüssigt.

Das Metallgemisch wird nun bis nahe an den Schmelzpunkt des Materials mit dem höheren Schmelzpunkt erwärmt. Mischt man also beispielsweise Wolframcarbid (Schmelzpunkt 2.870 °C) mit Cobalt (1.495 °C), dann ist 1.495 °C an dieser Stelle der niedrigere Schmelzpunkt und 2.870 °C der höhere, welcher keinesfalls überschritten werden darf. Die Temperaturen reichen nahe an den Schmelzpunkt heran.

Das Cobalt wird verflüssigt und füllt auf kleinster Ebene die Hohlräume im Pulvergemisch aus. Bei der Herstellung von Hartmetallen geschieht dies unter Druck und in bestimmten Sinteröfen. Man nennt das Metall mit dem geringeren Schmelzpunkt an dieser Stelle Binder oder Bindemetall. Wie hier ersichtlich ist, gibt es beim Sintern einen klaren Unterschied zu anderen thermischen Verfahren wie dem Legieren von Metallen. Das Endprodukt wird auch als Verbundwerkstoff bezeichnet.

Verschiedene Phasen beim Sintern von Metallen

Beim Sintern verschmelzen die Bestandteile nicht miteinander, sondern backen sprichwörtlich zusammen. In den speziellen Öfen wird dies durch zusätzlich erzeugten Druck und oft durch die Zugabe von Gasen begünstigt. Das Pulvergemisch wird vor dem Sintern in die jeweils gewünschte Form gepresst und es entsteht ein Rohling. Dieser Rohling wird auch Grünling genannt.

Durch den Druck verdichtet sich das Material beim Sinterprozess erheblich und je nach Zusammensetzung verliert es deutlich an Größe und Volumen. Mit einem Größenverlust von rund der Hälfte, also 50 % kann gerechnet werden. Ebenso hoch ist jedoch die Erhöhung der Dichte. Mit diesem Wissen muss die Größe des Grünlings berechnet werden, damit das fertige Werkstück die passende Größe erhält.

Wichtig in der Phase des Mahlens und des Mischens der Metallbestandteile ist es, Fremdkörper zu vermeiden. Absolute Sauberkeit gewährleistet fehlerfreie Endergebnisse, denn Verunreinigungen können dazu führen, dass das komplette Werkstück zur Ausschussware wird. Schon in dieser Phase ist also höchste Vorsicht geboten.

Wie funktioniert Sintern?

Nach dem Mahlen und dem Mischen erfolgt das Pressen in die gewünschte Form. Der so entstandene Grünling wird nun in den Sinterofen gegeben. Das Körnchengemisch kann in verschiedener Größe gewählt werden. Die verwendete Größe variiert je nach den Anforderungen an das Endprodukt. Im Ofen spielen nun Druck und Hitze eine wichtige Rolle. Bis kurz vor dem Schmelzpunkt wird das Metallgemisch nun erwärmt. Dies bewirkt ein Zusammenbacken der Bestandteile, ein wirkliches Verschmelzen miteinander findet jedoch nicht statt. Viel mehr wird das Bindemetall dazu genutzt, eine Matrix rund um den Hartstoff zu erzeugen.

Der Binder füllt jeden noch so kleinen Hohlraum aus und schließt den Hartstoff somit fest in sich ein. Durch den Druck wird die Ausfüllung der Hohlräume und somit die Verdichtung begünstigt. Wie bereits erwähnt, nimmt bei dieser Verdichtung auch gleichzeitig das Volumen des Grünlings ab.

Genaue Abläufe beim Sintern und der Unterschied zu Legierungen

Um die Funktionsweise des Sinterns zu verstehen, muss man mehr über die jeweiligen Komponenten wissen. Wichtig ist, dass hierbei mindestens zwei Metalle zum Einsatz kommen. Diese Metalle weisen jeweils unterschiedliche Eigenschaften auf, zu denen auch der jeweilige Schmelzpunkt gehört. Dieser ist bei jedem Metall unterschiedlich.

Da beim Sintern die Temperaturen um den Schmelzpunkt herum liegen, ist es sinnvoll, die jeweiligen Komponenten zu Metallpulver zu vermahlen und sehr gründlich zu mischen. Auf diese Art wird genügend Fläche geschaffen, um den Verbundwerkstoff herzustellen.

Sintert man hingegen legierte metallische Werkstoffe zusammen, werden diese wie durch eine Art Schweißnaht an den Berührstellen miteinander verbunden. Auch das Laserschweißen ist eine Art Sintern oder Löten ohne Lot.

In unserem Fall handelt es sich jedoch um das Sintern zur Herstellung von Hartmetallen. Bei der Zusammensetzung von Hartmetall wird immer ein Hartstoff in Form von Karbiden genutzt. Metallkarbide sind Verbindungen aus Hartmetall wie zum Beispiel Wolfram und Kohlenstoff.

Neben dem Hartmetall wird ein Bindemetall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt und den jeweils gewünschten Eigenschaften genutzt. Kobalt eignet sich an dieser Stelle aufgrund seiner Eigenschaften. Hartmetalle aus Wolframkarbid und Kobalt sind daher überaus häufig anzutreffen.

Das Bindemetall kann also nun schmelzen und sich lückenlos um das Hartmetall legen. Die hierbei entstandene Verbindung ist fest, langlebig und verdichtet. Einzelne Komponenten innerhalb des entstandenen Verbundwerkstoffes bleiben als solche trotz der festen Verbindung erhalten. Beim Legieren von Metallen ist dies anders. Hier werden beide Metalle verflüssigt und gehen auf atomarer Ebene untrennbare Verbindungen innerhalb des Metallgitters ein.

Werden zum Beispiel zwei Metalle geschmolzen, kann man wunderbar beobachten, wie sich erst das eine Metall verflüssigt und eine breiige Masse entsteht und schließlich das zweite Metall. Beide sind geschmolzen, wenn sich der sogenannte Spiegel auf der Oberfläche bildet. So weit darf es beim Sintern nicht kommen, denn der Grünling würde seine Form verlieren. Es handelt sich also um einen komplexen Prozess, bei welchem die Temperaturen genau kontrolliert werden müssen.

Ablauf bei Hartmetallen

Es gibt mehr als 100 verschiedene Hartmetall-Sorten, welche jeweils andere Komponenten und Zusammensetzungen aufweisen. In den Sinteröfen werden nun entsprechende Temperatur- und Zeiteinstellungen notwendig. Rund 1.300 °C bis zu rund 1.600 °C sowie Zeitspannen von 24 Stunden bis zu 36 Stunden sind möglich. Druck und oft auch die Zugabe von Gasen wie Argon unterstützen den Prozess maßgeblich.

Druck und die Zugabe von Gasen beim Sintern von Hartmetall

In der Regel kommt das Heiß-Isolatische-Pressverfahren (Kurz HIP Verfahren) zum Einsatz. Durch die Zugabe von Argon kann zum Beispiel eine erhebliche Qualitätssteigerung erzielt werden, da es beispielsweise für mehr Verdichtung durch Hohlraumverdrängung sorgt. Je nach Anforderungen können Stickstoff oder Wasserstoff verwendet werden.

Die zugegebenen Gase müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllen, zu diesen gehört, dass sie nicht reaktionsfreudig sein dürfen. Andernfalls würde dies die Qualität mindern anstatt sie zu erhöhen. Oxidationsprozesse sind unerwünscht und müssen ausgeschlossen werden. Argin beispielsweise kann die Qualität der Oberfläche des neuen Verbundwerkstoffes positiv beeinflussen, da es nicht reagiert. Außerdem nimmt es entstandene Hitze auf und hilft dabei, dass das Material schneller abkühlen kann.

Der Druck, welcher im Sinterofen eingesetzt wird, hilft ebenfalls beim Verdichten und erhöht die Qualität der Texturen. Die einzelnen Bestandteile werden hierdurch ebenfalls viel dichter aneinander gebracht und gemeinsam mit dem Argon erhöht der Druck die Qualität des Verbundwerkstoffes auf eine besondere Weise.