Sintern

Thermische Verdichtung von Metall und Keramik

Das Sintern ist ein Verfahren, das der Veränderung oder Herstellung von Werkstoffen aus Metall oder Keramik dient. Dabei wird das Grundmaterial erhitzt, es wird also thermische Energie auf einen Pulverpressling aufgebracht. Der Pressling wird durch den Prozess des Sinterns verdichtet und die durchschnittliche Korngröße nimmt zu.

Brennen und Sintern

Unterschiede in der Wärmebehandlung

In der Literatur werden zwei Begriffe für die Wärmebehandlung von Keramiken verwendet, „Brennen“ und „Sintern“. Generell wird der Begriff „Brennen“ verwendet, wenn die während des Heizens laufenden Prozesse recht komplex sind. Dies ist zum Beispiel bei vielen traditionell aus Ton hergestellten Keramiken der Fall, aber auch bei Prozessen, in denen viele undefinierte Parameter die finalen Produkteigenschaften beeinflussen. Weniger komplexe Fälle werden dagegen mit dem Begriff „Sintern“ beschrieben. Dazu zählen viele moderne Prozesse mit klar definierten Prozessbedingungen und kontrollierbaren Prozessparametern.

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M.N. Rahaman, “Ceramic Processing and Sintering” 2nd edition, CRC Press, 2003, New York

Das Sintern

Grundelement von Materialwissenschaft und Ingenieurwesen

Sintern wird als eins der vier Grundelemente der Materialwissenschaft und des Ingenieurwesens eingruppiert. Mit Fortschritten in der Synthese und Verarbeitung fortschrittlicher Materialien steigt die Wichtigkeit des Sinterns als Technologie der Materialverarbeitung. Es gibt viele verschiedene Sintertechniken und -Größen, was zu unterschiedlichen Gefügen und Eigenschaften des gesinterten Produkts führen kann. Es ist möglich, gesinterte Produkte mit reproduzierbaren und eingestellten Gefügen herzustellen. Die Korngröße, die gesinterte Dichte und Größe und die Verteilung anderer Phasen inklusive Poren kann durch eine Mikrostrukturprüfung kontrolliert werden.1

Erklärungsansätze zum Sintern

Der weit verbreitete Einsatz der Sinterprozesse hat dazu geführt, dass es heutzutage eine Vielzahl von verschiedenen Erklärungsansätzen zum Prozess des Sinterns gibt. Ein Ansatz, um ein Verständnis für das Sintern zu entwickeln, ist das Verhalten oder die Verhaltensänderungen während des Sinterns in Bezug auf kontrollierbare Einflussgröße und Prozesse zu betrachten. Dies kann empirisch durch Beobachtung des Sinterverhaltens unter bestimmten kontrollierten Prozessbedingungen oder theoretisch durch Modellierung des Prozesses gemacht werden. Die theoretischen Analysen und die experimentellen Untersuchungen, die in den letzten 50 Jahren durchgeführt worden sind, haben zu einem umfangreichen qualitativen Wissen über die Sintertreibkraft, den Sintermechanismus und den Einfluss der Hauptprozessparameter wie Korngröße, Temperatur und angewandter Druck geführt. Jedoch sind die Datenbanken und Modelle im Hinblick auf die Bereitstellung einer qualitativen Beschreibung des Sinterns für die meisten Systeme weniger erfolgreich.

Im Allgemeinen liefern die Prozess- und Materialparameter sinnvolle Größensätze für theoretische und experimentelle Studien. Manche Parameter, wie Sintertemperatur, angewandter Druck, durchschnittliche Korngröße und gasförmige Atmosphäre können mit ausreichender Präzision kontrolliert werden. Andere charakteristische Eigenschaften des Pulvers und die Partikel-Packung sind schwieriger zu kontrollieren, haben aber ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf das Sintern. 2

Festphasensintern und Flüssigphasensintern

Sinterkategorien

Grundsätzlich können Sinterprozesse in zwei Arten aufgeteilt werden: Festphasensintern und Flüssigphasensintern. Festphasensintern tritt auf, wenn der Pulverpressling vollständig bei Sintertemperatur in einen festen Zustand verdichtet wird. Als Flüssigphasensintern wird hingegen ein Prozess bezeichnet, bei dem eine flüssige Phase vorhanden ist.

Zusätzlich zum Festphasen- und Flüssigphasensintern können weitere Arten des Sinterns unterschieden werden. Dazu zählen zum Beispiel das vorübergehende Flüssigphasensintern und das Viskos-Fließsintern.  

Viskos-Fließsintern tritt auf, wenn der Volumenanteil der flüssigen Phase hoch genug ist, dass eine vollkommene Verdichtung allein durch das Fließen der Korn-Flüssigkeit-Mischung ohne eine Kornformänderung während der Verdichtung erreichbar ist.

Das vorübergehende Flüssigphasensintern ist hingegen eine Kombination aus Flüssigphasensintern und Feststoffphasensintern. In dieser Sintertechnik bildet sich zu Beginn des Sinterprozesses eine Flüssigphase aus, welche im Verlauf des Prozesses wieder verschwindet und die Verdichtung in den Feststoff-Zustand damit abschließt.

Verdichtung beim Sintern

Parameter für den optimalen Sinter-Prozess

Generell kann der Grad der Verdichtung bei jedem Prozess durch Nutzung feinerer Pulver und Erhöhung der Temperatur erhöht werden. Dies kann jedoch kritisch werden, wenn die Flüssigkeitsmenge reduziert wird. Welcher Prozess zum Einsatz kommen soll, wird von den Eigenschaften bestimmt, die vom Produkt erwartet werden und von den Parametern, die die Prozesse begrenzen.

Viskos-Fließsintern empfiehlt sich durch seine Bequemlichkeit und leicht verfügbare Rohstoffe. Wenn die Erwartungen sehr speziell sind, z. B. wenn das Produkt hohe Lasten bei hohen Temperaturen tragen soll, wird die Vermeidung einer Flüssigphase besonders kritisch. In diesem Beispiel ist das Feststoffphasensintern zu empfehlen. Flüssigphasensintern kann als eine Kompromisslösung betrachtet werden, da die Anforderungen an die Pulverqualität und hohe Temperaturen weniger streng sind als beim Feststoffphasensintern. Die sorgfältige Kontrolle der Verteilung, Menge und eventuell die gleichmäßige Beschaffenheit der flüssigen Phase  während der Kristallisation beim Kühlen bieten weitere Möglichkeiten für bauliche Verbesserungen.

Gewöhnlich wird die treibende Kraft für Zusammenschluss in Bezug auf die Verringerung der Oberflächenenergie berücksichtigt.  Eine zusätzliche Treibkraft kann durch Anpressen des Pulvers während der Wärmebehandlung ausgeübt werden. Diese Technik des Heiß-Pressens kann für Materialien, die anderweitig schwer zu sintern sind, sehr hilfreich sein.

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[1] M.N. Rahaman, “Ceramic Processing and Sintering” 2nd edition, CRC Press, 2003, New York

[2] R.J. Brook (edt.) “Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials”, Pergamon, 1991, Oxford

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