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fertigungstechnik keram. Bauteile > 4.1 Sintern > Flashcards

4.1 Sintern Flashcards

1
Q

Was ist Sintern?

A

WBH mit dem Ziel Stofftransport auszulösen, so dass in Pulverstrukturen Zusammenhalt entsteht und die Porosität abnimmt.

Durch Sintern gewinnt der Grünling seine Festigkeit und Gebrauchseigenschaften

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2
Q

3 Prozesse beim Sintern

A
  • Umordnung der Pulverteilchen
  • Verdichten des Körpers (abnehmende Porosität)
  • Vergröberung der Körner (Kornwachstum)

(Prozesse überlappen teilweise)

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3
Q

Was passiert beim Sintern (energetisch)?

A

Oberflächen u. später Grenzflächenenergien sinken durch Konrwachstum.

  • > steigender Anteil abgesättigter chem. Bindungen
  • > Verfestigung
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4
Q

Makros- und Mikroskopische Vorgänge beim SIntern?

A

Schwindung

Umordnung v. Teilchen

Änderung der Poren:

  • Form
  • Menge
  • Größe und Verteilung

Kornwachstum

Entstehung neuer Phasen möglich

veränderung mech. u. phys. Eigenschaften

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5
Q

Treibkraft des Sinterns

A

Erreichen Zustands geringster freier Enthalpie

Hohe OF Energie im Pulver stellt Triebkraft bereit, Temperatur lediglich zur Aktivierung der Diffusion

Beeinflussung des Sinterverhaltens durch … möglich:

mech. Druck (Drucksintern)

Konzentrationsgradienten oder chem Reaktion der Ausgangsstoffe (Reaktionssintern -> AluminiumNitrit?)

Anwesenheit einer Schmelze die Teilchenumorientierung bzw. Lösung und Wiederausscheidung ermöglicht ( Flüssigphasensintern)

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6
Q

Verdichtungsverlauf (Diagramm)

A

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7
Q

Verdichtungsstadien beim Sintern

I Anfangsstadium

A
  • Umordnung der Körner
  • Sinterhalsbildung
  • ca 75% theoretische Dichte
  • Diffusion an Kornoberfläche
  • offenes Porennetzwerk
  • beginnende Verfestigung
  • starker Verlust der Triebkraft durch Reduktion der freien Oberflächen
  • Sinterhälse bilden sich !
  • Kontaktpunkte zu Kontaktflächen
  • Teilchen bilden Kettenkoordination oder lokal enge Cluster
  • Materialtransport von OF zu den Hälsen macht partikel schlanker
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8
Q

Kornwachstum beim Sintern (skizze)

A

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9
Q

Festphasensintern

A

Sintern ohne überschreiten des Schmelzpunkts der Inhaltsstoffe (mehr und einphasig)

Verdichtung beruht auf Umlagerung von Teilchen und deren Form- und Größenänderung

Verdichtung durch Leerstellendiffusion

Triebkraft: Minimierung der Grenzflächenenergie

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10
Q

Flüssigphasensintern

A

mindestens ein Ausgangsstoff oder sich bildende Phase wird schmelzflüssig

bei <15Vol% werden nicht alle Poren mit Schmelze gefüllt (Si3N4 )

bei >15Vol% kann die Schmelze alle Poren ausfüllen (WC/Co und SiSiC)

Verdichtung durch Umordnung fester Teilchen die von der Schmelze umschlossen werden

Verdichtung abhängig von guter Benetzung, gesteruert durch Kapillardruck

Vorteilhaft: Löslichkeit des feststoff in der Schmelze

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11
Q

Einfluss von Sinterverfahren und Korngröße

A

Heißpressen: schnelleres Sintern bei geringerer Temp. höhere Verdichtung wird erreicht (fast 100%)

feinere Ausgangskorngröße hat ähnlichen (aber schwächeren) Effekt

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12
Q

Verdichtungsstadien beim Sintern

II Zwischenstadium

A
  • Körner bewegen sich nichtmehr
  • Korngrenz und Volumendiffusion
  • beginnendes Kornwachstum
  • Porenkonzetration in Kornzwischenräumen
  • Porenvolumen geschlossen
  • 75-90% der theoretischen Dichte
  • Schritt mit stärkster Schwindung!
  • Wachstum der Hälse zu Korngrenzen führt zu Änderung der Kornform
  • durchgehende Porosität wird lateral eingeengt -> schlauchförmige schwindungsfähige Poren
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13
Q

Verdichtungsstadien beim Sintern

III Endstadium

A
  • ausgeprägtes Kornwachstum
  • Korngrenzdiffusion
  • Porenelemination
  • mögliche Behinderung der Verdichtung durch eingeschlossene Gase
  • >95% der theoret. Dichte
  • Verdichtung kommt zum Erliegen
  • Kornwachstum, Porenschwund und Porenwachstum
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14
Q

Diffusionsvorgänge im Anfangsstadium

A
  1. verdampfung und Kondesation
  2. Oberflächendiffusion
  3. Volumendiffusion von der Oberfläche
  4. Volumendiffusion von Korngrenzen
  5. Grenzflächendiffusion entlang Korngrenze

2-5: Beim Keramik vorherrschend

4 + 5 verantwortlich für Schwindung

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15
Q

Was passiert?

A

Regelfall: a wird größer (180°)

  • Abstand äuserer Körner nimmt zu
  • Abnahme der Schwindung

a wird kleiner:

  • Abstand äuserer Körner wird kleiner
  • Sinteraktivität steigt
  • Spannungen im Gefüge
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16
Q

Festphasensintern mit Additiven

A

Aufgaben

  • Verbesserung der Verdichtung
  • Erhöhung der Sintergeschwindigkeit
  • Hemmung des Kornwachstums

Eerzielbar durch:

  • Schaffung von Defektstellen
  • Behinderung der Krongrenzbeweglichkeit
  • Anreichern an Korngrenzen
17
Q

Sinterstadien beim Flüssigphasensintern

A
  1. Aufschmelzen des Additivs, Teilechenumlagerung
  2. Lösung und Wiederauscheidungsprozesse der Festphase, Kornwachstum
  3. Festphasensintern zur Dichtesteigerung (Skelettsintern)

verdichtung erfolgt durch Rasch ablaufende Anziehungs und Umlagerungsprozesse

18
Q

Flüssigphasensintern: Teilchenumlagerung

A

Triebkraft wie immer!

Sinterung abhängig vom Gehalt der fl. Phase und dem Benetzungswinkel

Keramische Systeme: Gute bis Vollständige Benetzung

Kapillarkräfte halten Teilchen stärker zusammen, ohne Verdichtung zu erwirken.

ab ca. 30% Flüssigphase erfolgt Umorientierung in richtung dichteste Packung

Analog zu Parikelumlagerung im ersten Stadium der Festphasensinterung

19
Q

Halsbildung beim Flüssigphasensintern

A

Anziehungskraft 2er Teilchen:

F=Benetzung-Kapillardruck

Wenn Benetzung Schlecht: F klein -> langsame Annäherung

==> Werkstoffe mit guter Benetzung und geringem Kapillardruck wählen

20
Q

Zusamenfassung der Teilechnumlagerung beim Flüssigphasensintern

A

aufschmelzen der niedrigschmelzenden Komponente

Hals und Brückenbildung

Kapillarkräfte ermöglichen schnelle Teilchenumorientierung

Gefahr der Ausbildung von Hohlräumen die später nicht mehr gefüllt werden

Teilchen noch in urspünglicher Form nur lokal dichter gepackt

21
Q

Flüssigphasensintern: Lösung und Wiederausscheidung

A

(Analog der Verdampfung und Kondesation beim Festphasensintern)

Nach Teilechnumlagerung liegt eine mehr oder minder dichte Teilepackung vor

Triebkraft: Energieminimierung

Ebenfalls: Reduktion des chem. Potentials

Mit steigender Temp diffusionsgestuerte Verdichtungsvorgänge (Lösungsreaktionen)

Konzentrationsunterschiede steuern den Vorgang. (-> Abflachung von Körnern und scharfen Kanten -> Reduzierung der Reibung -> bessere verdichtung

22
Q

Flüssigphasensintern Lösung und Wiederauscheidung

Zusammenfassung

A
  1. Stadium

Diffusionsgestuerte Prozesse (Lö u. Wiederaus. und formangleichung)

unterschiedliche chem. Potentiale werden ausgeglichen

Ostwald Reifung

Verrundung der Körner bzw. formangleichung an den Nachbarn

Idiomorphes Wachstum bei schlechter Benetzung möglich

23
Q

Flüssigphasensintern - Skelettsintern

A

Am Ende des fl.Ph.Sinterns: Poreneliminierung und Kornwachstum

Wichtig: Benetzungsverhältnisse die auch Temperaturabhängig sind.

Zu geringer anteil an Schmelze ermöglicht an Berührpunkten Festphasensintern

Gefüge besteht aus starren Teilchenbrücken die von Schmelze umgeben sind -> Skelettartig

24
Q

Flüssigphase Skelettsintern

Zusammenfassung

A

Diffusionsvorgänge: Kornwachstum und Poreneliminierung

Körner bei Metallen rundliche bei Keramiken gerne Idiomorph

Typisch: - Ebene kristallograph. Begrenzungsflächen

  • Mantel-Kern-Strukturen mit Mischkristallen epitatktisch auf unreagiertn Körnern liegen
  • isolierte, runde Poren im Bereich der Schmelze

Eckige Poren, einspringende Winkel sowie fest/fest-KG deuten auf Skelettbildung hin

Wichtig für Gefüge: der Winkel am Fest/fest/flüssig-Punkt

25
Q

Drucksintern

A

Druckunterstützung (mechanisch oder Gasdruck)

verdichtung auch durch plastsiche fließvorgänge

Prozesse: Plastic Yielding/Power Law Creep/Lattice and Surface Dissusion

Höhere Aufheizgeschwindigkeit -> feinkörniger, härter und weniger Risszäh

niedrigere Sintertemperatur möglich

geringste Porosität

beste mechanische und elektrische Eigenschaften

geringerer Zeit und Energieeinsatz

26
Q

Reaktionssintern

A

Herstellung von Materialien die nicht konventionell herstellbar sind

homogene Gefüge (Enstehung aus Gasphase)

Überlagerung von Sintern u. chem Reaktion
(gew. Stoff liegt vorher nicht als Pulver vor)

Geschwindigkeit und verdichtung maßgeblich Abhängig von der Reaktionsgeschwindigkeit

bei Aktivgasen (N2) hohe offene Porosität notwendig

bei Festphasenreaktion homogene verteilung der Reaktanden nötig

27
Q

2 Wichtige reaktionsgesinterte Stoffe

A

Siliziumnitrid Si3N4

  • Zäh und Fest
  • ausgezeichn Temperaturwechselfest
  • Verschließfest
  • niedrige Wärmedehnung
  • gute chem Beständigkeit

Siliziumkarbid SiC

  • hohe Härte und verschließbeständigkeit
  • Korrosionsfest
  • hohe Festigkeit
  • Oxidationsbeständig
  • gut Temperaturwechselfest
  • gute Wärmeleitung
28
Q

Sinteranlagentechnik

2 Ofentypen

A
29
Q

vor und Nachteile Batchbetrieb

Sinteröfen

A

+

  • einfache Ofentechnik
  • keine Brenngutmanipulation nötig
  • gleichmäsige Wärmeverteilung durch umseitige Heizung

-

  • lange Prozessdauer von kalt zu kalt
  • hoder Bedarf an Brennhilfsmitteln
  • geringe Automatisierung
30
Q

Vor und Nachteile kontinuierlicher Betribe

Sinteröfen

A

+

  • hohe Ausbringung
  • kurze Durchlaufzeiten
  • hohe Automatisierung

-

  • hoher Invest
  • hoher Raumbedarf
  • (hoher Automatisierungsgrad?)
  • aufwendige Brenngutmanipulation
  • aufwendige Isolierung je nach Bauform

fertigungstechnik keram. Bauteile (4 decks)

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