4.1 Sintern Flashcards
Was ist Sintern?
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
3 Prozesse beim Sintern
- Umordnung der Pulverteilchen
- Verdichten des Körpers (abnehmende Porosität)
- Vergröberung der Körner (Kornwachstum)
(Prozesse überlappen teilweise)
Was passiert beim Sintern (energetisch)?
Oberflächen u. später Grenzflächenenergien sinken durch Konrwachstum.
- > steigender Anteil abgesättigter chem. Bindungen
- > Verfestigung
Makros- und Mikroskopische Vorgänge beim SIntern?
Schwindung
Umordnung v. Teilchen
Änderung der Poren:
- Form
- Menge
- Größe und Verteilung
Kornwachstum
Entstehung neuer Phasen möglich
veränderung mech. u. phys. Eigenschaften
Treibkraft des Sinterns
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)
Verdichtungsstadien beim Sintern
I Anfangsstadium
- 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
Festphasensintern
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
Flüssigphasensintern
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
Einfluss von Sinterverfahren und Korngröße
Heißpressen: schnelleres Sintern bei geringerer Temp. höhere Verdichtung wird erreicht (fast 100%)
feinere Ausgangskorngröße hat ähnlichen (aber schwächeren) Effekt
Verdichtungsstadien beim Sintern
II Zwischenstadium
- 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
Verdichtungsstadien beim Sintern
III Endstadium
- ausgeprägtes Kornwachstum
- Korngrenzdiffusion
- Porenelemination
- mögliche Behinderung der Verdichtung durch eingeschlossene Gase
- >95% der theoret. Dichte
- Verdichtung kommt zum Erliegen
- Kornwachstum, Porenschwund und Porenwachstum
Diffusionsvorgänge im Anfangsstadium
- verdampfung und Kondesation
- Oberflächendiffusion
- Volumendiffusion von der Oberfläche
- Volumendiffusion von Korngrenzen
- Grenzflächendiffusion entlang Korngrenze
2-5: Beim Keramik vorherrschend
4 + 5 verantwortlich für Schwindung
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
Festphasensintern mit Additiven
Aufgaben
- Verbesserung der Verdichtung
- Erhöhung der Sintergeschwindigkeit
- Hemmung des Kornwachstums
Eerzielbar durch:
- Schaffung von Defektstellen
- Behinderung der Krongrenzbeweglichkeit
- Anreichern an Korngrenzen
Sinterstadien beim Flüssigphasensintern
- Aufschmelzen des Additivs, Teilechenumlagerung
- Lösung und Wiederauscheidungsprozesse der Festphase, Kornwachstum
- Festphasensintern zur Dichtesteigerung (Skelettsintern)
verdichtung erfolgt durch Rasch ablaufende Anziehungs und Umlagerungsprozesse
Flüssigphasensintern: Teilchenumlagerung
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
Halsbildung beim Flüssigphasensintern
Anziehungskraft 2er Teilchen:
F=Benetzung-Kapillardruck
Wenn Benetzung Schlecht: F klein -> langsame Annäherung
==> Werkstoffe mit guter Benetzung und geringem Kapillardruck wählen
Zusamenfassung der Teilechnumlagerung beim Flüssigphasensintern
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
Flüssigphasensintern: Lösung und Wiederausscheidung
(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
Flüssigphasensintern Lösung und Wiederauscheidung
Zusammenfassung
- 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
Flüssigphasensintern - Skelettsintern
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
Flüssigphase Skelettsintern
Zusammenfassung
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
Drucksintern
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
Reaktionssintern
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
2 Wichtige reaktionsgesinterte Stoffe
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
Sinteranlagentechnik
2 Ofentypen
vor und Nachteile Batchbetrieb
Sinteröfen
+
- einfache Ofentechnik
- keine Brenngutmanipulation nötig
- gleichmäsige Wärmeverteilung durch umseitige Heizung
-
- lange Prozessdauer von kalt zu kalt
- hoder Bedarf an Brennhilfsmitteln
- geringe Automatisierung
Vor und Nachteile kontinuierlicher Betribe
Sinteröfen
+
- hohe Ausbringung
- kurze Durchlaufzeiten
- hohe Automatisierung
-
- hoher Invest
- hoher Raumbedarf
- (hoher Automatisierungsgrad?)
- aufwendige Brenngutmanipulation
- aufwendige Isolierung je nach Bauform
