{{Baustelle}}
[[Datei:Gesintertes Eisenerz.JPG|thumb|400px|Gesintertes Eisenerz]]
== Allgemeines ==
Sintern gehört zu dem Fertigungsverfahren Urformen. Es dient zur Herstellung oder Veränderung von Stoffen bzw. Werkstoffen. Hierbei werden feinkörnige, keramische oder metallische Stoffe oft unter erhöhtem Druck erhitzt. Um die Gestalt (Form) des Werkstückes beizubehalten, bleiben die entstandenen Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten. In der Regel kommt es zu einer Schwindung, da es zu einer Verdichtung der Partikel des Ausgangsmaterials kommt und die Porenräume aufgefüllt werden. Aus einem fein- oder grobkörnigen, ungebrannten Rohling entsteht durch die Temperaturbehandlung des Sinterns ein festes Werkstück, das in einem vorangegangenen Prozessschritt, beispielsweise mittels [[Extrusion]], geformt wurde. Erst durch diese Temperaturbehandlung erhält das Sintererzeugnis seine endgültigen Eigenschaften, wie [[Härte]], [[Festigkeit]] oder Temperaturleitfähigkeit, die im jeweiligen Einsatz erforderlich sind.
== Vor- und Nachteile ==
Vorteile:
* Zusammenbringen von Ausgangsstoffen, die sich auf andere Weise nur sehr schwer oder gar nicht zu einem neuen Werkstoff verbinden lassen
* hohe Materialausnutzung
* hohe Maß- und Formgenauigkeit

Nachteile:
* vereinzelt kann durch Porosität reduzierte Festigkeit entstehen
* höhere Kosten für Pulver und Pulvergemische
* Einschränkungen in der Formgebung (Hinterschneidungen, [[Gewinde]])

== Sintervorgang ==
Der Sintervorgang lässt sich in drei Phasen unterteilen, die sich aber in der Praxis nicht von einander trennen lassen.

'''1. Anfangsphase'''

In der Anfangsphase ist die Sichtbarkeit der ursprünglichen Teilchen noch gegeben. Durch Brückenbildung und Kornwachstum entsteht zwischen den Pulverteilchen der erste Zusammenhalt. Es erfolgt eine geringe Schwindung und es kommt zur Verdichtung des Rohlings.

'''2. Mittlere Phase'''

Ein zusammenhängender Porenraum wird erschaffen und die Erkennbarkeit der einzelnen Teilchen lässt nach.

'''3. Spätphase'''

In der Spätphase kommt es dann zur Festigkeit der Sinterkörper, da der Porenraum verringert und in zunehmendem Maße von außen zugänglich wird (geschlossene Poren). Es erfolgt eine vollständige Verdichtung der Pulverpartikel.

Wenn eine sehr hohe Maßgenauigkeit erforderlich ist, erfolgt in manchen Fällen nach dem letzten Vorgang noch ein Kalibrieren des Werkstückes, da sie nicht durch reines Sintern erreicht wird, aufgrund des nicht exakt berechenbaren Volumenverlustes. Dies erfolgt, durch nochmalige Pressung des quasi fertigen Werkstückes in eine Form, unter hohem Druck. Somit ist eine hohe Maßhaltigkeit gewährleistet.
== Pressarten ==
=== ''Trockenpressen'' ===
Mit einem Wassergehalt des Rohstoffes weniger als 7 %, eignet sich das Trockenpressen vor allem zur Herstellung großer Stückzahlen (Serienfertigung), da die entsprechenden Formwerkzeuge sehr teuer sind. Zu den Vorteilen dieser Pressart gehören gute Reproduzierbarkeit (Wiederholbarkeit), hohe Maßgenauigkeit und ein automatischer Prozessablauf. Nachteile sind die aufwändige Pulveraufbereitung. Hinzu kommt, dass Unterschiede in der Dichte des Formteils entstehen können bzw. Lunker (Hohlräume) und Einschränkungen in der zu fertigenden Bauteilgeometrie.
=== ''Feuchtpressen'' ===
Bei diesem Pressvorgang entsteht eine geringere Festigkeit des Formteiles, aber eine gleichmäßigere Dichteverteilung als beim Trockenpressen. Somit eignet sich das Feuchtpressen auch für komplizierte Geometrien. Jedoch ist bei einem Wassergehalt des Rohstoffes von über 12 % eine Trocknung des Rohlings erforderlich.
=== ''Isostatisches Pressen'' ===
Dieses Pressen eignet sich sehr gut für kleine Teile mit gleichmäßiger Verdichtung, anspruchsvolle Prototypen und Kleinserienfertigung, da in alle Richtungen gleich großer Pressdruck herrscht.
=== ''Uniaxiales Pressen'' ===
Diese Methode wird zur Herstellung plattenförmiger Körper verwendet und hat sich zu einem großserientauglichen Verfahren entwickelt. Anders als beim isostatischen Pressen wird der Pressdruck nur in eine Richtung auf den Körper ausgeübt. Öle und Wachse als Presshilfsmittel verbessern hierbei die Verdichtbarkeit und Gleitfähigkeit des Pulvers. Bei einem zu hohen Pressdruck kann es beim Herauslösen des Rohlings zu lokalen Zugspannungen kommen, die Risse im Rohling beim Erreichen des Gleichgewichtszustandes bilden können.
== Erzeugnisse/Endprodukte ==
[[Datei:Aluminiumschaum.jpg|thumb|150px|Aluminiumschaum]]
Die Sintertechnik wird in vielen Bereichen genutzt. Viele Materialien lassen sich durch Sintern verformen, obwohl sie zunächst keine Formgebung zuzulassen scheinen. Die Technik eignet sich vor allem zur Großserienfertigung metallischer Form- und Fertigteilen aus Keramik (sowohl technischer als auch mineralischer Form), pulverförmigen Metallen und [[Kunststoffe|Kunststoffen]]. Außerdem kommt sie in der Automobilindustrie (z.B. bei der Herstellung von Lagern, Bauteilen für Motoren und Getriebe), sowie in der Zahntechnik und bei der Werkzeugherstellung zum Einsatz. Darüber hinaus ist das Sintern im Bereich der Nanotechnologie zu finden. Es können auch Hohlkugelstrukturen (Metallschäume) durch sintern von Metallpulver beschichteten Styroporkügelchen hergestellt werden die z.B. in der Akustik zur Schallabsorption (Schalldämpfung) verwendet werden. Die Bereiche der Anwendungsmöglichkeiten von Sinterformteilen erweitern sich ständig, durch die Entwicklung und Optimierung neuer Metallpulver.
== Spezialverfahren ==
=== ''Spark Plasma Sintering (SPS)'' ===
[[Datei:Spark Plasma Sintering (SPS).png|thumb|150px|Vorgang des SPS-Verfahrens]]
Unter Verwendung pulsierenden Gleichstroms im Bereich einiger Kiloampere und niedriger Spannung eignet sich das SPS-Verfahren besonders zur Kompaktierung von Materialkombinationen, die sich mit herkömmlichen Sinterverfahren nicht erreichen lassen.
Zunächst wird das Materialpulver in einen hohlzylinderartigen Graphittiegel gefüllt und durch zwei Graphitstempel, welche dem Tiegel angepasst sind vorverdichtet. Nun wird der Tiegel in die SPS-Maschine eingebaut und der Sintervorgang kann unter Vakuum oder Schutzgas erfolgen. Dadurch, dass Gleichstrom durch das Pulver geleitet wird, entsteht durch den Widerstand Wärmeleistung und das Pulver heizt sich von innen auf, bis die Partikel miteinander verschmelzen. Vorteile dieses Verfahrens sind kurze Prozesszeiten im Bereich unter 30 Minuten, sowie der Einsatz in der Nanotechnologie und diese dann auf makroskopischer Skala zu übertragen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in der Material- und Energietechnik.
=== ''Selektives Lasersintern (SLS)'' ===
[[Datei:3D Drucker.jpg|left|thumb|150px|3D Drucker]]
Das Lasersintern, das zu dem 3D-Druck-Verfahren gehört, ermöglicht eine sehr freie Formgebung für das Werkstück, da der pulverförmige Ausgangsstoff in Schichten aufgetragen wird, das sogenannte " Slicen " mittels vorliegender CAD-Daten des Bauteils. Durch die Laserstrahlen können dreidimensionale Geometrien erzeugt werden, die sogar Hinterschneidungen am Formteil zulassen. Aufgrund des hohen maschinellen Aufwandes entstehen Prozesszeiten die von Stunden bishin zu Tagen (Abhängig von der Genauigkeitsanforderung) reichen. Das Verfahren eignet sich für kleine Stückzahlen komplizierter Teile und Prototypen. Als Laser kommen zum Einsatz CO2-Laser, Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser.
[[Datei:Selektives Lasersintern (SLS).jpg|thumb|200px|Vorgang des SLS-Verfahrens]]
Beim Vorgang wird das Pulver vollflächig in einer Dicke von 0,001 bis 0,02 mm auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel (Abstreichholz) aufgetragen. Durch Ansteuern des Laserstrahles werden die Pulverschichten schrittweise in vertikaler Richtung in das Pulverbett anhand der Konturen des Bauteils gesintert. Die Pulverzufuhr erfolgt dadurch, dass eine Pulverplattform angehoben wird. Zum Schluss wird die Bauplattform leicht abgesenkt und eine neue Schicht aufgetragen bis der entsprechende Rohling entsteht.

== Literatur ==
* Schatt, W.: ''Sintervorgänge - Grundlagen'' (VDI Verlag, Düsseldorf 1992)
* Exner, H.E.: ''Grundlagen von Sintervorgängen'' (Bornträger, Berlin/Stuttgart 1978)
* Schatt, W.; Wieters, K.-P.; Kieback, B.: ''Pulvermetallurgie'' (Springer Verlag, Berlin/Heidelberg 2007)
* Fischer, U.; Gomeringer R.; u.a.: ''Tabellenbuch Metall'' 45. Auflage (Verlag Europa Lehrmittel, Haan-Gruiten 2011)
== Weblinks ==
* http://www.ikts.fraunhofer.de/de/forschungsfelder/sinterncharakterisierung/waermebehandlung/sintern.html
* http://www.hs-pforzheim.de/De-de/Technik/Maschinenbau/laborbereiche/fertigungstechnik/verfahren_fertigung/Seiten/Beschreibung_Sintern.aspx
* http://www.ifam.fraunhofer.de/de/Dresden/technologien/Formgebung/spark_plasma_sinteranlage.html
== Quellen ==
* http://www.sintern.org/
* http://de.wikipedia.org/wiki/Sintern
* http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=spark_plasma_sintering
* Eigenkenntnisse

--Marc Schröder 20:04, 19. Sep. 2013 (CEST)

[[Kategorie: Fertigungstechnik]]

2013-10-20T11:31:31Z

Marc Schröder:

Datei:Gesintertes Eisenerz.JPG

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Datei:3D Drucker.jpg

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Sintern

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Marc Schröder: /* Hochofen-Prozess */

{{navi|Stahl|Eisen}}
{{PAGENAME}} ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der [[Bild:Pfeil.gif]][[Stahl]]herstellung.

== Allgemein ==
Wegen seines unedlen Charakters kommt [[Eisen]] in der Natur nicht rein, sondern nur chemisch gebunden vor. Dies sind in erster Linie [[Eisen]]-[[Sauerstoff]]-Verbindungen, die auch noch mit mineralischen Bestandteilen (genannt Gangart) durchsetzt sind. Das [[Gemenge]] von [[Eisen]]-Sauerstoffverbindungen und Gangart wird als Eisenerz bezeichnet.

Die Aufgabe der Hüttentechnik ist es jetzt, zum einen die [[Eisen]]-Sauerstoffverbindungen von dieser Gangart zu trennen und zum anderen das [[Eisen]] vom [[Sauerstoff]].

Erzvorkommen der Erde ca. 500 Milliarden Tonnen

Jährliche Fördermenge ca. 700 Millionen Tonnen

Die wichtigsten Eisenerze sind:
* Magneteisenstein (Magnetit)
* Roteisenstein (Hämatit)
* Brauneisenstein (Limonit)
* Spateisenstein (Siderit).

== Hochofen-Prozess ==

Der Hochofen-Prozess liefert '''Roheisen''' und damit den Ausgangsstoff für die [[Stahl|Stahlherstellung]].

Alle nachfolgend beschriebenen Teilprozesse lassen sich zu einer [[Redoxreaktion]] zusammenfassen:

{{Formel|2 Fe2O3 + 3 C [[Bild:Pfeil.gif]] 4 Fe + 3 CO2}}

Das Eisenerz (z. B. Fe2O3) wird in verschiedenen Verfahren für die Verhüttung (Schmelze im Hochofen) aufbereitet. Die Aufbereitung besteht im Wesentlichen aus einer Zerkleinerung und Reinigung von Steinen, Erde und anderen Fremdstoffen; diese Aufbereitung wird mechanische Aufbereitung genannt. Bei einer chemischen Aufbereitung wird durch Erhitzung des Erzes im Drehrohrofen Feuchtigkeit, [[Schwefel]] und [[Kohlenstoffdioxid]] ausgetrieben; Dieser Vorgang nennt sich Rösten (Krupp-Renn-Verfahren). Beim Rösten verlieren die Erze etwa 1/3 des Gewichtes. Das aufbereitete Erz wird mit Zuschlägen (z. B. [[Kalkstein]] [[Calciumcarbonat|CaCO3]] oder gebranntem Kalk [[CaO]]) gemischt. Diese Mischung wird Möller genannt. Als [[Reduktionsmittel]] wird dem Möller dann [[Kohlenstoff]] in Form von Koks (entgaste Steinkohle) hinzugegeben und man erhält dadurch Beschickungsmaterial für den Hochofen.

[[Bild:Hochofen.JPG]]

In den Hochofen werden fortlaufend schichtweise Koks und Möller eingefüllt. Während des langsamen Absackens zur eigentlichen Reaktionszone erwärmt sich da Gemisch mehr und mehr. Gleichzeitig drückt man in den unteren Teil des Hochofens den auf 600 - 1.300 °C vorgewärmten Heißwind, so dass die Luft (+Heizöl) im Inneren des Hochofens nach oben strömt. Von der heißen Luft wird der [[Kohlenstoff]] des glühenden Kokses zu [[Kohlenstoffdioxid|CO2]] verbrannt, dieser setzt sich jedoch sofort mit dem Koks wieder zu [[CO]] um. Dieser Vorgang vollzieht sich im stetigen Wechsel bis etwa zur halben Höhe des Schachtes und hört dann wegen der zu niedrigen Temperatur auf.

Etwa alle 2 Stunden erfolgt ein Hochofenabstich. Zuerst fließt das schwere Roheisen aus dem Stichloch, dann die leichtere Schlacke, die im Hochofen auf dem Roheisen schwimmt.

Das Roheisen wurde früher oft zu 1 m langen, 40 kg schweren Masseln vergossen, (das geschieht in einer Masselgießmaschine mit Kokillen auf einem unendlichen Band), heute wird es in so genannten Torpedowagen zur Weiterverarbeitung transportiert oder es wird flüssig in Roheisenpfannen zum Mischer gebracht. Der Mischer ist ein waagerecht liegender ausgemauerter Zylinder, der um seine Längsachse drehbar ist. Je nach Ausführung hat der Mischer ein Gesamtgewicht von bis zu 3.000 t.

Der Mischer hat im Wesentlichen folgende Aufgaben:
* Sammelbehälter für das Stahlwerk
* Mischung der nie ganz gleichen Abstiche
* Schwefelverminderung (fortlaufend langsame Umsetzung von [[Mangan]] ([[Mn]]) + FeS zu MnS + [[Fe]]. MnS ist leichter als [[Fe]] und setzt sich in der Schlacke ab.

Dies wird beschleunigt durch die Zugabe von [[Soda]], [[Calciumcarbid]] oder [[Magnesium]]. Zusätze zur Reduzierung des [[Phosphor]]s (kalkhaltige Flussmittel) oder [[Silizium]] sind möglich. Die gebundenen Stoffe schwimmen dann auf und können als Schlacke abgegossen werden.

Das entstehende Roheisen (1.320°C) enthält folgende Bestandteile:
* 3 … 5% [[C]]
* 0,2 … 2% [[Fe]]
* 0,2 … 3% [[Mn]]
* 0,1 … 2% [[P]]
* 0,02 … 0,06% [[S]]

== Stahlherstellung ==
Damit aus Roheisen Stahl wird, müssen die Gehalte an diesen [[Elemente]]n deutlich gesenkt werden. Die Umwandlung von Roheisen in Stahl wird „'''Frischen'''“ genannt, s. [[Stahl]]herstellung.

== Übung ==
=== [[Stöchiometrie]] ===
Bei der Roheisenherstellung wird das Eisenoxid Fe2O3 mit Koks (Kohlenstoff) zu Eisen reduziert. Als Nebenprodukt entsteht Kohlendioxid (CO2).
:a) Wie viel Eisenoxid muss eingesetzt werden, um 10 t reines Eisen zu gewinnen?
:b) Welches Volumen nimmt das hierbei entstehende Kohlendioxid ein?
[[Bild:Pfeil.gif]][[Stöchiometrie: Lösungen|Lösungen]]

{{cb|-|129 u. 189|240}}
{{www}}
* [http://www.wdr.de/tv/quarks/global/pdf/Q_Stahl.pdf Stahl - Script zur WDR-Sendereihe "Quarks & Co" (PDF-Datei)]

[[Kategorie:Werkstofftechnik]]
[[Kategorie:Chemie]][[Kategorie:Chemikalien]]

[[Kategorie:Werkstofftechnik]]
[[Kategorie:Chemie]][[Kategorie:Lerngebiet 12.7: Werkstoffe auswählen und prüfen]]
[[Kategorie:Chemikalien]]