Minimierung des Verzugs beim Sintern durch Beeinflussung der Sinterunterlage

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Yuanbin Deng © Urheberrecht: IWM

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Yuanbin Deng

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Problemstellung

Sinterverfahren ermöglichen die Herstellung dichter Werkstoffe für einen sehr breiten Werkstoffbereich, weshalb sie insbesondere bei schwer bearbeitbaren Werkstoffen mit großem Erfolg eingesetzt werden. Um Pulver durch Sintern in die gewünschte Form zu bringen, werden Grünkörper durch Formgebungsverfahren gefertigt. Bei diesen Verfahren entstehen Grünkörper geringer Dichte mit hoher Porosität, die beim nachfolgenden Sintern eine große Schwindung erfahren können. Daher ist die Grünkörpergeometrie häufig einfach eine vergrößerte Version der Zielgeometrie. Reibkräfte zwischen Sinterunterlage und Sintergut sind der Schwindungsrichtung immer entgegengerichtet und behindern aus diesem Grund eine gleichmäßige Schwindung des Bauteils. Je nach Auflagefläche, Gewicht des Bauteils sowie Reibungskoeffizient zwischen Bauteil und Sinterunterlage kann dieser Beitrag unter Umständen so groß werden, dass es aufgrund des Schwindungsgradienten (geringe Schwindung nahe der Sinterunterlage) zu einem starken Verzug kommt. Eine Nachbearbeitung ist zur Einhaltung der Maßhaltigkeit und geforderten Fertigungstoleranzen in der Regel eingeplant und notwendig. Die durch den zusätzlichen Arbeitsschritt anfallenden Kosten schlagen sich im Bauteilpreis nieder.

Zielstellung

Mittels systematischer experimenteller Versuchsreihen zur temperaturabhängigen Reibung zwischen Grünkörper und Sinterunterlagen sollen relevante Einflussgrößen qualitativ beschrieben und deren Auswirkung quantitativ erfasst werden. Auf der Basis einer numerischen Simulation wird die Sinterschwindung des Grünkörpers unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit der Sinterunterlage explizit abgebildet. Die Simulationsergebnisse werden anhand von Experimenten an komplex geformten Bauteilen verifiziert. Alle für die Modellierung und Simulation notwendigen Parameter werden temperaturabhängig experimentell ermittelt. Zum Ende des Projektes werden konkrete Strategien zur Vermeidung des Sinterverzuges vorliegen und in einer Gestaltungsrichtlinie für das Sintergut sowie in einer praxistauglichen Anforderungsrichtlinie für die Sinterunterlagen festgehalten.

Vorgehensweise

Auf Basis der Definitionen der zu untersuchenden Werkstoffe wurden erste grundlegende Geometrien für das Festphasensintern geplant. Für den Input zur Parameterermittlung wurden Zeichnungen für Schlickerguss mit einfachen zylindrischen Geometrien erstellt. Die Versuche zur Herstellung der schlickergegossenen Grünteile wurden mit vorhandenen Werkzeugmatrizen mit dem Werkstoff X2CrNiMo17-12-2 (316L) durchgeführt. Als Sinterunterlagen wurden poröses Aluminiumoxid und poröses Mullit verwendet, die vom PA zur Verfügung gestellt wurden. Die zu untersuchenden Materialien und Sinterunterlagen für das Flüssigphasensintern sind standardmäßig erhältlich. Der Werkstoff Hart-metall WC-10 wt.-% Co wurde von PA in einer für den Sinterprozess verwendeten Korngröße (0,8 µm und 6,0 µm nach Angaben des Herstellers) zur Verfügung gestellt und auch für die Grünteilherstellung verwendet. Um den Einfluss der Sinterunterlagen auf den Sinterverzug zu untersuchen, wurden drei Varianten der Materialpaarungen zur Untersuchung der Reibeffekte definiert.

Zu Beginn wurden die für die Simulation notwendigen temperatur- und dichteabhängigen Werkstoffdaten an Proben aus Edelstahl X2CrNiMo17-12-2 und das Hartmetall WC10Co ermittelt. Das Elastizitätsmodul, die Querkontraktionszahl, der Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Wärmeleitfähigkeit, die spezifischen Wärmekapazität sowie die Dichte wurden bestimmt. Diese Kennwerte sind für die präzise Vorhersage der Form- und Dichteänderung während des Sinterns erforderlich. Für das Simulationsmodell wurden zur Abbildung der Reibkräfte die Koeffizienten der Haft- und der Gleitreibung benötigt. Die Reibkräfte bilden sich zwischen den unterschiedlichen Sinterunterlagen und dem Sintergut in Abhängigkeit der auftretenden Temperaturen aus. Da es zu diesen speziellen Werkstoffpaarungen keine Literaturwerte für die Reibungskoeffizienten bei erhöhten Temperaturen gibt, wurden diese experimentell ermittelt.

Zwei Modellansätze für das Sintern, in denen die Reibung zwischen Sinterteil und Sinterunterlage berücksichtigt wird, wurden implementiert und können für Rechenstudien genutzt werden. Da die hier betrachteten Sinterverfahren alle drucklos arbeiten, wurden das phänomenologische Modell nach Olevsky für das Festphasensintern und das physikalische Modell nach Riedel u. a. für das Flüssigphasensintern des Hartmetalls verwendet. Um die Reibungseffekte simulativ zu untersuchen, wurden die FE-Modelle entsprechend den Geometrien aller Proben, die experimentell untersucht wurden, auf-gebaut. Die Schwerkraft der Proben wurde ebenfalls im FE-Modell definiert. Der Zeit-Temperaturverlauf der Sinterung wurde als thermische Bedingungen in das Simulationsmodell implementiert. Nach der Durchführung der Simulation wurden die Ergebnisse aus den Experimenten und den Simulationen verglichen. Gleichzeitig wurden die experimentell gefundenen Zusammenhänge verifiziert. Die Sintermodelle für das Flüssigphasensintern und das Festphasensintern wurden dann bewertet.

Nach der Modellbildung und der Validierung an einfachen Geometrien wurden einige industriell eingesetzte Bauteile von Firmen aus dem PA als ausgewählt. Diese Demonstratorbauteile dienten der Validierung der Sintersimulation an komplexen Geometrien, sowie zur Geometrieoptimierung durch das entwickelte Simulationsmodell. Neben der Grünkörperoptimierung wurden diese Korrelationen zwischen Prozessparametern und dem ungleichförmigen Sinterverzug in praxistauglichen, einfach anzuwendenden Regeln verdichtet und als Hinweise für die Sinterpraxis zusammengestellt.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten führten die beiden Forschungseinrichtungen im intensiven Austausch untereinander sowie mit den am PA beteiligten Firmen durch. Durch die intensiven Diskussionen bei den regelmäßigen Projekttreffen, konnte die ursprüngliche Projektidee umfänglich bearbeitet werden.

Kurzfassung der Ergebnisse

Da keine Literaturwerte für die Reibungskoeffizienten bei erhöhten Temperaturen vorhanden sind, wurden die Reibwertmessungen im Rahmen des Projekts in einer systematischen Untersuchung mit Hilfe eines speziellen Versuchsaufbaus durchgeführt. Für die isostatisch (ISO) gepressten Proben aus WC10Co von zwei Herstellern (CER und E6) sind die Reibungskoeffizienten für Haft- und Gleitreibung, die zwischen Proben und den mit Basissuspension KM9195 beschichten Graphitunterlagen bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen gemessen wurden, als Beispiel in Abbildung 1 dargestellt. Der durchschnittliche Reibungskoeffizient liegt bei 0,35 für die Haftreibung und bei 0,27 für die Gleitreibung. Erwähnenswert ist, dass die Haftreibungskoeffizienten bei Proben von beiden Hersteller mit steigenden Temperaturen stark zunahmen. Bei den erhöhten Temperaturen wurde die Sinterschwindung durch die hohen Reibungskräfte verhindert, wodurch es zu einem messbaren Sinterverzug komplex geformter Bauteile kam.

  Abbildung 1: Reibungszahl zwischen Proben aus WC10Co und den Graphitunterlagen mit Beschichtung von Basissuspension KM9195. Urheberrecht: IWM

Abbildung 1: Reibungszahl zwischen Proben aus WC10Co und den Graphitunterlagen mit Beschichtung von Basissuspension KM9195.

 

Auf Basis der erhobenen Daten für die werkstoff- und temperaturabhängigen Reibwerte wurden Sintersimulationen mit den Bauteilgeometrien durchgeführt. Zur numerischen Simulation des Sinterns gibt es unterschiedliche Modelle, die sich in phänomenologische und physikalische Methoden unterteilen lassen. Am IWM wird hauptsächlich mit Sintermodellen gearbeitet, die auf dem phänomenologischen Modell nach Olevsky basieren. Phänomenologische Modelle beruhen auf rheologischen Parametern, die an Versuchsreihen mit gesinterten Proben bestimmt werden können, und eignen sich daher besonders für eine breitere Palette von Werkstoffen, da die Anzahl an Werkstoffparametern überschaubar ist. Im Gegensatz dazu benötigen physikalische Modelle eine Vielzahl an schwer zu bestimmenden Werkstoffparametern, da diese Modelle z.B. Korngrenzen-, Oberflächen- und Volumendiffusion sowie das plastische Fließen berücksichtigen.

Im Rahmen des Projektes wurden für die numerische Simulation des Festphasensinterns und des Flüssigphasensinterns die Modelle nach Olevsky für den Werkstoff X2CrNiMo17-12-2 und nach Riedel für das WC-Co Hartmetall genutzt. Sie wurden in eine User-MATerial-Subroutine (UMAT) für das FEM-Programm ABAQUS implementiert. Mithilfe des Modells kann die Sinterschwindung für komplexe Bauteilgeometrien berechnet werden.

Die durchgeführten Simulationen liefern bereits eine gute Übereinstimmung mit der experimentell gemessenen Sinterschwindung von MIM-Bauteilen, wenn die Einflüsse von Reib- und Schwerkraft berücksichtigt sind. Ein MIM-Bauteil aus X2CrNiMo17-12-2 wurde zur Evaluierung des Sintermodells verwendet. Der Effekt der Reibung konnte in der Simulation mithilfe des implementierten Modells abgebildet werden (Abbildung 2). Eine Sinterung entsprechend Lage 1 führte bedingt durch die Reibung zu einer Neigung der Pins nach außen. Das Sintern des Bauteils in Lage 2 unterband diesen Verzug, wohingegen nun ein Sinterverzug des Überhangs beobachtet werden konnte.

  Abbildung 2: Vergleich der Experiment- und Simulationsergebnisse der Lage 1 und Lage 2. Urheberrecht: IWM

Abbildung 2: Vergleich der Experiment- und Simulationsergebnisse der Lage 1 und Lage 2.

 

Zur Validation des Sintermodells für das Flüssigphasensintern wurden geschlitzte Hohlzylinder aus WC10Co von Hersteller (E6) gefertigt. Zur Abbildung des Sinterverzugs durch die Sintersimulation wurde das Sintermodell, das mit der Dichte-Temperatur-Kurve der Sinterung einer E6-Dilatomterprobe validiert wurde, für die Rechenstudien verwendet. Die Sinterunterlagen wurden als Rigid Body im Simulationsmodell definiert. Die Reibungskraft wurde nach experimentell ermittelten temperaturabhängigen Reibungskoeffizienten und der Kontaktkraft zwischen den Proben und Sinterunterlagen in der FE-Simulation berechnet und zur Abbildung des Sinterverzugs berücksichtigt.

  Abbildung 3: Vergleich der geschlitzten Hohlzylinder Geo3 und Geo4 vor und nach der Sintersimulation. Urheberrecht: IWM

Abbildung 3: Vergleich der geschlitzten Hohlzylinder Geo3 und Geo4 vor und nach der Sintersimulation.

 

Abbildung 3 zeigt die Geometrie der Proben vor und nach der Sintersimulation. Die relative Dichte (RD) der jeweiligen Probe geht hierbei aus der farblichen Darstellung der Proben hervor. Im Fall der hohen, geschlitzten Probe lässt sich zudem im gesinterten Zustand eine ungleichmäßige Schlitzbreite über die Bauteilhöhe erkennen. Durch die Modellierung und Simulation unter Berücksichtigung der Einflüsse von Reibung und Schwerkraft (s. Abbildung 3) konnte die Änderung der Schlitzbreite mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden.

Im Projekt wurden die temperaturabhängigen Reibungskoeffizienten von mehreren Materialienpaarungen ermittelt. Die Reibungskoeffizienten variieren in Abhängigkeit der Materialpaarung. Durch das Einsetzen der Reibungskoeffizienten in die numerischen Modelle, können Reibeffekte präzise abgebildet werden. Die Voraussetzung ist jedoch, dass das Sintermodell zur Vorhersage des Sinterverhaltens anhand der zu simulierenden Proben validiert worden ist. Die Eigenschaften der Proben, z.B. Korngröße und anfängliche Dichte, können die Sinteraktivität stark beeinflussen, was zur Änderung des Sinterverhaltens führen kann. Außerdem sind die Einflüsse von externen Faktoren zu berücksichtigen, z.B. Reibungs- und Schwerkraft. Die Wechselwirkungen zwischen den Eigenschaften der Proben und den externen Kräften führen zum Sinterverzug. Zur Vermeidung oder zur Minimierung von Sinterverzug sollte die Sinterunterlage so ausgewählt werden, dass die Reibung in den Temperaturbereichen möglichst gering ausfällt, in denen die Proben eine hohe Sinteraktivität und somit eine große Sinterschwindung aufweisen.

Bedingt durch Gravitations– und Reibeffekte verursacht das Sintern in manchen Bereichen der Bauteile starken Verzug. Mit dem entwickelten Sintermodell wurde die Sinterung unter Berücksichtigung der Probeneigenschaften und der externen Kräfte simuliert. Dieser virtuelle Sinterprozess ermöglicht die Beschleunigung der Entwicklungsphase durch die Anpassung der Grünlingsform. Durch diese Sintersimulation kann im Anschluss an die Konstruktion von Grünkörpern geprüft werden, ob die Bauteile mit der gewünschten Toleranz hergestellt werden können. Abbildung 4 zeigt das Beispiel eines Grünkörpers nach der Geometrieoptimierung. Die Überhänge des Grünkörpers weisen einen definierten Winkel zur Horizontalen auf, sodass sie nach dem Sintern zu einer Verbesserung der Ebenheit der Fläche beitragen. Werden die Grünkörper derart gefertigt, so ist nach dem Sintern von einem endkonturnahen Bauteil auszugehen.

  Abbildung 4: Geometrieoptimierung zur endkonturnahen Fertigung. Urheberrecht: IWM

Abbildung 4: Geometrieoptimierung zur endkonturnahen Fertigung.

 

Das IGF-Vorhaben 19802 BR der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Langfassung des Abschlussberichtes kann bei der FSV, Goldene Pforte 1, 58093 Hagen, angefordert werden.

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Förderung

Förderungsnummer: 19802 BG