Was ist Sinterhilfsmittel?
Sinterhilfsmittel sind Zusatzstoffe, die beim Sintern und Formen von Metall- und Keramikpulvern zur Förderung und Stabilisierung der Sinterung verwendet werden. In der Regel werden Zusatzstoffe verwendet, die einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als das zu sinternde Material.
Sinterhilfsmittel werden Pulvern in dem Maße zugesetzt, dass sie die Werkstoffeigenschaften nicht negativ beeinflussen, z. B. wenn schwer zu sinternde Werkstoffe gesintert werden sollen oder wenn die Dichte und Festigkeit des gesinterten Materials erhöht werden soll. Als Sinterhilfsmittel werden Bor und Kohlenstoff verwendet. Erdalkalimetalle und Seltenerdoxide können der Sinterkeramik zugesetzt werden, was zu einer Verdichtung und hohen Wärmeleitfähigkeit führt.
Verwendungszwecke von Sinterhilfsmitteln
Sinterhilfsmittel sind bei der Herstellung von Keramiken weit verbreitet. Die Formgebung von Metallen mit hohem Schmelzpunkt und von Keramik ist durch Schneiden, Kleben oder Schmelzen nicht möglich, daher werden sie durch Sintern hergestellt. Werkstoffe auf Si-Basis wie Siliciumcarbid und Siliciumnitrid lassen sich nur schwer sintern; in diesen Fällen werden dem Pulvermaterial Sinterhilfsmittel zugesetzt. Sinterhilfsmittel werden beim Erhitzen bei niedrigeren Temperaturen als das Materialpulver flüssig und erleichtern so die Verdichtung.
Feinkeramik ist noch schwieriger zu sintern, daher werden Siliziumkarbid und andere Werkstoffe noch feiner zerkleinert und Bor und Kohlenstoff als Sinterhilfsmittel zugesetzt. Bei der Herstellung von Siliziumnitridkeramik wird manchmal Siliziumberylliumnitrid als Sinterhilfsmittel verwendet.
Keramische Sets für den Hausgebrauch sind ebenfalls auf dem Markt. Diese Produkte werden hergestellt, indem keramischer Ton mit einem Sinterhilfsmittel gemischt, in die gewünschte Form gebracht und in einem Mikrowellenofen gesintert wird.
Prinzip der Sinterhilfsmittel
Der Sinterprozess beginnt mit dem Zerkleinern der Rohstoffe und dem Mischen des Pulvers. Wenn das Material besonders schwer zu sintern ist, wird in diesem Stadium ein Sinterhilfsmittel beigemischt. Das Pulver wird dann in eine Form oder ähnliches gegeben und gepresst, um es in eine bestimmte Form zu bringen. Manchmal werden dem Pulver Wachs oder andere Stoffe zugesetzt, um die Formgebung zu erleichtern. Sind die Partikel des Pulvers klein, kann es in der Form zu einer ungleichmäßigen Dichte kommen, weshalb das Pulver manchmal mit einem Formhilfsmittel gemischt und gespritzt wird, um einen granulierten Rohstoff zu erhalten.
Wenn während des Formens organische Stoffe hinzugefügt werden, wird das Material anschließend langsam auf etwa 400 °C erhitzt, um die organischen Stoffe zu entfernen. Anschließend wird das Material zum Sintern auf eine hohe Temperatur erhitzt. Zu diesem Zeitpunkt werden Oxidkeramiken wie Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid häufig an der Luft erhitzt. Metalle wie Stahlwerkstoffe und nichtoxidische Keramiken wie Siliziumnitrid werden unter Schutzgas oder im Vakuum gesintert, um eine Oxidation zu verhindern.
Das Sintern ist ein Phänomen, bei dem das Erhitzen eines Pulverpresslings dazu führt, dass sich die Partikel des Rohmaterials miteinander verbinden, wodurch sich der Raum zwischen den Partikeln verkleinert und diese verfestigen. Bei festen Metallen und Keramiken erfolgt das Sintern durch die Bewegung von Stoffen durch ein Phänomen, das als Diffusion bezeichnet wird, während bei schwer zu sinternden Materialien wie SiC und Si3N4 die Verdichtung selbst bei hohen Temperaturen nicht sehr weit fortschreitet, wenn kein Sinterhilfsmittel hinzugefügt wird. Der Grund dafür lässt sich mit herkömmlichen Theorien nicht erklären, und neue Theorien der freien Energie haben gezeigt, dass hohe Korngrenzenenergien ein thermodynamisches Hindernis für die Sinterung darstellen können. Die Rolle der Sinterhilfsmittel soll darin bestehen, die intergranulare Energie zu verringern und die Sinterung zu verbessern. Das Sintern bei niedrigen Temperaturen ist auch für Hochtemperatur-Strukturkeramiken wichtig, da beim Sintern bei hohen Temperaturen das Problem des Partikelwachstums auftritt, was zu einem Festigkeitsverlust führt.