Robust bis ins letzte Detail

Pulvermetallurgie - Viele metallurgische Bauteile werden heute genau mit den gewünschten Eigenschaften hergestellt. Spezielle Pulver-Legierungen machen die Produktion inzwischen auch wirtschaftlich. Dieser Teil des Beitrags gibt einige Anwendungsbeispiele.

11. Februar 2007

Die Mikrostruktur des Werkstoffs Pulvermetall lässt genau definierte Eigenschaften zu. Es werden die Festigkeit, das Ausdehnungsverhalten, die Porosität, der Magnetismus sowie die extreme Härte erreicht, wie sie die Anwendung erfordert. Der Automobilhersteller BMW erzielt heute, dank einer Evolution bei den Einlassventilen, Spriteinsparungen von etwa 10 Prozent bei gleichzeitiger Leistungssteigerung der Motoren. Ein wesentlicher Grund dafür ist der Einsatz verbesserter Werkstoffe. Zu den Schlüsselkomponenten dieser ›Valvetronic‹-Regelung gehört auch die so genannte Kulisse, ein Bauteil, an das sehr hohe Anforderungen bezüglich der Genauigkeit des Regelradius, der ertragbaren Hertzschen Flächenpressung sowie der dynamischen Festigkeit gestellt werden. Noch bei früheren Generationen von BMW-Motoren kamen ausschließlich konventionell erschmolzene Werkstoffe zum Einsatz, da herkömmliche Sinterteile als nicht ausreichend belastbar galten. Dies bedingte jedoch Kostennachteile aufgrund der erforderlichen aufwendigen mechanischen Bearbeitung. Die nun von Schunk Sintermetalltechnik entwickelte Lösung besteht darin, ein hochpräzises Sintermetallbauteil durch mehrere Wärmebehandlungen und eine spezielle Oberflächenbeschichtung zu »ertüchtigen«. Dadurch gelang es, sowohl die Festigkeit als auch die Flächenbelastbarkeit des pulvermetallurgisch erzeugten Bauteils hochzuhalten. Eine entscheidende Rolle spielte aber auch die Werkzeugtechnik, galt es doch, die geforderten sehr engen Toleranzen prozessfähig ohne mechanische Nacharbeit einhalten zu können.

Hightech-Ofenprozess

Der von BT Magnet-Technologie im westfälischen Herne eingesetzte Hochtemperatur- Behandlungsprozess erspart den sonst üblichen zweiten Durchlauf bei der Herstellung hochdichter Teile. Grund hierfür ist die Porosität konventionell hergestellter pulvermetallurgischer Teile: Beim Pressen verbleiben zwischen den Pulverkörnern selbst bei größtem Druck immer noch Hohlräume, auch wenn diese durch das Sintern zu Poren mit abgerundeten Konturen umgewandelt werden. Während diese Porosität in manchen Fällen sogar erwünscht ist, ist sie bei mechanisch hoch belasteten Teilen von Nachteil. Hier ist eine Steigerung der Dichte und damit der Festigkeit durch einen zweiten Verdichtungs- und Sintervorgang erforderlich. Um diesen teuren Fertigungsschritt einzusparen, entwickelte man bei BT Magnet-Technologie ein innovatives Ofenkonzept, das eine gestufte Wärmebehandlung mit Hochtemperatursinterung bis 1.300 °C, Aufkohlung, Schroffkühlung und abschließendem Anlassvorgang beinhaltet. Mithilfe dieses Konzepts lassen sich in nur einem Pressen- und Ofendurchlauf Materialeigenschaften erzielen, die sonst nur mit aufwendiger Zweifachpresstechnik dargestellt werden können. Zu den Paradebeispielen für die Vorteile dieser Technik gehört das Einspurritzel für Kfz-Startermotoren. Diese sowohl mechanisch als auch bezüglich Verschleiß hoch beanspruchten Komponenten wurden traditionell als Kaltfließpressteil hergestellt. Darauf folgten noch eine Oberflächenhärtung

durch Aufkohlung sowie eine mechanische Bearbeitung zur Erfüllung der hohen Präzisionsanforderungen. Die pulvermetallurgisch in nur einem Durchgang hergestellten Teile sind dagegen so präzise, dass die Bearbeitung entfallen kann. Nach Kundenangaben liegen die Kostenvorteile gegenüber konventionell durch Kaltfließpressen hergestellten Teilen bei rund 30 Prozent.

Schutz für die Mechatronik

Die in mechatronischen Systemen erforderliche Integration von Elektronik, Sensorik, Mikroprozessortechnik und Leistungselektronik auf engstem Raum bedingt höchste Anforderungen an die Vermeidung von Störungen. Für die dazu unter anderem erforderlichen Drosseln, Transformatoren und Filter bieten sich pulvermetallurgisch erzeugte Komponenten gerade zu an, da die gleichmäßig und fein verteilten Luftspalte zwischen den Körnern die Magnetfeldlinien scheren und damit die gewünschte hohe Dämpfung hochfrequenter Störungen bewirken. Im Unterschied zu konventionell aus Walzblechstreifen zusammengesetzten Kernen, deren Eigenschaften von der Walzrichtung des Blechs abhängen, zeichnen sich die pulvermetallurgisch erzeugten Werkstoffe zudem durch völlige Isotropie ihrer magnetischen Eigenschaften aus. Das Legierungselement Chrom ist bei konventionellen Stahllegierungen heute ein ebenso wichtiger wie preisgünstiger Legierungsbestandteil. Bei pulvermetallurgischen Stählen konnte es jedoch bisher nicht eingesetzt werden. Grund ist die extrem hohe Reaktivität des reinen Chrommetalls mit Sauerstoff bei hohen Temperaturen.

Hochfest und recyclebar

Beim Sinterprozess oxidiert das legierte Chrom deshalb sofort und bildet feine Partikel aus Chromoxid, was die für die Härtbarkeit erforderliche Auflösung in den umgebenden Eisenteilchen verhindert. Deshalb mussten bei pulvermetallurgisch erzeugten Stählen wesentlich teurere Elemente wie Kupfer und Nickel eingesetzt werden. Hinzu kommt noch ein Recyclingproblem, denn Kupfer ist beispielsweise ein »metallurgisches Gift«. Den Durchbruch, der eine Verwendung von Chrom ermöglicht, schafften die Entwickler von PMG aus Füssen. In Zusammenarbeit mit Pulverlieferanten und Anlagenherstellern gelang dies den Ingenieuren aus Oberbayern durch einen neuartigen Ofenprozess. Dessen Atmosphäre

weist weniger als ein Zehntausendstel des sonst üblichen Sauerstoffgehalts auf. Verwendung finden die neuen chromlegierten Werkstoff e u. a. als hochbeanspruchte Kettenräder in der Motorsteuerung und als Synchronkörper in manuellen Schaltgetrieben.

Klaus Vollrath

Erschienen in Ausgabe: 01/2007