Heißpressen

Heißpressen ist ein pulvermetallurgisches Verfahren mit hohem Druck und niedriger Umformgeschwindigkeit zur Formgebung von Pulvern oder Pulverpresslingen bei einer Temperatur, die hoch genug ist, um Sinter- und Kriechprozesse auszulösen . ^{[ 1 ]} Dies wird durch die gleichzeitige Anwendung von Wärme und Druck erreicht.

Heißpressen wird hauptsächlich zur Verarbeitung harter und spröder Werkstoffe eingesetzt. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist die Verdichtung von Diamant-Metall-Verbundschneidwerkzeugen und technischer Keramik . Die Verdichtung erfolgt durch Partikelumlagerung und plastisches Fließen an den Partikelkontaktstellen. Das lose Pulver oder das vorverdichtete Teil wird in den meisten Fällen in eine Graphitform gefüllt , die induktives oder Widerstandserhitzen auf typischerweise 2400 °C ermöglicht. Drücke von bis zu 50 MPa sind möglich. Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich ist das Pressen verschiedener Polymere, allerdings mit niedrigeren Temperaturen und Drücken, wie sie beispielsweise in Open-Source -Heißpressen auftreten. ^{[ 2 ]}

Bei der Heißpresstechnologie kommen drei deutlich unterschiedliche Heizarten zum Einsatz: Induktionserwärmung , indirekte Widerstandserwärmung und feldunterstützte Sintertechnik (FAST) / direktes Heißpressen.

Bei diesem Verfahren wird Wärme im Inneren der Form erzeugt, indem diese einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. Dieses Feld wird mithilfe einer Induktionsspule erzeugt , die an einen elektronischen Generator gekoppelt ist. Die Form besteht aus Graphit oder Stahl, und der Druck wird durch einen oder zwei Zylinder auf die Stempel ausgeübt. Die Form befindet sich innerhalb der Induktionsspule. Der Vorteil liegt darin, dass Druck und induktive Leistung völlig unabhängig voneinander sind. Selbst Pulver mit flüssiger Phase eignen sich für dieses Verfahren, und auch niedrige Drücke sind möglich. Zu den Nachteilen zählen die Kosten für einen Hochfrequenzgenerator und die Notwendigkeit einer präzisen Ausrichtung. Ist die Form nicht mittig positioniert, ist die Wärmeverteilung ungleichmäßig. Der Hauptnachteil besteht jedoch in der Abhängigkeit des Verfahrens von einer guten induktiven Kopplung und Wärmeleitfähigkeit der Form. Das Magnetfeld dringt nur 0,5 mm bis 3 mm tief in die Form ein. Von dort an muss die Wärme durch die Wärmeleitfähigkeit des Formmaterials in die Form transportiert werden. Eine gleichmäßige Erwärmung ist deutlich schwieriger, wenn der Luftspalt zwischen Form und Induktionsspule entlang des Formprofils nicht gleichmäßig ist. Ein weiteres potenzielles Problem ist die Erwärmungsgeschwindigkeit. Eine zu hohe Aufheizrate führt zu großen Temperaturunterschieden zwischen Oberfläche und Kern, die die Form zerstören können.

Bei der indirekten Widerstandsheizung wird die Form in eine Heizkammer eingesetzt. Die Kammer wird durch Graphitheizelemente erwärmt, die mittels elektrischem Strom erhitzt werden. Die Wärme wird dann durch Konvektion in die Form übertragen . Da die elektrische Energie die Heizelemente erhitzt, die wiederum die Form indirekt erwärmen, spricht man von indirekter Widerstandsheizung.

Vorteile sind die hohen erreichbaren Temperaturen, unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit der Form sowie von Hitze und Druck. Hauptnachteil ist die lange Aufheizzeit der Form. Der Wärmetransfer von der Ofenatmosphäre zur Formoberfläche und anschließend durch den gesamten Formquerschnitt dauert relativ lange.

Die Grundidee des Sinterns mittels elektrischen Stroms durch die Form ist recht alt. Die Widerstandserwärmung von Hartmetallpulvern wurde bereits 1933 von Tayler ^{[ 3 ]} patentiert. Dieses Verfahren erfährt derzeit ein erneutes Interesse. Der Strom kann gepulst oder ungepulst (Gleich- oder Wechselstrom) sein. Funkenplasmasintern (SPS) ist eine gängige Bezeichnung für dieses Verfahren, jedoch technisch nicht korrekt, da bisher weder Funken noch Plasma validiert wurden. Weitere gebräuchliche Bezeichnungen für dieses Verfahren sind unter anderem Gleichstromsintern, Schnellheißpressen und Direktes Heißpressen. Alle diese Verfahren werden unter dem Oberbegriff „Feldunterstütztes Sinterverfahren (FAST)“ zusammengefasst. ^{[ 4 ]}

Der entscheidende Grund für die Verkürzung der Zykluszeit war die Vermeidung von Kornwachstum und die Energieeinsparung. Beim direkten Heißpressen ist die Form direkt an das elektrische System angeschlossen. Der spezifische Widerstand der Form und des Pulvers erzeugt die Wärme direkt in der Form. Dies führt zu sehr hohen Aufheizraten. Zusätzlich bewirkt dies eine signifikante Steigerung der Sinteraktivität feiner Metallpulveraggregate, wodurch kurze Zykluszeiten von wenigen Minuten möglich werden. Darüber hinaus senkt dieses Verfahren die Schwellentemperatur und den Schwellendruck beim Sintern im Vergleich zu herkömmlichen Sinterverfahren. Die beiden zuvor genannten Methoden hängen stark von einer intrinsischen Eigenschaft des Formmaterials ab, nämlich seiner Wärmeleitfähigkeit. Bei der direkten Widerstandsheizung hingegen wird die Wärme genau dort erzeugt, wo sie benötigt wird.

Neueste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass es keinen grundlegenden Unterschied zwischen dem Sintern mit gepulstem und ungepulstem Strom (SPS oder FAST) gibt. Prinzipiell lassen sich mit allen direkten Heißpressverfahren die gleichen verbesserten Sinterergebnisse (im Vergleich zum konventionellen Heißpressen) erzielen, sofern die Verbesserung ausschließlich auf der Erwärmung des Pulvers in situ beruht. ^{[ 5 ]} Treten jedoch zusätzliche physikalische Effekte auf, die mit der elektrischen Stromdichte selbst zusammenhängen (welche stark vom Pulvertyp abhängt), so hat ein gepulster Strom häufig zusätzliche positive Effekte, da die elektrische Stromdichte während jedes Pulses einen deutlich höheren Wert erreicht als bei einem Gleichstrom mit vergleichbarer Heizleistung.

In jüngster Zeit ist die Herstellung kritischer Bauteile wie Sputtertargets und Hochleistungskeramikkomponenten, beispielsweise aus Borcarbid , Titandiborid und Sialon , gelungen. Durch die Verwendung von Metallpulver ist die Leitfähigkeit der Form ideal für die schnelle Erwärmung des Werkstücks. Formen mit großem Durchmesser und relativ geringer Höhe lassen sich so schnell aufheizen. Das Verfahren eignet sich besonders für Anwendungen, die hohe Aufheizraten erfordern. Dies gilt für Materialien, die nur kurzzeitig hohen Temperaturen standhalten können, oder für Prozesse, die für eine hohe Produktivität schnelle Aufheizraten benötigen.

Mithilfe der direkten Heißpresstechnologie lassen sich Werkstoffe bis zu ihrer endgültigen Dichte sintern. Die erzielte Formgenauigkeit ist sehr hoch und macht die mechanische Nachbearbeitung von oft schwer zu verarbeitenden Werkstoffen überflüssig.

In der Reibmaterialindustrie spielt das Direkt-Heißpressen eine zunehmend wichtige Rolle bei der Herstellung von Sinterbremsbelägen und -kupplungen. Sinterbremsbeläge finden vermehrt Anwendung in Hochgeschwindigkeitszügen und Motorrädern sowie in der Windenergie, bei ATVs, Mountainbikes und in industriellen Anwendungen. Sinterkupplungsscheiben werden vorwiegend in Schwerlastwagen, Schiffen, Traktoren und anderen Landmaschinen eingesetzt.

Forschungseinrichtungen wie Universitäten und Institute nutzen die kurzen Sinterzyklen, was den Forschungsprozess beschleunigt.

Zu den jüngsten Entwicklungen zählen Kühlkörper aus Metall-Diamant-Verbundwerkstoffen, beispielsweise für LED- und Laseranwendungen. Das Sintern von Metall-Diamant-Verbindungen mittels direkter Heißpressung ist ein Verfahren, das seit den 1950er Jahren in der Diamantwerkzeugindustrie weit verbreitet ist .