Skript Prozesstechnik - Werkstoffwissenschaften

TU Berlin – Institut für Werkstoffwissenschaften und –technologienFachgebiet Keramische Werkstoffe – Prof. SchubertSkript Prozesstechnik (3. Semester) im WS 2007/2008Skript Prozesstechnik (3. Semester) im WS 2006/2007 .............................................................. 1Übersicht – Einleitung ............................................................................................................... 2Begriffe...................................................................................................................................... 2Mischkristalle............................................................................................................................. 3Mischkristallverfestigung........................................................................................................ 3Keimbildung .............................................................................................................................. 6Homogene Keimbildung: ....................................................................................................... 6Heterogene Keimbildung: ...................................................................................................... 6Rekristallisation......................................................................................................................... 7Ausscheidungshärtung.............................................................................................................. 8Benetzung und Grenzflächenspannung.................................................................................. 11gasförmig - flüssig................................................................................................................ 11flüssig - fest.......................................................................................................................... 11fest – gasförmig ................................................................................................................... 12flüssig – gasförmig............................................................................................................... 12fest - fest.............................................................................................................................. 13Oberflächenladung.................................................................................................................. 14Diffusion .................................................................................................................................. 15Erwärmung / Wärmeleitung..................................................................................................... 17Mechanismen der Wärmeübertragung ................................................................................ 17Technologie............................................................................................................................. 20Pressen................................................................................................................................ 20Foliengießen ........................................................................................................................ 22Extrudieren .......................................................................................................................... 23Spritzguss............................................................................................................................ 24Sonderformen ...................................................................................................................... 24Thermische Prozesse in der Materialherstellung................................................................. 25

MischkristalleWenn die interatomaren Wechselwirkungen W AB stärker werden als die der einzelnen Komponenten W AAund W BB , ergibt sich insgesamt ein Energiegewinn für das System, der sich als ein positiver Wert für ∆Sund ∆H und als ein negativer Wert für G darstellt. Die Lage der freien Enthalpie G des Mischkristalls liegtalso unter der Mischungsregel. Es ergibt sich also ein „Gewinn“ ∆GG(x 1 ) = [ G(A) x 1 (A) + G(B) 1-x 1 (B) ] - ∆GGG GemengeG BG A∆GT = const.p = const.Ax BBAbb. 2: G-x-DiagrammBei hinreichender Ähnlichkeit zwischen den Bindungsverhältnissen sind Mischkristalle häufig zu finden:TabLSIm Zweiphasengebiet können dieMengenanteile der beteiligtenPhasen bestimmt werden.ausgehend von derBruttozusammensetzung werdendie Hebelarme a und b gemessen.Aus dem Verhältnis beider Werteergibt sich das Verhältnis derbeiden Phasen zu:A x BBx B(S)x B(L)Menge SMenge L=baAbb. 3: Phasendiagramm mit vollständiger Mischbarkeit und die Anwendung des HebelgesetzesBei ähnlicher Ladung, Atom- oder Ionenradien und Koordination ist mit ausgedehnten Mischbarkeiten zurechnen.MischkristallverfestigungBereits die Bildung von Legierungen die simple Mischkristalle sind weisen deutlich verändertemechanische Eigenschaften auf. Der wichtigste Mechanismus ist die Mischkristallverfestigung. EineVersetzung –Ursache für das plastische Fliessen – erzeugt einen Spannungsdipol mit einemDruckbereich an der Halbebene und einen Zugbereich darunter. Kleiner Fremdatome werden bevorzugtim Druck-, größere im Zugbereich segregiert. Die Versetzung kann sich nur noch mit Diffusion derFremdatome bewegen.3

Legierungsbildung führt zu Verfestigung von Metallen. Warum?Fremdatome im WirtsgitterDifferenz der AtomradienGitterverzerrungen /Erhöhung der GitterenergieSpannungsfelder im GitterHemmung der VersetzungsmobilitätVerfestigungAbb. 4: Fremdatome im WirtsgitterPlastische Verformung = Versetzungsbewegung Wechselwirkung der Spannungsfelder von Fremdatomen und Versetzungen Spannungs- / Energie-Erhöhung nötig für weitere VerformungNeigung zur Verringerung der Gitterverzerrungen durch Einbau der Fremdatome imVersetzungsbereich (Diffusion): Kompensation der Spannungsfelder zusätzliche Spannungserhöhung zum Ablösen der Versetzung von den FA nötig Damit erhöht sich die Festigkeit der Legierung.Abb. 5: Einbau von Fremdatomen und Wechselwirkung mit Versetzungen4

Keimbildung• Übergang vom flüssigen in den festen Zustand durch Abkühlen bis unter den Schmelzpunkt• Erstarrungsvorgang beeinflusst die Struktur und die Eigenschaften des Festkörpers durch Formund Größe der Kristallite• Anordnung der Atome geht von Nahordnung in Fernordnung über• Ablauf in zwei Schritten: Keimbildung und Kristallwachstum• nach der Keimbildung wächst der Festkörper durch Anlagerung von Atomen aus der Schmelzeweiter an (planares oder dendritisches Wachstum)Mit der Bildung eines kleinen Volumenbereiches, der den atomaren Aufbau der Endphase besitzt, ist eineErniedrigung der freien Enthalpie des Systems um ∆G v verbunden (negatives Vorzeichen). Gleichzeitigtritt eine Grenzfläche zwischen Keim und der Ausgangsphase in Erscheinung. Die Keimbildung istdadurch mit dem Aufwand an freier Grenzflächenenthalpie ∆G o verknüpft (positives Vorzeichen).∆G = 4/3 π r 3 ∆G v + 4 π r 2 σDie Gesamtänderung der Energie ergibt sich aus der Bilanz der freigesetzten Volumenenergie ∆G v undder verbrauchten Oberflächenenergie ∆G o (Annahme kugelförmiger Keim).Abb. 8: KeimbildungHomogene Keimbildung:- Keimbildung in der reinen Schmelze ohne Beteiligung von Fremdkörperoberflächen- Voraussetzung ist ausreichend starke Unterkühlung- technisch von untergeordneter BedeutungHeterogene Keimbildung:- Keimbildung auf Fremdoberflächen (Verunreinigungen, Behälterwände, Zusatz von Fremdkeimen)- erfordert geringere Unterkühlung und weniger Atome als homogene Keimbildung6

Freie EnergieFF∆F*∆F*nnnhomogeneKeimbildungheterogeneKeimbildungspontaneUmwandlungAbb. 9: KeimbildungsartenKonz. des FällungsproduktesKonz. des Fällungsprodukteserneute Keimbildungerneute KeimbildungWachstumWachstum auf denheterogenen Keimenhomogene KeimbildungZugabe des FällungsmediumsZugabe des FällungsmediumsAbb. 10: LaMer-ModellIn vereinfachter Form beschreibt das LaMer-Modell das Teilchenwachstum durch die Bildung vonPartikelbausteinen als kurzlebige Zwischenstufen (Monomere), deren zeitlicher Konzentrationsverlauf dieGröße und Größenverteilung von Nanopartikeln bestimmt (kinetischer Ansatz).RekristallisationRekristallisation ist der Abbau von Gitterfehlern in den Kristalliten metallischer Werkstoffe durchNeubildung des Gefüges auf Grund von Keimbildung und Kornwachstum. Ursache für dieFestigkeitsabnahme durch die Rekristallisation ist der Abbau von Versetzungen.Die Rekristallisation findet im Gefüge statt, wenn eine Umformung aufgebracht wurde, die über demkritischen Umformgrad liegt. Wenn die Rekristallisation während der Umformung abläuft, dann sprichtman von dynamischer Rekristallisation, nach dem Abschluss der Umformung erfolgt statischeRekristallisation. Ein Vorläufer der Rekristallisation ist die dynamische oder statische Erholung, die durchUmordnung von Gitterfehlern zu einem Festigkeitsabbau führt.7

Nach einer Kaltumformung ist oftmals eine Rekristallisationsglühung nötig, um die Verfestigungabzubauen. Diese Wärmebehandlung erfolgt mindestens bei etwa 40 Prozent der absolutenSchmelztemperatur (also der in [K] angegebenen Schmelztemperatur). Findet Umformung oberhalb derRekristallisationstemperatur statt, so spricht man von Warmverformung.AusscheidungshärtungVerfestigung von Legierungen durch Ausscheidung einer ZweitphasePrinzip: Behinderung der Versetzungsbewegung durch Ausscheidungen im Grundgitter. OhneAusscheidungshärtung wären Aluminium-Legierungen für den Flugzeugbau oder Nickelbasis-Superlegierungen für Turbinenschaufeln undenkbar.Abb. 11: "Pinning" einer sich bewegendenVersetzung durch AusscheidungenWas bewirkt die Ausscheidungshärtung von Legierungen?VolumenanteilTeilchenabstandAbb. 12: Einfluss karbidischer Ausscheidungen auf dieStreckgrenze von α-Eisen8

Ausscheidungshärtung ist eine gezielte Wärmebehandlungsmaßnahme geeigneter Legierungen.Abb. 13: Schema der Ausscheidungshärtung1. Lösungsglühen: Erwärmen auf eine Temperatur im Mischkristallfeld, halten bis eine stabile,homogene Mischkristallphase gebildet ist.2. Abschrecken: „Einfrieren“ Mischkristalls bei Raumtemperatur Übersättigung des Grundgitters mitLegierungselementen3. Auslagern: Abbau der Übersättigung durch Diffusion Ausscheidung der Zweitphase(n)Einbau der Ausscheidungen ins Grundgitter:kohärent teilkohärent inkohärentzunehmende Gitterverzerrungen,zunehmende VersetzungsbehinderungAbb. 14: Unterschiedliche Ausprägung und Einflüsse von AusscheidungenParameter für den Grad der Verfestigung:∆ σ =GbS=GbTd Tfd T = TeilchengrößeS T = TeilchenabstandG = Schubmodulb = Burgers-Vektorf = Volumenanteil9

Die voran genannten Wirkungen von Ausscheidungen und Mischkristallen werden in der Erzeugungdefinierter Materialeigenschaften genutzt und kombiniert. Wichtigste Vertreter sind Buntmetalle undStähle, z.T. auch Keramiken. Die folgenden Zustandsdiagramme von Messing und Bronze sollen einenEindruck über die Möglichkeiten geben.MessingCu-ZnAbb. 15: Phasendiagramm des Systems Kupfer-ZinkBronzeCu-SnAbb. 16: Phasendiagramm des Systems Kupfer-Zinn10

Benetzung und Grenzflächenspannunggasförmig - flüssigEine Gasblase in einer Flüssigkeit nimmt Kugelform an. Mit Hilfe der La Place GleichungP = 2 γ / rmitP = Poreninnendruck,γ = Grenzflächenenergier = Porenradiusergibt sich ein Zusammenhang von Grenzflächenenergie und Porenradius. NiedrigeGrenzflächenenergien werden durch regelmäßige Anordnung von Molekülen (niedrigster Energiestatus),z.B. durch Tenside, erzeugt und sind Voraussetzung für die Schäumung.flüssig - festEine gute Benetzung ergibt sich bei chemischer Ähnlichkeit der Flüssigkeitsmoleküle mit denfunktionellen Gruppen der Materialoberfläche. Dies führt zu einer niedrigen Grenzflächenenergie undeinem niedrigen Benetzungswinkel. Das folgende Bild zeigt einen Tropfen einer Flüssigkeit auf einergeraden und horizontalen Oberfläche. Im Tripelpunkt greifen die Grenzflächenspannungen γ fest/gas , γfest/flüssig und γ flüssig/gas an, deren Summe Null sein muss.Θγ LVΘγ SLγ SVγ > 90° γ < 90° γ = 0°Abb. 17: Schematische Darstellung typischer BenetzungsvariantenDie Vektoraddition ergibtγ fest gas , = γ fest flüssig + γ flüssig gas • cos θdie als Young´sche Gleichung bekannt ist. Die meisten Grenzflächenenergien von Flüssigkeiten sindbekannt, so dass sie für Eichungen herangezogen werden können. Als wesentliche Größe verbleibt derKontaktwinkel.Niedrige Kontaktwinkel sind Voraussetzung für die meisten Beschichtungsverfahren (Lacke, Sol-Gel,Tauchen, CVD), für das Kleben und Löten.11

UrsacheWirkungGrenzflächenspannungenσ 13 , σ 23 , σ 12GleichungKontaktwinkelYoung-GleichungBeispielAbb. 18: Übersicht zur Benetzungfest – gasförmigErhitzt man polykristalline Materialien auf hohe Temperaturen im Bereich der Oberflächendiffusion, so istdie Möglichkeit zur Einstellung von Gleichgewichtswinkeln in den Trippelpunkten Phase 1, Phase 2 undGas gegeben. Wiederum ergibt sich die Vektoraddition der drei Grenzflächenenergien.Abb. 19: Tripelpunkt fest-fest-gasförmig mitGrenzflächenspannungs-VektorenNutzung: thermisches Ätzenflüssig – gasförmigDie Oberfläche von Schmelzen kann aufgrund der Grenzflächenenergie außerordentlich glatt werden bisin den Bereich der atomaren Rauheit.Nutzung: Floatglas-Verfahren, Ausgießen von Glasschmelzen auf einer Zinnschmelze, Vermeidungweiterer Politurvorgänge12

fest - festIn kristallinen Werkstoffen entstehen Tripelpunkte im Festkörper selbst, aber auch an Korngrenzen an derMaterialoberfläche.Abb. 20: Tripelpunkt im Feststoff mit Grenzflächenspannungs-Vektoren3 gleiche Körner stoßen im Feststoff aneinander. Wiederum gilt, dass die Summe der Grenzflächenspannungen,die im Tripelpunkt angreifen, Null sein muss :γ Korn I Korn II = γ Korn II Korn III • cos θ/2 + γ Korn I Korn III • cos θ/2Hieraus ergibt sich für Körner gleicher Chemie und Phase ein Gleichgewichtswinkel von 120° (engl.dihedral angle). Bei unterschiedlicher Zusammensetzung zwischen den drei Körnern muss analogvorgegangen werden, wobei dann jedoch drei unterschiedliche Winkel entstehen würden. Die Einstellungeines Gleichgewichtswinkels ist eine maßgebliche Triebkraft bei der Rekristallisation von Metallen bzw.im letzten Sinterstadium von keramischen oder Polymerwerkstoffen.An einer freien Grenzfläche treten Korngrenzen an die Oberfläche und bilden wiederum einenTripelpunkt, in dem eine fest-fest und zwei fest-gas Grenzflächen auftreten. Entsprechend der Niveausder Grenzflächenspannungen ergeben sich charakteristische Gleichgewichtswinkel. Behandelt manWerkstoffe unter Temperatur und Zeit, stellen sich gerundete Strukturen ein. Dieser Vorgang wird alsthermisches Ätzen bezeichnet und schafft einen Topographiekontrast.γ fest/gas , = γ fest/flüssig + γ flüssig/gas • cos θ13

OberflächenladungEine Materialoberfläche muss von einer letzten Atom- oder Ionenlage terminiert sein. Diese tragenmindestens in metallischen und keramischen Materialien elektrische Ladung, es bilden sich funktionelleGruppen. Im Kontakt mit Elektrolyten (Wasser, wässrige Lösungen, körpereigene Flüssigkeiten, Säuren,Laugen etc.) bewirken die funktionellen Gruppen eine Wechselwirkung mit den Ladungsdipolen derFlüssigkeit. Die Dipole im direkten Kontakt richten sich aus, so dass sich eine Ladungsdoppelschichtbildet, die als Doppelschicht abgekürzt wird. In einem großen Abstand hat die Oberfläche keine Wirkungmehr, die Dipole bleiben statistisch verteilt.Man kann die Anzahl von Ladungen der Oberfläche als ein Potential verstehen, das nach außen abfällt.Bereits Helmholtz hatte den Vorschlag gemacht, dass von dem Potential am Feststoff in genau einerDoppelschicht ein linearer Abfall erfolgt und die Doppelschicht damit fest an der Feststoffoberflächehaftet. Die komplexeren Modelle von Guey & Stern nehmen einen starren Saum mit einem linearen Abfallan, an den eine diffuse Lage anschließt. Der Übergang stellt nun die eigentliche Oberfläche des Materialsdar, die starre Schicht muss dann zum Festkörper gerechnet werden. Die Größe eines Partikels ändertsich von seinem Radius zum effektiven Radius.Der Übergang von der starren zur diffusen Schicht wird als Scherebene bezeichnet. Das Potential indieser Ebene bestimmt das reale Verhalten und wird als Zetapotential bezeichnet.Helmholz Guey SternAbb. 21: Doppelschichten14

DiffusionDer Vorgang der Diffusion in Festkörpern ist ein durch thermische Fluktuation bedingter Platzwechsel vonAtomen, Ionen oder niedermolekularen Bestandteilen, der mit ansteigender Temperatur an Bedeutunggewinnt. Ist durch thermische Anregung die Schwingungsenergie groß genug, können die Bausteine ausihrer durch das Gleichgewicht der Bindungskräfte bedingten Potentialmulde heraus schwingen und denPlatz wechseln (Diffusion). Man unterscheidet Selbstdiffusion und (Inter-) Fremddiffusion.15

AjNxVolumenSekunde-j = D AδN Aδx1 Fick´sches Gesetz-j = D A grad c(Adolf Fick, 1855)abδN Aδt= δδxDδN AδxInterdiffusion,2. Fick´sches GesetzDas 2. Ficksche Gesetz erlaubt, für eine beliebige Ausgangskonzentration eines diffundierendenTeilchens die Konzentrationsverteilung für jeden beliebigen Zeitpunkt und Ort zu errechnen.Abb. 22: Defekte in kristallinen FestkörpernDiffusionsarten:• Volumendiffusion (Nabarro-Herring-Mechanismus)• Grenzflächendiffusion→ Oberflächendiffusion→ Korngrenzendiffusion (Modell von R. L. Coble)16

Abb. 1: Skizze zur Definition der Wärmeleitung; thermische bzw. elektrische Daten einiger MaterialienZur Beschreibung nichtstationärer Prozesse wird oft auch die Temperaturleitfähigkeit a [m 2 /s] verwendet.Diese hängt über die Dichte ρ und die Wärmekapazität c p mit der Wärmeleitfähigkeit λ zusammen:λ = ⋅ ρ ⋅ ac pDie Wärmeleitung von Festkörpern ist von ihrer chemischen Zusammensetzung, der Bindungsart undvom Gefüge abhängig. Alle Metalle zeigen eine gute Wärmeleitfähigkeit - dies legt nahe, dass dieLeitungselektronen für die Wärmeleitung verantwortlich sind. Ein einfaches Modell für die Wärmeleitungvon Elektronen stammt von Drude und Lorentz. Diese nahmen an, dass die Elektronen sich wie ein Gasdurch das Gitter der Rumpfionen mit der Geschwindigkeit v bewegen können, bis sie nach der mittlerenfreien Weglänge l (Flugdauer t = l/v) durch einen Stoß abgelenkt werden. Betrachtet sei nun einQuerschnitt der Fläche A, durch die der Wärmestrom j Q fließt. Im Abstand einer freien Weglänge derElektronen zu beiden Seiten des Querschnitts herrsche die Temperatur T 1 beziehungsweise T r . Dieeffektiv durch die Platte fließende Wärmestromdichte j Q , die von den Elektronen durch den Querschnitttransportiert wird, beträgt:jQ=1⋅ n ⋅v⋅ k ⋅(Tr4−T)lDas Verhältnis von Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit in einem reinen Elektronenleiter wird für einebestimmte Temperatur konstant (Wiedemann-Franz-Gesetz):λσm ⋅ k ⋅v2e3 ⋅ k=e=222⋅TOffensichtlich leiten jedoch auch gute elektrische Isolatoren die Wärme. Hier muss also ein andererMechanismus für die Wärmeleitung verantwortlich sein. In allen Festkörpern kann auch Wärme durchGitterschwingungen (so genannte Phononen) übertragen werden. Diese Phononenleitung ist in allenMaterialien möglich, spielt aber bei Metallen im Allgemeinen eine untergeordnete Rolle.Die Wärmeleitfähigkeit von Werkstoffen wird durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst, besondersdurch:• Temperatur• Verunreinigungen• Gefüge• Wärmeübergang an GrenzflächenWärmestrahlungWärmestrahlung wird technisch ab etwa 800° bedeutend und kann Wärme auch im Vakuum übertragen,wobei die Oberfläche einer Quelle Strahlung aussendet und diese zum Produkt gelangt. Prinzipiell strahltjeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunktes Wärme ab. Das Stefan-Boltzmann Gesetz für einenidealen schwarzen Strahler gibt für die Wärmeleistung anP = σ A T 4(P= Leistung, σ= Boltzmann Konstante, A= Fläche, T=Temperatur in K)18

d.h. der Vorgang ist sehr stark thermisch aktiviert und wird bei hohen Temperaturen dominierend. Diemeisten Materialien sind keine idealen Strahlen, was im Lambert-Gesetz durch einen temperaturabhängigenEmissionsgrad (Eichung ist material- und temperaturabhängig) erfasst wird:P = ε(T) σ A T 4ε(T) = EmissionsgradKonvektionKonvektion ist die Übertragung von Wärme durch ein Fluid (gasförmig oder flüssig). In der natürlichenKonvektion wirkt der Dichteunterschied zwischen heiß und kalt als Triebkraft. In der Konvektion ohneStoffaustausch ergeben sich in den Fluiden jeweils Randschichten und ein linearer Verlauf imangrenzenden Festkörper. Es bestehen Analogien zum 2. Fickschen Gesetz.Diese Wärmeübertragung ist für alle Standardofentechniken dominierend. Konvektion wird in Drucköfenmit Sicherheit der überwiegende Mechanismus sein.19

TechnologiePressenVerdichten von Pulvern oder Granulaten sowie zum Fügen von Massivteilen.Einaxiales PressenDas Kernstück bildet ein Pressraum, der von einer Matrize begrenzt wird (gehärtete Stähle oderHartstoffe, gehalten von Austeniten, TÜV gestempeltes Material) und von Ober- und Unterstempeln unterDruck gesetzt wird. Die Kräfte können mechanisch (motorgetriebene Exzenter) oder hydraulischaufgebracht werden. Das Pressteil hat den Durchmesser der Stempel, die Höhe ändert sich während desVorgangs. Teile mit konstanter Höhe erfordern eine konstante Pulver- / Granulatmenge und konstanteProzessbedingungen (QS-Problem).Es gibt verschiedene alternative Methoden der Stempelbewegung:Abb. 23: Ein- und doppelseitiges einaxiales PressenAbb. 24: Einaxiales Pressen mit beweglichem Mantel der Pressmatrize20

Die Pulver- oder Granulatpartikel erfahren in der Pressform einerseits eine interpartikuläre Reibung (wirktim ganzen Pressraum), sowie die Wandreibung. Beide Reibungen sind vom Ort abhängig und reduzierendie am Pressort wirkende Spannung. Die Presstechnik produziert damit immer leicht gradierte Teile, diePressdichte ist nicht homogen verteilt. Wichtige Gegenmaßnahmen sind Presshilfsmittel (Polymere ohneaktive Oberflächenfunktionen), Nutzung von Weichmachern (Additiv zum Binder) zur Reduktion derinterpartikulären Reibung.Die Freiheit in der Form des Teiles ist sehr begrenzt, die Form muss weitgehend isometrisch sein.Einaxiales Pressen ist die produktivste Formgebungstechnik. Kleine Teile können zum Teil in einerSekunde geformt werden.Isostatisches PressenHierbei wird der Druck über eine nicht-kompressible Flüssigkeit aufgebracht. Der Presskörper wird in eineflexible Form, z.B. Silikonform gegeben. Die Druckverteilung ist auf der gesamten Oberfläche homogenund allseitig. Das Iso-Pressen liefert die höchste Pressdichte und die beste Homogenität, hat aberNachteile hinsichtlich der Formtreue und der Prozesszeit. Iso-Pressen erlaubt auch sehr hohePressdrücke.Quasi-isostatisches PressenEs handelt sich um einen technischen Kompromiss zwischen den beiden vorab genannten Verfahren. DieSpannungsverteilung ist in zwei Dimensionen homogen, nicht jedoch in der dritten. Wiederum sindflexible Formteile wie Silikone notwendig, die von einem Öldruck belastet werden. Eine oft verwendeteAusführung besteht aus einem zentralen Stift als Platzhalter und einer konzentrischen flexiblenSilikonmanschette. Es entstehen Hohlteile. Dabei ist unabdingbar, dass der E-Modul des Platzhaltersgrößer ist als der des Presskörpers, um Keilspannungen zu vermeiden. Typische Anwendung:Zündkerzen.Ein zweite Ausführung nutzt zwei Halbschalen mit einer Silikon-Innenform und Ölfüllung, die von einerZuhaltevorrichtung (liegende Hydraulikpresse) geschlossen werden können (Anwendung: Tellerpresse).Pressen von planparallelen Flächen zum Fügen, vor allem KlebenReaktives Pressen / WarmpressenBei der Verwendung von Duroplasten kann eine Kombination einer Warmpressung (erniedrigt dieViskosität von Polymeren) und einer Vernetzungsreaktion erfolgen. Anwendung: Phenolharze mitAbrasivstoffen zur Herstellung von Bremsbelägen. Die Temperatur beträgt ca. 100 bis 200°C.HeißpressenZu Verdichtung sehr schwer zu verdichtender, kovalent gebundener Stoffe. Dazu sindhochtemperaturbeständige Formen (Graphit, BN) notwendig. Anwendung: Si, Ti, Boride oder Carbide,Druck = 100 MPa, Temperatur = 2200°C .21

FoliengießenVorstufen können Lösungen, Gele oder Suspensionen sein.Aufgabe mit Hilfe eines Rakels (engl. Doktor Blade) im Gießschuh bei konstanter Füllhöhe derSuspension im Vorratsbehälter,Doppelrakel ermöglicht kleinere Füllhöhen,Konstanter Spalt am Gießschuh durch stabile Mechanik, schwingungsfesten Tisch, thermisch konstanterAufbau,Strikt konstante Herstellungsbedingungen der Vorstufen ermöglichen dann konstante Schichtdicke,Anforderung: Im Bereich des Gießschuhs ist eine niedrige Viskosität notwendig.Abzug der Schicht durch umlaufende oder anlaufende Polymerfolie,Anforderung: Die Suspension muss die Folie benetzen.Stabilisierung der geformten Schicht durch Änderung der Scherrate (Ansteifen einer strukturviskosenSuspension) und Nachtrocknung,Anforderung: Hinter dem Gießschuh herrschen nur noch Gravitation und Grenzflächenspannung, alsokleine Scherkräfte. Um eine Nachträgliche Formänderung zu unterdrücken, ist eine hohe Viskosität odersogar eine Schergrenze erforderlich.Ablösen nach hinreichender Trocknung,Anforderung: Wechselwirkung zwischen Schicht und Folie soll hier so gering sein, dass die Schicht ohneRückstände ablöst.Rakel, Messerengl.: "doctor blade"Schlickervorratgegossene Keramikfolie, tapeh 2h 1umlaufende FolieLaserkerbung auf der Oberseite der FolieAnordnung von größeren Körnern im Tape,findet sich als leichte Textur im gesinterten Körper wiederAbb. 25: Foliengießen mit keramischen MassenAnwendungen:• Verpackungsfolien• Filme (Gelatine auf Polyester)• Dünnschichttechnik der Keramik22

SpritzgussDer Spritzguss wurde ursprünglich für die Formgebung von Thermoplasten entwickelt. Ein Granulat wirdin einem Schneckenförderer bis über T g erwärmt und durch die Scherkräfte verdichtet . DieserSchmelzstrom wird durch den Injektor in ein Form, die Kavität, gespritzt. Die Kavität wird gekühlt und dasTeil kann unterhalb T g erstarren.Als Mundstück wird ein sehr hoher Druck von bis zu 1Kbar erreicht, die Formfüllung erfolgt so rasch wiemöglich (ca. 1s).• Einfüllen eines thermoplastischen Granulates• Erwärmen im Schneckenförderer, T>T g• Verdichten durch Scherkräfte• Ausrichtung der polymeren Ketten im Strömungsprofil• Maximaler Druck und Temperatur am Injektor• Rasche Formfüllung• Entformen nach kurzem AbkühlenTeile sind texturiert (Polymerkettenausrichtung),Teile können danach nicht wieder auf T g gebracht werden, ohne ihre Form zu verlieren,Ungleichförmige Wandstärke möglich,Form besteht aus gehärtetem oder hartem Innenteil und einen zähen Außenteil, gestempeltes Material(Martensit oder HM in Austenit).SonderformenMIM, Metal Injection MouldingHerstellen einer Mischung aus einem Metallpulver und einem Thermoplast (Compoundieren, Blend)durch Erwärmen oberhalb T g ,Spritzvorgang: Wärmeleitung ist hoch, d.h. keine langsame Formfüllung möglich,Entbindern durch thermische Prozesse (Entfernen des Kunststoffanteils),Sintern zum Verdichten des Bauteils,Vorteil: geringer Nachbearbeitungsbedarf, hohe geometrische Bauteilkomplexität, breite WerkstoffpaletteCIM, Ceramic Injection Moulding (analog zu MIM)Verwendung sehr feiner keramischer Pulver, z.B. Al 2 O 3 , ZrO 2 (Fadenführer)24

Abb. 28: Fließschema für das Powder Injection Moulding (MIM, CIM)Thermische Prozesse in der MaterialherstellungDie drei wichtigsten, thermisch basierten Prozesse zur Materialherstellung sind• Schmelzen,• Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition• SinternSchmelzenBeim Schmelzen von Materialien ist der Schmelzpunkt einer Komponente oder Verbindung eine wesentlicheVoraussetzung, Systeme mit einem peritektischen Zerfall können nicht durch Schmelzprozessegewonnen werden.Abb. 29: Enthalpie-Temperatur-Verlauf beim Schmelzen/Erstarren25

Beim Übergang eines Festkörpers in eine Schmelze tritt eine Schmelzenthalpie ∆H auf, wie in Abb. 29visualisiert. Mit steigender Temperatur nimmt die Enthalpie zu, am Schmelzpunkt sogar sprunghaft. Indiesem Bereich nimmt das System zuerst einmal Energie auf, ohne dass eine Erwärmung auftritt (Eis inWasser). Dieser Effekt wird bei der Untersuchung von Schmelzen mit der Thermoanalyse ausgenutzt.Registriert man die Differenztemperatur zu einem Referenzmaterial, so findet eine peakartige Auslegungam Schmelzpunkt statt.Je nach zugrunde liegender Konstitution treten beim Abkühlen vom geschmolzenen in den festenZustand unterschiedliche Entmischungen auf. Dies wird anhand des modellhaften Phasendiagramms(Abb. 30) dargelegt.1. Schmelze einer reinen Komponente (Element), reiner Übergang der SchmelzeAm Schmelzpunkt steht die Enthalpie der Schmelze mit der des Festkörpers im Gleichgewicht. DasSystem erstarrt spontan, keine Entmischung.2. Erstarren eines EutektikumsEs liegt die grundlegende Reaktion Phase A plus Phase B → geht über in Schmelze (A 1-x B x ). Kühltman eine Schmelze dieser Zusammensetzung ab, so zerfällt sie spontan bei der eutektischenTemperatur in die Phasen A und B bei vollständiger Entmischung.3. Liegen Randlöslichkeiten vor, so zerfällt die Schmelze in die Mischkristalle D MK + E.4. Erstarren einer Verbindung mit einem kongruenten SchmelzpunktEine kongruent schmelzende Verbindung verhält sich wie eine Komponente – es tritt spontaneKristallisation ohne Zerfall auf; 4a ohne Phasenbreite, 4b mit Phasenbreite.5. Durchlaufen eines ZweiphasengebietesBei Erreichen des Liquidus-Gleichgewichtes scheidet sich die Festkörperphase desPrimärausscheidungsbereiches aus (in diesem Fall A). Gleichzeitig wird die Schmelze entsprechendan Atomen der Sorte A ärmer (sie wird B-angereichert). Dieser Vorgang der Ausscheidung setzt sichfort, bis die komplette Schmelze bei dem entsprechenden Eutektikum erstarrt und spontan in dieverbleibenden Festkörperphasen a und b zerfällt.Abb. 30: Schema eines binären Phasendiagramms26

SinternDer Sinterprozess ist in vielen Bereichen der Silikat-, Oxid- und Nichtoxidkeramik sowie derPulvermetallurgie für die Qualität des Produktes ein entscheidender Schritt.Unter Sintern versteht man die Verfestigung und Verdichtung eines Grünkörpers bzw. Pulvers zu einemkompakten Werkstoff durch eine Temperaturbehandlung. Charakteristisch für den Prozess ist, dasshierbei nicht alle Komponenten aufschmelzen und somit die äußere Form erhalten bleibt.Die treibende Kraft beim Sintern resultiert aus dem Bestreben des Systems, seine Ober- undGrenzflächenenergie durch Kornwachstum und Porenschrumpfung zu reduzieren. In vielen Fällen spielenzudem chemische Reaktionspotentiale und Kapillarkräfte eine Rolle. Der Sinterprozess strebt einMinimum an freier Enthalpie an. Er kann sowohl durch einen äußeren Druck, als auch durch ein Vakuumgefördert werden. Unter günstigen Sinterbedingungen können manche Systeme nahezu ihre theoretischeDichte (TD) erreichen.Sintern ohne FlüssigphaseI. AnfangsstadiumIn diesem Sinterbereich besteht eine offene Porosität und die Partikel können sich umordnen. An denBerührungsstellen bilden sich Materialbrücken aus und die Poren runden sich ab. Fehler undSpannungen werden abgebaut.Massentransportmechanismen können entweder mit oder ohne Schwindung ablaufen.Der Verdampfungs-Kondensationsmechanismus spielt im Allgemeinen eine untergeordnete Rolle. Bei derkeramischen Sinterung dominieren zumeist Diffusionsmechanismen. Die Oberflächen-, GrenzflächenundVolumendiffusion unterscheiden sich in erster Linie in ihrer Geschwindigkeit. DieLeerstellenkonzentration beeinflusst die Diffusion sehr stark. Sie ist an gekrümmten Oberflächen (Hälsemit kleinen Radien) höher als im Korninneren. Durch dieses Konzentrationsgefälle wird eineLeerstellendiffusion verursacht, die mit einer Materialwanderung in entgegengesetzter Richtung verknüpftist.Abb. 31: Materialtransportmechanismen beim SinternII. HauptstadiumIn diesem Bereich wachsen die Hälse und die Partikelkörner nähern sich einander an. Die Geometrie desMaterials ändert sich und benachbarte Hälse gehen ineinander über. Es liegt zu Beginn immer noch eineoffene Porosität (ca. 20%) vor. Die Zahl der Poren nimmt aufgrund der Porenschrumpfung undKoaleszenz ab. Parallel zur Bildung von geschlossener Porosität findet ein Kristallwachstum statt, sodass die einzelnen Partikel nicht mehr voneinander unterschieden werden können.27

III. EndstadiumIn diesem Bereich sintert der Körper dicht. Das Kornwachstum kommt wegen Verunreinigungen, Porenund Fremdeinschlüssen bei einer bestimmten Endkorngrösse zum Stillstand. Gelangen Poren infolge desKornwachstums in das Innere der Kristallite, können sie nur durch die sehr langsam ablaufendeVolumendiffusion entfernt werden und bleiben daher im Gefüge.Sintern mit FlüssigphaseI. AnfangsstadiumBei Anwesenheit von Flüssigkeit wird im Anfangsstadium eine Teilchenumlagerung beobachtet, die zueiner erhöhten Packungsdichte führt.Die Schwindung der Probe ist umso bedeutender, je größer das Flüssigphasenvolumen ist und wirdgemindert durch eine hohe Gründichte und unregelmäßig geformte Partikel.II. HauptstadiumSobald die Schwindungsgeschwindigkeit durch Teilchenumlagerung kleiner wird, treten Lösungs- undWiederausscheidungsprozesse der Festphase ein, was mit einer weiteren Verdichtung verbunden ist.Grosse Körner wachsen auf Kosten der kleinen, da diese eine höhere Löslichkeit aufweisen. DieserProzess, der Ostwald Reifung genannt wird, führt zu weniger, aber größeren Körnern mit größeremAbstand. Zusätzlich werden Poren aufgrund einer diffusionsbedingten Formänderung der Körnereliminiert und die Körner nähern sich gegenseitig an.III. EndstadiumIm letzten Stadium, das Skelettsintern genannt wird, findet nur eine langsame Verdichtung statt. Diesekann nur durch Festphasensintern erreicht werden, falls es vor dem Erreichen der vollständigen Dichte zuVerbindungen zwischen Körnern kommt. Dieser Prozess ist sehr langsam und erfolgt weitgehend durchKorngrenzendiffusion.OfentypenKammeröfenKammeröfen zum Sintern bis 1800°C werden für den Laborbetrieb in der Regel als Tischmodelleausgeführt. Aluminiumoxid-Faserisolierungen ermöglichen bei diesen Öfen hoheAufheizgeschwindigkeiten. Hochtemperaturöfen werden bei einer Vielzahl von Anwendungen in Laborund Produktion eingesetzt (z.B. Al 2 O 3 , ZrO 2 ). Der Einsatzbereich von Sinteröfen wird in den meistenFällen durch die Oxidationsbeständigkeit der Heizelemente bestimmt. Die konventionellen Draht-Heizelemente können lediglich bis ca. 1400°C eingesetzt werden, Platin-Heizelemente bis ca. 1600°Cund keramische Heizelemente wie SiC bis 1560°C bzw. MoSi 2 bis 1800°C.Abb. 32: Kammerofen28

Herdwagenöfen (HwÖ)In HwÖ werden Wagen im Chargenbetrieb beladen. Sie sind typisch für das Brennen von Geschirrteilenund Sanitärkeramik. Ein HwÖ mit Fertigungsstraße wird z.B. zum Sintern keramischer Schleifscheibenbei 1340°C verwendet. Jeder der Öfen verfügt über eine Mehrzonen-Regelung und ermöglicht damit einesehr gute Temperaturverteilung im gesamten Nutzraum von etwa 11 m 3 .Abb. 33: HerdwagenöfenHaubenöfenHaubenöfen sind prädestiniert für das industrielle Sintern von Keramiken. Durch elektrohydraulische oderelektrische Antriebe kann ein erschütterungsfreies Verfahren der Haube und diffizile stapelbareAufbauten realisiert werden. Durch Anheben der Haube ist eine schnelle Bauteilabkühlung möglich. DieBeschickung des Ofens kann darüber hinaus unter ergonomischen Gesichtpunkten stattfinden.Abb. 34: HaubenöfenRohröfenDer Einsatzbereich von Rohröfen in der drucklosen Sintertechnik ist vielschichtig. Einzonig beheizteRohröfen für Temperaturen bis 1800°C unter Luft, Vakuum oder Schutzgas sind in Laboren aber auch beider industriellen Produktion keramischer Bauteile zu finden. Beim Reaktionssintern wird dasPulverhaufwerk durch Ablauf einer chemischen Reaktion verfestigt (SiC, Si 3 N 4 ). Auch die Pyrolyse vonSi-organischen Verbindungen unter ist in diesem Ofentyp möglich (SiOC, SiCN, SiBCN).Abb. 35: Rohrofen29

MikrowellenöfenDer herkömmliche Sinterprozess ist bei der Herstellung von Keramiken ein großer Zeitfaktor. Diekonventionelle Erwärmung eines Bauteils erfolgt über die Oberfläche von außen nach innen. Aufgrundder schlechten Wärmeleitfähigkeit keramischer Materialien kann eine gleichmäßige Erwärmung nurrelativ langsam erfolgen, was zu reduzierten Aufheizgeschwindigkeiten und langen Prozessdauern fuhrt.Das Mikrowellensintern zeichnet sich gegenüber konventionellen Sintertechniken vor allem durch einengeringeren Energieeinsatz und kürzere Sinterzeiten aus.Da durch die Mikrowellen das ganze Volumen des Körpers gleichzeitig erwärmt wird, baut sich imInneren eine höhere Temperatur auf, weil die Oberfläche an die "kalte Umgebung" angrenzt und somitgekühlt wird. Das Innere wirkt aber wärmeisolierend, da die Nachbarmoleküle dieselbe Temperaturaufweisen. Der Temperaturverlauf ist somit invers zu dem der konventionellen Erwärmung. Dieser Effektist oft erwünscht, da die Oberfläche geschont wird und die Wärme im Inneren schneller aufgebaut werdenkann. Bei der Mikrowellentrocknung ist das inverse Temperaturprofil von Vorteil, da sich im Inneren desMaterials ein höherer Dampfdruck aufbaut und die Trocknung von innen nach außen erfolgt. An derkälteren Oberfläche kondensiert ein Teil des Dampfes und hält die Oberfläche feucht bis von innen keinDampf mehr nachkommen kann. Anschließend beginnt die Oberfläche zu trocknen.Die Mikrowellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Wird die Mikrowellenquelle eingeschaltet,dringt die Energie unmittelbar in den zu erwärmenden Körper ein. Dort beginnt sofort ihre Umwandlung.Beim Abschalten wird der Aufheizvorgang sofort gestoppt. Lange Aufheiz- und Abkühlzeiten des Ofensgibt es nicht.Abb. 36: Mikrowellen-Banddurchlaufofen (4,5 m; 8 kW); MikrowellenofenMetallschmelzöfenAbb. 37: Metallschmelzöfen30

HochofenAbb. 38: Hochofen zur Erzeugung von RoheisenDrehrohröfenDirekt oder indirekt beheizt sind Drehrohröfen bewährte Aggregate zur kontinuierlichen thermischenBehandlung. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad und hohe Betriebssicherheit aus. NeueWege der Ofenentwicklung, Dichtsysteme und neue Rohrmaterialien ermöglichen jetzt verbessertethermische Prozesse mit neuen Anwendungen.Produkte, die während des thermischen Verfahrens keinen Kontakt mit den Brenngasen und mit Metallhaben dürfen, können durch den Einsatz speziell entwickelter Werkstoffe, in Drehrohröfen mitkeramischem Drehrohr indirekt gebrannt werden.Abb. 39: Drehrohrofen31