Spannungsfreie Kurzzeitsinterung von großformatigen thermoschock-empfindlichen Bauteilen mithilfe geregelter Kühlprozesse (CoolSemiko)

Problemlage
Bei der Herstellung von Bauteilen aus metallischen oder keramischen Pulverwerkstoffen ist das Sintern der zentrale Prozessschritt. Dabei wird mittels Wärmebehandlung ein Pulver-pressling zu einem kompakten Körper verdichtet. Mit diesem Prozess wird die Qualität des herzustellenden Bauteiles entscheidend bestimmt. Sintern ist aber auch der energieaufwen-digste Herstellungsschritt in der Prozesskette. Moderne Kurzzeit-Sinterverfahren bieten neue Entwicklungs- und Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich Bauteilqualität und Energieeffizienz. Beim Spark(Funken) Plasma Sintern (SPS), dem am weitesten verbreiteten Verfahren, wird die Erreichbarkeit möglichst kurzer Prozesszeiten trotz hoher Heizraten und sehr kurzer Sinterzeiten durch die lange Abkühlphase des Werkzeugs limitiert. Zu schnelle Abkühlung führt zu mechanischen Spannungen im Bauteil, die besonders bei thermoschock-empfindlichen Werkstoffen vermieden werden müssen. Langsames Abkühlen, das eine homogene Temperaturverteilung im Sinterkörper garantiert, widerspricht der Idee des Kurzzeitsinterns und ist wirtschaftlich gegenüber konventionellen Pulverpressverfahren (Heißpressen) nicht konkurrenzfähig. Das Kurzzeitsintern großformatiger Bauteile konnte sich deshalb bisher nur im Bereich der metallischen Werkstoffe durchsetzen.

Zielstellung
Im Projekt CoolSemiko wurde die energieeffiziente und schnelle Abkühlung SPS-gesinterter Bauteile aus thermoschock-empfindlichen Keramik-Werkstoffen ohne Beeinträchtigung der Bauteilqualität gelöst. Als technisch und wirtschaftlich relevantes Demonstratorbauteil diente ein kreisscheibenförmiges Bauteil aus reinem Wolframkarbid, das aufgrund seiner Temperaturempfindlichkeit bisher äußerst langsam abgekühlt werden musste.

Vorgehensweise
Dazu wurden zunächst zwei Lösungsansätze verfolgt:
1. Entwicklung einer regelbaren Kühlkammer (geregelte Schnellkühlung)
2. Entwicklung einer Vorrichtung zum schnellen Trennen von Formwerkzeug und Sinterteil
Die erfolgversprechende geregelte Schnellkühlung wurde zur Anqwendungsreife weiterentwickelt.

Ergebnisverwertung
Mit der entwickelten Lösung zur Vermeidung von Spannungen während des beschleunigten Abkühlprozesses können aufgrund der verbesserten Kosten- und Ressourceneffizienz die Anwendungsmöglichkeiten des Kurzeitsinterns erheblich erweitert werden. Auch großformatige Sinterkörper werden in hoher Qualität herstellbar. Damit kann die Kurzzeitsintertechnologie neue Märkte in den Bereichen ballistische Schutzmaterialien (Arbeits- und Personenschutz), Funk-tionsbauteile aus keramischen Hartstoffen und Verschleißschutzbeschichtungen erschließen.

• FCT Systeme GmbH