Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IMD-2)

Im IMD-2 stehen 38 Kammeröfen für Wärmebehandlungen zur Verfügung. Die überwiegende Zahl der Öfen sind für Wärmebehandlungen in Luft ausgelegt, es können aber auch Prozessierungen in reinem Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Argon-Wasserstoff oder in Vakuum erfolgen. Somit können nach erfolgter Formgebung nicht nur Gefüge hinsichtlich Dichte, Partikelgröße und Morphologie an Werkstoffen optimiert werden, sondern auch Festkörperreaktionen oder Phasenumwandlungen durchgeführt werden.

• Maximale Temperaturen: 1100-1800°C
• Nutzvolumen: 3-200 Liter

Das feldunterstützte Sintern (Field Assisted Sintering Technology/Spark Plasma Sintering FAST/SPS) ist ein niederspannungs-, strom- und druckunterstütztes Sinterverfahren, das auf der Joule´schen Erwärmung (= Widerstandsheizung) eines leitfähigen Werkzeugs basiert. Werden elektrisch leitfähige Pulver verdichtet, wird zusätzlich auch das Pulver direkt über den Joule Effekt erhitzt. Das Werkzeug besteht aus zwei Stempeln und einer Matrize, in die das zu sinternde Pulver gefüllt wird. Spezifische Vorteile der FAST/SPS-Technologie sind hohe Aufheizraten und kurze Zykluszeiten. Das Verfahren wird unter Schutzgas oder im Vakuum durchgeführt. Die folgende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau einer FAST/SPS-Anlage sowie das Werkzeug im beheizten Zustand.

Am Institut IMD-2 werden drei FAST/SPS-Anlagen betrieben (siehe unten). Die Anlage HP- D5 von FCT Systeme GmbH ist eine Standard FAST/SPS-Anlage im Labormaßstab, die am Institut IMD-2 vielfältig zum Sintern von keramischen und metallischen Pulvern eingesetzt wird. Die Anlage H-HP-D25 von FCT Systeme GmbH ist eine Hybrid FAST/SPS Anlage, in die ein zusätzlicher Ofen (Induktionsofen oder MoSi2-Ofen) eingebaut werden kann, um den Wärmeeintrag zu erhöhen und eine homogenere Temperaturverteilung zu erreichen. Weiterhin verfügt die Anlage über eine externe Spannungsquelle, die es ermöglicht in der Anlage Sinterverfahren mit extrem hohen Aufheizraten – Flash Sintern FS und Ultraschnelles Hochtemperatursintern UHS – durchzuführen. Die Anlage DSP515 von Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH ist eine FAST/SPS-Anlage im Prototypenmaßstab, die auf die Skalierung des FAST/SPS-Prozesses hin zur industriellen Anwendung zielt. Die rechte Spalte in der folgenden Abbildung fasst die wesentlichen Betriebsparameter der drei Anlagen zusammen.

Betriebsparameter HP-D5:
• Max. Last 50 kN
• Max. Heizleistung 37 kW
• Max. Probengröße ⌀ 30 mm
• Max. Temperatur 2200°C (mit Graphitwerkzeugen)
• Sinteratmosphären: Vakuum, Ar, Ar/H₂, Luft

Betriebsarten:
• FAST/SPS (gepulster Gleichstrom)
• Hochdruck FAST/SPS (bis 1 GPa)
• Kaltsintern im Temperaturbereich 100 – 400°C

Betriebsparameter H-HP-D25:
• Max. Last 250 kN
• Max. Probengröße ⌀ 100 mm
• Max. Heizleistung 60 kW für FAST/SPS Betrieb
• Max. Heizleistung 80 kW für Hybridheizung
• Max. Temperatur 2200°C (mit Graphitwerkzeugen)
• Externe Spannungsquelle (max. 1000 V, max. 25 A)
• Sinteratmosphären: Vakuum, Ar, Ar/H₂, Luft

Betriebsarten:
• FAST/SPS (gepulster Gleichstrom)
• Hybrid FAST/SPS (Induktions- bzw. MoSi₂-Ofen)
• Flash Sintern FS
• Ultraschnelles Hochtemperatursintern UHS

Betriebsparameter DSP515:
• Max. Last 555 kN
• Max. Probengröße ⌀ 120 mm oder 100 x 100 mm²
• Max. Heizleistung 170 kW
• Max. Temperatur 2200°C (mit Graphitwerkzeugen)
• Sinteratmosphären: Vakuum, Ar, Ar/H₂, Luft
• Ausgestattet mit einer Kühlfalle zur Entbinderung
• Temperaturüberwachung mit bis zu 5 Thermoelementen

Betriebsarten:
• FAST/SPS (konstanter Gleichstrom)

Am Institut wird eine einzigartige, selbst konstruierte Sinter Forging Anlage betrieben. Die Komponenten der Anlage sind ein vertikaler Sinterofen für Temperaturen bis 1300°C, eine Spannungsquelle (AC und DC, max. 1000 V, max. 20 A), eine elektromechanische Zug-Druck- Prüfeinheit (Instron, Norwood/US) und zwei optische Laser. Mit der Anlage können durch optische Dilatometrie wichtige Parameter für die Modellierung von Sinterprozessen (Viskosität, Poisson Verhältnis, Sinterspannung) unter Druckbelastung ermittelt werden. Als Proben dienen Zylinder mit einem Durchmesser ≤ 10 mm, die über Pt-Elektroden kontaktiert und über die Stempel der Anlage mit Druck beaufschlagt werden.