Was ist Sintern (Pulvermetallurgie)?

​

Was ist Sintern?

Sintern ist ein Verfahren, bei dem Metallpulver durch Wärmeeinwirkung (und in der Regel durch vorherige Verdichtung unter Druck) zu einem festen Bauteil verbunden wird, ohne den Schmelzpunkt des Werkstoffs zu erreichen. Die Pulverpartikel verbinden sich durch atomare Diffusion, ohne vollständig zu schmelzen. Dadurch entsteht ein poröses, aber strukturell verbundenes Metallbauteil.

Der Begriff Pulvermetallurgie (Powder Metallurgy, PM) beschreibt die gesamte Fertigungstechnologie, die diesen Prozess umfasst – von der Herstellung und Mischung des Metallpulvers bis zum gepressten und gesinterten Endbauteil.

​

​

Aus welchen Schritten besteht der Herstellungsprozess?

​

1. Pulvermischung (Mixing / Blending)

Um die gewünschte Legierungszusammensetzung zu erreichen, werden Metallpulver (z. B. Eisen, Kupfer, Bronze), gegebenenfalls Legierungselemente und Schmierstoffe homogen miteinander vermischt.

​

​

2. Pressen (Compaction)

Die Pulvermischung wird in ein Werkzeug eingefüllt, das der endgültigen Bauteilgeometrie möglichst nahekommt, und unter hohem Druck (typischerweise 400–800 MPa) gepresst.

Das in diesem Schritt entstehende Bauteil wird als „Grünling“ (Green Part) bezeichnet. Es besitzt zu diesem Zeitpunkt noch eine geringe mechanische Festigkeit und kann leicht beschädigt werden.

​

​

3. Sintern (Sintering)

Der Grünling wird in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs erhitzt (bei eisenbasierten Werkstoffen typischerweise 1100–1300 °C).

Während dieses Prozesses findet eine atomare Diffusion zwischen den Pulverpartikeln statt. Die Partikel verbinden sich dauerhaft miteinander und das Bauteil erreicht seine endgültigen mechanischen Eigenschaften.

Die kontrollierte Atmosphäre (meist Stickstoff-Wasserstoff-Gemische) ist entscheidend, um Oxidation während des Prozesses zu verhindern.

​

​

4. Nachbearbeitungen (optionale Sekundärprozesse)

Je nach Anwendung können folgende Prozesse ergänzt werden:

• Kalibrieren: Erneutes Pressen des Bauteils zur Verbesserung der Maßtoleranzen

• Ölimprägnierung: Erzeugung der selbstschmierenden Eigenschaft bei Bronzebuchsen

• Wärmebehandlung: Erhöhung von Härte und Festigkeit

• Spanende Bearbeitung: Herstellung von Merkmalen wie Gewinden oder präzisen Bohrungen, die nicht direkt durch Pressen erzeugt werden können

• Oberflächenbeschichtung: Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit oder aus optischen Gründen

​

​

Warum wird Sintern bevorzugt?

Materialeffizienz:
Das Metallpulver wird nahezu vollständig zum Bauteil verarbeitet. Dadurch entsteht deutlich weniger Materialverlust als bei spanenden Fertigungsverfahren.

Direkte Herstellung komplexer Geometrien:
Merkmale wie Bohrungen, Stufen und Zahnprofile können bereits beim Pressvorgang erzeugt werden, wodurch zusätzliche Bearbeitungsschritte reduziert werden.

Wirtschaftliche Serienproduktion:
Nach der Werkzeuginvestition sind die Stückkosten gering, wodurch sich deutliche Kostenvorteile bei mittleren und hohen Produktionsmengen ergeben.

Maßhaltigkeit und Wiederholgenauigkeit:
Durch die Fertigung mit demselben Werkzeug wird eine hohe Gleichmäßigkeit zwischen den einzelnen Bauteilen erreicht.

Kontrollierte Porosität:
Bei bestimmten Anwendungen wie selbstschmierenden Buchsen oder Filtern ist die Porosität kein Nachteil, sondern ein gezielter konstruktiver Vorteil.

​

​

Welche Werkstoffe können gesintert werden?

Die am häufigsten eingesetzten Pulvermetallwerkstoffe sind:

• Eisenbasierte Werkstoffe (Fe, Fe-Cu, Fe-C, Fe-Ni) – für Zahnräder, Strukturbauteile und Verbindungselemente

• Bronzelegierungen (Cu-Sn) – für selbstschmierende Buchsen und Lager

• Edelstahlpulver – für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit

• Aluminium-, Titan- und Nickellegierungen in Pulverform – für spezielle Anwendungen mit geringem Gewicht oder hoher Temperaturbeständigkeit (z. B. Luftfahrt und Medizintechnik)

​

​

Wie belastbar sind gesinterte Bauteile?

Die mechanischen Eigenschaften eines gesinterten Bauteils (Festigkeit, Härte und Ermüdungsbeständigkeit) hängen wesentlich von seiner Dichte ab.

Mit steigender Dichte (also abnehmender Porosität) erhöht sich in der Regel auch die Festigkeit. Standard-Sinterprozesse erreichen üblicherweise 85–95 % der theoretischen Materialdichte, was für viele mechanische Anwendungen ausreichend ist.

Bei höheren Festigkeitsanforderungen kann die Dichte durch zusätzliche Verfahren wie Doppelpressen-Doppelsintern oder Kalibrieren weiter erhöht werden.

​

​

​

Pulvermetallurgie: Vergleich mit alternativen Fertigungsverfahren

​

Was sind die Kosten- und Leistungsunterschiede zwischen Pulvermetallurgie und CNC-Zerspanung?

​

Bei der CNC-Zerspanung wird das Bauteil durch Materialabtrag aus einem Metallblock (z. B. Fräsen oder Drehen) hergestellt. Dadurch steigen Bearbeitungszeit und Werkzeugverschleißkosten mit zunehmender Stückzahl direkt an.

Bei der Pulvermetallurgie wird das Bauteil hingegen in einem Werkzeug gepresst und anschließend im Ofen gesintert. Dadurch entsteht es nahezu in seiner Endform (Near-Net-Shape).

Dieser Unterschied führt dazu, dass beide Verfahren je nach Produktionsmenge unterschiedliche Vorteile bieten:

• Bei niedrigen bis mittleren Stückzahlen (einige hundert bis mehrere tausend Stück) und komplexen Geometrien:
  CNC-Bearbeitung bietet eine höhere Flexibilität und erfordert keine Werkzeuginvestition.

• Bei mittleren bis hohen Stückzahlen (mehrere tausend bis zehntausende Stück pro Jahr):
  Die Pulvermetallurgie ist deutlich wirtschaftlicher. Die anfänglichen Werkzeugkosten sind zwar höher, jedoch sinken die Stückkosten erheblich, da das Bauteil in einem einzigen Pressvorgang nahezu seine endgültige Form erreicht.

​

Aus Leistungssicht können CNC-gefertigte Bauteile aufgrund ihrer vollständigen Materialdichte (100 %) eine etwas höhere Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aufweisen.

Gesinterte Bauteile bieten jedoch mit der richtigen Werkstoffauswahl und geeigneter Dichte für viele mechanische Anwendungen wie Zahnräder, Buchsen und Verbindungselemente eine ausreichende Leistungsfähigkeit. Bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise selbstschmierenden Bronzebuchsen, bieten sie zudem zusätzliche Vorteile wie eine integrierte Schmierfunktion.

​

​

Wann sollte Sintern gegenüber Gießen bevorzugt werden?

Gießen (insbesondere Druckguss oder Sandguss) eignet sich für große Bauteile und komplexe Innengeometrien. Allerdings erfordern Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität häufig zusätzliche Bearbeitungsschritte wie die spanende Bearbeitung.

Die Pulvermetallurgie bietet gegenüber dem Gießen insbesondere in folgenden Fällen Vorteile:

• Bei kleinen und mittelgroßen Bauteilen mit hohen Stückzahlen (von wenigen Gramm bis ca. 2–3 kg):
  Das Sintern benötigt im Vergleich zum Gießen weniger Energie und reduziert den Bedarf an Nachbearbeitung.

• Bei hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit:
  Gesinterte Bauteile bieten gegenüber Gussteilen eine bessere Maßkonstanz und Wiederholgenauigkeit. Dadurch können zusätzliche Kosten für Kalibrieren oder Schleifen reduziert werden.

• Bei Projekten mit hoher Bedeutung der Materialeffizienz:
  Beim Gießen entstehen durch Anguss- und Speisersysteme häufig erhebliche Materialverluste. Beim Sintern wird das Metallpulver hingegen nahezu vollständig zum Bauteil verarbeitet.

• Wenn eine kontrollierte Porosität erforderlich ist:
  Bei Anwendungen wie selbstschmierenden Buchsen kann das Gießen diese Eigenschaft nicht ermöglichen, während die Pulvermetallurgie eine gezielt einstellbare Porenstruktur bietet.

​

Bei sehr großen Bauteilen oder Anwendungen mit komplexen Innenkanälen beziehungsweise Kühlstrukturen bleibt das Gießen jedoch weiterhin die geeignetere Fertigungsmethode.

​

​

Wie viel Material kann mit Pulvermetallteilen gegenüber der Zerspanung eingespart werden?

Einer der größten Vorteile der Pulvermetallurgie ist die hohe Materialeffizienz.

Bei der spanenden Bearbeitung kann beim Herausarbeiten eines Bauteils aus einem Metallblock je nach Geometrie 40–80 % des Materials als Span verloren gehen.

Bei der Pulvermetallurgie wird das Bauteil hingegen nahezu direkt aus der benötigten Pulvermenge geformt. Die Materialausnutzung liegt typischerweise bei über 95 %.

​

Dieser Unterschied:

• reduziert direkt die Rohstoffkosten,

• eliminiert Kosten für Spanrückgewinnung und Entsorgung,

• ermöglicht einen nachhaltigeren Fertigungsprozess hinsichtlich Energieverbrauch und Arbeitsaufwand.

Insbesondere bei Bauteilen aus vergleichsweise teuren Werkstoffen wie Kupfer- oder Bronzelegierungen wird diese Materialeinsparung zu einem der wichtigsten Bestandteile des gesamten Kostenvorteils.

​

​

Wo werden Pulvermetallteile weltweit eingesetzt?

​

In welchen Branchen werden Pulvermetallteile weltweit am häufigsten verwendet?

Das größte Einsatzgebiet der Pulvermetallurgie ist mit deutlichem Abstand die Automobilindustrie. Laut Branchenberichten entfällt mehr als die Hälfte des weltweiten Pulvermetallmarktes auf Anwendungen im Automobilbereich.

Es wird geschätzt, dass ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor durchschnittlich 18–22 kg gesinterte Bauteile enthält, während bei Elektrofahrzeugen etwa 12–15 kg eingesetzt werden. Durch den Übergang zu Elektrofahrzeugen nimmt der Anteil klassischer Zahnrad- und Getriebekomponenten zwar teilweise ab, jedoch gleichen neue Anwendungen wie weichmagnetische Bauteile für Motorkerne diesen Rückgang weitgehend aus.

Weitere wichtige Branchen neben der Automobilindustrie sind:

• Industrielle Maschinen und Automatisierung – Getriebekomponenten, Robotergelenke sowie Bauteile für hydraulische und pneumatische Systeme

• Luftfahrt und Verteidigungsindustrie – Strukturbauteile und Turbinenkomponenten mit hohen Anforderungen an Festigkeit und Gewichtsverhältnis

• Elektrotechnik und Elektronik – Verbindungselemente, Magnetkerne und Komponenten für kabellose Ladesysteme

• Medizintechnik und Dentalindustrie – chirurgische Instrumentenkomponenten und Implantatbauteile (einer der am schnellsten wachsenden Bereiche)

• Energie und Öl-/Gasindustrie – Komponenten mit hohen Anforderungen an Temperatur- und Verschleißbeständigkeit

​

Geografisch hat die Asien-Pazifik-Region (insbesondere China, Indien, Japan und Südkorea) aufgrund ihrer starken Automobilindustrie den größten Anteil am Pulvermetallurgiemarkt. Nordamerika und Europa folgen mit ihren entwickelten Automobil- und Luftfahrtindustrien.

Bei welchen Bauteilen wird Pulvermetallurgie bevorzugt eingesetzt?

Die Pulvermetallurgie wird insbesondere für Bauteile eingesetzt, die komplexe Geometrien, mittlere bis hohe Stückzahlen und eine hohe Materialeffizienz erfordern.

​

​

Die häufigsten Beispiele sind:

Automobil und Maschinenbau

• Zahnräder (Getriebezahnräder, Motorsteuerungszahnräder)

• Lager und Buchsen aus Bronze- oder Eisenlegierungen (selbstschmierend)

• Verbindungselemente, Nockenmechanismen und Pleuelkomponenten

• Komponenten für Brems- und Kupplungssysteme (z. B. Träger für Bremsbeläge, Kupplungsscheiben)

• Strukturhalterungen und Montagebauteile

​

Elektrotechnik und Elektronik

• Elektrische Kontakte und Steckverbinder

• Magnetkerne (Motorkerne, Induktorkerne)

​

Luftfahrt und Verteidigungsindustrie

• Turbinenschaufeln und strukturelle Flugzeugkomponenten (häufig aus Titan- oder Nickellegierungen mit additiven Fertigungsverfahren)

​

Medizintechnik

• Komponenten für chirurgische Instrumente und Implantate (aus biokompatiblen Legierungen)

​

Die Gemeinsamkeit dieser Bauteile besteht darin, dass sie bei konventioneller spanender Bearbeitung oder durch Gießen entweder einen hohen Materialverlust verursachen oder geometrisch beziehungsweise wirtschaftlich ineffizient herzustellen sind.

Die Pulvermetallurgie bietet in diesen Fällen entscheidende Vorteile hinsichtlich Kosten, Materialeffizienz und konstruktiver Flexibilität.

​

​

Technische Bewertungsfragen zu Pulvermetallteilen

Bei welchen Stückzahlen sind Pulvermetallteile wirtschaftlich?

Die Kostenstruktur der Pulvermetallurgie unterscheidet sich von CNC-Bearbeitung oder Gießen: Die anfängliche Werkzeuginvestition ist höher, während die Stückkosten sehr niedrig sind.

Die wirtschaftliche Grenze hängt von der Komplexität und Größe des Bauteils ab, kann jedoch allgemein wie folgt zusammengefasst werden:

• Unter ca. 5.000 Stück:
  Wenn die Werkzeugkosten auf die Stückzahl verteilt werden, ist CNC-Zerspanung häufig wirtschaftlicher, insbesondere bei Prototypen oder Kleinserien.

• Im Bereich von ca. 5.000–20.000 Stück:
  Hier beginnt der Break-even-Bereich. Je einfacher die Bauteilgeometrie ist (weniger Bohrungen, Stufen oder komplexe Merkmale), desto niedriger liegt die wirtschaftliche Schwelle.

• Ab 20.000 Stück:
  Ist die Pulvermetallurgie nahezu immer deutlich wirtschaftlicher. Nach der Amortisation der Werkzeugkosten kann der Stückpreis häufig weniger als die Hälfte einer CNC-gefertigten Lösung betragen.

​

Welche drei Hauptfaktoren beeinflussen diese Grenze?

Bauteilkomplexität:
Bei Bauteilen mit vielen Bohrungen, Verzahnungen oder Stufen steigt die Bearbeitungszeit bei CNC-Verfahren stark an. Dadurch verschiebt sich die wirtschaftliche Grenze der Pulvermetallurgie zu niedrigeren Stückzahlen.

​

Materialkosten:
Bei teuren Werkstoffen wie Bronze können die Materialeinsparungen (siehe Vergleich zum Materialverlust bei Zerspanung) die wirtschaftliche Schwelle deutlich reduzieren.

​

Toleranzanforderungen:
Sehr enge Toleranzen können zusätzliche Prozesse wie Kalibrieren oder Schleifen nach dem Sintern erforderlich machen und dadurch die wirtschaftliche Grenze erhöhen.

​

Praktische Empfehlung:
Wenn Ihr Jahresbedarf bekannt ist, bietet ein einfacher Break-even-Vergleich zwischen Werkzeugkosten + Stückkosten der Pulvermetallfertigung und den CNC-Stückkosten die zuverlässigste Grundlage für die richtige Fertigungsmethode. Gerne können Sie Ihre Zeichnung mit uns teilen, damit diese Bewertung gemeinsam durchgeführt werden kann.

​

​

Worauf ist beim Wechsel von Zerspanung zu Pulvermetallurgie zu achten?

Ein bestehendes CNC-Bauteil kann nicht immer direkt mit derselben Zeichnung in ein Pulvermetallteil umgewandelt werden, da CNC-Konstruktionen nach anderen Fertigungsanforderungen optimiert sind.

Die wichtigsten Punkte beim Wechsel sind:

​

Geometrieoptimierung:
Hinterschneidungen (Undercuts), seitliche Bohrungen oder scharfe Innenkanten, die bei CNC problemlos möglich sind, können bei der Pulvermetallurgie nicht direkt gefertigt werden oder erfordern zusätzliche Bearbeitung. Die Konstruktion sollte so angepasst werden, dass das Bauteil in einer Achse aus dem Werkzeug entformt werden kann.

​

Anpassung der Toleranzen:
CNC-Toleranzen sind häufig enger definiert als der typische Toleranzbereich der Pulvermetallurgie (±0,05–0,1 mm). Nicht funktional notwendige enge Toleranzen können gelockert werden, wodurch Kalibrierprozesse und Kosten reduziert werden.

​

Werkstoffauswahl:
Ein vollverdichteter Stahl- oder Bronze-Werkstoff aus der CNC-Fertigung entspricht nicht automatisch mechanisch einer Pulvermetalllegierung. Je nach Anforderungen an Festigkeit, Härte und Ermüdungsbeständigkeit muss der geeignete Pulvermetallwerkstoff und die passende Dichteklasse neu ausgewählt werden.

​

Gewinde und Präzisionsbohrungen:
Gewinde und sehr präzise Innenbohrungen werden häufig nach dem Sintern durch spanende Bearbeitung hergestellt. Diese zusätzlichen Prozesse sollten bereits bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

​

Muster- und Prototypenprüfung:
Vor der Serienproduktion empfiehlt sich die Herstellung einer Mustercharge mit Prüfung kritischer Maße und Funktionsverhalten unter Belastung, um unerwartete Kosten in der Serienphase zu vermeiden.

​

Praktische Empfehlung:
Wenn Sie Ihre bestehende CNC-Zeichnung mit uns teilen, können wir gemeinsam bewerten, welche Merkmale direkt übernommen werden können und welche angepasst werden sollten. Dies ist einer der wichtigsten Schritte beim erfolgreichen Umstieg auf Pulvermetallfertigung.

​

​

Warum entstehen Geräusche, Verschleiß oder Schmierungsprobleme bei Bronzebuchsen?

Selbstschmierende Bronzebuchsen können aufgrund des in ihrer porösen Struktur gespeicherten Öls ohne kontinuierliche externe Schmierung betrieben werden.

Die meisten Probleme wie Geräusche, Verschleiß oder unzureichende Schmierung entstehen in der Praxis jedoch nicht durch einen Materialfehler, sondern durch Anwendungs- oder Montagefehler.

​

Unzureichende oder falsche Ölimprägnierung:
Eine Buchse mit zu geringer Porosität kann nicht genügend Öl speichern. Bei hohen Drehzahlen oder hohen Belastungen sollten höhere Porositätsklassen (ca. 20–25 Vol.-% Ölanteil) bevorzugt werden.

​

Zu enge Montagepassung (Interferenzpassung):
Wird die Buchse zu stark in das Gehäuse eingepresst, verringert sich der Innendurchmesser und das Spiel zwischen Welle und Buchse nimmt ab. Dies erhöht die Reibungswärme und verhindert die Bildung eines stabilen Ölfilms. Eine Kontrolle des Innendurchmessers nach der Montage ist entscheidend.

​

Oberflächenqualität der Welle:
Ist die Wellenoberfläche zu glatt (spiegelähnlich), kann der Ölfilm nicht ausreichend haften. Ist sie zu rau, entsteht erhöhter Verschleiß. Üblicherweise wird eine Rauheit von Ra 0,4–0,8 µm empfohlen.

​

Fehlausrichtung (Misalignment):
Wenn die Achsen von Welle und Buchse nicht exakt übereinstimmen, konzentriert sich die Belastung auf einen Bereich der Buchse. Dies kann zu lokalem Verschleiß und Geräuschentwicklung führen.

​

Falsche Kombination aus Belastung und Geschwindigkeit (Überschreitung des PV-Wertes):
Jede Bronzelegierung besitzt eine bestimmte Druck-Geschwindigkeits-Grenze (PV-Wert). Wird diese überschritten, kann der Ölfilm abreißen und Metallkontakt entstehen, was zu Geräuschen und schnellem Verschleiß führt.

​

Verunreinigungen:
Staub, Späne oder Feuchtigkeit können die Poren der Buchse verstopfen und die Schmierfähigkeit reduzieren. In offenen Umgebungen wird die Verwendung von Dichtungen empfohlen.

​

Praktische Empfehlung:
Bei Geräusch- oder Verschleißproblemen sollte zunächst das Spiel zwischen Welle und Buchse sowie die Montagepassung überprüft werden. Dies bietet häufig eine schnellere und kostengünstigere Lösung als ein Materialwechsel.

​

Bei welchen Anwendungen werden Sinterzahnräder bevorzugt eingesetzt?

Gesinterte Zahnräder stellen insbesondere bei mittleren Belastungen, mittleren Geschwindigkeiten und hohen Stückzahlen eine leistungsfähige Alternative zu zerspanten oder geschmiedeten Zahnrädern dar.

​

Typische Einsatzbereiche:

Ölpumpen und Nebenaggregate in der Automobilindustrie:
Zahnräder für Ölpumpen oder Servopumpen sind bei hohen Stückzahlen und mittleren Belastungen zu einer Standardanwendung der Pulvermetallurgie geworden.

​

Kleine Haushaltsgeräte und Elektrowerkzeuge:
Bei Motorgetrieben mit komplexen Zahnprofilen, aber ohne extrem hohe Drehmomente, ist der Kostenvorteil entscheidend.

​

Hilfsmechanismen in Landmaschinen und Industrieanlagen:
Sinterzahnräder werden häufig in Nebengetrieben außerhalb der Hauptkraftübertragung eingesetzt, beispielsweise in Zuführ- oder Positioniersystemen.

​

Timing-Zahnräder:
In Motorsteuerungssystemen werden sie eingesetzt, wenn präzise Zahnprofile und wiederholbare Maßtoleranzen erforderlich sind, jedoch keine extremen Stoßbelastungen auftreten.

​

Bürogeräte und kleine Maschinenmechanismen:
Bei Geräten wie Druckern oder Kopierern bieten Sinterzahnräder durch ihre geringere Geräuschentwicklung Vorteile, da die poröse Struktur Schwingungen teilweise dämpfen kann.

​

Wann werden Sinterzahnräder nicht bevorzugt?

Bei Anwendungen mit sehr hohen Stoßbelastungen, sehr hohen Geschwindigkeiten (aufgrund erhöhter Ermüdungsgefahr durch hohe Umfangsgeschwindigkeiten) oder sehr hohen Anforderungen an AGMA-/DIN-Zahnqualitätsklassen werden weiterhin geschmiedete oder spanend bearbeitete Stahlzahnräder bevorzugt.

​

Praktische Empfehlung:
Wenn Belastungsprofil (konstant oder stoßartig), Drehzahl sowie Anforderungen an Geräusch- und Vibrationsverhalten bekannt sind, kann die Eignung eines Sinterzahnrades für die jeweilige Anwendung zuverlässig bewertet werden.

​