--- title: "Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign,…" description: "Erfahren Sie, wie sich pulvermetallurgische Stähle hinsichtlich ihrer Struktur, Zusammensetzung, Verarbeitung sowie der anwendbaren ASTM- und…" canonical: https://steelequivalents.com/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide language: de robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/steel-families/powder-metallurgy-steels.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/skupiny-ocelí/oceli-vyráběné-práškovou-metalurgií-normy-návrh-slitin-pórovitost-a-karbidy.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/familias-de-aceros/aceros-de-pulvimetalurgia-normas-diseño-de-aleaciones-porosidad-y-carburos.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-de-la-métallurgie-des-poudres-normes-conception-des-alliages-porosité-et-carbures.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/acélcsaládok/porkohászati-acélok-szabványok-ötvözettervezés-porozitás-és-karbidok.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosità-e-carburi.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/staalgroepen/poedermetallurgische-staalsoorten-normen-legeringsontwerp-porositeit-en-carbiden.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/grupy-stali/stale-wytwarzane-metodą-metalurgii-proszków-normy-projektowanie-stopów-porowatość-i-węgliki.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/famílias-de-aço/aços-de-pulvimetalurgia-normas-conceção-de-ligas-porosidade-e-carbonetos.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/группы-сталей/порошковые-стали-стандарты-проектирование-сплавов-пористость-и-карбиды.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/çelik-grupları/toz-metalurjisi-çelikleri-standartlar-alaşım-tasarımı-gözeneklilik-ve-karbürler.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/钢材分类/粉末冶金钢-标准-合金设计-孔隙率与碳化物.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/鋼種の分類/粉末冶金鋼-規格-合金設計-気孔率-炭化物.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/مجموعات-الفولاذ/فولاذ-تعدين-المساحيق-المعايير-وتصميم-السبائك-والمسامية-والكربيدات.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/강종-계열/분말야금강-표준-합금-설계-기공률-및-탄화물.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/famílias-de-aços/aços-da-metalurgia-do-pó-normas-projeto-de-ligas-porosidade-e-carbonetos.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/स्टील-समूह/पाउडर-धातुकर्म-इस्पात-मानक-मिश्रधातु-अभिकल्पना-रंध्रता-और-कार्बाइड.md content_hash: sha256:8a8c2a4418b9f00fb59ddd36bb1dcb54985f1451fe018f3556c388b910dd610c generated: 2026-09-26 --- > **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page, > served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML. > Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide > Canonical URL: https://steelequivalents.com/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide > Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi > Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything > below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. 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Der Begriff bezeichnet eine Verfahrens- und Werkstofffamilie. Er steht weder für eine bestimmte chemische Zusammensetzung noch für ein bestimmtes Gefüge oder einen bestimmten Verdichtungsgrad. #### Typische pulvermetallurgische Prozessabfolge 1. **Pulverherstellung** Eisen- oder legierter Stahlpulver wird hergestellt und klassifiziert. 2. **Mischen** Legierungszusätze, Graphit, Kupfer, Nickel, Molybdän und Schmierstoffe können miteinander vermischt werden. 3. **Verdichten** Das Gemisch wird zu einem geformten Grünteil gepresst. 4. **Sintern** Durch Erwärmen bilden sich Partikelbindungen, und das Porensystem verändert sich. 5. **Nachbearbeitung** Kalibrieren, Nachpressen, Infiltrieren, Bearbeiten, Aufkohlen, Abschrecken, Anlassen oder Verdichten können folgen. Ein typischer Herstellungsweg beginnt mit der Erzeugung von Eisen- oder legiertem Stahlpulver, gefolgt von der Klassierung, dem Mischen, dem Kompaktieren und dem Sintern des Pulvers. Der Pressling kann anschließend einer Kalibrierung, einer Nachverdichtung, einer Infiltration, einer spanenden Bearbeitung, dem Aufkohlen, Abschrecken, Anlassen oder einem anderen Verdichtungs- und Wärmebehandlungsschritt unterzogen werden. Jede Stufe verändert das Verhältnis zwischen Zusammensetzung, Porenstruktur, Abmessungen und mechanischem Verhalten. Randall Germans *A-Z of Powder Metallurgy* behandelt die Pulverherstellung, das Kompaktieren, Sintern, Verdichten, Gefüge und die Porosität als miteinander verbundene Bestandteile des Fachgebiets und nicht als austauschbare Bezeichnungen für den fertigen Stahl. Das Pulver selbst ist die erste Ursache für Unterschiede. Zerstäubte, reduzierte und andere Pulver unterscheiden sich hinsichtlich Partikelform, Korngrößenverteilung, Oberflächenoxid, innerer Porosität und Fließverhalten. Diese Eigenschaften beeinflussen, wie sich die Partikel in einer Matrize anordnen, wie viel Schmierstoff erforderlich ist, wie der Druck durch den Pressling übertragen wird und wie die Partikel beim Sintern miteinander verbunden werden. Ein Pulvergemisch kann außerdem vorlegierte Partikel, elementare Zusätze, Vorlegierungspartikel, Graphit, Kupfer, Nickel, Molybdän oder Verarbeitungsschmierstoffe enthalten. Folglich können zwei Bauteile, die allgemein als PM-Stahl bezeichnet werden, bereits vor Beginn der Ofenbehandlung eine unterschiedliche Verteilung der Legierungselemente aufweisen. \[1\] \[1\] [**Ferrous Powder Metallurgy**](https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/ferrous-powder-metallurgy). ScienceDirect Topics. ScienceDirect Topics, 2024. Die Zusammensetzung bleibt wichtig, wirkt jedoch nicht allein. Bei der Eisenpulvermetallurgie werden häufig Kupfer, Nickel und Molybdän als Legierungszusätze verwendet, während Kohlenstoff oft durch Graphit oder ein kohlenstoffhaltiges Pulver eingebracht wird. Zusammensetzungen aus Eisen, Kupfer und Kohlenstoff machen laut dem 2024 von ScienceDirect Topics veröffentlichten Nachschlagewerk *Ferrous Powder Metallurgy* ungefähr die Hälfte der Eisenpulvermetallurgie-Bauteile aus. Diese Zahl beschreibt eine bedeutende Zusammensetzungsgruppe, nicht jedoch eine Definition sämtlicher PM-Stähle. #### Warum die Dichte zur Werkstoffbeschreibung gehört Verbleibende Poren verringern den lasttragenden Querschnitt und können als Ausgangsstellen für Risse dienen. Form, Größe und Vernetzung der Poren beeinflussen außerdem die nachfolgende Verarbeitung und die mechanische Leistungsfähigkeit. ASTM B783-24 klassifiziert pulvermetallurgische Strukturwerkstoffe aus Eisen anhand der chemischen Zusammensetzung, der Dichte, der Streckgrenze im gesinterten Zustand und der Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung. Strong evidence ASTM B783-24 zeigt, warum eine Werkstoffbezeichnung oder eine allgemeine Verfahrensbezeichnung nicht ausreicht. Die Norm klassifiziert strukturelle Eisenwerkstoffe der Pulvermetallurgie anhand der chemischen Zusammensetzung, der Dichte, der Streckgrenze im gesinterten Zustand und der Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung. Die Dichte ist nicht lediglich eine Frage der Berichterstattung: Verbleibende Poren verringern den lasttragenden Querschnitt und können als Ausgangsstellen für Risse dienen, während Form, Größe und Vernetzung dieser Poren das Ergebnis nachfolgender Verarbeitungsschritte beeinflussen. Eine Spezifikation muss daher mehr angeben als die dem Eisen zugesetzten Elemente. Auch ISO 5755:2022 legt Anforderungen an gesinterte Metallwerkstoffe fest, darunter gesinterte Eisen-, Stahl-, legierte Stahl- und nichtrostende Stahlwerkstoffe für Konstruktionsteile. Ihr Geltungsbereich verdeutlicht die Breite dieser Kategorie. „PM-Stahl“ kann sich auf einen gesinterten Konstruktionswerkstoff mit kontrollierter Restporosität, ein pulvergeschmiedetes Bauteil mit deutlich höherer Dichte oder einen pulvermetallurgischen Werkzeugstahl beziehen, dessen wesentliches Unterscheidungsmerkmal in seinem Karbidanteil und seiner Reinheit liegt. Das Gefüge kann sich von dem eines Gegenstücks aus der Blockmetallurgie mit nominell ähnlicher chemischer Zusammensetzung unterscheiden. Pulvermetallurgische Werkzeugstähle können feine, abgerundete und gleichmäßigere Karbidstrukturen ausbilden. Außerdem können sie Karbidanteile oder Karbidzusammensetzungen ermöglichen, die durch die herkömmliche Blockmetallurgie nur schwer oder überhaupt nicht herstellbar sind. Die schnelle Erstarrung bei der Pulverherstellung begrenzt die Entmischung, die mit einem großen Gussblock verbunden ist. Die anschließende Konsolidierung und Wärmebehandlung bestimmen, wie viel dieses Vorteils im fertigen Produkt erhalten bleibt. Das Ergebnis ist nicht automatisch besser oder schlechter. Es beruht auf einer anderen metallurgischen Vorgeschichte. ![Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign, Porosität und Karbide](/images/uploads/4af4d880-7b39-4720-9603-79172debcc39/wiki-inline-a-labeled-process-schematic-comparing-press-and-sinter-powder-forging-hot-isosta-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/4af4d880-7b39-4720-9603-79172debcc39/wiki-inline-a-labeled-process-schematic-comparing-press-and-sinter-powder-forging-hot-isosta-1920x1094.avif "Bild vergrößern — Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign, Porosität und Karbide")Powder-based routes share feedstock concerns but differ in consolidation physics and thermal history. ### Pressen und Sintern, Pulverschmieden und verwandte Verfahren Pulverbasierte Stahlverfahren unterscheiden sich hinsichtlich Verdichtung, Wärmegeschichte, Densifizierung und Defektbildung. | Verfahrensweg | Primärer Konsolidierungsmechanismus | Typisches Unterscheidungsmerkmal | |---|---|---| | Pressen und Sintern | Formpressen, gefolgt von Ofensintern | Kontrollierte Restporosität und nahezu endkonturnahe Formgebung | | Pulverschmieden | Gesinterter Vorformling, gefolgt von Warmschmieden | Stärkere Porenreduktion und Schmiedeverformung | | Heißisostatisches Pressen | Erhöhte Temperatur und erhöhter Druck | Schließen innerer Poren | | Metallpulverspritzgießen | Formgebung, Entbindern und Sintern | Pulverfeines Ausgangsmaterial und komplexe Geometrien | | Additive Fertigung | Schichtweises Schmelzen oder Verschmelzen | Digitaler Werkzeugpfad und schichtweise Wärmegeschichte | Grünteil **Grünteil** Ein geformter, jedoch nicht gesinterter Pressling, dessen vorläufige Festigkeit hauptsächlich aus der Verzahnung der Partikel und dem Verdichtungsdruck resultiert. Das konventionelle Pressen und Sintern in der Pulvermetallurgie beginnt mit einem abgemessenen Pulvergemisch. Eine Matrize und Pressstempel verdichten dieses Gemisch zu einem „Grünteil“, dessen Form durch die Verzahnung der Partikel und den Pressdruck erhalten bleibt. Anschließend wird der Grünling unterhalb des Schmelzbereichs der Legierung erwärmt, sodass zwischen den Partikeln Diffusion und die Bildung von Sinterhälsen stattfinden. Das Sintern festigt das Partikelnetzwerk, verändert die Abmessungen und rundet Teile des Porensystems ab beziehungsweise lässt sie schrumpfen. Es beseitigt jedoch nicht zwangsläufig die gesamte Porosität. Die Druckverteilung in der Matrize, die Reibung an der Matrizenwand, der Pulverfluss und die Bauteilgeometrie können Dichtegradienten hervorrufen. Beim Sintern kann es zu einer Schrumpfung oder, abhängig von der Zusammensetzung und dem anfänglichen Packungszustand, zu einem Maßwachstum kommen. Diese Veränderungen müssen gemeinsam mit den Partikeleigenschaften des Pulvers und der vorgesehenen Wärmebehandlung berücksichtigt werden. Eine Aufkohlungsbehandlung wirkt beispielsweise auf einen Werkstoff, dessen Kohlenstoffzufuhr und Umwandlungsverhalten durch seine Poren, die Verteilung der Legierungselemente und sein Sintergefüge beeinflusst werden. Konstruktionsteile, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, werden häufig im gesinterten Zustand oder nach einem festgelegten nachfolgenden Bearbeitungsschritt spezifiziert. Durch Kalibrieren kann die Maßhaltigkeit verbessert werden; eine Nachverdichtung kann die Dichte in ausgewählten Bereichen erhöhen; durch Infiltration können miteinander verbundene Poren mit einem anderen Werkstoff gefüllt werden; und beim Sinterhärten können die Abkühlung im Ofen und Härtungsumwandlungen miteinander kombiniert werden. Keine dieser Maßnahmen macht jedes gepresste und gesinterte Bauteil zu vollständig umgeformtem Stahl. Der Herstellungsweg bleibt Teil seiner Identität. \[2\] \[2\] [**ISO 13947:2024**](https://www.iso.org/standard/85818.html). International Organization for Standardization. ISO standard, 2024. Beim Pulverschmieden kommt ein mechanischer Konsolidierungsschritt hinzu. Zunächst wird eine Vorform gepresst und gesintert, anschließend erwärmt und geschmiedet, um die Porosität zu verringern und eine Schmiedeform aufzubringen. Ihre Herstellungsgeschichte unterscheidet sich daher sowohl von der eines konventionell gesinterten Bauteils als auch von der eines aus einem Gussknüppel geschmiedeten Bauteils. Die Kontrolle von Einschlüssen ist bei diesem Verfahren von Bedeutung: ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung dieses Verfahrens auf pulvergeschmiedete Stahlbauteile. Die Norm macht deutlich, dass Einschlüsse bereits auf der Pulverstufe bewertet werden können, für das konsolidierte Bauteil jedoch weiterhin relevant sind. Das heißisostatische Pressen ist ein weiteres Verfahren zur Pulverkonsolidierung. Dabei werden innere Poren durch erhöhte Temperatur und erhöhten Druck geschlossen. Beim Metallpulverspritzgießen wird feines Metallpulver mit einem Bindemittelsystem vermischt; anschließend folgen das Formen, Entbindern und Sintern. Diese Verfahren sollten nicht mit der herkömmlichen Herstellung durch Pressen und Sintern gleichgesetzt werden. Ihre Pulver, das Verhalten des Grünteils, die Wärmezyklen, die Maßänderungen und die erzielbaren Geometrien unterscheiden sich. Auch die additive Fertigung beginnt bei vielen Systemen mit Metallpulver. Sie ist jedoch nicht allein deshalb konventionelle Pulvermetallurgie, weil Pulver verwendet wird. Ein Laser- oder Elektronenstrahl schmilzt oder verschmilzt auf Grundlage einer digitalen Werkzeugbahn selektiv aufeinanderfolgende Bereiche. Das Bauteil entwickelt dadurch eine schichtweise thermische Vorgeschichte, anstatt als vollständige Form in einer Matrize verdichtet zu werden. Das 2020 veröffentlichte, von NIST herausgegebene Kapitel des ASM Handbook über die additive Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen nennt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Bau als zentrale Faktoren bei additiv gefertigten Stahlbauteilen. Diese Aspekte überschneiden sich mit der Pulvermetallurgie, doch die Fehlermechanismen und thermischen Gradienten sind nicht dieselben wie bei einem gepressten Pressling, der einen Sinterofen durchläuft. ### Warum der Begriff keine bestimmte Güte bezeichnet Eine Stahlbezeichnung verweist normalerweise auf einen festgelegten Bereich der chemischen Zusammensetzung sowie auf eine Produkt- oder Anwendungsnorm. „Pulvermetallurgischer Stahl“ tut dies für sich genommen nicht. Der Begriff bezeichnet einen Verfahrensweg, der breit genug ist, um Konstruktionsstähle, nichtrostende Stähle, Werkzeugstähle, lagerbezogene Werkstoffe sowie für das Pulverschmieden oder die additive Fertigung entwickelte Legierungssysteme einzuschließen. \[3\] \[3\] [**ISO 4957:2018**](https://www.iso.org/standard/70646.html). International Organization for Standardization. ISO standard, 2018. Normen verdeutlichen diesen Unterschied. ASTM B783-24 behandelt strukturelle Werkstoffe der Eisenpulvermetallurgie anhand mehrerer miteinander verknüpfter Kriterien und nicht anhand einer einzigen allgemeinen Güte. ISO 5755:2022 erfasst gesinterte Eisen-, Stahl-, legierte Stahl- und nichtrostende Stahlwerkstoffe für Konstruktionsteile. ISO 4957:2018 gilt für Anforderungen an Werkzeugstähle, die sowohl auf pulvermetallurgisch hergestellte Produkte als auch auf warmgewalzte, geschmiedete, kaltgezogene und kaltgewalzte Produkte angewendet werden. Ein PM-Werkzeugstahl kann daher weiterhin durch eine anerkannte Werkzeugstahlbezeichnung identifiziert werden, während sein Herstellungsweg seine Karbidstruktur, sein Entmischungsmuster, seinen Porenzustand und die erforderlichen Prüfungen erklärt. Die aussagekräftige Beschreibung ist daher mehrschichtig: Pulverchemie, Partikelmorphologie und Korngrößenverteilung, Kompaktierverfahren, Gründichte, Sinterzyklus, Enddichte, Porenmorphologie, Einschlussverteilung, Maßänderung und thermische Verarbeitung. Wird eine dieser Ebenen verändert, kann sich der fertige Werkstoff ändern, selbst wenn die nominelle Legierungsbezeichnung gleich bleibt. Aus diesem Grund sollte PM-Stahl nicht als gewöhnlicher Stahl in Pulverform betrachtet werden. Er ist eine Werkstofffamilie, deren endgültiges Gefüge durch das Zusammenwirken von Zusammensetzung und Herstellungsgeschichte bestimmt wird. Eine Gütebezeichnung liefert nur einen Teil dieser Vorgeschichte. ## Das Normenwerk für pulvermetallurgische Eisenwerkstoffe Stähle der Pulvermetallurgie werden nicht allein durch die Pulverherstellung definiert. Ihre Klassifizierung hängt von der Chemie des Pulverpresslings, der während der Verarbeitung erreichten Dichte, der nach dem Sintern erhaltenen Porenstruktur und dem mechanischen Zustand ab, in dem das Bauteil geprüft wird. Eine Spezifikation kann daher eine Werkstofffamilie kennzeichnen, ohne jeden Vorgang zu beschreiben, der zur Herstellung eines fertigen Bauteils erforderlich ist. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil zwei Bauteile mit ähnlichen nominalen Gehalten an Eisen, Kohlenstoff, Kupfer, Nickel oder Molybdän unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können, wenn sich ihre Pulvergrößenverteilungen, Verdichtungsdrücke, Sinterzyklen, Abkühlgeschwindigkeiten oder Nachsinterbehandlungen unterscheiden. Randall Germans *A-Z of Powder Metallurgy* (2005) behandelt Pulverherstellung, Mischen, Verdichten, Sintern, Dichteerhöhung, Mikrostruktur und Porosität als miteinander verbundene Bestandteile eines einzigen Verarbeitungswegs. Normen unterteilen diese Themen in handhabbare Anforderungen, lassen die Zusammenhänge jedoch nicht verschwinden. ### Klassifizierungslogik nach ASTM B783-24 ASTM B783-24, 2024 von ASTM International veröffentlicht, klassifiziert strukturelle Werkstoffe der Eisenpulvermetallurgie anhand von vier Hauptmerkmalen: chemische Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im gesinterten Zustand und Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung. Ihr Geltungsbereich betrifft Bauteile, die durch Pressen und Sintern hergestellt werden. Es handelt sich um ein Klassifizierungssystem für strukturelle Eisenwerkstoffe der PM, nicht um ein universelles Bezeichnungssystem für jeden aus Pulver hergestellten Stahl. Die chemische Zusammensetzung legt die Legierungsfamilie und die zulässigen Gehalte von Elementen wie Kohlenstoff, Kupfer, Nickel und Molybdän fest. Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Zusammensetzungen machen laut dem Eintrag *Ferrous Powder Metallurgy* in ScienceDirect Topics (2024) etwa die Hälfte der Bauteile aus der Eisenpulvermetallurgie aus. Andere Systeme verwenden Nickel, Molybdän, Chrom, Mangan oder Kombinationen dieser Zusätze, um Härtbarkeit, Festigkeit, Maßverhalten oder Korrosionsverhalten zu verändern. Die in einer Werkstoffanforderung aufgeführte Zusammensetzung muss dennoch zusammen mit dem Zustand des Bauteils gelesen werden; der Elementgehalt allein legt weder die Porosität noch die mechanische Leistungsfähigkeit fest. Die Dichte ist eine eigenständige Klassifizierungsachse. Bei einem gepressten und gesinterten Bauteil beschreibt die Dichte, welcher Anteil des Presslings von festem Metall und welcher Anteil von miteinander verbundenen oder geschlossenen Poren eingenommen wird. Eine nominale Legierungszusammensetzung kann daher bei mehreren Dichten vorliegen, die jeweils eine unterschiedliche effektive lasttragende Fläche und ein unterschiedliches Verhalten bei der Bearbeitung, unter Ermüdungsbeanspruchung, bei Stoßbelastung oder bei der Wärmebehandlung aufweisen. ASTM B783-24 berücksichtigt diese Unterscheidung, anstatt die Dichte als zufälliges Ergebnis der Herstellung zu behandeln. Die mechanischen Kategorien unterscheiden außerdem zwei verschiedene Werkstoffzustände. Die Streckgrenze im gesinterten Zustand beschreibt das Bauteil nach dem Press- und Sinterverfahren, ohne dass eine spätere Härtungsbehandlung erforderlich ist, um den angegebenen Zustand herzustellen. Die Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung bezieht sich auf die Festigkeit, die nach der für die betreffende Klassifizierung festgelegten Wärmebehandlung erreicht wird. Diese Werte sind nicht austauschbar. Ein Stahl, der eine Kategorie für die Streckgrenze im gesinterten Zustand erfüllt, erfüllt damit nicht automatisch eine Kategorie für die Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung, und eine Zeichnung muss angeben, welcher Zustand für die Abnahme maßgeblich ist. Die Normen behandeln unterschiedliche Ebenen der Identifikation, Prüfung und Produktüberwachung. | Rahmenwerk | Primärer Gegenstand | Was dadurch allein nicht festgelegt wird | |---|---|---| | ASTM B783-24 | Pulvermetallurgische Strukturwerkstoffe aus Eisen | Vollständige Bauteilspezifikation | | ISO 5755:2022 | Gesinterte Strukturwerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und nichtrostendem Stahl | Eine universelle pulvermetallurgische Güteklasse | | ISO 4957:2018 | Anforderungen an Werkzeugstahl über verschiedene Produktverfahren hinweg | Identische Mikrostrukturen über verschiedene Verfahren hinweg | | ISO 13947:2024 | Nichtmetallische Einschlüsse in Pulvern und pulverschmiedeten Teilen | Legierungsgüte, Dichte oder Zugfestigkeitszustand | ASTM B783-24 stellt folglich einen Rahmen für den Vergleich von Werkstoffen anhand definierter Achsen bereit, ist jedoch keine vollständige Bauteilspezifikation. Sie macht es nicht überflüssig, Toleranzen, Geometrie, Oberflächenzustand, Prüfrichtung, Probenahme, Maßänderung, Anforderungen an Imprägnierung oder Infiltration sowie den genauen Wärmezyklus anzugeben, wenn diese Faktoren die Gebrauchseigenschaften beeinflussen. Ebenso beschreibt eine Klassifizierungsbezeichnung die Pulvermorphologie, die Wahl des Schmiermittels, das Verdichtungswerkzeug, die Sinteratmosphäre oder die Porenmorphologie nicht vollständig. ### ISO 5755:2022 und gesinterte Strukturwerkstoffe ISO 5755:2022 gilt auf einer verwandten, jedoch eigenständigen Ebene. Unter ISO ICS 77.160 legt sie Anforderungen an gesinterte Metallwerkstoffe fest, darunter gesinterte Eisen-, Stahl-, legierte Stahl- und nichtrostende Stahlwerkstoffe für Konstruktionen. Die Formulierung ist wichtig: Das Dokument behandelt gesinterte Strukturwerkstoffe als Klasse, anstatt die Pulvermetallurgie als eine konventionelle Stahlsorte darzustellen. „Gesintert“ bezeichnet ebenfalls einen Prozesszustand und nicht lediglich eine chemische Identität. Ein Pressling wird aus Pulver geformt, unterhalb seines Schmelzpunkts erwärmt und durch Bindung, Schrumpfung, Entwicklung der Poren und Veränderung der Mikrostruktur umgewandelt. Das Pulver kann elementar, vorlegiert oder eine Mischung sein, die Legierungszusätze und Verarbeitungshilfsmittel enthält. Nach dem Sintern kann das Bauteil einer Kalibrierung, einem Nachpressen, einer spanenden Bearbeitung, einer Dampfbehandlung, einer Infiltration, einer Aufkohlung, einem Abschrecken und Anlassen oder einem anderen Verfahren zur Dichteerhöhung oder Wärmebehandlung unterzogen werden. Ob ein bestimmter Vorgang in der Werkstoffanforderung enthalten ist, muss gesondert angegeben werden. ISO 5755:2022 ist daher für Anforderungen an gesinterte Eisen- und Stahlerzeugnisse nützlich, während eine Produktzeichnung oder Einkaufsspezifikation die erforderliche Werkstoffbezeichnung und den erforderlichen Zustand festlegen muss. Eine Anforderung kann einen chemischen Bereich, eine Dichte, eine Zugeigenschaft, eine Härte oder ein Prüfverfahren vorschreiben. Sie schreibt nicht zwangsläufig den vollständigen Weg vor, auf dem der Hersteller dieses Ergebnis erzielen muss. Umgekehrt kann eine Prozessspezifikation einen Pulvertyp, eine Verdichtungsfolge, eine Sinteratmosphäre, eine Abkühlgeschwindigkeit oder eine Wärmebehandlung verlangen, selbst wenn die Werkstoffnorm diese Einzelheiten nicht enthält. Diese Trennung ist besonders für nichtrostende PM-Werkstoffe wichtig. „Nichtrostender Stahl“ bezeichnet eine korrosionsbeständige Legierungsfamilie gemäß den geltenden chemischen Anforderungen; die Bezeichnung gibt jedoch nicht an, ob das Bauteil durch Pressen und Sintern, durch Metallpulverspritzgießen, durch heißisostatisches Pressen oder durch additive Fertigung hergestellt wurde. Diese Verfahren erzeugen unterschiedliche Porenstrukturen und können unterschiedliche Abnahmeprüfungen erfordern. ISO 5755:2022 darf nicht als Erklärung verstanden werden, dass alle pulverförmigen Ausgangsstoffe verwendenden nichtrostenden Bauteile dieselbe Mikrostruktur oder dieselbe Verarbeitungsgeschichte aufweisen. ### Wie sich Normen von Sortenbezeichnungen unterscheiden Eine Sortenbezeichnung benennt oder ordnet einen Werkstoff nach einem bestimmten System. Eine Norm kann dieses System definieren, Grenzwerte festlegen, Prüfverfahren bestimmen oder Klassifizierungskategorien bereitstellen; die beiden Konzepte bleiben jedoch unterschiedlich. „Sorte“ beantwortet allgemein, welcher Werkstoff bezeichnet wird. Eine Norm beantwortet, was für diese Bezeichnung kontrolliert, gemessen oder angegeben werden muss, damit sie gültig ist. ASTM B783-24 veranschaulicht den Unterschied durch die kombinierte Verwendung von chemischer Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im gesinterten Zustand und Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung. Eine auf dieser Struktur beruhende Bezeichnung enthält mehr Informationen als eine einfache chemische Bezeichnung, ersetzt jedoch weiterhin nicht die Bauteilzeichnung. Die Zeichnung kann die Dichte abhängig vom Ort, Maßtoleranzen nach dem Sintern, zulässige Verformung, oberflächenverbundene Porosität und die Richtung festlegen, in der Zugproben entnommen werden. ISO 4957:2018 gilt für Werkzeugstahlanforderungen an pulvermetallurgische Erzeugnisse ebenso wie an warmgewalzte, geschmiedete, kaltgezogene und kaltgewalzte Erzeugnisse. Strong evidence Dasselbe Prinzip gilt für Werkzeugstähle. ISO 4957:2018 gilt ausdrücklich für Anforderungen an Werkzeugstahlprodukte, die sowohl durch Pulvermetallurgie als auch durch Warmwalzen, Schmieden, Kaltziehen und Kaltwalzen hergestellt werden. Diese gemeinsame Norm macht die Produkte metallurgisch nicht identisch. Pulvermetallurgische Werkzeugstähle können feine, abgerundete und vergleichsweise gleichmäßige Karbidstrukturen sowie Karbidanteile oder -zusammensetzungen entwickeln, die durch die konventionelle Herstellung aus Schmelzen nur schwer oder überhaupt nicht erreichbar sind. Der Herstellungsweg bleibt Bestandteil der Identität des Werkstoffs, auch wenn eine gemeinsame Werkzeugstahlnorm die chemischen oder eigenschaftsbezogenen Anforderungen vorgibt. Einschlüsse bilden eine weitere Grenze zwischen Werkstoffbezeichnung und Prozesskontrolle. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung des Verfahrens auf pulvergeschmiedete Stahlbauteile. Die Prüfung auf Einschlüsse kann Verunreinigungen oder nichtmetallische Partikel aufdecken, die die Entstehung von Ermüdungsrissen beeinflussen; ein Ergebnis der Einschlussprüfung definiert jedoch für sich allein weder die Legierungssorte noch die Dichte oder den Wärmebehandlungszustand. \[4\] \[4\] [**Additive Manufacturing of Steels and Stainless Steels**](https://www.nist.gov/publications/additive-manufacturing-steels-and-stainless-steels). National Institute of Standards and Technology. ASM Handbook, 2020. Porosität muss mit derselben Sorgfalt behandelt werden. Das von NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook zur additiven Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen (2020) behandelt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Aufbau als wesentliche Faktoren bei additiv gefertigten Stahlbauteilen. Diese Aspekte überschneiden sich mit der konventionellen PM, doch die additive Fertigung darf nicht mit der PM durch Pressen und Sintern gleichgesetzt werden: Pulverausgangsstoff, Schichtbildung, thermische Vorgeschichte, Entstehung von Fehlstellen und Zustand der Eigenspannungen unterscheiden sich. Eine sachgerechte Werkstoffangabe kombiniert daher die anzuwendende Norm, die Sorte oder Klassifizierung, die Produktform, den Dichte- oder Eigenschaftszustand und die für die Abnahme relevanten Verarbeitungsanforderungen. Normen schaffen eine kontrollierte Fachsprache. Sie löschen die Pulvergeschichte des Stahls jedoch nicht aus. ## Pulverherstellung und Einsatzgutvariablen Pulver ist kein neutraler Ersatz für Stabmaterial, Halbzeug oder atomisierte Schmelze. Seine Partikelform, Größenverteilung, innere Struktur, Oberflächenbeschaffenheit und chemische Vorgeschichte bestimmen, wie das Einsatzgut eine Matrize füllt, auf die Verdichtung reagiert, sintert und Poren sowie Einschlüsse entwickelt. Randall Germans *A-Z of Powder Metallurgy* (2005) behandelt diese Merkmale als miteinander verknüpfte Prozessvariablen: Die Pulverherstellung beeinflusst die Verdichtung; die Verdichtung legt die Porenstruktur des Grünkörpers fest; das Sintern verändert diese Struktur und das umgebende Gefüge; eine spätere weitere Verdichtung und Wärmebehandlung können nicht jede frühere Entscheidung vollständig auslöschen. \[5\] \[5\] [**ASTM B783-24**](https://store.astm.org/b0783-24.html). ASTM International. ASTM standard, 2024. Diese Unterscheidung ist beim Vergleich eines PM-Stahls mit einer scheinbar ähnlichen Knetlegierung von Bedeutung. ASTM B783-24 klassifiziert Strukturwerkstoffe aus Eisenpulvermetallurgie nach chemischer Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im Sinterzustand und Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung. ISO 5755:2022 legt ebenfalls Anforderungen an gesinterte Strukturwerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und nichtrostendem Stahl fest. Keine der beiden Normen behandelt das Pulver als zufällige Lieferform. Das Einsatzgut ist Bestandteil der Werkstoffroute. ![Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign, Porosität und Karbide](/images/uploads/313b3c15-83f6-41a4-8d7f-ac2936bdb0a0/wiki-inline-a-macro-view-of-mixed-atomized-and-reduced-iron-alloy-powder-particles-showing-s-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/313b3c15-83f6-41a4-8d7f-ac2936bdb0a0/wiki-inline-a-macro-view-of-mixed-atomized-and-reduced-iron-alloy-powder-particles-showing-s-2027x2560.avif "Bild vergrößern — Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign, Porosität und Karbide")Particle shape and size distribution influence flow, packing, compaction, and sintering. ### Partikelmorphologie und Größenverteilung Die Partikelmorphologie beschreibt die äußere Form einzelner Partikel und in manchen Fällen deren innere Porosität. Gas- und wasserverdüste Pulver sind häufig unterschiedlich stark unregelmäßig, während die Gasverdüsung stärker abgerundete Partikel erzeugen kann. Reduzierte Pulver behalten häufig kantige, schwammartige oder poröse Formen bei, die die Reduktion eines Oxids oder eines anderen Ausgangsstoffs widerspiegeln. Diese Beschreibungen sind nicht austauschbar. Ein rundes Partikel kann gut fließen, während es während der frühen Verdichtung weniger mechanische Kontakte herstellt; ein unregelmäßiges Partikel kann sich verhaken und einer Bewegung widerstehen, während es ein anderes Porennetzwerk im Grünkörper erzeugt. #### Pulvereigenschaften, die unterschieden werden müssen - **Partikelgrößenverteilung** Erfasst den Bereich und den Anteil der Partikelgrößen. - **Schüttdichte** Beschreibt die Masse, die ein festgelegtes Volumen losen Pulvers einnimmt. - **Fließverhalten** Beschreibt die Zeit oder die Bedingungen, die erforderlich sind, damit Pulver eine Prüfvorrichtung durchläuft. - **Kompressibilität** Setzt den angewandten Verdichtungsdruck in Beziehung zur Grünteildichte. Germans Terminologie unterscheidet mehrere Messgrößen, die häufig unter der vagen Bezeichnung „Pulverqualität“ zusammengefasst werden. Die Partikelgrößenverteilung erfasst den Bereich und den Anteil der verschiedenen Partikelgrößen, während die Schüttdichte die Masse beschreibt, die ein festgelegtes loses Pulvervolumen einnimmt. Das Fließverhalten beschreibt die Zeit oder die Bedingungen, die erforderlich sind, damit eine festgelegte Menge eine Prüfvorrichtung durchläuft. Die Kompressibilität betrifft den Zusammenhang zwischen dem aufgebrachten Verdichtungsdruck und der Gründichte. Diese Eigenschaften beeinflussen sich gegenseitig, können aber nicht füreinander stehen. Partikelgrößenverteilung **Partikelgrößenverteilung** Der Bereich und die relative Verteilung der Partikelgrößen in einer Pulvercharge. Eine breite Verteilung kann es kleineren Partikeln ermöglichen, die Zwischenräume zwischen größeren Partikeln auszufüllen, wodurch sich die Schüttdichte und die Packungsstruktur vor dem Pressen verändern. Dieselben Feinkornanteile können die Kontaktfläche, die Reibung, die Staubbildung oder die Neigung zur Agglomeration erhöhen. Übergroße Partikel können die Matrizenfüllung behindern oder örtliche Dichteunterschiede hinterlassen. Während des Pressens beeinflusst die Reibung an den Grenzflächen zwischen Partikeln sowie zwischen Partikeln und Werkzeugen, wie sich der Druck durch die Pulversäule ausbreitet. Dieser Druck ist nicht vollkommen gleichmäßig, sodass ein Bauteil die Matrize mit Dichtegradienten verlassen kann, selbst wenn die nominelle Zusammensetzung konstant ist. Die Morphologie beeinflusst auch das Ausstoßen. Stark unregelmäßige Partikel können die mechanische Verzahnung und die Wandreibung erhöhen; runde Partikel können einen Teil des Widerstands verringern, möglicherweise aber einen weniger kohärenten Pressling erzeugen, sofern die Formulierung und der Druckverlauf dieses Verhalten nicht berücksichtigen. Schmierstoffe verändern die Reibung an der Matrizenwand und das Ausstoßen, beseitigen jedoch nicht den Einfluss der Partikelform oder der Oberflächenrauheit. Ebenso beschreibt eine angegebene mittlere Partikelgröße nicht die vollständige Verteilung, die die Füllung und die lokale Packung bestimmt. Die Folgen setzen sich während des Sinterns fort. Die Kontaktfläche zwischen den Partikeln, die Distanz über die Porenkanäle hinweg und die Vernetzung der offenen Porosität beeinflussen die Schwindung, den Gastransport, die Diffusion und die Bildung von Sinterhälsen. Die Porenmorphologie ist daher ein Protokoll sowohl des Einsatzguts als auch der Prozessgeschichte. Ein endgültiger Dichtewert kann langgestreckte, isolierte, miteinander verbundene oder zur Oberfläche hin verbundene Poren verbergen, die sich unterschiedlich auf die Wärmebehandlung und das mechanische Verhalten auswirken. ### Verdüste, reduzierte und gemischte Pulver Die Verdüsung beginnt mit einer flüssigen Legierung und zerlegt den Schmelzestrom mithilfe von Gas, Wasser oder einem anderen Fluid in Tropfen. Je nach Legierung und Verdüsungsbedingungen kann die Erstarrung Partikel mit innerer Entmischung, Satelliten, eingeschlossenem Gas oder Oberflächenfilmen erzeugen. Gasverdüste Partikel sind gewöhnlich kugelförmiger als wasserverdüste Partikel, doch die Morphologie allein belegt weder die Reinheit noch die Kompressibilität oder die Eignung für eine bestimmte Stahlroute. Das Pulver muss als Einsatzgut charakterisiert werden und darf nicht nur anhand der Bezeichnung seines Herstellungsverfahrens identifiziert werden. Reduzierte Pulver werden durch die chemische Entfernung von Sauerstoff aus einem Oxid oder einem verwandten Ausgangsstoff hergestellt. Die Reduktion kann ein poröses Partikel mit großer reaktiver Oberfläche und einer vom Ausgangsmaterial übernommenen Form erzeugen. Ein solches Pulver kann sich bei der Verdichtung anders verhalten als ein verdüstes Pulver mit nominell ähnlicher Chemie. Restsauerstoff, nicht reduziertes Material und Veränderungen der Oberflächenbeschaffenheit bleiben relevant, weil sie die Sinterreaktionen und die beim Erwärmen freigesetzten Gase beeinflussen. Gemischte Pulver kombinieren ein Basis-Eisen- oder Legierungspulver mit Elementarpulvern, Vorlegierungspulvern, Graphit, Kupfer, Nickel, Molybdän, Schmierstoffen oder anderen kontrollierten Zusätzen. In einem gemischten System liegen die Legierungselemente zunächst als separate Partikel oder lokal begrenzte Zusätze vor. Ihre Verteilung während der Matrizenfüllung, der Verdichtung und des Sinterns hängt von Partikelgröße, Dichte, Morphologie, Diffusion und dem Wärmezyklus ab. „Gemischt“ bedeutet nicht, dass die Pulverpartikel überall die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Vorlegierte Pulver unterscheiden sich dadurch, dass die Legierungselemente bereits während der Schmelzenerzeugung in jedes Partikel eingebaut werden. Dadurch besitzt jedes Partikel eine gleichmäßigere nominelle Chemie; zugleich können sich Härte, Kompressibilität, Sinterverhalten und das Verhältnis zwischen Grünfestigkeit und erreichbarer Dichte verändern. Elementar- oder Vorlegierungszusätze können ein anderes Prozessverhalten ermöglichen und eine Legierung durch Diffusion während des Sinterns erlauben. Die Unterscheidung ist metallurgischer Natur und nicht lediglich eine kommerzielle Begriffsfrage. Zusammensetzungen aus Eisen, Kupfer und Kohlenstoff machen laut dem von ScienceDirect Topics (2024) bereitgestellten Nachschlagewerk *Ferrous Powder Metallurgy* etwa die Hälfte der eisenhaltigen PM-Bauteile aus. Diese Verbreitung bedeutet nicht, dass jedes Einsatzgut aus Eisen, Kupfer und Kohlenstoff gleichwertig ist: Kupfer kann als separates Pulver, als vorlegierter Bestandteil oder als ein anderer kontrollierter Zusatz vorliegen, und jede Route beeinflusst das Mischen, die Entmischung, die Maßänderung und die lokale Chemie. Dieselbe Vorsicht gilt für Zusätze von Nickel und Molybdän. Bei Werkzeugstählen hat die Pulvergeschichte noch größere strukturelle Konsequenzen. Eine schnelle Erstarrung und die anschließende Konsolidierung können feine, abgerundete und gleichmäßiger verteilte Karbide erzeugen. Die Referenz *Steel Powder Metallurgy* von ScienceDirect (2024) weist darauf hin, dass Karbidmengen oder -zusammensetzungen, die durch die konventionelle Blockmetallurgie nur schwer oder gar nicht erreichbar sind, in PM-Werkzeugstählen hergestellt werden können. ISO 4957:2018 wendet die Anforderungen an Werkzeugstähle ausdrücklich sowohl auf Erzeugnisse aus der Pulvermetallurgie als auch auf warmgewalzte, geschmiedete, kaltgezogene und kaltgewalzte Erzeugnisse an. Die gemeinsame Bezeichnung bedeutet nicht, dass eine identische Karbidpopulation oder Prozessgeschichte vorliegt. ### Oberflächenoxide, Reinheit und Handhabung #### Vorsicht bei der Verarbeitung Eine chemische Gesamtanalyse darf nicht als vollständige Beschreibung der Pulverreinheit behandelt werden. Oberflächenoxide, Feuchtigkeit, Kohlenwasserstoffe und Fremdpartikel können die Bindung, die Entfernung von Schmierstoffen und die Sinterreaktionen beeinträchtigen. Jedes Pulverpartikel bietet Sauerstoff, Feuchtigkeit, Kohlenwasserstoffen, Handhabungsgeräten und der umgebenden Atmosphäre eine Oberfläche. Oberflächenoxide können dünn und geschlossen oder diskontinuierlich sein oder mit Verunreinigungen und Einschlüssen verbunden auftreten. Ihre Menge und Chemie beeinflussen die Partikelbindung während des Sinterns, Reduktionsreaktionen, die Entfernung von Schmierstoffen und die Gase, die aus dem Pressling entweichen müssen. Die im Volumen bestimmte Pulverchemie kann daher die Oberflächenbeschaffenheit allein nicht beschreiben. Reinheit umfasst mehr als einen niedrigen Sauerstoffgehalt. Nichtmetallische Einschlüsse, feuerfeste Fragmente, Fremdpartikel, anhaftende Satelliten und Agglomerate können als lokale Defekte wirken oder Partikelkontakte unterbrechen. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung des Verfahrens auf pulvergeschmiedete Stahlteile. Die Existenz dieser Norm erinnert daran, dass Einschlüsse bereits beim Einsatzgut ein Thema sind, bevor sie zu einem Merkmal des konsolidierten Stahls werden. Lagerung und Transport können das Pulver verändern. Vibrationen können Partikel nach Größe oder Dichte entmischen; feuchte Luft kann die Oxidation oder Agglomeration verstärken; wiederholtes Fördern kann den Feinkornanteil verändern und Rückstände von Anlagen eintragen. Behälter, Siebe, Mischwerkzeuge und Schmierstoffe müssen daher als mögliche Kontaminationsquellen behandelt werden. Die Handhabungsgeschichte gehört in die Werkstoffdokumentation. Press- und Sinterverfahren der PM sollten außerdem klar von der additiven Fertigung unterschieden werden. Das vom NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook über die additive Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen (2020) behandelt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Bauprozess; eine durch Pulverbettfusion erzeugte Schicht ist jedoch kein gepresster Grünkörper. Die Pulvervariablen überschneiden sich, die Physik der Konsolidierung jedoch nicht. Bei der konventionellen PM verbindet sich der Zustand des Einsatzguts mit der Matrizenfüllung, der Verdichtung, dem Sintern und jeder späteren weiteren Verdichtung, um die endgültige Poren- und Einschlussstruktur zu bestimmen. Die Chemie bildet den Ausgangspunkt der Spezifikation. Sie ist nicht deren Abschluss. ## Legierungsentwicklung in der Eisenpulvermetallurgie Die Legierungsentwicklung in der Eisenpulvermetallurgie beginnt mit einer Einschränkung, die für gewöhnlichen Knetstahl nicht in gleicher Weise gilt: Die Zusammensetzung muss während der Pulverherstellung, des Mischens, des Verdichtens, des Sinterns sowie jeder späteren Nachverdichtung oder Wärmebehandlung funktionsfähig sein. Die nominelle chemische Zusammensetzung ist nur ein Teil des Werkstoffs. Partikelform, Partikelgrößenverteilung, Oberflächenoxide, Schmierstoffgehalt, Porenmorphologie und die Position jedes Legierungselements beeinflussen das Endgefüge. Aus diesem Grund sollte PM-Stahl nicht als konventionelle Güte betrachtet werden, die lediglich aus Pulver hergestellt wurde. ASTM B783-24 klassifiziert strukturelle Eisen-PM-Werkstoffe nach chemischer Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im Sinterzustand und Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung. ISO 5755:2022 legt ebenfalls Anforderungen an gesinterte Strukturwerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und nichtrostendem Stahl fest. Diese Normen spiegeln ein Werkstoffsystem wider, in dem die Verarbeitungshistorie unmittelbar mit Zusammensetzung und Eigenschaften verknüpft ist. ### Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Systeme Eisen-Kupfer-Kohlenstoff ist die bekannteste Legierungsfamilie für strukturelle Eisen-PM-Werkstoffe. Eine Referenz von *ScienceDirect Topics* aus dem Jahr 2024 gibt an, dass Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Zusammensetzungen ungefähr die Hälfte der Eisen-PM-Bauteile ausmachen. Diese Zahl ist eine breit gefasste Schätzung aus einer technischen Referenz und keine allgemeingültige Regel für jedes Land, jede Produktklasse oder jeden Berichtszeitraum. Sie verdeutlicht jedoch die Bedeutung dieses Legierungswegs. Kupfer wird üblicherweise als zugemischtes Elementarpulver oder bei bestimmten Formulierungen über ein vorlegiertes Eisenpulver eingebracht. Während des Sinterns schmilzt Kupfer bei einer Temperatur unterhalb des üblichen Sinterbereichs für eisenbasierte Bauteile und bildet eine vorübergehende Flüssigphase. Die Flüssigkeit kann sich entlang der Partikelkontakte ausbreiten und eine Umlagerung fördern, während Kupfer durch Diffusion auch in die Eisenmatrix gelangt. Das Ergebnis ist häufig ein Maßwachstum statt einer einfachen Schrumpfung. Richtung und Ausmaß der Maßänderung hängen jedoch vom Kupfergehalt, vom Zustand des Pulvers, vom Verdichtungsdruck, von der Grünlingsdichte, von der Geometrie, von der Sintertemperatur und von der Ofenatmosphäre ab. Diese Maßänderung ist keine unbedeutende Korrektur. Ein Konstrukteur muss den Beitrag des Kupfers zu Festigkeit und Härtbarkeit gegen seine Auswirkungen auf Toleranzen und Dichtegradienten abwägen. Kupferpulver kann im Vergleich zu einer sauberen, gut kompressiblen Eisenbasis außerdem die Verdichtbarkeit verringern, insbesondere wenn das Gemisch erhebliche Mengen harter oder unregelmäßig geformter Partikel enthält. Schmierstoffe verbessern das Ausstoßen und verringern die Reibung an der Werkzeugwand, nehmen jedoch Volumen ein und hinterlassen beim Aufheizen kohlenstoffhaltige oder gasförmige Produkte. Ihre Auswahl beeinflusst daher sowohl die Grünfestigkeit als auch die frühen Sinterreaktionen. Kohlenstoff wird üblicherweise über Graphit zugeführt, seine Rolle geht jedoch über einen endgültigen Prozentanteil in einer chemischen Analyse hinaus. Die Graphitverteilung steuert das lokale Kohlenstoffpotenzial während des Sinterns und den Kohlenstoffgehalt der Eisenmatrix nach der Diffusion. Eine unzureichende Durchmischung kann kohlenstoffreiche und kohlenstoffarme Bereiche hinterlassen, wodurch während des Abkühlens oder der Wärmebehandlung ein unterschiedliches Umwandlungsverhalten entsteht. Kohlenstoff verändert außerdem das Verhalten gegenüber Kupfer: Gemeinsam können diese Zusätze je nach Abkühlgeschwindigkeit, Dichte und lokaler Legierungskonzentration ferritische, perlitische, bainitische oder martensitische Bereiche hervorbringen. Die Poren bleiben Bestandteil des Gefüges. Selbst wenn Kupfer und Kohlenstoff eine geeignete Matrix erzeugen, verringern miteinander verbundene oder kantige Poren die wirksame lasttragende Fläche und wirken als Spannungskonzentratoren. Ihre Größe, Form und Vernetzung werden ebenso stark durch Verdichtung und Sintern wie durch die Legierungsauswahl bestimmt. Eine zusätzliche Nachverdichtung, einschließlich Nachpressen, Kalibrieren oder – sofern vorgesehen – Pulverschmieden, kann diese Merkmale verändern und das Verhalten bei einer anschließenden Wärmebehandlung beeinflussen. ### Zusätze von Nickel und Molybdän Nickel wird eingesetzt, wenn eine höhere Härtbarkeit, Zähigkeit oder Matrixverfestigung erforderlich ist, als sie ein einfaches Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Gemisch bieten kann. In konventionellen zugemischten PM-Formulierungen diffundieren Nickelpartikel während des Sinterns in das Eisen, doch die Diffusion kann unvollständig bleiben. Dadurch können neben relativ nickelarmen Bereichen nickelreiche Zonen entstehen. Diese chemische Aufteilung ist ein maßgebliches Verarbeitungsproblem: Nach dem Abkühlen oder Abschrecken kann das Gefüge innerhalb eines einzigen Presslings unterschiedliche Umwandlungsprodukte enthalten. Nickel schmilzt beim üblichen Sintern auf Eisenbasis nicht in der Weise wie Kupfer und bewirkt daher nicht dieselbe Umlagerung in einer Flüssigphase. Seine Position im Gemisch, die Partikelgröße, der Oxidzustand und der Sinterzyklus sind deshalb von großer Bedeutung. Eine unvollständige Homogenisierung kann je nach beabsichtigtem Gefüge nützlich oder schädlich sein; sie macht jedoch den Zusammenhang zwischen nomineller chemischer Zusammensetzung und lokaler Härte weniger direkt. Eine Wärmebehandlung kann die Festigkeit eines nickelhaltigen Bauteils erhöhen, doch das Ergebnis hängt von der Porenmorphologie sowie von der Verteilung von Nickel, Kohlenstoff und anderen Zusätzen ab. Molybdän wird im Verhältnis zur Eisenmatrix in kleinen Mengen zugesetzt und vor allem zur Erhöhung der Härtbarkeit sowie zur Beeinflussung des Umwandlungsverhaltens eingesetzt. Es kann außerdem Legierungsentwicklungen unterstützen, die nach dem Abkühlen aus der Sintertemperatur oder nach einer separaten Wärmebehandlung martensitische oder bainitische Gefüge bilden sollen. Molybdänhaltige Pulver können durch Zumischen, Diffusionslegieren oder Vorlegieren hergestellt werden. Diese Verfahren erzeugen keine gleichwertigen Presslinge. Bei einem vorlegierten, zerstäubten Pulver befindet sich Molybdän in jedem Partikel, während ein zugemischtes Pulver auf die Festkörperdiffusion zwischen den Partikeln angewiesen ist und lokale Unterschiede in der Zusammensetzung beibehalten kann. Molybdän beeinflusst auch die Kompressibilität. Wenn Legierungselemente bereits vor der Verdichtung im Eisenpulver gelöst sind, kann das Pulver härter und weniger kompressibel als eine Elementareisenbasis werden. Ein höherer Legierungsgehalt kann es daher erschweren, bei einem bestimmten Verdichtungsdruck eine hohe Gründichte zu erreichen. Der Kompromiss besteht darin, dass das Vorlegieren die chemische Gleichmäßigkeit verbessern und die ausgeprägte lokale Anreicherung verringern kann, die mit groben zugemischten Zusätzen verbunden ist. Die Legierungsstrategie muss auch die Sinteratmosphäre berücksichtigen. Oxide auf den Oberflächen von Eisen, Nickel, Molybdän oder anderen Pulvern können die Bindung zwischen den Partikeln verzögern, während kohlenstoffhaltige Atmosphären die Oberflächenreaktionen und den Kohlenstoffübergang verändern können. Der Ofenzyklus bestimmt, ob die Diffusion eine hinreichend gleichmäßige Matrix erzeugt oder chemisch unterschiedliche Zonen zurücklässt. Der Porenschluss ist in einem konventionellen Press-und-Sinter-Pressling begrenzt. Daher zeigt eine Legierung, die sich in einem dichten Knetstab günstig verhält, in einem porösen PM-Bauteil möglicherweise nicht dasselbe Umwandlungsverhalten. ### Vorlegierte und zugemischte Zusammensetzungen Bei einer zugemischten Zusammensetzung werden Elementar- oder Vorlegierungspulver vor der Verdichtung mit Eisenpulver vermischt. Dieses Verfahren ermöglicht eine flexible Anpassung der Gehalte an Kupfer, Nickel, Molybdän, Graphit und andere Zusätze und kann die hohe Kompressibilität einer relativ weichen Eisenbasis erhalten. Seine Einschränkung liegt in der räumlichen Verteilung: Die gemischten Partikel sind chemisch nicht identisch, und das Sintern muss die erforderliche Diffusion ermöglichen, damit sich die angestrebte Zusammensetzung annähert. Eine Entmischung der Partikel während der Handhabung kann eine weitere Variationsquelle darstellen, insbesondere wenn sich die Bestandspulver stark in Dichte oder Größe unterscheiden. Die Legierungsstrategie verändert die Kompressibilität des Pulvers, die lokale chemische Zusammensetzung und das Sinterverhalten. | Pulverstrategie | Ort der Legierungselemente vor dem Sintern | Wichtigste verfahrenstechnische Auswirkung | |---|---|---| | Gemischtlegiert | Getrennte elementare Partikel oder Partikel aus Vorlegierungen | Flexible Chemie, jedoch stärkere Abhängigkeit von Mischen und Diffusion | | Vorlegiert | Legierungselemente in jedem einzelnen Partikel eingelagert | Höhere chemische Gleichmäßigkeit von Partikel zu Partikel, jedoch häufig geringere Kompressibilität | | Diffusionslegiert | An Eisenpartikel angelagerte oder teilweise in diese eindiffundierte Elemente | Ausgewogenes Verhältnis zwischen Kompressibilität und Kontrolle der Entmischung | Vorlegiertes Pulver enthält die wesentlichen Legierungselemente bereits vor der Verdichtung in den Eisenpartikeln. Zur Herstellung solcher Pulver werden üblicherweise Gas- oder Wasserzerstäubungsverfahren eingesetzt; dadurch ist die Partikelchemie von Partikel zu Partikel gleichmäßiger. Dies kann die Gleichmäßigkeit der Härtbarkeit verbessern und große legierungsreiche Inseln verringern. Der Preis dafür ist häufig eine geringere Kompressibilität, da die legierten Partikel härter sind, sowie ein höherer Bedarf an der Kontrolle von Pulverform, Oxidfilmen und Verdichtungsdruck. Eine hohe Gründichte kann daher ein sorgfältig ausgewähltes Schmiermittel und eine geeignete Werkzeugauslegung erfordern, anstatt einfach den Druck zu erhöhen. Diffusionslegierte Pulver nehmen eine mittlere Stellung ein. Legierungselemente sind an Eisenpulverpartikel gebunden oder teilweise in diese eindiffundiert. Dadurch bleibt mehr von der Kompressibilität des Basispulvers erhalten als beim vollständigen Vorlegieren, während die Entmischung gegenüber einer losen Elementarmischung verringert wird. Ihr Sinterverhalten hängt jedoch weiterhin vom Kontakt zwischen den Legierungspartikeln und dem Eisensubstrat ab. Diese Entscheidungen bestimmen das Endgefüge. Ein konventioneller Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Pressling kann eine Matrix mit Ferrit und Perlit sowie kupferreichen Bereichen entwickeln, während nickel- oder molybdänhaltige Legierungen nach kontrolliertem Abkühlen oder einer Wärmebehandlung Gefüge mit höherer Härtbarkeit erzeugen können. PM-Werkzeugstähle führen dieses Prinzip weiter: Durch die Pulververarbeitung sind feine, abgerundete, nahezu isotrope Karbidstrukturen und Karbidgehalte möglich, die durch die konventionelle Blockmetallurgie nur schwer oder überhaupt nicht erreichbar wären. ISO 4957:2018 gilt für Anforderungen an Werkzeugstähle sowohl für Erzeugnisse aus der Pulvermetallurgie als auch für warmgewalzte, geschmiedete, kaltgezogene und kaltgewalzte Erzeugnisse. Die Kontrolle von Einschlüssen gehört in dieselbe Konstruktionsbetrachtung. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung auf pulverschmiedete Stahlbauteile. Das von NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook aus dem Jahr 2020 über die additive Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen nennt ebenfalls Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Aufbau als wichtige Einflussgrößen. Die additive Fertigung darf jedoch nicht mit der konventionellen Press-und-Sinter-PM gleichgesetzt werden. In beiden Fällen verändert das Verarbeitungsverfahren die Bedeutung der nominellen chemischen Zusammensetzung der Legierung. ## Verdichtung: Vom Pulver zum Grünling Die Verdichtung ist die Phase, in der aus einer abgemessenen Pulvermischung ein geformtes, jedoch noch zerbrechliches Bauteil entsteht. Der Pressvorgang erzeugt noch nicht das endgültige Stahlgefüge. Er ordnet die Partikel neu an, verringert einen Teil des ursprünglichen Porenvolumens und verleiht dem Pressling genügend vorübergehende Festigkeit für die Handhabung vor dem Sintern. Dieser vorübergehend feste Körper ist der **Grünling**. Sein Verhalten hängt von mehr als der nominellen Legierungschemie ab. Partikelgrößenverteilung, Partikelform, Oberflächenoxide, Schüttdichte, Fließfähigkeit, Schmierstoffgehalt und die Konstruktion des Presswerkzeugs beeinflussen sowohl, wie das Pulver in die Matrizenhohlung gelangt, als auch, wie der Pressling auf den Druck reagiert. Randall Germans *A-Z of Powder Metallurgy* (2005) behandelt aus diesem Grund die Verdichtung gemeinsam mit Pulverherstellung, Sintern, Verdichtung, Gefüge und Porosität: Die Vorgeschichte des Pressens bleibt in den späteren Prozessschritten erkennbar. ### Uniaxiale Matrizenverdichtung Beim konventionellen uniaxialen Pressen wird Pulver in eine Matrizenhohlung eingefüllt und auf eine kontrollierte Füllhöhe nivelliert oder dosiert. Ein Unterstempel stützt die Füllung; anschließend bewegen sich ein oder mehrere Stempel entlang der Matrizenachse und üben Druck aus. Die Partikel gleiten und drehen sich zunächst und füllen größere Hohlräume. Mit zunehmendem Druck verformen sich Rauheitsspitzen, spröde Partikel brechen, sofern dies zutrifft, und die Kontaktflächen vergrößern sich. Der Pressling gewinnt durch mechanische Verzahnung und lokale Bindung an Festigkeit, ist jedoch noch nicht metallurgisch gebunden wie ein gesintertes Bauteil. Die Pulvermischung kann Legierungspulver, Graphit und einen Schmierstoff enthalten. Bei Eisenpulvermetallurgie werden häufig Zusätze von Kupfer, Nickel und Molybdän verwendet, während Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Zusammensetzungen laut dem *ScienceDirect Topics*-Beitrag zur Eisenpulvermetallurgie (2024) etwa die Hälfte der Bauteile der Eisenpulvermetallurgie ausmachen. Ein Schmierstoff wie Zinkstearat oder ein intern zugesetzter organischer Schmierstoff verringert die Reibung zwischen Pulver und Werkzeug und reduziert die zum Ausstoßen des Presslings erforderliche Kraft. Außerdem trägt er dazu bei, Anhaftungen von Pulver an den Stempelflächen und Matrizenwänden zu verhindern. Ein übermäßiger Schmierstoffanteil nimmt jedoch Volumen ein, das nicht zu Stahl werden kann, und kann beim Aufheizen Gase erzeugen. Daher beeinflussen sowohl seine Menge als auch der Zeitplan für seine Entfernung die Grünlingsdichte und das Sintern. Bindemittel sind davon getrennt zu betrachten. Einige Mischungen benötigen ein Bindemittel, um die Granulatfestigkeit, das Fließverhalten oder die Handhabung zu verbessern, insbesondere wenn das Pulver eine geringe Kohäsion aufweist oder wenn ein geformter Ausgangsstoff nach einem anderen Verfahren hergestellt wird. Bei der gewöhnlichen Herstellung von Stahl nach dem Press- und Sinterverfahren sind Schmierstoff und Bindemittel keine austauschbaren Begriffe. Jeder organische Zusatz muss in einer kontrollierten Entbinderungs- oder frühen Aufheizphase entfernt werden; andernfalls können Restkohlenstoff, Gasentwicklung oder porenbildende Reaktionen das Bauteil verändern. Beim Pressen können ein einzelner beweglicher Stempel, gegenläufige Stempel oder mehrere Stempel auf unterschiedlichen Höhen eingesetzt werden. Die Auswahl wird durch die Bauteilhöhe, Änderungen des Querschnitts und die erforderliche Materialverteilung bestimmt. Ein Matrizensatz für einen vergleichsweise einfachen Ring unterscheidet sich von einem für eine abgestufte Nabe mit mehreren Funktionsflächen. Das Werkzeug bildet nicht lediglich eine Zeichnung nach. Es bestimmt die Richtung, in der das Pulver verdrängt wird, sowie die während des Ausstoßens auftretenden Spannungen. ![Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign, Porosität und Karbide](/images/uploads/dc83cd40-7af6-4d8f-b76e-065534acc35b/wiki-inline-a-labeled-cross-section-of-a-uniaxially-compacted-green-steel-part-showing-punch-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/dc83cd40-7af6-4d8f-b76e-065534acc35b/wiki-inline-a-labeled-cross-section-of-a-uniaxially-compacted-green-steel-part-showing-punch-1920x1288.avif "Bild vergrößern — Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign, Porosität und Karbide")Uniaxial pressing can create local density differences that affect sintering and final properties. ### Grünlingsdichte und Dichtegradienten Die Grünlingsdichte ist die Masse des Presslings geteilt durch sein äußeres Volumen vor dem Sintern. Sie ist ein Prozessergebnis und keine feste Materialkonstante. Ein angegebener Mittelwert kann erhebliche lokale Unterschiede verdecken. In der Nähe eines bewegten Stempels werden die Partikel unmittelbar belastet; weiter entfernt wird die Kraft durch eine körnige Masse übertragen, die durch Reibung an der Matrizenwand Druck verliert. Das Ergebnis ist ein Dichtegradient in Pressrichtung. Die Reibung an der Matrizenwand ist für diesen Effekt entscheidend. Wenn sich der Oberstempel absenkt, behindert die Reibung die Abwärtsbewegung der Partikel entlang der Wand. Der Bereich nahe dem belasteten Stempel kann stärker verdichtet werden als ein entfernter Bereich, während eine Anordnung mit gegenläufigen Stempeln den Unterschied durch die Belastung von beiden Seiten verringern kann. Schmierung verändert den Reibungskoeffizienten, beseitigt das Problem jedoch nicht. Höhere Presslinge, enge Hohlräume und abrupte Änderungen der Querschnittsdicke erschweren im Allgemeinen eine gleichmäßige Verdichtung. Auch um Bohrungen, Ecken, Rippen und Übergänge herum variiert die Dichte. Das Pulver muss in diese Bereiche fließen, anstatt lediglich an Ort und Stelle komprimiert zu werden. Ein dünner Flansch, der mit einem dicken Ansatz verbunden ist, kann eine andere lokale Dichte erreichen, selbst wenn beide derselben nominalen Presskraft ausgesetzt sind. Die Zonen mit niedriger Dichte schwinden später anders als Zonen mit hoher Dichte, weil die Sintergeschwindigkeit von der Porenstruktur, den Partikelkontakten und der lokalen Zusammensetzung abhängt. Maßänderungen, Verzug und Restporosität beginnen daher bereits mit dem Füll- und Pressmuster. Aus diesem Grund legen Normen mehr als nur die chemische Zusammensetzung fest. ASTM B783-24 klassifiziert Bauteilwerkstoffe der Eisenpulvermetallurgie anhand der chemischen Zusammensetzung, der Dichte, der Streckgrenze im gesinterten Zustand und der Zugfestigkeit im wärmebehandelten Zustand. ISO 5755:2022 legt Anforderungen an gesinterte Bauteilwerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und nichtrostendem Stahl fest. Keine der beiden Normen macht eine Pulvermischung unabhängig von ihrer Dichte und Prozessgeschichte zu einer Werkstoffsorte. Die Poren in einem Grünling sind verbundene, unregelmäßige Zwischenräume zwischen den Partikeln. Ihre spätere Form und Vernetzung beeinflussen die Schmierstoffentfernung, das Sintern, die Infiltration und jede anschließende Verdichtung. Die Verdichtung kann das Porenvolumen verringern, aber kein gleichmäßiges Porennetzwerk garantieren. Die Pulvermetallurgie nach dem Press- und Sinterverfahren muss außerdem klar von der additiven Fertigung unterschieden werden. Das von NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook zur additiven Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen (2020) bringt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Aufbau mit abgeschiedenen Schichten und deren thermischen Zyklen in Verbindung, nicht mit der uniaxialen Befüllung einer Matrize. ### Ausstoßen, Rissbildung und geometrische Grenzen Nach dem Pressen müssen sich die Stempel zurückziehen und das Bauteil muss die Matrize verlassen, ohne seine Form zu verlieren. Das Ausstoßen ist mechanisch anspruchsvoll, weil sich der Pressling geringfügig gegen die Matrizenwand ausgedehnt hat und die Haftreibung überwinden muss. Die erforderliche Kraft kann im Grünling Zugspannungen erzeugen, insbesondere bei ungleichmäßiger Dichte oder wenn das Bauteil eine lange Anlagefläche besitzt. Ein Pressling kann unmittelbar nach dem Pressen unauffällig erscheinen und beim Aufsteigen durch die Matrize reißen. Auch während der Kompression können Risse entstehen. Unzureichende Partikelbindung, eingeschlossene Luft, übermäßiger Schmierstoff, scharfe Innenkanten und große Unterschiede der lokalen Dichte erhöhen allesamt das Risiko. Delamination ist ein charakteristischer Fehler, bei dem sich im Pressling schwache, annähernd ebene Trennungen bilden, die häufig mit eingeschlossener Luft oder einer Spannungsfreisetzung beim Entlasten zusammenhängen. Abplatzungen an Kanten treten häufig dort auf, wo ein dünner Bereich der Handhabung oder dem Zurückziehen des Stempels nicht standhalten kann. Die Geometrie muss daher an die Pressrichtung angepasst sein. Durchgangsbohrungen parallel zur Stempelbewegung sind im Allgemeinen beherrschbar, weil ein Kernstab fest stehen bleiben oder sich mit den Stempeln bewegen kann. Hinterschneidungen, rückspringende Merkmale und seitliche Bohrungen erfordern bewegliche Werkzeuge, eine nachgelagerte spanende Bearbeitung oder ein anderes Herstellungsverfahren. Eine Matrize kann ein Merkmal nicht freigeben, das das Bauteil mechanisch in seiner Lage verriegelt. Gewinde, tiefe quer verlaufende Nuten und starke Änderungen der Wanddicke können ebenfalls die praktischen Grenzen der Werkzeugauslegung oder des Ausstoßens überschreiten. Änderungen der Querschnittsdicke verdienen besondere Aufmerksamkeit. Ein dünner Steg kann sich anders verdichten und ausstoßen lassen als ein angrenzender dicker Bereich und anschließend beim Sintern mit einer anderen Geschwindigkeit schwinden. Scharfe Ecken konzentrieren Spannungen und behindern den Pulverfluss; Radien bieten den Partikeln und den Spannungen einen allmählicheren Verlauf. Die Auslegung des Grünlings ist folglich ein Vorhersageproblem, das bis in den Ofen hineinreicht. Die gepresste Form muss die Handhabung überstehen, die Entfernung von Bindemittel oder Schmierstoff ermöglichen und die Maßänderungen aufnehmen, die beim Schließen der Poren und bei der Entwicklung von Bindungen zwischen den Partikeln entstehen. Bei Stählen der Pulvermetallurgie ist die Verdichtung keine neutrale Abkürzung zur Formgebung. Sie legt das räumliche Dichtefeld, die Porengeometrie und einen großen Teil des mechanischen Risikos fest, das in das Sintern eingebracht wird. Diese Merkmale wirken mit Einschlüssen und der Legierungsverteilung zusammen; ISO 13947:2024 legt sogar die Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung auf pulvergeschmiedete Stahlbauteile. Der Grünling ist unfertig, doch seine Geschichte ist bereits Teil des Werkstoffs. ## Sintern und Verdichtung Sintern ist die thermische Konsolidierung eines verdichteten Pulvers. Eine Presse formt das gemischte Pulver zu einem geformten „Grünling“, doch in diesem Stadium sind die Partikel nur mechanisch miteinander verzahnt. Beim Sintern wird der Pressling unterhalb seiner wesentlichen Schmelztemperatur erhitzt. Dadurch können Atome über die Partikelkontakte diffundieren, Bindungen entstehen, Poren ihre Form und Größe verändern und das Bauteil eine nutzbare Festigkeit entwickeln. Der Prozess ist nicht einfach ein Trocknungsschritt oder eine Variante der konventionellen Stahlerzeugung im Ofen. Sein Ergebnis hängt von der Pulverchemie, der Partikelform, der Presslingsdichte, der Entfernung des Schmierstoffs, der Ofenatmosphäre, der Aufheizgeschwindigkeit, der Spitzentemperatur, der Haltezeit, dem Abkühlverlauf und der Maßänderung der jeweiligen Zusammensetzung ab. Die Normen berücksichtigen diese Prozessgeschichte. ASTM B783-24 klassifiziert Bauteilwerkstoffe der Eisenpulvermetallurgie anhand der chemischen Zusammensetzung, der Dichte, der Streckgrenze im gesinterten Zustand und der Zugfestigkeit im wärmebehandelten Zustand. ISO 5755:2022 legt Anforderungen an gesinterte Bauteilwerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und nichtrostendem Stahl fest. Keine der beiden Normen behandelt „Stahl der Pulvermetallurgie“ als eine einzige Werkstoffsorte. Das Sintern wandelt einen bestimmten Pressling in einen Werkstoff um, dessen Zusammensetzung und Porenstruktur gemeinsam betrachtet werden müssen. ### Festkörperbindung und Halswachstum Sinterhals **Sinterhals** Eine feste Brücke, die während des Sinterns zwischen sich berührenden Pulverpartikeln wächst, wenn Atome zum Kontakt hin diffundieren. Zu Beginn des Sinterns werden Kontaktpunkte zwischen benachbarten Partikeln zu Stellen für den Atomtransport. Die Oberflächenkrümmung erzeugt einen Unterschied im chemischen Potenzial: Atome verlassen Bereiche mit hoher Krümmung und bewegen sich zum Kontakt, wo zwischen den Partikeln eine feste Brücke, der sogenannte Hals, wächst. Dieser Hals ist anfangs klein, doch seine Querschnittsfläche nimmt mit fortschreitender Diffusion zu. Der Pressling gewinnt an Festigkeit, bevor er eine hohe Dichte erreicht, weil diese Brücken ein durchgehendes lasttragendes Netzwerk bilden. #### Stofftransportmechanismen beim Sintern - **Oberflächendiffusion** Vergrößert Partikelkontakte und Sinterhälse bei begrenzter Schwindung. - **Korngrenzendiffusion** Transportiert Werkstoff entlang von Korngrenzen und kann zur Densifizierung beitragen. - **Gitterdiffusion** Transportiert Atome durch das Kristallgitter und unterstützt die Porenreduktion. - **Flüssigkeitsströmung** Kann dominieren, wenn ein Legierungsbestandteil eine vorübergehende flüssige Phase bildet. Mehrere Diffusionspfade können gleichzeitig wirksam sein. Die Oberflächendiffusion kann die Hälse vergrößern, ohne eine nennenswerte Schrumpfung zu verursachen. Die Korngrenzendiffusion und die Gitterdiffusion können Material in die Porenräume transportieren und direkter zur Verdichtung beitragen. Verdampfung und Kondensation sind für bestimmte Systeme relevant, während viskoses oder flüssiges Fließen dominieren kann, wenn ein Legierungszusatz eine vorübergehende Flüssigphase bildet. Der Mechanismus verändert sich daher mit der Temperatur, der Partikelgröße, den Legierungsbestandteilen und der Verteilung der Poren. Zusammensetzungen aus Eisen, Kupfer und Kohlenstoff machen laut dem Eintrag *Ferrous Powder Metallurgy* in ScienceDirect Topics (2024) ungefähr die Hälfte der Eisenpulvermetallurgie-Bauteile aus. Kupfer kann während des Erwärmens in Eisen diffundieren, und abhängig von der Zusammensetzung und den Ofenbedingungen kann sich während des Sinterns eine kupferreiche Flüssigphase bilden. Diese Flüssigkeit benetzt Teile des Eisengerüsts und kann die Umlagerung sowie die Porenfüllung beschleunigen, aber auch eine Aufweitung oder andere Maßänderungen verursachen. Kohlenstoff beeinflusst die Eisenphase, die Sinterreaktionen und das endgültige Gefüge; er ist nicht lediglich ein Zusatz, der die Härte erhöht. Nickel und Molybdän sind ebenfalls übliche Zusätze in Eisenpulvermetallurgie-Stählen. Ihre Auflösung, Diffusionsgeschwindigkeit und räumliche Verteilung beeinflussen die lokale Härtbarkeit und die Zusammensetzung der Bereiche um die Poren. Vorlegierte Pulver enthalten die Legierungselemente in jedem Partikel, während zugemischte Pulver bestimmte Zusätze vor dem Sintern zwischen den Eisenpartikeln verteilt enthalten. Diese Wege können unterschiedliche Homogenisierungsgeschwindigkeiten und unterschiedliche lokale Gefüge hervorbringen, selbst wenn die nominelle chemische Gesamtzusammensetzung ähnlich ist. Schrumpfung ist eine Folge der Porenverringerung, tritt jedoch nicht bei jeder Zusammensetzung und Geometrie gleichmäßig auf. Ein Pressling kann in einer Richtung schrumpfen, sich in einer anderen ausdehnen oder lokale Maßänderungen zeigen, die durch Schwerkraft, Reibung, die Bewegung einer Flüssigphase oder eine uneinheitliche Grünteildichte verursacht werden. Auch das Werkzeug und die Pressrichtung hinterlassen eine Prozesssignatur. Bereiche, die mit einer geringeren Grünteildichte begonnen haben, verfügen über ein größeres Porenvolumen, das geschlossen werden kann, und können anders schrumpfen als stark verdichtete Bereiche. Die Maßkontrolle beginnt daher bereits vor dem Ofen. Pulvermetallurgische Werkzeugstähle können feinere, rundere und gleichmäßiger verteilte Karbidpopulationen entwickeln als herkömmliche Gussblockverfahren. Strong evidence Das Karbidgefüge liefert ein weiteres Beispiel dafür, warum die Sinterhistorie von Bedeutung ist. Werkzeugstähle aus der Pulvermetallurgie können feine, abgerundete und gleichmäßiger verteilte Karbidpopulationen entwickeln, einschließlich Karbidanteilen oder -zusammensetzungen, die durch die konventionelle Blockmetallurgie nur schwer oder überhaupt nicht erzielt werden können, wie von ScienceDirect Topics (2024) beschrieben. ISO 4957:2018 gilt für Anforderungen an Werkzeugstähle sowohl für pulvermetallurgisch hergestellte Erzeugnisse als auch für Erzeugnisse aus Warmwalzen, Schmieden, Kaltziehen und Kaltwalzen. Die gemeinsame Norm macht die Gefüge nicht identisch; sie erkennt an, dass der Herstellungsweg Teil der Identität des Werkstoffs ist. ### Atmosphäre, Temperatur und Zeit Die Ofenatmosphäre steuert die Reaktionen an den Partikeloberflächen und innerhalb der offenen Poren. Wasserstoff kann bestimmte Oberflächenoxide reduzieren, während Vakuum den Partialdruck reaktiver Gase senkt. Stickstoff, endothermes Gas, dissoziiertes Ammoniak und andere kontrollierte Atmosphären können entsprechend der Stahlchemie und dem erforderlichen Kohlenstoffpotenzial ausgewählt werden. Sauerstoff oder Wasserdampf können Pulveroberflächen oxidieren, die Halsbildung beeinträchtigen, den Kohlenstoffgehalt verändern und Oxidfilme hinterlassen, die an Partikelgrenzen eingeschlossen werden. Kohlenstoffhaltige Atmosphären können Kohlenstoff zuführen; entkohlende Bedingungen können ihn entfernen. Die Atmosphärenkontrolle ist daher ein chemischer Vorgang und nicht lediglich ein Schutz vor sichtbarem Zunder. #### Warnung zum Ofenzyklus Zersetzungsgase von Schmierstoffen und Bindemitteln müssen durch verbundene Poren entweichen. Eine ungeeignete Aufheizrate oder ein ungünstiger Gasströmungsweg kann Blasen, zurückgehaltene Rückstände oder einen anormalen Innendruck verursachen. Die Entfernung des Schmiermittels muss vor oder während des frühen Abschnitts des Hochtemperaturzyklus erfolgen. Beim Zerfall von Bindemitteln oder Schmiermitteln entstehen Gase. Wenn diese Gase nicht durch die miteinander verbundenen Poren des Presslings entweichen können, können sie Blasen, zurückgehaltene Rückstände oder einen anomalen Innendruck erzeugen. Die Aufheizgeschwindigkeit und der Gasströmungsweg sind insbesondere bei großen oder stark verdichteten Bauteilen von Bedeutung, bei denen die Außenseite relativ undurchlässig werden kann, bevor das Innere die Zersetzungsprodukte abgegeben hat. Die Temperatur bestimmt, welche Transportmechanismen aktiv sind und ob Legierungsbestandteile fest bleiben oder eine Flüssigphase bilden. Eine höhere Temperatur erhöht im Allgemeinen die Diffusionsgeschwindigkeiten, doch der zweckmäßige Zyklus wird durch Kornwachstum, Verzug, Oberflächenreaktionen, Flüssigkeitsaustritt und unerwünschte Wechselwirkungen zwischen dem Stahl und der Ofeneinrichtung begrenzt. Die Haltezeit ermöglicht Halswachstum, Porenabrundung, Umverteilung der Legierungselemente und Phasenumwandlung. Sie garantiert keine vollständige Beseitigung der Poren. Sobald Poren innerhalb von Körnern isoliert oder von zusammenlaufenden Korngrenzen eingeschlossen werden, können Gasdruck und das schrumpfende feste Gerüst den weiteren Porenschluss verlangsamen. Auch die Abkühlung gehört zum Sinterzyklus. Abhängig von Kohlenstoff, Legierungselementen, Abkühlgeschwindigkeit und einer nachfolgenden Wärmebehandlung können Phasenumwandlungen Ferrit, Perlit, Bainit, Martensit oder Mischungen dieser Gefüge hervorbringen. Ein Abschnitt mit schneller Abkühlung kann ein anderes Gefüge bewahren als eine langsame Ofenabkühlung, selbst wenn die Spitzentemperatur gleich war. Die endgültigen Eigenschaften hängen folglich vom vollständigen thermischen Verlauf ab und nicht nur von der Spitzentemperatur. Sinteratmosphäre und Einschlüsse müssen gemeinsam betrachtet werden. Oxidfilme, nichtmetallische Partikel und Rückstände können die Partikelbindung unterbrechen oder als Stellen wirken, an denen Poren bestehen bleiben. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt seine Anwendung auf pulvergeschmiedete Stahlbauteile. Dieser Anwendungsbereich ist bedeutsam: Die Einschlusskontrolle beginnt bei der Pulverherstellung und -handhabung und setzt sich über das Verdichten, Sintern und jeden Schmiedevorgang fort. Ein sauberer Ofen kann nicht jeden vor dem Einbringen des Presslings eingeführten Fehler korrigieren. ### Porenentwicklung und sekundäre Verdichtung Restporosität **Restporosität** Das verbundene oder isolierte Hohlraumvolumen, das nach dem Sintern oder einem anderen Konsolidierungsvorgang verbleibt. Die Porosität verändert sich während des Sinterns kontinuierlich. Anfangs sind Poren unregelmäßige Zwischenräume zwischen den Partikeln und häufig mit der Außenfläche verbunden. Das Halswachstum teilt diese Zwischenräume und rundet sie ab; die Schrumpfung verringert ihr Volumen, und die Diffusion kann sie zu Korngrenzen bewegen oder dazu führen, dass sie isoliert werden. Die daraus resultierende Porengröße, -form, -vernetzung und -lage beeinflussen das Ermüdungsverhalten, die Rissinitiierung, die Fluiddurchlässigkeit, das Verhalten bei der Wärmebehandlung und die Maßbeständigkeit. Zwei Bauteile mit derselben Gesamtdichte können sich daher unterschiedlich verhalten, wenn eines feine, abgerundete und geschlossene Poren enthält, während das andere langgestreckte, verbundene Poren aufweist. Eine Restporosität kann für Press- und Sinterwerkstoffe charakteristisch bleiben, weil der Ausgangspressling Hohlräume enthält und das feste Gerüst sie nicht immer vollständig schließen kann. Eingeschlossenes Gas, starre Oxidfilme, unzureichender lokaler Druck, Legierungszusätze und isolierte Poren wirken dem endgültigen Porenschluss entgegen. Auch das Matrizenpressen setzt der gleichmäßig erreichbaren Dichte Grenzen, insbesondere bei komplexen Formen. Das konventionelle Sintern verringert und verändert das Porennetzwerk; es erzeugt nicht automatisch ein vollständig umgeformtes Gefüge. Nachbearbeitungsvorgänge verändern Dichte, Abmessungen oder Porenstruktur auf unterschiedliche Weise. | Vorgang | Auswirkung auf das Bauteil | Wichtigste Einschränkung | |---|---|---| | Nachpressen | Wendet nach dem Sintern einen weiteren Verdichtungsschritt an | Kann örtlich begrenzt statt volumengleich wirksam sein | | Kalibrieren | Korrigiert ausgewählte Abmessungen in einem Gesenk | Entfernt die Porosität nicht im gesamten Bauteil | | Infiltrieren | Führt einen anderen Werkstoff in verbundene Poren ein | Erfordert eine geeignete Porenvernetzung und Benetzung | | Pulverschmieden | Wendet eine Warmverformung auf einen gesinterten Vorformling an | Fügt Schmiedeverformung, Werkzeug- und Maßvariablen hinzu | Sekundäre Verdichtungsverfahren begegnen dieser Einschränkung durch unterschiedliche Prozessfamilien. Beim Nachpressen wird nach dem Sintern ein weiterer Verdichtungsschritt durchgeführt, häufig um Poren zu schließen und die Maßgenauigkeit wiederherzustellen. Kalibrieren ist ein verwandter Vorgang, bei dem ein gesintertes Bauteil zur Korrektur ausgewählter Maße durch eine Matrize geführt wird; die Porosität im gesamten Volumen wird dadurch jedoch nicht beseitigt. Bei der Infiltration wird ein Bestandteil mit niedrigerem Schmelzpunkt in verbundene Poren eingebracht, füllt einen Teil des Hohlraumvolumens und verändert die Verbundstruktur. Das Ergebnis hängt von der Porenvernetzung und dem Benetzungsverhältnis zwischen Infiltrationsmittel und Stahl ab. Beim Pulverschmieden wird ein poröser Vorformling mit einer erheblichen Warmumformung kombiniert. Die aufgebrachte Dehnung schließt Poren wesentlich stärker als ein gewöhnliches Press- und Sinterverfahren und kann den Kornverlauf sowie die Ausrichtung von Einschlüssen verändern. Das Verfahren bleibt vom Sintern allein verschieden. Auch andere Hochdruckverfahren, einschließlich Warmverdichten und spezieller Warm- oder Kaltverdichtungsfolgen, verändern das Verhältnis zwischen Porenschluss, Verzug und Gefügeentwicklung. Die additive Fertigung sollte nicht allein deshalb in diese Beschreibung eingeordnet werden, weil auch sie mit Metallpulver beginnt. Das von NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook zur additiven Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen (2020) behandelt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Bau als zentrale Themen; die schichtweise Schmelz- und Erstarrungsgeschichte unterscheidet sich jedoch von der konventionellen Matrizenverdichtung mit anschließendem Sintern. Pulvermetallurgische Stähle werden durch das Zusammenspiel von Pulver, Pressling, Ofenzyklus und jedem festgelegten Verdichtungsweg definiert. Die zurückbleibenden Poren und die um sie herum gebildeten Bindungen sind Teil dieser Geschichte. ## Gefüge: Poren, Phasen und Karbide Stahl aus der Pulvermetallurgie kann nicht allein anhand der nominalen Chemischen Zusammensetzung beurteilt werden. Zwei Werkstoffe mit demselben Gehalt an Kohlenstoff, Chrom, Molybdän oder Nickel können sich unterschiedlich verhalten, wenn sich ihre Pulver, Verdichtungsdrücke, Sinterzyklen, Dichtegradienten, Porennetzwerke, Einschlüsse oder Wärmebehandlungen unterscheiden. Der relevante Werkstoff ist nicht nur ein Legierungssystem. Er ist ein Legierungssystem nach einer bestimmten Abfolge von Pulverherstellung, Mischen, Pressen, Sintern, optionaler Verdichtung und Wärmebehandlung. Diese Unterscheidung spiegelt sich in den Normen wider. ASTM B783-24 klassifiziert Strukturwerkstoffe aus der Eisenpulvermetallurgie nach Chemischer Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im gesinterten Zustand und Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung und nicht allein nach ihrer Chemie. ISO 5755:2022 legt ebenfalls Anforderungen an gesinterte Strukturwerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und nichtrostendem Stahl fest. Diese Klassifizierungen erkennen an, dass Dichte und Prozessgeschichte Teil der Werkstoffbeschreibung sind. Das Gefüge zeichnet diese Geschichte auf. Es enthält die eisenbasierte Matrix, während des Abkühlens oder der Wärmebehandlung gebildete Phasenbestandteile, Legierungskarbid, Einschlüsse sowie Poren, die zwischen oder innerhalb der verdichteten Partikel zurückbleiben. Jedes Merkmal beeinflusst die anderen. Die Kohlenstoffbewegung während des Sinterns verändert das lokale Phasengleichgewicht; Legierungszusätze verändern die Härtbarkeit und die Karbidbildung; Poren unterbrechen die lasttragende Fläche und stellen Oberflächen bereit, von denen aus Risse wachsen können. Eine Sortenbezeichnung ist daher ein Ausgangspunkt, keine vollständige Vorhersage des Verhaltens. ![Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign, Porosität und Karbide](/images/uploads/bf66b345-9a09-4316-8aee-13a1b8e4cf86/wiki-inline-a-metallographic-micrograph-comparing-fine-rounded-powder-metallurgy-tool-steel-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/bf66b345-9a09-4316-8aee-13a1b8e4cf86/wiki-inline-a-metallographic-micrograph-comparing-fine-rounded-powder-metallurgy-tool-steel-2027x2560.avif "Bild vergrößern — Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign, Porosität und Karbide")Powder processing can produce a finer, more evenly distributed carbide population. ### Porenmorphologie und mechanisches Verhalten Die Porosität ist der offensichtlichste strukturelle Unterschied zwischen vielen Press- und Sinterstählen aus der Pulvermetallurgie und vollständig umgeformten Stählen. Während der Verdichtung ordnen sich die Pulverpartikel neu an, verformen sich und bilden Kontaktstellen; der Pressling enthält jedoch normalerweise weiterhin miteinander verbundene oder isolierte Hohlräume. Das Sintern verstärkt die Bindungen zwischen den Partikeln und rundet einige Porenecken ab, während Schrumpfung, lokale Pulverpackung und Ofenbedingungen die endgültige Porenpopulation bestimmen. Verdichtungsverfahren können Poren verkleinern oder schließen, wobei ihre Wirksamkeit vom Verfahren und vom Ausgangspressling abhängt. Das Porenvolumen ist wichtig, doch die Porengeometrie ist ebenso entscheidend. Eine kleine, abgerundete, isolierte Pore erzeugt ein anderes Spannungsfeld als ein scharfkantiger, länglicher Hohlraum. Letzterer wirkt als stärkerer lokaler Spannungskonzentrator, weil seine schmale Spitze die lokale Zug- oder Schubspannung verstärkt. Eine Kette sich berührender Poren kann einen bevorzugten Risspfad bilden, selbst wenn die mittlere Dichte akzeptabel erscheint. Porengröße, -form, -kontinuität und -lage im Verhältnis zur Oberfläche oder zu einem belasteten Querschnitt müssen daher gemeinsam betrachtet werden. Die Lage verändert das Verhalten. Mit der Oberfläche verbundene Poren setzen einen größeren Bereich Oxidation, Korrosion und mechanischer Beschädigung aus, während Poren in der Nähe einer hochbeanspruchten Kante oder Kerbe mit dem Kerbspannungsfeld wechselwirken können. Innere Poren können unter bestimmten Formen monotoner Belastung weniger einflussreich bleiben, unter zyklischer Belastung jedoch wichtig werden, wenn sich wiederholte lokale Plastizität oder eine Öffnung der Rissspitze aufbaut. Die Ermüdungsempfindlichkeit hängt folglich mit den größten und ungünstigsten Defekten zusammen und nicht einfach mit einer durchschnittlichen Porositätszahl. Auch die Verdichtungsrichtung kann eine strukturelle Signatur hinterlassen. Die Partikelumlagerung und die Dichtegradienten können über die gepresste Form hinweg variieren, insbesondere in Bereichen mit Dickenänderungen oder mit Merkmalen, die eine ungleichmäßige Pulverströmung und Druckübertragung verursachen. Das Sintern kann diese Unterschiede verringern, beseitigt jedoch nicht jede lokale Abweichung. Ein metallografischer Schliff parallel zu einer Achse kann daher eine andere Porenverteilung zeigen als ein Schliff senkrecht dazu. Die Kontrolle von Einschlüssen gehört in dieselbe Betrachtung. Nichtmetallische Partikel können als eigenständige Spannungskonzentratoren wirken oder mit Poren und Partikelgrenzen verbunden sein. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung des Verfahrens auf pulvergeschmiedete Stahlteile. Die Norm macht die Einschlussmessung nicht zu einem Ersatz für die Gefügeuntersuchung; sie unterstreicht vielmehr die Notwendigkeit, Werkstoffmerkmale zu identifizieren, die durch Chemische Analysen und Dichtemessungen übersehen werden können. Ein verwandtes pulverbasierteres Verfahren darf nicht mit der konventionellen Press- und Sintertechnik der Pulvermetallurgie verwechselt werden. Das vom NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook aus dem Jahr 2020 über die additive Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen nennt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Aufbau als wichtige Faktoren bei additiv gefertigten Bauteilen. Diese Aspekte überschneiden sich mit der Metallurgie der Pulvermetallurgie, doch Schichtauftrag, Erstarrung des Schmelzbads und Einflüsse der Aufbaurichtung erzeugen eine andere Prozessgeschichte als Pressen und Sintern. ### Ferrit, Perlit, Bainit, Martensit und Legierungskarbid #### Häufige Bestandteile der Matrix Ferrit Eine vergleichsweise kohlenstoffarme Eisenphase, die im Allgemeinen weicher ist als härtere Umwandlungsprodukte. Perlit Ein aus Ferrit und Zementit bestehender Bestandteil, der durch eine diffusionsgesteuerte Umwandlung entsteht. Bainit Ein Umwandlungsprodukt mit einem von grobem Perlit oder vollständig umgewandeltem Martensit verschiedenen Verhältnis von Härte und Zähigkeit. Martensit Ein hartes Umwandlungsprodukt, das entsteht, wenn Austenit schnell genug abgekühlt wird, um eine diffusionsgesteuerte Umwandlung zu unterdrücken. Die Eisenmatrix kann Ferrit, Perlit, Bainit, Martensit oder Mischungen dieser Bestandteile enthalten. Ihre Anteile und Verteilungen hängen von der Kohlenstoffaktivität, den Legierungszusätzen, der Abkühlgeschwindigkeit, der Sinteratmosphäre, der Querschnittsgröße und der anschließenden Wärmebehandlung ab. Dieselbe nominale Zusammensetzung kann daher unterschiedliche Matrixgefüge hervorbringen, wenn sich die Abkühl- oder Härtungsbedingungen ändern. Ferrit enthält relativ wenig Kohlenstoff und ist im Allgemeinen weicher als die härteren Umwandlungsprodukte. Perlit besteht aus abwechselnden Bereichen von Ferrit und Zementit, wobei seine Lamellengröße und Verteilung von den Umwandlungsbedingungen beeinflusst werden. Bainit bildet sich über einen anderen Umwandlungsweg und kann eine Kombination aus Härte und Zähigkeit bieten, die sich sowohl von grobem Perlit als auch von vollständig umgewandeltem Martensit unterscheidet. Martensit entsteht, wenn Austenit so schnell abgekühlt wird, dass eine diffusionsgesteuerte Umwandlung unterdrückt wird; seine Härte hängt dann stark von Kohlenstoff, Legierung, Anlassen und Restaustenit ab. Diese Bezeichnungen beschreiben Phasen oder Gefügebestandteile, nicht garantierte Eigenschaftswerte. Ein Stahl aus der Pulvermetallurgie kann eine ferritische Matrix um Poren und legierungsreiche Bereiche herum oder eine martensitische Matrix enthalten, deren Kontinuität durch Restporen und Karbide unterbrochen wird. Die Wärmebehandlung kann die Matrixhärte verändern, während die Porengeometrie weitgehend erhalten bleibt. Sie kann außerdem Eigenspannungen und den Zustand der Partikelgrenzen verändern. Aus diesem Grund ist ein wärmebehandelter Stahl aus der Pulvermetallurgie nicht einfach der gesinterte Werkstoff mit einer höheren Härtezahl. Kupfer, Nickel und Molybdän sind häufige Zusätze in Stählen der Eisenpulvermetallurgie. Die zitierte technische Referenz zur Eisenpulvermetallurgie berichtet, dass Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Zusammensetzungen ungefähr die Hälfte der Eisenbauteile aus der Pulvermetallurgie ausmachen. Kupfer kann zur Maßänderung und zur Verfestigung der Matrix beitragen; Nickel und Molybdän beeinflussen die Härtbarkeit und das Umwandlungsverhalten. Ihre Wirkung hängt davon ab, wie die Zusätze eingebracht werden: als Elementarpulver, vorlegierte Partikel, diffusionsgebundene Pulver oder andere Pulverformulierungen. Die Verteilung vor dem Sintern beeinflusst die Diffusionswege und die Chemische Gleichmäßigkeit der endgültigen Matrix. Karbide fügen eine weitere Strukturebene hinzu. Zementit ist das mit Perlit und anderen Umwandlungsprodukten verbundene Eisenkarbid, während Legierungskarbid Chrom, Vanadium, Wolfram, Molybdän oder Kombinationen dieser Elemente enthalten können. Ihre Größe, Chemie, ihr Volumenanteil und ihr Abstand beeinflussen Verschleißverhalten, Härte, Zähigkeit und Rissausbreitung. Große, unregelmäßige Karbidcluster können schädlicher sein als eine vergleichbare Karbidmenge, die als feine Partikel verteilt ist. Ein polierter Schliff kann diesen Unterschied unmittelbar sichtbar machen, während eine chemische Gesamtanalyse dies nicht vermag. Werkzeugstähle aus der Pulvermetallurgie sind in dieser Hinsicht besonders wichtig. Sie können Karbidgehalte oder Karbidzusammensetzungen hervorbringen, die durch konventionelle Blockmetallurgie nur schwer oder gar nicht erreichbar sind, weil zerstäubte Pulverpartikel schnell erstarren und dadurch die grobe Seigerung begrenzen können, die in einem großen Block auftritt. Die anschließende Konsolidierung bewahrt eine deutlich feinere Verteilung, als sie bei einer gewöhnlichen Blockverarbeitung möglicherweise entsteht. ISO 4957:2018 gilt ausdrücklich für Anforderungen an Werkzeugstähle, die sowohl durch Pulvermetallurgie als auch durch Warmwalzen, Schmieden, Kaltziehen und Kaltwalzen hergestellt werden. Die gemeinsame Norm bedeutet nicht, dass diese Herstellungswege identische Gefüge erzeugen. ![Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign, Porosität und Karbide](/images/uploads/e621bde3-65d8-4ac4-be22-eeefbba55287/wiki-inline-a-labeled-cross-sectional-illustration-showing-isolated-rounded-pores-elongated-1920x1920.jpg)[](/images/uploads/e621bde3-65d8-4ac4-be22-eeefbba55287/wiki-inline-a-labeled-cross-sectional-illustration-showing-isolated-rounded-pores-elongated-1920x1920.avif "Bild vergrößern — Pulvermetallurgische Stähle: Normen, Legierungsdesign, Porosität und Karbide")Pore shape, size, connectivity, and location can matter as much as average density. ### Feine, abgerundete, isotrope Karbidstrukturen Isotrope Karbidstruktur **Isotrope Karbidstruktur** Eine Karbidverteilung mit vergleichsweise geringer gerichteter Ausrichtung im Vergleich zu länglichen oder zeilenförmigen Karbidmustern. Die charakteristische Aussage über Werkzeugstähle aus der Pulvermetallurgie besteht nicht lediglich darin, dass sie „mehr Karbid“ enthalten. Ihr charakteristisches Gefüge ist eine feine, abgerundete und relativ isotrope Karbidpopulation, die in der Matrix verteilt ist. „Isotrop“ bezeichnet hier eine Verteilung, die weniger stark an der Verarbeitungsrichtung ausgerichtet ist als die zeilige Karbidstruktur, die häufig mit stark umgeformten Blockprodukten verbunden ist. Die Partikelform ist von Bedeutung, weil scharfe Karbidecken und lange Karbidbänder stärkere lokale Spannungskonzentrationen erzeugen als kleine, abgerundete Partikel. Feine Karbide verringern außerdem die Länge ununterbrochener spröder Merkmale. Das Ergebnis ist ein Gefüge, in dem sich Karbidabstände und -orientierungen deutlich von denen eines konventionell gegossenen und umgeformten Stahls mit ähnlicher nominaler Chemie unterscheiden können. Dadurch werden Bruch- oder Ermüdungsrisiken nicht beseitigt; vielmehr verändern sich die Defektgröße und die für einen Riss verfügbaren Wege. Der Pulverweg allein ist nicht automatisch ausreichend. Pulverreinheit, Partikelgrößenverteilung, Sauerstoff- und Einschlussgehalt, Verdichtungsgleichmäßigkeit, Sintern, Verdichtung und Wärmebehandlung bestimmen, ob sich die beabsichtigte Karbidstruktur tatsächlich entwickelt. Übermäßige Seigerung innerhalb der Partikel, verunreinigte Pulveroberflächen, unvollständige Bindung oder eine ungeeignete thermische Verarbeitung können die Matrix beeinträchtigen, selbst wenn die Legierungsanalyse korrekt ist. Die mikrostrukturelle Bewertung sollte daher die Chemische Analyse mit der Dichtemessung, der Charakterisierung der Poren, der Untersuchung von Einschlüssen, der Phasenidentifizierung und der Bewertung der Karbidmorphologie verbinden. Eine Spezifikation kann eine Werkstofffamilie festlegen, doch die Poren und Phasen erklären, wie dieser Werkstoff Lasten übertragen wird. Bei PM-Stählen ist die Prozessgeschichte Bestandteil der Metallurgie. ## Mechanische Eigenschaften und ihre Spezifizierung Pulvermetallurgischer (PM-)Stahl weist kein einheitliches Profil der mechanischen Eigenschaften auf. Sein gemessenes Verhalten hängt von der Pulverchemie, der Partikelform, dem Verdichtungsdruck, dem Sinterzyklus, der Porenstruktur, den Maßänderungen sowie jeder späteren Nachverdichtung oder Wärmebehandlung ab. Ein Zugprüfergebnis ist daher eine Aussage über einen bestimmten Werkstoffzustand und einen bestimmten Prüfkörper, nicht aber eine vollständige Beschreibung jedes Bauteils, das aus derselben Nennzusammensetzung hergestellt wurde. ASTM B783-24 bietet hierfür einen nützlichen Rahmen, da die Norm Sinterwerkstoffe auf Eisenbasis nicht allein nach ihrer chemischen Zusammensetzung klassifiziert. Die Norm verwendet die chemische Zusammensetzung, die Dichte, die Streckgrenze im gesinterten Zustand und die Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung. Diese Anordnung trennt zwei werkstofflich unterschiedliche Zustände: die Eigenschaften nach dem Pressen und Sintern sowie die Eigenschaften nach einem festgelegten Wärmebehandlungsverfahren. ISO 5755:2022 behandelt gesinterte Metallwerkstoffe, darunter gesintertes Eisen, gesinterte Stähle, legierte Stähle und nichtrostende Stähle für Konstruktionsteile. Ihr Anwendungsbereich unterstreicht die Notwendigkeit, den gesinterten Werkstoff und seinen Zustand zu identifizieren, anstatt „PM-Stahl“ als eine einzige Gütebezeichnung zu behandeln. Pulvergeschmiedete, infiltrierte, heißisostatisch gepresste oder additiv gefertigte Stähle können andere Spezifikationen erfordern und sollten ohne entsprechende Nachweise nicht mit einem Ergebnis aus dem Press- und Sinterverfahren gleichgesetzt werden. ### Dichte und Streckgrenze im gesinterten Zustand Die Dichte gehört zu den ersten mechanischen Kenngrößen, die angegeben werden sollten, da Restporen die tragende Querschnittsfläche verringern und als Spannungskonzentratoren wirken. Zwei Prüfkörper aus derselben Nennlegierung können unterschiedliche Streckgrenzen aufweisen, wenn einer eine höhere Gesamtporosität, größere miteinander verbundene Poren oder eine ungünstigere Porenform besitzt. Auch die Lage der Porosität ist von Bedeutung. Poren, die in Richtung einer Hauptspannungsrichtung ausgerichtet sind, können die Rissinitiierung und die Verformung anders beeinflussen als kleine, abgerundete und isolierte Poren. \[6\] \[6\] [**A-Z of Powder Metallurgy**](https://books.google.com/books/about/A_Z_of_Powder_Metallurgy.html?hl=de&id=4bxTAAAAMAAJ). Randall German. Book, 2005. Die für einen PM-Stahl angegebene Dichte muss als Werkstoffzustand verstanden werden und nicht lediglich als theoretischer Wert, der aus seinen Legierungsbestandteilen berechnet wurde. Die Rohdichte nach der Verdichtung, die Sinterdichte und die Dichte nach einer sekundären Nachverdichtung sind unterschiedliche Größen. Die Entfernung des Schmiermittels, das Sinterschwinden oder -wachsen, die durch Kupfer verursachten Maßänderungen und örtliche Schwankungen infolge der Formfüllung können das Endergebnis beeinflussen. Randall Germans *A-Z of Powder Metallurgy* (2005) behandelt Pulverherstellung, Verdichtung, Sintern, Nachverdichtung, Mikrostruktur und Porosität als miteinander verbundene Bestandteile der Prozessfolge. Diese Verbindung ist für die Interpretation von Festigkeitsdaten entscheidend. Die Streckgrenze im gesinterten Zustand beschreibt den Beginn der bleibenden Verformung, bevor eine Härtungsbehandlung die Matrix- oder Karbidstruktur verändert hat. Sie ist besonders relevant für Bauteile, die im nach dem Sintern, Kalibrieren, Prägen oder anderen zulässigen Arbeitsgängen vorliegenden Zustand eingesetzt werden. Der Wert kann von der Prüfrichtung abhängen, da die konventionelle Formpressverdichtung Dichtegradienten und Partikelkontakte erzeugen kann, die längs und quer zur Pressrichtung nicht identisch sind. Ein Querprüfkörper und ein Längsprüfkörper können daher unterschiedliche lokale Strukturen repräsentieren, selbst wenn sie aus derselben Produktionscharge stammen. Auch die Geometrie des Prüfkörpers verändert das angegebene Ergebnis. Ein aus einem größeren Pressling herausgearbeiteter Zugprüfstab kann den Außenbereich entfernen, die Dichte im Messbereich verändern oder eine andere Porenpopulation freilegen als ein kleiner, endkonturnah gepresster Prüfstab. Gekerbte Prüfkörper, unbearbeitete Zugprüfstäbe und bearbeitete Zugprüfstäbe messen nicht dasselbe Verhalten. Messlänge, Querschnittsmessung, Oberflächenbeschaffenheit, Spannmethode, Dehnrate und die verwendete Definition der Streckgrenze – beispielsweise ein Offset-Kriterium – müssen zusammen mit dem Zahlenwert angegeben werden. Der Klassifizierungsansatz von ASTM B783-24 verhindert, dass eine Bezeichnung der Streckgrenze im gesinterten Zustand mit einer Bezeichnung der Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung verwechselt wird. Diese Unterscheidung ist mehr als eine administrative Formalität. Ein Bauteil kann im gesinterten Zustand ein akzeptables Streckgrenzenverhalten aufweisen, sich jedoch nach Aufkohlen, Abschrecken und Anlassen, durch Ausscheidungseffekte von Legierungszusätzen oder nach einem anderen festgelegten Wärmezyklus anders verhalten. ### Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung Werte mechanischer Eigenschaften sind nicht austauschbar und erfordern die Angabe ihres Prüfzustands. | Eigenschaft | Was sie misst | Erforderlicher Zustand oder erforderliche Qualifikation | |---|---|---| | Streckgrenze im gesinterten Zustand | Beginn der bleibenden Verformung vor der Härtungsbehandlung | Dichte, Ausrichtung, Probengeometrie und Streckgrenzenkriterium | | Zugfestigkeit | Maximale technische Spannung in einem Zugversuch | Wärmebehandlungszustand und Zugprüfverfahren | | Ermüdungsverhalten | Reaktion auf wiederholte oder schwankende Belastung | Spannungsverhältnis, Frequenz, Oberfläche, Poren und Lastspielzahl | | Bruchzähigkeit | Widerstand gegen Risswachstum unter definierter Belastung | Kerbgeometrie, Dicke, Ausrichtung und Prüfverfahren | | Verschleißverhalten | Werkstoffverlust oder Beschädigung unter Kontakt | Gegenkörper, Schmierung, Last, Geschwindigkeit, Temperatur und Karbidmorphologie | Die Zugfestigkeit (UTS) ist die maximale technische Spannung, die während einer Zugprüfung erreicht wird. Sie ist nicht dieselbe Eigenschaft wie die Streckgrenze. Die Streckgrenze kennzeichnet den ausgewählten Beginn der plastischen Dehnung; die UTS umfasst die Auswirkungen der plastischen Verformung, der Verfestigung, der Einschnürung und des Bruchverhaltens im Prüfstab. ASTM B783-24 verwendet die UTS nach der Wärmebehandlung als eine ihrer Klassifizierungsgrößen. Daher muss der Wärmebehandlungszustand zusammen mit der Werkstoffbezeichnung angegeben werden. #### Vorsicht bei der Wärmebehandlung Ein Wärmebehandlungszyklus für einen vollständig dichten Knetstahlstab darf nicht ohne verfahrensspezifische Überprüfung auf ein poröses pulvermetallurgisches Bauteil übertragen werden. Dichte, Porenvernetzung, Querschnittsgröße, Legierungsverteilung und Abkühlgeschwindigkeit können zu unterschiedlichen lokalen Umwandlungen führen. Eine Wärmebehandlung kann mehr als nur die Härte verändern. Austenitisierungstemperatur, Atmosphäre, Abschreckintensität, Anlasstemperatur und Querschnittsgröße beeinflussen die Matrix, den Restaustenit, die Eigenspannungen und die Karbidverteilung. In einem porösen Pressling wirkt der Wärmezyklus außerdem mit den inneren Oberflächen und der lokalen Dichte zusammen. Ein nominell identischer Zyklus kann in einem dünnen Zugprüfstab und in einem dicken Produktionsbauteil zu unterschiedlichen Eigenschaften führen, weil sich ihre Abkühlgeschwindigkeiten unterscheiden. Legierungszusätze erschweren Vergleiche zusätzlich. Kupfer, Nickel und Molybdän sind in Eisenbasis-PM-Stählen häufig anzutreffen, während Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Zusammensetzungen laut dem Eintrag zur Pulvermetallurgie von Eisenwerkstoffen in den *ScienceDirect Topics* (2024) ungefähr die Hälfte der PM-Bauteile aus Eisenwerkstoffen ausmachen. Die Art des Zusatzes ist von Bedeutung: Ein bereits vorlegiertes Legierungselement führt nicht zwangsläufig zu derselben Härtbarkeit oder Verdichtbarkeit wie ein zugemischtes elementares Pulver. Auch die Kohlenstoffverteilung, die Sinteratmosphäre und örtliche Entmischungen können die endgültige Matrix beeinflussen. PM-Werkzeugstähle veranschaulichen, warum Zusammensetzung und Prozessgeschichte nicht auf eine Zugfestigkeitszahl reduziert werden können. Feine, abgerundete Karbidpopulationen können mit Karbidgehalten oder Zusammensetzungen erzeugt werden, die durch die konventionelle Blockmetallurgie nur schwer oder überhaupt nicht erreichbar sind. Diese Strukturen können Verschleiß, Bruch, Zerspanbarkeit und das Verhalten bei der Wärmebehandlung unabhängig von der angegebenen UTS verändern. ISO 4957:2018 schließt neben warmgewalzten, geschmiedeten, kaltgezogenen und kaltgewalzten Werkzeugstahlerzeugnissen ausdrücklich auch durch Pulvermetallurgie hergestellte Erzeugnisse ein. Die gemeinsame Norm macht ihre Mikrostrukturen oder ihr Betriebsverhalten jedoch nicht identisch. Ein gültiger Vergleich sollte Dichte, Orientierung, Prüfkörpergeometrie, Bearbeitungszustand, Wärmebehandlungsplan, Prüftemperatur, Dehnrate und Zugprüfverfahren ausweisen. Ergebnisse eines vollständig dichten pulvergeschmiedeten Bauteils, eines durch Pressen und Sintern hergestellten Presslings und eines additiv gefertigten Prüfkörpers sollten nicht ohne Berücksichtigung ihrer unterschiedlichen Porenmorphologien und Eigenspannungen in eine gemeinsame Rangfolge eingeordnet werden. Das von NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook zur additiven Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen (2020) nennt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Bauprozess als wesentliche Einflussgrößen. Diese Faktoren sind generell für pulverbasierte Werkstoffe relevant, die additive Fertigung ist jedoch nicht dasselbe Verfahren wie das konventionelle Pressen und Sintern. ### Betrachtungen zu Zugfestigkeit, Ermüdung, Bruch und Verschleiß Die Zugfestigkeit beantwortet eine eng begrenzte Frage: Wie verhält sich ein festgelegter Prüfkörper unter einer stetig zunehmenden einachsigen Belastung? Sie sagt die Ermüdungslebensdauer nicht voraus. Ermüdungsschäden entstehen unter wiederholter oder schwankender Spannung, häufig bei Spannungsniveaus unterhalb der Zugstreckgrenze. In PM-Stahl können Poren und Einschlüsse als innere Risskeime wirken, während oberflächenverbundene Poren, Bearbeitungsspuren und scharfe geometrische Übergänge zusätzliche Stellen für die Rissinitiierung bilden. Bei einem Ermüdungsvergleich müssen Dichte, Porengrößenverteilung, Spannungsverhältnis, Frequenz, Oberflächenzustand und die Anzahl der Lastwechsel festgelegt werden. Das Bruchverhalten erfordert eigene Nachweise. Eine hohe UTS kann mit einer begrenzten Bruchzähigkeit einhergehen, wenn Poren, grobe Karbide, Einschlüsse oder spröde umgewandelte Bereiche das Fortschreiten eines Risses mit nur geringer stabiler plastischer Verformung ermöglichen. Auch Bruchprüfungen hängen von der Kerbgeometrie, der Prüfkörperdicke, der Orientierung, der Belastungsart und davon ab, ob die angegebene Größe die Schlagarbeit, die Bruchzähigkeit unter Ebenenverformung, die Risswachstumsrate oder eine verwandte Kenngröße ist. Die Charpy-Schlagarbeit kann nicht durch die Bruchzähigkeit ersetzt werden, und keine der beiden Größen kann allein aus der Zugfestigkeit abgeleitet werden. Die Kontrolle von Einschlüssen beginnt bereits vor der Verdichtung. Pulverreinheit, Zerstäubungsbedingungen, die Historie von recyceltem Pulver, Schmiermittelrückstände und die Ofenatmosphäre können nichtmetallische Partikel einbringen oder erhalten. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und gestattet die Anwendung auf pulvergeschmiedete Stahlbauteile. Dieses Verfahren unterstützt die Prozesskontrolle, eine Einschlussmessung ersetzt jedoch keine Zug-, Ermüdungs- oder Bruchprüfung am fertigen Werkstoff. Das Verschleißverhalten wird durch den Kontaktdruck, die Gleitgeschwindigkeit, die Schmierung, das Gegenkörpermaterial, die Temperatur, die Härte, die Karbidmorphologie, die Oberflächenrauheit und die Bildung von Verschleißpartikeln bestimmt. Ein feines, gleichmäßig verteiltes Karbidgefüge kann sich anders verhalten als ein grobes oder zusammenhängendes Karbidnetzwerk, selbst wenn beide Werkstoffe eine ähnliche UTS aufweisen. Porosität kann in einer Anwendung Schmierstoff zurückhalten, in einer anderen jedoch das Eindringen von Flüssigkeit ermöglichen, die Kontakttragfähigkeit verringern oder die Oberflächenbeschädigung beschleunigen. Ergebnisse von Verschleißprüfungen müssen daher den Prüfaufbau und das Versagenskriterium angeben. Die Maßhaltigkeit ist wiederum ein eigenständiger Aspekt. Schrumpfung oder Wachstum beim Sintern, Dichtegradienten, Rückfederung, Kalibrierung, Bearbeitungszugabe und Wärmebeziehungsverzug bestimmen, ob ein Bauteil seine erforderliche Geometrie beibehält. Eine Zugprobe kann die vorgegebene Festigkeit erreichen, während ein Serienbauteil nach dem Abschrecken eine Maßtoleranz nicht einhält. Mechanische Spezifikationen müssen daher den Werkstoffzustand und das Prüfverfahren eindeutig angeben, während die Auslegungsvalidierung Ermüdung, Bruch, Verschleiß, Schlagbeanspruchung und Maßstabilität als eigenständige Anforderungen im Betrieb berücksichtigt. ## Wärmebehandlung pulvermetallurgischer Stähle Eine Wärmebehandlung wirkt auf einen vollständig dichten, homogenen Stahlkörper nicht in derselben Weise wie auf einen aus einem Block erschmolzenen und weiterverarbeiteten Stab. Bei einem pulvermetallurgischen (PM) Stahl verändert der Wärmezyklus die Matrix, die Karbidverteilung, den Eigenspannungszustand und manchmal auch die Form und Vernetzung der Poren. Diese Veränderungen beeinflussen neben der Härte und den Zugeigenschaften auch die Maßstabilität und das Bruchverhalten. Das Ergebnis hängt von der Pulverzusammensetzung, dem Verdichtungsdruck, der Sinterhistorie, Dichtegradienten, der Porenmorphologie und jeder nachfolgenden Verdichtung ab. Aus diesem Grund sollte PM-Stahl nicht einfach als eine aus Pulver hergestellte konventionelle Stahlsorte beschrieben werden. ASTM B783-24 unterscheidet eisenbasierte pulvermetallurgische Konstruktionswerkstoffe anhand ihrer chemischen Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im gesinterten Zustand und Zugfestigkeit im wärmebehandelten Zustand. Die Unterscheidung zwischen Klassifizierungen im gesinterten und im wärmebehandelten Zustand ist wesentlich: Der festgelegte Zustand ist Bestandteil der Werkstoffbeschreibung und kein nebensächliches Fertigungsdetail. ISO 5755:2022 legt ebenfalls Anforderungen an gesinterte Konstruktionswerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und rostfreiem Stahl fest. Keine der beiden Normen setzt Wärmebehandlung mit Sintern gleich. ### Konzepte des Härtens, Anlassens und Sinterhärtens #### Abfolge von Härten und Anlassen 1. **Austenitisieren** Den Stahl in den Austenitbereich erwärmen und für die erforderliche Umwandlung halten. 2. **Abschrecken** Schnell genug abkühlen, um die vorgesehene martensitische oder gemischte Struktur zu bilden. 3. **Anlassen** Bei einer niedrigeren Temperatur erneut erwärmen, um Härte, Zähigkeit und Eigenspannung anzupassen. 4. **Überprüfung** Härte, Abmessungen, Phasenzustand und erforderlichenfalls bruchempfindliche Eigenschaften prüfen. Beim konventionellen Härten wird der Stahl normalerweise bis in den Austenitbereich erwärmt, ausreichend lange für die erforderliche Umwandlung gehalten und anschließend abgeschreckt, um Martensit zu bilden. Beim Anlassen wird der gehärtete Werkstoff anschließend bei einer niedrigeren Temperatur erneut erwärmt, um Abschreckspannungen zu verringern und das Verhältnis zwischen Härte, Zähigkeit und Maßstabilität einzustellen. Abhängig von Zusammensetzung und Behandlung kann das Anlassen eine Karbidausscheidung, eine Erholung der martensitischen Matrix und die Umwandlung instabilen Restaustenits bewirken. Im PM-Stahl finden dieselben Phasenumwandlungen statt, doch Poren unterbrechen den Wärmestrom und verringern den lasttragenden Querschnitt. Eine Pore kann isoliert sein und nur eine geringe Verbindung zum umgebenden Porennetz aufweisen oder miteinander verbunden sein, sodass sie eine Gasbewegung ermöglicht und die Geschwindigkeit verändert, mit der das Innere Wärme mit der Ofenatmosphäre austauscht. Offene Porosität kann außerdem Wege für Sauerstoff oder Abschreckmedien bereitstellen. Folglich gewährleistet ein nomineller Ofenzyklus nicht dieselbe lokale thermische Vorgeschichte in einem Pressling niedriger Dichte wie in einem nahezu vollständig dichten Bauteil. Kupfer, Nickel und Molybdän sind häufige Legierungszusätze in eisenbasierten pulvermetallurgischen Werkstoffen, während Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Zusammensetzungen laut dem Nachschlagewerk *Ferrous Powder Metallurgy* in ScienceDirect Topics (2024) ungefähr die Hälfte der eisenbasierten PM-Bauteile ausmachen. Diese Zusätze beeinflussen die Austenitbildung, die Umwandlungskinetik, die Härtbarkeit und das Anlassverhalten. Kohlenstoff kann als Graphit vorliegen, während des Sinterns diffundieren oder aufgrund von Entmischung und Dichtegradienten lokal variieren. Die Matrix nach dem Abschrecken kann sich daher von einem Bereich eines Bauteils zum anderen unterscheiden. Sinterhärten ist ein Verarbeitungskonzept und keine eigenständige Stahlfamilie. Der Pressling wird unmittelbar nach dem Sintern so schnell abgekühlt, dass eine erhebliche martensitische Umwandlung entsteht, wodurch ein separater Härtevorgang reduziert oder vermieden wird. Die Abkühlgeschwindigkeit muss auf die Legierung, die Bauteilgeometrie, die Dichte und die Ofenauslegung abgestimmt werden. Sinterhärten ist nicht mit gewöhnlicher Luftkühlung gleichzusetzen: Ein Bauteil muss über eine ausreichende Härtbarkeit verfügen, damit sein Inneres wie vorgesehen umwandelt. Ein Anlassen kann weiterhin erforderlich sein, um Eigenspannungen zu verringern und das endgültige Phasengleichgewicht zu steuern. Das Verfahren kann die Anzahl der Handhabungs- und Wiedererwärmungsschritte begrenzen, doch seine Auswirkungen müssen über das gesamte Bauteil hinweg bewertet werden. Ein schnell abgekühlter Außenbereich kann martensitisch werden, während ein langsamer abkühlender Kern Bainit, Perlit oder Restaustenit zurückbehält. Solche Gradienten können unterschiedliche lokale Dehnungen und Bruchreaktionen hervorrufen. Pulvermetallurgische Werkzeugstähle bringen eine zusätzliche Besonderheit mit sich. Ihre feinen, abgerundeten und relativ isotropen Karbidstrukturen sowie Karbidgehalte oder -zusammensetzungen, die durch die konventionelle Blockmetallurgie nur schwer oder überhaupt nicht erzielt werden können, sind entscheidend für ihr Verhalten beim Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen. ISO 4957:2018 gilt für Anforderungen an Werkzeugstähle sowohl für pulvermetallurgisch hergestellte Erzeugnisse als auch für warmgewalzte, geschmiedete, kaltgezogene und kaltgewalzte Erzeugnisse; der Herstellungsweg beeinflusst jedoch weiterhin das Ansprechverhalten bei der Wärmebehandlung. ### Härtbarkeit und Querschnittseinflüsse Die Härtbarkeit beschreibt die Fähigkeit eines Stahls, unter einer festgelegten Abkühlbedingung bis zu einer bestimmten Tiefe Martensit zu bilden; sie ist nicht mit der Oberflächenhärte gleichzusetzen. Bei PM-Bauteilen werden Querschnittseinflüsse durch mehr als nur die Wanddicke bestimmt. Dichte, Porenform, Legierungsverteilung, Querschnittsübergänge sowie der Kontakt mit Werkzeugen oder Spannvorrichtungen beeinflussen allesamt das Erwärmen und Abkühlen. Eine dichte Außenschicht, die ein poröseres Inneres umgibt, kann sich anders abkühlen als ein gleichmäßiger Querschnitt. Verbundene Poren können während des Erwärmens und der Oxidation das Eindringen von Ofengas ermöglichen, während isolierte Poren eher wie innere Hohlräume wirken und Spannungen konzentrieren können, ohne einen Gasweg bereitzustellen. Große oder unregelmäßige Poren wirken außerdem als Ausgangsstellen für Risse. Beim Abschrecken können sich Umwandlungsspannungen zu diesen bereits vorhandenen Spannungskonzentrationen addieren. Ein Bauteil, das an der Oberfläche ein vorgegebenes Härteziel erreicht, kann dennoch einen weicheren Kern, Restaustenit oder einen rissempfindlichen martensitischen Bereich in der Nähe eines Porenclusters enthalten. Legierungszusätze können die Härtbarkeit verbessern und dadurch eine langsamere Abkühlung ermöglichen, bei der sich Martensit tiefer im Querschnitt bildet. Dadurch werden Querschnittseinflüsse jedoch nicht beseitigt. Eine langsame Abkühlung verringert zwar thermische Gradienten, kann aber unerwünschte Umwandlungen ermöglichen; eine schnelle Abkühlung erhöht die Wahrscheinlichkeit von Verzug und Rissbildung. Das geeignete Gleichgewicht ist daher eine Eigenschaft des jeweiligen Presslings und kein universelles Merkmal von „PM-Stahl“. Dichtegradienten, die beim Füllen und Verdichten entstehen, sind besonders wichtig. Bereiche mit unterschiedlicher Rohdichte können während des Sinterns unterschiedlich schrumpfen und beim Härten unterschiedlich reagieren. Bearbeitete Oberflächen können Poren freilegen, die an der ursprünglichen Außenfläche nicht erkennbar waren, und dadurch sowohl den Zugang des Abschreckmittels als auch die lokale Oxidation verändern. Auch die Pulverherstellung und das Mischen sind von Bedeutung, da Einschlüsse, Agglomerate und entmischte Legierungspartikel als lokale Umwandlungsstellen zurückbleiben können. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung auf pulvergeschmiedete Stahlbauteile; die Einschlusskontrolle steht daher mit der Zuverlässigkeit der Wärmebehandlung und nicht lediglich mit der Reinheit des Pulvers in Zusammenhang. ### Verzug, Oxidation und zurückgehaltene Phasen Eine Wärmebehandlung kann Abmessungen durch Wärmeausdehnung, Schrumpfung während der Umwandlung, Spannungsabbau und Unterschiede im zeitlichen Ablauf der Umwandlung zwischen einzelnen Bereichen verändern. PM-Bauteile können nach dem Abschrecken und Anlassen Wachstum, Schrumpfung, Verwerfung oder Veränderungen der Geradheit zeigen. Diese Auswirkungen können durch anisotrope Verdichtung, verbundene Poren, ungleichmäßige Dichte und die vorausgegangene Sinterschwindung verstärkt werden. Spannvorrichtungen und Auflageflächen können die Bewegung während des Abkühlens behindern und dadurch Eigenspannungen hinterlassen, die später beim Anlassen, Bearbeiten oder im Betrieb freigesetzt werden. Der Oxidation ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen, wenn offene Porosität die Oberfläche erreicht oder mit dem Inneren verbunden ist. Oxidfilme können sich an Porenwänden und Außenflächen bilden, lokal Legierungselemente verbrauchen und die Partikelhälse zwischen den einzelnen Partikeln schwächen. Außerdem können sie die anschließende Bearbeitung oder das Fügen beeinträchtigen. Kontrollierte Ofenatmosphären, eine geeignete Beladung und sorgfältig ausgewählte Transferbedingungen verringern die Einwirkung; eine Atmosphärenkontrolle kann jedoch eine ungeeignete Porenstruktur nicht ausgleichen. Eine Vakuum-, Inert- oder Schutzgasbehandlung muss unter Berücksichtigung der Dichte und der Legierungschemie des Bauteils ausgewählt werden. Restaustenit ist eine weitere Ursache für Maßinstabilität. Wenn beim Abschrecken nicht der gesamte Austenit umgewandelt wird, kann sich die verbleibende Phase während des Anlassens, im Betrieb oder bei einer späteren kryogenen Behandlung verändern. Ihre Umwandlung kann eine Ausdehnung und zusätzliche Spannungen hervorrufen. Ein zu hoher Martensitanteil ohne ausreichendes Anlassen führt zum gegenteiligen Problem: zu hohen inneren Spannungen und einer verringerten Bruchtoleranz, insbesondere dort, wo Poren oder nichtmetallische Einschlüsse als Rissausgangsstellen dienen. Das von NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook über die additive Fertigung von Stählen und rostfreien Stählen (2020) nennt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Aufbau als miteinander verbundene Faktoren bei additiv gefertigten Stahlbauteilen. Dieser Vergleich ist nützlich, doch die additive Fertigung darf nicht mit der konventionellen PM-Fertigung durch Pressen und Sintern gleichgesetzt werden. Die thermische Vorgeschichte, die Porengeometrie, der Schichtaufbau und die Defektpopulation unterscheiden sich. Bei Press- und Sinterstählen muss der Wärmebehandlungszyklus ausgehend vom tatsächlichen Presslings- und Sinterzustand entwickelt und anschließend durch Maßmessungen, Härte- oder Phasenuntersuchungen sowie, sofern erforderlich, bruchempfindliche Prüfungen verifiziert werden. ## Durch Pulvermetallurgie hergestellte Werkzeugstähle Pulvermetallurgisch (PM) hergestellte Werkzeugstähle sind nicht einfach konventionelle Werkzeugstahlsorten, die in Pulverform geliefert werden. Ihre Eigenschaften entstehen durch eine zusammenhängende Prozessfolge: Pulverherstellung, Mischen, Verdichten, Sintern, gegebenenfalls Nachverdichten und Wärmebehandlung. Jede Stufe beeinflusst die nachfolgende. Die Zerstäubung steuert die chemische Zusammensetzung und Reinheit der Partikel; die Verdichtung bestimmt die Verteilung der Presslingsdichte; das Sintern verändert die Porenmorphologie und die Karbidgrenzflächen; und Härten, Anlassen oder andere Wärmebehandlungen legen das endgültige Gefüge sowie den Eigenspannungszustand fest. Diese Prozessgeschichte schafft eine eigenständige Werkstofffamilie. Sie verhindert zugleich die pauschale Aussage, dass jeder PM-Werkzeugstahl einem entsprechenden Werkstoff aus dem Blockguss überlegen ist. Das Ergebnis hängt von der Sorte, dem Pulverherstellungsverfahren, dem Konsolidierungsverfahren, der Wärmebehandlung und den Anforderungen im Einsatz ab. ### Warum die Kontrolle der Karbide wichtig ist Karbide liefern einen großen Teil der Verschleißbeständigkeit von Werkzeugstählen mit hohem Kohlenstoff- und Legierungsgehalt; allein der Karbidvolumenanteil bestimmt jedoch nicht die Leistungsfähigkeit. Größe, Form, chemischer Typ, Abstand und Verteilung sind gleichermaßen wichtig. Ein Stahl mit einem hohen Karbidanteil kann eine geringe Zähigkeit aufweisen, wenn die Karbide ein zusammenhängendes Netzwerk oder segregierte Bänder bilden. Große, kantige Partikel können als Rissinitiatoren wirken, insbesondere wenn Bearbeitungslasten, Stoßbeanspruchung oder thermische Zyklen örtliche Zugspannungen verursachen. Bei der konventionellen Blockmetallurgie kühlt die flüssige Legierung durch einen vergleichsweise großen Gussquerschnitt ab. Während der Erstarrung primärer Dendriten wird solutreiches Flüssigmetall zurückgedrängt, und die verbleibende Flüssigkeit reichert sich zunehmend mit Kohlenstoff und karbidbildenden Elementen an. Dadurch entsteht eine Mikroseigerung. Chrom, Molybdän, Vanadium, Wolfram und Kohlenstoff können sich daher in interdendritischen Bereichen ansammeln, wo grobe eutektische Karbide entstehen. Schmieden und thermomechanische Bearbeitung können diese Struktur aufbrechen, ihre chemischen Ursprünge jedoch nicht immer beseitigen. Große Querschnitte und stark legierte Zusammensetzungen verschärfen das Problem. Die Pulverherstellung verändert den Maßstab der Erstarrung. Bei der Gaszerstäubung wird die Schmelze in kleine Tropfen zerlegt, die rasch abkühlen. Dadurch werden die Legierungselemente eingefroren, bevor sich das für einen großen Block typische Seigerungsmuster entwickeln kann. Nach dem Verdichten und Sintern oder nach einem druckunterstützten Nachverdichtungsschritt kann die resultierende Karbidpopulation wesentlich feiner sein. PM-Werkzeugstähle können eine feine, abgerundete und vergleichsweise isotrope Karbidverteilung erzeugen, anstatt der länglichen Karbidbänder, die häufig mit stark segregiertem Blockmaterial verbunden sind. Diese Morphologie ist von Bedeutung. Abgerundete Partikel verringern scharfe geometrische Spannungskonzentrationen. Eine gleichmäßigere Verteilung reduziert außerdem lange Schwachstellen im Gefüge, während die Isotropie die Abhängigkeit des Werkstoffverhaltens von der Bearbeitungsrichtung vermindert. Dabei handelt es sich um metallurgische Tendenzen, nicht um Garantien: Unvollständige Verdichtung, eine ungeeignete Wärmebehandlung, eine Verunreinigung des Pulvers oder übermäßige Vergröberung der Karbide können weiterhin Defekte und Anisotropie verursachen. Das PM-Verfahren ermöglicht außerdem Karbidgehalte und Karbidchemien, die mit der konventionellen Blockmetallurgie schwierig und in einigen Fällen unmöglich zu erzielen sind. Hochvanadiumhaltige Sorten sind ein vertrautes Beispiel für diese Konstruktionsaufgabe, da sich die gewünschten Karbide vom Typ MC nur schwer gleichmäßig in einem großen Block verteilen lassen. Andere Legierungskonzepte beruhen auf einer kontrollierten Mischung verschiedener Karbidtypen, beispielsweise chromreicher M7C3-, molybdän- oder wolframhaltiger M6C- und vanadiumreicher MC-Karbide. Das zweckmäßige Gleichgewicht lautet nicht einfach „mehr Karbide“. Ein größerer Anteil kann zwar die Abriebfestigkeit verbessern, zugleich aber die Zähigkeit, die Zerspanbarkeit oder die Ausbruchbeständigkeit verringern. Die Pulverreinheit ist Teil der Karbidkontrolle. Nichtmetallische Einschlüsse können unabhängig von der vorgesehenen Karbidpopulation Risse initiieren, und Oxidfilme auf Pulverpartikeln können an den Grenzen der ursprünglichen Partikel verbleiben, wenn Atmosphäre oder Sinterzyklus unzureichend kontrolliert werden. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung dieses Verfahrens auf pulvergeschmiedete Stahlteile. Die Prüfung auf Einschlüsse gehört daher zum Werkstoffspezifikations- und Prozessregelungssystem und nicht nur zur abschließenden Schadensanalyse. Die Porosität stellt eine weitere Einflussgröße dar. Press- und Sinterprodukte behalten miteinander verbundene oder geschlossene Poren, sofern ein Nachverdichtungsvorgang diese nicht verringert. Poren reduzieren die wirksame lasttragende Fläche und können als Keimstellen für Risse wirken. Ihre Größe, Form und Lage sind wichtiger als ein allein betrachteter nomineller Dichtewert. Heißisostatisches Pressen, Pulverschmieden oder andere Nachverdichtungsverfahren können diesen Zustand verändern, beeinflussen jedoch auch die Kosten, das Maßverhalten und das endgültige Gefüge. ### ISO 4957:2018 und PM-Werkzeugstahlerzeugnisse ISO 4957:2018 ist die maßgebliche internationale Norm für Werkzeugstähle und schließt ausdrücklich Erzeugnisse ein, die durch Pulvermetallurgie hergestellt werden. Ihr Anwendungsbereich umfasst außerdem warmgewalzte, geschmiedete, kaltgezogene und kaltgewalzte Erzeugnisse. Dies ist von Bedeutung, weil die Norm die PM-Herstellung als einen Erzeugungsweg innerhalb des Bereichs der Werkzeugstähle behandelt und zugleich anerkennt, dass die verfahrensspezifische Struktur und Verarbeitung den unter einer Bezeichnung gelieferten Werkstoff beeinflussen können. Die Norm sollte nicht so verstanden werden, als seien alle Erzeugnisformen metallurgisch austauschbar. Ein PM-Erzeugnis und ein geschmiedetes Erzeugnis können dieselbe Sortenbezeichnung oder dieselben Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung aufweisen und sich dennoch hinsichtlich Karbidverteilung, Porosität, Reinheit, Maßgeschichte und Reaktion auf die Wärmebehandlung unterscheiden. Der Abnehmer oder Konstrukteur muss daher die Erzeugnisform und den maßgeblichen Lieferzustand festlegen und darf sich nicht allein auf die Sortenbezeichnung verlassen. ISO 4957:2018 behandelt die Anforderungen an Werkzeugstähle, ist jedoch nicht die einzige für pulververarbeitete Stähle relevante Norm. ISO 5755:2022 legt Anforderungen an gesinterte Metallwerkstoffe fest, darunter gesintertes Eisen, gesinterte Stähle, legierte Stähle und nichtrostende Konstruktionswerkstoffe. ASTM B783-24 klassifiziert pulvermetallurgische Eisenwerkstoffe für Konstruktionen nach chemischer Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im Sinterzustand und Zugfestigkeit im wärmebehandelten Zustand und gilt für durch Pressen und Sintern hergestellte Teile. Diese Dokumente betreffen verwandte Bereiche, ASTM B783-24 ist jedoch kein Ersatz für die Anforderungen an Werkzeugstähle nach ISO 4957:2018. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil viele pulvermetallurgische Eisenwerkstoffe keine Werkzeugstähle sind. Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Zusammensetzungen machen laut dem 2024 von ScienceDirect Topics veröffentlichten Nachschlagewerk *Ferrous Powder Metallurgy* etwa die Hälfte der pulvermetallurgischen Eisenwerkstoffteile aus. Solche Konstruktionswerkstoffe nutzen die PM-Technologie, um eine kontrollierte Dichte, ein kontrolliertes Maßverhalten oder wirtschaftliche Formen nahe der Endkontur zu erzielen; ihre Konstruktionsschwerpunkte unterscheiden sich von denen eines Schnellarbeitsstahls, eines Kaltarbeitsstahls oder einer hochverschleißfesten PM-Sorte. Eine Spezifikation für PM-Werkzeugstahl muss außerdem die Eigenschaften der Pulverpartikel, den Verdichtungsdruck, die Sinteratmosphäre, die Maßänderung, die Porenmorphologie, Einschlüsse und die Wärmebehandlung berücksichtigen. Diese Einflussgrößen wirken zusammen. Beispielsweise kann ein Pulver mit geeigneter chemischer Analyse dennoch uneinheitliche Teile erzeugen, wenn die Partikelgrößenverteilung während des Pressens Dichtegradienten verursacht. Eine korrekte Sintertemperatur kann zu übermäßigem Kornwachstum oder einer Vergröberung der Karbide führen, wenn Haltezeit und Atmosphäre ungeeignet sind. Die Wärmebehandlung wirkt anschließend auf diese ursprüngliche Struktur ein; sie kann nicht jeden zuvor entstandenen Fehler beseitigen. ### Vergleich mit der konventionellen Blockmetallurgie Der deutlichste Vorteil der PM-Technologie liegt in der Kontrolle von Seigerung und Karbidmorphologie. Werkzeugstähle aus der Blockmetallurgie können geschmiedet, geglüht und umgeschmolzen werden, um die Homogenität zu verbessern, und viele konventionelle Sorten erbringen hervorragende Leistungen im Einsatz. Ihre Herstellungsverfahren sind zudem gut etabliert und verfügen über umfangreiche Daten zur Umformung, Zerspanung und Wärmebehandlung. Die PM-Technologie ersetzt sie nicht automatisch. Mit zunehmendem Legierungsgehalt und steigenden Anforderungen an den Karbidanteil wird PM technisch attraktiver. Die schnelle Erstarrung ermöglicht eine feinere Ausgangsstruktur, während die Konsolidierung eine gleichmäßigere Verteilung bewahrt, als sie ein großer Gussblock möglicherweise erreichen kann. Dies kann Kombinationen aus Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit ermöglichen, die durch konventionelles Schmelzen und Schmieden nur schwer zu erzielen sind. Der Vorteil ist jedoch sortenspezifisch. Ein mäßig legierter Werkzeugstahl kann nur geringfügig vom zusätzlichen Pulververfahren profitieren, wenn die konventionelle Verarbeitung bereits eine ausreichende Reinheit und Karbidkontrolle gewährleistet. Die wesentlichen Einschränkungen der PM-Technologie sind die Empfindlichkeit gegenüber Prozessparametern und das Porositätsrisiko. Press- und Sintermaterial erreicht möglicherweise nicht die nahezu vollständige Dichte von Knetlegierungen, und die Maßänderung während des Sinterns muss kontrolliert werden. Verfahren zur vollständigen Verdichtung verringern zwar die Poren, erfordern jedoch zusätzliche thermische und mechanische Verarbeitung. Die Pulverherstellung kann außerdem Oxidfilme oder Einschlüsse einführen, während Handhabung und Mischen eine Entmischung zwischen den Partikeln verursachen können, selbst wenn die Schmelze chemisch homogen war. Die additive Fertigung darf nicht mit der konventionellen Press- und Sinter-PM-Technologie gleichgesetzt werden. Beide Verfahren beginnen mit Metallpulvern, doch das schichtweise Schmelzen oder Binden führt zu anderen Wärmezyklen, Eigenspannungen, Oberflächenzuständen und Fehlermechanismen. Das 2020 veröffentlichte ASM-Handbuchkapitel des NIST zur additiven Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen nennt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Bauprozess als wesentliche Einflussgrößen bei additiv gefertigten Stahlteilen. Diese Aspekte überschneiden sich mit denen der PM-Technologie, die Prozessgeschichten sind jedoch nicht identisch. Vergleiche von Verfahrenswegen sind nur sinnvoll, wenn Güteklasse, Dichte, Produktform und Wärmebehandlung angegeben sind. | Vergleichsachse | Pulvermetallurgischer Verfahrensweg | Herkömmlicher Gussblockverfahrensweg | |---|---|---| | Ausgangsstruktur | Schnell erstarrte Pulverpartikel | Großer Gussblock oder Vorblock | | Größenordnung der Entmischung | Kann durch die Erstarrung kleiner Partikel verringert sein | Entsteht während der Erstarrung großer Querschnitte | | Karbidmorphologie | Kann fein, rund und vergleichsweise isotrop sein | Kann grobe oder ausgerichtete Karbidstrukturen enthalten | | Porosität | Kann nach dem pulvermetallurgischen Pressen und Sintern verbleiben | Wird durch die Konsolidierung zu Knetwerkstoff im Allgemeinen verringert | | Formherstellung | Kann nahezu endkonturnahe Bauteile ermöglichen | Erfordert gewöhnlich mehr Materialabtrag oder Umformung | Der richtige Vergleich lautet daher nicht abstrakt „PM gegen konventionellen Stahl“. Es handelt sich um einen Vergleich festgelegter Sorten und Verfahren: Pulverchemie und Reinheit gegenüber der Homogenität des Blocks; Karbidgröße und -verteilung gegenüber dem geschmiedeten Gefüge; Porenpopulation gegenüber der Dichte von Knetlegierungen; und die vollständige Wärmebehandlungsgeschichte gegenüber der Einsatzbelastung. PM-Werkzeugstähle sind eigenständige Werkstoffe, weil diese Einflussgrößen gemeinsam ausgelegt werden. ## Einschlüsse, Reinheit und pulvergeschmiedeter Stahl ### Nichtmetallische Einschlüsse in Metallpulvern Poren, Einschlüsse, Karbide und Grenzen ehemaliger Partikel sind unterschiedliche mikrostrukturelle Merkmale. | Merkmal | Definition | Typische Bedeutung | |---|---|---| | Pore | Ein Hohlraum in der metallischen Struktur | Verringert die lasttragende Fläche und kann Spannungen konzentrieren | | Einschluss | Eine nichtmetallische oder chemisch unterschiedliche feste Phase | Kann die Bindung unterbrechen oder Risse einleiten | | Karbid | Eine kohlenstoffhaltige harte Phase | Kann die Verschleißbeständigkeit verbessern, jedoch Zähigkeit und Bearbeitbarkeit beeinflussen | | Grenze ehemaliger Partikel | Eine von Pulverkontakten übernommene Grenzfläche | Kann Oxide oder schwach gebundene Bereiche enthalten | Nichtmetallische Einschlüsse sind Fremdphasen oder chemisch eigenständige feste Phasen innerhalb eines Metallpulverpartikels oder zwischen Partikeln. Sie sind nicht mit gewöhnlichen Poren der Pulvermetallurgie gleichzusetzen. Eine Pore ist ein Hohlraum, also ein Bereich, der nach dem Polieren und Präparieren Gas oder Vakuum enthält. Ein Einschluss ist dagegen ein Material, beispielsweise ein Oxid, Silikat, Nitrid, Karbid, ein aus Schlacke stammendes Partikel oder eine andere nichtmetallische Verbindung, das einen Teil des Pulvers oder des konsolidierten Gefüges einnimmt. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil die Pulverherstellung zahlreiche Möglichkeiten für Verunreinigungen und Oberflächenreaktionen schafft. Bei der Zerstäubung können Oxidfilme oder mitgerissenes Feuerfestmaterial entstehen. Die Handhabung, das Sieben, das Mischen und der Transfer des Pulvers können Partikel aus der Ausrüstung oder der umgebenden Atmosphäre einbringen. Ein Pulverpartikel kann außerdem ein Oberflächenoxid tragen, das nach der Verdichtung als dünne, einschlussreiche Schicht erscheint. Die chemische Zusammensetzung des Stahls beschreibt diesen Zustand nicht vollständig. Zwei Chargen mit demselben nominellen Gehalt an Kohlenstoff, Chrom, Molybdän oder Nickel können sich unterschiedlich verhalten, wenn sich ihre Einschlüsse hinsichtlich Größe, Chemie oder Lage unterscheiden. Diese Problematik ist bei Eisenbasiswerkstoffen der Pulvermetallurgie besonders wichtig, da die Pulveroberfläche Teil des Ausgangsgefüges ist. Durch die Verdichtung werden die Partikel in Kontakt gebracht, während beim Sintern Kontaktstellen ausgebildet werden und Diffusion über diese Kontaktstellen hinweg möglich wird. Ein Einschluss an einer Partikelgrenze kann die Bindung stärker beeinträchtigen als ein Einschluss im Inneren eines Partikels. Ein dünner Oxidfilm kann als diskontinuierliche Grenze bestehen bleiben, während ein kleines, isoliertes Partikel beim Sintern von Stahl umschlossen werden kann. Die endgültige Wirkung hängt sowohl vom Einschluss als auch von der nachfolgenden thermischen und mechanischen Vorgeschichte ab. Auch die übergeordnete Werkstofffamilie lässt sich nicht einfach als herkömmlicher, zu Pulver verarbeiteter Stahl klassifizieren. ASTM B783-24 klassifiziert Bauteile aus Eisenbasiswerkstoffen der Pulvermetallurgie nach chemischer Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im gesinterten Zustand und Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung und erfasst dabei Bauteile, die durch Pressen und Sintern hergestellt werden. ISO 5755:2022 legt Anforderungen an gesinterte Strukturwerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und nichtrostendem Stahl fest. Keine der beiden Klassifizierungen ersetzt die Untersuchung der Pulverreinheit. Eine Bezeichnung kann die Zusammensetzung und die geforderten Eigenschaften festlegen, ohne zu erklären, ob ein Bruch an einem Oxidfilm, einer Pore, einem Karbidcluster oder einer Grenzfläche zwischen diesen Bereichen entstanden ist. Die Legierungsauslegung fügt eine weitere Ebene hinzu. Kupfer, Nickel und Molybdän sind übliche Zusätze zu Eisenbasisstählen der Pulvermetallurgie, und Zusammensetzungen aus Eisen, Kupfer und Kohlenstoff machen gemäß der zitierten Referenz *ScienceDirect Topics* (2024) etwa die Hälfte der Bauteile aus Eisenbasiswerkstoffen der Pulvermetallurgie aus. Diese Legierungselemente verändern das Sintern, die Maßänderung, die Härtbarkeit und die Phasenbildung; sie machen jedoch einen Oxid- oder Silikateinschluss nicht zu einem Bestandteil der vorgesehenen Legierung. Pulvermetallurgische Werkzeugstähle können außerdem feine, abgerundete und annähernd isotrope Karbidstrukturen sowie Karbidgehalte oder -zusammensetzungen aufweisen, die durch die herkömmliche Blockmetallurgie nur schwer zu erzielen sind. Solche Karbide dürfen nicht automatisch als nichtmetallische Einschlüsse erfasst werden: Eine Phasenidentifizierung ist erforderlich. ### Prüfverfahren nach ISO 13947:2024 ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest. Der Anwendungsbereich gestattet außerdem die Anwendung auf pulvergeschmiedete Stahlbauteile, wodurch die Norm über die Untersuchung von losem Ausgangspulver hinaus relevant ist. Diese Erweiterung ist bedeutsam, weil die Konsolidierung das Erscheinungsbild und die räumliche Anordnung eines Einschlusses verändert. Ein vor der Konsolidierung angewandtes Prüfverfahren beantwortet eine andere Frage als ein nach dem Schmieden angewandtes Verfahren. Die Norm sollte daher als Messrahmen und nicht als allgemeine Reinheitsklasse verstanden werden. Sie legt fest, wie die Bestimmung durchzuführen ist, während die Spezifikation für ein bestimmtes Pulver, einen Pressling oder ein Bauteil die erforderliche Grundlage der Berichterstattung und etwaige Annahmekriterien festlegen muss. Die verfügbaren Informationen rechtfertigen nicht die Festlegung einer allgemeinen maximalen Einschlussgröße, eines maximalen Flächenanteils, einer maximalen Anzahl oder eines allgemeinen Annahmegrenzwerts für alle Stähle der Pulvermetallurgie. Ein solcher Grenzwert müsste sich aus der jeweils geltenden Produktnorm, der Bestellspezifikation, dem Qualifizierungsplan oder einer nachgewiesenen Anforderung aus dem Betrieb ergeben. Die Interpretation hängt auch von der Probenpräparation ab. Ein polierter Schliff stellt einen zweidimensionalen Schnitt durch dreidimensionale Partikel und Grenzflächen dar. Ein langer Einschluss kann als kurzes Fragment erscheinen, während ein dünner, parallel zum Schliff ausgerichteter Film unverhältnismäßig kontinuierlich wirken kann. Präparationsschäden, Ausbrüche, Verschmierungen und Ätzung können Merkmale erzeugen, die Rissen oder nichtmetallischen Partikeln ähneln. Die Identifizierung sollte daher die vorgeschriebene Untersuchungsmethode mit einer geeigneten metallografischen Kontrolle und, falls erforderlich, einer chemischen Analyse oder mikroanalytischen Bestätigung verbinden. Bei pulvergeschmiedetem Stahl muss auch der Ort der Probenahme ebenso sorgfältig dokumentiert werden. Aus einem Behälter entnommenes Pulver, ein vor dem Schmieden untersuchter Pressling und aus einem geschmiedeten Bereich entnommenes Material repräsentieren nicht dieselbe Grundgesamtheit. Das Schmieden kann Einschlüsse zerbrechen, abflachen, drehen oder umverteilen; außerdem können dabei nahegelegene Poren geschlossen und der zur Unterscheidung beider Merkmale verwendete Kontrast verändert werden. Ein Ergebnis ohne Angaben zu Pulvercharge, Bauteilposition, Orientierung, Schliffpräparation und Prozessgeschichte ist nur schwer mit einem anderen Ergebnis vergleichbar. ### Auswirkungen von Einschlüssen nach der Konsolidierung Die Konsolidierung verändert die Geometrie eines Einschlusses und damit auch seine mechanische Bedeutung. Während des Pressens und Sinterns kann ein Einschluss an einer Partikelkontaktstelle das örtliche Wachstum von Sinterhälsen verhindern und eine schwache Grenzfläche hinterlassen. Beim Pulverschmieden kann die Verformung dieses Merkmal zu einer strangartigen Diskontinuität abflachen, ein sprödes Partikel zerbrechen oder den umgebenden Stahl dagegenpressen. Der Einschluss ist nicht zwangsläufig verschwunden, nur weil er in einem polierten Schliff weniger deutlich erkennbar ist. Poren wechselwirken auf verschiedene Weise mit Einschlüssen. Ein Einschluss kann an einer Partikelgrenze die Bildung oder den Erhalt eines Spalts auslösen und dadurch eine Verbindung zwischen Einschluss und Pore erzeugen. Eine Pore kann mehr Oberfläche des Einschlusses freilegen und eine scharfe lokale Kerbe bilden. Umgekehrt kann das Schmieden die Pore schließen, während der Einschluss oder eine oxidreiche Grenzfläche zurückbleibt. Ein Mikrogefüge kann dann einen dichten Bereich mit einer planaren Diskontinuität zeigen, obwohl der ursprüngliche Fehler sowohl eine Pore als auch einen Einschluss umfasste. Wenn jedes dunkle Merkmal als Pore bezeichnet wird, wird diese Prozessgeschichte verschleiert. Die Morphologie ist für die Interpretation entscheidend. Abgerundete, isolierte Partikel erzeugen im Allgemeinen eine andere Spannungskonzentration als kantige Partikel, langgestreckte Filme oder Ansammlungen von Bruchstücken. Auch die Verteilung ist von Bedeutung: Eine geringe Anzahl weit voneinander getrennter Einschlüsse ist nicht gleichwertig mit einem Band entlang einer früheren Pulvergrenze oder einem wiederkehrenden, in Schmiederichtung ausgerichteten Cluster. Eine weitere Variable ist die Bindung. Ein von Stahl eng umschlossener Einschluss kann eine andere Wirkung haben als ein Einschluss, der weiterhin an einer ungebundenen Grenzfläche haftet. Diese Unterscheidungen beeinflussen Zugbruch, Ermüdungsrissinitiierung, Kerbschlagverhalten sowie Ergebnisse der maßlichen oder thermischen Verarbeitung; ohne Kenntnis der Einschlusschemie, der Größenverteilung, der Porosität, des Matrixgefüges, der Belastungsart und der Orientierung kann jedoch keine allgemeingültige Rangfolge festgelegt werden. Das von NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook über die additive Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen (2020) behandelt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach der Fertigung ebenfalls als miteinander verbundene Einflussgrößen bei Stahlbauteilen. Dieser Vergleich ist für die Fehleranalyse nützlich, doch die additive Fertigung darf nicht mit der konventionellen PM-Herstellung durch Pressen und Sintern oder mit dem Pulverschmieden gleichgesetzt werden. Eine belastbare Bewertung verknüpft die Ergebnisse nach ISO 13947:2024 daher mit der Pulverroute, dem Verdichtungsdruck, dem Sinterzyklus, dem Schmiedegrad, der Wärmebehandlung, der Dichte, der Porenmorphologie und dem Bruchort. Randall German ordnet in *A-Z of Powder Metallurgy* (2005) Pulverherstellung, Verdichtung, Sintern, Verdichtung durch Sinterprozesse, Gefüge und Porosität in eine gemeinsame Prozessabfolge ein. Auch Einschlüsse gehören in diese Abfolge. Reinheit ist kein losgelöstes Pulverzeugnis, sondern ein Merkmal, dessen Bedeutung sich verändern kann, während der Stahl verdichtet, gesintert, geschmiedet, bearbeitet und geprüft wird. ## Stähle der Pulvermetallurgie im Vergleich zu additiv gefertigten Stählen #### Pulvermetallurgie und additive Fertigung sind unterschiedliche Verfahren Beim pulvermetallurgischen Pressen und Sintern wird Pulver vor der Ofenbindung in einem Gesenk verdichtet. Die additive Fertigung baut durch örtlich begrenztes Schmelzen oder Verschmelzen Schicht für Schicht auf und erzeugt dadurch andere Temperaturgradienten, Defektmechanismen, Eigenspannungen und Anforderungen an die Qualifizierung. Stähle der Pulvermetallurgie (PM) und additiv gefertigte Stähle (AM) haben einen gemeinsamen Ausgangspunkt: Beide können mit Metallpulver beginnen, dessen Chemie, Partikelgröße, Morphologie, Reinheit und Lagergeschichte den fertigen Werkstoff beeinflussen. Sie durchlaufen jedoch nicht dieselbe Prozessroute. Bei der PM-Herstellung durch Pressen und Sintern wird ein Pressling in einem Werkzeug geformt und anschließend werden die Partikel beim Sintern im Ofen miteinander verbunden. Bei der additiven Fertigung wird ein Bauteil schrittweise aufgebaut, üblicherweise durch selektives Schmelzen oder eine andere Form der Konsolidierung des Pulvers in aufeinanderfolgenden Schichten. Das gemeinsame Ausgangspulver macht die daraus entstehenden Werkstoffe nicht austauschbar. Die Unterscheidung ist sowohl für die Normung als auch für die Metallurgie von Bedeutung. ASTM B783-24 klassifiziert Strukturwerkstoffe aus Eisenbasiswerkstoffen der Pulvermetallurgie nach chemischer Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im gesinterten Zustand und Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung; der Anwendungsbereich umfasst Bauteile, die durch Pressen und Sintern hergestellt werden. ISO 5755:2022 legt Anforderungen an gesinterte Strukturwerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und nichtrostendem Stahl fest. Diese Dokumente beschreiben eine Werkstofffamilie, die an eine definierte Konsolidierungsroute gebunden ist. Ein AM-Bauteil kann eine chemisch ähnliche Legierung verwenden, doch seine Qualifizierung muss die Maschine, die Energiequelle, die Schichtstrategie, die Bauorientierung, die Atmosphäre und die thermische Vorgeschichte berücksichtigen. Das 2020 veröffentlichte und von NIST herausgegebene Kapitel „Additive Manufacturing of Steels and Stainless Steels“ im *ASM Handbook* bietet einen nützlichen kontrollierten Vergleich. Es behandelt AM-Stähle als pulververarbeitete Werkstoffe, legt jedoch besonderes Gewicht auf Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Aufbau. Diese Fragestellungen überschneiden sich mit PM, während sich ihre Ursachen und Verteilungen deutlich unterscheiden können. ### Gemeinsame Aspekte des Pulver-Ausgangsmaterials Pulver ist kein neutraler Bestandteil. Gas-, Wasser-, Plasma- und andere Zerstäubungsverfahren erzeugen unterschiedliche Partikelformen, Oberflächenoxide, Satellitenpartikel, innere Hohlräume und Korngrößenverteilungen. Für Pulverbettverfahren kann kugelförmiges, gut fließfähiges Pulver erforderlich sein, während Press- und Sinterverfahren Pulver aufnehmen können, die nach Kompressibilität, scheinbarer Dichte, Reaktion auf Schmiermittel und Formfüllung ausgewählt wurden. Eine Pulverspezifikation kann daher nicht unabhängig von der Ausrüstung und dem Konsolidierungsverfahren beurteilt werden, für die sie entwickelt wurde. Die Chemische Zusammensetzung ist nur ein Teil der Kontrolle des Ausgangsmaterials. Kupfer, Nickel und Molybdän sind übliche Zusätze in Eisenpulver- und PM-Stählen, und Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Zusammensetzungen machen laut dem 2024 abgerufenen Eintrag *Ferrous Powder Metallurgy* in ScienceDirect Topics etwa die Hälfte der Eisen- und Stahlteile aus PM aus. Legierungszusätze können als Elementar- oder Vorlegierungspulver zugemischt werden, was unterschiedliche Auswirkungen auf die lokale Chemie, die Kompressibilität, das Sinterverhalten und die Maßänderung hat. AM-Ausgangsmaterial wird häufiger als eng kontrolliertes Vorlegierungspulver bereitgestellt. Doch auch dort können wiederholte Handhabung oder Wiederverwendung des Pulvers die Partikelgrößenverteilung, den Sauerstoffgehalt, die Feuchtebelastung und den Anteil teilweise verschmolzener Partikel verändern. Oberflächenfilme verdienen besondere Aufmerksamkeit. Eine dünne Oxidschicht kann die Bindung zwischen den Partikeln während des Sinterns behindern, das Schmelzen und Benetzen während AM beeinträchtigen oder sauerstoffreiche Fehler verursachen. Nichtmetallische Einschlüsse können während des Schmelzens, der Zerstäubung, der Handhabung oder des Recyclings eingebracht werden. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung auf pulvergeschmiedete Stahlteile. Dieser Anwendungsbereich macht das Verfahren nicht automatisch zu einem Qualifizierungsverfahren für jeden AM-Prozess; er zeigt jedoch, warum die Prüfung auf Einschlüsse mit dem Pulverweg und dem Herstellungsweg des Bauteils verknüpft werden muss. PM-Pulver wird vor der Verdichtung üblicherweise mit Schmiermitteln und, sofern erforderlich, mit Graphit oder anderen Legierungszusätzen gemischt. Diese Zusätze beeinflussen die Grünfestigkeit, den Ausstoß, die Kohlenstoffverteilung und die beim Erwärmen freigesetzten Gase. AM-Pulver gelangt normalerweise ohne ein entsprechendes Verdichtungsschmiermittelpaket in ein Beschichter- oder Pulverzuführsystem. Ein Pulver, das sich in einem Verfahren akzeptabel verhält, kann in einem anderen zu schlechtem Fließverhalten, übermäßiger Gasentwicklung, Entmischung oder instabiler Konsolidierung führen. ### Unterschiedliche Konsolidierungsmechanismen Beim Press- und Sinterverfahren von PM wird zunächst ein makroskopischer Druck ausgeübt. Eine Matrize verdichtet das Pulver zu einem Grünling, wodurch Kontakte zwischen den Partikeln entstehen, während ein zusammenhängendes Porennetz bestehen bleibt. Anschließend wird der Grünling unterhalb des hauptsächlichen Schmelzbereichs gesintert, sodass Diffusion, Halswachstum, Abrundung der Poren und metallurgische Bindung ermöglicht werden. Ofenatmosphäre, Aufheizrate, Sintertemperatur, Haltezeit und Abkühlrate steuern den Kohlenstoffverlust, die Oxidation, die Maßänderung und die endgültige Porenstruktur. Zu den Nachbearbeitungsverfahren können Kalibrieren, Nachverdichten, Infiltrieren, Pulverschmieden, heißisostatisches Pressen oder eine Wärmebehandlung gehören. AM bringt Energie lokal und wiederholt ein. Beim Laser-Pulverbettfusionieren oder Elektronenstrahl-Pulverbettfusionieren überstreicht ein fokussierter Strahl eine dünne Schicht, schmilzt oder sintert ausgewählte Bereiche und wirkt anschließend auf die nächste aufgetragene Schicht ein. Beim gerichteten Energieeintrag wird Pulver in ein Schmelzbad eingebracht, während das Bauteil entsteht. Jede Spur und jede Schicht erfährt eine schnelle Erwärmung und Abkühlung, ein erneutes Aufschmelzen, Erstarrung sowie eine Wiedererwärmung durch nachfolgende Bahnen. Die resultierende Mikrostruktur wird daher durch die Scanstrategie, die Energiedichte, die Schichtdicke, die Geometrie des Schmelzbads, die Schutzatmosphäre und die Wärmeabfuhr über die Bauplatte bestimmt. Dies ist nicht einfach eine schnellere Variante des Pressens und Sinterns. Bei PM bestimmt die Matrize die Form des Presslings, und der Ofen setzt einen großen Teil des Bauteils einem vergleichsweise langen thermischen Zyklus aus. Bei AM wird die Geometrie Schicht für Schicht erzeugt, und die Temperaturgradienten können steil sein. Ein dichter AM-Bereich kann feine Erstarrungszellen, säulenförmige Körner oder richtungsabhängige Merkmale enthalten, für die es in einem gesinterten Pressling kein direktes Gegenstück gibt. Umgekehrt kann PM gezielt eine zusammenhängende oder isolierte Porosität für Funktionen zur Maßkontrolle, zur Lagerung oder zur Flüssigkeitsrückhaltung beibehalten, während bei der Qualifizierung von AM unbeabsichtigte Bindefehler und Keyhole-Poren üblicherweise als zu kontrollierende Fehler betrachtet werden. Auch die Werkstoffbezeichnung kann nicht aufgrund einer bloßen Ähnlichkeit übertragen werden. ISO 4957:2018 gilt für Anforderungen an Werkzeugstahlprodukte, die sowohl durch Pulvermetallurgie als auch durch Warmwalzen, Schmieden, Kaltziehen und Kaltwalzen hergestellt werden. Diese Anerkennung betrifft die Produkte und Anforderungen innerhalb der Norm; sie bedeutet nicht, dass ein AM-Werkzeugstahlbauteil automatisch die Eigenschaften, das Wärmebehandlungsverhalten oder die Grundlage für die Abnahme eines Press- und Sinter- oder Knetprodukts übernimmt. ### Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und Nachbehandlung nach dem Aufbau Porosität tritt in beiden Werkstoffgruppen auf, doch ihre Entstehung und Geometrie sind verfahrensspezifisch. PM-Poren beginnen mit der Packungsanordnung und dem Verdichtungsdruck und verändern sich anschließend während des Sinterns durch Schrumpfung, Diffusion, Porenzusammenwachsen und Abrundung der Poren. In einem gepressten Grünling können Dichtegradienten entstehen, insbesondere wenn Reibung oder eine komplexe Matr geometrie die Druckübertragung begrenzen. Solche Gradienten können nach dem Sintern lokale Maßabweichungen und unterschiedliche mechanische Reaktionen hervorrufen. AM-Porosität steht häufig mit Bindefehlern, unzureichendem Energieeintrag, instabilem Verhalten des Schmelzbads, eingeschlossenem Gas, Keyhole-Instabilität oder Störungen des Pulverbets in Zusammenhang. Poren können zwischen den Bahnen länglich, an unzureichend verschmolzenen Grenzflächen unregelmäßig oder bei im Schmelzbad eingeschlossenem Gas eher kugelförmig sein. Ihre Lage in Bezug auf die Baurichtung und freie Oberflächen kann die Prüfung und das Ermüdungsverhalten beeinflussen. Ein nominaler Dichtewert allein kennzeichnet die Fehlerpopulation nicht. Auch Einschlüsse sind vom jeweiligen Herstellungsweg abhängig. Bei PM können Einschlüsse bereits im ursprünglichen Pulver vorhanden sein, während des Mischens eingebracht werden oder durch Reaktionen während des Sinterns entstehen. Bei AM können Einschlüsse aus dem Pulver übernommen, durch Oxidation erzeugt oder durch wiederholtes Schmelzen und Erstarren umverteilt werden. Das von NIST herausgegebene Kapitel im *ASM Handbook* stellt Einschlüsse neben die Porosität, weil beide die Kontinuität unterbrechen und als Ausgangsstellen für Schädigungen wirken können, selbst wenn die chemische Gesamtzusammensetzung der Nennspezifikation entspricht. Eigenspannungen sind ein prägendes AM-Thema, weil sich jede Schicht zusammenzieht, während sie durch kälteres umgebendes Material und die Bauplatte behindert wird. Wiederholte thermische Zyklen können nahe Oberflächen oder in geometrisch behinderten Bereichen Zugspannungen hinterlassen, die Verzug, Rissbildung oder eine Spannungsfreisetzung beim Entfernen der Stützstrukturen und bei der Bearbeitung verursachen. Auch PM-Presslinge weisen durch Verdichtung und Ausstoß innere Spannungen auf, doch das Spannungsfeld entsteht durch eine andere Abfolge und wird anschließend durch Sintern, Kalibrieren und Wärmebehandlung verändert. Die Nachbehandlung muss folglich verfahrensbezogen beschrieben werden. Bei PM können je nach spezifiziertem Werkstoff und Bauteil Sintern, Aufkohlen, Härten und Anlassen, heißisostatisches Pressen, Infiltrieren oder Kalibrieren eingesetzt werden. AM kann Spannungsarmglühen, Lösungsglühen, Auslagern, Härten und Anlassen, heißisostatisches Pressen, Bearbeitung oder eine Oberflächenbehandlung erfordern. Diese Verfahren können Poren schließen, die Karbidmorphologie verändern, Spannungen abbauen und die Maßstabilität beeinflussen, beseitigen jedoch nicht die vorherige Prozessgeschichte. Pulvermetallurgische Werkzeugstähle veranschaulichen diesen Punkt. Ihre schnelle Erstarrung und der kontrollierte Pulverweg können feine, abgerundete und relativ isotrope Karbidstrukturen hervorbringen, einschließlich Karbidgehalten oder -zusammensetzungen, die durch die konventionelle Blockmetallurgie nur schwer oder überhaupt nicht erzielt werden können. Auch ein AM-Stahl kann eine verfeinerte Erstarrungsstruktur entwickeln; seine Karbidverteilung und sein Verhalten bei der Wärmebehandlung müssen jedoch für den jeweiligen AM-Prozess ermittelt werden. Eine PM-Gütenbezeichnung, eine Dichteanforderung, ein Zugfestigkeitswert oder ein Wärmebehandlungsplan darf daher einem AM-Bauteil nicht ohne verfahrensspezifische Nachweise zugewiesen werden. Das gleiche Verbot gilt umgekehrt. Eine ähnliche Pulverchemie ist kein Beleg für eine gleichwertige Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen, Mikrostruktur oder Qualifizierungsstatus. ## Auslegung, Prüfung und Schadensanalyse ### Auslegung unter Berücksichtigung von Dichte und Kraftfluss Ein Bauteil aus pulvermetallurgischem Stahl sollte als Werkstoffzustand spezifiziert werden, nicht lediglich durch die Bezeichnung einer nominellen Legierung. Die Konstruktionsdokumentation sollte die Werkstoffbezeichnung, die anzuwendende Norm, den Dichtezustand, die Orientierung relativ zur Verdichtung, das Sinter- oder Verdichtungsverfahren, die Wärmebehandlung und die als kritisch eingestuften Bereiche angeben. „Stahl“ beschreibt nicht genug. Ein gepresster und gesinterter Werkstoff mit zusammenhängender Porosität, ein vakuumaufgekohlter Werkstoff und ein heißisostatisch gepresster Werkstoff können zwar die gleiche nominelle chemische Zusammensetzung aufweisen, Lasten jedoch auf völlig unterschiedliche Weise übertragen. ASTM B783-24 klassifiziert Strukturwerkstoffe der Eisenpulvermetallurgie nach chemischer Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im Sinterzustand und Zugfestigkeit im wärmebehandelten Zustand. Diese Struktur ist ein wichtiger Hinweis für Konstrukteure: Die Dichte ist Bestandteil der Werkstoffdefinition. ISO 5755:2022 legt ebenfalls Anforderungen an gesinterte Strukturwerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und nichtrostendem Stahl fest. Eine Zeichnung, die nur eine Güte ohne Angabe des Dichtezustands oder des erforderlichen mechanischen Zustands nennt, lässt eine wesentliche Variationsquelle unkontrolliert. Porosität verändert sowohl die wirksame lasttragende Fläche als auch den von einem Riss genommenen Weg. Große, unregelmäßige Poren, Porencluster und scharfkantige Porenecken führen zu Spannungskonzentrationen; abgerundete, kleine und gut verteilte Poren haben eine andere Wirkung. Die Dichte kann außerdem innerhalb eines Presslings variieren, weil Pulverbewegung und Reibung verhindern, dass jeder Bereich denselben Druck erhält. Ein dicker Ansatz, ein dünner Steg und eine tiefe innere Ecke können daher zu unterschiedlichen lokalen Strukturen sintern, selbst wenn sie aus einer einzigen Pulvermischung und mit einem einzigen Presszyklus hergestellt wurden. Der Kraftfluss sollte dreidimensional untersucht werden. Zugspannungen, die einen Dichtegradienten durchqueren, Biegung an einem Querschnittsübergang und zyklische Scherung nahe einer Verdichtungsrichtung können Schwachstellen sichtbar machen, die eine einfache Berechnung auf Grundlage der Nennfestigkeit nicht erfasst. Konstrukteure sollten die Hauptlastrichtung und die Pressachse in der Bauteilzeichnung kennzeichnen und anschließend Oberflächen, Bohrungen, Keilwellen, Keilnuten und Absätze identifizieren, an denen lokale Spannung oder Verschleiß von Bedeutung sind. Merkmale, die über ihre gesamte Dicke eine gleichmäßige Dichte erfordern, können eine andere Verdichtungsanordnung, eine nachträgliche Verdichtung oder ein konventionell gewalztes oder zerspantes Bauteil erforderlich machen. Pulvermetallurgie bedeutet nicht eine einzige Standardfamilie von Legierungen. Kupfer, Nickel und Molybdän sind übliche Zusätze, und Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Zusammensetzungen machen laut der zitierten Referenz *ScienceDirect Topics* (2024) ungefähr die Hälfte der Bauteile aus Eisenpulvermetallurgie aus. Werkzeugstähle, die mittels Pulvermetallurgie hergestellt werden, stellen einen gesonderten Auslegungsfall dar: Ihre feinen, abgerundeten und stärker isotropen Karbidstrukturen können Karbidgehalte oder Zusammensetzungen ermöglichen, die durch die konventionelle Blockmetallurgie nur schwer oder überhaupt nicht herstellbar sind. ISO 4957:2018 wendet Anforderungen an Werkzeugstahl sowohl auf pulvermetallurgisch hergestellte Erzeugnisse als auch auf warmgewalzte, geschmiedete, kaltgezogene und kaltgewalzte Erzeugnisse an; das Herstellungsverfahren gehört dennoch in die Spezifikation und den Prüfplan. ### Maßkontrolle und Nachbearbeitung Die Abmessungen bleiben vom Befüllen der Matrize bis zur Endprüfung nicht unverändert. Durch die Verdichtung entsteht ein bewusst geformter Grünpressling; beim Sintern kommt es anschließend durch Bindung, Schrumpfung, Diffusion von Legierungselementen und den Abbau gespeicherter Spannungen zu Maßänderungen. Richtung und Größe dieser Änderungen hängen von Pulverart, Schmiermittel, Verdichtungsdruck, Geometrie, Ofenatmosphäre, Temperatur, Zeit und Auflagebedingungen ab. Eine Toleranz, die sich nach der Bearbeitung problemlos einhalten lässt, kann im Sinterzustand unrealistisch sein. Umgekehrt kann eine Konstruktion, bei der jede Oberfläche bearbeitet wird, die wirtschaftlichen und geometrischen Vorteile des Pressens zunichtemachen. Kalibrieren ist ein übliches Verfahren nach dem Sintern. Ein kontrollierter Matrizenhub kann ausgewählte Abmessungen korrigieren, die Wiederholbarkeit verbessern oder eine funktionsgerechte Passung wiederherstellen, ohne viel Material abzutragen. Zerspanung bleibt dort zweckmäßig, wo eine enge Bohrung, eine Bezugsfläche, ein Gewinde, eine Dichtfläche oder ein komplexes Merkmal nicht allein durch Pressen und Kalibrieren hergestellt werden kann. Beim Zerspanen porösen Stahls sind Ausbrüche an Kanten, verschmiertes Material, Werkzeugverschleiß und die Möglichkeit zu berücksichtigen, dass eine scheinbar saubere Oberfläche zusammenhängende Poren freilegt. Bei der Prüfung sollte zwischen einem maßlichen Bearbeitungsfehler und einer unter der Oberfläche liegenden Pore oder einer durch das Sintern bedingten Dichteabweichung unterschieden werden. Das Fügen kann Schweißen, Löten, mechanisches Befestigen oder den Zusammenbau mit einem anderen Bauteil umfassen; Porosität und Legierungschemie beeinflussen jedoch Wärmefluss, Gasfreisetzung, Benetzung und Verbindungsfestigkeit. Ein Fügeverfahren sollte daher am tatsächlichen PM-Zustand qualifiziert werden und nicht aus einem gewalzten oder geschmiedeten Vergleichswerkstoff abgeleitet werden. Beim Infiltrieren kann ein Teil des Porenvolumens mit einem zweiten Werkstoff gefüllt und dadurch die wirksame Dichte erhöht oder das Oberflächenverhalten verändert werden. Infiltration ist ein spezifizierter Auslegungsweg und keine automatische Reparatur für unzureichende Verdichtung. Ebenso können Oberflächenbehandlungen wie Aufkohlen, Nitrieren, Plattieren, Dampfbehandlung oder Beschichten Verschleiß, Korrosionsbeständigkeit, Reibung oder Dichtwirkung verbessern; Behandlungstiefe und Kontinuität können jedoch durch Porenstruktur und lokale Zusammensetzung variieren. Nachsinteroperationen müssen in ihrer Reihenfolge dokumentiert werden. Ein Bauteil, das vor der Wärmebehandlung kalibriert wurde, kann sich anders verhalten als ein erst danach kalibriertes Bauteil. Eine Bearbeitung vor dem Aufkohlen kann die Geometrie der Einsatzschicht verändern; eine Bearbeitung nach der Behandlung kann einen Teil der behandelten Schicht abtragen. Das Fügen kann einen lokalen thermischen Zyklus einführen, während die Infiltration Masse und Abmessungen verändern und die Interpretation einer Dichtemessung beeinflussen kann. Der Prüfplan sollte die Operation, das überwachte Merkmal, das Annahmeverfahren und den Zustand angeben, in dem die Messung durchgeführt wird. Pulvereigenschaften, Verdichtung, Sintern, Porenmorphologie, Einschlüsse, Maßänderung und Wärmebehandlung sind miteinander verknüpfte Prozessvariablen. Randall Germans *A-Z of Powder Metallurgy* (2005) behandelt diese Themen als zusammenhängende Bestandteile der Pulververarbeitung und nicht als voneinander isolierte Produktionsschritte. Dieser Ansatz ist unerlässlich, wenn sich ein kritisches Maß oder ein Bruch nicht allein durch das abschließende Legierungszeugnis erklären lässt. ### Metallografie und Bruchuntersuchung Eine Schadensanalyse sollte mit den Aufzeichnungen beginnen, nicht mit dem Mikroskop. Zu bestätigen sind die Werkstoffbezeichnung und die Norm, das Pulverlos, die Zusätze zur Mischung, die Verdichtungsrichtung, die Werkzeugkonfiguration, der Sinterzyklus, die Atmosphäre, die Dichtemessungen, die nachträgliche Verdichtung, die Wärmebehandlung, die Bearbeitung, das Fügen und die Oberflächenbehandlung. Wenn möglich, sollte das ausgefallene Bauteil mit einem unbenutzten Bauteil aus demselben Produktionszustand verglichen werden. ASTM B783-24 und ISO 5755:2022 bieten den maßgeblichen Rahmen zur Unterscheidung von chemischer Zusammensetzung, Dichte und mechanischem Zustand; keine der beiden Normen erlaubt es, eine vage Bezeichnung wie „PM-Stahl“ an die Stelle einer nachvollziehbaren Herstellungshistorie zu setzen. Als Nächstes werden Dichte und Poren charakterisiert. Zunächst ist die Rohdichte mit einem geeigneten Verfahren zu bestimmen; anschließend sind Dichtegradienten sowie Größe, Form, Orientierung und Zusammenhängigkeit der Poren in Schnitten aus den gebrochenen und den unbeeinträchtigten Bereichen zu untersuchen. Die metallografische Präparation kann Poren öffnen oder verschmieren. Daher sollten polierte Schliffe gemeinsam mit Bruchflächen und, falls erforderlich, Serienschliffen oder dreidimensionalen Bildgebungsverfahren ausgewertet werden. Ein Riss, der ausgerichteten oder zusammenhängenden Poren folgt, deutet auf eine andere Ursache hin als ein Riss, der einen dichten, angelassenen martensitischen Bereich durchtrennt. In der dritten Phase werden Einschlüsse und Phasen untersucht. Zu suchen ist nach Oxidfilmen, nichtmetallischen Einschlüssen, ungelösten Partikeln, Karbidnetzwerken, Entmischungen, Entkohlung, Rückkohlung, nicht angelassenem Martensit, Bainit, Ferrit und gegebenenfalls Restaustenit, soweit diese für die gewählte Wärmebehandlung relevant sind. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung auf pulvergeschmiedete Stahlbauteile. Befunde zu Einschlüssen sollten mit der Pulverreinheit und den Prozessaufzeichnungen korreliert werden und nicht ohne Berücksichtigung von Spannung und Geometrie als Beweis für eine einzige Ursache gelten. Die Fraktografie liefert anschließend die Abfolge des Ereignisses. Zu identifizieren sind der Bruchursprung, der Bereich des stabilen Risswachstums, die Überlastzone, Ermüdungsmarkierungen, ein inter- oder transkristalliner Rissverlauf sowie Hinweise auf Reibung oder Korrosion nach dem Bruch. Der Bruchursprung ist mit einem Porencluster, einem Einschluss, einer Bearbeitungsspur, einer Fügeschnittstelle, einem Dichteübergang, einer scharfen Ecke oder einer behandelten Schicht in Beziehung zu setzen. Abschließend ist diese Stelle mit der tatsächlichen Belastung zu vergleichen: Biegung, Torsion, Kontaktspannung, Stoß, thermische Wechselbeanspruchung oder Eigenspannung aus der Wärmebehandlung. Das von NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook über die additive Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen (2020) hebt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Bauprozess hervor. Die additive Fertigung darf jedoch nicht mit der konventionellen PM-Herstellung durch Pressen und Sintern gleichgesetzt werden. Erkenntnisse über das Zusammenwirken von Defekten und Spannungen sind nur dann nützlich, wenn die unterschiedliche Vorgeschichte der Pulverablagerung ausdrücklich berücksichtigt wird. Eine belastbare Schlussfolgerung verbindet die Werkstoffhistorie, die lokale Struktur, den Bruchursprung und die im Betrieb wirkende Belastung. Fehlt eine dieser Verknüpfungen, bleibt die Analyse eine plausible Darstellung und kein nachgewiesener Schadensmechanismus. ## Wie eine Bezeichnung für pulvermetallurgischen Stahl zu lesen ist Eine pulvermetallurgische Bezeichnung ist keine vollständige Beschreibung, sofern sie nicht zusammen mit der zugehörigen Norm, dem Werkstoffzustand und den Prüfanforderungen gelesen wird. „PM-Stahl“ bezeichnet eine Verarbeitungsgruppe, nicht eine chemische Zusammensetzung oder ein garantiertes Eigenschaftsniveau. Ebenso sind „rostfreier Stahl“, „Werkzeugstahl“, „legierter Stahl“ und „Stahl“ weit gefasste Werkstoffbeschreibungen. Keine dieser Bezeichnungen gibt für sich allein Auskunft über das Pulververfahren, die Porosität, die Dichte, die Wärmebehandlung oder die Abnahmekriterien. #### So liest man eine Bezeichnung für pulvermetallurgischen Stahl - **Norm** Die maßgebliche Norm identifizieren. - **Güteklasse** Die genaue Güteklasse oder Werkstoffbezeichnung übernehmen. - **Chemische Zusammensetzung** Die festgelegte chemische Zusammensetzung ermitteln. - **Dichte** Den Dichtezustand identifizieren. - **Eigenschaftszustand** Feststellen, ob das Ergebnis im gesinterten Zustand, wärmebehandelt, infiltriert oder anderweitig verändert ist. - **Prüfung** Prüfverfahren und Probenzustand überprüfen. - **Nachbearbeitungsvorgänge** Jeden zulässigen Vorgang erfassen. Eine zweckmäßige Reihenfolge beim Lesen ist: 1\. die maßgebliche Norm bestimmen; 2. die genaue Güte- oder Werkstoffbezeichnung übernehmen; 3. die festgelegte chemische Zusammensetzung ermitteln; 4. den Dichtezustand bestimmen; 5. feststellen, ob die Eigenschaften im gesinterten Zustand, im wärmebehandelten Zustand, nach Infiltration oder anderweitig verändert angegeben sind; 6. das Prüfverfahren und den Zustand des Probekörpers überprüfen; und 7. jeden zulässigen nachträglichen Bearbeitungsschritt dokumentieren. Diese Reihenfolge verhindert, dass ein geläufiger Gütename mit einer vollständigen Spezifikation verwechselt wird. ### Zusammensetzung im Vergleich zur Werkstoffklasse Die erste Frage lautet, ob ein Dokument eine Zusammensetzung oder lediglich eine Klasse angibt. Ein Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Werkstoff ist beispielsweise eine Beschreibung der Zusammensetzung. Sie enthält keine Angaben zum Pressdruck, zum Sinterzyklus, zur Enddichte, zur Porenmorphologie oder zu den Zugfestigkeitseigenschaften. Zusammensetzungen aus Eisen, Kupfer und Kohlenstoff machen laut dem Eintrag *Ferrous Powder Metallurgy* in ScienceDirect Topics (2024) etwa die Hälfte der Eisen-PM-Bauteile aus; dieser Anteil macht die Bezeichnung jedoch nicht zu einer Gütebezeichnung. ASTM B783-24 verfolgt für strukturelle Eisen-PM-Werkstoffe einen stärker kontrollierten Ansatz. Die Norm klassifiziert Werkstoffe anhand der chemischen Zusammensetzung, der Dichte, der Streckgrenze im gesinterten Zustand und der Zugfestigkeit im wärmebehandelten Zustand. Daher muss eine Bezeichnung nach ASTM B783-24 anhand aller vier Klassifizierungselemente gelesen werden und darf nicht auf eine Legierungsfamilie wie Kupferstahl oder Nickelstahl reduziert werden. Kupfer, Nickel und Molybdän sind häufige Zusätze, doch das Vorhandensein eines dieser Elemente reicht nicht aus, um einen Werkstoff nach dieser Norm zu identifizieren. \[7\] \[7\] [**ISO 5755:2022**](https://www.iso.org/ics/77.160/x/). International Organization for Standardization. ISO standard, 2022. ISO 5755:2022 legt Anforderungen an gesinterte Metallwerkstoffe fest, darunter gesinterte Eisen-, Stahl-, legierte Stahl- und rostfreie Stahlwerkstoffe für Konstruktionsteile. Ihr Anwendungsbereich macht „gesinterter rostfreier Stahl“ zu einer Werkstoffkategorie, die durch festgelegte Anforderungen geregelt ist, und nicht zu einem Synonym für jede aus Pulver hergestellte rostfreie Zusammensetzung. Die chemischen Grenzwerte, Dichteanforderungen und Eigenschaftsvorgaben in der jeweils maßgeblichen Tabelle sind weiterhin entscheidend. Bei Werkzeugstahl ist eine weitere Unterscheidung erforderlich. ISO 4957:2018 wendet die Anforderungen an Werkzeugstahl sowohl auf durch Pulvermetallurgie hergestellte Erzeugnisse als auch auf warmgewalzte, geschmiedete, kaltgezogene und kaltgewalzte Erzeugnisse an. Eine PM-Werkzeugstahlbezeichnung kann daher eine nominale Zusammensetzung mit einer Güte von konventionell erzeugtem Werkzeugstahl gemeinsam haben, während sich die Erstarrungs- und Verdichtungsgeschichte unterscheidet. Durch die Pulververarbeitung können feine, abgerundete und vergleichsweise isotrope Karbidstrukturen entstehen, einschließlich Karbidanteilen oder -zusammensetzungen, die durch die herkömmliche Blockmetallurgie nur schwer oder überhaupt nicht erreichbar sind. Der Gütename allein gibt diese Struktur nicht zu erkennen. Lesen Sie die Zusammensetzung als eine Ebene der Bezeichnung. Fragen Sie anschließend, was das Herstellungsverfahren mit dieser Zusammensetzung bewirkt hat. Pulverherstellung, Mischen, Verdichten, Sintern, Porenbildung, Maßänderung sowie jede spätere Verdichtung oder Wärmebehandlung beeinflussen den Werkstoff gemeinsam. Sie sind keine austauschbaren Zusatzinformationen. ### Dichte und Eigenschaftszustand Die Dichte ist häufig der fehlende Begriff in einer informellen Bezeichnung. Ein gepresstes und gesintertes Bauteil ist nicht einfach ein vollständig dichtes Stabmaterial aus konventioneller Herstellung in einer anderen Form. Seine Restporosität kann in Abhängigkeit von den Pulvereigenschaften, der Pressrichtung, der Entfernung des Schmiermittels, den Sinterbedingungen und der örtlichen Geometrie variieren. Die Dichte kann die Festigkeit, die Duktilität, das Ermüdungsverhalten, die Maßstabilität, das thermische Verhalten und die Aussagekraft eines Probekörpers für das fertige Bauteil beeinflussen. Suchen Sie beim Lesen von ASTM B783-24 zunächst die Dichteklassifizierung, bevor Sie eine angegebene Eigenschaft mit einem anderen Werkstoff vergleichen. Die Norm unterscheidet zwischen der Streckgrenze im gesinterten Zustand und der Zugfestigkeit im wärmebehandelten Zustand. Dabei handelt es sich um unterschiedliche Zustände und unterschiedliche Messgrößen. Eine Anforderung an die Streckgrenze im gesinterten Zustand kann nicht unmittelbar mit einem Zugfestigkeitswert verglichen werden, der nach dem Härten und Anlassen ermittelt wurde. Die gleiche Vorsicht gilt für ISO 5755:2022. „Gesintert“ bezeichnet einen verdichteten Zustand, bedeutet jedoch nicht automatisch, dass alle Bauteile denselben Porenanteil aufweisen oder dass kein nachträglicher Bearbeitungsschritt zulässig ist. Eine Spezifikation kann einen Dichtebereich, eine Mindestdichte oder einen bestimmten Zustand nach Kalibrieren, Dampfbehandlung, Infiltration oder Wärmebehandlung verlangen. Die Zeichnung und die Bestellspezifikation müssen zusammen mit der maßgeblichen Norm gelesen werden. Vermerken Sie den Zustand in den Notizen ausdrücklich: *gesintert*, *kalibriert*, *wärmebehandelt*, *einsatzgehärtet*, *infiltriert* oder ein anderer angegebener Zustand. Wenn das Dokument den Zustand nicht angibt, ist der angegebene Zahlenwert unvollständig. Ein Härtewert ohne Angabe des Wärmebehandlungszustands ist besonders wenig aussagekräftig; Gleiches gilt für einen Zugfestigkeitswert ohne Angaben zu Dichte, Orientierung des Probekörpers und Prüfverfahren. Übertragen Sie keine Annahmen aus der additiven Fertigung. Das von NIST veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook über die additive Fertigung von Stählen und rostfreien Stählen (2020) behandelt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Aufbau; die additive Fertigung ist jedoch nicht dasselbe Verfahren wie die konventionelle PM-Herstellung durch Pressen und Sintern. Beide Verfahren beruhen auf Pulvern, doch Pulverbettschicht, thermische Vorgeschichte, Porenbildung und Qualifikationsunterlagen unterscheiden sich. ### Norm, Güte und kundenspezifische Anforderungen Die Norm bildet den maßgeblichen Rahmen; die Güte bezeichnet die Werkstoffidentität innerhalb dieses Rahmens; die kundenspezifische Anforderung ergänzt oder verändert den Auftrag. Diese drei Ebenen sollten getrennt dokumentiert werden. Beginnen Sie mit der vollständigen Quellenangabe, beispielsweise ASTM B783-24, ISO 5755:2022, ISO 4957:2018 oder ISO 13947:2024. Übernehmen Sie anschließend die genaue Bezeichnung exakt so, wie sie im Dokument geschrieben ist. Ersetzen Sie sie nicht durch eine vertraute Güte aus konventioneller Herstellung, eine Lieferantenkurzbezeichnung oder eine allgemeine Formulierung wie „PM-Edelstahl“. Suchen Sie danach die Tabelle, in der Zusammensetzung und Eigenschaften definiert sind. Lesen Sie abschließend die Abschnitte über Probenahme, Probekörper, Maßtoleranzen, Oberflächenzustand und zulässige Verarbeitung. Das Prüfverfahren ist ebenso wichtig wie der Zahlenwert des Grenzwerts. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung des Verfahrens auf pulvergeschmiedete Stahlteile. Diese Referenz kann relevant sein, wenn die Einschlusskontrolle eine kundenspezifische Anforderung darstellt; sie definiert jedoch für sich allein weder die Stahlgüte noch deren Zugfestigkeitseigenschaften. Dokumentieren Sie das untersuchte Pulver oder Bauteil, die Probekörpervorbereitung, das Auswerteverfahren und den Annahmegrenzwert. Ein Kunde kann außerdem die Pulverchemie, die scheinbare Dichte, das Fließverhalten, die Korngrößenverteilung, Grenzwerte für Sauerstoff oder andere Verunreinigungen, die Dichte nach dem Sintern, die Maßänderung, die Charakterisierung der Poren, Wärmebehandlungsparameter oder eine vorgeschriebene Prüfstelle festlegen. Solche Anforderungen können strenger oder spezifischer sein als die allgemeine Werkstoffbeschreibung. Sie dürfen nicht stillschweigend aus dem Gütenamen abgeleitet werden. Die abschließende Prüfung betrifft die zulässigen Verfahren. Fragen Sie, ob die Spezifikation Kalibrieren, Prägen, Zerspanen, Infiltrieren, Pulverforgen, Aufkohlen, Nitrieren, Abschrecken und Anlassen oder einen anderen Bearbeitungsschritt erlaubt. Jeder dieser Schritte kann Abmessungen, Poren, Spannungen, Härte oder die gemessene Festigkeit verändern. Eine eindeutige Bezeichnung beantwortet daher mehr als die Frage „Um welchen Stahl handelt es sich?“. Sie gibt an, welche Norm gilt, welche chemische Zusammensetzung erforderlich ist, welche Dichte und welcher Zustand beansprucht werden, wie die Eigenschaften gemessen wurden und welche Herstellungsgeschichte die Angabe umfasst. ## Vorteile, Einschränkungen und Fehlvorstellungen ### Was die Pulververarbeitung ermöglicht Die Pulvermetallurgie (PM) ist nicht einfach herkömmlicher Stahl, der in Partikel zerlegt und in eine Form gepresst wird. Die Pulverherstellung, das Mischen, die Verdichtung, das Sintern, die Nachverdichtung und die Wärmebehandlung schaffen eine andere Gruppe von Einflussgrößen. Diese Einflussgrößen können genutzt werden, um sowohl die Zusammensetzung als auch das Gefüge zu verändern. Das Ergebnis kann ein Stahl sein, den die konventionelle Blockmetallurgie nicht hervorbringen kann, und nicht lediglich eine gewöhnliche Stahlsorte, die über ein weniger vertrautes Verfahren hergestellt wurde. Das deutlichste Beispiel ist pulvermetallurgischer Werkzeugstahl. Während der Erstarrung eines Gussblocks können sich Legierungselemente wie Chrom, Molybdän, Vanadium und Wolfram in großen Karbidnetzwerken entmischen. Nachfolgendes Schmieden und Umformen kann diese Struktur zwar verringern, doch die endgültige Karbidgröße, -verteilung und -chemie bleiben durch die ursprüngliche Gussgeschichte begrenzt. Gasverdüstes Pulver erstarrt in jedem einzelnen Partikel sehr schnell. Werden diese Partikel konsolidiert, kann der resultierende Stahl eine feine, abgerundete und stärker isotrope Karbidverteilung entwickeln. Die Pulververarbeitung kann außerdem Karbidgehalte oder Karbidkombinationen ermöglichen, deren Herstellung durch die konventionelle Blockmetallurgie als schwierig oder unmöglich gilt. Dieser Unterschied beeinflusst die Wärmebehandlung, das Verschleißverhalten, die Zähigkeit, die Maßstabilität sowie die Richtungsabhängigkeit, die mit länglichen Einschlüssen oder Karbidbändern verbunden ist. Der Vorteil liegt daher in der Gefügekontrolle und nicht lediglich in der Formgebung. Ein Pulverhersteller kann vor der Konsolidierung die Partikelchemie, die Partikelgrößenverteilung, die Morphologie und den Sauerstoffgehalt anpassen. Ein Hersteller kann elementare oder vorlegierte Pulver mischen, wobei diese Auswahlmöglichkeiten während des Sinterns jedoch nicht zu identischen Diffusionswegen führen. Kupfer, Nickel und Molybdän sind übliche Zusätze in Eisenbasis-PM-Werkstoffen; Eisen-Kupfer-Kohlenstoff-Zusammensetzungen machen laut dem 2024 von ScienceDirect Topics veröffentlichten Nachschlagewerk *Ferrous Powder Metallurgy* ungefähr die Hälfte der Eisenbasis-PM-Teile aus. Solche Zusammensetzungen veranschaulichen die Breite des Fachgebiets, sollten jedoch nicht mit einer Definition von PM-Stahl verwechselt werden. Die Normen spiegeln diese umfassendere Identität wider. ASTM B783-24 klassifiziert gesinterte Eisenbasis-Konstruktionswerkstoffe nach chemischer Zusammensetzung, Dichte, Streckgrenze im gesinterten Zustand und Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung. Diese Kombination ist aufschlussreich: Die chemische Zusammensetzung allein reicht zur Identifizierung des Werkstoffs nicht aus. Dichte und Zustand sind Teil der praktischen Bedeutung der Bezeichnung. ISO 5755:2022 legt ebenfalls Anforderungen an gesinterte Konstruktionswerkstoffe aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl und nichtrostendem Stahl fest. Diese Dokumente betreffen definierte Klassen gesinterter Werkstoffe und nicht jeden Stahl, der zufällig ein pulverbasierter Prozessschritt durchlaufen hat. Die Pulververarbeitung kann außerdem bestimmte Formen der Entmischung verringern und die Herstellung nahezu endkonturnaher Bauteile ermöglichen, wodurch sich der für geeignete Geometrien erforderliche Bearbeitungsaufwand reduziert. Sie macht jedoch die ingenieurtechnische Beurteilung nicht überflüssig. Die Partikelform steuert Fließverhalten und Packung; die Partikelgröße beeinflusst die Oberfläche und das Sinterverhalten; die Auswahl des Schmierstoffs beeinflusst das Ausstoßen und die verbleibende Verunreinigung. Die Vorteile entstehen durch die Beherrschung dieser miteinander verknüpften Einflussgrößen und nicht allein durch das Wort „Pulver“. ### Welche Einschränkungen durch Restporosität entstehen können Die hartnäckigste Fehlvorstellung besteht darin, dass PM-Stahl standardmäßig vollständig dicht sei. Bauteile, die durch konventionelles Pressen und Sintern hergestellt werden, behalten Poren, sofern kein zusätzlicher Verdichtungsschritt diese schließt. Poren können isoliert oder miteinander verbunden, rund oder unregelmäßig geformt, in der Nähe von Oberflächen konzentriert oder über den Querschnitt verteilt sein. Ihre Größe, Form und Lage hängen von den Pulvereigenschaften, dem Pressdruck, der Werkzeuggeometrie, der Entfernung des Schmierstoffs, der Sinteratmosphäre, der Temperatur, der Zeit und der Abkühlgeschichte ab. Restporosität verringert die wirksame lasttragende Fläche und kann als Spannungskonzentrator wirken. Sie kann die Zugduktilität, die Ermüdungsfestigkeit, die Bruchzähigkeit sowie den Widerstand gegen Stoßbeanspruchung oder Risswachstum herabsetzen, selbst wenn eine Volumenzusammensetzung mit derjenigen eines gewalzten oder geschmiedeten Stahls vergleichbar erscheint. Offene Poren können außerdem das Eindringen von Flüssigkeiten ermöglichen und die Oberflächenbehandlung erschweren. Innenliegende Poren können sich während des Abschreckens, Anlassens, Aufkohlens oder Nitrierens anders verhalten. Daher kann ein für ein vollständig dichtes Knetlegierungsprodukt entwickelter Wärmebehandlungsplan nicht automatisch auf ein gesintertes Produkt übertragen werden. Die Verdichtung schafft bereits vor Beginn des Sinterns eigene Einschränkungen. Pulver überträgt Druck nicht wie ein kontinuierlicher Festkörper. Reibung an den Werkzeugwänden kann Dichtegradienten erzeugen, während schmale Bereiche, Hinterschneidungen und Änderungen der Wanddicke örtliche Schwankungen der Grünlingsdichte verursachen können. Beim Ausstoßen können Risse oder Verformungen entstehen. Beim Sintern kommt es anschließend zu Maßänderungen, wenn sich aus den Partikelkontakten metallurgische Bindungen entwickeln und sich das Porennetzwerk verändert. Ein Nennmaß in einer Zeichnung ist daher an das Werkzeug, die Pulvercharge, den Schmierstoff, den Ofenzyklus und die Atmosphäre gebunden. Eine Nachverdichtung kann diesen Zustand deutlich verändern, beseitigt jedoch nicht die Prozessgeschichte. Heißisostatisches Pressen, Pulverschmieden, Flüssigphasensintern und andere Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich Druck, Temperatur, Verformung, Porenschließung und Verhalten von Einschlüssen. Ein vollständig dichter PM-Werkzeugstahl, der nach einem bestimmten Verfahren hergestellt wurde, ist nicht mit einem porösen Konstruktionsbauteil aus dem Press- und Sinterverfahren austauschbar, nur weil beide Ausgangspulver waren. Die Bezeichnung „pulvermetallurgischer Stahl“ kennzeichnet eine Familie von Verfahren und kein einheitliches Dichteniveau. Die Pulverqualität bringt zusätzliche Gesichtspunkte mit sich. Nichtmetallische Einschlüsse können beim Schmelzen, Verdüsen, Handhaben, Sieben oder Mischen entstehen. ISO 13947:2024 legt ein Verfahren zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallpulvern fest und erlaubt die Anwendung dieses Verfahrens auf pulverschmiedete Stahlteile. Die Prüfung auf Einschlüsse ist von Bedeutung, weil ein feines Karbidgefüge ein schädliches Oxid, ein Schlackenteilchen oder eine andere Fremdphase an einer kritischen Stelle nicht ausgleichen kann. ### Warum Verfahren und Spezifikation die Antwort bestimmen Jede Aussage über einen PM-Stahl muss sich auf ein Verfahren und einen Zustand beziehen. „PM“ kann konventionelles Pressen und Sintern, Pulverschmieden, heißisostatisches Pressen oder ein verwandtes additives Fertigungsverfahren bedeuten. Diese Verfahren sind nicht austauschbar. Bei der additiven Fertigung wird der Werkstoff Schicht für Schicht aufgebaut; dabei entstehen eigene Wärmezyklen, Schmelzbadfehler, Eigenspannungen und Anforderungen an die Nachbehandlung. Das 2020 veröffentlichte Kapitel des ASM Handbook über die additive Fertigung von Stählen und nichtrostenden Stählen, herausgegeben von NIST, nennt Porosität, Einschlüsse, Eigenspannungen und die thermische Nachbehandlung nach dem Aufbau als zentrale Einflussgrößen. Diese Erkenntnisse sind für pulverbasierte Stähle relevant, doch die additive Fertigung darf nicht mit der konventionellen PM-Herstellung durch Pressen und Sintern gleichgesetzt werden. Auch die Spezifikation bestimmt, was ein Vergleich bedeutet. ISO 4957:2018 gilt für Anforderungen an Werkzeugstahlprodukte, die sowohl durch Pulvermetallurgie als auch durch Warmwalzen, Schmieden, Kaltziehen und Kaltwalzen hergestellt werden. Dadurch werden nicht alle Formen einer bezeichneten Werkzeugstahlsorte gleichwertig. Die Norm legt Anforderungen für verschiedene Herstellungswege fest, während verfahrensabhängige Faktoren – Dichte, Karbidmorphologie, Einschlüsse, Korngefüge, Wärmebehandlung und Endabmessungen – kontrolliert und überprüft werden müssen. Eine nominelle chemische Analyse sagt daher nur einen Teil des Ergebnisses voraus. Zwei Werkstoffe können denselben Kohlenstoff- und Legierungsgehalt aufweisen und sich dennoch hinsichtlich des Sauerstoffgehalts des Pulvers, der Partikelmorphologie, der Verdichtungsdichte, der Porenmorphologie, der Sinteratmosphäre, der Karbidverteilung und der Anlassgeschichte unterscheiden. Diese Unterschiede können die Zerspanbarkeit, den Verschleiß, die Zähigkeit, das Ermüdungsverhalten und die Maßstabilität verändern. Randall Germans *A–Z of Powder Metallurgy* aus dem Jahr 2005 behandelt die Pulverherstellung, die Verdichtung, das Sintern, die Nachverdichtung, das Gefüge und die Porosität genau aus diesem Grund als miteinander verbundene Elemente. Die sachlich haltbare Frage lautet daher nicht, ob PM-Stahl automatisch fester, zäher oder gleichmäßiger als gewalzter oder geschmiedeter Stahl ist. Entscheidend ist, welches Pulver, welches Konsolidierungsverfahren, welche Dichte, welche Spezifikation und welcher Wärmebehandlungszustand den geprüften Werkstoff hervorgebracht haben. Die Pulververarbeitung kann ansonsten nicht zugängliche Legierungsgefüge ermöglichen. Sie kann jedoch auch Poren, Einschlüsse, Dichtegradienten und Maßänderungen verursachen. Beide Aussagen sind richtig; wird eine von ihnen ausgelassen, wird aus einer Werkstofffamilie eine irreführende Sortenbezeichnung. ## Quellen 1. \[1\] ScienceDirect Topics. [Ferrous Powder Metallurgy](https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/ferrous-powder-metallurgy). ScienceDirect Topics, 2024. [](/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide#wiki-cite-ref-1) https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/ferrous-powder-metallurgy 2. \[2\] International Organization for Standardization. [ISO 13947:2024](https://www.iso.org/standard/85818.html). ISO standard, 2024. [](/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide#wiki-cite-ref-2) https://www.iso.org/standard/85818.html 3. \[3\] International Organization for Standardization. [ISO 4957:2018](https://www.iso.org/standard/70646.html). ISO standard, 2018. [](/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide#wiki-cite-ref-3) https://www.iso.org/standard/70646.html 4. \[4\] National Institute of Standards and Technology. [Additive Manufacturing of Steels and Stainless Steels](https://www.nist.gov/publications/additive-manufacturing-steels-and-stainless-steels). ASM Handbook, 2020. [](/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide#wiki-cite-ref-4) https://www.nist.gov/publications/additive-manufacturing-steels-and-stainless-steels 5. \[5\] ASTM International. [ASTM B783-24](https://store.astm.org/b0783-24.html). ASTM standard, 2024. [](/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide#wiki-cite-ref-5) https://store.astm.org/b0783-24.html 6. \[6\] Randall German. [A-Z of Powder Metallurgy](https://books.google.com/books/about/A_Z_of_Powder_Metallurgy.html?hl=de&id=4bxTAAAAMAAJ). Book, 2005. [](/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide#wiki-cite-ref-6) https://books.google.com/books/about/A\_Z\_of\_Powder\_Metallurgy.html?hl=de&id=4bxTAAAAMAAJ 7. \[7\] International Organization for Standardization. [ISO 5755:2022](https://www.iso.org/ics/77.160/x/). ISO standard, 2022. [](/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-st%C3%A4hle-normen-legierungsdesign-porosit%C3%A4t-und-karbide#wiki-cite-ref-7) https://www.iso.org/ics/77.160/x/ **Pulvermetallurgischer Stahl auf einen Blick** Werkstoffidentität Eine Verfahrens- und Werkstofffamilie Typischer Verfahrensweg Pulverherstellung, Mischen, Verdichten, Sintern und optionale Nachbearbeitung Wichtige Strukturvariablen Dichte, Porosität, Einschlüsse, Phasen und Karbidstruktur Häufige Gruppe eisenhaltiger Zusammensetzungen Eisen–Kupfer–Kohlenstoff, etwa die Hälfte der pulvermetallurgischen Bauteile aus Eisenwerkstoffen [Zurück zu Stahlgruppen](/de/wiki/stahlgruppen "Stahlgruppen — Steel Wiki")