Es gibt zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Metallpulver. Haben Sie schon einmal von Zerstäubung gehört?
Die Zerstäubung ist in der Pulvermetallurgie ein Verfahren, bei dem geschmolzenes Metall mithilfe eines Zerstäubungsmediums wie Gas oder Wasser in Pulver umgewandelt wird.
Inhalte
Gasverdüsung in der Pulvermetallurgie
Gasverdüste Pulver werden hauptsächlich im Metallspritzguss verwendet, heißisostatisches Pressen und 3D-Druck.
Gaszerstäubungsprozess
Es eignet sich ideal zur Herstellung feiner Metallpulver, wie zum Beispiel:
- Titanpulver,
- Edelstahlpulver
- Werkzeugstahlpulver
- Nickellegierungspulver
- Eisenlegierungspulver
Die Gaszerstäubung ist eine gängige Methode zur Herstellung von MIM-Metallpulvern, die Ausbeute an fertigen Produkten muss jedoch noch weiter verbessert werden.
Der Gaszerstäubungsprozess umfasst 4 Schritte:
- Schmelzen
Zunächst schmelzen die Hersteller den Metallblock in einem Tiegel.
- Zerstäubung
Nachdem das Metall geschmolzen ist, öffnet das Werkstück den zylindrischen Stopfen am Boden des Tiegels. Das geschmolzene Metall fließt dann durch die Düse und wird durch Hochdruckgas in Tröpfchen zerstäubt.
- Partikelverfestigung
Die Metalltröpfchen erstarren während des Fluges zu Pulver.
- Kollektion
Das erstarrte Metallpulver wird in der Zerstäubungskammer abgelagert.
Düsendesign
- Eingeschränkte Düse
Durch eine begrenzte Düse wird das Gas sehr nahe an den Auslass der Metallschmelze gebracht, sodass es unmittelbar nach dem Verlassen des Tiegels zerstäubt wird.
Darüber hinaus konzentriert sich die Zerstäubung auf einen kleinen, begrenzten Bereich, und es wird mehr Gasenergie beim Sprühen eingesetzt. Daher weist dieses Verfahren einen geringen Energieverlust auf und ermöglicht eine einfache Kontrolle der Pulverpartikelgröße. Eine begrenzte Düse erhöht die Anzahl feiner Pulverpartikel (<10 μm).
- Freifalldüse
Bei einer offenen Düse wird das geschmolzene Metall unterhalb des Tiegelauslasses zerstäubt. Daher weist dieses Verfahren einen geringen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung auf.
Prozessparameter
- Oberflächenspannung einer Metallflüssigkeit
Während des Flugs von Metalltröpfchen erleichtert die Oberflächenspannung deren Kugelformung. Die Oberflächenspannung hängt von der Temperatur und der Menge der Legierungselemente ab.
- Viskosität und Temperatur von Metallflüssigkeiten
Hohe Zerstäubungstemperaturen führen zu einer geringeren Viskosität der Metallschmelze und längeren Erstarrungszeiten. Im Gegenteil, niedrige Zerstäubungstemperaturen führen zu einer höheren Viskosität der Metallschmelze, wodurch die Flüssigkeit leichter unregelmäßige Pulver bildet.
Daher trägt eine Erhöhung der Zerstäubungstemperatur dazu bei, dass das Pulver feiner und kugelförmiger wird und einen besseren Oberflächenglanz aufweist. Bei Edelstahl beträgt die Temperatur der Stahlschmelze typischerweise etwa 1600 °C.
- Gasdurchflussrate, Druck und Geschwindigkeit
Je höher der Gasdruck und die Durchflussrate, desto feiner ist das erzeugte Metallpulver. Im Allgemeinen liegt der Zerstäubungsdruck des Gases zwischen 0.7 und 6 MPa.
- Art des Zerstäubungsmediums
Bei der Gaszerstäubung kommen häufig folgende Zerstäubungsmedien zum Einsatz:
- Air ist wirtschaftlicher und eignet sich für Metallflüssigkeiten, die nicht stark oxidiert sind, wie z. B. Kupferpulver
- Stickstoff ist ideal für leicht oxidierende Metallflüssigkeiten
- Argon kann Nitrierung verhindern
- Helium hilft, die Abkühlrate zu erhöhen.
Die Reinheit des Zerstäubungsmediums ist sehr wichtig. Bei hohem Sauerstoff- und Wasserdampfgehalt oxidiert das flüssige Metall leicht. Dies führt zu einer dickeren Oxidschicht auf der Oberfläche des geformten Pulvers. Außerdem erhöht sich die Viskosität des flüssigen Metalls, wodurch die Kugelformung des Pulvers erschwert wird und ein schlechter Oberflächenglanz entsteht. Daher fügen Hersteller pulvermetallurgischer Materialien während des Zerstäubungsprozesses eine geringe Menge Silizium hinzu, um Sauerstoff zu absorbieren.
- Druck und Durchflussrate von Metallflüssigkeiten
Je geringer die Durchflussrate des flüssigen Metalls, desto feiner das zerstäubte Pulver. Die Partikelgröße des zerstäubten Pulvers hat einen direkten Einfluss auf das Verdichtungsverhalten und die Sinterleistung. Herstellung von Sintermetallteilen.
Vor- und Nachteile von gaszerstäubten Pulvern
Vorteile
- Hohe Pulverreinheit
- Niedriger Sauerstoffgehalt
- Hohe Schüttdichte
Nachteile
- Die Abkühlungsgeschwindigkeit von Metalltröpfchen ist langsam.
- Bei der Verwendung eines Induktionsofens zum Schmelzen von Metall kann das entstehende Metallpulver Tiegelmaterialien enthalten, die zu Umweltverschmutzung führen.
Wasserzerstäubung in der Pulvermetallurgie
Wasseratomisierte Pulver werden aufgrund ihrer geringen Kosten und engen Partikelgrößenverteilung in der Pulvermetallverarbeitung eingesetzt.
Definition
Die Wasserzerstäubung funktioniert wie die Gaszerstäubung. Geschmolzenes Metall wird auf eine rotierende Scheibe gegossen und anschließend durch Hochdruckwasserstrahlen in Tröpfchen zerteilt. Die Tröpfchen kühlen in einem Wasserbad ab und bilden Metallpulver.
Beim Wasserzerstäubungsprozess erzeugt höherer Wasserdruck feineres Pulver. Für gewöhnliches Eisenpulver liegt der Wasserdruck zwischen 3.5 und 50 MPa. Für feines Pulver, das im Metallspritzguss verwendet wird, liegt der Druck in der Regel zwischen 50 und 150 MPa.
Vor- und Nachteile der Wasserzerstäubung
Die Wasserzerstäubung ist kostengünstig und weist eine gute Grünfestigkeit auf, die erzeugten Metallpartikel weisen jedoch einen hohen Sauerstoffgehalt auf.
Im Vergleich zur Gaszerstäubung erzeugt die Wasserzerstäubung unregelmäßige Partikel. Dies liegt daran, dass Wasser eine höhere kinetische Energie besitzt und einen stärkeren Einfluss auf das geschmolzene Metall hat. Infolgedessen erstarren die Metalltröpfchen während des Fluges schnell, und es bleibt nicht genügend Zeit, um die Oberflächenspannung für die Bildung kugelförmiger Partikel aufzubauen.
Die Pulver lassen sich jedoch gut mechanisch verzahnen und die Grünfestigkeit nach dem Pressen ist hoch
Faktoren, die die Partikelgröße beeinflussen
Laut einer Studie des Royal Institute of Technology hängt die Partikelgröße von wasserzerstäubten Metallpulvern von folgenden Faktoren ab:
- Wasserdruck
- Schmelzüberhitzung
- Oberflächenspannung
- Wasserstrahlkonfiguration
- Materialzusammensetzung
- Oxidation
Plasmazerstäubung
Beim Plasmazerstäubungsprozess wird das Rohmaterial als Metalldraht zugeführt. Der Metalldraht wird dann durch einen Plasmabrenner geschmolzen und durch das Plasmagas in Partikel zerlegt.
Durch Plasmazerstäubung hergestellte Metallpulver haben eine Größe von etwa 40 μm und eine enge Partikelgrößenverteilung. Diese Pulver sind hochrein, kugelförmig und weisen eine hervorragende Fließfähigkeit auf, wodurch sie sich ideal für die additive Fertigung oder den 3D-Druck eignen.
Vorteile
- Hochsphärisches Pulver
- Hohe Pulverfließfähigkeit
- Niedriger Sauerstoffgehalt, keine Verunreinigungen
- Maßgeschneiderte Größenverteilung
Darüber hinaus können mit dem Plasmazerstäubungsverfahren auch unregelmäßig geformte Metallpulver kugelförmig geformt werden. Das Prinzip besteht darin, Metallpulver in die Plasmaflamme zu leiten, wo es durch die Oberflächenspannung wieder aufgeschmolzen und zu Pulver kugelförmig geformt wird. Dieser Vorgang wird als Plasma-Kugelförmigmachen bezeichnet.
Ultraschallzerstäubung
Bei diesem Verfahren werden flüssige Metalle in Form dünner Filme durch Ultraschallschwingungen in feine Tröpfchen zerteilt. Diese Tröpfchen erstarren dann zu kugelförmigen Pulverpartikeln.
Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Pulvern mit Partikelgrößen zwischen 20 und 100 Nanometern
Durch Ultraschall zerstäubtes Pulver weist eine hohe Sphärizität und eine enge Partikelgrößenverteilung auf, seine Menge ist jedoch gering.
Zentrifugalzerstäubung
Zunächst wird das geschmolzene Metall in die rotierende Scheibe eingebracht. Durch die Hochgeschwindigkeitsrotation wird das flüssige Metall nach außen geschleudert und zu Pulver zerstäubt.
Bei Zentrifugalzerstäubungsanlagen wird üblicherweise Inertgas eingeleitet, das Pulver wird weniger oxidiert und weist eine hohe Reinheit auf.
Aufgrund der stabilen Rotation des Zentrifugalzerstäubungsprozesses ist der Größenbereich der Pulverpartikel eng und das Erscheinungsbild regelmäßig und kugelförmig.
Vergleich der Gas- und Wasserzerstäubung in der Pulvermetallurgie
| Prozess | Gaszerstäubung | Wasserzerstäubung |
|---|---|---|
| Metall | Schnellarbeitsstahl, Edelstahl | Eisen, Schnellarbeitsstahl, Edelstahl |
| Partikelgröße | Nicht mehr als 150 μm | Nicht mehr als 150 μm |
| Partikelform | Kugelform | Unregelmäßige Form |
| Preis | Etwas hoch | Medium |
| Anwendungen | PM, MIM, HIP, AD | PM, MIM (außer Eisen) |
FAQ
Was ist der Unterschied zwischen Zerstäubung und Zerstäubung in der Pulvermetallurgie?
In der Pulvermetallurgie bedeuten „Atomisierung“ und „Atomisation“ dasselbe. Der Unterschied ist rein regional: Im amerikanischen Englisch wird „Atomisierung“ verwendet, im britischen Englisch „Atomisation“.