Metallpulver ist der Ausgangspunkt des Pulvermetallurgieprozesses und seine Eigenschaften beeinflussen die mechanischen und physikalischen Eigenschaften gesinterter Teile maßgeblich.
Die Herstellung von Metallpulver ist jedoch bis heute ein komplexer Prozess. Glücklicherweise entwickeln die Hersteller ihre Pulverproduktionstechnologie kontinuierlich weiter.
Werfen wir einen Blick auf die verschiedenen Methoden zur Herstellung von Metallpulver.
Inhalte
Zerstäubungsprozess
Sie können das wissen Gas- und Wasserzerstäubung sind gängige Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern. Sie alle zerlegen flüssiges Metall in Tröpfchen und zerstäuben diese anschließend zu Pulver. Die Wasserzerstäubung ist für ihr großes Produktionsvolumen und ihre geringen Kosten bekannt, führt aber zu Pulvern mit hohem Sauerstoffgehalt und unregelmäßigen Formen. Im Gegensatz dazu erzeugt die Gaszerstäubung Pulver mit geringerem Sauerstoffgehalt und eher sphärischen Formen. Die Gaszerstäubung wird hauptsächlich zur Herstellung leicht oxidierbarer Metalle wie Titanpulver und Edelstahlpulver, während die Wasserzerstäubung üblicherweise zur Herstellung von Eisenpulver.
Um die Vorteile beider Verfahren zu kombinieren, haben Hersteller die Hybridzerstäubungstechnologie entwickelt. Dabei wird das geschmolzene Metall zunächst durch Gas und anschließend durch Wasser zerstäubt.
Höganäs, ein weltweit führender Hersteller von Metallpulvern, hat die Vakuum-Induktionsschmelz-Inertgasverdüsung (VIGA) entwickelt. VIGA kombiniert Vakuum-Induktionsschmelzen mit Inertgasverdüsung, um hervorragende Pulvereigenschaften zu erzielen. Es eignet sich besonders für Anwendungen, die hohe Reinheit und kontrollierte Partikelgrößenverteilung erfordern.
Chemische Zersetzung
Zur Herstellung von Pulvern aus Metallcarbonylen und Metallhydriden werden chemische Zersetzungsverfahren eingesetzt.
Eisenpulver und Nickelpulver Die durch chemische Zersetzung gewonnenen Partikel weisen eine sehr kleine Partikelgröße im Bereich von etwa 1 bis 8 μm auf.
Nickelcarbonyl entsteht durch die Reaktion von Nickelblöcken und nickelhaltigen Materialien mit Kohlenmonoxid bei 160 °C. Dieser Prozess erfordert einen Druck von 100–240 atm. Nachdem Nickelcarbonyl am Nickelblock desorbiert ist, wird es bei einer Temperatur von etwa 230 °C zu reinem Nickelpulver zersetzt.
Carbonyleisenpulverpartikel sind typischerweise kugelförmig und weisen eine Zwiebelschalenstruktur auf. Darüber hinaus sind Carbonyleisenpulverpartikel kugelförmig und sehr fein (> 10 µm), im Gegensatz zu Nickelpulverpartikeln, die sehr unregelmäßig sind.
eingrenzen
Neben dem Zerstäubungsverfahren verwenden Ihre Hersteller häufig das Reduktionsverfahren zur Herstellung von Eisenpulver. Bei diesem Verfahren wird das Erz mit Kohlenstoff oder Wasserstoff reduziert.
Zunächst wird Eisenoxid mit Kohlenmonoxid reduziert, um Eisenpulver zu erhalten. Diese Metallpulver haben einen hohen Sauerstoffgehalt, sind schlecht komprimierbar und eignen sich nicht zum Formen.
Anschließend wird das reduzierte Eisenpulver in einem Stahlbandofen bei 800 bis 900 °C geglüht und entkohlt. Abschließend wird es zerkleinert und gesiebt, um Eisenschwammpulver mit guter Kompressibilität und niedrigem Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt zu erhalten.
Im Vergleich zu wasserzerstäubtem Pulver weist das durch Reduktion erzeugte Eisenpulver ein unregelmäßiges Aussehen und viele Hohlräume im Inneren auf und wird allgemein als Eisenschwammpulver bezeichnet.
Zudem hat auch Frau pulvermetallurgische Materialien Hersteller nutzen die Reduktion, um die Schüttdichte von wasserzerstäubtem Kupferpulver anzupassen. Bei diesem Verfahren wird das wasserzerstäubte Kupferpulver an der Luft oxidiert und anschließend auf 500 °C reduziert. Die Schüttdichte von Kupferpulver kann auf 2.0 g/cm³ reduziert werden.3Während des Oxidations- und Reduktionsprozesses neigt das Kupferpulver jedoch zur Agglomeration und muss anschließend zerkleinert werden.
Die Reduzierung hat folgende Vorteile:
- Hohe Reinheit des Metallpulvers, Reinheit über 99.5 %
- Produziert feineres Pulver
- Hohe Produktionseffizienz
Elektrolyse
Zur Herstellung von Kupferpulver und Eisenpulver eignet sich die Elektrolyse optimal.
In der Elektrolysezelle besteht die Anode aus einem Kupferblock, die Kathode aus hochreinem Kupfer oder Edelstahl und Kupfersulfat wird als Elektrolyt verwendet. Während des Elektrolyseprozesses werden Kupferionen von der Anode freigesetzt und an der Kathode abgelagert.
Dieser Prozess ähnelt der Galvanisierung. Das erhaltene elektrolytische Kupferpulver kann gewaschen, gefiltert, getrocknet, geglüht und zerkleinert werden, um hochreines Kupferpulver zu erhalten. Der Kupfergehalt beträgt im Allgemeinen 99.5 % und der Sauerstoffgehalt liegt unter 0.05 %.
Elektrolytisches Eisenpulver hat eine hohe Kompressibilität, hohe Zähigkeit und hohe magnetische Eigenschaften. Elektrolytisches Kupferpulver hat folgende Vorteile
- Hohe Reinheit
- Gute Kompressibilität
- Gute Grünfestigkeit
- Geringe Schüttdichte (ca. 0.55 bis 3.5 g/cm3)
Allerdings ist der Elektrolyseprozess kostspielig und umweltschädlich.
Mechanische Bearbeitung
Für spröde Metalle gewinnen die Hersteller die erforderlichen Pulver durch mechanische Verarbeitung, darunter:
- Attritorisierung
- Kompression
- Fräsen
Die Ausbeute dieses Verfahrens ist gering und das Pulver kann leicht verunreinigt werden.
Bei der mechanischen Herstellung von Metallpulvern ist zu beachten, dass die Temperatur des Metallpulvers steigt und Verbrennungsprobleme verursacht. Dieses Problem ist besonders bei hochreaktiven Pulvern wie Titanpulver.
Eigenschaften von Metallpulver
Wenn Sie produzieren Sinterteilemüssen Sie die Eigenschaften von Metallpulver berücksichtigen.
Partikelgröße:
Metallpulver haben in der Regel eine Partikelgröße zwischen 1 und 1000 Mikrometern. Zu den Methoden zur Partikelgrößenmessung gehören Laserstreuung, Siebung und Mikroskopie. Gängige Partikelformen sind körnig, kugelförmig, flockig und dendritisch.
Oberfläche
Bei gesinterten Teilen gilt: Je größer die Oberfläche des Pulvers, desto höher seine Energie, desto instabiler ist es und desto leichter ist es Sinterprozess.
Schüttdichte
Die Schüttdichte wird gemessen, indem eine bekannte Pulvermasse in einen Behälter mit bekanntem Volumen gefüllt wird. Je höher die Schüttdichte des Pulvers, desto geringer ist die Reibung zwischen den Pulvern und desto einfacher lässt sich die Form füllen.
Partikelgrößenverteilung
Eine enge Verteilung erleichtert die gleichmäßige Verpackung und Verarbeitung
Klopfdichte
Die Stampfdichte ist ein Maß für die Dichte eines pulverförmigen Materials nach dem Stampfen bzw. Verdichten. Sie wird verwendet, um die Packungseffizienz des Pulvers zu messen.
Durchflussrate: Stellt die Reibung zwischen den Pulvern dar. Sie wird durch die Größe und Form der Pulverpartikel beeinflusst
Kompressibilität
Es bezieht sich auf die Fähigkeit des Pulvers, unter Druck an Volumen zu verlieren. Eine hohe Kompressibilität bedeutet, dass das Pulver während Verdichtungsprozess, was für die Herstellung starker und langlebiger Komponenten unerlässlich ist.
Chemische Zusammensetzung
Die chemische Zusammensetzung von Metallpulvern muss den Materialstandards der Branche entsprechen. Bestimmte Elemente beeinflussen die mechanischen Eigenschaften von Teilen, wie beispielsweise der Kohlenstoffgehalt, der wiederum die Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit des Produkts beeinflusst.
Vergleich von Metallpulver-Herstellungsverfahren
Da die meisten Pulver durch Gaszerstäubung, Wasserzerstäubung, chemische Zersetzung und Reduktionsverfahren hergestellt werden, bieten wir Ihnen einen kurzen Vergleich.
| Prozess | Gaszerstäubung | Wasserzerstäubung | Chemische Zersetzung | eingrenzen |
|---|---|---|---|---|
| Metall | Titan, Edelstahl, Schnellarbeitsstahl | Eisen, Schnellarbeitsstahl, Edelstahl | Nickelcarbonyl, Eisencarbonyl | Eisen |
| Partikelgröße | 10 bis 300 μm mit SD ≈ 2 | Median: 50 bis 100 μm | <10 μm | <150 μm |
| Partikelform | Sphärisch | Unregelmäßig | Kugel- oder Igelform | Unregelmäßig |
| Vorteile | Niedriger Sauerstoffgehalt Hohe Gründichte |
Gute Grünfestigkeit Hoher Ertrag |
Hohe Sinterdichte | Mit Lücken Kostengünstig Hohe Grünfestigkeit |
| Nachteile | Schwacher Grünkompakt Geringe Feinpulverausbeute |
Hoher Sauerstoffgehalt | Hoher Preis | Geringe Gründichte |
| Antragsprozess | Pulvermetallurgie, MIM, 3D-Druck | Metallspritzguss | Metallspritzguss | Konventioneller PM-Prozess |
Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit Metallpulver
Bei der Herstellung von Metallpulvern steht die Sicherheit an erster Stelle.
Metallpulver können bei Arbeitern leicht Allergien auslösen. Auch Staub stellt ein ernstes Problem dar. Bekanntlich werden die meisten Pulver, die größer als 10 μm sind, vom Filtersystem des menschlichen Körpers herausgefiltert. Pulver, die kleiner als 1 μm sind (der Durchmesser von Zigarettenrauchpartikeln liegt zwischen 0.01 und 1 μm), werden jedoch leicht eingeatmet und gelangen über die Lungenbläschen ins Blut.
Für PM2.5 gelten in China, den USA und Japan die folgenden Vorschriften.
Bei sehr kleinen Pulverpartikeln muss auf die Gefahr der Selbstentzündung geachtet werden und bei Transport und Lagerung ist Vorsicht geboten.
| Land | China | US | Japan |
|---|---|---|---|
| Jahresdurchschnitt (μg/cm³) | 35 | 12 | 15 |
| Tagesdurchschnitt (μg/cm³) | 75 | 35 | 35 |
FAQ
Was ist Pulverherstellung?
Unter Pulverherstellung versteht man die Herstellung von Metall- oder Keramikpulvern, die als Rohstoffe für die Pulvermetallurgie, die additive Fertigung und verwandte Anwendungen dienen. Diese Pulver werden mit präziser chemischer Zusammensetzung, Partikelgröße, Form und Reinheit hergestellt, um ein gleichbleibendes Verhalten beim Verdichten und Sintern zu gewährleisten.
Zu den gängigen Verfahren zur Pulverherstellung gehören:
Zerstäubung: Geschmolzenes Metall wird durch Hochdruckgas oder Wasser in feine Tröpfchen zerteilt und erstarrt zu Pulver. Bei der Gaszerstäubung entstehen kugelförmige Partikel mit guter Fließfähigkeit, während bei der Wasserzerstäubung unregelmäßige Partikel mit höherer Kompressibilität entstehen.
Chemische Reduktion: Metalloxide werden durch Wasserstoff oder Kohlenmonoxid reduziert, um Metallpulver zu bilden. Diese Methode wird üblicherweise für Eisen, Kupfer und Wolfram verwendet.
Elektrolytische Abscheidung: Metall wird aus einem Elektrolyten auf einer Kathode abgeschieden, anschließend entfernt, getrocknet und zu feinem, hochreinem Pulver pulverisiert. Es wird typischerweise für Kupfer, Nickel und Eisen verwendet.
Wie unterscheiden sich Pulvermetalle von herkömmlichen Metallen?
Die Pulvermetallurgie erzeugt Metallpulver durch Verdichten und Sintern feiner Metallpulver unterhalb ihres Schmelzpunkts. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien, eine hohe Materialausnutzung und eine präzise Kontrolle der Mikrostruktur. Traditionelle Methoden wie Gießen, Schmieden und Zerspanen formen massive Metalle, was oft zu höherem Abfall und geringerer Designflexibilität führt.
Welches Verfahren eignet sich zur Herstellung von Eisenpulvern?
Die meisten Eisenpulver werden durch eines von zwei Verfahren hergestellt: Reduktion oder Wasserzerstäubung.
Die Wasserzerstäubung ist wirtschaftlich und bietet eine hohe Leistung.
Das durch das Reduktionsverfahren hergestellte Eisenschwammpulver weist eine unregelmäßige Pulverform und eine gute mechanische Sperrwirkung auf.
Darüber hinaus liegt die Partikelgröße meist über 20 Mikrometer, was sich für die Herstellung hochfester und komplex geformter Teile eignet. Es eignet sich auch für die Herstellung ölhaltiger Lager.
Wie hoch ist die Durchflussrate von Eisenpulver?
Im Allgemeinen beträgt die durchschnittliche Fließrate von Eisenpulver 25 bis 35 s/50 g.
Am Beispiel von ATOMET DB46 beträgt die gemäß der Testmethode ISO4490 gemessene Durchflussrate 25.62 s/50 g.
Was ist Nanometallpulver?
Nanometallpulver bezeichnet Pulver mit einer Partikelgröße von weniger als 100 nm (0.1 μm). Nanopulver hat eine extrem kleine Partikelgröße, eine hohe Aktivität und ist leicht oxidierbar.