Die Pulvermetallurgie gilt als umweltfreundliches Fertigungsverfahren. Dabei wird Metallpulver als Rohmaterial verwendet, um durch Hochdruckpressung Grünteile zu formen. Anschließend werden die Pulverpartikel gesintert, um sie miteinander zu verschmelzen. Es ist eine hervorragende Methode zur Herstellung von Strukturteilen mit hoher Geschwindigkeit und engen Toleranzen.
Inhalte
Schritte des Pulvermetallurgieprozesses
Der pulvermetallurgische Prozess umfasst hauptsächlich die Pulverherstellung, das Mischen, Verdichten und Sintern.
Pulverherstellung
Die Pulverherstellung ist der erste Schritt der Pulverbeschichtung. Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass die Eigenschaften der Pulver die Qualität der Endkomponenten bestimmen. Unter den verschiedenen Pulverherstellungsverfahren sind die am häufigsten verwendeten Zerstäubungsprozess, Reduktion und chemische Zersetzung.
Vermengen und Mischen
Vermengen und Mischen bezieht sich auf das Mischen von Metallpulver mit Schmiermitteln oder anderen Legierungselementen, um eine gleichmäßige Mischung zu erzeugen.
Zu den Pulvern zählen Mischpulver und vorlegierte Pulver.
Vorlegierte Pulver werden durch Zugabe von Legierungsbestandteilen zur Metallschmelze bei der Herstellung von Pulverpartikeln hergestellt. Die Vorteile vorlegierter Pulver liegen in ihrer gleichmäßigen Mikrostruktur und ihren mechanischen Eigenschaften. Die Nachteile liegen jedoch in ihrer höheren Härte und schlechten Kompressibilität.
Mischpulver bezeichnet im Allgemeinen eine Mischung aus Eisenpulver, Kupferpulver, Kohlenstoffpulver und einem Bindemittel. Der Nachteil ist die Schwierigkeit, gleichmäßig zu mischen, der Vorteil jedoch die einfache Herstellung dichter Werkstücke. Die Zugabe von Schmiermitteln hat folgende Auswirkungen:
- Verbessern Sie die Fließfähigkeit des Pulvers. Dies trägt dazu bei, die Zeit zum Füllen des Formhohlraums zu verkürzen und die Gründichte gleichmäßiger zu gestalten.
- Erhöhen Sie die lose Dichte und Kompressibilität des Pulvers.
- Es trägt dazu bei, die Reibung zwischen dem Pulver und der Form zu verringern und den Formverlust zu reduzieren.
Verdichten
Pulververdichtung ist ein Formgebungsverfahren, bei dem Metallpulver mithilfe einer Pulverbox in eine Form gefüllt und anschließend mit einer Pulvermetallurgiepresse in Form gepresst wird. Das resultierende Produkt wird als „Grünling“ bezeichnet.
Es gibt mehrere Hauptverdichtungsmethoden:
Einstufige Verdichtung: Bei diesem Verfahren übt der Oberstempel Druck aus, während Unterstempel und Matrize stillstehen. Diese Methode führt leicht zu einem Produkt mit hoher Dichte oben und geringer Dichte unten. Sie eignet sich nur für dünnere Bauteile. Diese Presse ist günstig.
Doppelwirkungsverdichtung: Während des Formprozesses verdichten Ober- und Unterstempel das Pulver gleichzeitig. Dies führt zu einer gleichmäßigen Gründichte.
Schwimmende Matrize: Bei dieser Methode drücken die oberen Stempel nach unten, der untere Stempel bewegt sich nicht und die Matrize senkt sich auf die Hälfte des Hubs des oberen Stempels.
Die ersten beiden Methoden nutzen eine Entformungstechnik, bei der ein nach unten gerichteter Stempel das Werkstück auswirft. Bei der zweiten Methode senkt sich die Matrize weiter ab, wodurch das Werkstück oben in der Matrize freigelegt wird.
Sintern
Grüner Kompakt ist so stark wie Kreide, also brauchen Sie Sinterprozess um seine mechanische Festigkeit zu verbessern.
Vorsintern
Die bereits erwähnten Schmier- und Bindemittel unterstützen den Pulverfluss und die Formgebung. Sie müssen jedoch vor dem Hochtemperatur-Sinterprozess entfernt werden, da sie die Bindung und Verdichtung der Pulver behindern. Typischerweise wird das Vorsintern 500 bis 900 Minuten lang bei 30 bis 45 Grad Celsius durchgeführt, wobei die Schmier- und Bindemittel verdampfen und zu Gasen werden. Es ist wichtig, langsam zu erhitzen, da zu schnelles Erhitzen zu Defekten wie Blasen, Rissen oder Brüchen führen kann.
Sintern
Beim Sintern diffundieren und verbinden sich Metallpartikel bei Temperaturen unterhalb ihres Schmelzpunkts, normalerweise zwischen 80 % und 90 % des Schmelzpunkts. Der Prozess umfasst drei Phasen.
Anfangsstadium (Halsbildung)
Wenn der Grünling auf die Sintertemperatur erhitzt wird, beginnen an den Kontaktpunkten zwischen den Partikeln Atome zu diffundieren und es bilden sich Oberflächenkontakte (auch als Hälse bezeichnet).
Zwischenstadium (Verdichtung)
Mit zunehmender Sinterzeit verstärkt sich die Diffusion. Die Atome diffundieren durch das Volumen und die Kristalle. Die Hälse werden größer, und der Abstand zwischen den Atomen verringert sich. Dadurch wird das Produkt weniger porös und dichter. Dieser Schritt ist wichtig, um die mechanische Festigkeit des Endprodukts zu erhöhen.
Endstadium (Verschluss der Poren und Haarwachstum)
Im letzten Stadium des Sinterns werden miteinander verbundene Poren zu isolierten Poren. Gas wird in den Poren eingeschlossen, kann aber langsam austreten. Aufgrund des Widerstands von komprimiertem Gas ist die Verdichtung schwierig. Dies führt außerdem zu einem schnellen Wachstum der Verstärkungsstruktur. In dieser Phase müssen Verdichtung und Verstärkungswachstum ausbalanciert werden, um die mechanischen Eigenschaften der Sinterteile nicht zu beeinträchtigen.
Die Schrumpfung der Komponenten während der Anfangs- und Endphase des Sinterns ist minimal und beträgt typischerweise etwa 2 bis 3 %. Die meisten Sinterphänomene, einschließlich signifikanter Verdichtung und Bindung, treten in der Zwischenphase auf.
Kühlung:
Unter Abkühlen versteht man das allmähliche Absenken des Werkstücks von der hohen Sintertemperatur auf Raumtemperatur, was etwa 2 Stunden dauert.
Durch das Kühlen werden nicht nur thermische Spannungen abgebaut, sondern auch Defekte durch zu schnelles Abkühlen vermieden.
Temperatur und Atmosphäre
Die Hauptfunktionen der Sinteratmosphäre sind folgende:
- Verhindern Sie, dass Außenluft in den Sinterofen eindringt und eine Produktoxidation verursacht
- Hilft beim Abbrennen von Schmier- und Bindemitteln im Werkstück
- Reduzierung der Oxidschicht auf der Produktoberfläche
- Kontrolle des Kohlenstoffgehalts des Produkts
- Die Sinteratmosphäre beeinflusst die mechanische Festigkeit, das Aussehen und die Produktionskosten des Produkts.
Zu den üblichen Sinteratmosphären gehören:
- Wasserstoff
- Zersetztes Ammoniak
- Vakuum
- Stickstoff
- Argon
Die folgenden Sintertemperaturen der in der Praxis häufig verwendeten Metalle basieren auf unseren Fertigungserfahrungen.
| Materialien | Temperatur (℃) |
|---|---|
| Auf Eisenbasis | 1120 |
| Kupferbasiert | 820 |
| Edelstahl | 1250 |
| Eisen-Kupfer-basiert | 1120 |
Nachbehandlung
Sekundäre Operationen sind zusätzliche Prozesse, die nach den Hauptschritten des Pulvermetallurgieprozesses an Pulvermetallteilen durchgeführt werden. Sie können die Maßgenauigkeit und die Oberflächengüte verbessern.
CNC Dienstleister
Während die Pulvermetallurgie komplexe Formen erzeugen kann, ist die Herstellung von Teilen mit Querbohrungen, Sacklöchern oder Gewinden äußerst anspruchsvoll. Darüber hinaus müssen PM-Teile oft bearbeitet werden, um die Oberflächenrauheit und Maßgenauigkeit zu verbessern. Gemeinsam Bearbeitungsverfahren für pulvermetallurgische TeileZu den Bearbeitungsarten gehören Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen, Gewindeschneiden und Gewindeschneiden.
Größe
Durch Kalibrieren werden Innendurchmesser, Außendurchmesser, Ebenheit und andere Abmessungen des Sinterteils wieder auf die korrekte Größe gebracht. Beim Kalibrieren werden die Sinterteile in eine Matrize gelegt und Druck ausgeübt, um beim Sintern auftretende Maßabweichungen wie Schrumpfung oder Verzug zu korrigieren.
Beispielsweise kann bei einem Produkt mit einem Durchmesser von 25 mm durch Kalibrieren die Toleranz von IT8-IT9 auf IT6-IT7 verbessert werden. Das Kalibrieren trägt zur Einhaltung strenger Maßtoleranzen bei und verbessert die Oberflächengüte des Produkts. Darüber hinaus kann das Kalibrieren die Oberflächenporen ölimprägnierter Lager versiegeln.
Harzimprägnierung
PM-Produkte enthalten viele Poren, was für Hochdruckumgebungen nicht ideal ist. Kupferinfiltration könnte diese Poren zwar füllen, ist aber teurer. Harzimprägnierung ist eine kostengünstigere Alternative. Typischerweise wird Harz unter Hochdruck oder Vakuum in die Poren der Teile eingebracht.
Ölimprägnierung
Während des Betriebs eines Lagers wird üblicherweise Schmieröl hinzugefügt, um die Reibung zu verringern. Bei manchen schwer zugänglichen Lagern ist die Zugabe von Schmieröl jedoch unpraktisch. Hierfür werden ölimprägnierte Lager benötigt. Die Ölimprägnierungsprozess ähnelt der Harzimprägnierung, daher werde ich hier nicht näher darauf eingehen.
Kupferinfiltration
Kupferinfiltration ist ein Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gesinterter Bauteile, typischerweise auf Eisenbasis. Dabei wird Kupfer geschmolzen und durch Kapillarwirkung in die Poren der porösen Metallteile gezogen, wodurch Festigkeit und Dichte verbessert werden.
Durch die Kupferinfiltration werden Dichte, Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit gesinterter Bauteile verbessert.
Trommeln und Sandstrahlen
Beim Verdichten kommt es aufgrund der Lücken zwischen Oberstempel, Unterstempel, Kernstab und Matrize nach dem Einfüllen des Pulvers leicht zur Gratebildung.
Um diese Grate zu entfernen, können Sie Trommeln und Sandstrahlen einsetzen. Beim Trommeln wird das Werkstück gegen das Keramikschleifstück geschlagen, und die Reibung wird durch eine Vibrationsschleifmaschine erzeugt. Dies reduziert Grate und verbessert die Oberflächengüte.
Beim Sandstrahlen wird die Oberfläche eines Produkts mit einem Schleifmittel wie Sand, Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid bearbeitet. Dieser Prozess findet in einer geschlossenen Umgebung statt. Manchmal wird zuerst sandgestrahlt und anschließend getrommelt, um eine gratfreie Oberfläche zu erzielen.
Galvanotechnik
Galvanisieren ist ein Oberflächenveredelungsverfahren, bei dem mithilfe von elektrischem Strom eine dünne Metallschicht aus einem Elektrolyten auf ein Sinterbauteil aufgebracht wird. Dieses Verfahren verbessert die Oberflächeneigenschaften von PM-Bauteilen und erhöht deren Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit.
Pulvermetallurgische Materialien
Eisenpulver
Eisenpulver hat eine gute Festigkeit und Magnetizität und ist kostengünstig. Die meisten Strukturteile werden aus eisenbasierten Materialien hergestellt.
Rostfreies Stahlpulver
Edelstahl weist dank seines Chromgehalts von über 10 % eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf. Er bietet außerdem zuverlässige Festigkeit, Härte und magnetische Eigenschaften. Zu den gängigen Edelstahlsorten gehören die 300er- und 400er-Serie sowie 17-4PH.
Kupferpulver
Kupfer, einschließlich Bronze und Messing, weist eine günstige elektrische und thermische Leitfähigkeit auf und ist daher ideal für elektronische Bauteile. Kupfer eignet sich als Substrat für selbstschmierende Lager und kann durch den Kupferinfiltrationsprozess auch die Dichte und Festigkeit von Teilen auf Eisenbasis verbessern.
Aluminiumlegierungspulver
Aluminiumlegierungen eignen sich zur Herstellung von leichten Strukturteilen.
Titanlegierungspulver
Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V und Ti-6Al-5Nb bieten hohe Festigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und gute Biokompatibilität. Sie finden Anwendung in zahlreichen Bereichen, unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin und der Automobilindustrie.
Superlegierungen auf Nickelbasis
Nickelbasierte Superlegierungen wie Inconel® 718 zeichnen sich durch ihre hervorragende Oxidationsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe Kriechfestigkeit aus. Sie werden hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der chemischen Industrie eingesetzt.
Pulvermetallurgie-Werkzeuge
Pulvermetallurgie-Werkzeuge umfasst Ober- und Unterstempel, Matrize und Kernstab.
Obere Schläge und untere Schläge
Stempel dienen zum Pressen von Metallpulver. Die Anzahl der Stempel hängt von der Produktform ab. Stempel werden meist aus Werkzeugstahl, wie M2 und A2 (AISI-Standard) oder SKD11 (JIS-Standard), hergestellt.
Eine
In der Matrize wird das Metallpulver geformt. Sie muss dem axialen und seitlichen Druck standhalten, den das Pulver ausübt. Daher besteht die Matrize meist aus CPM10V, ASP-60 oder C11.
Kernstab
Der Kernstab dient dazu, die inneren Merkmale des Produkts zu erzeugen.
Da der Kernstab lang ist und beim Entformen leicht bricht, besteht er aus Werkzeugstahl mit hoher Zugfestigkeit.
Anwendungen der Pulvermetallurgie
Die Pulvermetallurgie hat ein breites Anwendungsspektrum, darunter Automobile, Motorräder, medizinische Geräte, die Luft- und Raumfahrt, Filter und Haushaltsgeräte.
Automobilindustrie
Die Automobilherstellung stellt einen wichtigen Markt für die Pulvermetallurgieindustrie dar. In Automobilen finden sich über 1,000 Pulvermetallkomponenten.
- Motorkomponenten:
- Steuerzahnräder
- Nockenwellenräder
- Ventilführungen
- Ölpumpenrotoren
- Ölpumpenzahnräder
- Stäbe verbinden
- Übertragungskomponenten:
- Synchronnaben
- Planetenradträger
- Kupplungsscheiben
- Schaltgabeln
- ABS-Sensorringe
- Abgaskrümmerflansche
Medizinische Anwendungen
Metallspritzguss ist ein spezielles pulvermetallurgisches Verfahren. Damit können kleine, hochpräzise und biokompatible Produkte hergestellt werden.
Beispiele sind metallische kieferorthopädische Klammern, orthopädische Implantate, medizinische Geräte und chirurgische Instrumente.
Luft- und Raumfahrt
Luft- und Raumfahrtingenieure bevorzugen leichte, hochtemperaturbeständige und mechanisch robuste Bauteile. Denn sie gewährleisten nicht nur die Sicherheit von Flugzeugen in rauen Arbeitsumgebungen, sondern senken auch den Treibstoffverbrauch.
Mithilfe der Pulvermetallurgie können diese Hochleistungsprodukte wie Kompressorschaufeln, Turbinenscheiben und Brennkammerauskleidungen hergestellt werden.
Motorräder
Obwohl es bei Motorrädern nicht so viele Pulvermetallteile gibt wie bei Autos, gibt es dennoch viele, darunter
- Stoßdämpferteile
- Lager
- Nockenwellenregler
- Gesinterte Bremsbeläge
- Zahnriemenscheibe
- Motorrad-Ventilführung
Tools
Sie sehen auch die PM-Anwendungen in den Werkzeugen. Einige Zahnräder in Elektrowerkzeugen und Buchsen können durch PM hergestellt werden.
Darüber hinaus werden Diamantwerkzeuge zum Schleifen, Schneiden oder Bohren häufig unter Verwendung von PM hergestellt. Dabei werden Diamantpartikel in eine durch PM erzeugte Metallmatrix eingebettet.
Sinterfilter
Da pulvermetallurgische Teile viele innere Poren haben, ist es ein ideales Verfahren zur Herstellung gesinterte poröse Filter. Sinterfilter haben ein breites Anwendungsspektrum, unter anderem zum Filtern von Wasser, Öl und Gas, zur Lärmreduzierung und zur Sauerstoffdiffusion.
Vor- und Nachteile der Pulvermetallurgie
Bei der Auswahl der Pulvermetallurgiebranche sollten Sie die Vor- und Nachteile wie Kosten, Toleranz und Produktionskapazität abwägen.
Vorteile
- Nahezu Nettoform
Bei der Pulvermetallurgie handelt es sich um ein endformnahes Verfahren, das heißt, es kommt zu einer hohen Materialausnutzung und weniger Sekundärverarbeitung.
- Materialien
Einige hochschmelzende Metalle und Hartmetalle sind schwer zu bearbeiten, doch PM meistert diese Herausforderung. Eine breite Palette von Materialien, darunter Eisen- und Nichteisenmetalle, eignet sich für die Pulvermetallurgie.
- Komplexe Formen
Die Pulvermetallurgie ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit komplexen Formen, wie dünnen Wänden, unterschiedlichen Stufenhöhen und abgewinkelten Strukturen. Diese Eigenschaften sind beim Schmieden und Stanzen nur schwer zu erreichen.
- Enge Toleranz
PM kann strenge Maßtoleranzen einhalten. Normalerweise sind Abweichungen innerhalb von ±0.05 mm akzeptabel.
- Massenproduktion
Der Pulvermetallurgieprozess, einschließlich Pressen und Sintern, lässt sich hochgradig automatisieren und ermöglicht so die schnelle Produktion großer Mengen mit minimalem menschlichen Eingriff. Kontinuierliche Sinteröfen sind, wie Förderbandöfen, für den Dauerbetrieb ausgelegt und steigern so Leistung und Effizienz.
- Stapelkonsistenz
Die Abweichungen zwischen den Chargen von Pulvermetallteilen sind minimal. Die Konsistenz zwischen den Chargen ist wichtig für den stabilen und zuverlässigen Betrieb der Produkte.
- Green Manufacturing
Das Pulvermetallurgieverfahren wird als umweltfreundliches Herstellungsverfahren für Folgendes anerkannt:
Bei der Pulvermetallurgie entsteht sehr wenig Abfall und aufgrund der niedrigeren Verarbeitungstemperaturen und der geringeren Anzahl an Schritten wird in der Regel weniger Energie verbraucht als bei Verfahren wie Gießen oder Schmieden.
Darüber hinaus entstehen bei PM im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren wie Gießen und Bearbeiten weniger schädliche Abwässer und Gase.
Nachteile
- Größe und Form
A Hersteller von Pulvermetallurgie Typischerweise werden Bauteile mit relativ geringen Durchmessern, üblicherweise im Bereich von 5–300 mm, hergestellt, da die Kapazität der Pulververdichtungspresse begrenzt ist.
- Signaldichte
Mit der Pulvermetallurgie können keine Produkte mit voller Dichte hergestellt werden, und die Dichte übersteigt normalerweise nicht 95 %.
- Werkzeuge und Ausrüstung
Pulvermetallurgische Formen sind bekanntlich sehr präzise, und die verwendeten Materialien wie Wolframkarbid sind recht teuer, was zu erheblichen Formkosten führt. Darüber hinaus erfordert das pulvermetallurgische Verfahren mehr Ausrüstung, was die Anfangsinvestition erhöht.
- Oberflächenfinish
Im Gegensatz zu anderen Werkstücken weisen Pulvermetallteile viele Poren auf. Daher müssen diese vor dem Galvanisierungsprozess gefüllt werden. Dies erhöht die Produktionskosten.
Der chinesische Pulvermetallurgiemarkt wuchs von 1.9 Milliarden US-Dollar im Jahr 2017 auf 2.35 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021. Die chinesische Pulvermetallurgietechnologie ist weit entwickelt, und die Produkte zeichnen sich durch gleichbleibend hohe Qualität aus. Diese Produkte werden seit vielen Jahren in der europäischen und amerikanischen Automobilindustrie eingesetzt. Zudem sind die Preise äußerst wettbewerbsfähig.
BLUE ist ein nach ISO 9001:2015 zertifizierter Hersteller in China und bietet ein umfassendes Sortiment an pulvermetallurgischen Bauteilen. Wir liefern Standardkomponenten ohne Werkzeugkosten, darunter Strukturbauteile, Sinterbuchsen, MIM-Teile und Sinterkeramikteile.
Entdecken Sie unsere SHOP zum Vergleichen und Auswählen verfügbarer Teile. Wenn Ihre Spezifikationen nicht aufgeführt sind, bieten wir auch kundenspezifische Pulvermetallurgie-Dienstleistungen auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten.
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FAQ
Können Sie die Vorteile der Pulvermetallurgie gegenüber anderen Metallumformungsverfahren erklären?
Im Vergleich zu herkömmlichen Metallherstellungsverfahren wie Gießen und Zerspanen bietet die Pulvermetallurgie mehrere deutliche Vorteile:
Hohe Materialausnutzung:
Im Vergleich zum Gießen oder Bearbeiten, bei dem oft erheblicher Materialabfall entsteht, bieten pulvermetallurgische Verfahren eine hohe Materialausnutzungsrate von über 95 %.
Nahezu Nettoform:
Pulvermetallurgische Verfahren erzeugen nahezu konturnahe Teile, die in einer einzigen Presse hergestellt werden. Dies reduziert nicht nur die nachfolgende Nachbearbeitung, sondern verkürzt auch die Produktionszeit.
Wirtschaftliche und effiziente Massenproduktion:
Die Produktionslinien der Pulvermetallurgie sind hochautomatisiert und verfügen über Pulverpressen, die 20 bis 30 Teile pro Minute produzieren können. Da bei der Pulvermetallurgie nur minimaler Materialabfall entsteht, bietet PM bei der Massenproduktion erhebliche Preisvorteile.
Flexibles Design:
Bei der Pulvermetallurgie wird Metallpulver als Rohmaterial verwendet, sodass Ingenieure je nach Produkteigenschaften Legierungselemente hinzufügen können.
Nachhaltigkeit:
PM gilt aufgrund seiner hohen Materialausnutzung und seines geringen Energieverbrauchs als umweltfreundlicher Herstellungsprozess.