In den letzten Jahrzehnten haben sich pulvermetallurgische (PM) Teile aufgrund ihrer Designflexibilität, niedrigen Kosten, engen Toleranzen und guten Balance zwischen Duktilität und Zugfestigkeit als attraktives Herstellungsverfahren für den Ersatz von Schmiede- oder Gusskomponenten herausgestellt.
Fügen ist ein grundlegender Prozess in der mechanischen Fertigung und dient zum Verbinden von Teilen aus ähnlichen oder unterschiedlichen Materialien. Sie fragen sich vielleicht: Ist das Schweißen von Pulvermetallteilen möglich? Lesen Sie weiter, um die Antwort zu finden.
Inhalte
Pulvermetallherstellung
Die Pulvermetallherstellung umfasst hauptsächlich: Pulvermischen, Pulververdichten und Sintern.
Mischen und Vermischen
Der Zweck des Mischens besteht darin, das Metallpulver gleichmäßig mit Bindemitteln zu verbinden. Die Zugabe von Bindemittel soll die Fließfähigkeit des Pulvers erhöhen und die Entformungskraft verringern
Verdichten
Gemischtes Pulver wird unter hohem Druck (üblicherweise 400–800 MPa) mithilfe von Pulvermetallurgiewerkzeugen gepresst, wodurch ein sogenannter „Grünling“ entsteht. Das verdichtete Metallpulver ist nicht fest genug und nur mit Kreide vergleichbar.
Sintern
Sintern Das Sintern erfolgt bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls, üblicherweise 70–90 % des Schmelzpunkts. Beim Sintern verschmelzen die Pulverpartikel miteinander und verleihen dem Teil die gewünschte Festigkeit und Integrität.
Herausforderungen beim Schweißen von Pulvermetallteilen
Wie bei anderen Metallschweißverfahren ist die wichtigste Voraussetzung für das Schweißen Pulvermetallurgieteile ist, dass keine Defekte entstehen. Die folgenden Faktoren können jedoch den Schweißprozess beeinflussen.
Porosität
Die Porosität pulvermetallurgischer Komponenten beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit, die wiederum Auswirkungen auf die Schweißparameter hat.
Die Porosität in der Mikrostruktur von Sintermetallteilen beeinflusst deren Schweißen und unterscheidet es vom Schweißen von Guss- oder Schmiedeteilen.
Beim Schweißen kann es in der Wärmeeinflusszone von pulvermetallurgischen Bauteilen zu Rissen kommen. Dies liegt daran, dass die Pulvermetallteile porös sind und die Bindungskraft zwischen den Partikeln begrenzt ist. Sie können der höheren Belastung durch die erhöhte Härtbarkeit der Wärmeeinflusszone nicht standhalten.
Kontaminanten
Befinden sich Verunreinigungen wie Schmiermittel, Beschichtungsflüssigkeiten und Öle in den inneren Poren gesinterter Teile, beeinträchtigt dies die Schweißleistung. Daher müssen diese Verunreinigungen und Fremdkörper vor dem Schweißen entfernt werden.
Kohlenstoffgehalt
Die meisten pulvermetallurgischen Teile bestehen aus Eisen und ihr Kohlenstoffgehalt variiert. Sinterteile mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0.5 % lassen sich leicht schweißen, während solche mit einem hohen Kohlenstoffgehalt schwierig zu schweißen sind.
Schweißtechnologie für pulvermetallurgische Teile
Widerstandsschweißen
Beim Widerstandsschweißen werden zwei Metalloberflächen durch Strom und Druck in einen geschmolzenen oder plastischen Zustand gebracht und anschließend metallurgisch verbunden.
Der Vorteil des Widerstandsschweißens besteht darin, dass keine Schweißmaterialien und kein Schutzgas erforderlich sind.
Zu den gängigen Arten des Widerstandsschweißens gehören die folgenden:
- Punktschweißen
Punktschweißen eignet sich zum Überlappen von dünnen Sinterplattenteilen mit einer Dicke von weniger als 3 mm.
- Buckelschweißen
Buckelschweißen eignet sich ideal zum Verbinden von kohlenstoffreichen (0.4 % – 0.8 %) und dichten (6.5 – 7.5 g/cm³) Pulvermetallteilen mit kohlenstoffarmen Stahlteilen.
- Nahtverschweißung
Die Sintermetallteile werden zwischen zwei rotierenden Scheibenelektroden hindurchgeführt und bilden eine durchgehende Schweißnaht mit Überlappungen an Vorder- und Rückseite. Das Verfahren eignet sich zum Verbinden dünner Pulvermetallkomponenten.
- Blitzschweißen
Diese Schweißverfahren sind grundsätzlich auf pulvermetallurgische Teile anwendbar, allerdings muss die Oberfläche der Teile sauber und frei von Verunreinigungen sein.
Löten
Pulvermetallurgische Produkte können auch durch Löten miteinander verbunden werden. Löten eignet sich für Grünlinge mit höherer Dichte. Bei porigeren Produkten wird ein Teil des Lots angesaugt, was zu unzureichender Lotmenge auf der Schweißfläche führt.
Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (WIG/WIG)
Beim GTAW-Schweißen wird eine nicht abschmelzende Wolframelektrode verwendet, um einen Gleichstromlichtbogen (für eisenbasierte Werkstoffe) zu erzeugen, der die zu schweißenden Werkstoffe schmilzt.
Während des Prozesses schützen Inertgase wie Argon oder Helium sowohl den Schweißbereich als auch die Elektrode vor atmosphärischen Verunreinigungen wie Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff.
Beim Schweißen von Pulvermetallprodukten mit WIG-Schweißen kann Zusatzwerkstoff die Schrumpfung kompensieren, die durch Partikelschmelzen und -verdichtung im Schweißbereich entsteht. Der Wärmeausdehnungskoeffizient, die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Zusatzwerkstoffs müssen jedoch mit den zu schweißenden Werkstoffen kompatibel sein.
In Eins HäuserDurch das Schweißen zweier Pulvermetallkomponenten mittels GTAW wurde eine Gusskomponente im LKW-Differential ersetzt, was zu einer Kostenersparnis von 35 % führte.
Metallschutzgasschweißen (GMAW/MIG)
Beim GMAW-Schweißen wird mit einer durchgehenden Drahtelektrode ein Lichtbogen erzeugt, der das Werkstück erhitzt und die Materialien verschmilzt und verbindet. Mit dem GMAW-Schweißen können pulvermetallurgische Werkstoffe geschweißt werden, die Mischpulver mit hohem Kohlenstoffgehalt (0.3–0.9 %) enthalten.
Elektronenstrahlschweißen
Beim Elektronenstrahlschweißen werden Hochgeschwindigkeits-Elektronenstrahlen zu einem Strahl gebündelt, um eine starke, schmale Wärmequelle zum Verbinden von Sintermetallteilen zu bilden. Elektronenstrahlschweißen wird üblicherweise in einer Vakuumumgebung durchgeführt und ist ein fortschrittliches automatisiertes Batch-Schweißverfahren.
Laserstrahlschweißen
Das Laserstrahlschweißen (LBM) ist ein hochautomatisierter Prozess mit hoher Präzision und minimaler Verformung. Beim LBM werden die Werkstückmaterialien mithilfe eines Laserstrahls, beispielsweise eines CO2-Lasers, miteinander verschmolzen.
Um die Martensitbildung zu verringern, werden Werkstoffe mit mittlerer Härtbarkeit vor dem Schweißen im Allgemeinen auf 250–300 °C vorgewärmt.
Allerdings ist das Laserschweißen teurer als andere Schweißverfahren.
Tipps zum Pulvermetall-Schmelzschweißen
Das häufigste Problem beim Schmelzschweißen von Pulvermetallkomponenten sind Risse in oder nahe der Schweißnaht. Dies geschieht in der Regel aufgrund von Spannungen, die beim Abkühlen und Erstarren des Schweißguts entstehen.
Sie können das Risiko von Rissen verringern, indem Sie:
- Vorwärmen der Teile, um Feuchtigkeit (Wasserstoff) zu entfernen und thermische Gradienten zu reduzieren
- Nachwärmen nach dem Schweißen zum Abbau von Eigenspannungen
- Minimierung der Wärmezufuhr zur Begrenzung der Schmelz- und Erstarrungsspannungen der Partikel
- Sorgfältige Konstruktion von Verbindungen zur Reduzierung von Spannungskonzentrationen
Pulvermetallurgische Teile, die dampfbehandelt, mit Kupfer infiltriert oder vergütet wurden, sind nicht zum Schmelzschweißen geeignet.
Materialauswahl zum Schweißen von Pulvermetallteilen
- Zerstäubtes Eisenpulver weist geringere Restverunreinigungen auf als Eisenschwammpulver oder andere reduzierte Eisenpulver. Daher ist für hochfeste Schweiß- oder Schmelzschweißanwendungen die Verwendung von zerstäubtem Eisenpulver ratsam.
- Der Kohlenstoffgehalt hat einen erheblichen Einfluss auf die Schweißbarkeit pulvermetallurgischer Teile. Generell gilt: Je niedriger der Kohlenstoffgehalt, desto besser die Schweißbarkeit. Kohlenstoff kann jedoch die Festigkeitseigenschaften des Materials verbessern.
- Beim Schmelzschweißen sollten Sie keine pulvermetallurgischen Werkstoffe mit Schwefelzusatz verwenden. Denn beim Schweißen kann Schwefel an die Korngrenzen gelangen und dort thermische Risse verursachen.
- Durch die Zugabe von Nickel zu Eisenpulver oder Stahlpulver kann die Zähigkeit des Materials erhöht werden, ohne dass dies Auswirkungen auf die Schweißbarkeit hat.