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Pulvermetallurgie von Metallen

Die Pulvermetallurgie ist eine vielseitige Fertigungstechnologie, welcher, ist:

• einerseits, eine billigere und umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Metallverarbeitungsmethoden;
• andererseits, Filterung und Abscheidung umweltschädlicher flüchtiger organischer Substanzen, die in der Lage ist, Materialien mit chemischer Zusammensetzung und Mikrostruktur herzustellen, mit anderen Technologien nicht erreichbar.

Typische Technologie

Typische traditionelle Pulvermetallurgie-Technologie umfasst:

• Pulverherstellung;
• Pressen zu einem kompakten Barren zum anschließenden Sintern;
• Sintern von Pulverpartikeln dieses "Kompakts" bei hoher Temperatur.

Zusätzlich zu diesen Prozessschritten können andere Pulverpressprozessschritte oder einige herkömmliche Metallverarbeitungsverfahren nach dem Sintervorgang enthalten sein., z.B, Schmieden, rollen, Extrusion [1-3].

Drei Gründe

Pulvermetallurgie im weitesten Sinne ist die Fähigkeit und Wissenschaft der Herstellung von Metallpulvern und der Anwendung dieser Pulver zur Herstellung von Halbzeugen und Fertigprodukten mit komplexen Formen.. Es gibt drei Gründe, sich für die Pulvermetallurgie als Herstellungsverfahren zu entscheiden:

• wirtschaftlich produzieren, präzise und komplexe Details;
• Materialien mit einzigartiger Mikrostruktur und Eigenschaften herzustellen und
• Materialien produzieren, die auf andere Weise nur schwer oder gar nicht herstellbar sind.

Bei Aluminiumlegierungen kann die Pulvermetallurgie aus einem oder mehreren dieser drei Gründe angewendet werden., vor allem die zweite und dritte. Herkömmliche Aluminium-Pulverlegierungen werden mit der „Press-Sinter“-Technologie verarbeitet. Sie werden hauptsächlich zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung komplexer Teile eingesetzt.. Mit dieser Technologie werden die meisten pulvermetallurgischen Produkte hergestellt (Abb 1).

Auf dem Bild 2 stellte die wichtigsten technologischen Ketten der industriellen Produktion von Teilen und Produkten aus Pulvermetallmaterialien vor.

Bild 1 – Aluminiumprodukte,
pulvermetallurgisch hergestellt [1]

Bild 2 – Traditionelle und additive Technologien der Pulvermetallurgie [2]

Additive Technologien

Neue additive Technologien, auch "3D-Druck" genannt, auch darauf ausgelegt, die Produktionskosten bei der Herstellung komplexer Teile zu senken. Diese Technologien spielen in der Industrie eine immer größere Rolle.. Wie es auf dem Bild gezeigt wird 1, diese Legierungen, Überspringen des Schritts des Pressens und Sinterns des Pulvers, bilden sofort das fertige Teil. Die Pulvermetallurgie verwendet auch die Technologie der "schnellen Erstarrung" und Aluminiumverbundlegierungen, Viele von ihnen erfordern zusätzliche technologische Schritte, um daraus fertige Teile und Produkte zu erhalten.

Pulveraluminiummetallurgie

Herstellung von Produkten aus Aluminiumpulver

Die Herstellung von pulverförmigen Aluminiumlegierungen erfolgt hauptsächlich nach zwei Verfahren. Für chemische Zusammensetzungen mit Legierungselementen, die im flüssigen Zustand eine hohe Löslichkeit aufweisen, schnelle Aushärtungstechnologie angewendet. Für Legierungselemente mit geringer Flüssigkeitslöslichkeit wird üblicherweise das Mischen im festen Zustand verwendet..

Hauptstufen der Produktion

Produkte aus Aluminiumpulverwerkstoffen können mit verschiedenen Technologien hergestellt werden, aber die allgemeinen Schritte ihrer Herstellung sind wie folgt:

• Pulverherstellung
• Mischen von Pulvern unter Zusatz von Schmiermitteln und Füllstoffen
• Kalt- oder Heißsiegel, normalerweise gefolgt von einer Entgasung
• Sintern oder Heißpressen
• diverse Zusatzbehandlungen

Ein Beispiel für einen der Produktionsprozesse der Aluminiumpulvermetallurgie von der Pulverherstellung bis zum fertigen Produkt ist in der Abbildung dargestellt. 3.

Bild 3 – Beispiel einer typischen Produktionstechnologie
Aluminiumpulvermaterialien und Produkte daraus [3]

Anwendungen für pulverförmige Aluminiumprodukte

Die meisten pulverförmigen Aluminiumlegierungen können in drei Hauptanwendungsbereiche für Produkte und Teile unterteilt werden:

• reduzierte Dichte;
• hohe Festigkeit;
• hohe Betriebstemperatur.

Geringe Dichte

Dichtereduzierung durch Zugabe von Lithium. Es ist bekannt, dass einige industrielle Aluminium-Lithium-Legierungen (z, 2090 und 8090) werden nach dem klassischen Verfahren durch Verhüttung von Barren hergestellt. Pulvermetallurgische Verfahren erreichen jedoch:

• Unterkühlung über die Gleichgewichtslöslichkeitsgrenze von Lithium in Aluminium hinaus
• Festigkeitssteigerung durch Dispersionshärtung mit sehr kleinen Partikeln der Sekundärphase.

Diese pulverförmigen Aluminium-Lithium-Legierungen sind in vielerlei Hinsicht in der Lage, klassische Legierungen zu ersetzen. 2024 und 7075.

Hohe Festigkeit

Hochfeste Legierungen werden hergestellt von:

• Verfahren zur ultraschnellen Erstarrung von Legierungen der 7xxx-Reihe mit zusätzlicher Legierung mit Übergangselementen, wie Kobalt, Zirkonium oder Nickel

• mechanisches Legieren mit Aluminiumkarbiden oder Aluminiumoxiden von reinem Aluminium oder Aluminium-Magnesium-Legierungen.

Diese Legierungen sollen die Legierung 7075-T6 ersetzen.

Hochtemperaturfestigkeit

Legierungen für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen werden durch ultraschnelle Erstarrung von Aluminiumlegierungen mit Zusätzen von Seltenen Erden oder Übergangsmetallen durch mechanisches Legieren erhalten.

Wirtschaftlichkeit von Aluminiumpulver

Trotz der interessanten technischen Möglichkeiten, Das tatsächliche wirtschaftliche Interesse an Aluminiumpulver in der Aluminiumindustrie ist sehr gering. Das Haupthindernis für die weit verbreitete Verwendung von Aluminiumpulverprodukten sind ihre hohen Kosten – ungefähr 1,5-2 mal mehr, als Produkte aus klassischen Aluminiumbarren. Dies liegt an der Notwendigkeit spezieller Ausrüstung und Sicherheitsmaßnahmen beim Umgang mit Metallpulvern..

Ein weiteres Hindernis ist die geringe Größe der Rohlinge., die durch Umformverfahren zu Produkten verarbeitet werden können, und begrenzte Verfügbarkeit. Ein definitives Hindernis für die Anwendung von pulverisierten Aluminiumkomponenten in kritischen tragenden Strukturen aufgrund des Mangels an zuverlässigen zerstörungsfreien Prüfmethoden zur Erkennung kleiner Poren oder anderer Defekte. Die industrielle Anwendung von pulverförmigen Aluminiumprodukten ist derzeit hauptsächlich eingeschränkt [3]:

• hochfeste Legierungen für Militärflugzeugteile
• verschleißfeste Legierungen für Kraftfahrzeugmotoren
• Legierungen mit hohem Elastizitätsmodul zur Erhöhung der Steifigkeit von Teilen und Produkten
• Hochtemperaturlegierungen für Motoren, sowie Flugzeugrümpfe.

Moderne Technologien zur Herstellung von Aluminiumpulvern

Pulveraluminiumlegierungen

Die meisten handelsüblichen Aluminiumpulverlegierungen basieren auf Aluminiumknetlegierungen der 2xxx-Reihe., 4xxx, 6xxx oder 7xxx, enthalten aber immer Magnesium-Legierungszusätze, Was ist notwendig, um die Bildung von Aluminiumoxid auf Pulverpartikeln während des Sinterns zu reduzieren [2].

Grundlegende Methoden

Pulverförmige Aluminiummaterialien können unter Verwendung mehrerer Herstellungsverfahren hergestellt werden.. Die wichtigsten solchen industriellen Methoden, das heißt, so, die Pulver produzieren, die auf dem Markt erhältlich sind, sind:

• Zerstäubung;
• "Spinnen" der Schmelze zu Bändern, gefolgt von Sprühen der Bänder zu Flocken;
• Mechanisches Legieren.

Zerstäubung

Die Zerstäubung beinhaltet die Bildung eines Pulvers aus einem Strom geschmolzenen Metalls, die in Tropfen zerfällt. Kann als reines Aluminiumpulver geformt werden, und aus vorlegierten Pulvern. Tatsächlich werden die meisten Pulver nach diesem Verfahren hergestellt.. Ein wichtiger Aspekt dieses Verfahrens ist die schnelle Erstarrung des Pulvers aus der Schmelze.. Zur Implementierung des Verfahrens werden die folgenden Methoden verwendet:

• Wasserzerstäubung
• Gaszerstäubung
• Vakuumzerstäubung
• Luftzerstäubung
• Zentrifugale Zerstäubung

Wasser- und Gaszerstäubungsmethoden sind die wichtigsten.

Schnelles Aushärten zu Band und Spray

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Aluminiumpulver besteht darin, ein schnell erstarrtes Band zu erhalten und dieses Band dann zu Flocken zu mahlen., die gepresst und extrudiert werden können.

Mechanisches Legieren

Ein interessantes Verfahren zur Herstellung von oxiddispersionsverfestigtem Werkstoff für den Einsatz in Bauteilen bei hohen Temperaturen ist das mechanische Legieren.. Bei diesem Verfahren wird das Pulver wiederholt verschweißt, bricht zusammen und schweißt neu.

Gaszerstäubung

Auf dem Bild 4 zeigt ein schematisches Diagramm eines vertikalen Zerstäubers unter Verwendung eines Inertgases. Die überhitzte Schmelze wird in einem Vakuuminduktionsofen aufbereitet und in eine oder mehrere Düsen gegossen.. Ein schnell expandierendes Gas bricht einen Flüssigkeitsstrahl auf, der sich zunächst in ein dünnes Blatt verwandelt und dann Bündel bildet, Ellipsoide und Kugeln. Dieses Pulver wird gesammelt, und die Luft strömt durch den Zyklon, wo es von feinem Pulver gereinigt wird, und geht zur Wiederverwendung. Dieser Gaszerstäubungsprozess weist eine Vielzahl variabler Parameter auf, Alle Schweißnähte beim Schmelzschweißen haben Bereiche mit stark unterschiedlichen Mikrostrukturen

• Legierungszusammensetzung
• Metallvorschubgeschwindigkeit
• Schmelztemperatur
• Schmelzviskosität
• Gasdruck und Temperatur
• Gasart
• Düsengeometrie.

Bild 4 – Zerstäubung von Pulvermaterialien mit einem Inertgas [3]

Der Hauptvorteil der Gaszerstäubung ist:

• Homogenität des Pulvermaterials,
• keine Verschmutzung durch Inertgasatmosphäre und
• sphärische Form von Pulverpartikeln.

Wasserzerstäubung

Die Wasserzerstäubung ähnelt der Gaszerstäubung, aber der Strahl aus geschmolzenem Metall wird durch Wasserstrahlen gebrochen (Abb 5). Kühlrate ist höher, als mit Gaszerstäubung und, daher, weniger chemische Entmischung im Pulver. Die Form der Pulverpartikel ist unregelmäßiger, Die Partikeloberfläche ist rauer und stärker oxidiert. Eine erhöhte Wassergeschwindigkeit führt zu einer Abnahme der durchschnittlichen Partikelgröße.

Bild 5 – Wasserzerstäubung von Pulvermaterialien [3]

Mechanisches Legieren

Beim mechanischen Legieren wird eine Mischung aus Kugeln und reinem Aluminiumpulver verwendet, um ein mikrolegiertes Verbundpulver auf einem Attritor oder einer anderen Hochenergie-Kugelmühle herzustellen (Abbildung 6).

Bild 6 – Mechanisches Legieren von Aluminiumpulvern [3]

Mehrfaches Schleifen, Kaltschweißen, das Brechen und Wiederverschweißen des Metallpulvers führt zur Bildung eines homogenen Pulvermaterials mit einer gleichmäßigen Verteilung von Einschlüssen. Eine gute Balance zwischen Schleifen und Schweißen wird durch die Wahl der richtigen organischen Flüssigkeiten erreicht, die einen erheblichen Einfluss auf die Technologie haben. Mechanisch legierte Pulver lassen sich nur sehr schwer verpressen, denn ihre kaltplastische Verformung erfordert viel Kraftaufwand. Diese Methode ist nicht besonders ergiebig., aber immer noch attraktiv, so können mit seiner Hilfe einzigartige Legierungen hergestellt werden, die hauptsächlich für Produkte und Teile verwendet werden, Arbeiten bei hohen Temperaturen.

Vorteile der schnellen Aushärtung

Ein wichtiges Merkmal der Zerstäubung ist die schnelle Erstarrung des Pulvers aus der Schmelze (10² – 10⁴ K/s für die Gaszerstäubung, 10⁴ – 10⁶ K/s für Wasserzerstäubung). Einer der klaren Vorteile der erhöhten Erstarrungsgeschwindigkeit ist die Verfeinerung der mikrostrukturellen Bestandteile.. Der Zusammenhang zwischen der Abkühlgeschwindigkeit und dem Abstand zwischen den Ästen der Dendriten ist annähernd linear (Abb 7). Diese Strukturveredelung hat einen wichtigen Einfluss auf die Eigenschaften von Pulvermaterialien wie z, erhöhte Kraft, höhere Dauerfestigkeit und erhöhte Korrosionsbeständigkeit. Ein weiterer Effekt der erhöhten Abkühlgeschwindigkeit ist die Erweiterung der Auflösungsgrenzen von Legierungselementen in der festen Lösung über die Gleichgewichtswerte (Abb. 8). Dadurch ist es möglich, metastabile Legierungen mit chemischer Zusammensetzung zu erhalten, was mit dem klassischen metallurgischen Blockgussverfahren nicht zu erreichen ist.

Bild 7 – Verringerung des Abstands zwischen den Zweigen der Dendriten
mit schneller Erstarrung [3]

Bild 8 – Erhöhung der Löslichkeit von Legierungselementen
mit schneller Erstarrung [3]

Porositätsproblem

Die Struktur und Porosität von Aluminiumpulverlegierungen hängt von der chemischen Zusammensetzung der Legierung und den Eigenschaften des Pulvers ab, sowie technologische Bedingungen beim Pressen, Sintern, additive Verfahren und sekundäre Umformoperationen.

Nahezu alle Eigenschaften pulverförmiger Aluminiumlegierungen hängen von ihrer Restporosität ab.. Restporosität kann Qualitätswerte auf Werte darunter reduzieren, als herkömmliche Knet- oder Gusslegierungen. Es ist wichtig, nicht nur die Restporosität zu reduzieren oder zu beseitigen, sondern auch vollständiges Verständnis und Kontrolle über seine Anwesenheit in Teilen und Produkten.

Sekundäre technologische Operationen, wie Schmieden, Walzen und Extrudieren, in der Lage, die Dichte zu erhöhen und die Restoberflächenporosität zu verringern. Dadurch ist es möglich, viele Eigenschaften von Pulvermaterialien zu verbessern.. Bei sorgfältiger Kontrolle der technologischen Parameter der Pulvermetallurgie können die Eigenschaften von Aluminiumpulvermaterialien die Eigenschaften traditioneller Aluminiumknetlegierungen übertreffen [2].

Quellen:

1. Pulvermetallurgie / Josef W. Newkirk // Handbuch des Aluminiumvolumens – Physikalische Metallurgie und Prozesse, ed. G. E. Totte und D. S. MacKenzie – 2003
2. Pulvermetallurgie Aluminiumlegierungen: Struktur und Porosität / W. Richter und G. Kipouros // Enzyklopädie von Aluminium und seinen Legierungen, ed. G.E. Totten, M. Tiryakioglu, Ö. Keßler – 2019
3. Aluminiumpulvermetallurgie / TALAT-Lesung 1401, 1994