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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 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].

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 Aluminiumpulverlegierungen, die mit der "Press-Sinter"-Technologie verarbeitet werden, 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]

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

Aluminiumlegierungen, die durch pulvermetallurgische Verfahren hergestellt werden, bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Knet- und Gusslegierungen, und sorgen auch für eine wirtschaftliche Produktion von Produkten, die kaum oder gar nicht weiter verarbeitet werden müssen. Allerdings für Alu, als hochreaktives Metall, Die Anwendung von pulvermetallurgischen Verfahren ist mit gewissen Schwierigkeiten und Problemen verbunden und erfordert im Vergleich zu herkömmlichen Pulverwerkstoffen auf Eisenbasis viel mehr Aufmerksamkeit, Kupfer oder Nickel [2].

Die meisten herkömmlichen Aluminiumpulvermaterialien bestehen aus verschiedenen Pulverbestandteilen., die als Premix ("Premix") zusammengemischt werden, wie auf dem bild gezeigt 2. Um ein Produkt aus einem pulverförmigen Metallwerkstoff herzustellen, wird diese „Vormischung“ zunächst in eine kompakte Form gepresst., das in der Größe dem Endprodukt nahe oder fast nahe kommt. Diese Form wird dann bei erhöhter Temperatur gesintert, die die Pulverpartikel miteinander verbinden und anderen technologischen Operationen unterzogen werden können.

Aluminiumpulverlegierungsprodukte können auch aus einer Mischung von Pulvern oder vorlegierten Pulvern hergestellt werden., wie auf dem bild gezeigt 2. In diesem Fall wird ein fokussierter Laserstrahl verwendet, das lokal eine dünne Pulverschicht an bestimmten Stellen des Produkts sintert oder schmilzt. Dieser Vorgang wird viele Male wiederholt. Diese Technologie wird in dem Sinne als „additiv“ bezeichnet, dass das Produkt durch schichtweises Hinzufügen entsteht.

Aluminiumlegierungen, die durch die klassische Technologie des Gießens in Barren erhalten werden, in der Regel durch sorgfältige Wahl der chemischen Zusammensetzung optimiert, Legierungselemente, Herstellungsverfahren und thermische und thermomechanische Behandlungen. Allerdings sind die Möglichkeiten der traditionellen Technologie zur Herstellung von Aluminiumlegierungen mechanisch zu verbessern, physikalischen und chemischen Eigenschaften sind aufgrund ihrer Komplexität und Vielstufigkeit sehr begrenzt. Solche Möglichkeiten bieten Aluminium-Pulvermetallurgie-Technologien..

Der Einsatz der Pulvermetallurgie zur Herstellung von Aluminiumlegierungen hat folgende Vorteile:

  • Aufgrund der schnellen Abkühlung können feinere und homogenere Mikrostrukturen von Aluminiumlegierungen erhalten werden..
  • Eine größere Auswahl an chemischen Zusammensetzungen von Legierungen ermöglicht es, die gewünschten Eigenschaften zu erhalten, wie Dichte, Wärmeausdehnung usw.. P.
  • Die Pulvermetallurgie-Technologie kann nahezu genaue Endproduktabmessungen und eine höhere thermische Stabilität erreichen, sowie erhöhte Korrosionsbeständigkeit und hohe tribologische Eigenschaften.

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..

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.

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.

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.

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

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

Интересным методом для производства оксидного дисперсноупрочненного материала для применения в деталях при высоких температурах является механическое легирование. В этом методе порошок многократно сваривается, разламывается и снова сваривается.

Gaszerstäubung

Auf dem Bild 4 показана схематическая диаграмма вертикального атомизатора с применением инертного газа. Сверхперегретый расплав готовится в вакуумной индукционной печи и разливается в одно или несколько сопел. Быстро расширяющийся газ разбивает жидкую струю, которая сначала превращается в тонкий лист и затем образует пучки, эллипсоиды и сферы. Этот порошок собирается, а воздух проходит через циклон, где очищается от мелкого порошка, и уходит на повторное применение. Этот процесс газовой атомизации имеет большое количество переменных параметров, Alle Schweißnähte beim Schmelzschweißen haben Bereiche mit stark unterschiedlichen Mikrostrukturen

  • состав сплава
  • скорость подачи металла
  • температура расплава
  • вязкость расплава
  • давление и температура газа
  • тип газа
  • геометрия сопла.

Bild 4 – Атомизация порошковых материалов инертным газом [3]

Главным преимуществом газовой атомизации является:

  • гомогенность порошкового материала,
  • отсутствие загрязнения благодаря атмосфере инертного газа и
  • сферическая форма частиц порошка.

Wasserzerstäubung

Водная атомизация является аналогичной газовой атомизации, но струя расплавленного металла разбивается струями воды (рисунок 5). Скорость охлаждения выше, чем при газовой атомизации и, daher, химическая сегрегация в порошке меньше. Форма частиц порошка более неправильная, поверхность частиц более грубая и более окисленная. Повышенная скорость воды приводит к снижению среднего размера частиц.


Bild 5 – Водная атомизация порошковых материалов [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 – Механическое легирование алюминиевых порошков [3]

Многократное перемалывание, холодное сваривание, разбиение и повторное сваривание металлического порошка приводит к образованию гомогенного порошкового материала с однородным распределением включений. 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. Этот способ не является особенно производительным, но остается привлекательным, так так с его помощью могут производиться уникальные сплавы, которые применяются в основном для изделий и деталей, работающих при высоких температурах.

Преимущества быстрого затвердевания

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). Одним из явных преимуществ повышенной скорости затвердевания является измельчение микроструктурных составляющих. Зависимость между скоростью охлаждения расстоянием между ветвями дендридов приблизительно линейная (рисунок 7). Diese Strukturveredelung hat einen wichtigen Einfluss auf die Eigenschaften von Pulvermaterialien wie z, erhöhte Kraft, höhere Dauerfestigkeit und erhöhte Korrosionsbeständigkeit. Другим эффектом повышенной скорости охлаждения является расширение пределов растворения легирующих элементов в твердом растворе выше равновесных величин (рисунок 8). Это дает возможность получать метастабильные сплавы с химическим составом, который не может быть достигнут при классическом металлургическом методе литья слитков.

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

Структура и пористость порошковых алюминиевых сплавов зависит от химического состава сплава и характеристик порошка, а также технологических условий при прессовании, спекании, аддитивных процессах и вторичных операциях обработки давлением.

Практически все свойства порошковых алюминиевых сплавов зависят от их остаточной пористости, wodurch Qualitätsindikatoren auf ein darunter liegendes Niveau reduziert werden können, 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, способны повышать плотность и снижать остаточную поверхностную пористость и, damit, повышать многие свойства порошковых материалов. При тщательном контроле технологических параметров порошковой металлургии свойства алюминиевых порошковых материалов могут превышать свойства традиционных деформируемых алюминиевых сплавов [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