Aspekte der Pulvermetallurgie: Verfahren und Merkmale

1. Einführung in die Pulvermetallurgie

Die Pulvermetallurgie ist ein Prozess zur Herstellung von Metallgegenständen durch das Pressen von Metallen in Form von sehr feinem Pulver in geeignete Formen und deren anschließende Erwärmung unterhalb der Schmelztemperatur. Teile, die mit dieser Methode hergestellt werden, zeichnen sich durch eine hohe Präzision der Form aus (oft ohne weitere Nachbehandlung, selbst bei komplizierten Geometrien) sowie durch eine Vielzahl spezifischer Legierungen und sehr unterschiedliche Dichtegrade – von sehr porös bis sehr dicht.

Diese Umformung hat sich in den letzten Jahrzehnten als verstärkte alternative Methode zur Herstellung kleiner Metallteile etabliert. Mit ihr ist es möglich, kleine und komplexe Formen aus Materialien wie Metallen, keramischen Verbundwerkstoffen und Metallkomponenten zu produzieren. Sie finden zahlreiche Anwendungen in Branchen wie der Automobilindustrie, Chemie, Luftfahrt, Computer-Hardware, Biomedizin und Wehrtechnik.

Beispiele hierfür sind:

• Selbstschmierende Sinterlager und Sinterfilter
• Spritzgussteile großer Komplexität
• Gesinterte Hartmetalle für Schneidwerkzeuge
• Verschleißteile mit harten Zusatzschichten
• Diamantwerkzeuge extremer Härte

Ein dynamischer Bereich ist die Herstellung von Hochleistungs-Aluminiumbauteilen. Zudem wächst die Fertigung von Magneten stetig, was bedeutende Verbesserungen in der Telekommunikation, Steuerungs- und Regelungstechnik, Messtechnik, medizinischen Diagnostik und im Fahrzeugbau ermöglicht hat. Die Pulvermetallurgie-Industrie steht jedoch unter Druck durch steigende Rohstoff- und Energiepreise.

2. Hauptoperationen in der Pulvermetallurgie

Der Prozess umfasst im Allgemeinen folgende Schritte:

1. Produktion von Metallpulver
2. Mischen der gewonnenen Metalle
3. Verdichten der Teile mittels Pressen
4. Sintern der Teile
5. Wärmebehandlung

Zusätzlich können je nach Anwendung Operationen wie Vorsintern, Größenauswahl, Bearbeitung und Oberflächenbehandlung hinzugefügt werden.

2.1 Herstellung von Metallpulver

Es gibt verschiedene Wege zur Pulverherstellung, abhängig von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der verwendeten Metalle. Es besteht ein klarer Zusammenhang zwischen der Erzeugungsart des Staubs und den Endeigenschaften. Wichtige Methoden sind das Spritzen (Atomisierung), die Reduktion von Oxiden und die elektrolytische Abscheidung.

Das Spritzen besteht aus dem Zerstäuben von flüssigem Metall und der Abkühlung in Luft oder Wasser. Es ist die am weitesten verbreitete Methode für Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt wie Zinn, Blei, Zink, Cadmium und Aluminium. Durch Variation von Temperatur, Druck des Atomisierungsgases und Düsendesign kann die Teilchengröße gesteuert werden. Der Vorteil ist die hohe Flexibilität und Gleichmäßigkeit der Korngrößenverteilung.

Die Oxidreduktion ist eine wirtschaftliche und flexible Methode, die das größte Volumen an Metallpulver liefert (z. B. Eisen, Nickel, Kobalt, Kupfer). Oxide werden mit Kohlenmonoxid oder Wasserstoff reduziert. Die so hergestellten Partikel sind schwammig und ideal für die Formgebung. Dies ist die einzige praktikable Methode für refraktäre Metalle wie Wolfram und Molybdän.

Das Elektrolyse-Verfahren eignet sich für sehr reine Pulver (vor allem Eisen und Kupfer). Das Metall wird an Kathoden als feines Pulver abgeschieden. Durch Regelung von Strom, Temperatur und Elektrolyt wird die Pulverqualität bestimmt. Elektrolytisches Pulver ist meist dendritisch, was durch die Verklammerung der Partikel während der Verdichtung gute Eigenschaften verleiht.

Weitere Gewinnungsmethoden

• Mahlen: Ein mechanischer Prozess für spröde Metalle wie Mangan oder Chrom unter Verwendung von Hammermühlen.
• Zerstäuben: Ein mechanischer Prozess, bei dem geschmolzenes Metall auf eine rotierende Scheibe mit Klingen trifft.
• Thermische Zersetzung: Ein physikalisch-chemisches Verfahren zur Gewinnung sehr reiner, kugelförmiger Pulver aus Carbonyloxiden (z. B. für spezielle Magnete).
• Interkristalline Korrosion: Anwendung bei rostfreiem Stahl durch gezielte Karbidausscheidung und anschließende Säurebehandlung.

2.2 Mischen der Pulver

Dies ist für die Einheitlichkeit des Produktes unerlässlich. Die gewünschte Korngrößenverteilung wird durch Kombination verschiedener Pulver, Legierungselemente und Schmiermittel erreicht. Die Mischzeit variiert von Minuten bis zu Tagen. Ein Übermischen sollte vermieden werden, um Kaltverfestigung zu verhindern.

2.3 Verdichten (Kompaktieren)

Dies ist der wichtigste Vorgang, da die erzielte Dichte die Rentabilität bestimmt. Meist erfolgt die Verdichtung kalt. Ziel ist es, das Pulver in die gewünschte Form mit ausreichender Festigkeit für die Handhabung zu bringen. Man unterscheidet Druck-Techniken (isostatisch, Strangpressen, Schmieden) und drucklose Techniken (Schwerkraftverfahren).

2.4 Sintern

Das Sintern erfolgt meist unterhalb des Schmelzpunktes der Hauptkomponente. Sinteröfen (elektrisch oder gasbetrieben) benötigen eine präzise Temperatursteuerung und eine kontrollierte Schutzatmosphäre (z. B. Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe), um Oxidation zu verhindern und Oberflächenfilme zu reduzieren.

Sintern basiert auf atomaren Bindungskräften. Der Prozess beginnt mit der Diffusion von Atomen und der Bildung von Hälsen zwischen den Partikeln, gefolgt von der Abrundung und Eliminierung von Poren. Höhere Temperaturen und längere Zeiten begünstigen die Zugfestigkeit.

2.5 Wärmebehandlung und Nachbearbeitung

Gesinterte Teile können durch Spannungsarmglühen, Härten, Nitrieren oder Einsatzhärten weiterbehandelt werden. Weitere Operationen umfassen Bearbeitung, Polieren, Entgraten und Reinigen. Die Imprägnierung wird oft genutzt, um Poren zu füllen und die Gleiteigenschaften (z. B. bei selbstschmierenden Lagern) zu verbessern.

3. Merkmale von Metallpulver

Die grundlegenden Eigenschaften sind: chemische Zusammensetzung, Reinheit, Partikelgröße, Form, Mikrostruktur und Schüttdichte. Ein feineres Pulver führt in der Regel zu besseren physikalischen Eigenschaften nach dem Sintern. Die Analyse erfolgt meist über Siebtests (z. B. Mesh-Nummern).

Die Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst die Reibungskräfte beim Fließen und Verdichten. Während kugelförmige Teilchen exzellente Sinterqualitäten haben, sind unregelmäßig geformte Partikel oft besser für die praktische Formgebung geeignet. Die Schüttdichte ist entscheidend für die Füllung der Pressformen; eine niedrige Schüttdichte erfordert tiefere Kavitäten und höhere Kompressionszyklen.