Pulvermetallurgie: Herstellung, Eigenschaften & Anwendungen

Pulvermetallurgie: Grundlagen & Verfahren

Pulvermetallurgie ist definiert als die Kunst der Herstellung kommerzieller Produkte aus Metallpulvern.

In diesem Prozess wird Wärme eingesetzt, jedoch muss die Temperatur stets unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls gehalten werden. Wenn Wärme im anschließenden Fügeverfahren angewendet wird, ist dies als Sintern bekannt. Dieses Verfahren erzeugt feine Produkte und verbessert deren Festigkeit sowie weitere Eigenschaften. Produkte, die mittels Pulvermetallurgie hergestellt werden, bestehen oft aus einer Mischung verschiedener Metallpulver, die sich in ihren Eigenschaften ergänzen. So können Metalle wie Kobalt, Wolfram oder Graphit je nach Verwendungszweck des Endmaterials hinzugefügt werden.

Metallpulver sind in der Regel teurer als Metalle in fester Form. Daher wird dieses Verfahren primär für die Massenproduktion empfohlen. Obwohl die Gesamtherstellungskosten für Produkte aus Metallpulvern höher sein können als bei anderen Gussverfahren, ist dies aufgrund der außergewöhnlichen Eigenschaften, die mit diesem Verfahren erzielt werden, oft wirtschaftlich vertretbar und profitabel. Zudem können Produkte hergestellt werden, die mit anderen Fertigungsmethoden nicht realisierbar sind oder deren Präzision und Toleranzen nicht erreicht werden können.

Der Prozess der Pulvermetallurgie

Der Prozess umfasst im Allgemeinen folgende Schritte:

• Herstellung der Metallpulver
• Mischen der beteiligten Metalle
• Formgebung der Teile durch Pressen
• Sintern der Teile
• Wärmebehandlung (optional)

Prozessdiagramm der Pulverherstellung

(Ein Diagramm zur Herstellung von Teilen durch Pulvermetallurgie würde hier eingefügt werden.)

Herstellung & Charakterisierung von Metallpulvern

Größe, Form und Verteilung der Pulver beeinflussen maßgeblich die Eigenschaften der zu produzierenden Teile. Daher ist bei der Herstellung der Pulver größte Sorgfalt geboten. Die wichtigsten Merkmale der Pulver, die berücksichtigt werden müssen, sind:

• Form
• Feinheit (Partikelgröße)
• Partikelgrößenverteilung
• Fließfähigkeit
• Chemische Eigenschaften
• Kompressibilität
• Schüttdichte
• Gründichte (oder Pressdichte)
• Sintereigenschaften

Form der Pulverpartikel

Die Form der Pulverpartikel hängt von der Herstellungsmethode ab und kann sphärisch, unregelmäßig, dendritisch, flach oder eckig sein.

Feinheit (Partikelgröße)

Die Feinheit bezieht sich auf die Partikelgröße, die üblicherweise durch Standard-Siebmaschen gemessen wird. Diese Siebe haben Maschenweiten, die typischerweise zwischen 36 und 850 Mikrometern liegen.

Partikelgrößenverteilung

Die Partikelgrößenverteilung beschreibt die Mengenanteile der verschiedenen Partikelgrößen in einer Pulvermischung. Diese Verteilung hat einen erheblichen Einfluss auf die Fließfähigkeit, die Packungsdichte der Partikel und die Porosität des Endprodukts.

Fließfähigkeit

Die Fließfähigkeit ist die Eigenschaft eines Pulvers, leicht von einem Behälter in eine Formkavität zu fließen. Sie wird oft durch die Zeit gemessen, die eine bestimmte Menge Pulver benötigt, um durch eine Standardöffnung zu fließen.

Chemische Eigenschaften & Reinheit

Die chemischen Eigenschaften umfassen die Zusammensetzung und die Reaktivität der verschiedenen Elemente im Pulver. Sie beziehen sich auch auf die Reinheit des verwendeten Pulvers, die entscheidend für die Endprodukteigenschaften ist.

Kompressibilität

Die Kompressibilität ist das Verhältnis zwischen dem ursprünglichen Volumen des losen Pulvers und dem Endvolumen des verdichteten Teils. Diese Eigenschaft variiert erheblich in Abhängigkeit von der Partikelgröße und -form und beeinflusst direkt die Dichte und Festigkeit der gepressten Teile.

Schüttdichte

Die Schüttdichte wird in Kilogramm pro Kubikmeter ausgedrückt und ist ein Maß für die Masse des Pulvers pro Volumeneinheit im losen Zustand. Sie sollte möglichst konstant sein, um eine gleichmäßige Füllung der Form und damit eine homogene Dichte des Endprodukts zu gewährleisten.

Sintereigenschaften

Sintern ist der Prozess, bei dem Pulverpartikel durch Hitze miteinander verbunden werden, ohne dass das Material vollständig schmilzt. Die erforderliche Sintertemperatur hängt stark von der Art des verwendeten Pulvers ab, weshalb für verschiedene Materialien unterschiedliche Temperaturen angewendet werden.

Methoden zur Herstellung von Metallpulvern

Obwohl prinzipiell alle Metalle zu Pulver verarbeitet werden können, erfüllen nicht alle die notwendigen Eigenschaften für die Formgebung von Bauteilen. Die am häufigsten für die Produktion von Teilen verwendeten Metalle sind Kupfer und Eisen. Varianten von Kupfer, wie Bronze, werden für Sinterlager verwendet, und Messing findet Anwendung in kleinen Maschinenteilen. Auch andere Pulver wie Nickel, Silber, Wolfram und Aluminium werden gewonnen und genutzt.

Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von Metallpulvern, die je nach den physikalischen und chemischen Eigenschaften der verwendeten Metalle ausgewählt werden:

Mechanische Zerkleinerung

Diese Methoden umfassen das Zerspanen, Brechen und Mahlen von Metallen. Sie werden vor allem zur Herstellung von groben Pulvern oder zur Zerkleinerung spröder Materialien eingesetzt. Beim Schleifen (Mahlen) wird das Material in rotierenden Kugelmühlen, Walzenmühlen oder Brechern zerkleinert, wodurch unregelmäßige Partikel jeder gewünschten Feinheit entstehen können.

Schrotung (Shotting)

Bei der Schrotung wird geschmolzenes Metall durch ein Sieb in ein Kühlmedium (meist Wasser) gegossen. Dabei entstehen kugelförmige oder birnenförmige Partikel. Diese Methode liefert tendenziell größere Partikelgrößen.

Verdüsung (Atomisierung)

Die Verdüsung besteht darin, geschmolzenes Metall zu versprühen und in Luft oder Wasser abzukühlen. Dies ist eine hervorragende Methode zur Herstellung von Pulvern aus fast allen Metallen, insbesondere solchen mit niedrigem Schmelzpunkt wie Blei, Aluminium, Zink und Zinn.

Granulation

Einige Metalle können durch eine schnelle Bewegung des Metalls während des Abkühlens zu Pulver verarbeitet werden. Dieser Prozess wird als Granulation bezeichnet.

Elektrolytische Abscheidung

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Eisen-, Silber- und einigen anderen Metallpulvern ist die elektrolytische Abscheidung. Dabei wird das zu besprühende Metall als Anode in Elektrolytbäder getaucht, wobei Kathoden aus Eisen oder einem anderen Metall dienen. Das Metall bewegt sich von der Anode zur Kathode und scheidet sich dort als feines Pulver ab, das anschließend leicht verwendet werden kann.

Spezielle Metallpulver

Vorlegierte Pulver

Vorlegierte Pulver entstehen, wenn ein Pulver bereits vor der Formgebung mit einem anderen Metall legiert wird. Dies verbessert die Eigenschaften der Endteile erheblich im Vergleich zu denen aus reinen Metallen. Ein Vorteil dieser Pulverart ist, dass für ihre Herstellung oft niedrigere Temperaturen benötigt werden. Die resultierenden Eigenschaften ähneln denen, die durch Gussverfahren erzielt werden.

Beschichtete Pulver

Pulver können mit bestimmten Elementen beschichtet werden, beispielsweise durch Gasphasenabscheidung. Jedes Partikel wird dabei gleichmäßig beschichtet. Beim Sintern erwirbt das Material die Eigenschaften der Beschichtung. Dies ermöglicht die Verwendung von kostengünstigeren Basis-Pulvern.

Formgebung (Konformation)

Die Formgebung besteht darin, das Pulver in einer Form zu komprimieren, um die gewünschte Gestalt des Bauteils zu erzeugen. Es gibt verschiedene Methoden der Formgebung, darunter:

Pressen

Beim Pressen werden die Pulver in Stahlformen verdichtet, um die gewünschte Form zu erhalten. Der angewendete Druck variiert typischerweise zwischen 20 und 1400 MPa. Kunststoffpulver erfordern im Allgemeinen keine so hohen Drücke, da sie weniger hart sind. Die meisten Pressen, die ursprünglich für andere Zwecke konzipiert wurden, können auch für die Pulvermetallurgie eingesetzt werden. Obwohl hydraulische Pressen verwendet werden können, sind mechanische Pressen aufgrund ihrer hohen Produktionskapazität häufiger im Einsatz.

Zentrifugales Verdichten

Beim zentrifugalen Verdichten werden Formen mit Metallpulver gefüllt und anschließend zentrifugiert, um Drücke von bis zu 3 MPa zu erzeugen. Durch die Zentrifugalkraft wird eine gleichmäßige Dichte in jedem Pulverkorn erreicht. Die so erhaltenen Teile werden später aus der Form entnommen und gesintert, um ihre Endhärte zu erlangen.

Schlickergießen (Slip Casting)

Teile aus Wolfram-, Molybdän- und anderen Pulvern werden manchmal durch Schlickergießen verdichtet. Bei diesem Verfahren wird eine Suspension (Schlicker) aus Metallpulver und einem Bindemittel hergestellt und in eine poröse Gipsform gegossen. Da die Gipsform ein poröses Material ist, entzieht sie dem Schlicker allmählich Flüssigkeit und hinterlässt eine feste Schicht aus metallischem Material. Nach ausreichender Zeit, um eine ausreichend dicke Schicht zu bilden, werden die Teile entformt und normal gesintert. Dieses Verfahren ist besonders nützlich für die Herstellung von Hohlkörpern.

Extrusion von Pulverwerkstoffen

Für die Herstellung langer Werkstücke aus Metallpulvern wird das Extrusionsverfahren eingesetzt. Die verwendeten Methoden hängen von den Eigenschaften des Pulvers ab: Einige Pulver werden kalt mit einem Bindemittel extrudiert, während andere auf Extrusionstemperatur erhitzt werden. Im Allgemeinen wird das Pulver zunächst komprimiert und dann zu Barren geformt, die heiß extrudiert oder vor der Extrusion gesintert werden.

Explosives Verdichten

Wie der Name schon andeutet, kann die für die Formgebung eines Pulvers erforderliche Kraft durch eine Explosion erzeugt werden. Das Verfahren ist einfach und wirtschaftlich, birgt jedoch Sicherheitsrisiken, deren Kontrolle nicht immer vollständig zufriedenstellend ist.

Sintern

Sintern ist ein thermischer Prozess, bei dem Pulverpartikel durch atomare Kräfte miteinander verbunden werden, wenn die Temperatur erhöht wird. Durch die Wärmeanwendung werden die Partikel an den Kontaktpunkten verdichtet, und die Oberflächenenergie fördert die Bindungsbildung. Während des Sinterprozesses nimmt die Plastizität der Körner zu, was zu einer besseren mechanischen Verzahnung durch die Bildung von Bindungsbrücken führt. Eventuell vorhandene Gase, die die Verbindung stören könnten, werden ausgeschlossen. Die Sintertemperaturen liegen stets unterhalb der Schmelztemperatur des Hauptpulvers in der Mischung.

Es gibt eine breite Palette von Sintertemperaturen; die folgenden haben sich jedoch bewährt:

• Eisen: 1095 °C
• Edelstahl: 1180 °C
• Kupfer: 870 °C
• Hartmetall: 1480 °C

Die Sinterzeit variiert typischerweise zwischen 20 und 40 Minuten.

Vorteile & Einschränkungen der Pulvermetallurgie

Vorteile

• Herstellung komplexer Bauteile: Die Produktion von Hartmetallen, Sinterlagern und bimetallischen Schichten ist oft nur durch diesen Prozess möglich.
• Kontrollierte Porosität: Ermöglicht die Herstellung von Filtern oder selbstschmierenden Lagern.
• Hohe Präzision: Erzielung kleiner Toleranzen und hoher Oberflächengüten.
• Hohe Reinheit: Die Qualität und Reinheit der Pulver kann kontrolliert werden, was zu Bauteilen von hoher Reinheit führt.
• Minimale Materialverluste: Ein nahezu abfallfreier Prozess.
• Geringerer Bedarf an hochqualifizierten Bedienern für die Serienproduktion.

Einschränkungen

• Hohe Kosten für Pulver: Metallpulver sind teuer und erfordern spezielle Lagerbedingungen.
• Hohe Investitionskosten: Die Ausrüstung für die Pulverherstellung ist kostspielig.
• Wirtschaftlichkeit: Für bestimmte Produkte sind andere Herstellungsverfahren wirtschaftlicher.
• Grenzen bei extrem komplexen Geometrien: Die Herstellung von Produkten mit sehr komplizierten Designs kann herausfordernd sein.
• Herausforderungen beim Sintern: Insbesondere bei Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt können Schwierigkeiten im thermischen Sinterprozess auftreten.
• Explosionsgefahr: Feinkörnige Pulver wie Aluminium, Magnesium, Zirkonium und Titan bergen Explosionsrisiken.
• Herausforderung bei hoher Dichte: Es kann schwierig sein, Produkte mit sehr hoher und gleichmäßiger Dichte herzustellen.

Anwendungsbeispiele der Pulvermetallurgie

• Metallfilter
• Hartmetallwerkzeuge
• Getriebe und Rotoren für Pumpen
• Komponenten für Wischermotoren
• Sinterlager (selbstschmierend)
• Magnete (insbesondere Dauermagnete)
• Elektrische Kontakte