Die meisten pulvermetallurgischen Teile werden in drei bis vier grundlegenden Schritten hergestellt:
- Mischen / Aufbereiten des Metallpulvers
- Verdichtung der Form
- Sintern
- Gegebenfalls Wärmebehandlung
Nach dem Sintern der Teile ist häufig eine Wärmenachbehandlung erforderlich, um die Dichte, die Abmessungen und die Oberflächengüte zu verbessern.
Im Folgenden werden wir diese Prozesse genauer betrachten, bevor wir uns mit spezifischen Methoden zur Herstellung von Metallpulverteilen befassen:
- Erster Schritt – Aufbereitung der Pulver: Der erste Schritt besteht in der Vorbereitung der Pulver für die Verwendung in der pulvermetallurgischen Fertigung. Pulver können durch verschiedene Methoden hergestellt werden, darunter Zerstäubung, chemische Reaktionen, Zerkleinerung, elektrolytische Abscheidung und Mahlen. Die Größe und Form der Pulverpartikel variierten, so dass sie durch Pulverisieren und Sieben weiter aufbereitet werden können.
- Zweiter Schritt – Formverdichtung: Sobald die Pulver vorbereitet sind, werden sie einem bestimmten Druck ausgesetzt, um sie zu verdichten. Dieser Druck wird bei Raumtemperatur ausgeübt, bevor die Sinterung beginnen kann.
- Dritter Schritt – Sintern: Dieser Vorgang findet bei erhöhten Temperaturen und unter streng kontrollierten atmosphärischen Bedingungen statt. Beim Sintern wird genügend Wärme zugeführt, um die Partikel zu verbinden, ohne ihren Schmelzpunkt zu erreichen. Dadurch werden die Eigenschaften des Teils verbessert, aber der Erhitzungsprozess kann die Größe des Bauteils verändern oder zu einer gewissen Verformung führen. Das Kalibrieren kann nach dem Sintern als „Nachpressen“ verwendet werden, um eine Nettoformung des Teils zu erreichen, so dass Form und Größe kontrolliert werden.
- Vierter Schritt – Wärmebehandlung: Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Maßgenauigkeit der Teile können sekundäre Wärmebehandlungen erforderlich sein.
Wie Teile aus Metallpulver geformt werden
Während die grundlegenden Schritte für die Herstellung von Metallpulvern immer die gleichen sind, gibt es eine Reihe verschiedener Techniken, die in der pulvermetallurgischen Fertigungstechnik eingesetzt werden können.
1. Traditionelle Press- und Sinterformung:
Bei einem der ältesten Verfahren wird feines Eisenmetall (in der Regel <180 Mikrometer) mit Zusätzen wie Kohlenstoff, Kupfer und/oder Nickel und einem Wachsschmiermittel gemischt. Das Wachsschmiermittel wird verwendet, um das Metallpulver in eine Form zu pressen, die der gewünschten Form des Teils entspricht. Diese Mischung wird dann in einem metallurgischen Ofen unter kontrollierter Atmosphäre erhitzt, um das Metallpulver durch den Sinterprozess zu verbinden. Nach dem Sintern enthält das Teil noch etwa 5-15 % Porosität, was bedeutet, dass es in der Regel schwächer ist als das Endprodukt und daher eine weitere Wärmebehandlung erforderlich machen kann.
Seit den 1940er Jahren wurden mehrere andere PM-Verfahren entwickelt, darunter pulvermetallurgische Verfahren wie das Pulverschmieden, das heiß-isostatische Pressen, das Metallspritzgießen und das stromunterstützte Sintern:
2. Pulverschmieden:
Beim Pulverschmieden wird eine Vorform verwendet, die mit dem traditionellen „Pressen und Sintern“ (siehe oben) hergestellt wird. Diese Vorform wird dann erhitzt und heiß geschmiedet, um ein Teil mit voller Dichte und den gleichen Eigenschaften wie beim Schmieden zu erhalten.
3. Heiß-isostatisches Pressen (Hot Isostatic Pressing HIP):
Beim heiß-isostatischen Pressen werden gaszerstäubte, kugelförmige Pulver verwendet, die in eine Metallform mit der Negativ-Form des fertigen Produkts eingebracht werden. Die Form wird dann versiegelt und gerüttelt, bevor eine Vakuumpumpe die Luft aus dem Inneren entfernt. Anschließend wird die Form in einer heiß-isostatischen Presse erhitzt, wobei der Innendruck durch den Einsatz eines externen Gasdrucks erhöht wird. Dadurch werden die Pulver erhitzt und miteinander verbunden, so dass ein fertiges Teil in der richtigen Form und mit voller Dichte entsteht. Das HIP-Verfahren wurde in den 1950er und 60er Jahren entwickelt und ermöglicht die Herstellung von Teilen mit den gleichen oder besseren mechanischen Eigenschaften wie beim Schmieden. Dieses Verfahren wurde in den folgenden Jahrzehnten immer häufiger angewandt und wird zur Herstellung von Superlegierungen verwendet, die in Düsentriebwerke und anderen Luft- und Raumfahrt-Komponenten eingebaut werden.
4. Metall-Spritzgießen (Metal Injection Moulding, MIM):
Bei diesem Verfahren werden kugelförmige Metallpulver mit einer Größe von weniger als 25 Mikrometern zusammen mit Wachs oder Kunststoff als Bindemittel verwendet. Das nahezu feste Teil (65 % des Volumens) wird dann spritzgegossen, um einen „Grünling“ zu erhalten. Dieser Grünling wird dann unter kontrollierten Bedingungen erhitzt, um das Bindemittel zu entfernen (Entbindern, Entbinderung). An diesem Punkt wird das Teil zu einem „Bräunling“, der unter atmosphärischen Bedingungen gesintert wird, wodurch das Volumen um etwa 18 % reduziert wird. Das Ergebnis ist ein fertiges Teil mit einer hohen Dichte von etwa 97-99 %. Mit dieser Technik lassen sich komplexe Geometrien herstellen.
5. Stromunterstütztes Sintern (Electric Current Assisted Sintering, ECAS):
Bei stromunterstützten Sintern zur Herstellung von pulvermetallurgischen Metallteilen werden elektrische Ströme verwendet und es sind keine Bindemittel erforderlich. Anstatt zu sintern, erhöhen die elektrischen Ströme die Dichte des Pulvers und verringern so den thermischen Zyklus, der erforderlich ist, um die Festigkeit und Dichte des fertigen Teils zu erhalten. Dies alles kann in nur wenigen Mikrosekunden erreicht werden, eignet sich aber am besten für einfache Konstruktionen. Da die Pulver unter der Hitze und dem Druck des elektrischen Stroms die endgültige Dichte erreichen, ohne sich zu verformen oder die Form zu verändern, sind die verwendeten Formen auf die endgültige Form des Teils abgestimmt.
6. Additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM):
Die additive Fertigung, die auch als Metall-3D-Druck bekannt ist, ist ein neueres pulvermetallurgisches Verfahren, das auf die 1980er Jahre zurückgeht. Bei diesem Verfahren können sowohl Metallpulver als auch andere Materialien wie Keramiken und Polymere verwendet werden. Die Teile werden durch Schmelzen oder Lasersintern des Materials geformt, um eine Struktur Schicht für Schicht aufzubauen. Der schichtweise, „additive“ Ansatz unterscheidet diese Variante der pulvermetallurgischen Fertigungstechnik von anderen und ermöglicht den Aufbau von Teilen in mikrometerdicken Einzelschichten mit einem hohen Maß an Präzision und Komplexität. Die Strukturen basieren auf digitalen 3D-Modellen, die dem computergestützten Fertigungsprozess zugrunde liegen. Mit der additiven Fertigung können komplexe Teile aus Metallen, Verbundwerkstoffen, Polymeren, Nanomaterialien, biologischen und pharmazeutischen Materialien und Keramik hergestellt werden, die sich in hohem Maße an die Kundenwünsche anpassen lassen.
Wärmebehandlung
Die Wärmebehandlung nach der Produktion wird bei pulvermetallurgisch hergestellten Teilen eingesetzt, um mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Oberflächenhärte zu steuern. Bei der Wärmebehandlung werden in der Regel eine präzise Temperaturkontrolle und eine inerte Atmosphäre eingesetzt, um zu verhindern, dass Sauerstoffmoleküle das Sinterteil verunreinigen. Verunreinigungen beeinträchtigen die mechanischen und chemischen Eigenschaften, da sie zu Porosität führen. Die Verwendung von Stickstoff, Argon oder Wasserstoff als inerte Atmosphären verhindert dies.
Zu den Wärmebehandlungsverfahren gehören:
- Sintern: Die meisten pulvermetallurgischen Teile werden gesintert, in der Regel in einer Ofenatmosphäre aus Stickstoff und 10 % Wasserstoff, wobei eine geringe Menge Methangas zugesetzt werden kann, um Entkohlung zu verhindern.
- Sinterhärtung: Diese häufig angewandte Wärmebehandlung erhöht die Oberflächenhärte von pulvermetallurgischen Teilen. Die weniger starke Abschreckung führt dazu, dass die Teile weniger verformt werden als bei anderen traditionellen Härteverfahren. Beim Sinterhärten werden streng kontrollierte Temperaturen und eine Atmosphäre verwendet, die in der Regel aus Ammoniak/Stickstoff oder Wasserstoff/Stickstoff mit einer geringen Menge an Kohlenwasserstoffgasen besteht, obwohl bei anderen Härte- und Abschreckbehandlungen auch Stickstoff und Methonal verwendet werden können.
- Anlassen: Dieses gängige Wärmebehandlungsverfahren erhöht die Zähigkeit des Teils durch Veränderung des Gefüges. Zu den Arten des Anlassens gehören das Anlassen und Austenitisieren.
- HIP-Behandlungen: Einige mit der additiven Fertigungstechnik hergestellten Teile erfordern nach dem Spannungsarmglühen eine zusätzliche Wärmebehandlung. Diese findet meist in einem mit Argongas gefüllten Druckbehälter statt.
Was sind pulverförmige Metalle?
In der pulvermetallurgischen Fertigungstechnik werden feine Metallpulver eingesetzt, die gepresst und gesintert werden, um eine endgültige Form zu erhalten. Dies unterscheidet sie von Gussteilen, bei denen verflüssigte Metalle verwendet werden, und von maschinell bearbeiteten oder geschmiedeten Teilen, die aus Rohmetall hergestellt werden.
Die Fertigungsverfahren für Metallpulver ermöglichen die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien. Es ist zwar möglich, komplexe Teile zu gießen oder zu bearbeiten, doch ist dies nicht so kosteneffizient, da die Herstellungskosten mit dem Grad der Komplexität steigen.
Ein weiterer Vorteil von Metallpulvern ist, dass sie einen nahezu vollständigen Herstellungsprozess ermöglichen, bei dem nur sehr wenig Abfallmaterial anfällt. Dies trägt zur Effizienz der Metallpulverherstellung bei und ist zudem umweltfreundlicher als subtraktive Verfahren wie die spanende Bearbeitung.
Durch den Einsatz der computergestützten Fertigung können Gewicht und Eigenschaften wie Festigkeit, Härte und Steifigkeit von PM-Teilen weiter optimiert werden.
Verwendete Arten von pulverförmigen Metallen
Zur Herstellung von pulvermetallurgisch hergestellten Teilen kann eine Vielzahl von Metallpulvern verwendet werden, darunter Eisen, Stahl, Edelstahl, Kupfer, Aluminium, Titan, Zinn, Wolfram und Wolframkarbid, Molybdän und eine Reihe verschiedener Edelmetalle.
Eisen und Stahl werden am häufigsten für industrielle Zwecke verwendet, können aber auch mit anderen Werkstoffen und Legierungselementen kombiniert werden, um die Materialeigenschaften der fertigen Teile anzupassen oder zu verbessern.
Vorteile
Die Herstellung von Metallpulvern bietet eine Reihe von Vorteilen für die Herstellung von Teilen mit langer Lebensdauer und hoher Leistung, selbst bei hohen Temperaturen oder in korrosiven Umgebungen. Das Verfahren ist nicht nur in Bezug auf die Herstellungszeiten und den Materialverbrauch kostengünstig, sondern bietet auch starke, robuste und verschleißfeste Teile.
Die additive Fertigung bietet auch die Möglichkeit, Teile mit minimalem Gewicht und erhöhter Festigkeit herzustellen und Teile zu fertigen, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht hergestellt werden können.
Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten
Die Vorteile der pulvermetallurgischen Fertigung haben dazu geführt, dass sie in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt wird, von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zur Biomedizin und Schifffahrt.
Pulvermetallurgie wird zur Herstellung von Motorkomponenten, Glühbirnenfäden, Belägen für Reibungsbremsen, geschmierten Lagern, elektrischen Kontakten, Gasfiltern, medizinischen Geräten, Hitzeschilden für Raumfahrzeuge, Industriewerkzeugen und vielem mehr verwendet.
Die Anwendungen für pulvermetallurgisch hergestellte Teile nehmen mit der Entwicklung und Verbesserung der Technologien weiter zu und ermöglichen die kostengünstige Herstellung von Prototypen oder voll funktionsfähigen Fertigteilen.
Fazit
Die Herstellung von Metallpulvern umfasst eine Reihe von Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen und Bauteilen aus Metallpulvern. PM-Verfahren können im Vergleich zu subtraktiven Fertigungsverfahren Materialkosten einsparen und, insbesondere bei der additiven Fertigung von Metallen, komplexe Gegenstände erzeugen, die mit anderen Methoden nicht hergestellt werden können.
Die Pulverherstellung kann auch zur Herstellung von Werkstoffen verwendet werden, wie z. B. Wolframkarbid, das mit Kobalt verbunden wird, um Werkzeuge zum Schneiden und Formen anderer Metalle herzustellen.
Allerdings haben pulverförmige Metalle im Vergleich zu geschmiedeten Legierungen einige Einschränkungen in Bezug auf Festigkeit und Beständigkeit. Diese Eigenschaften können durch eine Wärmebehandlung verbessert werden, die die Festigkeit, Haltbarkeit und Härte erhöht. Wärmebehandlungen werden in der Regel für Teile verwendet, die eine höhere Zähigkeit und Verschleißfestigkeit erfordern, wie Zahnräder, Kettenräder und Turbinennaben.