Zerstäubte Metallpulver: Anwendungen, Spezifikationen und Vergleiche

Zerstäubte Metallpulver ermöglichen Fertigungsverfahren wie die additive Fertigung und das thermische Spritzen, für die Ausgangsstoffe mit maßgeschneiderten Partikelgrößen, Formen und metallurgischen Eigenschaften benötigt werden. Dieser Leitfaden gibt einen Überblick über Produktionsprozesse, Spezifikationen, geeignete Metalle, Verwendungszwecke, Anbieterauswahl und Alternativen zu handelsüblichen Zerstäubungspulvern.

Zerstäubte Metallpulver Übersicht

Bei der Zerstäubung werden geschmolzene Metallströme in feine, kugelförmige Tröpfchen umgewandelt, die schnell in Pulverform abkühlen. Zu den wichtigsten Eigenschaften gegenüber Alternativen wie der chemischen Abscheidung gehören:

• Kontrollierte Partikelgrößenverteilung von 10 Mikron bis 300+ Mikron
• Fähigkeit zur Verarbeitung reaktiver Legierungen in Schutzgasatmosphären
• Schnelle Erstarrung zur Erzeugung feinerer Gefüge
• Geringerer Gehalt an Sauerstoff- und Stickstoffverunreinigungen
• Kosteneffizienz durch hohe Pulverausbeute bei 50%+
• Anpassungsfähigkeit bei der Vorbereitung der meisten handelsüblichen Metalle und Legierungen

Die Kenntnis der verfügbaren Produktionsmethoden, Spezifikationen, Anwendungen und wirtschaftlichen Aspekte ermöglicht es, die Vorteile und Grenzen der Zerstäubung bei der Auswahl von Metallpulvern richtig zu nutzen.

Verfahren zur Zerstäubung von Metallpulvern

Im industriellen Maßstab ist eine Zerstäubung durch Gas, Wasser oder Zentrifugalverfahren erforderlich:

Tabelle 1. Großtechnische Zerstäubungstechniken für die Herstellung von Metallpulvern neben Leistungsmerkmalen

Jede Technik bietet einzigartige Vorteile in Bezug auf die Partikelgrößenbestimmung, die Pulverausbeute, die Abschreckraten und die Kompatibilität mit dem gesamten Universum der expansiven Metalle.

Metalle und Legierungen, die mit der Atomisierung kompatibel sind

Die meisten handelsüblichen Metalle und Legierungen können durch Zerstäubung verarbeitet werden:

• Aluminium- und vanadiumhaltige Titanlegierungen
• Superlegierungen wie Inconel auf Nickelbasis und Haynes-Legierungen auf Kobaltbasis
• Hochtemperaturmetalle wie Molybdän, Wolfram und Tantal
• Reaktive Elemente wie Chrom und Mangan
• Edelmetalle wie Gold, Silber und Platin
• Refraktärmetalle: Niob, Zirkonium und Hafnium
• Gängige austenitische nichtrostende Stähle 316L und 304L

Die starke chemische Reaktivität im geschmolzenen Zustand schränkt die Anwendbarkeit für einige elementare Metalle wie reines Mangan oder Chrom ein. Durch das Mischen zu Legierungen werden die Nachteile der Reaktivität jedoch durch die Kompatibilität mit der Zerstäubung gemildert - ein Vorteil gegenüber anderen Verfahren der Pulverherstellung.

Merkmale und Eigenschaften von Zerstäubte Metallpulver

Die Zerstäubung liefert Metallpulver mit maßgeschneiderten Pulvereigenschaften, die den Anforderungen des Produktionsprozesses entsprechen:

Partikelgrößenverteilungen

• Abstimmbar von 10 Mikron bis 1 mm Größe, siebbar in präzise Fraktionen

Partikelform

• Überwiegend kugelförmige Morphologien, insbesondere bei der Zerstäubung mit Inertgas

Innere Porosität

• Schnelle Erstarrung und inerte Verarbeitung minimiert eingeschlossene Gase, die Hohlräume bilden

Chemische Reinheit

• 99%+ erreichbar für mit Inertgas zerstäubte Materialien. Wasserzerstäubung etwas weniger.

Oberfläche Oxid

• Bei der Wasserzerstäubung wird im Vergleich zu inerten Zerstäubungsschutzmitteln 5-15 mal mehr Sauerstoff an der Oberfläche mitgerissen

Mikrostrukturelle Phasen

• Abgerundet durch schnelles Abschrecken im Vergleich zu gegossenen Gegenstücken aus Barren

Die Fähigkeit zur Optimierung der Partikelgröße und der Formparameter bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher chemischer Reinheit und günstiger Mikrostrukturen eignet sich für zerstäubte Metallpulver als Ausgangsmaterial für die additive Fertigung, bei der diese Eigenschaften einen entscheidenden Einfluss auf den Prozesserfolg und die erzielten Endleistungen der Teile haben.

Spezifikationen der Metallpulvergröße durch Zerstäubung

Zerstäubte Metallpulverchargen werden anhand der Partikelgrößenverteilung klassifiziert. Übliche Siebgrößen sind:

Tabelle 2. Partikelgrößenkategorien für klassifizierte zerstäubte Metallpulver, die auf die Kompatibilität der Herstellungsverfahren abgestimmt sind

Die meisten firmeneigenen Zerstäubungssysteme zielen auf eine Ausbeute von 50%+ an Pulver ab, das nach der Siebtrennung von Über- und Unterkornfraktionen, die in den Prozessschmelzestrom zurückgeführt werden, innerhalb der Spezifikationen für die Herstellungsqualität gesammelt wird.

Industriespezifikationen für atomisierte Metallpulver

Verschiedene Verbände unterhalten Normen für die Zusammensetzung, die chemischen und physikalischen Eigenschaften von handelsüblichen Metallpulvern:

Tabelle 3. Handelsgruppen, die Spezifikationen für gesiebte Chemikalien und Pulvermetriken anbieten, die für die Qualitätssicherung bei zerstäubten Materialien nützlich sind

Darüber hinaus bieten einzelne Hersteller eng gefasste Spezifikationen an, die sich auf einzigartige Legierungen oder spezielle Eigenschaften wie maximale Sauerstoff- oder Stickstoffgrenzwerte beziehen, die für die Verarbeitung reaktiver Legierungen entscheidend sind.

Die Überprüfung der Zertifizierungsbereiche stellt sicher, dass die Normen die vom Käufer geforderten Zusammensetzungsfenster, die zulässigen Pulvereigenschaften, wie z. B. die Durchflussraten in der Halle, und die chemischen Reinheitsgrade, die sowohl den Zerstäubungsmöglichkeiten als auch den Anforderungen des nachfolgenden Produktionsprozesses entsprechen, ordnungsgemäß abdecken.

Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten für zerstäubtes Metallpulver

Metallpulver ist ein wichtiges Ausgangsmaterial für die industrielle Fertigung und wird unter anderem in folgenden Bereichen eingesetzt:

Additive Fertigung

• Komponenten für die Luft- und Raumfahrt - Turbinenschaufeln, Tragflächenprofile
• Medizinische Implantate - Hüft-, Knie- und Zahnersatz
• Werkzeugbau - Leichte, konform gekühlte Kunststoff-Spritzgießformen
• Chemische Reaktoren - Strukturierte Katalysatorträger mit großer Oberfläche

Thermisches Spray

• Korrosionsschutzbeschichtungen für Öl und Gas - Bohrlochwerkzeuge
• Abriebfeste Druckwalzenoberflächen
• Chrom-Ersatzteile für Automobiloberflächen
• Architektonische Glasformen mit hoher Trennwirkung und geringer Reibung

Pulvermetallurgie

• Kfz-Getriebe und Motorkomponenten
• Dauermagnete in Motoren und Sensoren
• Diamant-Werkzeugeinsätze und Schneidwerkzeuge
• Elektrische Kontakte unter Ausnutzung der spezifischen Leitfähigkeit

Die Basisrohstoffe eignen sich für alle Anwendungen, die eine Kombination aus Chemie und raffinierter Pulvertextur erfordern, die sich zu Endgeometrien verfestigen lässt.

Zerstäubtes Metallpulver Hersteller und Verkäufer

Zu den weltweit führenden Anbietern von Zerstäubungsanlagen für die Medizin, die Luft- und Raumfahrt und die Industrie gehören:

Tabelle 4. Namhafte Hersteller, die zerstäubtes Metallpulver mit verschiedenen Verfahrenstechniken herstellen

Sekundärbroker vertreiben ebenfalls Pulver, aber die beste Praxis ist die direkte Beschaffung bei den Werken, um die Rückverfolgbarkeit der Partien zu gewährleisten und die Qualitätsrisiken zu eliminieren, die durch die Verunreinigung von Materialien zwischen den großen Herstellern und den Endteilherstellern entstehen.

Preisgestaltung für Zerstäubte Metallpulver

Der Preis variiert je nach Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Produktionsmenge und Qualität:

Nischenlegierungen, die in kleinen Chargen hergestellt werden, erfordern höhere Preise, die die Umstellung der Öfen ausgleichen. Gebrauchsmetalle wie rostfreier Stahl, die in großen Mengen wiederaufbereitet werden, sind am kostengünstigsten. Die Käufer überprüfen jedoch den fairen relativen Wert, indem sie die daraus resultierenden Leistungssteigerungen mit der Verwendung in Endkomponenten vergleichen.

Vor- und Nachteile von atomisiertem Metallpulver

Vorteile von zerstäubten Metallpulvern:

• Kontrollierte Partikelgrößenverteilungen bei kommerziellen Produktionsraten
• Sphärische Pulvermorphologie aus Inertgasprozessen
• Schnelle Erstarrung und inerte Verarbeitung sorgen für chemische Sauberkeit
• Passt sich an eine breite Palette von Anforderungen an Speziallegierungen an

Beschränkungen zu berücksichtigen:

• 10- bis 100-fache Steigerung der Rohstoffkosten gegenüber Knetprodukten
• Begrenzte On-Demand-Flexibilität mit langen Vorlaufzeiten
• Es ist darauf zu achten, dass die Pulverqualitäten und die Kosten für den Ballon nicht zu hoch angesetzt werden.

Die richtige Abwägung von Vorteilen und Einschränkungen hilft, überhöhte Ausgaben zu vermeiden, nur um Schlagworttechnologien einzusetzen, die keinen nennenswerten Kundennutzen bringen.

Vergleiche mit anderen Methoden der Metallpulverherstellung

Abwägungen zwischen den gängigen Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern:

Tabelle 5. Qualitative Vergleiche zwischen verschiedenen Methoden zur Herstellung von Metallpulver im kommerziellen Maßstab

Die Zerstäubung ermöglicht zwar die Herstellung großer Mengen mit optimierten Pulvereigenschaften, erfordert jedoch einen Preisaufschlag, der die Akzeptanz in kostenempfindlichen Branchen wie der Automobilindustrie einschränken könnte.

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der Hauptzweck der Zerstäubung von Metallpulvern?

A: Präzise Steuerung der Parameter für Partikelgröße und -form, die sonst bei anderen Verfahren zufällig sind, um die strengen Anforderungen der additiven Fertigungsverfahren zu erfüllen.

F: Behalten recycelte Metallpulver ihre ursprünglichen Eigenschaften bei?

A: Ja, Faktoren wie Sauerstoffaufnahme und mikrostrukturelle Phasen bleiben weitgehend unverändert, so dass die Wiederverwendung als Ergänzung zu neuen Produktionspulvern möglich ist.

F: Können mit der Gaszerstäubung Pulvergrößen unter 10 Mikron erreicht werden?

A: Extrem feine Verteilungen unter 5 Mikron sind möglich, aber bei sehr geringen Ausbeuten für die kommerzielle additive Fertigung nicht wirtschaftlich, da die Oberfläche die Reaktivität bestimmt.

F: In welchen Branchen werden zerstäubte Metallteile verwendet?

A: Die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, die Automobilindustrie und die Öl- und Gasindustrie nutzen alle maßgeschneiderte Legierungen und Mikrostrukturen, die durch die Einzigartigkeit des Zerstäubungsprozesses entstehen.

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