Systeme zur Metallzerstäubung
Inhaltsübersicht
Die Metallzerstäubung ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Metall in Pulverform umgewandelt wird, indem geschmolzenes Metall in winzige Tröpfchen zerlegt wird. Dieses Pulver kann dann zur Herstellung von Teilen durch Verfahren wie Metallspritzguss, heißisostatisches Pressen, additive Fertigung und mehr verwendet werden. Metallzerstäubungssysteme sind die Geräte, die für die Durchführung dieses Prozesses verwendet werden.
Überblick über Metallzerstäubungssysteme
Metallzerstäubungssysteme bestehen aus Mechanismen zum Schmelzen von Metallmaterial, zur Zuführung des geschmolzenen Metalls zu einem Zerstäubungsbereich, zum Aufbrechen des Metalls in feine Tröpfchen und zum Auffangen des erstarrten Pulvers. Zu den wichtigsten Komponenten gehören Öfen, Verteiler, Fördermechanismen, Zerstäuber, Kühlkammern, Zyklonabscheider, Schlauchfilter und Pulversammelsysteme.
Es gibt zwei Haupttypen von Zerstäubungssystemen:
- Gaszerstäubung - verwendet Hochdruckgas zum Aufbrechen des geschmolzenen Metallstroms
- Wasserzerstäubung - verwendet Hochdruckwasser zum Aufbrechen des geschmolzenen Metalls
Die Gaszerstäubung erzeugt im Durchschnitt feinere Pulver, während die Wasserzerstäubung höhere Produktionsraten bietet. Mit beiden Verfahren können je nach Auslegung und Betriebsparametern recht hohe Ausbeuten erzielt werden.
Metallzerstäubungsanlagen Zusammensetzung
| Komponente | Beschreibung |
|---|---|
| Ofen | Schmelzen von Metallmaterial in den flüssigen Zustand durch Induktion, Verbrennung usw. Gängige Typen sind Induktionsöfen und Lichtbogenöfen. |
| Tundish | Dient als Reservoir, um das geschmolzene Metall nach dem Verlassen des Ofens zu halten. Sorgt für einen kontinuierlichen Fluss des Metalls zum Abgabesystem. |
| Lieferungssystem | Fördert geschmolzenes Metall vom Verteiler zum Zerstäuber. Verwendet häufig einen Gießtrichter, eine beheizte Rinne oder eine Druckdüse. |
| Zerstäuber | Zerbricht geschmolzenes Metall mit Hilfe von Gas- oder Wasserdüsen in Tröpfchen. Verschiedene Ausführungen und Anzahl der Düsen. |
| Bereich Kühlung | Ermöglicht die Verfestigung des Pulvers nach der Zerstäubung vor der Sammlung. Luft oder Inertgas wird als Kühlmedium verwendet. |
| Abscheidesystem | Fängt feine Pulverpartikel auf und ermöglicht die Rückführung von Kühlmitteln. Verwendet Zyklone und Schlauchfilter. |
| Pulversammlung | Sammelt das zerstäubte Pulver für die Entnahme. Oftmals Fass- oder Boxcontainer, Handschuhboxen oder Förderbänder, die zu den Containern führen. |
Metallzerstäubungsanlagen Typen
Es gibt einige gängige Zerstäuberkonstruktionen, die in der kommerziellen Metallpulverproduktion verwendet werden:
Gaszerstäuber
- Supersonic Gas Atomizer - Laval-Düsen beschleunigen Inertgas auf Schallgeschwindigkeiten.
- Close-Coupled Gas Atomizer - Mehrere Gasdüsen treffen auf den geschmolzenen Metallstrom.
- Freifall-Gaszerstäuber - Der Strom geschmolzenen Metalls fällt frei durch ein Hochgeschwindigkeits-Inertgas.
Wasserzerstäuber
- Druckwasserzerstäuber - Hochdruck-Wasserstrahlen treffen auf einen Strom geschmolzenen Metalls.
- Rotierender Wasserzerstäuber - Der Strom geschmolzenen Metalls trifft auf sich drehende Wasserdüsen.
- Tauchwasserzerstäuber - Wasserdüsen, die unter der Oberfläche des geschmolzenen Metalls angebracht sind.
Metall-Zerstäuber Attribute
| Attribut | Beschreibung |
|---|---|
| Gasart | Inerte Gase wie Stickstoff und Argon werden verwendet, um Oxidation zu verhindern. Stickstoff ist am wirtschaftlichsten. |
| Wasserdruck | 30-150 MPa Druck, um Metalle richtig zu zerstäuben. |
| Anzahl der Düsen | Mehr Düsen erhöhen den Metallabbruch, können aber die Ausbeute verringern. Etwa 4-8 sind üblich. |
| Anordnung der Düsen | Runde oder rechteckige Strahlmuster, die den Metallstrahl bedecken. Rechteckiges, gleichmäßigeres Pulver. |
| Strahlgeschwindigkeit | Schnellere Inertgasgeschwindigkeiten führen zu feineren Pulvern. Die optimale Gasgeschwindigkeit ist für jedes Metall unterschiedlich. |
| Fallhöhe | Höhe des geschmolzenen Metallstroms, bevor er auf die Düsen trifft. Beeinflusst die Partikelgrößenverteilung. |
| Strömungsdesign | Glatter, laminarer Metallfluss wird bevorzugt, um ein frühes Verspritzen in Tropfen zu verhindern. |
| Düsendesign | Präzise bearbeitete Düsen in Gaszerstäubern sind entscheidend für die Leistung. |
| Abkühlungsrate | Eine schnellere Abkühlung führt zu feineren Pulvern. Hängt von der Gas-/Wassertemperatur und der Kammer ab. |
| Effizienz der Abtrennung | Höhere Abscheideraten erhöhen die Ausbeute. Selbstansaugende Zyklone funktionieren gut. |
| Erhebungsmethode | Geschlossene Systeme verhindern die Oxidation des Pulvers. Automatisierte Trommelförderer sind üblich. |
Eigenschaften des Metallpulvers
Die Eigenschaften des hergestellten Metallpulvers hängen stark von den Parametern und Bedingungen des Verdüsungsprozesses ab.
Pulver-Attribute
| Attribut | Typischer Bereich |
|---|---|
| Partikelform | Unregelmäßige, kugelförmige, satellitenförmige Strukturen |
| Partikelgröße | 1 Mikrometer bis 1000 Mikrometer |
| Partikelgrößenverteilung | Gauß, log-normal gemeinsam |
| Scheinbare Dichte | In der Regel 30-80% der wahren Dichte |
| Dichte des Gewindebohrers | Etwa 60-95% der tatsächlichen Dichte |
| Durchflussmenge | Starke Unterschiede in Bezug auf Form und Größenverteilung |
| Reinheit | 93-99,5% Zielbereich |
| Sauerstoffgehalt | Bereich 300-3000 ppm |
| Stickstoffgehalt | Bereich 75-1500 ppm |
Auswirkung auf Teileigenschaften
| Pulver-Attribut | Auswirkungen auf gesinterte/gedruckte Teile |
|---|---|
| Partikelgröße | Feinere Pulver erhöhen die Dichte, reduzieren die Poren |
| Größenverteilung | Breitere Verteilung ergibt bessere Packungsdichte |
| Partikelform | Sphärische Partikel haben eine bessere Fließfähigkeit und Packung |
| Scheinbare Dichte | Höhere Dichte erhöht die Grünfestigkeit für die Handhabung |
| Dichte des Gewindebohrers | Höhere Dichte führt zu weniger Lunkerbildung nach dem Sintern |
| Reinheit | Höhere Reinheit reduziert Defekte wie Einschlüsse |
| Sauerstoffgehalt | Mehr als 3000 ppm können Porositätsprobleme verursachen |
Metallzerstäubungssysteme Anwendungen
Die durch Zerstäubung hergestellten feinen Metallpulver werden in vielen Industriezweigen zur Herstellung von Hochleistungsteilen verwendet.
| Industrie | Anwendungsbeispiele |
|---|---|
| Automobilindustrie | Motorkomponenten, Zahnräder, Befestigungselemente |
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Schaufelblattkomponenten |
| Biomedizinische | Orthopädische Implantate, chirurgische Werkzeuge |
| Elektronik | Abschirmung, Steckverbinder, Kontakte |
| Energie | Nuklear- und Turbinenteile, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind |
| Additive Fertigung | 3D-gedruckte Fertigteile für alle Branchen |
Beliebte Metallzerstäubungssysteme Verwendet
Viele Legierungen werden für die Herstellung von Teilen in Pulverform zerstäubt. Hier sind einige gängige Metalle und Legierungen, die zerstäubt werden:
| Material | Wichtige Eigenschaften |
|---|---|
| Titan-Legierungen | Hohe Festigkeit, geringes Gewicht. Biokompatibilität. |
| Nickel-Legierungen | Behält seine Eigenschaften bei hohen Temperaturen bei. Korrosionsbeständigkeit. |
| Kobalt-Legierungen | Biokompatibilität. Eigenschaften der Verschleißfestigkeit. |
| Werkzeugstähle | Hohe Härtegrade nach der Wärmebehandlung. |
| Rostfreie Stähle | Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. |
| Aluminium-Legierungen | Geringes Gewicht. Gute Wärmeleitfähigkeit. |
| Kupferlegierungen | Hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit. |
| Magnetische Legierungen | Hohe Permeabilitäten für magnetische Anwendungen. |
Lieferanten und Preise für Metallpulver
Es gibt eine Reihe renommierter Anbieter, die Metallpulver herstellen und weltweit vertreiben. Die Preise hängen von der Legierung, dem Korngrößenbereich und der Bestellmenge ab.
| Anbieter | Preisspannen |
|---|---|
| AP&C | $50 - $1500 pro kg |
| Sandvik Fischadler | $100 - $2000 pro kg |
| Zimmermanns Pulverprodukte | $75 - $1800 pro kg |
| Praxair Oberflächentechnologien | $250 - $2500 pro kg |
| Höganäs | $45 - $1600 pro kg |
| ECKA Granulat | $80 - $1200 pro kg |
Höherwertige Legierungen oder eine feinere Kontrolle der Pulvergrößenverteilung erfordern höhere Preise, während gängige Metalle und Legierungen bei Produktionsmengen wirtschaftlicher sind.
Metallzerstäubung im Vergleich zu anderen Methoden
| Methode | Vorteile | Beschränkungen |
|---|---|---|
| Zerstäubung von Metall | - Feinere Pulver - Höhere Reinheit - Palette der Legierungen | - Hohe Kapitalkosten - Erfordert erhebliche Fachkenntnisse in der Verarbeitung |
| Elektrolytisches Verfahren | - Sehr feine und saubere Pulver | - Begrenzt auf leitfähige Legierungen - Teuer |
| Mechanische Zermürbung | - Einfach & preiswert - Breite Palette von Metallen | - Geringere erreichbare Feinheit - Höhere Oxidation |
| Chemische Fällung | - Reine elementare und legierte Pulver | - Probleme mit der Agglomeration des Pulvers - Potenzielle Kontamination |
| Thermisches Spritzen | - Kann kugelförmiges Pulver produzieren | - Oxideinschlüsse - breite Größenverteilungen |
Die Zerstäubung bietet relativ feine und saubere Pulver für ein breites Spektrum von Legierungen bei guten Produktionsmengen. Beim Umgang mit feinen Metallpulvern sind Sicherheitsvorkehrungen erforderlich.
Wichtige Erwägungen für die Auswahl
Wichtige Faktoren für die Auswahl eines Metallzerstäubungssystems sind unter anderem:
| Faktor | Beschreibung |
|---|---|
| Produktionsrate | Erforderlicher Pulverausstoß in kg/Std. Definiert die Kapazität. |
| Ziel-Partikelgröße | Benötigt definierte Feinheit, Verteilung. Beeinflusst Ertrag, Kosten. |
| Zusammensetzung der Legierung | Die meisten Systeme verarbeiten eine Reihe von Legierungen. Kann die Wahl der Schmelzmethode, des Zerstäubers und der Gas-/Wasserdrücke beeinflussen. |
| Qualität des Produkts | Reinheitsgrade, Grenzwerte für die Sauerstoffaufnahme und Anforderungen an die Größenkonsistenz bestimmen die Parameter. |
| Überlegungen zur Handhabung | Geschlossener Umgang mit Pulver bevorzugt. Einige Metalle stellen ein Gesundheitsrisiko dar. |
| Endverwendung des Pulvers | Anforderungen an die Teileigenschaften - Dichte/Porosität, Fließfähigkeit, Formfaktoren. |
| Betriebskosten | Energiekosten für Schmelzen, Gase, Wasser. Arbeits- und Wartungskosten. |
| Sicherheit | Druckbehälter für Flüssigkeiten/Gase erfordern die Einhaltung spezifischer Vorschriften. |
| Auswirkungen auf die Umwelt | Es gibt Überlegungen zu Gasemissionen, Wasserverbrauch und -entsorgung. |
Eine sorgfältige Bestimmung von Durchsatzanforderungen, Qualitätskennzahlen, Betriebsbedingungen, Sicherheitsparametern und Kosten auf der Grundlage der Endteilanforderungen ist erforderlich.
Metallzerstäubungsanlagen Wartung
Eine ordnungsgemäße Wartung ist erforderlich, damit die Zerstäubungsanlage optimal funktioniert.
| Komponente | Wartungstätigkeiten | Frequenz |
|---|---|---|
| Ofen | Feuerfestmaterial und Heizelemente inspizieren. Bei Bedarf auswechseln. | 6-12 Monate |
| Düsen | Prüfen Sie die Düsenöffnungen auf Verschleiß/Verstopfung. | Monatlich |
| Wasserfilter und -leitungen | Leitungen spülen und Filter regelmäßig austauschen. | 2-4 Wochen |
| Gasleitungen und Ventile | Auf Lecks und Verstopfungen prüfen. Drücke bestätigen. | 2-4 Wochen |
| Abscheider | Überprüfen Sie den Zustand des Filtermediums und der Dichtungen. | 4-6 Monate |
| Steuerungen und Sensoren | Kalibrierung prüfen. Verriegelungen und Reaktionen testen. | 6-12 Monate |
| Pulversammler | Überprüfen Sie den Zustand der Behälter und Dichtungen. Bestätigen Sie den Inertgasstand bei geschlossenen Systemen. | Monatlich |
| System-Innenräume | Durchgängig saubere Metallstaubansammlungen. Häufiger in der Nähe von Metallstromwegen. | Monatlich |
Detaillierte Anlagenüberwachung, vorbeugende und vorausschauende Wartung minimiert unerwartete Produktionsunterbrechungen.
FAQs
F: Welcher Automatisierungs- und Kontrollgrad ist für Metallzerstäubungssysteme angemessen?
A: Ein hoher Automatisierungsgrad bei der Materialzufuhr, Prozessüberwachung und -steuerung wird für eine gleichmäßige Pulverproduktion und Sicherheit empfohlen. Wichtige Prozessvariablen wie Temperaturen, Drücke und Gasströme sollten automatisch geregelt werden. Die Überwachung des Systems, die Einstellung der Parameter und der manuelle Betrieb sind dennoch ratsam.
F: Wie lässt sich feststellen, ob die Gas- oder die Wasserzerstäubung für eine Anwendung vorzuziehen ist?
A: Die Wasserzerstäubung bietet im Vergleich zur Gaszerstäubung wesentlich höhere Metalldurchsatzraten. Mit der Gaszerstäubung lassen sich jedoch feinere durchschnittliche Pulvergrößen erzielen, die für mikrostrukturierte Teile geeignet sind. Für typische MIM-Pulver über 15 Mikrometer ist die Wasserverdüsung aus wirtschaftlichen Gründen vorzuziehen.
F: Welche Sicherheitsmaßnahmen werden für den Betrieb von Zerstäubungssystemen empfohlen?
A: Für den Umgang mit Hochdrucksystemen und feinen Pulvern ist eine angemessene persönliche Schutzausrüstung erforderlich. Wasserzerstäubungssysteme sollten über Spritzschutzvorrichtungen verfügen. Geschlossenes Pulverhandling mit Inertgas-Handschuhkästen und automatischen Pulversammlern verbessert die Sicherheit. Verriegelungen, Zugangsbeschränkungen und Notausschalter sind wichtig.
F: Was sind die Ursachen für häufige Probleme bei der Pulverherstellung durch Zerstäubung?
A: Unregelmäßige Pulvergrößen und Satellitenpartikel sind häufig auf unkontrollierte Metallströme zurückzuführen. Verunreinigungen können durch Düsenverschleiß, degradierte Filtermedien oder Lecks entstehen. Die Verschmutzung von Kammern und Abscheidern durch Überlauf verringert mit der Zeit die Ausbeute. Die Überwachung und Optimierung der Durchflussparameter ist entscheidend.
F: Welche Fachkenntnisse sind für den effektiven Betrieb von Zerstäubungssystemen erforderlich?
A: Während die Automatisierung der Steuerung den manuellen Aufwand reduziert, sind ausgebildete Metallurgie- oder Materialwissenschaftler, die mit der Pulverproduktion vertraut sind, ideal für die Überwachung der Anlagen. Maschinenbau- und Elektroingenieure werden für Wartung und Fehlersuche benötigt. Die Bediener sollten in der Handhabung von Metallpulver geschult werden.
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