Übersicht
Aluminiumpulver sind feine Aluminiummetallpartikel, die als Ausgangsmaterial für Fertigungstechniken wie additive Fertigung, thermisches Spritzen, pulvermetallurgisches Pressen und Schweißdrähte verwendet werden. Die Kontrolle der Eigenschaften von Aluminiumpulver wie Partikelgrößenverteilung, Morphologie, Oxidgehalt und Mikrostruktur ist entscheidend für die Eigenschaften der fertigen Aluminiumkomponenten.
Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von Aluminium-Pulver einschließlich:
- Gaszerstäubung
- Luftvernebelung
- Explosive Drahtfragmentierung
- Fräsen und Schleifen
- Elektrolytisches Verfahren
- Chemische Methoden
Jedes Verfahren zur Herstellung von Aluminiumpulver führt zu Pulvern mit unterschiedlichen Eigenschaften, die für bestimmte Anwendungen geeignet sind.
Verfahren zur Herstellung von Aluminiumpulver
| Methode | Wesentliche Merkmale | Wichtigste Anwendungen |
|---|---|---|
| Gaszerstäubung | Kugelförmige Pulver, mäßiger Sauerstoffgehalt | Metall-AM, thermische Spritzschichten |
| Luftvernebelung | Unregelmäßige Pulverformen, kontrollierter Oxidgehalt | Automobilteile, Pulverextrusion |
| Explosiver Draht | Sehr feine kugelförmige Pulver | Additive Fertigung, Raketentreibstoff |
| Kugelmahlen | Aluminium-Verbund-Pulver | Energetische Materialien, Pyrotechnik |
| Elektrolytische | Flockenförmige, kantige und dendritische Pulver | Sprengstoffe, Thermitreaktionen |
| Chemisch | Ultrafeine bis nanoskalige Partikel | Pyrotechnische Zusammensetzungen |
Verfahren zur Herstellung von Aluminiumpulver
Es gibt eine Vielzahl kommerzieller Verfahren zur Herstellung von Aluminiumpulvern, die je nach den erforderlichen Materialeigenschaften und Endanwendungen eingesetzt werden:
Gaszerstäubung
Bei der Gaszerstäubung wird geschmolzenes Aluminium durch Hochdruck-Inertgasstrahlen in feine Tröpfchen zerlegt, die sich zu Pulverteilchen verfestigen. Gaszerstäubte Aluminiumpulver haben eine kugelförmige Form mit einer Größe von 10 bis 350 Mikrometern, abhängig von den Verarbeitungsparametern. Dies ist die vorherrschende Technik zur Herstellung von reaktivem Aluminiumpulver mit geringerer Sauerstoffaufnahme als bei der Flüssigmetallverdüsung.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Partikelform | Sphärische Morphologie |
| Partikelgröße | 10 – 350 μm typisch |
| Oxidgehalt | <3% nach Gewicht |
| Produktionsmaßstab | Hunderte von Tonnen pro Jahr |
| Kosten | Höher |
Luftvernebelung
Bei der Luftzerstäubung wird der Strom geschmolzenen Aluminiums durch Druckluftstrahlen unterbrochen, was zur Bildung feiner, unregelmäßiger Aluminiumpartikel führt, die aufgrund des Luftsauerstoffs einen höheren Oberflächenoxidanteil aufweisen. Die Luftzerstäubung erleichtert die wirtschaftliche Herstellung von Aluminiumpulver in großen Mengen für P/M-Strukturteile und aluminothermische Reaktionen.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Partikelform | Unregelmäßige Partikelform |
| Partikelgröße | 20 – 180 μm |
| Oxidgehalt | 3-8% nach Gewicht |
| Produktionsmaßstab | Tausende von Tonnen pro Jahr |
| Kosten | Sehr wirtschaftlich |
Verfahren mit rotierenden Elektroden (REP)
Bei der REP-Technik wird geschmolzenes Aluminiummetall in Form von Draht- oder Stabelektroden mit hoher Geschwindigkeit gedreht und durch elektrischen Lichtbogen geschmolzen. Durch die Zentrifugalkräfte werden die geschmolzenen Tröpfchen herausgeschleudert, wodurch sehr feine, kugelförmige Aluminiumpartikel entstehen, die sich ideal für spezielle Anwendungen eignen.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Partikelform | Hochgradig kugelförmig |
| Partikelgröße | 5 – 60 μm |
| Oxidgehalt | <1 Gewichtsprozent |
| Produktionsmaßstab | Geringere Mengen |
| Kosten | Höhere Preise |
Kugelmahlen
Das Hochenergie-Kugelmahlen von Aluminium-Metallflocken, -Partikeln und chemischen Pulvern dient der Herstellung von Aluminium-Verbundpulvern durch Einbettung von Verstärkungspartikeln, die eine besondere mechanische, chemische oder explosive Reaktivität aufweisen.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Partikelform | Abgeflachte und zusammengesetzte Partikel |
| Partikelgröße | 1 – 100 μm |
| Oxidgehalt | Beschichtete Partikel |
| Produktionsmaßstab | Kleine Chargen |
| Kosten | Mäßig |
Elektrolytisches Verfahren
Bei der Schmelzflusselektrolyse werden Aluminiumionen auf Kathoden abgeschieden, wodurch dendritische oder unregelmäßig geformte Partikel mit poröser Oberflächenmorphologie entstehen, die sich ideal für pyrotechnische Thermite eignen.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Partikelform | Dendriten und unregelmäßige |
| Partikelgröße | 1 – 75 μm |
| Oxidgehalt | Hoch aus Morphologie |
| Produktionsmaßstab | Geringeres Volumen |
| Kosten | Kostengünstig für Nischenanwendungen |
Aluminium-Pulver Kompositionen
Bei den meisten Aluminiumpulvern handelt es sich um hochreines Aluminium mit einem Al-Gehalt von über 98 %. Die wichtigsten Aspekte der Zusammensetzung sind:
1. Legierungselemente
Geringe Mengen an Silizium, Magnesium, Zink oder anderen Elementen werden hinzugefügt, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen.
| Legierungszusätze | Wt % Range | Wirkung |
|---|---|---|
| Silizium | 0.5 – 12% | Erhöhte Härte und Verschleißfestigkeit |
| Magnesium | 1 – 5% | Verbessert die Festigkeit |
| Zink | 1 – 8% | Höhere Festigkeit bei erhöhter Temperatur |
2. Oxidgehalt
Die Verarbeitungsmethoden bestimmen, ob dünne schützende Oxidschichten oder schwerere nicht haftende Oxide auf den Partikeloberflächen vorhanden sind.
| Oxidationsgrad | Angemessenheit |
|---|---|
| <3% | Hochleistungslegierungen, AM-Komponenten |
| 3-8% | P/M-Strukturteile |
| >10% | Thermite, Pyrotechnik |
3. Hydrogen Content
Die Feuchtigkeitsaufnahme während der Handhabung und Lagerung von sehr reaktiven Aluminiumpulveroberflächen muss überwacht werden, um Brand- oder Detonationsgefahren zu vermeiden. Eine Fertigungsatmosphäre mit minimaler Luftfeuchtigkeit ist von Vorteil.
Eigenschaften von Aluminium-Pulver
Zu den wichtigsten Eigenschaften, die bei der Qualifizierung von Aluminiumpulvern berücksichtigt werden, gehören:
Partikelgrößenverteilung des Pulvers
Laserbeugungs-Partikelanalysatoren oder Siebanalysen liefern eine umfassende Granulometrie von Submikron- bis 500-Mikron-Größenfraktionen. Typische angegebene Größenparameter sind:
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| D10, D50, D90 | Partikeldurchmesser, unter den 10 %, 50 % und 90 % des Volumens der Partikel fallen |
| Mittlere, modale Größe | Maß der zentralen Tendenz |
| Spanne = (D90-D10)/D50 | Breite der Verteilung – eine geringere Spanne bedeutet eine engere Verteilung |
Die Anpassung der Partikelgrößen an die Möglichkeiten des Produktionsverfahrens ermöglicht eine Maximierung der Dichte und der Eigenschaften der fertigen Komponenten.
Morphologie der Partikel
Die Rasterelektronenmikroskopie zeigt feine Details der Partikelform, die das Verhalten des Pulvers bestimmt. Glatte, abgerundete Partikel verbessern den Fluss und die Packungsdichte. Unregelmäßige Formen sorgen für mechanische Verriegelung.
Scheinbare Dichte und Klopfdichte
Diese zeigen das Verfestigungs- und Handhabungsverhalten des Pulvers anhand standardisierter Testverfahren. Höhere Dichten erleichtern die Verdichtung beim Verdichten.
| Parameter | Typischer Bereich |
|---|---|
| Scheinbare Dichte | 0,2 – 0,6 g/cc |
| Zapfstellendichte | 0,7 – 1,3 g/cc |
Merkmale der Strömung
Die Zeit, die 50 g Pulver benötigen, um durch einen Hall-Durchflussmesser-Trichter zu fließen, korreliert gut mit der Ausbreitungsleistung beim Füllen von Schichten im Binderjet-3D-Verfahren und beim Füllen von Matrizenhohlräumen in der Pulvermetallurgie. Glatte kugelförmige Partikel zeigen verbesserte Fließraten.
Fläche
Die gemessene BET-Gasabsorptionsfläche wird zur Berechnung der Dicke der vorhandenen Oberflächenoxidschichten verwendet, die das Zündverhalten bei aluminothermischen Reaktionen oder pyrotechnischen Verbrennungsleistungen beeinflussen.
Anwendungen von Aluminiumpulvern
Einzigartige Eigenschaften von reaktiven Aluminiumpulvern machen sie für verschiedene Branchen unverzichtbar:
Additive Fertigung von Metall
Sphärische Aluminiumpulver werden als Ausgangsmaterial für das selektive Laserschmelzen, das Elektronenstrahlschmelzen und die additive Fertigung mit Binderstrahlen verwendet, nachdem die Partikelgrößenverteilung des Pulvers entsprechend den Anforderungen der Maschine klassifiziert wurde.
Thermische Spritzschichten
Spezialisierte Aluminiumpulver mit niedrigem Oxidgehalt, die durch Plasma- oder Drahtspritzen aufgebracht werden, erzeugen schützende Aluminiumbeschichtungen, die ein hohes Reflexionsvermögen in Kombination mit Korrosionsbeständigkeit bieten.
Pulvermetallurgie
Durch das Verdichten und Sintern von Aluminiumpulvern lassen sich Präzisionsbauteile in großen Stückzahlen herstellen, wie z. B. Automobilteile mit hervorragender Maßkontrolle und einer Leistung, die mit anderen Verfahren nicht zu erreichen ist.
Energetische Materialien
Feine Aluminiumpulver-Thermitreaktionen mit Metalloxiden oder pyrotechnische Verbrennungen liefern intensive exotherme Leistungen für militärische, luft- und raumfahrttechnische oder zivile Anwendungen, die von Sprengstoffen und Treibstoffen bis zu Beleuchtung, Gaserzeugung oder Heizung reichen.
Bänder aus Al-Mg-Legierung
Verdichtete Aluminiumpulver-Vorformlinge werden zu Bändern und gewickelten Blechen aus Al-Mg-Legierungen stranggepresst, die sich ideal für die Herstellung von Panzerplatten eignen. Die Pulvermetallurgie ermöglicht mikrostrukturelle Verfeinerungen und eine Gleichmäßigkeit, die bei konventionell gegossenen Legierungen nicht möglich ist.
Spezifikationen und Normen
Die Hersteller von Aluminiumpulver müssen die Produktionsatmosphäre, die Verarbeitungstechniken und die Handhabungsverfahren sorgfältig kontrollieren, um zertifizierte Standards für kritische Märkte zu erfüllen:
AMS Metallpulver Spezifikationen
- AMS 4200 Stahlschrot und -korn
- AMS 4205 Aluminiumpulver für das thermische Spritzen
ASTM-Normen
- B215 für gaszerstäubte Pulver
- B951 für gepresste und gesinterte Aluminiumpulver-Strangpressprofile
- B937 für gaszerstäubte, additiv gefertigte Teile für die Luft- und Raumfahrt
ISO Standards
- Thermische Spritzschichten nach ISO 14361
- ISO 22068 Konstruktion von Druckgussstücken aus Aluminiumlegierungen
CEN Standards
- EN 10204 3.1 Zertifizierung der Materialqualität
SAE Luft- und Raumfahrt Material Spezifikationen (AMS)
- AMS 4200 Schrot/Körnung
- AMS 4205 gasverdüstes Aluminiumpulver
Strenge Qualitätskontrollen zur Einhaltung der vorgeschriebenen chemischen Grenzwerte für Verunreinigungen wie Eisen, Silizium und Zink sowie die Überprüfung der Pulvereigenschaften erfüllen die Anwendungsanforderungen und die Sicherheit in sensiblen Bereichen.
Aluminiumpulver-Marktanalyse
Die weltweite Nachfrage nach Aluminiumpulvern wird bis 2027 schätzungsweise 1,6 Millionen Tonnen erreichen, angetrieben durch:
1. Wachstum in der additiven Fertigung von Metallen
- Vorteile des Leichtbaus für Komponenten in der Luft- und Raumfahrt
- Implantate und Instrumente für das Gesundheitswesen aus biokompatiblen Al-Legierungen
2. Dynamik im Automobil-Leichtbau
- P/M-Aluminiumteile anstelle von Gusseisen und Stahl
3. Innovation bei reaktiven Aluminium-Energieformulierungen
- Verteidigung, Raumfahrt, zivile Industrie
Führende internationale Hersteller von Aluminiumpulver sind:
| Anbieter | Hauptsitz | Produktionskapazitäten |
|---|---|---|
| Toyo Aluminium K.K. | Japan | Gas-, Luft-, Vakuumzerstäubung |
| UC Rusal | Russland | Luftvernebelung |
| Alcoa Gesellschaft | USA | Luftvernebelung |
| Luxfer Magtech | USA | Gas-, Luft- und Zentrifugalzerstäubung |
| Hoganas AB | Schweden | Luftvernebelung |
Der Preis variiert je nach:
- Produktion Volumen
- Reinheitsgrade
- Zusätzliches Sieben oder Fräsen
| Klasse | Kostenvoranschlag |
|---|---|
| Luftverdüste Al-Pulver | $3 – $5 pro kg |
| Gasverdüstes kugelförmiges Al-Pulver | $15 – $30 pro kg |
| Spezielle Al-Legierungssorten | Bis zu 50 $ pro kg |
Vorteile und Herausforderungen
Vorteile
- Geringeres Gewicht im Vergleich zu Stahl oder Titan
- Kostengünstig im Vergleich zu anderen Konstruktionsmetallen
- Reaktive Formulierungen, die intensive exotherme Leistungen erbringen
- Recycelbar und wiederverwendbar
Herausforderungen
- Stark exotherme Oxidation, die eine kontrollierte inerte Handhabung und Lagerung erfordert
- Wasserstoffversprödung mit abnehmenden mechanischen Eigenschaften
- Begrenzte Einsatztemperaturen von bis zu 200°C für die meisten Formulierungen
Vergleich von Aluminiumpulvern mit Alternativen:
| Parameter | Aluminium-Pulver | rostfreier Stahl | Titan |
|---|---|---|---|
| Dichte | Niedrig | Höher | Höher |
| Kosten | Niedrig | Mäßig | Hoch |
| Reaktivität | Hoch | Niedrig | Mäßig |
| Stabilität in der Umwelt | Messe | Ausgezeichnet | Sehr gut |
| Zulassungen für den Kontakt mit Lebensmitteln | ✅ Ja | ✅ Ja | Einige Klassen |
FAQs
F: Welche Partikelgrößenverteilung wird normalerweise bei Pulvern aus Aluminiumlegierungen für die additive Fertigung verwendet?
A: Beim Pulverbettschmelzverfahren AM liegt der Größenbereich der Aluminiumpartikel im Allgemeinen zwischen 15 und 63 Mikron. Feinere Pulver können die Auflösung verbessern, machen aber die Handhabung schwieriger. Die Abstimmung der Verteilungen auf die Maschinenparameter ist entscheidend.
F: Was beeinflusst die Haltbarkeit von Aluminiumpulvern für energetische Formulierungen?
A: Die Reaktivität nimmt mit der Zeit zu, da die Luftfeuchtigkeit bei der Lagerung zur Bildung von Aluminiumhydroxiden und -hydraten auf den Partikeloberflächen führt, wodurch Wasserstoff freigesetzt wird und sich möglicherweise entzündliche Bedingungen bilden. Inert versiegelte Verpackung und geregelte Luftfeuchtigkeit Lagerung (<30%) ist unerlässlich.
F: Welches sind die üblichen Normen für Aluminiumpulver, die in thermischen Spritzschichten verwendet werden?
A: Strenge chemische Grenzwerte für Schwermetalle, die von der FDA und der USDA festgelegt werden, gewährleisten, dass die Beschichtungen keine auslaugbaren Verunreinigungen enthalten. Zu den wichtigsten Normen gehören AMS 4205 und ASTM B215 zur Kontrolle der Spurenelemente Fe, Si und Cu. Das Ausgangsmaterial für das thermische Spritzen entspricht auch der ISO 14361.
F: Welche Aluminiumlegierung wird für die additive Fertigung biomedizinischer Implantate bevorzugt?
A: Die Aluminiumlegierung AlSi10Mg erfüllt strenge chemische Anforderungen und bietet hervorragende Biokompatibilität, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei geringerer Dichte als Titan- oder Edelstahllegierungen. Sphärische Pulver ermöglichen komplexe Druckgeometrien.
F: Wie wird das Risiko einer pyrophoren Entzündung bei der Bearbeitung von P/M-Bauteilen aus Aluminium gehandhabt?
A: Vor der zweiten Bearbeitung werden Wärmebehandlungen bei niedrigen Temperaturen durchgeführt, um die restlichen Magnesium- und Aluminiumpartikel aus dem explosiven, reaktiven Zustand in stabilere intermetallische Phasen umzuwandeln und so eine sichere konventionelle Bearbeitung zu ermöglichen.