wie man Metallpulver herstellt

Einführung

Metallpulver sind fein verteilte Metallpartikel, die in einer Vielzahl von Herstellungsverfahren verwendet werden. Metallpulver können aus verschiedenen Metallen wie Eisen, Aluminium, Kupfer, Nickel und anderen hergestellt werden. Sie werden in vielen Branchen eingesetzt, z. B. in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Elektronik, der Chemie- und Pharmaindustrie und anderen. Dieser umfassende Leitfaden führt Sie durch die verschiedenen Methoden zur Herstellung von Metallpulvern sowie deren Prinzipien und Anwendungen.

Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern

Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern, die sich in mechanische, physikalische und chemische Methoden einteilen lassen. Jedes Verfahren hat seine eigenen Prinzipien, Ausrüstungsanforderungen und führt zu Pulvern mit unterschiedlichen Eigenschaften. Zu den gebräuchlichen Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern gehören:

Mechanische Methoden

Fräsen

Beim Mahlen wird Metall mechanisch in eine Pulverform zerlegt. Das Ausgangsmaterial liegt in der Regel in Form von groben Partikeln oder Abfällen vor, die mit Hilfe von Kugelmühlen, Hammermühlen oder Strahlmühlen gemahlen werden. Beim Kugelmahlen werden die Partikel durch in der Mühle taumelnde Mahlkugeln zerkleinert. Hammermühlen verwenden Hämmer oder Klingen, um das Metall zu zerkleinern. Strahlmühlen mikronisieren die Partikel, indem sie mit hohen Geschwindigkeiten aufeinanderprallen. Beim Mahlen entstehen Pulver mit unregelmäßiger Form und breiter Partikelgrößenverteilung. Es ist einfach und kostengünstig, ermöglicht aber keine genaue Kontrolle der Pulvereigenschaften.

Zerstäubung

Bei der Zerstäubung handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von Metallpulver, bei dem geschmolzenes Metall durch eine kleine Öffnung in einer Düse oder einer Öffnung gepresst wird. Das Metall tritt als Sprühnebel aus feinen Tröpfchen aus, die sich zu Pulverpartikeln verfestigen. Auf der Grundlage der Auflösungsmethode kann die Zerstäubung in Gas-, Wasser-, Plasma-, Zentrifugal- und Ultraschallzerstäubung unterteilt werden. Gas- und Wasserzerstäubung sind die gängigsten Verfahren. Mit dieser Methode werden kugelförmige Pulver mit präzisen Partikelgrößen erzeugt. Sie erfordert jedoch eine spezielle Ausrüstung und einen hohen Energieaufwand.

Galvanische Abscheidung

Bei der elektrolytischen Abscheidung, die auch als Galvanisierung bezeichnet wird, wird Metallpulver durch elektrolytische Abscheidung von Metallionen auf einer Kathode aus einer Elektrolytlösung hergestellt. Die abgeschiedene Schicht wird entfernt und zu einem Pulver gemahlen. Mit dieser Methode lassen sich Größe und Form der Partikel kontrollieren. Die Pulver haben jedoch eine niedrige Schüttdichte und die Produktionsraten sind langsam. Es wird für die Herstellung von Pulvern aus Metallen wie Kupfer, Eisen, Kobalt usw. verwendet.

Physikalische Methoden

Verdunstung

Bei Verdampfungstechniken wie der Vakuumverdampfung werden Metalldämpfe erzeugt, die dann zu feinen Metallpulvern kondensiert werden. Das Metall wird erhitzt, bis es in einer Vakuumkammer verdampft und dann an kalten Oberflächen zu einem Pulver kondensiert. Mit dieser Methode können kugelförmige Pulver mit kontrollierter Partikelgrößenverteilung hergestellt werden. Es erfordert jedoch eine spezielle Ausrüstung und ist für Metalle mit hohem Schmelzpunkt nicht geeignet.

Sputtern

Beim Sputtern werden mit Hilfe von Plasmaenergie Atome aus einem festen Metalltarget herausgeschleudert. Die ausgestoßenen Atome werden als dünner Film abgeschieden und abgekratzt, um Pulver zu bilden. So lassen sich Partikelgröße, Morphologie und Zusammensetzung kontrollieren. Die Produktionsrate ist jedoch sehr langsam und ungeeignet für die Herstellung in großem Maßstab. Diese Methode wird hauptsächlich für die Herstellung von ultrafeinen und Nanopulvern verwendet.

Chemische Methoden

Ermäßigung

Bei der Reduktion werden Metallsalze oder -oxide mit Hilfe von Reduktionsmitteln wie Wasserstoff, Kohlenstoff, Kohlenmonoxid usw. in pulverförmiges Metall umgewandelt. Beispielsweise kann Eisenoxid durch Wasserstoff reduziert werden, um Eisenpulver herzustellen. Mit dieser vielseitigen Methode können Pulver aus verschiedenen Metallen hergestellt werden. Die Pulver haben einen hohen Reinheitsgrad, aber unregelmäßige Formen und eine breite Partikelgrößenverteilung.

Elektrolyse

Bei der Elektrolyse werden in Elektrolysezellen Metallpulver aus Lösungen hergestellt, die deren Ionen enthalten. Das Pulver wird an der Kathode abgeschieden, während sich die Anode auflöst, um die Metallionen in der Lösung aufzufüllen. Diese Methode ermöglicht die Kontrolle über die Partikeleigenschaften und wird für die Herstellung von Aluminium-, Chrom-, Titan- und Magnesiumpulvern verwendet. Es handelt sich jedoch um ein teures Verfahren mit langsamen Produktionsraten.

Selbstausbreitende Hochtemperatursynthese (SHS)

Bei der SHS handelt es sich um eine exotherme Reaktion zwischen Metalloxiden und Reduktionsmitteln zur Herstellung von Metallpulvern. Die durch die Reaktion erzeugte Wärme hält den chemischen Umwandlungsprozess aufrecht und treibt ihn voran. Eisenoxid und Aluminium sind häufig verwendete Rohstoffe für SHS-Reaktionen. Es handelt sich um eine einfache, kosteneffiziente Methode, die jedoch eine spezielle Reaktionsausrüstung und Prozesskontrolle erfordert.

Häufig verwendete Metalle für die Herstellung von Pulvern

Einige der häufig verwendeten unedlen Metalle für die Herstellung von Pulvern sind:

• Eisen: Eisenpulver gehören zu den am häufigsten verwendeten Eisenpulvern. Sie werden aus reduziertem Eisenerz hergestellt und finden Anwendung in der Pulvermetallurgie, bei der Herstellung von Autoteilen, Magneten, Schneidwerkzeugen und magnetischen Druckfarben.
• Aluminium: Aluminiumpulver haben eine hohe thermische/elektrische Leitfähigkeit und werden in Thermitreaktionen, der additiven Fertigung, für Automobilteile, Farben, Pyrotechnik usw. verwendet. Sie werden durch Zerstäubung von geschmolzenem Aluminium hergestellt.
• Kupfer: Kupferpulver haben eine ausgezeichnete thermische und elektrische Leitfähigkeit. Sie werden durch Elektrolyse, Zerstäubung oder Reduktionsverfahren hergestellt und zur Herstellung von elektronischen Bauteilen, Wickeldrähten, Reibmaterialien, Schweißdrähten usw. verwendet.
• Nickel: Nickelpulver weisen Korrosionsbeständigkeit, Zähigkeit und ferromagnetische Eigenschaften auf. Sie werden durch Carbonylzersetzung, Elektrolyse oder Reduktion hergestellt und zur Herstellung von legierten Stählen, Batterien, Katalysatoren, leitfähigen Farben usw. verwendet.
• Zinn: Zinnpulver werden als Beschichtungsmaterial, in Lötmitteln, Lagern und in der chemischen Industrie verwendet. Sie werden durch Zerstäubung oder galvanische Abscheidung aus Zinnlösungen hergestellt.
• Tungsten: Wolframpulver haben eine hohe Dichte, Festigkeit und einen hohen Schmelzpunkt. Sie werden durch Wasserstoffreduktion hergestellt und zur Herstellung von Wolframdrähten, Heizelementen und verschleißfesten Beschichtungen verwendet.
• Silber: Silberpulver haben eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Sie werden durch Elektrolyse hergestellt und in Lötmitteln, Hartloten, leitfähigen Beschichtungen und photovoltaischen Kontakten verwendet.
• Gold: Goldpulver sind chemisch stabil und elektrisch leitfähig. Sie werden durch elektrolytische oder Aufdampfverfahren hergestellt und für die Elektronikfertigung und dekorative Beschichtungen verwendet.

Anwendungen von Metallpulvern

Metallpulver haben eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in vielen Branchen:

• Herstellung: In der Pulvermetallurgie werden Metallpulver zur Herstellung fertiger oder halbfertiger Bauteile verwendet. Die Pulver werden verdichtet und dann gesintert, um präzise Teile mit komplexen Formen herzustellen. Zu den gängigen Produkten gehören Zahnräder, Buchsen, Lager, Magnete, Schneidwerkzeuge, Autoteile usw.
• Additive Fertigung: Selektives Lasersintern, direktes Metall-Lasersintern und Binder-Jetting verwenden Metallpulver, um Metallkomponenten Schicht für Schicht in 3D zu drucken. Diese Technologien werden in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Automobilindustrie eingesetzt.
• Elektronik: Kupfer- und Silberpulver werden zur Herstellung von gedruckten Schaltungen, keramischen Mehrschichtkondensatoren und leitfähigen Klebstoffen verwendet. Aus Ferritpulvern werden Drosselspulen und Transformatorenkerne hergestellt.
• Chemische Industrie: Metallpulver dienen als Katalysatoren und Reagenzien für die Herstellung von Chemikalien, Arzneimitteln, Erdölprodukten, Pigmenten und Batteriematerialien.
• Beschichtungen: Aluminiumflocken ergeben metallische Beschichtungen in Lacken. Kupfer- und Zinkpulver ergeben Korrosionsschutzbeschichtungen. Metallpulver stellen auch leitfähige Beschichtungen und elektromagnetische Abschirmungen her.
• Schweißen: Aluminium- und Magnesiumpulver werden verwendet, um exotherme Reaktionen beim Thermit-Schweißen zu ermöglichen. Eisen-, Kupfer- und Nickelpulver dienen als Schweißzusatzwerkstoffe.
• Pyrotechnik: Aluminium-, Magnesium- und Eisenpulver sind aufgrund ihrer exothermen Oxidationsreaktionen wichtige Bestandteile von Feuerwerkskörpern, Wunderkerzen, Fackeln und Thermiten.
• Andere: Metallpulver finden weitere Nischenanwendungen bei der Herstellung von Diamantwerkzeugen, Reibmaterialien, Hartloten, leitfähigen Kunststoffen, magnetischen Druckfarben usw.

Eigenschaften von Metallpulvern

Die Eigenschaften von Metallpulvern werden durch das Herstellungsverfahren sowie durch die Zusammensetzung, Partikelgröße, Form, Porosität und Mikrostruktur beeinflusst. Zu den wichtigen Pulvereigenschaften gehören:

• Partikelgröße: Gemessen in Mikrometern (Mikron) beeinflusst die Größe die Dichte, die Reaktivität und das Sinterverhalten. Ultrafeine Pulver haben eine Größe von unter 10 Mikrometern.
• Form der Partikel: Die Form beeinflusst den Pulverfluss und die Packungsdichte. Üblich sind körnige, kugelförmige, flockige und dendritische Formen.
• Partikelgrößenverteilung: Eine enge Verteilung ermöglicht ein gleichmäßiges Verpacken und Verarbeiten, während eine breite Verteilung zu einer Entmischung bei der Handhabung führen kann.
• Scheinbare Dichte: Verhältnis von Masse zu Pulvervolumen. Beeinflusst die Kompressibilität und die endgültige Dichte des Teils. Die Werte reichen von 25%-80% der theoretischen Dichte.
• Dichte der Gewindebohrer: Maximale Dichte, die nach dem mechanischen Abstechen erreicht wird. Gibt die Effizienz der Pulverpackung an.
• Durchflussmenge: Wichtig für die Handhabung und Verarbeitung. Beeinflusst von Faktoren wie Partikelgröße, Form, Oberflächenoxid und Feuchtigkeit.
• Komprimierbarkeit: Fähigkeit des Pulvers, sich unter Druck zu einem Pressling zu verformen. Hängt von der Duktilität, der Kaltverfestigung und den adsorbierten Gasen ab.
• Sinteraktivität: Fähigkeit der Pulverpartikel, sich beim Erhitzen miteinander zu verbinden. Beeinflusst durch Zusammensetzung, Partikelgröße, Oxidgehalt und Defekte.
• Reinheit: Das Vorhandensein von Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff kann die Pulvereigenschaften beeinträchtigen. Für kritische Anwendungen ist ein hoher Reinheitsgrad erforderlich.

Sicherheitsmaßnahmen für den Umgang mit Metallpulvern

Die Handhabung von Metallpulvern birgt potenzielle Gesundheits- und Sicherheitsrisiken. Einige wichtige Maßnahmen sind:

• Tragen Sie beim Umgang mit Pulvern Schutzhandschuhe, Augenschutz, Gesichtsmasken und Ganzkörperanzüge, um Einatmen und Hautkontakt zu vermeiden.
• Vermeiden Sie Zündquellen – Pulver kann sich bei Einwirkung von Hitze, Funken oder Flammen entzünden. Ordnungsgemäße Erdungsmaßnahmen befolgen.
• Verhindern Sie Staubexplosionen – Pulver bilden explosive Staub-Luft-Gemische. Verwenden Sie Staubabsauganlagen und vermeiden Sie Pulveransammlungen.
• Inert lagern – Pulver werden oft in versiegelten Behältern unter Inertgasen wie Argon oder Stickstoff gelagert, um Oxidation zu verhindern.
• Sorgen Sie für eine angemessene Belüftung – verwenden Sie Abzugshauben oder eine lokale Absaugung, um die Exposition gegenüber Metalldämpfen und Pulverstaub zu vermeiden.
• Vermeiden Sie Verschüttungen – reinigen Sie Verschüttungen sofort mit Staubsaugern, nicht mit Bürsten, die Staub aufwirbeln.
• Sichere Entsorgung – Entsorgung gemäß den örtlichen Umweltvorschriften und nicht über die Kanalisation oder Mülldeponien.
• Schulung – Schulung der Arbeitnehmer über die Gefahren des Pulvers, die richtige Handhabung und die Notfallmaßnahmen.
• Überwachung – Überwachung der Staubkonzentration und der Exposition der Arbeitnehmer, um sicherzustellen, dass sie innerhalb der zulässigen Expositionsgrenzen liegen.

FAQs

Was sind die wichtigsten Methoden zur Herstellung von Metallpulvern?

Die wichtigsten Methoden sind:

• Mechanisches Fräsen
• Zerstäubung
• Chemische Reduktion
• Elektrolyse
• Techniken der Verdampfung

Wozu werden Metallpulver verwendet?

Metallpulver werden zur Herstellung von Fertigteilen durch Pulvermetallurgie, zur Herstellung von additiv gefertigten Komponenten, zur Herstellung von elektronischen Geräten, zum Auftragen von leitfähigen/resistenten Beschichtungen, zur Herstellung von Chemikalien und Katalysatoren und zur Herstellung von Pyrotechnik verwendet.

Wie wird die Partikelgröße von Metallpulver gemessen?

Die Partikelgröße wird mit Hilfe von Mikroskopie, Laserbeugung, Sedimentation, Siebung und dynamischer Lichtstreuung in Mikrometern (Mikron) gemessen. Ultrafeine Pulver haben eine Größe von unter 10 Mikrometern.

Welche Vorsichtsmaßnahmen sind beim Umgang mit Metallpulvern zu treffen?

Zu den Vorsichtsmaßnahmen gehören das Tragen von Schutzkleidung, das Vermeiden von Zündquellen, das Verhindern von Staubexplosionen, die inerte Lagerung, die ordnungsgemäße Belüftung, die sichere Entsorgung, die Schulung der Arbeitnehmer und die Überwachung der Exposition.

Welche Eigenschaften von Metallpulvern beeinflussen ihre Leistung?

Wichtige Eigenschaften sind Partikelgröße, Form, Größenverteilung, Dichte, Fließgeschwindigkeit, Kompressibilität, Sinterfähigkeit, Reinheit und Zusammensetzung. Diese beeinflussen die Verarbeitung, die Handhabung und die Qualität des Endprodukts.

Wie werden Metallpulver sicher gelagert?

Metallpulver werden häufig in versiegelten Behältern unter Inertgas wie Argon oder Stickstoff gelagert, um Oxidationsreaktionen zu verhindern. Dadurch wird die Reinheit des Pulvers erhalten und eine Veränderung der Pulvereigenschaften verhindert.

Was ist Pulvermetallurgie?

Die Pulvermetallurgie ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Metallpulver zur Herstellung fertiger oder halbfertiger Bauteile verwendet wird. Dabei werden die Pulver verdichtet und anschließend gesintert, um präzise Metallteile mit komplexen Formen herzustellen.

Welche Metalle werden üblicherweise zur Herstellung von Pulvern verwendet?

Üblicherweise werden Eisen, Aluminium, Kupfer, Nickel, Zinn, Wolfram, Silber und Gold verwendet. Die Wahl des Metalls hängt von den erforderlichen Materialeigenschaften und der Anwendung ab.

Was ist der Zerstäubungsprozess bei der Herstellung von Metallpulver?

Bei der Zerstäubung wird geschmolzenes Metall durch eine Düse gepresst und zerfällt in feine Tröpfchen, die sich zu Pulverpartikeln verfestigen. Es ermöglicht die Kontrolle über Partikelgröße und -form und wird zur Herstellung von kugelförmigen Pulvern verwendet.

Welche Gefahren sind mit Metallpulvern verbunden?

Metallpulver können sich unter Einwirkung von Hitze oder Funken entzünden. Sie bilden explosive Staub-Luft-Gemische. Metalldämpfe und feines Pulver sind auch beim Einatmen giftig. Geeignete Schutzausrüstung und Handhabungsverfahren sind erforderlich.

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