Die Hauptrolle der atomisierten Metalle

zerstäubte Metalle beziehen sich auf Metallpulver, die durch Zerstäubung in mikroskopisch kleine Partikel zerlegt wurden. Bei diesem Verfahren wird flüssiges Metall in einen Sprühnebel aus winzigen Tröpfchen verwandelt, die sich zu feinen, kugelförmigen Pulvern verfestigen. Zerstäubte Metalle spielen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und Fähigkeiten eine wichtige Rolle in verschiedenen Branchen.

Anwendungen von atomisierten Metallen

Atomisierte Metallpulver bieten mehrere entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Metallformen:

• Hohe Oberfläche – Durch ihre geringe Größe und ihre kugelförmige Gestalt haben die zerstäubten Pulver ein sehr hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was einen hervorragenden Kontakt und eine hervorragende Interaktion ermöglicht.
• Leicht zu verdichten – Die Pulver können in eine breite Palette von Formen mit hoher grüner Dichte gepresst werden, was eine effiziente Herstellung ermöglicht.
• Verbesserte Leistung – Teile, die aus zerstäubten Pulvern hergestellt werden, weisen oft bessere mechanische Eigenschaften auf.
• Kundenspezifische Legierungen – Durch die Zerstäubung kundenspezifischer Legierungen ist eine präzise Kontrolle der Chemie möglich.

Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich zerstäubte Metalle für die Herstellung von Teilen durch Pulvermetallurgie, thermisches Spritzen, Metallspritzguss und additive Fertigung. Einige der wichtigsten Anwendungen sind:

Pulvermetallurgie

Bei der Pulvermetallurgie wird gepresstes und gesintertes Metallpulver zur Herstellung von Präzisionsbauteilen in Netzform verwendet. Die feinen Partikel ermöglichen ein hervorragendes Fließen und Verdichten, wenn sie in eine Form gepresst werden. Die Teile können mit engen Maßtoleranzen ohne maschinelle Bearbeitung hergestellt werden, wodurch der Materialabfall minimiert wird. Zu den gängigen pulvermetallurgischen Teilen gehören Getriebezahnräder für Kraftfahrzeuge, Pleuelstangen und selbstschmierende Lager.

Thermisches Spritzen

Beim thermischen Spritzen werden zerstäubte Pulver durch eine beheizte Pistole geleitet, um eine geschmolzene oder halbgeschmolzene Spritzschicht auf einer Oberfläche zu erzeugen. Dies ermöglicht das schnelle Aufbringen dicker, schützender Metallschichten auf Teile. Das thermische Spritzen mit zerstäubten Metallen wird zur Beschichtung von Motorzylindern, Hydraulikwellen, Brücken und anderen industriellen Bauteilen verwendet, die Verschleiß-/Korrosionsschutz oder Isolierung benötigen.

Metall-Spritzgießen

Beim Metallpulverspritzguss (MIM) werden Pulvermetallurgie und Kunststoffspritzguss zur Herstellung kleiner, komplexer Teile kombiniert. Zerstäubte Pulver werden mit einem Polymerbindemittel gemischt, spritzgegossen und anschließend gesintert. MIM ermöglicht die Herstellung komplizierter, netzförmiger Komponenten wie Zahnräder oder medizinische Implantate in großen Mengen und mit minimaler Nachbearbeitung.

Additive Fertigung

Selektives Lasersintern, direktes Metall-Lasersintern und Binder-Jetting nutzen zerstäubte Metallpulver, um Teile schichtweise in 3D zu drucken. Leichte, poröse Strukturen mit komplexen Geometrien können additiv hergestellt werden. Zerstäubte Metalle eignen sich ideal für die Herstellung von Prototypen, individuellen Zahnkronen, Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und biomedizinischen Implantaten durch additive Fertigung.

Verfahren zur Herstellung von atomisierten Metallpulvern

Es gibt verschiedene Techniken, um Metallpulver im industriellen Maßstab zu zerstäuben:

Gaszerstäubung

Die Gaszerstäubung ist die gängigste Methode. Das Metall wird geschmolzen und in einen Verteiler mit einer Keramikdüse am Boden gegossen. An der Düse wird unter hohem Druck stehendes Inertgas (in der Regel Stickstoff oder Argon) eingespritzt, das den Schmelzestrom in einen Sprühnebel aus feinen Tröpfchen zerlegt. Die Tröpfchen verfestigen sich schnell zu kugelförmigen Pulvern, wenn sie fallen und abkühlen. Unterschiedliche Gasdrücke und Düsenkonstruktionen ergeben Pulver mit einer Größe von 10 – 150 Mikrometern.

Wasserzerstäubung

Bei der Wasserzerstäubung wird der geschmolzene Metallstrom durch Hochdruck-Wasserstrahlen zerkleinert. Das Wasser löscht die Tröpfchen schnell ab, was zu unregelmäßig geformten Pulvern führt. Die Wasserzerstäubung kann im Vergleich zur Gaszerstäubung eine höhere Ausbeute an feineren Partikeln unter 10 Mikron erzeugen. Allerdings können die Pulver mit Sauerstoff aus dem Wasser verunreinigt sein.

Zentrifugalzerstäubung

Hier wird das geschmolzene Metall in eine sich drehende Scheibe oder mehrere sich drehende Becher geleitet. Durch die Zentrifugalkraft werden Bänder aus flüssigem Metall abgeschleudert, die in Tröpfchen zerfallen und sich zu Pulver verfestigen. Diese Methode ermöglicht höhere Produktionsraten als die Gaszerstäubung, ergibt aber weniger kugelförmige Partikel.

Ultraschall-Gaszerstäubung

Die Anwendung von Ultraschallschwingungen auf den geschmolzenen Metallstrom in einem Gaszerstäuber führt zu einem feineren Tröpfchennebel und einer kleineren Partikelgrößenverteilung. Die Schallwellen verbessern den Zerfall und die Dispersion des Metalls. Die Übertragung auf die industrielle Produktion ist jedoch schwierig.

Elektrodeninduktion Gaszerstäubung

Unmittelbar vor der Gaszerstäubung wird über eine Induktionsspule ein elektrischer Strom durch den geschmolzenen Metallstrom geleitet. Diese Induktionserwärmung bringt das Metall zum Sieden und bewegt es, wodurch gleichmäßigere und kugelförmigere Pulver entstehen. Sie ermöglicht die Kontrolle der Partikelgröße und -morphologie.

Die Wahl der richtigen Zerstäubungstechnik richtet sich nach der Legierung, den gewünschten Pulvereigenschaften, den Reinheitsanforderungen und dem Produktionsvolumen.

Eigenschaften von atomisierten Metallpulvern

Bei der Zerstäubung entstehen Pulver mit einzigartiger Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften, die ihre Leistungsfähigkeit bestimmen. Zu den wichtigsten Merkmalen gehören:

• Partikelgröße – Im Allgemeinen 10 – 150 μm. Kleinere Größen haben eine größere Oberfläche. Größere Größen packen besser und verformen sich beim Verdichten weniger.
• Partikelform Die Gaszerstäubung erzeugt hochgradig kugelförmige Partikel, die sich ideal zum Pulverpressen eignen. Mit Wasser zerstäubte Partikel sind eher unregelmäßig.
• Partikelgrößenverteilung – Engere Verteilungen ermöglichen eine maximale Pulverdichte beim Packen mit wenigen Hohlräumen.
• Zusammensetzung – Chemie und Mikrostruktur sind kontrollierbar. Eine schnelle Abkühlung führt häufig zu metastabilen Phasen, die nicht im Gleichgewicht sind.
• Reinheit – Die Zerstäubung mit Inertgas verhindert Oxidation. Spuren von Sauerstoff oder Stickstoff können Partikel verspröden.
• Fließfähigkeit Die sphärische Morphologie sorgt für ein hervorragendes Fließverhalten. Entscheidend für eine gleichmäßige Füllung der Matrizenhohlräume während der Verdichtung.
• Scheinbare Dichte – Höhere Dichten verbessern die Press- und Sintereigenschaften. Der Bereich reicht von 40-65% theoretischer Dichte.
• Zapfstellendichte – Nach mechanischem Klopfen/Aufrühren können Pulver >65% theoretische Dichte erreichen. Zeigt die Kompressibilität an.
• Hausner Ratio Niedrigere Verhältnisse (~1,25) zeigen, dass das Pulver bei der Verarbeitung leicht fließt. Hohe Verhältnisse (~1,4) deuten auf Kohäsion und schlechtes Fließen hin.

Diese Pulverqualitäten werden durch eine sorgfältige Steuerung des Zerstäubungsprozesses auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zugeschnitten.

Vorteile der Verwendung von atomisierten Metallpulvern

Atomisierte Metalle bieten mehrere wichtige Vorteile gegenüber anderen Ausgangsmaterialien für die Herstellung:

• Effiziente Produktion von hochbeständigen und konsistenten Teilen
• Weniger Ausschuss im Vergleich zu Metallbearbeitungsverfahren
• Ermöglicht kleine, komplexe Bauteilgeometrien
• Bereitstellung von Legierungszusammensetzungen, die sich nicht ohne Weiteres durch Barrenmetallurgie herstellen lassen
• Bieten Sie Flexibilität durch additive Fertigungsverfahren
• Ermöglicht ultrafeine Mikrostrukturen für verbesserte Eigenschaften
• führt zu gleichmäßigeren Mikrostrukturen in einem Teil
• Hervorragende Oberflächengüte, Dichte, Toleranz und Wiederholbarkeit
• Ermöglicht eine nahezu endkonturnahe Fertigung und minimiert die Bearbeitung
• Bereitstellung neuartiger metallischer Phasen im Nicht-Gleichgewichtszustand

Die einzigartigen Eigenschaften von atomisierten Metallen machen sie zum idealen Ausgangsmaterial für kritische Anwendungen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Elektronik-, Medizin- und Verteidigungsindustrie. Ihre Präzision und Leistung lassen sich mit herkömmlichen Metallverarbeitungsmethoden oft nicht erreichen.

Fortschritte bei der Herstellung von atomisiertem Metall

Jüngste Entwicklungen in der Zerstäubungstechnologie erweitern die Möglichkeiten und den Einsatz von Metallpulvern:

• Mikrowellenplasmabrenner können Metall über seinen Siedepunkt hinaus erhitzen, wodurch bei der Zerstäubung ultrafeine Nanopartikel unter 100 nm entstehen.
• Die kontrollierte Zerstäubung und Abkühlung ermöglicht die Herstellung von amorphen Metallpulvern mit hervorragenden Eigenschaften.
• Die Mehrdüsen-Gaszerstäubung erzeugt neuartige Partikelformen wie Hohlkugeln oder Flocken.
• Die dynamische Anpassung des Gasflusses verändert die Partikelgrößenverteilung und -morphologie im laufenden Betrieb.
• Die Ultrahochgeschwindigkeits-Beschleunigungszerstäubung stellt nanokristalline Verbundpulver her.
• Integrierte Zerstäubungs- und Sintersysteme senken die Kosten und verbessern die Qualität.
• Eine glatte Partikelbeschichtung während des Flugs durch Aufdampfen ermöglicht einen besseren Pulverfluss und eine bessere Packung.
• Die fortschrittliche Modellierung der Tröpfchenbildung und Erstarrung optimiert den Zerstäubungsprozess.
• Spezialdüsen ermöglichen die Zerstäubung von hochreaktiven Legierungen wie Aluminium und Magnesium mit minimaler Oxidation.

Kontinuierliche Forschung und Fortschritte bei der Herstellung von Metallpulver werden weitere Anwendungen und Möglichkeiten erschließen.

Wichtige Hersteller von atomisierten Metallpulvern

Die meisten zerstäubten Pulver werden von einigen wenigen großen Metallpulverherstellern produziert:

• Hoeganaes Corporation - Teil der GKN-Gruppe, größter Hersteller von Metallpulvern, breite Palette an zerstäubten Pulvern.
• Sandvik Osprey - Führende Pulver für die additive Fertigung, Spezialität: Nickelsuperlegierungen.
• Praxair Surface Technologies - Wichtiger Lieferant für die thermische Spritzindustrie, bietet kundenspezifische Legierungen.
• Hoganas - Wichtige Eisenpulver für PM-Teile, Spezialist für diffusionslegierte Stähle.
• Rio Tinto Metal Powders - Bedeutender Hersteller von Titan- und Speziallegierungspulvern.
• AMETEK Specialty Metal Products - Zerstäubte Stahl- und Kupferpulver in großen Mengen.
• CNPC Powder Group - Großer Hersteller von Aluminium- und Legierungspulvern.
• Mitsui Mining & Smelting - Japanischer Lieferant von Kupfer-, Eisen- und Zinnpulver.
• Bühler Group - Weltweit führender Anbieter von Druckguss- und Zerstäubungsanlagen.
• Makin Metal Powders (UK) Ltd – Großer Hersteller von Al-, Cr- und Ni-Superlegierungspulvern.

Die meisten dieser Unternehmen können Partikelgröße, -form und -chemie auf spezifische Bedürfnisse zuschneiden.

Herausforderungen bei zerstäubten Metallpulvern

Atomisierte Metalle haben zwar klare Vorteile, bringen aber auch einige Herausforderungen mit sich:

• Hohe Produktionskosten - Es werden teure Rohstoffe, Investitionsgüter und hochreine Inertgase benötigt.
• Begrenzte Größen verfügbar - Gaszerstäubung funktioniert am besten bei Pulvern von 25-150 μm. Für ultrafeine oder grobe Partikel sind andere Methoden erforderlich.
• Sauerstoffaufnahme - Durch Zerstäubung und Handhabung können Spuren von Sauerstoffverunreinigungen auftreten, insbesondere bei reaktiven Legierungen.
• Geringere Schüttdichten - Unregelmäßige Pulverformen verringern die maximale Dichte nach der Verdichtung.
• Staubgefahren - Feines Pulver birgt Explosions- und Inhalationsrisiken, die eine besondere Handhabung erfordern.
• Reinheit des Rohmaterials - Verunreinigungen und Einschlüsse können aus dem flüssigen Metall übertragen werden und die endgültigen Eigenschaften beeinträchtigen.
• Agglomeration - Partikelsatelliten und Agglomerate verringern die Fließfähigkeit des Pulvers.
• Porosität in Presslingen - Die dichteste Verpackung enthält immer noch mikroskopisch kleine Poren, in denen sich Verunreinigungen festsetzen können.
• Eigenspannungen - Rasche Abkühlung und Schrumpfung während der Erstarrung verursachen Spannungen in den Partikeln.
• Oxidation der Presslinge - Das Sintern muss unter Vakuum oder einer inerten Atmosphäre erfolgen, um Oxidation zu vermeiden.
• Maßänderungen - Eine Schrumpfung von 10-20 % während des Festkörpersinterns kann zu Verzug und Verwerfungen führen.

Diese Schwierigkeiten lassen sich zwar mit geeigneten Methoden der Pulverherstellung, -handhabung und -verarbeitung in den Griff bekommen, sind aber bei bestimmten pulvermetallurgischen Anwendungen nach wie vor ein Hemmnis.

Zukunftsaussichten für atomisierte Metallpulver

Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften eignen sich zerstäubte Metallpulver hervorragend für die Herstellung von Hochleistungskomponenten in praktisch allen Branchen. Mit fortgesetzter Forschung und Prozessverfeinerung werden atomisierte Metalle eine wachsende Rolle bei der Herstellung leichterer, stärkerer und komplexerer Metallteile spielen.

Schlüsseltrends, die die Zukunft von atomisierten Metallpulvern bestimmen werden:

• Wachsende Akzeptanz des 3D-Drucks aufgrund sinkender Kosten.
• Strengere Kontrolle der Partikelgröße und Partikelmodifikation zur Verbesserung der Pulverleistung.
• Entwicklung neuer hochfester Legierungen ausschließlich durch Pulvermetallurgie.
• Erweiterter Einsatz in biomedizinischen Komponenten wie Implantaten und Prothesen.
• Kontinuierliche Legierungsentwicklung für maßgeschneiderte Mikrostrukturen und Eigenschaften.
• Automatisierung und Vor-Ort-Zerstäubung zur Kostensenkung für Metall-AM-Anwender.
• Zerstäubung von Nanopartikeln für extrem feinkörnige und verbesserte Eigenschaften.
• Verstärkte Konzentration auf das Recycling von Metallpulvern.
• Multimetalldruck und Verbundwerkstoffe zur Erweiterung der verwendbaren Legierungen.
• Spezielle Oberflächenbeschichtungen zur Verbesserung der Pulvereigenschaften und der Sinterung.
• Hochreine Systeme, die gasförmige Verunreinigungen minimieren.

Atomisierte Metallpulver werden stärkere, leichtere, leistungsfähigere und komplexere Metallkomponenten ermöglichen. Laufende metallurgische und verfahrenstechnische Entwicklungen werden neue Möglichkeiten für die gesamte Fertigungsindustrie eröffnen.

FAQ

Welches sind die am häufigsten zerstäubten Metalle?

Die am häufigsten zerstäubten Metalle sind:

• Eisen- und Stahllegierungen wie rostfreier Stahl
• Kupfer und Kupferlegierungen wie Messing
• Aluminiumlegierungen einschließlich Aluminium-Silizium
• Superlegierungen auf Nickelbasis und Kobaltlegierungen
• Titan und Titanlegierungen

Was ist der typische Größenbereich von zerstäubten Pulvern?

Gaszerstäubte Pulver haben einen Durchmesser von etwa 10 bis 150 Mikrometer. Mit Wasser zerstäubte Pulver können einen Durchmesser von bis zu 3 Mikrometern erreichen. Mit speziellen Verfahren können Nanopartikel-Pulver mit einem Durchmesser von weniger als 1 Mikrometer erzeugt werden.

In welchen Branchen werden zerstäubte Metallpulver verwendet?

Zu den Schlüsselindustrien, in denen zerstäubte Metallpulver eingesetzt werden, gehören die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Elektronik, die Biomedizin, das Verteidigungswesen und die additive Fertigung. Die Pulver ermöglichen leichte, starke und komplexe Metallteile.

Was sind die wichtigsten Vorteile von gaszerstäubten Pulvern?

Gaszerstäubte Pulver haben eine kugelförmige Morphologie, die einen guten Fluss und eine gute Kompression während der Formverdichtung ermöglicht. Außerdem weisen sie eine geringe Sauerstoffkontamination auf.

Wie geht man sicher mit Metallpulvern um?

Bei Metallpulvern besteht Explosionsgefahr, daher sind bei der Handhabung Vorsichtsmaßnahmen zu treffen. Die Arbeiter tragen Atemschutzmasken, um ein Einatmen zu vermeiden. Das Pulver wird abgedeckt und versiegelt aufbewahrt, um Staubansammlungen zu vermeiden.

Warum werden inerte Gase wie Stickstoff zum Zerstäuben von Metallen verwendet?

Inerte Gase verhindern die Reaktion zwischen dem geschmolzenen Metall und der Luft, um eine Oxidation zu vermeiden. Stickstoff wird am häufigsten verwendet, da er billiger ist als Argon.

Was sind Metallspritzguss und Metallbindemittelstrahl-3D-Druck?

Bei beiden Verfahren werden zunächst grüne Teile aus Metallpulver geformt, das mit einem organischen Bindemittel vermischt ist. Das Bindemittel wird dann entfernt und die Pulver werden zu einem endgültigen, dichten Metallteil gesintert.

Wie werden Metallpulver recycelt?

Ungenutzte Metallpulver können mit neuen Pulvern gemischt oder direkt reatomisiert werden. Teile und 3D-gedruckte Komponenten werden häufig zerkleinert und zu Pulverrohstoff reatomisiert.

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