Metallvernebelung ist ein Verfahren, mit dem feines Metallpulver für verschiedene industrielle Anwendungen hergestellt wird. Dieser umfassende Leitfaden enthält alles, was Sie über die Metallzerstäubungstechnologie wissen müssen.
Überblick über die Metallzerstäubung
Bei der Metallzerstäubung wird ein geschmolzener Metallstrom mit Hilfe eines Hochgeschwindigkeitsgasstrahls in sehr feine Tröpfchen zerlegt. Die Tröpfchen verfestigen sich schnell zu Pulverpartikeln in einer Größe von 5 bis 150 Mikrometern.
Zu den wichtigsten Aspekten des Zerstäubungsprozesses gehören:
- Schmelzen von Metall in einem Schmelztiegel
- Gießen des geschmolzenen Metalls in einen Verteiler
- Erzeugung eines dünnen Stroms geschmolzenen Metalls
- Einwirkung von Hochdruckgasdüsen auf den Strom
- Zerkleinern des Metalls in feine Tröpfchen
- Verfestigung der Tröpfchen zu Pulverpartikeln
- Sammeln des Pulvers
Die Zerstäubung ermöglicht die Herstellung von Metallpulvern mit präziser Kontrolle über Partikelgröße, Form, Chemie und Mikrostruktur. Die Pulver können dann in Anwendungen wie der additiven Fertigung von Metallen, dem thermischen Spritzen von Beschichtungen und dem Metallspritzguss verwendet werden.
Die wichtigsten Vorteile der Metallzerstäubung
| Nutzen Sie | Beschreibung |
|---|---|
| Ausgezeichnete Pulvereigenschaften | Die Zerstäubung erzeugt ein hochwertiges Pulver mit kugelförmiger Morphologie und feiner Korngröße |
| Breite Palette von Legierungen | Die meisten Metalle und Legierungen können zerstäubt werden, darunter Stähle, Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan usw. |
| Kontrolle der Pulvereigenschaften | Die Parameter des Zerstäubungsprozesses können variiert werden, um Größe, Form, Oxidation und Mikrostruktur des Pulvers anzupassen. |
| Hohe Pulverausbeute | Über 90 % des geschmolzenen Metalls wird in verwertbares Pulver umgewandelt |
| Kosteneffizienz | Geringere Kosten als andere Methoden der Pulverherstellung |
| Skalierbarkeit | Die Produktionskapazität der Zerstäubung kann leicht erhöht oder verringert werden |
Arten von Metallzerstäubungsanlagen
Es gibt zwei Haupttypen von Zerstäubungssystemen: Gaszerstäubung und Wasserzerstäubung. Die Wahl hängt von Faktoren wie Legierungseigenschaften, Pulverspezifikationen und Produktionskapazität ab.
Gaszerstäubung
Bei der Gaszerstäubung wird der geschmolzene Metallstrom durch Hochgeschwindigkeitsstrahlen eines Inertgases wie Stickstoff oder Argon zerkleinert.
Merkmale:
- Produziert hochsphärische, saubere Pulver, die sich ideal für AM-Anwendungen eignen
- Geringere Sauerstoffaufnahme im Vergleich zur Wasserzerstäubung
- Geeignet für reaktive Legierungen wie Titan und Aluminium
- Feinere Pulvergrößen bis zu 5 Mikrometern
- Höhere Gasdurchsätze führen zu feineren Pulvern
- Geringere Gasabkühlungsraten führen zu gröberen Korngrößen
Beschränkungen:
- Die Kapital- und Betriebskosten sind höher
- Komplexere Systeme mit Infrastruktur für die Gasförderung
- Niedrigere Pulverproduktionsraten
Wasserzerstäubung
Bei der Wasserzerstäubung wird der geschmolzene Metallstrom durch Hochdruckwasserstrahlen aufgebrochen.
Merkmale:
- Einfache und kostengünstige Zerstäubungstechnik
- Hohe Pulverproduktionsraten über 1000 kg/Stunde
- Größere Tröpfchengrößen führen zu Pulver über 150 Mikron
- Schnelle Wasserabschreckung führt zu sehr feinen Korngrößen
- Höhere Sauerstoffaufnahme im Vergleich zur Gaszerstäubung
- Unregelmäßige Pulverformen und Satellitenpartikel
- Nicht geeignet für reaktive Legierungen wie Titan
Beschränkungen:
- Schlechtere Pulvermorphologie und höherer Sauerstoffgehalt
- Gröbere Pulvergrößen machen es für AM ungeeignet
- Erforderliche Wasseraufbereitung für Abwässer
- Begrenzt auf Legierungen mit niedrigerem Schmelzpunkt
Zerstäuber-Designs
Der Zerstäuber ist die Schlüsselkomponente, die die Gas- oder Wasserstrahlen erzeugt, um den geschmolzenen Metallstrom während der Zerstäubung aufzulösen. Es werden verschiedene Zerstäuberkonstruktionen verwendet:
Simplex-Düse
- Einzelne gerade Strahldüse
- Zerstäubung mit Drallströmung
- Wirtschaftliches Design
- Größere Pulvergrößen
Mehrere Düsen
- Mehrere Düsen in kreisförmiger Anordnung
- Verbesserte Zersetzung von Metallströmen
- Feinere und einheitlichere Pulvergrößen
- Höhere Produktionsraten
Eng gekoppelte Düse
- Die Düsen sind sehr nahe am Strom des geschmolzenen Metalls positioniert
- Intensiver Gasstrahlschlag für sehr feine Pulver
- Ermöglicht die reaktive Zerstäubung von Legierungen
- Niedrigere Produktionsraten
Rotierende Elektrode
- Spinnerelektrode aus Metalldraht
- Zentrifugalkräfte erzeugen dünne Bänder aus geschmolzenem Metall
- Umgeben von Gas- oder Wasserdüsen
- Sehr feine und gleichmäßige Pulver
- Hohe Komplexität und Wartung
Prozessparameter der Metallzerstäubung
Die Eigenschaften und die Qualität von zerstäubten Metallpulvern können durch die Optimierung der Prozessparameter gesteuert werden:
Gasdurchflussraten
- Eine Erhöhung der Gasströmungsgeschwindigkeit führt zu einer feineren Pulvergröße
- Verbessert auch die Sphärizität des Pulvers und reduziert Satellitenpartikel
- Sehr hohe Durchflussraten verringern jedoch die Pulverausbeute
Metallstrom-Durchflussraten
- Höhere Metallflussraten steigern die Produktivität
- Kann aber zu gröberen Pulvern und unregelmäßigen Formen führen
- Optimieren Sie die Metalldurchflussmenge auf der Grundlage der Zerstäuberleistung
Düsendesign
- Größe des Düsenhalses und Anzahl der Düsen bestimmen den Gasstrahldruck
- Kleinere Düsengrößen sorgen für höhere Gasgeschwindigkeiten bei feineren Pulvern
Schmelze Überhitzung
- Höhere Temperaturen der Metallschmelze verringern die Viskosität
- Ermöglicht die Zerkleinerung in feinere Pulverfraktionen
- Eine übermäßige Überhitzung erhöht jedoch die Oxidation des Materials.
Metal Filtration
- Filter entfernen Einschlüsse aus geschmolzenem Metall
- Reduziert Defekte wie Satelliten und Unregelmäßigkeiten
- Verbessert Fließfähigkeit und Packungsdichte des Pulvers
Zerstäubungsatmosphäre
- Vakuum oder Inertgasatmosphäre reduziert die Sauerstoffaufnahme
- Minimiert die Oxidation des Pulvers, insbesondere bei reaktiven Legierungen
Quench Rate
- Schnellere Abkühlungsraten bei feineren Körnern im Pulver
- Wasserabschreckung erzeugt sehr feine Mikrostrukturen
- Die Gasabkühlung ist langsamer, was zu gröberen Körnern führt.
Anwendungen der Metallzerstäubung
Zerstäubte Metallpulver finden in einer Vielzahl industrieller Fertigungsprozesse Verwendung:
Additive Fertigung von Metall
- Sphärische Pulver mit guter Fließfähigkeit sind ideal für AM
- Ermöglicht die Herstellung komplexer, netzförmiger Metallteile
- Pulverbett- und gerichtete Energiedepositionsverfahren
Metall-Spritzgießen (MIM)
- Feine Edelstahl- und Aluminiumpulver für MIM
- Pulvermetallurgisch hergestellte hochkomplexe und netzförmige Bauteile
- Automobil-, Elektronik- und medizinische Anwendungen
Thermische Spritzschichten
- Abscheidung von verschleißfesten und korrosionsbeständigen Beschichtungen
- Hartauftragsschichten für die spanende Bearbeitung und den Bergbau
- Wärmedämmschichten auf Turbinenschaufeln
Pulvermetallurgie
- Press- und Sinterverfahren zur Herstellung von P/M-Teilen
- Weit verbreitet für Automobilkomponenten wie Zahnräder
- Hohe Produktivität und Netzformfähigkeit
Hartlötende Zusatzwerkstoffe
- Verbinden von Metallen durch Hartlöten
- Zerstäubte Hartlötpulver als Zusatzwerkstoff
- Verwendung in Wärmetauschern für Kraftfahrzeuge
Metallpulverspritzgießen
- Herstellung von kleinen, komplexen Metallteilen
- Kombination von Kunststoffspritzguss und Pulvermetallurgie
- Anwendungen in der Elektronik und bei medizinischen Implantaten
Spezifikationen von Metallzerstäubungspulvern
Zerstäubte Metallpulver zeichnen sich je nach Verwendungszweck durch unterschiedliche physikalische, chemische und mikrostrukturelle Eigenschaften aus.
| Parameter | Typische Werte | Testmethoden |
|---|---|---|
| Partikelgröße | 5 bis 150 μm | Laserbeugung, Siebanalyse |
| Partikelform | Sphärizität > 0.9 | Bildanalyse |
| Chemie | Zusammensetzung der Legierung ± 0,5% | ICP-OES, LECO-Analyse |
| Sauerstoffgehalt | <600 ppm | Inertgasfusion |
| Scheinbare Dichte | 40 bis 60 % der tatsächlichen Dichte | Hall-Durchflussmesser |
| Zapfstellendichte | 60 bis 80 % der tatsächlichen Dichte | ASTM B527 |
| Durchflussmenge | <25 s/50 g | Hall-Durchflussmesser |
| Restliche Gase | H, O, N < 100 ppm | LECO-Analyse |
| Mikrostruktur | Feine, äquiaxiale Körner | SEM, optische Mikroskopie |
Konstruktionsstandards für Zerstäubungssysteme
Konstruktion, Installation und Betrieb des Metallzerstäubungssystems müssen den geltenden Normen, Vorschriften und Richtlinien entsprechen:
- ASME Boiler and Pressure Vessel Code – Für die Konstruktion von Druckbehältern
- NFPA 86 – Norm für Industrieöfen und Öfen
- ANSI Z49.1 – Sicherheit beim Schweißen und Schneiden
- OSHA 1910 – Sicherheitsvorschriften am Arbeitsplatz
- Normen für lokale Abluftanlagen
- Abwasserleitlinien für die Wasserzerstäubung
- ISO 9001 – Qualitätsmanagementsysteme
Alle Geräte wie Tiegel, Verteiler, Zerstäuber und Gasverteiler müssen auf Zuverlässigkeit und Sicherheit ausgelegt sein. Angemessene Schutzausrüstung und Schulung der Bediener.
Lieferanten von Metallzerstäubungsanlagen
Es gibt viele Ausrüstungslieferanten, die komplette Zerstäubungssysteme und Komponenten entwickeln, bauen und installieren:
| Anbieter | Standort | Technologie | Kapazität | Kosten |
|---|---|---|---|---|
| Phoenix Scientific | USA | Gas-, Wasserzerstäubung | 10 – 10.000 kg/Std. | $$ |
| PSI Ltd. | UK | Gaszerstäubung | 1 – 1000 kg/Stunde | $$$ |
| Burleson Technologies Inc. | USA | Eng gekoppelte Düse | 1 – 20 kg/Stunde | $$$$ |
| ALD-Vakuumtechnologien | Deutschland | Zerstäubung der Elektroden | 5 – 50 kg/Stunde | $$$ |
| Cremer Furnace Co. | Deutschland | Wasserzerstäubung | 500 – 5000 kg/Stunde | $$ |
Die Kosten für Zerstäubungssysteme reichen von 100.000 $ für Labor-/Pilotanlagen bis zu über 2 Millionen $ für große Produktionssysteme. Standort, Kapazität, Funktionen und Automatisierung bestimmen die Installationskosten.
Installation und Betrieb
Die Metallzerstäubung erfordert für einen reibungslosen Betrieb umfangreiche Versorgungseinrichtungen und Infrastrukturen:
- Inertgasversorgung – Stickstoff, Argon
- Wasserversorgung und -aufbereitung
- Elektrische Systeme – hohe Kapazität, Backup
- Entlüftung – Funkenfänger, Schlauchfilter
- Materialhandhabung – Tiegel, Transferbehälter
- Kontrolle und Instrumentierung
- Sicherheitssysteme – Gasdetektoren, Brandbekämpfung
Vor der Inbetriebnahme muss eine gründliche Kontrolle durchgeführt werden, bevor das Gerät in Betrieb genommen wird:
- Druckprüfungen an Gasleitungen und Behältern
- Überprüfung der Elektrik, Lüftung und Steuerung
- Überprüfung des Sicherheitssystems
- Trockenübungen zur Bestätigung des Materialflusses
- Schulung des Personals zu den Verfahren
Während des Betriebs werden Parameter wie Temperatur, Druck und Durchfluss kontinuierlich überwacht und gesteuert. Die Größe und Morphologie des produzierten Pulvers wird analysiert, um den Prozess zu optimieren. Die Abwässer werden vor der Einleitung oder Wiederverwendung behandelt.
Wartungsanforderungen
Die regelmäßige Wartung gewährleistet die Verfügbarkeit und Langlebigkeit von Zerstäubungssystemen:
- Inspektionen von Behältern und Rohrleitungen auf Verschleiß und Lecks
- Ersatz von beschädigten/erodierten Teilen wie Düsen
- Überholung von Schlammpumpen, Ventilen und Instrumenten
- Neuauskleidung von Geräten, die mit geschmolzenem Metall in Berührung kommen
- Kontrolle von Heizungen, Thermoelementen und Systemsteuerungen
- Reinigung der Funkenfalle in der Lüftungsanlage
- Wartung von Wasseraufbereitungsanlagen
Eine ordnungsgemäße Wartung senkt das Risiko von Lecks, Verstopfungen und elektrischen Problemen. Außerdem werden ungeplante Ausfallzeiten minimiert und die Pulverqualität verbessert.
Wie man einen Lieferanten für Zerstäubungsanlagen auswählt
Die Wahl des richtigen Anbieters von Zerstäubungssystemen ist entscheidend für den Erhalt von Hochleistungsgeräten. Im Folgenden sind die wichtigsten Faktoren aufgeführt, die bei der Auswahl zu berücksichtigen sind:
- Nachgewiesene Erfahrung – Anzahl der erfolgreichen Installationen und Jahre der Geschäftstätigkeit
- Technisches Fachwissen – Legierungsspezifisches Know-How, kontinuierliche Verbesserungen
- Personalisierung – Flexibilität zur Anpassung des Systems an Ihre Anforderungen
- Verlässlichkeit – Hohe Betriebszeit, Qualitätskomponenten
- Service nach dem Verkauf – Wartungsverträge, Bedienerschulung, Upgrades
- Operative Unterstützung – Einfache Verfügbarkeit von Ersatzteilen und Servicetechnikern
- Kosten – Angemessene Preise für Funktionen, Kapazität und Automatisierung
- Einhaltung der Vorschriften – Einhaltung von Sicherheitsnormen, Vorschriften
- Referenzen – Feedback von bestehenden Kunden
Bewertung der Lieferanten anhand der oben genannten Parameter durch Gespräche, Besuche vor Ort und Prüfung der Angebote. Geben Sie Faktoren wie Sicherheit, Zuverlässigkeit und Support Vorrang vor den niedrigsten Kosten.
Vorteile und Beschränkungen der Metallzerstäubung
Die Metallverdüsung hat mehrere Vorteile, die sie zu einer beliebten Methode der Pulverherstellung machen:
Vorteile
- Ausgezeichnete Kontrolle über die Pulvereigenschaften
- Hohe Ausbeute von bis zu 95 % Umwandlung des Metalls
- Automatisierter, kontinuierlicher Betrieb mit hohen Raten
- Geringere Kosten als bei alternativen Technologien
- Breite Anwendbarkeit – geeignet für die meisten Legierungen
- Skalierbare Produktionskapazität
- Gleichbleibende Pulverqualität und -zusammensetzung
- Sphärische Pulver ideal für AM-Prozesse
- Feinabstimmung der Pulvereigenschaften durch Anpassung der Prozessparameter
Beschränkungen
- Hohe Kapitalinvestitionen erforderlich
- Zusätzliche Infrastruktur für Gas, Wasser, Strom
- Komplexe Systeme erfordern spezialisierte Bediener
- Beschränkungen bei hochreaktiven Legierungen
- Geringere Abstichdichten als bei gaszerstäubtem Material
- Sekundäre Verarbeitung wie Siebung erforderlich, um Pulverfraktionen zu isolieren
- Qualifikationsprüfungen für neue Legierungspulver erforderlich
- Nicht geeignet für Kleinserienproduktion
Gaszerstäubung vs. Wasserzerstäubung
Zwischen der Gaszerstäubung und der Wasserzerstäubung gibt es mehrere Unterschiede:
| Parameter | Gaszerstäubung | Wasserzerstäubung |
|---|---|---|
| Kapitalkosten | Hoch | Niedrig |
| Betriebskosten | Hoch | Niedrig |
| Abkühlungsrate | Slow | Sehr hoch |
| Oxygen Pickup | Niedrig | Hoch |
| Morphologie des Pulvers | Hochgradig kugelförmig | Unregelmäßig, Satelliten |
| Größe des Pulvers | Sehr fein, 5 – 45 μm | Gröber, bis zu 150 μm |
| Kompatibilität der Legierungen | Die meisten Legierungen | Begrenzt, niedriger Schmelzpunkt |
| Produktivität | Unter | Höher |
| Anwendungen | AM, MIM | Thermisches Spritzen, P/M |
Die Gaszerstäubung ist mit höheren Kosten verbunden, führt aber zu Pulvern von besserer Qualität, die sich für AM eignen. Die Wasserzerstäubung ist eine einfachere und billigere Technik, aber die Pulver haben einen höheren Sauerstoffgehalt und eine schlechtere Form.
FAQs
Wozu dient die Metallzerstäubung?
Die Metallzerstäubung wird zur Herstellung von feinen und kugelförmigen Legierungspulvern verwendet. Diese Pulver werden in der additiven Fertigung, beim thermischen Spritzen, beim Pulverspritzguss und anderen pulvermetallurgischen Anwendungen eingesetzt.
Welche Metalle können zerstäubt werden?
Die meisten technischen Legierungen wie Stahl, Aluminium, Titan, Nickel, Kupfer und deren Legierungen können erfolgreich verdüst werden. Einige reaktive Legierungen wie Titan erfordern kontrollierte Atmosphären.
Was ist der Unterschied zwischen Gas- und Wasserzerstäubung?
Bei der Gaszerstäubung wird ein Inertgasstrahl verwendet, um das Metall in feine Tröpfchen zu zerlegen. Dabei entstehen kugelförmige Pulver mit geringerem Sauerstoffgehalt. Bei der Wasserzerstäubung werden Wasserstrahlen mit höherem Druck verwendet, was zu höheren Produktionsraten führt, aber die Pulver haben eine höhere Sauerstoffaufnahme.
Welche Partikelgrößen können mit der Zerstäubung erreicht werden?
Durch Gaszerstäubung können sehr feine Pulvergrößen bis zu 5 Mikron erzeugt werden, während durch Wasserzerstäubung gröbere Pulver über 150 Mikron entstehen. Die Pulvergröße wird durch die Prozessparameter gesteuert.
Wie hoch ist die typische Produktionsrate der Zerstäubung?
Gaszerstäuber im Labor- und Pilotmaßstab haben geringere Produktionsraten im Bereich von 1-10 kg/Std. Wasserzerstäuber mit hoher Kapazität können über 1000 kg/h Pulver produzieren.
In welchen Branchen werden zerstäubte Metallpulver verwendet?
Die wichtigsten Abnehmerbranchen sind die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Medizintechnik, die Elektronik sowie die Öl- und Gasindustrie. Die Pulver werden zur Herstellung fertiger Komponenten durch additive Fertigung, Metallspritzguss und thermisches Spritzen verwendet.
Wie viel kostet ein Zerstäubungssystem?
Die Kosten für Zerstäubungssysteme beginnen bei etwa 100.000 $ für Geräte im Labormaßstab, aber Produktionssysteme mit hoher Kapazität können über 2 Millionen $ kosten. Die Kosten hängen von der Kapazität, den Funktionen, der Automatisierung und der Zusatzausrüstung ab.
Welche Sicherheitsvorkehrungen sind bei der Zerstäubung erforderlich?
Bei der Zerstäubung wird mit geschmolzenem Metall, Hochdruckgasen und Wasser gearbeitet. Die Bediener müssen umfassend geschult werden und benötigen eine geeignete Schutzausrüstung. Sicherheitssysteme für Gasdetektion, Brandbekämpfung, elektrische Isolierung und Notbelüftung sind von entscheidender Bedeutung.