Übersicht
Pulver aus Siliziumlegierungen sind Werkstoffe, die in erster Linie aus Silizium und Legierungselementen wie Eisen, Aluminium, Magnesium, Kupfer und Nickel bestehen. Silizium hat wertvolle halbleitende Eigenschaften, ist aber in seiner reinen Form spröde. Wenn es mit anderen Metallen in Pulverform kombiniert wird, erhalten Siliziumlegierungen eine höhere Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit, Hochtemperaturleistung und andere verbesserte Eigenschaften, während die nützlichen elektrischen Eigenschaften erhalten bleiben.
Pulver aus Siliziumlegierungen werden zur Herstellung von Präzisionskomponenten, Werkzeugen und Verschleißteilen durch pulvermetallurgische Verfahren wie Metallspritzguss, heißisostatisches Pressen, additive Fertigung und Sintern verwendet. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören der Automobilsektor, die Luft- und Raumfahrt, die Elektronik und der Industriemaschinenbau. Pulver aus Siliziumlegierungen bieten einen wirtschaftlichen und flexiblen Ansatz zur Herstellung komplizierter oder netzförmiger Komponenten mit maßgeschneiderten metallurgischen Eigenschaften.
Dieser Leitfaden bietet einen detaillierten Überblick über die verschiedenen Arten von Siliziumlegierungspulvern, ihre Zusammensetzung, Eigenschaften, Produktionsmethoden, Anwendungen und Lieferanten. Er enthält mehrere Tabellen, in denen die Parameter der verschiedenen Siliziumlegierungen verglichen und die wichtigsten Spezifikationen zusammengefasst werden. Der Leitfaden soll Ingenieuren, Produktdesignern, Beschaffungsmanagern und Forschern helfen, Siliziumlegierungspulver zu verstehen und die optimale Sorte für ihre Produktionsanforderungen auszuwählen.
Arten von Pulver aus Siliziumlegierungen
Es gibt viele binäre, ternäre und höherwertige Legierungsvarianten aus Silizium und metallischen Elementen. Zu den gängigsten Siliziumlegierungspulverarten gehören:
Siliziumlegierungspulver-Typen
| Legierung | Primäre Elemente | Wichtige Eigenschaften | Gemeinsame Anwendungen |
|---|---|---|---|
| Ferrosilizium | Eisen, Silizium | Hohe Härte, Magnetismus | Automobilindustrie, Elektronik |
| Silumin | Aluminium, Silizium | Leicht, stark | Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie |
| Silicast | Aluminium, Silizium, Magnesium | Abriebfestigkeit, geringe Dichte | Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie |
| Kovar | Eisen, Nickel, Kobalt, Silizium | Wärmedehnungsausgleich mit Glas | Elektronik-Verpackungen |
| CuSil | Kupfer, Silizium | Elektrische Leitfähigkeit, Schmierfähigkeit | Elektronik, Bürsten |
| Nichrom | Nickel, Chrom, Silizium | Hitze- und Korrosionsbeständigkeit | Heizelemente |
Pulver aus Ferrosiliziumlegierungen
Ferrosiliziumlegierungen enthalten unterschiedliche Verhältnisse von Eisen und Silizium, manchmal mit geringen Zusätzen von Kohlenstoff oder Magnesium. Zu den wichtigsten Merkmalen gehören:
- Hohe Härte und Festigkeit
- Pyrophore Eigenschaften aufgrund des Eisengehalts
- Weniger spröde als reines Silizium
- Verwendung in der Pulvermetallurgie, bei Schweißstäben und Batterieanoden
Typische Zusammensetzungen sind FeSi 75, FeSi 90, FeSiMg mit einem Siliziumgehalt zwischen 15 % und 90 % im Verhältnis zum Eisen. Kleinere Siliziumpartikel in einer Eisenmatrix verbessern den Magnetismus.
Silumin-Legierungspulver
Silumine sind Legierungen aus Aluminium und Silizium mit einer typischen Zusammensetzung von 5-20 % Si und einem ausgewogenen Verhältnis von Al. Die Eigenschaften umfassen:
- Geringe Dichte, aber hohe Festigkeit
- Gute Gießbarkeit und Bearbeitbarkeit
- Verwendung in Komponenten für die Automobil- und Luftfahrtindustrie
Häufig werden Kornfeinungsmittel wie Titan oder Bor hinzugefügt. Silumine bieten eine leichte Metalllegierungsoption.
Silicast-Legierungspulver
Silikate sind ternäre Legierungen, die Aluminium, Silizium und Magnesium enthalten. Wichtige Eigenschaften:
- Geringe Dichte, aber hohe Härte und Verschleißfestigkeit
- Gehaltsbereiche von Si (4-15%), Mg (0,5-5%) und Rest Al
- Verwendet für Hochleistungskolben und Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt
Silicast-Legierungen werden wegen ihrer Verschleißeigenschaften in Verbindung mit der geringeren Dichte im Vergleich zu Eisenlegierungen geschätzt.
Kovar-Legierungspulver
Kovar ist eine siliziumhaltige Nickel-Kobalt-Eisenlegierung, die dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Borosilikatglas entspricht. Es hat:
- Zusammensetzung: Fe 54%, Ni 29%, Co 17%, Si 0,5%
- Dichtes, gleichmäßiges Gefüge
- Ausgezeichneter Verbund mit Glas, Keramik
- Verwendet für Glas-Metall-Dichtungen in Elektronikverpackungen
Der Siliziumgehalt in Kovar ermöglicht es, das Ausdehnungsverhalten von Glas über einen weiten Temperaturbereich zu erreichen.
CuSil-Legierungspulver
CuSil-Legierungen kombinieren 70-97% Kupfer mit 1,5-15% Silizium. Die Eigenschaften umfassen:
- Behält die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Kupfer bei.
- Verbesserte Schmierfähigkeit und Verschleißfestigkeit
- Verwendet für Bürsten, Schweißelektroden und Hochstromkontakte
Silizium erhöht die Härte und mechanische Festigkeit im Vergleich zu reinem Kupfer.
Nichrom-Legierungspulver
Nichrom bezieht sich auf Nickel-Chrom-Legierungen mit Zusätzen von Silizium oder Aluminium bis zu 5 %. Es bietet:
- Ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen
- Hoher elektrischer Widerstand für Heizelemente
- Beibehaltung der mechanischen Festigkeit bei erhöhter Temperatur
Nichrome-Siliziumqualitäten bieten verbesserte Fließeigenschaften, die für die Pulververarbeitung geeignet sind.
Herstellung von Siliziumlegierungspulvern
Siliziumlegierungspulver werden mit ähnlichen Techniken wie andere Metallpulver hergestellt:
- Zerstäubung
- Wasserzerstäubung sprüht geschmolzene Legierung ins Wasser
- Die Gaszerstäubung verwendet Inertgasdüsen
- Erzeugt kugelförmige Pulver, die sich optimal zum Pressen eignen
- Mechanisches Fräsen
- Kugelmahlen oder Attritor-Mahlen
- Unregelmäßige Pulverformen und breite Größenverteilungen
- Elektrolytische Abscheidung
- Elektrolytische Beschichtung einer Kathode mit Legierungspulver
- Sehr feine Pulvergrößen möglich
- Chemische Reduktion
- Reduktion von Silizium und Metallsalzen zu Legierungspulver
- Kostengünstig, wird für die Ferrosiliziumproduktion verwendet
- Plasma-Zerstäubung
- Verwendung eines Plasmabrenners zur Erzeugung von ultrafeinen Metallpulvern
- Saubere, inerte Prozessumgebung
- Nanoskalige oder mikroskalige Partikel
Die Legierungspulver werden auf die gewünschten Korngrößenbereiche gesiebt und können durch Glühen, Schmieren oder Beschichten weiterverarbeitet werden.
Eigenschaften von Pulver aus Siliziumlegierungen
Siliziumlegierungen weisen je nach Zusammensetzung und Mikrostruktur eine breite Palette an physikalischen, mechanischen, thermischen, elektrischen, magnetischen und chemischen Eigenschaften auf.
Eigenschaften von Siliziumlegierungspulver
| Eigentum | Auswirkungen | Messung |
|---|---|---|
| Partikelgröße | Sinterverhalten, kompakte Dichte | Laserbeugung, Siebung |
| Partikelform | Fließfähigkeit des Pulvers, Pressdichte | Mikroskopie, Bildanalyse |
| Zusammensetzung der Legierung | Mechanische Festigkeit, Leitfähigkeit, Magnetismus | Induktiv gekoppeltes Plasma, Röntgenfluoreszenz |
| Scheinbare Dichte | Verdichtbarkeit, Pressdichte | Hall-Durchflussmesser, Scott-Volumenzähler |
| Zapfstellendichte | Komprimierbarkeit, Formfülldichte | ASTM B527 |
| Durchflussmenge | Pulverhandling, Fülldichte | Hall-Durchflussmesser |
| Thermische Stabilität | Sinterverhalten, Mikrogefüge | Differential-Scanning-Kalorimetrie |
| Sauerstoffgehalt | Bedarf an Sinteratmosphäre | Analyse der Inertgasfusion |
| Magnetische Permeabilität | Für weichmagnetische Compacts | Hysteresisgraph, BH analyzer |
Der Siliziumanteil beeinflusst die Festigkeit, Sprödigkeit, den elektrischen Widerstand und die thermischen Eigenschaften. Legierungselemente sorgen für unterschiedliche Eigenschaften: Aluminium für die Festigkeit, Nickel für den Magnetismus usw.
Pulvermorphologien wie gaszerstäubte sphärische Formen bieten eine maximale Dichte, während unregelmäßig gemahlene Partikel das Pressverhalten verbessern.
Die scheinbare Dichte zeigt das Verdichtungsverhalten an. Hall-Fließrate und Carr-Index korrelieren mit den Fließeigenschaften des Pulvers beim Pressen. Thermische Analysatoren ermitteln potenzielle Festkörper-Sintertemperaturen.
Anwendungen von Siliziumlegierungspulvern
Dank ihrer einstellbaren physikalischen, mechanischen und elektromagnetischen Eigenschaften werden Pulver aus Siliziumlegierungen in vielen Branchen zur Herstellung von Fertigteilen und Komponenten verwendet.
Wichtigste Anwendungen von Siliziumlegierungen
| Industrie | Anwendungsbeispiele | Gewünschte Eigenschaften |
|---|---|---|
| Automobilindustrie | Zahnräder, Kolben, Motorteile | Hohe Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit |
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Strukturteile | Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Kriechfestigkeit |
| Elektronik | Magnetkerne, Verpackungen, Kontakte | Elektrische Leitfähigkeit, weichmagnetisches Verhalten |
| Industriell | Schneidwerkzeuge, Matrizen, Lager | Härte, Bruchzähigkeit, Schmierfähigkeit |
| Ordnungsamt | Eindringkörper, Munitionskisten | Dichte, Duktilität, Schlagzähigkeit |
| Chemisch | Ventile, Pumpen, Reaktoren | Korrosionsbeständigkeit, Verhalten bei hohen Temperaturen |
Pulvermetallurgische Verfahren ermöglichen die Herstellung von netzförmigen oder nahezu netzförmigen komplizierten Bauteilen, die nicht ohne weiteres durch Gießen oder maschinelle Bearbeitung hergestellt werden können.
In der Automobilindustrie werden unter anderem Motorkomponenten verwendet, die extremen Drücken und Temperaturen ausgesetzt sind. Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt erfordern leichte Hochleistungslegierungen.
Elektrische Kontakte basieren auf Kupfer-Silizium-Legierungen, die Leitfähigkeit mit mechanischer Beständigkeit verbinden. Industrielle Werkzeuge und Matrizen nutzen die Härte- und Verschleißeigenschaften von Ferrosilizium oder Siliziumgusslegierungen.
Mit Siliziumlegierungspulvern lassen sich physikalische, chemische, thermische, elektrische und magnetische Eigenschaften einstellen, die mit einzelnen Metallpulvern nicht erreicht werden können.
Spezifikationen von Siliziumlegierungspulvern
Pulver aus Siliziumlegierungen sind nach verschiedenen nationalen und internationalen Standardspezifikationen erhältlich, in denen der Partikelgrößenbereich, der zulässige Gehalt an Verunreinigungen, die Legierungszusammensetzung und andere sortentypische Parameter festgelegt sind.
Spezifikationen für Siliziumlegierungspulver
| Legierung | Anwendbare Normen | Partikelgröße | Scheinbare Dichte | Durchflussmenge |
|---|---|---|---|---|
| Ferrosilizium | ASTM A483 | -150 +400 Maschen | 2,5-3,1 g/cc | 25-35 s/50g |
| Silumin | EN 1706 | -325 Maschen | 1,5-2,2 g/cc | 35-45 s/50g |
| Silicast | DIN 1718 | 10-45 Mikrometer | 2,8-3,2 g/cc | 28-32 s/50g |
| Kovar | JIS Z 3265. | -270 Maschen | 4,8-5,2 g/cc | 22-28 s/50g |
| CuSil | QSIL051 | -325 Maschen | 3,2-4,1 g/cc | 30-40 s/50g |
| Nichrom | AMS 7759 | 10-50 Mikrometer | 4,2-4,8 g/cc | 26-32 s/50g |
Schlüsselkriterien wie Partikelgrößenverteilung, Fließgeschwindigkeit, Schüttdichte und Zusammensetzungsbereiche helfen bei der Bestimmung der Anwendungseignung.
Internationale Normungsorganisationen und Berufsverbände wie ASTM, ISO, DIN, JIS, AMS und AWS pflegen Spezifikationen für Metallpulver, die die wichtigsten Legierungen abdecken.
Die Spezifikationen helfen bei der Qualitätskontrolle während der Herstellung und bieten den Kunden eine wiederholbare Pulverleistung.
Lieferanten von Siliziumlegierungspulver
Viele große Metallpulverhersteller bieten Standard- und kundenspezifische Pulverzusammensetzungen aus Siliziumlegierungen an, die sich zum Pressen, Sintern, Metallspritzguss, zur additiven Fertigung und zum thermischen Spritzen eignen.
Lieferanten von Siliziumlegierungspulver
| Anbieter | Angebotene Silizium-Legierungen | Produktionskapazität | Preisgestaltung |
|---|---|---|---|
| Hoganas | Ferrosilizium, Nichrom, Silicast | 50.000 Tonnen/Jahr | $$/kg |
| CNPC-Pulver | Ferrosilizium, CuSil, Kovar | 30.000 Tonnen/Jahr | $/kg |
| Guizhou Zhenhua | Ferrosilizium | 10.000 Tonnen/Jahr | $/kg |
| Vale Metals | Silumin, Nichrom | 20.000 Tonnen/Jahr | $$/kg |
| Metallpulver Indien | Ferrosilizium, Silumin | 5.000 Tonnen/Jahr | $/kg |
| JFE-Stahl | Silikast, Kovar | 35.000 Tonnen/Jahr | $$/kg |
Die Preisgestaltung hängt von der Legierungszusammensetzung, der Partikelgröße, dem Reinheitsgrad, der Bestellmenge und dem geografischen Standort ab. Rechnen Sie damit, dass Sie für hochentwickelte Legierungen, die in kritischen Anwendungen eingesetzt werden, mehr bezahlen müssen als für herkömmliche Ferrosiliziumqualitäten.
Die Wahl des richtigen Siliziumlegierungspulver
Die Auswahl des optimalen Siliziumlegierungspulvers erfordert die Abstimmung der Zusammensetzung und der Pulvereigenschaften auf Ihren Herstellungsprozess und die Leistungsanforderungen an das Endprodukt.
Zu den wichtigsten Auswahlkriterien gehören:
- Zusammensetzung der Legierung – Bestimmt physikalische, mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften
- Größe und Form der Partikel – Auswirkungen auf den Pulverfluss und die verdichtete Dichte
- Scheinbare Dichte und Klopfdichte – Bezieht sich auf das Pressverhalten und die Grünfestigkeit
- Merkmale der Strömung – Wichtig für die automatisierte Pulververarbeitung
- Reinheitsgrade – Beeinflusst die endgültigen Eigenschaften und das Mikrogefüge
- Kostenfaktoren – Rohstoffe, Produktionsverfahren, Qualitätsstandards
Arbeiten Sie frühzeitig mit den Pulverherstellern zusammen, um die Auswahl geeigneter Legierungen und Pulver, die für Ihr Verfahren optimiert sind, einzugrenzen. Es kann sein, dass mehrere Optionen die technischen Anforderungen erfüllen, also konzentrieren Sie sich auf die Maximierung des Wertes.
FAQ
Hier finden Sie Antworten auf einige häufig gestellte Fragen zu Siliziumlegierungspulvern:
Was sind die Hauptvorteile von Siliziumlegierungen gegenüber reinen Metallen?
Siliziumlegierungen behalten die gewünschten elektrischen Eigenschaften wie Leitfähigkeit oder Halbleitereigenschaften bei und verbessern gleichzeitig die mechanische Leistung. Die Legierung erhöht die Härte, Festigkeit, thermische Stabilität und Verschleißfestigkeit im Vergleich zu reinem Silizium oder anderen unedlen Metallen.
Wie hängen die Eigenschaften von Ferrosilicium vom Siliciumgehalt ab?
Wenn der Siliciumgehalt in Ferrosiliconen von 15 % Si auf 90 % Si ansteigt, nimmt die Härte zu, aber auch die Sprödigkeit. Auch der elektrische Widerstand steigt mit höherem Siliziumgehalt drastisch an. 75 % Si stellen einen guten Kompromiss zwischen Magnetismus, Duktilität und Härte dar.
Welche Pulvergröße wird für das Metallspritzgießen empfohlen?
Für die meisten Legierungssysteme bietet ein Pulvergrößenbereich von 10 bis 25 Mikrometern ein optimales Fließverhalten bei der Bindung sowie eine optimale Partikelpackung und Sinterdichte. Feinere Pulver verbessern die Grünfestigkeit, beeinträchtigen aber das Fließverhalten.
Wie kommt es zu einer geringeren Schüttdichte im Vergleich zur Klopfdichte bei Pulvern?
Die unter Vibration gemessene Klopfdichte spiegelt den dichtesten erreichbaren Packungszustand wider, während die scheinbare Dichte Hohlräume zwischen den Partikeln enthält, die die Packungseffizienz verringern. Unregelmäßige, kantige Pulvermorphologien weisen eine größere Lücke zwischen scheinbarer und Klopfdichte auf.
Wie unterscheiden sich Kupfer- und Nickelsilikone von Ferrosilikonen?
CuSil- und NiSi-Legierungen zeichnen sich durch die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Kupfer und Nickel gegenüber den isolierenden Eigenschaften von Eisen aus. Dies macht sie für Anwendungen wie Bürsten und Kontakte, die eine Kombination aus metallurgischen und leitfähigen Eigenschaften erfordern, besonders geeignet.
Was ist der Vorteil der Gaszerstäubung gegenüber dem mechanischen Fräsen?
Bei der Gaszerstäubung entstehen kugelförmige, fließende Pulver, die sich für die automatische Formfüllung eignen, während beim Fräsen unregelmäßige Partikel mit höherer Grünfestigkeit entstehen. Gaszerstäubte Pulver haben ein geringeres R:G-Dichteverhältnis, weisen aber eine bessere Sintergleichmäßigkeit auf.
Schlussfolgerung
Siliziumlegierungspulver ermöglichen hochleistungsfähige Metallkomponenten mit elektrischen, magnetischen und technischen Eigenschaften, die mit reinen Metallen nicht zu erreichen sind. Durch die Auswahl der optimalen Zusammensetzung, der Pulvereigenschaften und des Herstellungsprozesses können Ingenieure Komponenten mit einzigartigen Fähigkeiten und Werten entwickeln. Die Vielseitigkeit von Siliziumlegierungen wird auch in Zukunft Fortschritte und Innovationen in allen Branchen vorantreiben.