Bei Metalllegierungspulvern handelt es sich um feinteilige Mischungen von Metallelementen, die, wenn sie konsolidiert werden, hochleistungsfähige Komponenten ergeben, die maßgeschneiderte mechanische, thermische, elektrische und korrosive Eigenschaften aufweisen, die in einzelnen Metallformen nicht verfügbar sind. In diesem Leitfaden werden Zusammensetzung, Herstellungsverfahren, Merkmale, Anwendungen, Spezifikationen und Vergleiche für weit verbreitete Nickel-, Aluminium-, Stahl- und Titanlegierungspulver beschrieben.
Überblick über Metalllegierungspulver
Bei der Legierung werden die vorteilhaften Eigenschaften von zwei oder mehr Metallen - die Festigkeit eines Metalls, die Korrosionsbeständigkeit eines anderen und die Hochtemperaturstabilität eines dritten Metalls - zu einer maßgeschneiderten Matrix kombiniert, die für bestimmte Anwendungen entwickelt wird.
Vorlegierte Metallpulver, die mit Eigenschaften wie:
- Inhärent hohe Festigkeit durch Ausscheidungen
- Thermische Stabilität unter Beibehaltung der Festigkeit bei hohen Temperaturen
- Langlebigkeit durch Oxidations- und Verschleißfestigkeit
- Biologische Unempfindlichkeit für die Sicherheit von Medizinprodukten
- Kontrollierte Partikelgröße/-form zur Unterstützung der fortschrittlichen Fertigung
- Konsolidiert zu Nettoformkomponenten, die die Bearbeitung minimieren
Die Pulvermetallurgie ermöglicht die Herstellung von kleinen Präzisionsteilen in großen Mengen für verschiedene Branchen.
Arten von Pulverzusammensetzungen aus Metalllegierungen
Zu den weit verbreiteten Varianten von Legierungspulver gehören:
Tabelle 1: Gängige Zusammensetzungen und Eigenschaften von Metalllegierungspulver
| Legierung | Elemente | Immobilien gehebelt | Anwendungen |
|---|---|---|---|
| Nickel-Legierungen | Ni, Cr, Fe, Nb usw. | Korrosions- und Hitzebeständigkeit | Luft- und Raumfahrt, Marine-Hardware |
| Aluminium-Legierungen | Al, Cu, Mg, Si usw. | Leichte Stärke | Autoteile, Zahnräder |
| Werkzeugstahl-Legierungen | Fe, Mo, Cr, V usw. | Härteerhaltung bei hohen Temperaturen | Strangpresswerkzeuge, Formen |
| Titan-Legierungen | Ti, Al, V, Cu usw. | Stärke + Biokompatibilität | Chirurgische Implantate, Luft- und Raumfahrt |
| Feuerfeste Legierungen | W, Mo, Ta, Nb usw. | Sehr hoher Schmelzpunkt | Militär, Weltraum, Kernkraft |
Maßgeschneiderte Kombinationen von Eisen, Aluminium und Titan mit Legierungselementen wie Chrom, Nickel, Kupfer usw. tragen dazu bei, die galvanische Verträglichkeit, den Magnetismus und die Leitfähigkeit für bestimmte Produktanforderungen zu optimieren.
Wichtige Produktionsmethoden für Legierungspulver
Tabelle 2: Überblick über die führenden Produktionswege für Legierungspulver im kommerziellen Maßstab
| Methode | Prozess | Merkmale |
|---|---|---|
| Gaszerstäubung | Inertes Gas bricht den geschmolzenen Metallstrom in feine Tröpfchen auf | Sphärische Pulver mit gleichmäßiger Verteilung |
| Wasserzerstäubung | Hochdruck-Wasserstrahl zersetzt Metallschmelze | Unregelmäßige Morphologie des Pulvers |
| Plasma-Zerstäubung | Plasma-Lichtbogen schmilzt Ausgangsmaterial in feinere Tröpfchen | Sehr feine, kugelförmige Pulver |
| Mechanisches Legieren | Wiederholtes Kaltschweißen und Zerbrechen von Pulverrohstoffen | Mehrere Legierungen nach Maß |
| Elektrolyse | Kontrollierbare geschichtete Metallablagerungen aus wässrigen Lösungen | Poröse unregelmäßige Pulver |
Die Gaszerstäubung ermöglicht die beste Kontrolle von Verunreinigungen und eignet sich für reaktive Legierungen wie Titan- und Aluminiumsorten. Die Wasserzerstäubung bietet höhere Durchsätze für kostenempfindliche Stahllegierungsmengen. Die Plasmazerstäubung erreicht Größen unter 20 Mikron.
Merkmale und Eigenschaften
Tabelle 3: Typische Eigenschaften von handelsüblichen Metalllegierungspulvern
| Eigentum | Merkmale |
|---|---|
| Zusammensetzung | Kundenspezifische Legierungen mit >2 Metallen möglich |
| Partikelgröße | Typische Größen von 15-150 Mikron |
| Partikelform | Unterschiedlich - kugelförmig, unregelmäßig, dendritisch |
| Dichte des Gewindebohrers | Legierungen haben eine höhere Abstichdichte von >3 g/cc, was die Verdichtung erleichtert. |
| Durchflussmengen | Beeinflusst die Streichfähigkeit; >25 s/50 g unterstützt die Schichtung |
| Scheinbare Dichte | Enge Verteilung verbessert die Konsistenz der Dichte |
| Komprimierbarkeit | Legierungen haben eine höhere Grün- und Sinterdichte |
| Durchlässigkeit | Abhängig vom magnetischen Zustand der fertigen Legierung |
| Härte | Legieren erhöht die Härtbarkeit gegenüber reinen Metallen |
Neben der chemischen Synthese spielt die Morphologie des Pulvers eine ebenso wichtige Rolle bei der Bestimmung des Konsolidierungsverhaltens und damit bei der erfolgreichen Anwendung von Pulverbettschmelz-, Binderstrahl- und Metallspritzgusstechnologien, bei denen frei fließende Eigenschaften entscheidend sind.
Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten von Metalllegierungspulver
Zu den wichtigsten Produktkategorien, bei denen Legierungspulver zum Einsatz kommen, gehören die erweiterten Möglichkeiten der individuellen Gestaltung, die bei herkömmlichen Knüppeln nicht möglich sind:
Tabelle 4: Die wichtigsten Anwendungsbereiche für Metalllegierungspulver
| Sektor | Anwendungen |
|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Zellenteilen, Getrieben |
| Automobilindustrie | Pleuelstangen, Getriebewellen |
| Medizinische | Zahnkronen, Implantate, Prothetik |
| Marine | Pumpenlaufräder, Propeller, Salzwasserrohre |
| Öl und Gas | Bohrloch-Kupplungen, Ventile, Ersatzteile für Bohrlöcher |
| 3D-Druck | Leichte Gitter, bionische Formen mit hoher Festigkeit |
Die maßgeschneiderte Ausgewogenheit von Härte, Korrosionsbeständigkeit und Maßgenauigkeit macht Legierungspulver attraktiv für die Herstellung kritischer rotierender Komponenten in den Bereichen Verteidigung, Raumfahrt, Biomedizin und Transportausrüstung.
Metall-Legierungspulver Spezifikationen
Die Zusammensetzung der Legierungspulver entspricht den zertifizierten Spezifikationen und gewährleistet eine zuverlässige Leistung.
Tabelle 5: Spezifikationen für Legierungspulver in den Bereichen Industrie, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung
| Legierung | Gemeinsame Spezifikationen |
|---|---|
| Nickel-Legierungen | AMS 4777, 4779 usw. |
| Stähle | Kundenspezifische H- und D-Werkzeugstahlmischungen |
| Aluminium | AMS 4010, AMS 4000-Serie usw. |
| Titan-Legierungen | AMS 7001, 7004 usw. |
| Kobalt-Legierungen | AMS 5887, ASTM B776 usw. |
Diese Spezifikationen schreiben akzeptable Testmethoden, Probenahmeverfahren, Akzeptanzkriterien und Protokolle für die Dokumentation von Pulverchargen vor.
Sowohl ASTM International als auch die einzelnen Hersteller definieren für kritische Anwendungen die entsprechende Größensortierung, chemische Analyse, Partikeleigenschaften sowie Grenzwerte für mechanische und physikalische Eigenschaften nach der Verfestigung.
Globale Anbieter und Preisinformationen
Tabelle 6: Führende internationale Hersteller von Legierungspulver und Preisspannen:
| Unternehmen | Legierungssorten | Preisspanne pro kg | |
|---|---|---|---|
| Höganäs | Stahl, Nickel | $5-15 | |
| Sandvik | Fischadler | Titan, Nickel, Kobalt | $50-150 |
| Schreiner | Titan, Kobalt, Stahl | $40-100 | |
| Praxair | Nickel, Stahl, Kobalt | $15-60 | |
| ATI-Pulvermetalle | Titan, Nickel, Eisen | $30-90 |
Die Preise sind abhängig von den Anforderungen an die Produktzertifizierung, den Abnahmemengen, der Art der Zusammensetzung und dem Grad der Verfeinerung der Zerstäubung bei der Pulverherstellung und Nachbearbeitung.
Pro und Kontra im Vergleich
Tabelle 7: Vor- und Nachteile im Vergleich zu Guss- oder Schmiedemetallgegenstücken
| Vorteile | Benachteiligungen |
|---|---|
| Vielseitiger | Zusätzliche Schritte für die Konsolidierung erforderlich |
| Ausgezeichnete Einheitlichkeit | Geringere Zähigkeit ohne HIP |
| Komponenten anpassbar | Maximale Größe begrenzt |
| Weniger Abfall bei der Nettoformgebung | Gegenwärtig höhere Kosten |
| Flexibilität bei der Wärmebehandlung | Herausforderungen bei der Oberflächenbearbeitung |
Für komplexe oder integrierte Multimaterialkonstruktionen, die in kleineren Mengen hergestellt werden, wie orthopädische Kniegelenke, bei denen Polymere und Metalllegierungen zusammen verwendet werden, bietet die Bereitschaft zur additiven Fertigung schnellere und kostengünstigere Möglichkeiten.
Häufig gestellte Fragen
F: Welchen Vorteil hat die Verwendung von vorlegiertem Pulver gegenüber dem separaten Mischen von Elementpulvern?
Die Vorlegierung gewährleistet die Einheitlichkeit der gewünschten chemischen Zusammensetzung im gesamten xyz-System, verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die Leistung der Komponenten von Charge zu Charge schwankt, und verhindert Schwankungen, die durch unsachgemäße Mischungsverhältnisse verursacht werden.
F: Welche Konsolidierungsverfahren verwandeln Legierungspulver in feste Komponenten?
Zu den wichtigsten Verfahren gehören Sintern, Metallspritzguss, heißisostatisches Pressen und additive Fertigungstechniken wie Laser-Pulverbettfusion mit anschließender Infiltration. Die Wahl hängt von der Branche, der Produktgröße, den Komplexitätsanforderungen und der Wirtschaftlichkeit ab.
