Pulver aus Nickellegierung bezieht sich auf pulvermetallurgische Formen verschiedener Nickelbasislegierungen. Diese Pulver können mit Hilfe von Pulverkonsolidierungstechniken wie heißisostatischem Pressen und Metallspritzguss zu fertigen Komponenten verarbeitet werden. Pulver aus Nickellegierungen zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturleistung und andere spezielle Eigenschaften aus.
Arten von Nickellegierungspulvern
Nickellegierungen sind komplexe Werkstoffe mit präzisen Zusammensetzungen, die auf die Erzielung bestimmter Eigenschaften zugeschnitten sind. Zu den gebräuchlichsten Nickellegierungspulverarten gehören:
| Legierung | Nickelgehalt | Andere Legierungen | Wichtige Eigenschaften |
|---|---|---|---|
| Superlegierungen auf Nickelbasis | Über 50% | Chrom, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Aluminium, Titan | Hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit |
| Rostfreie Stähle | 8-32% | Eisen, Chrom, Molybdän | Korrosionsbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit |
| Legierungen mit geringer Ausdehnung | 36-50% | Eisen, Chrom, Kobalt | Äußerst geringe thermische Ausdehnung |
| Magnetische Legierungen | Bis zu 79% | Eisen, Molybdän | Hohe Permeabilität und Sättigungsmagnetisierung |
| Widerstandslegierungen | 10-30% | Chrom, Aluminium, Kupfer | Hoher elektrischer Widerstand |
Pulver aus Nickellegierungen umfassen ein breites Spektrum an Zusammensetzungen, je nach den gewünschten Materialeigenschaften. Die Anpassung des Mikrogefüges ist entscheidend.
Produktionsmethoden für Pulver aus Nickellegierungen
Es gibt mehrere Verfahren zur Herstellung von Nickellegierungspulver für den industriellen Verbrauch:
- Zerstäubung - Geschmolzene Legierungen strömten in einen Hochdruck-Gasstrom und erstarrten rasch zu Pulver
- Elektrolyse - Wässriges elektrolytisches Verfahren zur direkten Gewinnung von Pulvern aus Platten
- Carbonyl-Verfahren - Exposition gegenüber Kohlenmonoxidgas bei niedrigen Temperaturen/Drucken
Die Zerstäubung ist die gebräuchlichste Methode, die höhere Mengen und niedrigere Produktionskosten ermöglicht. In der nachstehenden Tabelle sind einige Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren zur Herstellung von Nickellegierungspulver aufgeführt:
| Methode | Vorteile | Benachteiligungen |
|---|---|---|
| Zerstäubung | Höhere Produktionsraten, niedrigere Kosten | Geringere Kontrolle über die Morphologie des Pulvers |
| Elektrolyse | Gute chemische Homogenität | Langsame Produktionsrate |
| Carbonyl | Höchste Reinheit | Begrenzte Legierungen, geringere Dichte |
Die Kontrolle der Partikelgrößenverteilung, der Morphologie, des Oxidgehalts und der Mikrosauberkeit sind ebenfalls wichtige Qualitätsaspekte bei der Herstellung.
Zusammensetzung des Nickellegierungspulvers
Wie bereits erwähnt, enthalten Nickellegierungen Nickel und verschiedene andere Elemente, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Hier sind einige typische Zusammensetzungen:
Nickel-Superlegierungen
| Element | Gewicht % |
|---|---|
| Nickel | 50-80% |
| Chrom | 10-25% |
| Aluminium | 0-6% |
| Titan | 0-5% |
| Kobalt | 0-15% |
| Molybdän | 0-12% |
| Wolfram | 0-12% |
| Eisen | 0-10% |
Edelstahl-Pulver
| Element | Gewicht % |
|---|---|
| Nickel | 8-32% |
| Chrom | 11-27% |
| Molybdän | 0-6% |
| Mangan | 0-2% |
| Silizium | 0-1% |
| Stickstoff | 0-0.25% |
| Eisen | Bilanz |
Legierungen mit geringer Ausdehnung
| Element | Gewicht % |
|---|---|
| Nickel | 34-38% |
| Eisen | 39-41% |
| Chrom | 19-23% |
| Kobalt | 12-15% |
Die Gewichtsprozentsätze können selbst innerhalb derselben Legierungsfamilie erheblich variieren, um Versionen mit spezifisch ausgerichteten Eigenschaften zu schaffen.
Merkmale von Nickellegierungspulvern
Zu den wichtigsten Merkmalen von Nickellegierungspulvern gehören:
- Partikelgröße: Typischerweise 10 - 45 Mikrometer
- Morphologie: Sphärische, satellitenförmige, unregelmäßige Formen
- Scheinbare Dichte: Bis zu 65% Schüttdichte der Legierung
- Fließfähigkeit: Auswirkungen auf das Formfüllverhalten
- Oxidgehalt: Beeinflusst Konsolidierung und Eigenschaften
- Mikro-Sauberkeit: Vorhandensein von Hohlräumen, Rissen oder Einschlüssen
Die Kontrolle dieser Pulvereigenschaften durch eine optimierte Herstellung ist für die Konsistenz nachgelagerter Pulververarbeitungsmethoden von entscheidender Bedeutung.
Anwendungen von Pulver aus Nickellegierungen
Pulver aus Nickellegierungen werden in allen Branchen eingesetzt, in denen Hochleistungswerkstoffe mit speziellen Eigenschaften benötigt werden:
Nickel-Superlegierungen
- Turbinenschaufeln
- Brennkammern von Raketentriebwerken
- Kernreaktoren
- Chemische Verarbeitungsanlagen
Edelstahl-Pulver
- Pumpen und Ventile
- Schiffskomponenten
- Ausrüstung für die Lebensmittelverarbeitung
- Chirurgische Instrumente
- Ausrüstung zum Mischen
Legierungen mit geringer Ausdehnung
- Präzisionsinstrumente
- Optische Spiegel und Halterungen
- Elektronik-Verpackungen
- Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt
Magnetische Legierungen
- Magnetkerne
- Magnetische Sensoren
- Stellantriebe
- Elektrische Motoren
Widerstandslegierungen
- Heizelemente
- Widerstände
- Thermoelemente
- Batteriekomponenten
Pulver aus Nickellegierungen ermöglichen kleine, komplexe Bauteile mit überlegenen Eigenschaften im Vergleich zu Knetformen.
Verfestigungsmethoden für Nickellegierungspulver
Zu den gängigen Verfahren zur Verfestigung von Nickellegierungspulvern zu festen Teilen gehören:
- Metall-Spritzgießen (MIM): Bindemittel mit Pulver gemischt, geformt, dann entbindert und gesintert
- Heiß-Isostatisches Pressen (HIP): Anwendung von hoher Hitze und isostatischem Druck zur Verdichtung von Pulver
- Additive Fertigung: 3D-Drucktechniken wie Binder Jetting und gerichtete Energiedeposition
MIM ermöglicht die Herstellung großer Mengen kleiner, komplexer Geometrien zu niedrigen Kosten. HIP bietet nahezu volle Dichte und Nettoformergebnisse. Additive Verfahren bieten die größte Gestaltungsfreiheit.
Jedes Konsolidierungsverfahren hat seine eigenen empfohlenen Pulvereigenschaften für optimale Ergebnisse:
| Prozess | Ideale Partikelgröße | Morphologie | Scheinbare Dichte |
|---|---|---|---|
| Metall-Spritzgießen | 10-20 Mikrometer | Sphärisch | Über 50% |
| Heiß-Isostatisches Pressen | 15-45 Mikrometer | Unregelmäßig | Über 40% |
| Additive Fertigung | 15-45 Mikrometer | Sphärisch | Über 40% |
Spezifikationen für Nickellegierungspulver
Pulver aus Nickellegierungen in Industriequalität müssen die Zusammensetzungsgrenzen und Qualitätskriterien gemäß verschiedenen internationalen Spezifikationen erfüllen:
| Standard | Beschreibung |
|---|---|
| ASTM B168 | Unlegierte Nickel-Pulversorten |
| AMS 2249 | Nickellegierung Pulversorten |
| ISO 4490 | Gaszerstäubte Pulver |
| ASTM B214 | Klassifizierungssystem |
| ISO 22068 | Spezifikationen für MIM-Pulver |
Diese Normen helfen bei der Festlegung von Grenzwerten für die chemische Zusammensetzung, des zulässigen Gehalts an Verunreinigungen/Einschlüssen, der erwarteten Partikelgrößenverteilung, der scheinbaren Dichte und anderer kritischer Parameter, die die Leistung erheblich beeinflussen.
Lieferanten von Nickellegierungspulvern
Zu den weltweit führenden Anbietern von verschiedenen Nickellegierungspulvern gehören:
| Unternehmen | Wichtige Produkte | Produktionskapazität | Preisgestaltung |
|---|---|---|---|
| VDM Metalle | Nickel-Superlegierungen, Legierungen mit geringer Ausdehnung | 10.000 Tonnen pro Jahr | $50+ pro kg |
| Sandvik Fischadler | Nichtrostende Stähle, martensitaushärtende Stähle | 15.000 Tonnen pro Jahr | $12-$40 pro kg |
| Hoganas | Nichtrostende Stähle, magnetische Legierungen | 25.000 Tonnen pro Jahr | $5-$25 pro kg |
| AMETEK | Widerstandsheizungs-Legierungen | 7.000 Tonnen pro Jahr | $30-$100 pro kg |
| CNPC-Pulver | Nickel-Superlegierungen | 5.000 Tonnen pro Jahr | $150+ pro kg |
Die Preise richten sich nach der Komplexität der Legierung, den Pulvereigenschaften, der verwendeten Produktionsmethode, dem Bedarf an kundenspezifischen Anpassungen sowie der Marktnachfrage/Kapazität.
Vorteile von Nickellegierungspulvern
Die wichtigsten Vorteile der Verwendung von Nickellegierungspulvern anstelle von Knetprodukten:
- Herstellung kleiner, komplexer Bauteilgeometrien
- Netznahe Form mit minimalem Verschnitt
- Feine Gefüge aus schneller Erstarrung
- Komponenten mit hervorragenden Eigenschaften
- Ermöglicht den sparsamen Einsatz von teuren Materialien
- Vereinfacht die Verarbeitung von schwer zu bearbeitenden Legierungen
- Komponenten können in Massenproduktion hergestellt werden
- Palette der Konsolidierungsmethoden
Pulvermetallurgische Verfahren machen sonst nicht herstellbare Konstruktionen möglich.
Grenzen von Nickellegierungspulvern
Einige Nachteile, die mit Nickellegierungspulvern verbunden sind:
- Pulverherstellungsmethoden können energie- und ressourcenintensiv sein
- Konsolidierte Eigenschaften in Abhängigkeit von mehreren Pulvermerkmalen
- Geringere Duktilität und Bruchzähigkeit als bei Knetformen
- Begrenzte Größen/Volumina im Vergleich zu gegossenen/geschmiedeten Methoden
- Eine Nachbearbeitung kann erforderlich sein, um die endgültigen Teilespezifikationen zu erreichen.
- Porosität in fertigen Bauteilen bei unsachgemäßer Konsolidierung
- Erfordert spezielle Ausrüstung und fachmännische Handhabung
Die einzigartigen Eigenschaften und die geometrische Flexibilität von Nickellegierungspulvern machen sie jedoch zu einem unverzichtbaren fortschrittlichen Werkstoff in vielen Technologiebereichen.
Forschung zu Nickellegierungspulvern
Laufende Forschungsarbeiten zielen auf die Erweiterung der Möglichkeiten und neue Anwendungen von Nickellegierungspulvern ab:
- Entwicklung von Legierungen - neue Zusammensetzungen für verbesserte Hochtemperaturfestigkeit, Verschleißfestigkeit usw.
- Neuartige Verfestigungsmethoden - Mikrowellensintern, Plasmaverdichtung usw. für eine schnellere Verarbeitung
- Nanokristalline Pulver - Für extrem feine Mikrostrukturen und fortschrittliche Eigenschaften
- Funktional abgestufte Materialien - Abgestufte Zusammensetzung/Strukturen innerhalb von Bauteilen
- Metallmatrix-Verbundwerkstoffe - Verstärkung von Nickellegierungen mit Karbiden/Keramiken
- Topologieoptimierung - Generierung organischer, bionischer Formen mit AM-Techniken
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, die Grenzen zu erweitern und durch disziplinübergreifende Forschung und Entwicklung neue Technologien für Nickellegierungspulver zu entwickeln. Staatliche Stellen wie die EU und die USA haben spezielle Förderprogramme eingeführt, um die Entwicklung von Innovationszentren für Pulvermetallurgie zu beschleunigen.
Konstruktion von Bauteilen aus Nickellegierungspulver
Bei der Verwendung von Nickellegierungspulvern zur Herstellung von Bauteilen für den Endverbraucher sind mehrere konstruktive Überlegungen erforderlich:
Allgemeine Gestaltungsrichtlinien
- Optimieren Sie die Wandstärke und vermeiden Sie dramatische Veränderungen
- Filets in scharfen Ecken einbeziehen
- Hohe, isolierte Merkmale minimieren
- Prüfen Sie die minimalen Entformungswinkel für den gewählten Prozess
- Befolgen Sie die empfohlenen Geometrien der Konsolidierungsmethode
- Berücksichtigung von Nachbearbeitungsschritten in den Dimensionen
MIM-spezifische Beratung
- Gesamtlänge unter 50 mm halten
- Einheitliche Wandstärken verwenden
- Einschließlich Füllköpfe und Heißkanalkanäle
- Achten Sie auf den Verschleiß von Stahlwerkzeugen mit abrasiven Pulvern
AM-spezifische Anhaltspunkte
- Keine geometrischen Beschränkungen! Werden Sie wild.
- Verwendung von Gitterstrukturen und organischen Formen
- Anforderungen an die Tragstruktur beachten
Bei der Konstruktion von Bauteilen müssen sowohl die Besonderheiten der Pulververfestigungstechniken als auch die beabsichtigte Funktionalität berücksichtigt werden.
Sicherheitsmaßnahmen für Pulver aus Nickellegierungen
Die Handhabung von Nickellegierungspulvern erfordert bestimmte Vorsichtsmaßnahmen:
- Geeignete PSA verwenden - Handschuhe, Atemschutzmasken, Schutzbrillen nach Bedarf
- Angemessene Belüftung und Staubabsaugung sicherstellen
- Verhinderung der Pulverexposition während der Konsolidierung
- Entflammbarkeitseinstufungen beachten - einige Pulver sind pyrophor
- Verschmutzungen sofort mit geeigneten Reinigungsmethoden eindämmen
- Gemäß den örtlichen Umweltvorschriften entsorgen
Jegliche Produktions- oder Forschungstätigkeiten mit Nickellegierungspulver sollten umfassende Risikobewertungen umfassen und alle erforderlichen Systeme zur angemessenen Minderung von Gesundheits-, Explosions- und Umweltgefahren einschließen. Das Personal muss ausreichend für die sichere Handhabung geschult werden.
FAQ
F: Welche Partikelgröße von Nickellegierungspulver ist für die additive Fertigung am besten geeignet?
A: Sphärische Pulver mit einer Größe von 15-45 Mikrometern eignen sich für die meisten AM-Verfahren, um ein Gleichgewicht zwischen Verteilbarkeit, Fließfähigkeit und hoher Dichte zu erreichen. Mit feineren Pulvern von 10-25 Mikrometern können feinere Merkmale aufgelöst werden, wenn der spezifische AM-Prozess dies zulässt.
F: Warum sollte man sich beim Metallspritzguss für die Herstellung mit Nickellegierungspulvern entscheiden?
A: MIM ermöglicht die Großserienfertigung komplexer Bauteile mit guter Maßgenauigkeit und Oberflächengüte. Die der Legierung innewohnenden Eigenschaften bleiben dabei gut erhalten. Das Verfahren ist kostengünstig für kleine, komplizierte Teile aus Nickellegierungen.
F: Wie werden Pulver aus Nickellegierungen kugelförmig?
A: Bei der Inertgaszerstäubung werden die Prinzipien der schnellen Erstarrung durch sanfte Flüssigkeitszerfallmechanismen genutzt, die durch Gasströmungsturbulenzen vermittelt werden, um weitgehend kugelförmige Pulverpartikel mit guten Fließeigenschaften zu erzeugen.
F: Was sind gängige Anwendungen für Nickellegierungen mit geringer Ausdehnung?
A: Präzisionsinstrumente, optische Spiegel, Elektronikverpackungen, Strukturen für die Luft- und Raumfahrt, Strahlungsabschirmungen, thermische Isolationsverbindungen, Verbundwerkstoffe mit niedrigen WAK-Anforderungen verwenden Nickellegierungen mit kontrollierter Ausdehnung.
F: Warum ist die Fließfähigkeit eine wichtige Eigenschaft von Nickellegierungspulver?
A: Pulver müssen sich gleichmäßig ausbreiten und schnell und vollständig in die Formhohlräume fließen, um Defekte zu vermeiden. Prüfverfahren wie die Hall-Fließrate helfen dabei, dieses Verhalten zu quantifizieren, das sich auf die Konsolidierung und die Eigenschaften auswirkt.
