Wie werden Metallpulver hergestellt?

Metallpulver werden mit vier Hauptkategorien von Herstellungsverfahren produziert: Zerstäubung (physikalisch), Festkörperreduktion (chemisch), Elektrolyse und mechanische Zerkleinerung. Unter diesen Verfahren ist die Zerstäubung die vorherrschende Methode für moderne Hochleistungsanwendungen, bei der ein Strom geschmolzenen Metalls durch Hochdruckwasser- oder Gasstrahlen in feine Tröpfchen zerlegt wird. Bei der Festkörperreduktion wird Metalloxiden (in der Regel Eisen) auf chemischem Wege Sauerstoff entzogen, so dass ein schwammartiges Pulver entsteht. Bei der Elektrolyse wird elektrischer Strom verwendet, um hochreine Metallpulver aus einer Lösung abzuscheiden, was häufig bei Kupfer angewendet wird. Bei der mechanischen Zerkleinerung schließlich werden spröde Metalle oder Legierungen durch Mahlen oder Schleifen physikalisch zu Pulver zerkleinert. Das gewählte Herstellungsverfahren bestimmt die Partikelform (kugelförmig oder unregelmäßig), die Reinheit und die Dichte des Pulvers, was wiederum seine Eignung für nachgeschaltete Anwendungen wie 3D-Druck (AM), Metall-Spritzguss (MIM) oder Pressen und Sintern bestimmt.

Zerstäubungsmethode

Die Zerstäubung ist derzeit die beliebteste Technologie, vor allem in Branchen, in denen die Materialeigenschaften extrem wichtig sind, wie in der Luft- und Raumfahrt und bei der Herstellung medizinischer Geräte. Hierbei handelt es sich um ein physikalisches Verfahren, bei dem im Wesentlichen eine energiereiche Flüssigkeit auf den geschmolzenen Metallstrom trifft.

In der Praxis wird das "Aufprallmedium" in der Regel in zwei Kategorien eingeteilt, und die Anwendungsszenarien der beiden Kategorien sind sehr unterschiedlich:

• Gaszerstäubung: Bei diesem Verfahren wird der Metallstrom mit einem Inertgas (z. B. Stickstoff oder Argon) beschossen. Das fertige Produkt ist sehr schön - hochgradig kugelförmig mit einer glatten Oberfläche. Gerade weil die Partikel rund sind, machen ihre hohe Packungsdichte und ihr hervorragender Fluss Aerosol-Pulver meiner Erfahrung nach zum Industriestandard für die additive Fertigung (3D-Druck) und den Metallspritzguss (MIM). Wenn Sie ein Präzisionsstück drucken wollen, haben Sie keine andere Wahl, als dieses zu verwenden.
• Wasserzerstäubung: Hier wird ein Hochdruckwasserstrahl zur Behandlung von geschmolzenem Metall verwendet. Da die Abkühlungsgeschwindigkeit des Wassers zu hoch ist, verfestigen sich die Metallteilchen, bevor sie abgerundet werden können, so dass die Form sehr unregelmäßig und die Oberfläche rau ist. Obwohl die Fließfähigkeit nicht so gut ist wie bei aerosoliertem Pulver, ist dieser "Nachteil" meiner Meinung nach ein Vorteil - während des Pressvorgangs kann die unregelmäßige Form eine mechanische Verstopfung zwischen den Partikeln verursachen. Wenn Sie bei Press- und Sinteranwendungen Wert auf die "Grünfestigkeit" des Teils legen (d. h. die Festigkeit vor dem Sintern), ist wasserverdüstes Pulver daher die erste Wahl.

Festkörper-Reduktionsverfahren

Die Festkörperreduktion ist die chemische Methode. Jeder wird bei diesem Begriff im Grunde an die Herstellung von Eisenpulver denken. Anders als bei der Zerstäubungsmethode zum Schmelzen von Metall wird hier mit Feststoffen gearbeitet.

Der gesamte Prozess sieht in der Regel wie folgt aus:

• Aufbereitung des Rohmaterials: Das Erz wird zerkleinert und mit einem Reduktionsmittel (in der Regel Koks oder Holzkohle als Kohlenstoffquelle) vermischt.
• Reaktion: Das Gemisch wird in einem Ofen erhitzt, und die Temperatur wird unter den Schmelzpunkt von Eisen geregelt. Zu diesem Zeitpunkt begann das Reduktionsmittel zu arbeiten, der Sauerstoff im Eisenoxid "greift" weg.
• Das Ergebnis: Es bleibt eine poröse, schwammartige Struktur aus metallischem Eisen zurück. Nach dem Zerkleinern und Sieben dieses "Eisenschwamms" erhält man das Endprodukt.

Aus technischer Sicht hat diese poröse Struktur einen großen Vorteil: Sie kann Öl absorbieren. Daher eignet sich dieses Pulver besonders für die Herstellung von selbstschmierenden Lagern oder solchen, die eine hohe Kompressibilität der Bauteile erfordern.

Elektrolyse

Wenn das Projekt strenge Anforderungen an die Leitfähigkeit oder chemische Reinheit stellt, ist die Elektrolyse der einzige Ausweg. Diese Methode wird am häufigsten zur Herstellung von Kupferpulver verwendet.

Das Prinzip ist ähnlich wie bei der Galvanisierung, einfach ausgedrückt:

• Einstellung: Werfen Sie die Metallplatte (Anode) in die Elektrolysezelle, die die Metallsulfatlösung enthält.
• Abscheidung: Nach der Erregung löst sich das Metall auf der Anode auf, geht durch den Elektrolyten und wird auf der Kathode abgeschieden.
• Pulver: nach einer gewissen Zeit zu hinterlegen das Metall Schaben, Reinigen, Trocknen, Schleifen.

Das elektrolytische Pulver ist unter dem Mikroskop sehr charakteristisch, dendritisch (farnartig) und äußerst rein. Aus diesem Grund sind sie in elektronischen Anwendungen wie leitfähigen Tinten und Motorbürsten nahezu unersetzlich.

Mechanische Zerkleinerungsmethode

Die mechanische Zerkleinerungsmethode ist ein "heterogenes" Verfahren, bei dem feste Metalle rein durch mechanische Kraft zerkleinert werden. Diese Methode ist in der Regel für spröde Metalle (wie Beryllium, Antimon, Wismut) oder spröde Legierungen vorbehalten. Der Grund dafür ist einfach: Wenn Sie ein verformbares Metall zertrümmern, wird es nur abgeflacht und bricht nicht.

Zu den üblichen Mitteln gehören:

• Kugelfräsen: Ein Metallblock wird in eine rotierende Trommel geworfen und das Material mit harten Keramik- oder Stahlkugeln im Inneren zerkleinert.
• Schleifen: Verwenden Sie zum Schleifen hochbelastbare Schleifscheiben.

Um ehrlich zu sein, bereitet diese Methode Kopfzerbrechen: Es können leicht Verunreinigungen eingebracht werden (schließlich nutzt sich die Mahlkugel ab). Aber auch die aktuelle Technologie schreitet voran, z. B. das Hochenergie-Kugelmahlen (mechanisches Legieren), das verschiedene Materialien auf atomarer Ebene verschweißen und unterbrechen kann, um einige interessante Verbundpulver herzustellen.

Wie bestimmt der Herstellungsprozess die endgültige Anwendung?

Zu verstehen, "wie Metallpulver hergestellt wird", ist keine Empfehlung, sondern ein Hinweis darauf, dass das Herstellungsverfahren die physikalischen Eigenschaften des Pulvers - insbesondere die Form, Reinheit und Dichte der Partikel - direkt festlegt.

Sphärisches Pulver (aerosolisiert): Besonders geeignet für 3D-Druck und MIM. Die Kugel sorgt dafür, dass sich das Pulver flach ausbreitet und reibungslos fließt.

Unregelmäßiges/schwammiges Pulver (Wasserverdüsung/Festkörperreduktion): zum Sintern gepresst. Die raue Oberfläche ermöglicht es den Partikeln, sich gegenseitig zu "beißen", und die gepressten Teile fallen nicht leicht auseinander.

Dendritisches/hochreines Pulver (Elektrolyse): Im Hinblick auf hochwertige elektrochemische Anwendungen sind Reinheit und Leitfähigkeit nicht verhandelbar.

Ob es sich nun um die physikalische Gewalt der Zerstäubung und Zerkleinerung, die chemische Reaktion der Reduktionsmethode oder die elektrochemische Abscheidung der Elektrolyse handelt, das Wichtigste ist, die Leistung während des gesamten Prozesses zu sichern, um zu gewährleisten, dass die fertigen Metallteile nicht von der Kette fallen.

Autor ： Alex Miller

Mit über 17 Jahren Erfahrung in der Werkstofftechnik habe ich mich auf die Pulvermetallurgie spezialisiert. Ich vermittle professionelle Erkenntnisse darüber, wie Zerstäubungs- und Reduktionsprozesse die Metallpulver formen, die in der modernen additiven Fertigung und in industriellen Anwendungen verwendet werden.