Alles, was Sie über Pulvermetallurgie wissen müssen

Pulvermetallurgie ist einer der wichtigsten Kurse, die Maschinenbauingenieure kennen müssen. Produkte aus diesem Material sind bei uns weit verbreitet, insbesondere Autoteile. Die Pulvermetallurgie umfasst eine Familie von Produktionstechnologien, die zur Herstellung von Komponenten verschiedener Art verwendet werden. Außerdem ist Pulvermetallurgie, abgekürzt als PM, ein Begriff, der ein breites Spektrum an Möglichkeiten umfasst, wie Materialien oder Komponenten aus Metallpulvern hergestellt werden.

Heute lernen Sie Definition, Bedeutung, Arten, Verfahren, Anwendung sowie Vor- und Nachteile der Pulvermetallurgie in unserem modernen Leben kennen.

Was ist Pulvermetallurgie?

Die Pulvermetallurgie ist ein Herstellungsverfahren, das zur Herstellung von fertigen oder halbfertigen Gegenständen verwendet wird. Dies erfolgt durch Verpressen des Metallpulvers in geeignete Matrizen. Dieser metallurgische Prozess ist einer der billigsten, der eine hohe Qualität und Festigkeit bietet. Es wird auch verwendet, um komplexe Formen mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu erhalten. Aus diesem Grund ist das Verfahren für die Massenproduktion geeignet. Die Pulvermetallurgie umfasst hauptsächlich vier grundlegende Schritte, die die Pulverherstellung, das Mischen und Mischen, das Kompaktieren und das Sintern umfassen. All dies wird in diesem Artikel näher erläutert.

Die Pulvermetallurgie ist ein Prozess, der seit mehr als 100 Jahren existiert, also im letzten Vierteljahrhundert. Es ist eine überlegene Methode zur Herstellung hochwertiger Teile für verschiedene wichtige Anwendungen. Das Verfahren war erfolgreich, da es größere Vorteile gegenüber anderen Metallumformungsverfahren wie Schmieden und Metallgießen usw. bietet. Diese Vorteile umfassen unter anderem ferner die Materialausnutzung, die Formkomplexität und die endformnahe Dimensionskontrolle. Aus diesem Grund wurde die Pulvermetallurgie als grüne Technologie anerkannt.

Darüber hinaus wird die Pulvermetallurgie verwendet, um einzigartige Komponenten herzustellen, die durch Schmelzen oder Formen unmöglich zu erhalten sind. Ein sehr ähnliches wichtiges Produkt ist Wolframcarbid (WC). Es wird zum Schneiden und Formen anderer Metalle verwendet und wird aus mit Kobalt gebundenen WC-Partikeln hergestellt. Dieses Verfahren wird hauptsächlich in der Industrie für Mautgebühren verschiedener Art verwendet und weltweit werden ~50.000 Tonnen/Jahr (t/Jahr) von PM hergestellt.

Anwendungen der Pulvermetallurgie

Nachfolgend sind die Anwendungen von Pulvermetallurgie-Komponenten in verschiedenen Bereichen aufgeführt.

Die Automotive-Anwendungen

Etwa 80 % der pulvermetallurgischen Teile sind für Automobilanwendungen bestimmt. Etwa 75 % dieser Komponenten sind für Automatik- und Handschaltgetriebe sowie Motorteile bestimmt. Diese Getriebeanwendungen umfassen Synchronsystemteile, Kupplungsnaben, Schaltkomponenten, Planetenradträger, Turbinennaben, Kupplungen und Taschenplatten. Zu den pulvermetallurgisch hergestellten Motorteilen gehören Riemenscheiben, Kettenräder und Naben, insbesondere diejenigen, die mit dem Motorzahnriemensystem, Ventilführungen, Ventilsitzeinsätzen, PM-Nocken für montierte Nockenwellen, Ausgleichsräder, Nockenwellenlagerdeckel und dem Motor verbunden sind Management-Sensorringe.

Einige andere Automobilsysteme verwenden Pulvermetallurgie in einigen ihrer Teile, darunter:

• Ölpumpen, insbesondere Zahnräder.
• Stoßdämpfer wie Kolbenstangenführungen, Kolbenventile, Endventile.
• Antiblockiersysteme (ABS), seine Sensorringe.
• Flansche, Lambdasonden von Auspuffanlagen.
• Variable Ventilsteuerungssysteme.
• Turbolader
• Abgasrückführungssysteme (EGR)
• Fahrgestellkomponenten
• Stufenlose Getriebe.

Weitere Anwendungen der Pulvermetallurgie sind:

• Luft- und Raumfahrtanwendungen
• Öl- und Gasindustrie.
• Gesundheitswesen usw.

In einem schnellen Griff Anwendungen der Pulvermetallurgie sind:

• Schneidwerkzeuge wie Hartmetallwerkzeuge, Keramikwerkzeuge usw. sind pulvermetallurgische Produkte.
• Elektrische Buchsen, die durch Mischen von Cu und Ag mit Graphit hergestellt werden, sind P/M-Produkte.
• Düsen für Raketen und Flugkörper.
• Kleinteile in Automobil- und Geräteanwendungen, bei denen die Fähigkeit, eine nahezu endgültige Form mit minimaler Bearbeitung herzustellen, einen starken wirtschaftlichen Vorteil bietet.
• Lager, Buchsen usw.
• Magnetische Weichmetalle wie Fe, Fe-3Si usw. lassen sich durch P/M leicht in eine endgültige Form bringen.

Pulvermetallurgischer Prozess

Wie bereits erwähnt, umfasst die Leistungsmetallurgie vier grundlegende Prozesse, darunter:

Pulverzubereitung:

Bevor ein Objekt hergestellt werden kann, muss das Material in Energie umgewandelt werden. Die verschiedenen Verfahren zur Herstellung eines solchen Pulvers umfassen Zerstäubung, Mahlen, chemische Reaktion, Elektrolyseverfahren usw.

Mischen und Mischen:

Dieses pulvermetallurgische Verfahren beinhaltet das Mischen von zwei oder mehr Materialpulvern, um Legierungsmaterial mit hoher Festigkeit herzustellen. Nun, je nach Produktanforderung. Dieser Schritt stellt eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers mit Additiven, Bindemitteln usw. sicher. Um die Fließeigenschaften des Pulvers zu verbessern, werden manchmal Schmiermittel im Mischprozess hinzugefügt.

Komprimieren:

Bei diesem Verfahren wird die vorbereitete Pulvermischung in vordefinierte Matrizen gepresst. Durch das Verdichten werden Hohlräume reduziert und die Dichte des Produkts erhöht. Das Pulver wird unter Verwendung von Druck in einer Form verdichtet, um ein Produkt zu bilden, das Grünling genannt wird. Das Produkt entsteht also durch Kompaktieren. Der verwendete Druck reicht von 80 bis 1600 MPa. Der Druck hängt zwar von den Eigenschaften von Metallpulver und Bindemitteln ab. Das heißt, für weiches Pulver beträgt der Pressdruck etwa 100 – 350 MPa und für Stahl, Eisen usw. Der Druck liegt zwischen 400 – 700 MPa.

Sintern:

Da der durch Pressen hergestellte Grünling nicht so fest ist und nicht als Endprodukt verwendet werden kann, wird ein Sintern durchgeführt. Sintern bedeutet, den Grünling bei erhöhter Temperatur zu erhitzen, damit eine dauerhafte feste Verbindung erhalten werden kann. Der pulvermetallurgische Prozess verleiht dem Grünling Festigkeit und wandelt ihn in ein Endprodukt um. Im Allgemeinen beträgt die Sintertemperatur etwa 70 bis 90 Prozent der Schmelztemperatur von Metallpulver.

Sekundärbetrieb:

Da das gesinterte Objekt im Vergleich zu vollständig dichtem Material poröser ist. Die Dichte des Produkts hängt von der Presskapazität, der Sintertemperatur, dem Kompressionsdruck usw. ab. Manchmal benötigen Produkte keine hohe Dichte, sodass die gesinterten Produkte direkt als Endprodukte verwendet werden können. Manchmal ist jedoch ein hochdichtes Produkt erforderlich (z. B. Herstellung von Lagern). Der sekundäre Vorgang ist erforderlich, um dem Produkt eine hohe Dichte und eine hohe Maßhaltigkeit zu verleihen. Zu den üblicherweise durchgeführten Sekundäroperationen gehören Kalibrieren, Prägen, Infiltrieren, Heißschmieden, Imprägnieren usw.

Sehen Sie sich das Video unten an, um mehr über den Pulvermetallurgieprozess zu erfahren:

Arten von Pulvermetallurgieprozessen

Pulvermetallurgische Prozesse können je nach herzustellenden Produkten auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden. Nachfolgend sind die verschiedenen Arten von Pulvermetallurgieprozessen aufgeführt, die in der Metallpulverindustrie zu finden sind.

Konventionelles pulvermetallurgisches Verfahren:

Anhand des folgenden Diagramms werden die herkömmlichen Arten von Pulvermetallurgieprozessen erläutert. Es beinhaltet das Mischen von Element- oder Legierungspulvern, das Verdichten der Mischung in einer Form und das anschließende Sintern oder Erhitzen. Wie oben erläutert, verbinden die resultierenden Formen in einem atmosphärengesteuerten Ofen die Partikel metallurgisch.

Wie bereits erwähnt, wiegen die meisten pulvermetallurgischen Teile weniger als 5 Pfund. (2,27 kg), obwohl einige Teile mit einem Gewicht von 35 lb. (15,89 kg) in herkömmlichen PM-Anlagen hergestellt werden können. Teile wie Buchsen und Lager haben einfache Formen. Nun, es gibt heute einen ausgeklügelten PM-Prozess, der Komponenten mit komplexen Konturen und mehreren Ebenen herstellen kann. Diese Maschinen sind recht sparsam.

Metallspritzguss (MIM)

Metallspritzguss hat die Fertigungskapazität zur Herstellung komplexer Formen in großen Mengen. Bei diesem Verfahren werden feine Metallpulver verwendet, die typischerweise kleiner als 20 Mikrometer sind. Diese Metallpulver werden mit einem Bindemittel (verschiedene Thermoplaste, Wachse und andere Materialien) zu einem Ausgangsmaterial kundenspezifisch formuliert. Das Ausgangsmaterial wird in eine Kavität (mehrere Kavitäten) einer herkömmlichen Spritzgussmaschine eingeführt. Wenn die „grüne“ Komponente entfernt wird, wird fast das gesamte Bindemittel durch thermische oder Lösungsmittelverarbeitung extrahiert. Der Rest des Bindemittels wird während des Sinterprozesses entfernt, der in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre durchgeführt wird.

Diese Arten von pulvermetallurgischen Verfahren sind dem Kunststoffspritzguss und dem Druckguss sehr ähnlich. Sie können auch viele der gleichen Formen und Konfigurationsmerkmale produzieren. Sie haben sich jedoch auf relativ kleine (typischerweise weniger als 250 Gramm), hochkomplexe Teile beschränkt, die andernfalls eine umfangreiche Endbearbeitung erfordern würden. Die Vorteile dieses metallurgischen Prozesses beruhen auf seiner Fähigkeit, mechanische Eigenschaften ähnlich denen von Schmiedematerialien zu erzeugen. Es handelt sich um eine Net-Shape-Prozesstechnologie mit guter Maßtoleranzkontrolle. Schließlich bieten Spritzgussteile aus Metall nahezu unbegrenzte Möglichkeiten für Form und geometrische Merkmale. Durch die Verwendung von Werkzeugen mit mehreren Kavitäten ist es auch in der Lage, hohe Produktionsraten zu erzielen.

Isostatisches Pressen

Isostatisches Pressen ist eine beliebte Form des pulvermetallurgischen Formgebungsverfahrens. Es übt in alle Richtungen gleichen Druck auf eine Puderdose aus. Aus diesem Grund wird eine maximale Gleichmäßigkeit der Dichte und Mikrostruktur ohne die geometrischen Einschränkungen des einachsigen Pressens erreicht.

Das isostatische Pressen kann entweder kalt oder heiß durchgeführt werden. Das folgende Diagramm beschreibt das kaltisostatische Pressen. Das kaltisostatische Pressen (CIP) wird verwendet, um Grünteile bei Umgebungstemperatur zu verdichten. Das heißisostatische Pressen (HIP) konsolidiert jedoch Teile bei erhöhten Temperaturen durch Festkörperdiffusion vollständig. Dieser Heißpressprozess kann auch verwendet werden, um Restporosität aus einem gesinterten PM-Teil zu entfernen.

Additive Metallfertigung

Metal Additive Manufacturing, abgekürzt als AM und kann auch als 3D-Druck bezeichnet werden. Dieser Prozess hat das Potenzial, die Produktion, die Markteinführungszeit und die Einfachheit von Komponenten und Baugruppen grundlegend zu verändern. Das Verfahren funktioniert nicht wie herkömmliche oder subtraktive Herstellungsverfahren (z. B. Drehbankbearbeitung oder Bohren). Diese Prozesse erzeugen Teile, indem sie Material entfernen, was bei der additiven Fertigung nicht der Fall ist. Die additive Fertigung baut Teile in einem Schicht-für-Schicht-Prozess direkt aus einem digitalen Modell auf.

Bei diesem Verfahren werden keine Formen oder Matrizen verwendet, weshalb es keine Verschwendung von viel Material gibt, was zu Kosten für das Herstellungsverfahren geführt hätte. Die additive Fertigung wird seit langem als Design- und Prototyping-Tool eingesetzt. Allerdings verlagert sich der Schwerpunkt jetzt auf die direkte Produktion von Komponenten, darunter Flugzeugtriebwerksteile, medizinische Implantate und Schmuck.

Dieser Herstellungsprozess ist keine einzelne Art von Technologie oder Prozess. Obwohl alle additiven Fertigungssysteme einen gemeinsamen Schicht-für-Schicht-Ansatz verwenden, verwenden sie dennoch eine Vielzahl von Materialien, Technologien und Prozessen.

Zu den additiven Fertigungstechnologien, die Metallpulver verwenden, gehören:

• Lasersintern (LM/SLS/SLFS)
• Selektive Tintenstrahlbindung (SIB)
• Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
• Laser-Pulverformen (LPF)
• Pulverbettverfahren
• Fused Deposition Modeling (FDM)/Extrusion

Vor- und Nachteile des Pulvermetallurgieverfahrens

Vorteile:

Nachfolgend sind die Vorteile des Pulvermetallurgieverfahrens aufgeführt:

• Wirtschaftlichkeit für die Massenproduktion, da keine weiteren Bearbeitungskosten, Arbeitskosten usw. anfallen
• Ein hochqualifizierter Bediener ist nicht erforderlich.
• Einige Legierungen können nur mit der PM-Technologie hergestellt werden.
• Bimetall- und laminierte Produkte lassen sich mit diesem Verfahren leicht herstellen.
• Hohe Produktionsrate. Bis zu 500 bis 1000 Teile können in einer Stunde produziert werden.
• Die komplexe Form lässt sich einfach herstellen.

Nachteile:

Trotz der großen Vorteile des Pulvermetallurgieverfahrens treten immer noch einige Einschränkungen auf. Im Folgenden sind die Nachteile des Pulvermetallurgieverfahrens aufgeführt:

• Die Kosten für die Ausrüstung sind hoch.
• es ist teuer für eine einzelne Produktion.
• Filigrane Designs können aufgrund der geringeren Fließfähigkeit von Metallpulver schwierig herzustellen sein.
• Vollständig gleichmäßig dichte Produkte können nicht hergestellt werden.
• Produktgrößen sind aufgrund der Presskapazität beschränkt.
• Das Metallpulver, das eine Explosion hervorrufen kann, kann nicht verwendet werden.
• Es ist schwierig, Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt durch das PM-Verfahren zu gießen.
• Endprodukte können geringe Stoß- und Ermüdungseigenschaften aufweisen.

Schlussfolgerung

Die Pulvermetallurgie ist ein Prozess, der die Massenproduktion von Teilen vereinfacht hat. Es ist schon seit einiger Zeit verfügbar, entwickelt sich aber immer noch weiter, da die Technologie immer weiter voranschreitet. Heute haben wir die Definition, Typen, Verfahren und Anwendungen der Pulvermetallurgie kennengelernt. Wir haben auch seine Vor- und Nachteile untersucht.

Ich hoffe, Sie haben viel von diesem Beitrag mitgenommen, wenn ja, teilen Sie ihn bitte mit anderen technischen Studenten. Danke fürs Lesen! Bis zum nächsten Mal.