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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Pulvermetallurgie

Im IEK-1 werden verschiedene hoch innovative Herstellungsverfahren im Bereich der Pulvermetallurgie eingesetzt.

Übertragung keramischer Fertigungstechnologien auf die Pulvermetallurgie

In der Verfahrenstechnik erfolgt häufig eine strenge Trennung zwischen keramischen Fertigungstechnologien und der Pulvermetallurgie. Bisher ist das Bewusstsein nur wenig ausgeprägt, dass sich viele in der Keramikindustrie etablierte Verfahren mit geringen Modifikationen auch auf die Pulvermetallurgie übertragen lassen. Insbesondere das Nasspulverspritzen, der Siebdruck, die Rollbeschichtung sowie das Foliengießen besitzen ein großes Potential, um metallische Bauteile mit funktionellen Eigenschaften herzustellen. Am Institut besteht das Know-how, die obengenannten Verfahren auch für metallische Pulver zu nutzen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, durch geeignete Kombination der Technologien auch metall-keramische Verbundstrukturen herzustellen. Beispiele hierfür sind metallgestützte Brennstoffzellen bzw. metallgestützte Gastrennmembrane.

Folgende Verfahren lassen sich von keramischen Fertigungstechnologien auf die Pulvermetallurgie übertragen:

Vergleich keramischer und metallischer Pulver unter verfahrenstechnischen Aspekten

Einen wesentlichen Einfluss auf die pulvertechnologische Verfahrenstechnik haben die Eigenschaften der Ausgangspulver. Tabelle 1 vergleicht wesentliche Eigenschaften keramischer und metallischer Pulver unter verfahrenstechnischen Gesichtspunkten. Metallische Pulver weisen im Vergleich zu keramischen Pulvern als wesentliche Unterschiede gröbere Partikelgrößen, duktile Eigenschaften, ggf. eine andere Partikelform sowie eine höhere Affinität für Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff auf.

Gröbere Pulverfraktionen mit Partikelgrößen > 25 µm sind für Verfahrenstechniken von Nachteil, die auf niedrigviskosen Suspensionen oder Schlickern basieren. Mit steigender Partikelgröße erhöht sich die Neigung der Pulverpartikel zur Sedimentation sowohl im Vorratsgefäß, bei der Pulverförderung als auch beim eigentlichen Formgebungsprozess. Unter ungünstigen Umständen kann es beim Beschichtungsprozess zu einem Zusetzen kleiner Querschnitte in der Beschichtungsanlage (z.B. der Sprühpistole) kommen. Weiterhin ist eine Änderung der Partikelgrößenverteilung in der Suspension während des Beschichtungsprozesses möglich, wenn sich die gröberen Partikel mit der Beschichtungsdauer in der Anlage absetzen. Eine Stabilisierung gröberer Partikel in einer Suspension kann zwar prinzipiell durch eine deutliche Viskositätserhöhung erreicht werden, in der Regel kann aber dann der Beschichtungsprozess nicht mehr problemlos durchgeführt werden. Als Lösungsansatz bietet sich deshalb an, die Pulverpartikel in der Suspension durch Verwendung eines Rührwerks oder durch Umpumpen homogen zu verteilen.

Tabelle: Vergleich keramischer und metallischer Pulver unter verfahrenstechnischen Aspekten
Keramische PulverMetallische Pulver
Partikelgrößemeist < 1 µm

meist im Bereich 5 – 500 µm

Brandgefahr feiner Pulver durch spontane Oxidation an Luft

Partikelformmeist gebrochene Kantenje nach Herstellung sphärisch oder spratzig
Pulverförderung

Herstellung von kugelförmigen

Agglomeraten durch

Sprühtrocknen

gute Fließfähigkeit sphärischer Pulver
Verpressbarkeit

Gründichten 50 – 60 %th.D.

Pressdrücke 40 – 200 MPa

Gefahr der Rissbildung in

Presslingen durch elastische

Rückfederung

Werkzeugverschleiss durch

Abrasion

Gründichten bis 80 % th.D.

durch plastische Deformation

der Pulverteilchen

Pressdrücke bis 600 MPa

Werkzeugverschleiss durch Kaltverschweißen

Grünfestigkeitmeist Einsatz von Bindern erforderlich

kantige Partikel: ggf. Verzicht auf

Binder, wenn Pulver bei

Formgebung verhaken

sphärische Partikel erfordern in der Regel Binder

Entbindernmeist an Luft, geringe Anfälligkeit für Verunreinigungen

unter Schutzgas

anfällig für Verunreinigungen wie

Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff

Sintern

meist an Luft

Sintertemperaturen:

ab 500°C (Nano-Pulver,

Sol-Gel) 1200°C Standardpulver

meist unter Schutzgas oder Vakuum

Sintertemperaturen:

typischer Bereich 900 – 1300°C

Refraktärmetalle erfordern höhere Temperaturen



Die höhere Duktilität metallischer Pulver bietet vor allem für eine Formgebung durch Pressen Vorteile, hat aber auf eine Formgebung durch nasschemische Methoden keinen wesentlichen Einfluss. Von Vorteil ist die Möglichkeit, gasverdüste, sphärische Metallpulver einzusetzen, die eine sehr gute Fließfähigkeit besitzen und so die Pulverförderung beim Beschichtungsprozess erleichtern. Weiterhin ermöglichen sphärische Pulver die Einstellung hoher Packungsdichten. Dies unterstützt die homogene Verdichtung der Komponenten beim Sinterprozess und ist vor allem dann von Vorteil, wenn eine geringe Restporosität nach dem Sintern angestrebt wird.

Ein für die Prozesstechnik wichtiger Unterschied zwischen keramischen und metallischen Pulvern ist die höhere Affinität von Metallpulvern gegenüber der Aufnahme von Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff. Diese macht sich bereits bei der Handhabung besonders bei feinen Pulvern durch die hohe Brandgefahr bemerkbar. Bei keramischen Pulvern können Entbinderung und Sinterung in den meisten Fällen an Luft durchgeführt werden, so dass ein vollständiger Ausbrand der Organik unproblematisch ist. Infolgedessen werden die Bauteileigenschaften durch Rückstände von Bindern oder Lösungsmitteln kaum beeinflusst. Im Gegensatz dazu erfordern metallische Pulver eine Entbinderung und Sinterung unter Schutzgasatmosphäre. Die reduzierenden Bedingungen erschweren den Binderausbrand und erhöhen so das Risiko von organischen Verunreinigungen im entbinderten Bauteil. Beim abschließenden Sinterprozess kann dies zu einer Versprödung des Bauteils durch Ausbildung von Carbiden, Oxiden oder Nitriden führen.

Tabelle: Vergleich nasschemische Verarbeitung von keramischen und metallischen Pulvern hinsichtlich realisierbarer Schichtdicken und zulässiger Partikelgrößen
* auch Herstellung freitragender Schichten bzw. Bauteile möglich
Keramische PulverMetallische Pulver

realisierbare

Schichtdicken

[µm]

zulässige Partikelgröße

[µm]

realisierbare

Schichtdicken

[µm]

zulässige Partikelgröße

[µm]

Nasspulverspritzen*10 – 40Partikelgröße in der Regel kleiner als 1 µm50 – 400< 25
Tauchbeschichtung5 – 40Partikelgröße in der Regel kleiner als 1 µm100 – 300< 10
Siebdruck*5 – 20Partikelgröße in der Regel kleiner als 1 µm50 – 100< 50
Foliengießen*100 – 500Partikelgröße in der Regel kleiner als 1 µm200 – 800< 100
Rollbeschichtung5 – 40Partikelgröße in der Regel kleiner als 1 µm< 50< 10

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