Grüne Fertigungstechnologie - Pulvermetallurgie

Die Pulvermetallurgie ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Metallpulver als Rohmaterial verwendet, gepresst und gesintert wird, um verschiedene Produkte herzustellen. Dieses Verfahren bzw. diese Technologie ist nicht neu und lässt sich sogar bis ins alte Ägypten zurückverfolgen. Angesichts des heutigen Strebens nach nachhaltiger und umweltfreundlicher Entwicklung entspricht sie jedoch dem Geist der Zeit und wird zunehmend eingesetzt. Heute sehen wir uns diese Fertigungsmethode genauer an, die möglicherweise eine neue Option für die Herstellung von Bauteilen bietet.

Verfahren
Die Pulvermetallurgie ähnelt dem Schmieden oder Gießen, der Unterschied besteht jedoch darin, dass ihr Rohmaterial Metallpulver ist (üblicherweise Eisen, Stahl, Kupfer usw.). Die pulverförmigen Rohstoffe werden bei Raumtemperatur (in besonderen Fällen erhitzt) mithilfe komplexer Formen gepresst. Die Größe des gepressten Werkstücks entspricht annähernd dem Endprodukt, seine mechanischen Eigenschaften sind jedoch noch instabil. Um es weiter zu verfestigen, wird es anschließend bei einer Temperatur gesintert, die nahe am, aber geringfügig unter dem Schmelzpunkt des verwendeten Metalls liegt. Dabei verändert sich das Gefüge des Produkts, sodass ein Bauteil mit präzisen Abmessungen und hoher Festigkeit entsteht.

Im Allgemeinen können die durch Pulvermetallurgie hergestellten Bauteile direkt verwendet werden. Bei Bedarf können sie jedoch auch einer Nachbearbeitung unterzogen werden, beispielsweise einer Endbearbeitung, Wärmebehandlung, Galvanisierung oder Beschichtung, einem Kugelstrahlen usw., um die Toleranzen, Dichte, Festigkeit, Form, Korrosionsbeständigkeit und andere Eigenschaften der Bauteile zu verbessern oder zu optimieren. Vorteile der Pulvermetallurgie Im Vergleich zu anderen Produktions- und Fertigungstechnologien erzeugt die Pulvermetallurgie nahezu keinen Materialabfall. Die Materialausnutzung liegt bei über 97 %, und komplexe Geometrien können direkt hergestellt werden. Gleichzeitig lassen sich bei gesinterten Produkten enge Maßtoleranzen einhalten, wodurch Bearbeitungsschritte herkömmlicher Fertigungsverfahren reduziert oder sogar vollständig vermieden werden können. Deshalb bezeichnen wir sie als umweltfreundliche Fertigungstechnologie. Neben den durch diese Verfahren erzielten Einsparungen bietet die Pulvermetallurgie eigene Besonderheiten. Sie nutzt die Vorteile ihrer pulverförmigen Rohstoffe, um bestimmte Eigenschaften zu kontrollieren, die bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren nur schwer oder gar nicht kontrollierbar sind, beispielsweise das Verhältnis der chemischen Zusammensetzung, das Gefüge und die Porosität. Sehen wir uns einige konkrete Produktbeispiele an, um das Verständnis zu vertiefen.

1. Kombination inkompatibler Materialien

Die Pulvermetallurgie ermöglicht die Verarbeitung von Materialkombinationen, die normalerweise als inkompatibel gelten, in eng verbundenen Verbundformen.
Zu den etablierten Anwendungen der Pulvermetallurgie gehören beispielsweise: Reibmaterialien für Bremsbeläge und Kupplungsbeläge, bei denen verschiedene nichtmetallische Materialien (zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit oder zur Steuerung des Reibungsniveaus) in eine Kupfer- oder Eisenmatrix eingebettet werden. Hartmetalle werden häufig für Schneidwerkzeuge, Umformwerkzeuge oder Schleifmittel verwendet. Sie bestehen aus einer Hartphase, die an ein Metall gebunden ist. Ein solches Gefüge kann nur durch Flüssigphasensintern bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts des Bindemittels hergestellt werden. Mit Kobalt gebundenes Wolframcarbid ist das wichtigste Beispiel für ein solches Material. Es sind jedoch auch andere Hartmetalle erhältlich, darunter verschiedene Carbide, Nitride, Carbonitride oder Oxide. Neben Kobalt können auch andere Metalle als Bindemittel verwendet werden (Ni, Ni-Cr, Nickel-Kobalt usw.).

Diamant-Schneidwerkstoffe, bei denen feines Diamantkorn gleichmäßig in einer Metallmatrix verteilt ist. Auch bei der Bearbeitung dieser Materialien wird Flüssigphasensintern eingesetzt. Elektrische Kontaktwerkstoffe wie Kupfer/Wolfram und Silber/Cadmiumoxid.

2. Verarbeitung von Materialien mit sehr hohen Schmelzpunkten
Mit der Pulvermetallurgie können Materialien mit sehr hohen Schmelzpunkten verarbeitet werden, darunter hochschmelzende Metalle wie Wolfram, Molybdän und Tantal. Solche Metalle lassen sich nur schwer durch Schmelzen und Gießen herstellen und sind im gegossenen Zustand häufig sehr spröde. Die Herstellung von Wolframpresslingen war eine der frühen Anwendungen der Pulvermetallurgie. Später wurden diese zur Herstellung von Drähten für Glühlampen weiterverarbeitet.

3. Produkte mit kontrollierter Porosität
Mit der Pulvermetallurgie lassen sich Produkte mit kontrollierter struktureller Porosität herstellen. Gesinterte Filterelemente sind ein Beispiel für eine solche Anwendung. Ein weiteres wichtiges Beispiel sind ölhaltende oder selbstschmierende Lager, eine der ältesten Anwendungen der Pulvermetallurgie. Dabei wird die miteinander verbundene Porosität im gesinterten Gefüge zur Aufnahme von Schmieröl genutzt.

4. Produkte mit überlegenen Eigenschaften
Bei bestimmten Anwendungen kann das Pulvermetallurgieverfahren dank einer hervorragenden Kontrolle des Gefüges häufig bessere Eigenschaften erzeugen als herkömmliche Gieß- oder Schmiedeverfahren. Gute Beispiele für solche Anwendungen sind:

Magnetwerkstoffe
Fast alle Hartmagnete (Permanentmagnete) und etwa 30 % der Weichmagnete werden aus pulverförmigen Ausgangsstoffen hergestellt. Im Vergleich zu geschmiedeten Produkten weisen pulvermetallurgisch hergestellte Schnellarbeitsstähle feinere und besser kontrollierbare Gefüge, eine höhere Zähigkeit und eine bessere Schneidleistung auf. Nickel- oder kobaltbasierten Hochtemperaturlegierungen Nickel- oder kobaltbasierten Superlegierungen werden in Anwendungen für Flugzeugtriebwerke eingesetzt. Pulvermetallurgische Verfahren ermöglichen dabei eine Kontrolle der Zusammensetzung und des Gefüges, die auf herkömmlichem Wege nicht erreichbar ist, wodurch Betriebstemperaturen und Leistung verbessert werden. Einschränkungen der Pulvermetallurgie Obwohl die Pulvermetallurgie verschiedene Vorteile bietet, gibt es bei ihrer Anwendung noch einige Einschränkungen. Die wichtigsten Punkte sind folgende:

(1) Größe und Gewicht der Bauteile sind begrenzt: Die Pulvermetallurgie erfordert während des Verfahrens einen Pressvorgang, für den eine Presse benötigt wird. Aufgrund der derzeitigen Grenzen der Presskraft kann die Größe daher nicht sehr groß sein und beträgt im Allgemeinen höchstens etwa 250 mm. Außerdem ist es aufgrund der begrenzten Fließfähigkeit von Metallpulvern weiterhin schwierig, mit dem pulvermetallurgischen Verfahren Bauteile mit einem Gewicht von mehr als 20 kg herzustellen.
(2) Nicht für Anwendungen mit Stoß- und dynamischen Belastungen geeignet Da die Dichte pulvermetallurgischer Bauteile normalerweise gering ist, sind ihre Festigkeit und Zähigkeit nicht so hoch wie bei geschmiedeten oder spanend bearbeiteten Bauteilen. Die nach dem Verdichten und Sintern des Pulvers vorhandenen Poren beeinflussen ebenfalls die mechanischen Eigenschaften des Materials. Dadurch eignen sich pulvermetallurgische Bauteile weniger für Anwendungen mit hohen Spannungen und Dehnungen, beispielsweise bei Stößen und hohen dynamischen Belastungen.
(3) Höhere Kosten für Anlagen und Formen
Das Pulvermetallurgieverfahren erfordert spezielle Formen und Anlagen, weshalb die Kosten relativ hoch sind. Bei Kleinserien ist es nicht wirtschaftlich; daher eignet sich die Pulvermetallurgie in der Regel für die Großserienproduktion.