Verfahren zur Herstellung von Metallpulver

Die Pulvermetallurgie ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallpulver und zur Verwendung von Metallpulver (oder einer Mischung aus Metall- und Nichtmetallpulver) als Rohmaterial, um durch Formen und Sintern Teile und Produkte herzustellen. Als wichtigster Rohstoff der Industrie wird Metallpulver in großem Umfang in den Bereichen Maschinenbau, Metallurgie, chemische Industrie und Luft- und Raumfahrtwerkstoffe eingesetzt. Metallpulver ist der grundlegende Rohstoff der pulvermetallurgischen Industrie; seine Produktionsmenge und Qualität bestimmen die Entwicklung der pulvermetallurgischen Industrie.

Metallpulver ist üblicherweise eine Ansammlung von Metallpartikeln mit einer Größe von weniger als 1 mm. Für die Einteilung der Partikelgrößenbereiche gibt es keine einheitliche Regelung. Die übliche Einteilung ist: Partikel von 1000~50 µm werden als konventionelle Pulver bezeichnet; 50~10 µm als Feinpulver; 10~0,5 µm als ultrafeine Pulver; <0,5 µm als ultrafeine Pulver; 0,1~100 nm als Pulver im Nanobereich. Jedes Pulverpartikel kann je nach Partikelgröße und Herstellungsverfahren ein Kristall sein oder aus vielen Kristallen bestehen.

Herstellungsverfahren für Metallpulver Derzeit gibt es Dutzende von Verfahren zur industriellen Herstellung von Pulvern. Bei einer tatsächlichen Analyse des Herstellungsprozesses werden sie jedoch hauptsächlich in zwei Kategorien eingeteilt: mechanische und physikalische Verfahren sowie physikalisch-chemische Verfahren. Sie können durch die direkte Zerkleinerung fester, flüssiger und gasförmiger Metalle gewonnen werden, aber auch aus Metallverbindungen in unterschiedlichen Zuständen durch Reduktion, Pyrolyse und Elektrolyse. Carbide, Nitride, Boride und Silicide hochschmelzender Metalle können im Allgemeinen direkt durch chemische Verbindungs- oder Reduktions-Verbindungsverfahren hergestellt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Herstellungsverfahren variieren Form, Struktur und Partikelgröße desselben Pulvers häufig erheblich.

Mechanisches und physikalisches Verfahren

Kugelmahlverfahren

Funktionsweise: Das Kugelmahlverfahren wird hauptsächlich in das Wälzkugelverfahren und das Vibrationskugelmahlverfahren unterteilt. Dieses Verfahren nutzt den Mechanismus, bei dem Metallpartikel bei unterschiedlichen Dehnungsraten Spannung erzeugen, brechen und verfeinert werden.

Anwendung: Dieses Verfahren eignet sich hauptsächlich zur Herstellung von Pulvern wie Sb, Cr, Mn und Fe-Cr-Legierungen.

Vor- und Nachteile: Zu den Vorteilen gehören der kontinuierliche Betrieb, die hohe Produktionseffizienz, die Eignung für Trocken- und Nassmahlung sowie die Möglichkeit, Pulver verschiedener Metalle und Legierungen herzustellen. Nachteilig sind die geringe Materialselektivität und die schwierige Klassifizierung während der Pulverherstellung.

Mahlverfahren

Funktionsweise: Beim Mahlverfahren wird komprimiertes Gas nach dem Durchströmen einer speziellen Düse in den Mahlbereich gesprüht. Dadurch werden die Materialien im Mahlbereich dazu gebracht, miteinander zu kollidieren und durch Reibung zu Pulver zermahlen zu werden. Der Luftstrom dehnt sich aus und steigt zusammen mit dem Material in den Klassierbereich auf. Der Turbinenklassierer wählt das Material aus, das die gewünschte Partikelgröße erreicht hat, während das verbleibende Grobpulver zum weiteren Mahlen in den Mahlbereich zurückgeführt wird, bis die erforderliche Partikelgröße abgetrennt ist.

Anwendung: Es wird häufig zum ultrafeinen Mahlen in der Nichtmetallindustrie sowie in der chemischen Rohstoff-, Pigment-, Schleifmittel- und Arzneimittelindustrie eingesetzt.

Vor- und Nachteile: Da beim Mahlverfahren eine trockene Herstellung erfolgt, entfallen die Entwässerung und Trocknung der Materialien. Die Produkte zeichnen sich durch hohe Reinheit, hohe Aktivität, gute Dispergierbarkeit, feine Partikelgröße, enge Größenverteilung und eine glatte Partikeloberfläche aus. Das Mahlverfahren hat jedoch auch den Nachteil hoher Herstellungskosten der Anlagen. Bei der Herstellung von Metallpulver muss kontinuierlich Inertgas oder Stickstoff als Druckgasquelle verwendet werden. Der Gasverbrauch ist hoch, und das Verfahren eignet sich nur zum Zerkleinern und Pulverisieren spröder Metalle und Legierungen.

Atomisierungsverfahren

Funktionsweise: Beim Atomisierungsverfahren werden Metall oder Legierungen, die bei hoher Temperatur und hohem Druck geschmolzen wurden, gewöhnlich durch Hochdruckgas, Hochdruckflüssigkeit oder schnell rotierende Schaufeln in feine Tröpfchen zerlegt. Diese kondensieren anschließend im Auffangbehälter zu ultrafeinem Metallpulver. Bei diesem Prozess treten keine chemischen Veränderungen auf. Das Atomisierungsverfahren ist eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Metall- und Legierungspulvern. Es gibt zahlreiche Atomisierungsverfahren, darunter Zweistromatomisierung, Zentrifugalatomisierung, mehrstufige Atomisierung, Ultraschallatomisierung, eng gekoppelte Atomisierung, Hochdruckgasatomisierung, laminare Atomisierung, eng gekoppelte Ultraschallatomisierung und Heißgasatomisierung.

Anwendung: Das Atomisierungsverfahren wird üblicherweise zur Herstellung von Metallpulvern wie Fe, Sn, Zn, Pb und Cu eingesetzt und kann auch zur Herstellung von Legierungspulvern wie Bronze, Messing, Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl verwendet werden. Das Atomisierungsverfahren erfüllt die besonderen Anforderungen an Metallpulver für 3D-Druckverbrauchsmaterialien 

Vor- und Nachteile: Atomisiertes Pulver bietet Vorteile wie hohe Sphärizität, kontrollierbare Pulverpartikelgröße, niedrigen Sauerstoffgehalt, niedrige Herstellungskosten und die Eignung für die Herstellung verschiedener Metallpulver. Es hat sich zur wichtigsten Entwicklungsrichtung der Technologie zur Herstellung leistungsfähiger und spezieller Legierungspulver entwickelt. Das Atomisierungsverfahren hat jedoch auch die Nachteile einer geringen Produktionseffizienz, einer niedrigen Ausbeute an ultrafeinem Pulver und eines relativ hohen Energieverbrauchs.

Physikalisch-chemisches Verfahren

Reduktionsverfahren

Funktionsweise: Das Reduktionsverfahren ist ein Verfahren, bei dem Metalloxide oder Metallsalze unter bestimmten Bedingungen zu Metall- oder Legierungspulvern reduziert werden. Es ist eines der am häufigsten eingesetzten Verfahren zur Pulverherstellung. Zu den üblichen Reduktionsmitteln gehören gasförmige Reduktionsmittel (wie Wasserstoff, zersetztes Ammoniak und umgewandeltes Erdgas), feste Kohlenstoff-Reduktionsmittel (wie Holzkohle, Koks und Anthrazit) sowie metallische Reduktionsmittel (wie Calcium, Magnesium und Natrium). Das repräsentativste Herstellungsverfahren ist das Hydrierungs-Dehydrierungsverfahren mit Wasserstoff als Reaktionsmedium. Dabei wird die leichte Hydrierbarkeit des Rohmetalls genutzt, um das Metall bei einer bestimmten Temperatur mit Wasserstoff zu Metallhydrid reagieren zu lassen. Das gewonnene Metallhydrid wird anschließend mechanisch auf die gewünschte Partikelgröße zerkleinert. Danach wird der Wasserstoff unter Vakuumbedingungen aus dem zerkleinerten Metallhydridpulver entfernt, um Metallpulver zu erhalten.

Anwendung: Es wird hauptsächlich zur Herstellung von Metall- und Legierungspulvern wie Ti, Fe, W, Mo, Nb und W-Re eingesetzt. Beispielsweise beginnt metallisches Titan (Pulver) bei einer bestimmten Temperatur heftig mit Wasserstoff zu reagieren. Bei einem Wasserstoffgehalt von mehr als 2,3 % ist das Hydrid locker und lässt sich leicht zu feinen Partikeln aus Titanhydridpulver zerkleinern. Das Titanhydridpulver wird bei einer Temperatur von etwa 700 °C zersetzt, wobei der größte Teil des im Titanpulver gelösten Wasserstoffs entfernt wird und Titanpulver entsteht.

Vor- und Nachteile: Zu den Vorteilen gehören die einfache Durchführung, die leichte Kontrolle der Prozessparameter, die hohe Produktionseffizienz, die niedrigen Kosten und die Eignung für die industrielle Produktion. Der Nachteil besteht darin, dass es nur für Metallwerkstoffe geeignet ist, die leicht mit Wasserstoff reagieren und nach der Wasserstoffaufnahme spröde werden und leicht brechen.

Elektrolyseverfahren

Funktionsweise: Beim Elektrolyseverfahren werden Metallpulver an der Kathode abgeschieden, indem geschmolzenes Salz oder eine wässrige Salzlösung elektrolysiert wird.

Anwendung: Durch die Elektrolyse wässriger Lösungen können Metall- und Legierungspulver wie Cu, Ni, Fe, Ag, Sn und Fe-Ni hergestellt werden. Durch die Elektrolyse geschmolzener Salze können Metallpulver wie Zr, Ta, Ti und Nb hergestellt werden.

Vor- und Nachteile: Der Vorteil besteht in der hohen Reinheit des hergestellten Metallpulvers. Die Reinheit eines allgemeinen Pulvers aus einem einzelnen Stoff kann mehr als 99,7 % erreichen. Außerdem lässt sich die Partikelgröße des Pulvers mit dem Elektrolyseverfahren gut kontrollieren, und es können ultrafeine Pulver hergestellt werden. Das Elektrolyseverfahren verbraucht jedoch viel Strom und verursacht hohe Kosten bei der Pulverherstellung.

Hydroxylverfahren

Funktionsweise: Bestimmte Metalle (Eisen, Nickel usw.) werden mit Kohlenmonoxid zu Metallcarbonylverbindungen synthetisiert, die anschließend thermisch in Metallpulver und Kohlenmonoxid zersetzt werden.

Anwendung: Es wird hauptsächlich industriell zur Herstellung feiner und ultrafeiner Pulver aus Nickel und Eisen sowie von Legierungspulvern wie Fe-Ni, Fe-Co und Ni-Co eingesetzt.

Vor- und Nachteile: Das auf diese Weise gewonnene Pulver ist sehr fein und hochrein, jedoch sind die Kosten hoch.

Chemisches Austauschverfahren

Funktionsweise: Beim chemischen Austauschverfahren wird entsprechend der Aktivität der Metalle das weniger aktive Metall aus einer Metallsalzlösung durch ein aktiveres Metall ersetzt. Das durch den Austausch gewonnene Metall (Metallpulver) wird anschließend mit anderen Verfahren weiter raffiniert.

Anwendung: Dieses Verfahren wird hauptsächlich zur Herstellung inaktiver Metallpulver wie Cu, Ag und Au eingesetzt.