Forschungsstand der Verdichtungstechnologie in der Pulvermetallurgie

Die Pulvermetallurgie ist eine Technologie, bei der Metallpulver oder eine Mischung aus Metallpulver und Nichtmetallpulver als Rohstoffe verwendet und die Pulver durch verschiedene Verfahren verdichtet werden, um Metallwerkstoffe, Werkzeugstähle, Verbundwerkstoffe und verschiedenste Produkte herzustellen. Produkte der Pulvermetallurgie werden in großem Umfang in der Luft- und Raumfahrt, im Formenbau, in der Biomedizin sowie in der nationalen Verteidigungs- und Militärindustrie eingesetzt.

Die Pulvermetallurgie umfasst wichtige Prozesse wie die Pulveraufbereitung, das Pressen, das Hochtemperatursintern und die Nachbearbeitung. Das Pressen und das Hochtemperatursintern sind dabei die Verdichtungsprozesse der Pulvermetallurgie.

1.1 Pressen
Das Pulverpressen ist der Prozess, bei dem sich die Partikel von einer lockeren zu einer dichten Packung verändern. Die Übertragung und Verteilung der Kräfte verändern sich, wodurch eine ungleichmäßige Dichte- und Festigkeitsverteilung in den einzelnen Bereichen des Grünlings entsteht und während des Pressvorgangs eine Reihe komplexer Phänomene hervorgerufen wird.
In der tatsächlichen Produktion wird das geeignete Pressverfahren in der Regel entsprechend den Formmerkmalen des Grünlings ausgewählt, um dessen Dichte und Gleichmäßigkeit zu verbessern. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern eine Vielzahl neuer Presstechnologien untersucht, beispielsweise das schnelle allseitige Pressen, die Warmpresstechnologie und das Hochgeschwindigkeitspressen.

(1) Warmpresstechnologie
Bei der Warmpresstechnologie wird ein spezielles Warmpress-Mischpulver verwendet. Bei einem Pressdruck von höchstens 690 MPa und einer Sintertemperatur von 1393 K kann durch einen einzigen Press- und Sintervorgang eine Dichte von 7,2~7,5 g/cm3 erreicht werden.
Das Warmpressen ist ein einfaches Verfahren zur Herstellung hochdichter und hochfester pulvermetallurgischer Bauteile und zudem relativ kostengünstig. Durch geringfügige Anpassungen an herkömmlichen Anlagen lassen sich metallurgische Bauteile mit einer Dichte nahe 7,5 g/cm3 herstellen. Aufgrund seiner hohen Dichte, hohen Leistungsfähigkeit und niedrigen Kosten gilt das Warmpressverfahren seit den 1990er-Jahren als wichtiger technologischer Durchbruch bei der Herstellung pulvermetallurgischer Bauteile.

(2) Hochgeschwindigkeitspresstechnologie für Pulver
Die Hochgeschwindigkeitspresstechnologie für Pulver ist ein Pulverpressverfahren, bei dem ein schwerer Hammer hydraulisch oder durch die Schwerkraft angetrieben wird, um das Pulver mit einer Geschwindigkeit von 2~30 m/s zu beaufschlagen und dadurch die Verdichtung des Pulvers innerhalb von 20 ms abzuschließen.

Die Hochgeschwindigkeitspresstechnologie für Pulver zeichnet sich durch eine hohe Dichte des Grünlings, eine relativ gleichmäßige Dichteverteilung im Grünling, eine hohe Formleistung, niedrige Produktionskosten, eine hohe geometrische Genauigkeit des Grünlings, eine lange Lebensdauer der Form und hervorragende Gesamteigenschaften des Grünlings aus.

1.2 Hochtemperatursintern
Das Sintern ist der wichtigste Prozess in der pulvermetallurgischen Produktion und stand stets im Mittelpunkt der Forschung. Das Hochtemperatursintern ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem der Pulverpressling auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Hauptkomponente erhitzt wird, sodass er sich zu einem Werkstoff mit höherer Festigkeit verbindet. Es ist ein wirksames Mittel zur Erhöhung der Dichte des Pulvergrünlings. Im Folgenden werden zwei häufig verwendete Sinterverfahren für Metallpulver vorgestellt.
(1) Heißisostatisches Pressen
Das heißisostatische Pressen (HIP) ist ein wichtiges Mittel zur Verdichtung hochleistungsfähiger pulvermetallurgischer Produkte. Der allgemeine Ablauf des HIP ist: Die Verpackung wird mit gepresstem Pulver gefüllt und in den Ofen der heißisostatischen Presse eingesetzt. Gleichzeitig werden hohe Temperatur und hoher Druck angewendet. Nach der mehrfach gekoppelten Verdichtung der Pulverpartikel wird ein vollständig dichtes Bauteil erhalten.

Wird HIP zum Formen oder zur Nachbearbeitung von Metallen und metallmatrixbasierten Verbundwerkstoffen eingesetzt, können innere Gussfehler wirksam beseitigt, Risse im Inneren von Bauteilen reduziert und die Produkteigenschaften verbessert werden. Zu den wichtigsten beteiligten Metallwerkstoffen gehören Nickelbasis-Hochtemperaturlegierungen, Kobaltbasis-Hochtemperaturlegierungen, Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen, Stahl und Kupferlegierungen.

(2) Funkenplasmasintern
Die Funkenplasmasintertechnologie (SPS) ist ein Sinterverfahren, bei dem die oberen und unteren Stempel einer Graphitform und die elektrisch versorgten Elektroden gleichzeitig einen Gleichstromimpuls und einen Pressdruck auf den Pulverkörper ausüben. Durch Plasmaaktivierung und thermoplastische Verformung werden eine schnelle Verdichtung und Formgebung des Pulverkörpers erreicht. Das Verfahren wird auch als plasmaaktiviertes Sintern und plasmagestütztes Sintern bezeichnet.

Diagramm des Funktionsprinzips des Funkenplasmasinterns

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, kann die SPS-Verdichtung als Überlagerung der Entladung zwischen den Pulverpartikeln, der durch die Bestromung erzeugten Joule-Wärme und des unter der Einwirkung des Impulsstroms ausgeübten Drucks betrachtet werden. Zusätzlich zu den beiden Sinterfaktoren Erwärmung und Druckbeaufschlagung kann die Oberflächenentladung zwischen den Pulverpartikeln eine lokale Hochtemperatur und ein lokales Aufschmelzen der Oberfläche fördern; das Hochtemperaturplasmasputtern und der Entladungsstoß können Verunreinigungen wie Oberflächenoxide sowie an der Oberfläche der Pulverpartikel adsorbierte Gase wirksam entfernen. Diese Faktoren können den Sinterprozess fördern.

Das Funkenplasmasintern weist eine hohe Erwärmungseffizienz und eine hohe Verdichtungsgeschwindigkeit auf und kann dadurch die Sintereffizienz des Pulvers erheblich verbessern.

Faktoren, die die Verdichtung von Metallpulvern beeinflussen
Der Verdichtungsprozess von Pulvern unter hoher Temperatur und hohem Druck ist sehr komplex. Nach Untersuchungen auf Grundlage von Finite-Elemente-Simulationen sind die Faktoren, die die Verdichtung von Metallpulvern beeinflussen, hauptsächlich das Pressverfahren, der Reibungswiderstand und das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser des gepressten Grünlings.

(1) Pressverfahren: Die Pressverfahren umfassen hauptsächlich das einseitige und das zweiseitige Pressen. Um den Druckabfall während des Pressvorgangs von Metallpulvern zu verringern und einen Grünling mit gleichmäßigerer Dichte zu erhalten, kann das Pulver zweiseitig gepresst werden.

(2) Reibungswiderstand: Der Reibungswiderstand ist ein Schlüsselfaktor, der die Dichte des Grünlings und deren Gleichmäßigkeit beeinflusst. Die Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Reibungsbedingungen auf den Verdichtungsprozess beim Pulverpressen trägt zur Verbesserung des Pressverfahrens für pulvermetallurgische Produkte bei. Bei verbesserten Reibungsbedingungen nimmt der Spannunggradient im Grünling ab, die Dichte wird gleichmäßiger und die Presskraft wird ebenfalls reduziert.

(3) Verhältnis von Höhe zu Durchmesser des Grünlings: Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser des Grünlings ist ein Formfaktor, der beim Formpressen pulvermetallurgischer Produkte berücksichtigt werden muss. Unter gleichen Press- und Reibungsbedingungen können Grünlinge mit einem kleinen Verhältnis von Höhe zu Durchmesser eine gleichmäßigere Dichteverteilung erreichen.
Daher sollten bei der tatsächlichen Herstellung pulvermetallurgischer Produkte übermäßig schlanke Bauteile vermieden werden. Zur Verbesserung der Dichtegleichmäßigkeit des Produkts kann ein zweiseitiges Pressverfahren eingesetzt und die Schmierbedingungen verbessert werden.

Die pulvermetallurgische Technologie wird in großem Umfang zur Herstellung von Hochleistungsmetallen und -legierungen verschiedenster Zusammensetzungen eingesetzt. Die Dichte und deren Verteilung in pulvermetallurgischen Werkstoffen sind Schlüsselfaktoren, die die mechanischen Eigenschaften und die Maßgenauigkeit pulvermetallurgischer Produkte beeinflussen. Eine ungleichmäßige Verdichtung führt zu einer uneinheitlichen Verdichtung und Schrumpfverformung in den verschiedenen Bereichen des Pulverkörpers, wodurch die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Bereiche des Pulverbauteils streuen. Daher sind die Entwicklung hochdichter und leistungsfähiger pulvermetallurgischer Produkte sowie die Erforschung entsprechender Verfahren zu einer Entwicklungsrichtung und einem Forschungsschwerpunkt der pulvermetallurgischen Technologie geworden.