AMT | Umfassende Anleitung zum Pulverspritzgießen: Chemien und Eigenschaften

Date：2025-05-21   Views：1038

Überblick über Pulverspritzgieß-Chemien

Das Pulverspritzgießen (PIM) ist ein Fertigungsverfahren, das auf der Verwendung kleiner, sintrbarer Pulver basiert. Diese Pulver werden mit einem Bindemittel gemischt und anschließend in eine Form injiziert, um komplexe Formen zu erzeugen. Der Prozess hinterlässt Partikel in Punktkontakt, aber die Entwicklung der Materialeigenschaften hängt von der Sinterverdichtung dieser Pulver ab. Wenn das Pulver dem Sintern widersteht, sind neue Sintertechniken erforderlich. Beispielsweise benötigen die meisten kovalenten Keramiken wie SiC, B₄C, Si₃N₄, AlN, WC und TiB₂ Additive, um Sintern zu induzieren. In den letzten Jahren hat die Verfügbarkeit kleiner Hochtemperaturlegierungspulver zu neuen PIM-Anstrengungen geführt. Diese Legierungen sind jedoch so konzipiert, dass sie Kriechen bei hohen Temperaturen widerstehen, und da Sintern im Wesentlichen ein Hochtemperatur-Kriechprozess ist, erweisen sie sich als schwierig zu sintern und zu verdichten. Neue Sinterzyklen sind entstanden, um solche Probleme zu lösen.

Pulvereigenschaften

Die in PIM verwendeten Pulver kommen in verschiedenen Größen und Formen vor, aber im Allgemeinen sind sie gleichachsig, abgerundet und kleiner als 20 μm. Die erfolgreichsten Pulver packen sich auf Dichten über 45 % des theoretischen Werts, typischerweise bei etwa 60 % Packungsdichte. Die meisten gängigen technischen Werkstoffe sind in den für PIM benötigten kleinen Partikelgrößen erhältlich. Die beliebten PIM-Materialien und deren Derivate werden basierend auf der Chemie aufgeführt. Diese Pulver werden sorgfältig entwickelt, um optimalen Fluss während des Injektionsprozesses und ordnungsgemäße Verdichtung während des Sinterns sicherzustellen.

Pulvereigenschaften spielen eine entscheidende Rolle im PIM-Prozess. Größe, Form und Verteilung der Pulverpartikel beeinflussen die Fließfähigkeit des Einbettstoffs, die Packungsdichte in der Form und die endgültigen Eigenschaften des gesinterten Teils. Kleinere Partikel bieten im Allgemeinen eine bessere Fließfähigkeit und höhere Packungsdichte, können jedoch auch das Risiko der Agglomeration erhöhen. Kugelförmige oder nahezu kugelförmige Partikel sind aufgrund ihrer überlegenen Fließeigenschaften im Vergleich zu eckigen oder unregelmäßig geformten Partikeln bevorzugt. Die chemische Zusammensetzung des Pulvers bestimmt die Materialeigenschaften des Endprodukts, wie Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und thermische Stabilität.

Materialverfügbarkeit

Die meisten gängigen technischen Werkstoffe sind als kleine Pulver in der für PIM benötigten Größenordnung erhältlich. Die Pulverkosten sind jedoch eine Einschränkung für viele neue Anwendungen. Oft gibt es viele verschiedene Bezeichnungen für dieselben Materialien; die Normen können aus unterschiedlichen Quellen stammen, was zu unterschiedlichen Namen für dasselbe Material führt. Beispielsweise wird die Edelstahl-17-4-PH-Qualität oft als AISI 630 im medizinischen Bereich und AMS 5355 in der Luft- und Raumfahrt bezeichnet, aber SUS 630 in Japan. Dies kann bei der Materialbeschaffung zu Verwirrung führen, aber umfassende Namens-Cross-Referenzen sind auf Websites wie www.efunda.com verfügbar.

Materialauswahlprozess in PIM

Die Materialauswahl ist ein kritischer Schritt im PIM-Prozess. Sie beginnt mit der Bewertung früherer Designs und deren Ausfallhistorien. Der Hauptgrund für Feldausfälle von Bauteilen ist eine unangemessene Materialauswahl, einschließlich einer unsachgemäßen Spezifikation der Oberflächen- und Wärmebehandlung. Neben historischen Daten sind andere Überlegungen die Funktion (Eigenschaftsanforderungen) und wirtschaftliche Kriterien. Die Materialauswahl hängt vom Verständnis der benötigten Attribute und der Bewertung von Kandidaten unter Verwendung sowohl technischer als auch wirtschaftlicher Ziele ab.

Faktoren, die die Materialauswahl beeinflussen

• Bauteilfunktion und erforderliche Eigenschaften: Die beabsichtigte Anwendung des Bauteils bestimmt die notwendigen mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften.

• Vorangegangene Erfolgs- oder Fehlerhistorie: Frühere Erfahrungen mit ähnlichen Materialien in vergleichbaren Anwendungen liefern wertvolle Einblicke.

• Betriebsbedingungen, die das Material erfüllen muss: Materialien müssen den Umgebungs- und Betriebsbedingungen standhalten, denen sie ausgesetzt werden.

• Design- oder Materialeinschränkungen: Einschränkungen im Design oder in der Materialverfügbarkeit können den Auswahlprozess einschränken.

• Quantitative Kriterien, einschließlich Kosten: Die Kosten des Materials und seine Auswirkungen auf das Gesamtproduktionsbudget sind ein bedeutender Faktor.

Wichtige Eigenschaften von PIM-Werkstoffen

Die physikalischen Eigenschaften von PIM-Werkstoffen sind im Wesentlichen dieselben wie in Handbüchern gefunden. Dies ist zu erwarten, da die Pulver typischerweise auf nahezu volle Dichte gesintert werden. Vergleichswerte für Dichte und Elastizitätsmodul werden für PIM-Produkte zusammen mit Handbuchwerten für dieselben Zusammensetzungen angegeben. Unterschiede zwischen den beiden Werten liegen im Allgemeinen innerhalb des Messfehlers. Die einzigen Ausnahmen sind einige PIM-Keramikmaterialien, die Sinteradditive enthalten, die die Dichte leicht modifizieren.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von PIM-Produkten sind im Allgemeinen nahe denen in Handbüchern gefunden. Zugeigenschaften, Bruchzähigkeit, Schlag- und Dauerfestigkeit werden bewertet und als vergleichbar mit Schmiedematerialien befunden, wenn Zusammensetzung und Wärmebehandlung dieselben sind. Es gibt jedoch Variationen zwischen Herstellern, und Standardwerte können für Designzwecke verwendet werden, wobei die endgültige Spezifikation die minimal akzeptablen Eigenschaften angibt. Das Ausmaß der verfügbaren Zugdaten ist zu groß, um ins Detail zu gehen. Wie jedoch in früheren Kapiteln bereits dargestellt, liefern PIM-Metallmaterialien vergleichbare Zugeigenschaften wie die in Handbüchern gefundenen, wenn Zusammensetzung und Wärmebehandlung dieselben sind.

Thermische Eigenschaften

Vier thermische Eigenschaften sind von Bedeutung: Schmelzbereich, Wärmekapazität, thermischer Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit. Die thermische Ausdehnung muss mit Silizium oder anderen dielektrischen Materialien übereinstimmen, die als Substrate verwendet werden. PIM-Materialien wie Aluminiumoxid haben einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der auf eine Übereinstimmung mit hochentwickelten Wärmeleitmaterialien wie Wolfram-Kupfer abzielt. Schmelztemperaturen für PIM-Legierungen sind im Wesentlichen dieselben wie für andere Fertigungsverfahren. Die Wärmekapazität ist ein Maß für die Wärmemenge, die in einem Material gespeichert ist, und wird häufig verwendet, um Wärme mit Temperaturänderung auf einer Masseneinheitsbasis in Beziehung zu setzen. Es gibt keinen wesentlichen Unterschied zwischen PIM-Materialien und demselben Material, das durch andere Fertigungsverfahren hergestellt wird.

Hersteller-zu-Hersteller-Variationen

Variationen in den Eigenschaften können zwischen Herstellern aufgrund von Unterschieden in den Ausgangsmaterialien, Verarbeitungszyklen und Faktoren wie Mikrostruktur, Verunreinigungen und Nachsintern-Wärmebehandlung erwartet werden. Innerhalb eines PIM-Betriebs ist die Eigenschaftsstreuung normalerweise gering. Wenn jedoch zwischen Betrieben verglichen wird, variieren Eigenschaften wie Schlagzähigkeit erheblich. Es gibt keinen standardisierten PIM-Prozess, daher muss der Benutzer unabhängige Überprüfungen der Eigenschaften suchen. Abbildungen, die die von Herstellern gemeldete Zugfestigkeit und Bruchdehnung für gängige Legierungen wie 316L-Edelstahl und 17-4-PH-Edelstahl zeigen, erhebliche Variationen zwischen Herstellern. Diese Variationen beeinflussen typischerweise nicht die Leistung, aber sie unterstreichen die Notwendigkeit standardisierter Materialien und Prozesse, um konsistente Eigenschaften zu liefern.

Materialkostenüberlegungen in PIM

Die Materialkosten sind eine wichtige Überlegung bei der Materialauswahl. Es besteht ein umgekehrter Zusammenhang zwischen Verwendung und Kosten; günstigere Materialien werden häufiger verwendet. Eisenlegierungen und Oxidkeramiken dominieren aufgrund ihrer niedrigeren Kosten. Einbettstoff- und Pulverpreise variieren je nach Zusammensetzung, und mit zunehmendem Verbrauch haben einige PIM-Qualitätspulver dramatische Preisnachlässe erlebt. Die endgültige Auswahl beginnt normalerweise damit, diejenigen Materialien herauszufiltern, die die Leistungsziele erfüllen, wobei wirtschaftliche Überlegungen dominieren. Obwohl eine breite Palette von Materialien und zugehörigen Eigenschaften über PIM verfügbar ist, basiert der Großteil der industriellen Nutzung auf nur wenigen Zusammensetzungen. Dazu gehören zwei Edelstähle (316L und 17-4 PH), Eisen-Nickel-Kohlenstoff-Stähle, drei Oxidkeramiken (Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und Zirkoniumdioxid), zwei elektronische Werkstoffe (Invar und Kovar), zwei Wolframlegierungen (Wolfram-Nickel-Eisen und Wolfram-Kupfer) und Hartmetalle (WC-Co-Typ-Zusammensetzungen).