Zerstäubungsprozess von Metallpulver

Verfahren zur Pulverherstellung durch Auftreffen oder anderweitiges Zerkleinern von Metall- oder Legierungsschmelzen in kleinste Tröpfchen mittels eines schnell strömenden Fluids (Zerstäubungsmedium) und anschließendes Kondensieren zu festem Pulver. Die Zerstäubung ist die beste Methode zur Herstellung von vollständig legiertem Pulver, dem sogenannten vorlegierten Pulver. Jedes Pulverpartikel weist nicht nur die gleiche, einheitliche chemische Zusammensetzung wie die jeweilige Schmelze auf, sondern zeigt aufgrund der schnellen Erstarrung auch eine verfeinerte Kristallstruktur und verhindert die Makroseigerung der zweiten Phase.

Die Zerstäubungsmethode lässt sich in zwei Arten unterteilen: die „Zweistrommethode“ (Zerkleinerung der Legierungsflüssigkeit durch Zerstäubungsmedium) und die „Einstrommethode“ (Zerkleinerung der Legierungsflüssigkeit auf andere Weise). Erstere wird in die Verwendung von gasförmigen (Helium, Nebel, Stickstoff, Luft) und flüssigen (Wasser, Öl) Zerstäubungsmedien unterteilt, letztere in Methoden wie Zentrifugalzerstäubung und Vakuumzerstäubung mit gelösten Gasen.

Die gängigsten Verfahren sind die Gas- und die Wasserzerstäubung. Bei der Zerstäubung wird das Rohmetall in einem Elektro- oder Induktionsofen zu einer geeigneten Legierungsschmelze (überhitzt auf 100–150 °C) aufgeschmolzen und anschließend in einen Verteiler oberhalb der Zerstäubungsdüse eingespritzt. Die Legierungsschmelze tritt aus der Bodenöffnung des Verteilers aus und wird durch den Hochgeschwindigkeits-Luft- oder Wasserstrom an der Düse in kleine Tröpfchen zerstäubt. Im Allgemeinen sind die mit Inertgas zerstäubten Pulverpartikel rundlich, weisen einen sehr geringen Sauerstoffgehalt (unter 100 × 10⁻⁵) auf und können direkt durch Thermoformverfahren wie das Heißisostatische Pressen zu verdichteten Produkten verarbeitet werden. Die meisten mit Wasser zerstäubten Pulverpartikel sind unregelmäßig geformt, haben einen hohen Sauerstoffgehalt (über 600 × 10⁻⁵) und müssen geglüht werden. Sie sind jedoch gut kompressibel und können durch Kaltpressen geformt und anschließend zu mechanischen Bauteilen gesintert werden.

Das oben genannte Zerstäubungsverfahren lässt sich leicht in großen Mengen industrialisieren. Da die Legierungsschmelze jedoch mit der Schlacke und dem feuerfesten Tiegel in Kontakt kommt, gelangen unweigerlich nichtmetallische Einschlüsse in das resultierende Pulver. Daher rüstete die schwedische Firma Söderfors Powder Company nach dem ESR-Prinzip zunächst ihren 7-Tonnen-Verteiler auf eine ESR-Anlage (Elektroschlackeheizung) um. Dadurch konnte der Anteil nichtmetallischer Einschlüsse im Schnellarbeitsstahlpulver durch Stickstoffzerstäubung auf ein Zehntel des ursprünglichen Wertes reduziert und die Biegefestigkeit des ASP-Schnellarbeitsstahlpulvers von 3500 MPa auf über 4000 MPa erhöht werden.

Um Oxidverunreinigungen vollständig und effektiv zu vermeiden, empfiehlt sich die Anwendung des „Einstrom“-Zerstäubungsverfahrens, beispielsweise der Rotationselektrodenzerstäubung (siehe Rotationselektrodenverfahren). Alternativ kann auch die Vakuumlösungszerstäubung hochreines sphärisches Pulver erzeugen. Das Prinzip beruht darauf, dass eine unter Druck stehende, mit Gas übersättigte Legierungsflüssigkeit plötzlich einem Vakuum ausgesetzt wird. Dabei entweicht das gelöste Gas und dehnt sich aus, wodurch die Legierungsflüssigkeit zerstäubt und zu Pulver kondensiert. Bei Legierungen mit Nickel-, Kupfer-, Kobalt-, Eisen- und Aluminiummatrix kann die Zerstäubung mittels Wasserstofflösung im Vakuum erfolgen.