Die Metallzerstäubung ist ein Verfahren zur Herstellung von feinen Metallpulvern für verschiedene Anwendungen. Dabei wird Metall geschmolzen und dann durch Gas oder Zentrifugalkraft in feine Tröpfchen zerlegt. Die Tröpfchen verfestigen sich schnell zu Pulverpartikeln. Metallzerstäubungssysteme sind die Geräte, mit denen dieser Prozess in industriellem Maßstab effizient durchgeführt werden kann.
Überblick über Metallzerstäubungssysteme
Metallzerstäubungssysteme bestehen aus einer Metallschmelzeinheit, einem Zerstäubungsmechanismus und einem Pulversammelsystem. Die Hauptkomponenten sind:
Metallschmelzgerät
- Schmelztiegel
- Induktionsspulen oder -elektroden
- Temperatursensoren
- Abdichtung mit Inertgas
Mechanismus der Zerstäubung
- Düsen für die Gaszerstäubung
- Rotierende Scheibe oder Becher für Zentrifugalzerstäubung
Pulver-Sammel-System
- Zyklonabscheider
- Beutelhausfilter
- Wäscher und Kondensatoren
Die Metallcharge wird zunächst im Tiegel durch Induktionserwärmung oder elektrische Widerstandserwärmung geschmolzen. Das geschmolzene Metall wird dann in die Zerstäubungssektion geleitet.
Bei der Gaszerstäubung treffen Hochdruckgasdüsen auf den Metallstrom und zerteilen ihn in feine Tröpfchen. Bei der Zentrifugalzerstäubung wird das geschmolzene Metall auf eine sich drehende Scheibe/einen Becher gegossen, die/der es aufgrund der Zentrifugalkraft radial in Tröpfchen schleudert.
Die Tröpfchen verfestigen sich schnell, wenn sie durch die Kühlkammer fallen, da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen sehr groß ist. Das Inertgas verhindert die Oxidation. Die verfestigten Pulverpartikel werden in den Abscheidern, Filtern und Kondensatoren gesammelt.
Arten von Metallzerstäubungsanlagen
Es werden hauptsächlich zwei Arten von Zerstäubungsmechanismen verwendet:
Gaszerstäubung
- Verwendet Hochdruck-Inertgasdüsen
- Kann feinere Pulver bis zu 10 Mikron herstellen
- Stickstoff, Argon als Zerstäubungsgase
Zentrifugale Zerstäubung
- Verwendet einen rotierenden Becher oder eine Scheibe
- Erzeugt gröbere Pulver über 20 Mikrometer
- Einfaches Design, kein Gashandling erforderlich
Vakuum-Zerstäubung
- Durchführung unter Vakuum anstelle von Inertgas
- Verringert die Gasaufnahme von Pulvern
Ultraschallzerstäubung
- Verwendet Ultraschallschwingungen zur Herstellung von Tropfen
- Für die Produktion im Forschungsmaßstab
Elektrostatische Zerstäubung
- Nutzt ein elektrisches Feld zur Zersetzung von Metallströmen
- Experimentelle Technik
Metallzerstäubung Systementwurf
Die wichtigsten Komponenten eines typischen Gaszerstäubungssystems sind:
Tabelle 1: Aufbau des Gaszerstäubungssystems
| Komponente | Einzelheiten |
|---|---|
| Schmelzeinheit | Induktionsschmelztiegel, Kapazität 50-2000 kg |
| Düse Montage | Mehrere eng gekoppelte Düsen, 2-5 mm Durchmesser |
| Überhitzung der Schmelze | Einspritzen von Stickstoff/Argon zur Überhitzung der Schmelze |
| Zerstäubungskammer | Wassergekühlt, 3-5 m Höhe |
| Gasversorgung | Stickstoff/Argon, 50-100 bar Druck |
| Zyklonabscheider | Mehrere Zyklone in Serie zur Pulversammlung |
| Endgültige Filter | Baghouse, Patronenfilter |
Das Design und die Anzahl der Düsen ist wichtig, um die gewünschte Verteilung der feinen Pulverpartikel zu erreichen. Die Höhe der Zerstäubungskammer lässt den Tröpfchen Zeit, sich vor dem Auffangen zu verfestigen.
Hochwertige Industriegase wie Stickstoff oder Argon werden aus Druckgasflaschen oder bauseitigen Generatoren zugeführt. Ihr Druck und ihre Durchflussmenge bestimmen die Tröpfchengröße.
Spezifikationen des Metallzerstäubungssystems
Typische Spezifikationen für Gaszerstäubungssysteme im industriellen Maßstab sind:
Tabelle 2: Spezifikationen des Metallzerstäubungssystems
| Parameter | Spezifikationen |
|---|---|
| Produktionskapazität | 10 kg/Std. bis 5000 kg/Std. |
| Partikelgröße | 10 - 150 Mikrometer |
| Metallarten | Nickel-, Eisen-, Kobalt- und Kupfer-Legierungen |
| Schmelztemperatur | 1600 °C max. |
| Gasdruck | 10 - 100 bar |
| Abkühlungsrate | 104 - 106 K/s |
| Pulverreinheit | 99.5% |
| Düsendesign | Ringspalt, diskreter Strahl |
| Zerstäubungsgas | Stickstoff, Argon |
Die Kapazität hängt von der Tiegelgröße ab und variiert von Labor-/Pilotanlagen mit 10 kg/h bis zu Großanlagen mit 5000 kg/h. Hauptsächlich werden Nickel-, Eisen- und Kobaltlegierungen zerstäubt, aber auch andere Metalle wie Aluminium- und Kupferlegierungen werden verarbeitet.
Hoher Gasdruck und schnelle Abkühlungsraten sorgen für feine mikroskopische Pulverpartikel im Größenbereich von 10-150 Mikron. Es können Pulver mit einer Reinheit von 99,5% gewonnen werden.
Metallzerstäubersystem Anwendungen
Zu den wichtigsten Anwendungen von durch Zerstäubung hergestelltem Metallpulver gehören:
Tabelle 3: Metallpulveranwendungen
| Industrie | Anwendungen |
|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Scheiben |
| Automobilindustrie | Sinterteile, Filter |
| Elektronik | Chip-Widerstände, Leiterbahnen |
| Additive Fertigung | 3D-Druck-Pulver |
| Chemisch | Katalysatoren, Pigmente |
| Biomedizinische | Implantate, Prothetik |
In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden Pulver aus Nickel- und Titanlegierungen zur Herstellung von Turbinenschaufeln und Scheiben mit komplexen Formen durch Pulvermetallurgie verwendet. Die Automobilindustrie verwendet zerstäubte Eisen- und Stahlpulver für Sinterteile wie Zahnräder.
Feine Kupfer- und Silberpulver dienen als Leiter und Widerstände in mikroelektronischen Anwendungen. Metallpulver sind das Ausgangsmaterial für additive Fertigungsverfahren wie den 3D-Druck.
Spezielle Legierungspulver werden als chemische Katalysatoren und Pigmente verwendet. Poröses Edelstahlpulver wird für orthopädische Knochenimplantate im biomedizinischen Bereich verwendet.
Vorteile von Metallzerstäubungsanlagen
Einige Vorteile der Metallzerstäubung bei der Pulverherstellung:
Tabelle 4: Vorteile der Metallzerstäubung
| Vorteile | Einzelheiten |
|---|---|
| Feinere Pulver | Mikrometer- bis Nanometergrößen |
| Enge Größenverteilung | Präzise Kontrolle der Partikelgröße |
| Hohe Reinheit | Vermeidung von Kontaminationen durch Fräsen |
| Niedrigere Kosten | Günstiger als mechanisches Schleifen |
| Kontrolle der Zusammensetzung | Legieren in der Schmelze möglich |
| Sphärische Partikel | Gute Fließfähigkeit |
| Vielseitig | Breite Palette von Legierungen zerstäubt |
Durch Gas- und Zentrifugalzerstäubung lassen sich im Vergleich zum mechanischen Mahlen feinere Metallpulver bis zu 10 Mikrometer herstellen. Die Partikelgrößenverteilung ist enger und lässt sich besser kontrollieren.
Da keine Mahlkörper beteiligt sind, ist die Reinheit des Pulvers höher. Die Investitions- und Betriebskosten sind niedriger als beim mechanischen Mahlen.
Legierungselemente können im Tiegel hinzugefügt werden, was eine flexible Zusammensetzung des Pulvers ermöglicht. Sphärische Pulverpartikel sorgen für eine gute Fließfähigkeit, die für die Formfüllung wichtig ist.
Nahezu jede Legierung, von Nitinol bis Inconel, kann bei entsprechender Kontrolle der Prozessparameter zerstäubt werden.
Beschränkungen der Metallzerstäubung
Einige Nachteile von Metallzerstäubungssystemen sind:
Tabelle 5: Beschränkungen der Metallzerstäubung
| Beeinträchtigungen | Einzelheiten |
|---|---|
| Hoher Schmelzpunkt | Begrenzt auf niedrig schmelzende Metalle |
| Reaktive Metalle | Schwierige Zerstäubung reaktiver Metalle wie Titan, Aluminium |
| Gasabnehmer | Absorbierte Gase beeinträchtigen die Pulverqualität |
| Satellitenteilchen | Einige größere unregelmäßige Partikel entstanden |
| Hohe Kapitalkosten | Große Investitionen für großes System erforderlich |
Metalle mit sehr hohen Schmelzpunkten über 1800°C wie Wolfram und Molybdän lassen sich aufgrund der Tiegelbeschränkungen nur schwer zerstäuben. Reaktive Metalle wie Titan und Aluminium erfordern ein Vakuum oder eine inerte Atmosphäre.
Die während des Zerstäubungsvorgangs absorbierten Gase beeinflussen die Pulvereigenschaften. Bei der Zerstäubung bilden sich neben kugelförmigen Partikeln auch einige unregelmäßig geformte Satellitenpartikel.
Groß angelegte Metallzerstäubungsanlagen erfordern hohe Investitionen von über $2 Millionen. Auch die Betriebskosten sind relativ hoch.
Lieferanten von Metallzerstäubungsanlagen
Einige der weltweit führenden Anbieter von Metallzerstäubungsanlagen sind:
Tabelle 6: Lieferanten von Metallzerstäubungsanlagen
| Unternehmen | Standort | Skala |
|---|---|---|
| Phoenix Scientific | Rockwood, USA | Vom Labor zur Industrie |
| Herstellung von Metallpulvern | Manchester, UK | Vom Labor zur Industrie |
| ASK Chemicals | Hilden, Deutschland | Vom Labor zur Industrie |
| ZenniZ | Moskau, Russland | Industriell |
| ALD-Vakuum | Hanau, Deutschland | Industriell |
Diese Unternehmen bieten Gas-, Zentrifugal- und Vakuumzerstäubungssysteme mit Kapazitäten von 5 kg/h im Labor-/Pilotmaßstab bis zu 2000 kg/h im Großmaßstab an. Es werden schlüsselfertige Systeme mit Schmelz-, Zerstäubungs- und Pulverhandhabungseinheiten angeboten.
Die Preise für Zerstäubungssysteme reichen von $100.000 für Laborgeräte bis zu über $2 Millionen für Industrieanlagen, je nach Kapazität und Ausstattung. Standort, Steuern, Transport usw. wirken sich ebenfalls auf den Preis aus.
Installation einer Metallzerstäubungsanlage
Die wichtigsten Schritte bei der Installation eines Metallzerstäubungssystems sind:
Tabelle 7: Installation des Metallzerstäubers
| Bühne | Aktionen |
|---|---|
| Vorbereitung des Standorts | Nivellierung des Betonbodens, Installation von Versorgungsleitungen |
| Montage | Zusammenbau von Untereinheiten wie Tiegel, Düsenteil |
| Verbindungen | Anschluss von Gasleitungen, Kühlwasser, Rohrleitungen |
| Inbetriebnahme | Testlauf leer, Dichtheitsprüfung, Versuch mit geringer Kapazität |
| Sicherheitskontrollen | Installation von Notausschaltern, Feuerlöschanlagen und Alarmen |
| Ausbildung des Personals | Schulung des Personals in Betrieb und Wartung des Systems |
Da die Geräte schwer sind, muss der Standort über einen ebenen, vibrationsfreien Betonboden verfügen. Versorgungseinrichtungen wie Kühlwasser, Inertgas und Abluftkanäle müssen angeschlossen werden.
Die Anlage wird dann zusammengebaut, ausgerichtet, auf Dichtheit geprüft und vor der eigentlichen Heißinbetriebnahme zunächst leer gefahren. Die Sicherheitssysteme für Notabschaltung, Brand oder Schmelzeleckage müssen funktionsfähig sein.
Eine gründliche Schulung des Bedienpersonals durch den Verkäufer ist für einen reibungslosen Betrieb unerlässlich.
Betrieb und Instandhaltung eines Metallzerstäubers
Zu den wichtigsten Aspekten des Betriebs eines Metallzerstäubungssystems gehören:
Tabelle 8: Betrieb des Metallzerstäubers
| Aktivitäten | Einzelheiten |
|---|---|
| Handhabung von Rohstoffen | Geeignete Handschuhe und Behälter für Metallladung verwenden |
| Reinigung von Tiegeln | Entfernen von Rückständen und Schlacke durch Schleifen, Beizen |
| Auskleidung des Tiegels | Auskleidung inspizieren, bei Bedarf neu beschichten/ersetzen |
| Prozessparameter | Aufrechterhaltung der richtigen Temperatur, des Drucks und der Durchflussmengen |
| Zustand der Düse | Düsen auf Verschleiß und Verstopfung prüfen |
| Handhabung des Pulvers | Sicherstellen, dass die Behälter und die Übergabeverfahren ordnungsgemäß sind |
| Geräteinspektion | Dichtungen, Anschlüsse, Sicherheitssysteme prüfen |
| Wartung | Planen Sie vorbeugende Wartung, Reparaturen |
Beim Umgang mit rohen Metallteilen sollte eine geeignete Schutzausrüstung getragen werden, um Verunreinigungen zu vermeiden. Der Schmelztiegel muss regelmäßig gereinigt und die feuerfeste Auskleidung gewartet werden.
Die sorgfältige Überwachung von Prozessparametern wie Temperatur, Druck und Gasfluss ist wichtig. Düsen, insbesondere für die Gaszerstäubung, müssen regelmäßig überprüft und ausgetauscht werden.
Das produzierte feine Pulver muss vorsichtig gehandhabt werden, um Expositionsrisiken zu vermeiden. Regelmäßige Inspektionen helfen dabei, Lecks und Schäden zu erkennen und sicherzustellen, dass alle Sicherheitssysteme funktionieren. Um Ausfälle zu vermeiden, sollte eine vorbeugende Wartung geplant werden.
Auswahl eines Lieferanten für Metallpulverzerstäuber
Schlüsselfaktoren bei der Auswahl eines Anbieters von Metallzerstäubungssystemen:
Tabelle 9: Auswahl eines Lieferanten für Metallzerstäuber
| Kriterien | Überlegungen |
|---|---|
| Technisches Fachwissen | Erfahrung, Fachpersonal |
| Angebot an Ausrüstung | Systeme im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab |
| Erfolgsbilanz | Einschlägige Fallstudien, Kundenliste |
| Personalisierung | Flexibilität für spezifische Anforderungen |
| Service nach dem Verkauf | Installationsunterstützung, Wartungsverträge |
| Preis | Zitate passend zum Budget |
| Verlässlichkeit | Verarbeitungsqualität und bewährte Leistung |
| Sicherheit | Erfüllt alle Sicherheitsnormen der Industrie |
| Zertifizierung | ISO- oder andere Qualitätszertifizierung |
Suchen Sie nach einem etablierten Unternehmen mit Erfahrung in den Bereichen thermisches Spritzen oder Pulvermetallurgie. Es sollte die gesamte Palette an Zerstäubern anbieten, vom Laborprototypen bis zur Großserienfertigung.
Fordern Sie Kundenreferenzen und Fallstudien an, die für Ihre spezifische Anwendung relevant sind. Suchen Sie nach maßgeschneiderten Lösungen für Ihren Kapazitätsbedarf und Ihre Pulvereigenschaften.
Bewerten Sie den Kundendienst wie Installationsüberwachung, Bedienerschulung, Wartungsverträge usw. Berücksichtigen Sie den Preis, aber geben Sie der Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit den Vorrang.
Schlussfolgerung
Die Metallzerstäubung ist ein effizientes Verfahren zur Herstellung von sauberen, kugelförmigen, feinen Metallpulvern aus verschiedenen Legierungen für fortschrittliche Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der additiven Fertigung und anderen Branchen.
Gas- und Zentrifugalzerstäubungssysteme bestehen aus den Untereinheiten Metallschmelzen, Tröpfchenbildung und Pulversammlung. Um die gewünschten Partikelgrößen und Pulvereigenschaften zu erhalten, ist eine sorgfältige Planung erforderlich.
Führende Hersteller bieten Standard- und kundenspezifische Zerstäubungssysteme für kleine bis große industrielle Kapazitäten mit entsprechendem Kundendienst an. Die Wahl des richtigen Anbieters und die Einhaltung guter Betriebsverfahren gewährleisten einen reibungslosen Betrieb und eine maximale Pulverproduktion.
FAQs
F: Was ist der typische Leistungsbereich von Metallzerstäubungssystemen?
A: Metallzerstäubungssysteme sind mit Kapazitäten von 10 kg/h für den Labor-/Pilotmaßstab bis zu über 5000 kg/h für die industrielle Großserienproduktion erhältlich. Größere Kapazitäten bis zu 10.000 kg/Std. sind ebenfalls möglich.
F: In welchen Branchen wird die Metallzerstäubung häufig eingesetzt?
A: Zu den Schlüsselindustrien, die Metallzerstäubung einsetzen, gehören die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die additive Fertigung, die Pulvermetallurgie, die Elektronik und die chemische Industrie. Die feinen, kugelförmigen Pulver werden für die Herstellung kritischer Komponenten verwendet.
F: Wie fein kann die Partikelgröße des Pulvers eingestellt werden?
A: Bei der Gaszerstäubung können durch eine optimale Auslegung der Düsen, des Gasdrucks und der Durchflussmengen Pulvergrößen bis zu 10 Mikrometer erreicht werden. Bei der Zentrifugalzerstäubung werden in der Regel gröbere Pulver mit einer Größe von über 20 Mikrometern erzeugt.
F: Welche Metalle können zerstäubt werden?
A: Die meisten technischen Metalle mit einem Schmelzpunkt unter 1800°C können verdüstert werden. Gängige Beispiele sind Nickel-, Eisen-, Kobalt- und Titan-Legierungen. Einige reaktive Metalle wie Aluminium und Magnesium können ebenfalls unter kontrollierten Bedingungen verdampft werden.
F: Welche Gase werden bei der Gaszerstäubung verwendet?
A: Stickstoff und Argon werden aufgrund ihrer Inertheit und Verfügbarkeit am häufigsten verwendet. In einigen Fällen werden auch Sauerstoff oder Luft verwendet, die jedoch das Pulver verunreinigen können.
F: Wie hoch sind die Betriebskosten von Zerstäubungssystemen?
A: Die Betriebskosten sind höher als beim mechanischen Fräsen, da eine kontinuierliche Versorgung mit Hochdruckgas erforderlich ist. Auch die elektrische Energie für die Induktionserwärmung und die Wartung von Tiegeln und Düsen erhöhen die Kosten.
F: Welche Sicherheitsaspekte müssen beachtet werden?
A: Hochtemperatur-Metallschmelzen, inerte Gase unter Druck und feines brennbares Pulver erfordern eine sorgfältige Handhabung und Sicherheitssysteme zum Schutz vor Feuer und Explosionen. Eine ordnungsgemäße Bedienerschulung ist ein Muss.
F: Welche Wartung ist für die Geräte erforderlich?
A: Die Inspektion und der Austausch von Düsen, die Reparatur/ das Auskleiden von Tiegeln, die Überprüfung von Leckagen und die Reinigung von Luftfiltern sind typische Wartungsaufgaben. Eine planmäßige vorbeugende Wartung minimiert Ausfälle.
F: Können Metalllegierungen zerstäubt werden?
A: Ja, Metalllegierungen können leicht zerstäubt werden, indem man die Legierungselemente wie Chrom, Aluminium und Titan in genauen Anteilen in den Schmelztiegel gibt, um die gewünschte Zusammensetzung zu erhalten.
F: Kann die Metallzerstäubung in kleinem Maßstab durchgeführt werden?
A: Ja, Laborzerstäuber mit Schmelztiegeln von 1 bis 5 kg Fassungsvermögen sind von Lieferanten für die Herstellung kleiner Mengen von Pulver zu Forschungs- und Entwicklungszwecken erhältlich. Die Betriebskosten pro kg sind jedoch höher.