Übersicht
Pulver aus rostfreiem Stahl bezieht sich auf feine Edelstahlpartikel, die als Ausgangsmaterial für Fertigungstechniken wie Metallspritzguss (MIM), additive Fertigung (AM) und konventionelle Press- und Sinterpulvermetallurgie verwendet werden. Die Kontrolle der Eigenschaften von Edelstahlpulver wie Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Morphologie und Mikrostruktur ist entscheidend für die Eigenschaften der fertigen Komponenten.
Zu den gängigen Edelstahlsorten, die in Pulverform erhältlich sind, gehören:
- Austenitische Sorten - 304L, 316L, 303L, 17-4PH
- Martensitische Sorten - 420, 440C
- Duplex/ferritisch - Sonderlegierungen
Zerstäubung und das Hoganas-Verfahren zur Reduktion von Edelstahloxiden sind die vorherrschenden Produktionsverfahren.
Produktionsverfahren für Edelstahlpulver
| Methode | Wesentliche Merkmale | Wichtigste Anwendungen |
|---|---|---|
| Gaszerstäubung | Sphärische Pulver für AM | Komponenten für die Luft- und Raumfahrt |
| Wasserzerstäubung | Unregelmäßige Formen, geringere Kosten | Automobilteile |
| Hoganas-Prozess | Reduziert Oxide zu Legierungspulvern | Hohe Reinheitsanforderungen |
| Carbonyl-Verfahren | Ultrafeine kugelförmige Pulver | MIM-Komponenten |
Legierungssorten und Zusammensetzungen
Pulver aus nichtrostendem Stahl enthalten Eisen, das mit Chrom, Nickel, Molybdän und Mangan in unterschiedlicher Zusammensetzung legiert ist:
Austenitisches Edelstahlpulver
Austenitisches rostfreies Stahlpulver wie 316L und 304L ist nicht magnetisch und hat eine austenitische FCC-Kristallstruktur. Übliche Zusammensetzungen sind:
| Legierungselement | Rolle | Gewicht % Bereich |
|---|---|---|
| Chrom | Korrosionsbeständigkeit | 16-18% |
| Nickel | Austenit-Stabilisator | 10-14% |
| Molybdän | Widersteht Lochfraß und Spaltkorrosion | 2-3% |
| Mangan | Ersatzstoff für Nickel | Bis zu 2% |
| Stickstoff | Erhöht die Festigkeit | 0.1-0.25% |
Vorteile: Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, gute Schweißbarkeit und Umformbarkeit. Die am häufigsten verwendete Sorte.
Martensitisch Edelstahl-Pulver
Martensitische rostfreie Stahlpulver wie 420, 440C erreichen hohe Festigkeit und mäßige Korrosionsbeständigkeit mit Zusammensetzungen wie:
| Legierungselement | Rolle | Gewicht % Bereich |
|---|---|---|
| Chrom | Korrosionsbeständigkeit | 12-18% |
| Kohlenstoff | Härtbarkeit | 0.2-1.0% |
| Molybdän | Erhöht die Korrosionsbeständigkeit | 0.2-1% |
| Vanadium | Hartmetall-Former | Bis zu 1% |
Vorteile: Sehr hohe Härtefähigkeit bis zu 60 HRC nach der Wärmebehandlung.
Duplex-Edelstahl-Pulver
Duplex-Pulver aus rostfreiem Stahl kombiniert sowohl ferritische als auch austenitische Strukturen, um ein Gleichgewicht zwischen hoher Festigkeit, guter Duktilität und Zähigkeit zu schaffen.
| Legierungselement | Rolle | Gewicht % Bereich |
|---|---|---|
| Chrom | Korrosionsbeständigkeit | 21-26% |
| Nickel | Austenit-Stabilisator | 5-8% |
| Molybdän | Lochfraß-/Kreisspaltfestigkeit | 2-4% |
| Stickstoff | Stärkt Ferrit | 0.2-0.3% |
Vorteile: Doppelte Festigkeit im Vergleich zu austenitischen Güten. Gute Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion.
Produktionsmethoden
Zur Herstellung von Edelstahlpulvern werden verschiedene Verfahren eingesetzt:
Gaszerstäubung
Bei der Gaszerstäubung wird der geschmolzene Edelstahl durch einen Inertgasstrahl in feine Tröpfchen zerlegt, die sich schnell zu kugelförmigen Pulvern verfestigen, die sich ideal für Metall-AM und MIM eignen.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Partikelform | Hochgradig kugelförmig |
| Partikelgröße | 15-45 μm typisch |
| Sauerstoffgehalt | <0,5% |
| Produktionsmaßstab | Mittel-hoch |
Wasserzerstäubung
Bei der Wasserzerstäubung wird eine Edelstahlschmelze durch Druckluft oder Wasser in feine, unregelmäßige Pulver mit höherem Sauerstoffgehalt zerlegt, die sich für Press- und Sinterverfahren eignen.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Partikelform | Unregelmäßig |
| Partikelgröße | 20-150 μm |
| Sauerstoffgehalt | 0.8-1.5% |
| Produktionsmaßstab | Sehr hoch |
Carbonyl-Eisen-Verfahren
Metallcarbonyls werden zersetzt, um sehr feine Edelstahlpartikel mit Chromlegierungszusätzen zu erzeugen, die sich für das Mikropulverspritzgießen eignen.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Partikelform | Sphärisch |
| Partikelgröße | 2-5 μm |
| Sauerstoffgehalt | <0,2% |
| Produktionsmaßstab | Unter |
Oxidreduktionsverfahren (Hoganas)
Die Oxide von Edelstahlschrott werden bei hohen Temperaturen reduziert, wodurch unregelmäßig geformte Pulver mit optimierten Sauerstoff-/Stickstoffgehalten entstehen.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Partikelform | Unregelmäßig |
| Partikelgröße | 45-150 μm |
| Sauerstoffgehalt | <0,6% |
| Produktionsmaßstab | Hoch |
Eigenschaften des Pulvers
Kritisch Pulver aus rostfreiem Stahl Merkmale umfassen:
Partikelgrößenverteilung
Laserbeugungsanalysatoren bestimmen die Größenverteilung über den gesamten Bereich von Nanometern bis Millimetern. Die Anpassung der Partikelgrößen an die Möglichkeiten der Produktionsmethode ermöglicht eine Maximierung der Dichte.
| Wichtige Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| D10, D50, D90 | Größe, unterhalb derer 10%, 50%, 90% Partikel nach Volumen existieren |
| Mittlere Größe | Maß der zentralen Tendenz |
| Spanne = (D90-D10)/D50 | Breite der Verteilung |
Morphologie der Partikel
Die Rasterelektronenmikroskopie offenbart feine Details der Partikelform, die das Verhalten des Pulvers beeinflussen. Glatte, kugelförmige Partikel verbessern den Fluss und die Packungsdichte.
Scheinbare Dichte und Klopfdichte
Mit Hilfe von Durchflussmessertrichtern wird ermittelt, wie leicht sich Pulver verfestigen, was auf eine einfache Handhabung und Komprimierung in feine Formabschnitte oder komplizierte 3D-Geometrien hindeutet.
| Parameter | Typischer Bereich |
|---|---|
| Scheinbare Dichte | 2 - 3 g/cc |
| Dichte des Gewindebohrers | 3 - 4 g/cc |
Merkmale der Strömung
Hall-Durchflussmessgeräte korrelieren gut mit der Schichtfüllleistung bei Binder-Jet-AM-Methoden durch optimierte Fließfähigkeit des Edelstahlpulvers, die den Anforderungen der Geräte entspricht.
Anwendungen von Edelstahl-Pulver
Die einzigartigen Eigenschaften von Edelstahlpulvern machen sie zu einem wichtigen Werkstoff:
Additive Fertigung von Metall
Pulverbettschmelzverfahren wie das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen verwenden feine Edelstahlpulver zur direkten Herstellung komplexer dreidimensionaler Bauteile wie Laufräder und reaktive Behälter.
Metall-Spritzgießen (MIM)
Durch Mischen von feinem Edelstahlpulver mit Bindemitteln und anschließendes Spritzgießen und Sintern werden kleine Präzisionsteile wie Zahnräder, Ventile und Düsen in großen Mengen hergestellt.
Press- und Sinter-Pulvermetallurgie
Durch Verdichten und Sintern von Edelstahlpulvern entstehen poröse Strukturen wie Filter oder selbstgeschmierte Lager.
Oberflächenbeschichtungen
Das atmosphärische Plasmaspritzen von Edelstahlpulvern erzeugt dauerhafte Schutzschichten, die Verschleiß, Abrieb und Korrosion widerstehen.
Normen und Spezifikationen
Strenge chemische Grenzwerte und Pulvereigenschaften sind vorgeschrieben, um kritische Anwendungsanforderungen zu erfüllen:
Chemiekontrolle
Normen wie ASTM A743, AMS 5604, 5743 regeln:
- Legierungsanteile von Fe, Cr, Ni, Mn zur Erzielung spezifischer Mikrostrukturen und Korrosionsbeständigkeit
- Verunreinigungsgrenzwerte für S, P, Si, N, O zur Festlegung von Kontaminationsschwellen
- Geringfügige Spurenelemente wie Mo, Cu, Co verbessern die Leistung
Eigenschaften des Pulvers
Zu den wichtigsten Qualitätsmerkmalen gehören:
| Parameter | Typische Spezifikation | Prüfverfahren |
|---|---|---|
| Mittlere Partikelgröße | 15-45 μm für AM | Laserbeugung |
| Scheinbare Dichte | > 2,5 g/cc | Hall-Durchflussmessung |
| Dichte des Gewindebohrers | > 3 g/cc | Scott-Volumenzähler |
| Durchflussmenge | >23 sec/50g | Hall-Durchflussmessung |
| Verlust bei Zündung | <1% | Thermogravimetrische Analyse |
Die Normen entwickeln sich ständig weiter und schreiben strengere Kontrollen der Chemie und der Pulvereigenschaften vor, um den wachsenden Anforderungen der Anwendungen und der Sicherheit in Hochleistungssektoren gerecht zu werden.
Lieferanten und Preisgestaltung
Zu den weltweit führenden Herstellern von Edelstahlpulver gehören:
| Anbieter | Hauptsitz | Produktionskapazitäten |
|---|---|---|
| Sandvik Fischadler | UK | Gaszerstäubung |
| Hoganas | Schweden | Wasserzerstäubung, Oxidreduktion |
| CNPC-Pulver | China | Gas-, Wasserzerstäubung |
| Schreiner | USA | Gas-, Wasserzerstäubung |
Die Kosten variieren je nach:
- Grundzusammensetzung - höhere Legierungsgrade sind teurer
- Produktionsmethode Reinheit
- Verarbeitung zur Anpassung der Partikeleigenschaften
- Einkaufsvolumen - Verträge ermöglichen niedrigere Preise
| Klasse | Kostenvoranschlag |
|---|---|
| 304L | $15 - $30 pro kg |
| 17-4PH | $30 - $60 pro kg |
| Benutzerdefiniertes Duplex/Margaging | $60 - $150 pro kg |
Pro und Kontra
Vorteile
- Korrosionsbeständigkeit
- Thermische/elektrische Eigenschaften
- Flexibilität bei der Herstellung - schweißbar
Abwägungen
- Teurer als Kohlenstoffstähle
- Geringere Duktilität als bei austenitischen Legierungen
- Schwierige Bearbeitung treibt die Kosten
Vergleich von Pulvern aus nichtrostendem Stahl mit Alternativen:
| Parameter | Rostfreier Stahl | Werkzeugstahl | Martensitaushärtender Stahl |
|---|---|---|---|
| Korrosionsbeständigkeit | Ausgezeichnet | Unter | Mittel |
| Wärmeleitfähigkeit | Unter | Höher | Höchste |
| Stärke | Mittel | Höher | Höchste |
| Kosten | Mittel | Niedrig | Höchste |
FAQs
F: Welches ist das in der Metall-AM am häufigsten verwendete Edelstahlpulver?
A: Gasverdüstes 316L-Edelstahlpulver wird aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit, seiner Verfügbarkeit und seines günstigen Preises häufig in Pulverschmelzverfahren wie SLM und EBM eingesetzt.
F: Wie hoch sind die Kosten für rostfreies Stahlpulver im Vergleich zu Werkzeugstählen oder Nickellegierungen?
A: Nichtrostende Stähle kosten im Allgemeinen mehr als Werkzeugstähle, aber weniger als Edelmetalllegierungen wie Nickelsuperlegierungen, die in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet sind. Einzigartige Zusammensetzungen können zu drastischen Preisunterschieden führen.
F: Was beeinflusst die Wiederverwendungsrate von Edelstahlpulver beim Binder-Jet-Druck?
A: Die Einhaltung einer strikten Schichtdickengleichmäßigkeit und die Verantwortlichkeit für das Verhältnis von frischem zu recyceltem Pulver pro Auftrag tragen dazu bei, die Auswirkungen von Kaltverfestigung und Verunreinigung zu begrenzen, so dass eine Wiederverwendung bis zu 20 Mal möglich ist, bevor ein vollständiger Nachschub erfolgt.
F: Warum wird eine hohe Schüttdichte für Edelstahlpulver in MIM-Rohstoffen bevorzugt?
A: Eine höhere Schüttdichte verbessert die Homogenität der Pulver-Bindemittel-Mischung und ermöglicht eine einfachere Formfüllung ohne Probleme mit der Bindemittelfülle, die zu inneren Hohlräumen und Senken führt, die die mechanische Leistung beeinträchtigen.
F: Welche Sorten bieten die beste Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und hoher Festigkeit?
A: Duplex-Edelstahlpulver wie 2304 bieten eine doppelt so hohe Festigkeit wie 304 und 316, wobei die Lochfraß- und Spaltfestigkeit durch den hohen Chrom- und Molybdängehalt der von 316 entspricht.
