Metaalpoeders worden veel gebruikt in additieve productie, metaalspuitgieten en andere poedermetallurgietoepassingen. Dit artikel geeft een overzicht van verschillende metaalpoeders, productiemethoden, eigenschappen, specificaties, toepassingen en prijzen, leverancier metaalpoeder en de voordelen en beperkingen van poedergebaseerde technologieën.
Overzicht van metaalpoeders
Metaalpoeders verwerkt tot componenten voor eindgebruik bieden voordelen zoals:
- Aangepaste legeringen/samenstellingen onbereikbaar via metallurgie van ingots
- Ingewikkelde, lichtgewicht geometrieën door additieve productie
- Netto vormvervaardiging met minder afval versus subtractieve methoden
- Isotrope eigenschappen van snel stollen versus gieten
Veel voorkomende metaalpoeders variëren van roestvast staal, gereedschapsstaal en superlegeringen tot titanium, aluminium, koper en exotische legeringen. Productie via atomisering met inert gas, atomisering met water en plasma roterende elektroden maken het mogelijk om de deeltjesgrootteverdeling, morfologie en microstructuur af te stemmen op verschillende toepassingen.
Metaal Poeder Soorten
Roestvrij staal
Austenitische en martensitische roestvrijstalen poeders zoals 316L, 420 en 17-4PH bieden een goede corrosiebestendigheid en een hoge hardheid na een warmtebehandeling:
| Cijfer | Eigenschappen | Toepassingen |
|---|---|---|
| 316L | Uitstekende corrosiebestendigheid, grote lasbaarheid/vormbaarheid | Pompen, kleppen, scheepshardware |
| 420 | Hoge hardheid, slijtvastheid | Snijgereedschappen, lagers |
| 17-16 uur | Hoge sterkte, matige corrosiebestendigheid, goede taaiheid na veroudering | Ruimtevaart en industriële componenten |
Gereedschapsstaal
Luchthardende gereedschapsstalen zoals H13 en D2 bieden zeer hoge hardheidsniveaus na warmtebehandeling:
| Cijfer | Hardheidsbereik | Toepassingen |
|---|---|---|
| H13 | 50-55 HRC | Spuitgietmatrijzen, matrijzen, gereedschappen |
| P20 | 30-40 HRC | Kunststof spuitgietmatrijzen |
| D2 | 60-62 HRC | Snijgereedschappen, vormmatrijzen |
Superlegeringen
Legeringen op basis van nikkel, ijzer en kobalt bieden een uitzonderlijke sterkte bij hoge temperaturen voor extreme omgevingen:
| Cijfer | Max. onderhoudstemperatuur | Toepassingen |
|---|---|---|
| Inconel 718 | 700°C | Ruimtevaartcomponenten en -systemen |
| Inconel 625 | 980°C | Luchtvaartturbines, petrochemische apparatuur |
| Haynes 282 | 870°C | Straalmotoronderdelen, landturbines |
| Kobalt Chroom | 500°C | Medische/tandheelkundige implantaten |
Aluminium en titanium
Lichte metalen zoals aluminium en titaniumlegeringen maken lichtgewicht structuuronderdelen mogelijk in combinatie met een goede corrosiebestendigheid (Ti) en een hoge sterkte-gewichtsverhouding:
| Cijfer | Toepassingen |
|---|---|
| AlSi10Mg | Ruimtevaart- en auto-onderdelen, prototypes |
| Ti-6Al-4V | Structurele onderdelen voor de ruimtevaart, biomedische implantaten |
Koper & wolfraam
Koper biedt een hoge thermische en elektrische geleidbaarheid, terwijl wolfraamkwaliteiten een extreme hardheid en dichtheid tot 18 g/cc bieden:
| Materiaal | Toepassingen |
|---|---|
| Koper | Koellichamen, elektroden, lastips |
| Wolfraam zware legeringen | Stralingsafscherming, trillingsdemping |
Exotische legeringen
Geavanceerde kwaliteiten zijn onder andere edelmetalen, vuurvaste metalen en permanente magneten met zeldzame aarden:
| Cijfer | Samenstelling | Toepassingen |
|---|---|---|
| Elgiloy | Co-Cr-Ni + sporenelementen | Medische apparatuur, bevestigingsmiddelen |
| Nitinol | Nikkel-titanium | Actuators, cryogene toepassingen |
| Neodymium magneten | Nd-Fe-B | Motoren, generatoren, sensoren |
Deze maken gespecialiseerde elektrische, magnetische, thermomechanische en biocompatibele eigenschappen voor nichetoepassingen mogelijk.
Productie methodes
Gasverstuiving is de primaire techniek voor het maken van gedefinieerde deeltjesgrootteverdelingen die geoptimaliseerd zijn voor additieve productie, spuitgieten van metaal enz. Waterverstuiving dient kostengedreven toepassingen zoals poederinjectiebussen en filters.
Gasverstuiving
Inert gas onder hoge druk (meestal argon of stikstof) snijdt fijne gesmolten metaaldruppeltjes af van de smeltstroom die snel stollen tot bolvormige poeders die ideaal zijn voor laag-voor-laag versmelting. De gewenste chemie en microstructuur worden vóór de verstuiving in de legering ingebouwd. Dit zorgt voor een hoge poederzuiverheid en consistente samenstelling op maat van de functionaliteit van het onderdeel.
Waterverneveling
In dit proces wordt een stroom gesmolten metaal door waterstralen met hoge snelheid uiteengerafeld in fijne deeltjes die snel afkoelen om onregelmatige vormen te krijgen. Het is een goedkoper proces dat nuttig is voor toepassingen met grote volumes waarbij losse poedereigenschappen acceptabel zijn.
Roterend elektrodeproces
Bij deze methode smelt een elektrische boog een roterende staaf die in een plasmatoorts wordt gevoerd. Het verdampte metaal condenseert in een inerte gasatmosfeer en de ronddraaiende gesmolten deeltjes vormen een bolvormig poeder. Het biedt extreem fijne controle over de deeltjesgrootteverdeling voor nichetoepassingen.
Eigenschappen en specificaties
Belangrijke poederkenmerken zoals deeltjesvorm, grootteverdeling, stroomsnelheid en schijnbare dichtheid bepalen de prestaties in downstreamprocessen zoals additieve productie:
| Parameter | Typisch bereik | Betekenis |
|---|---|---|
| Deeltjesvorm | Bolvormig heeft de voorkeur | Beïnvloedt verpakkingsdichtheid, vloeibaarheid, smeerbaarheid tijdens het printen |
| Grootteverdeling | 15-45 μm typisch | Invloed min feature resolutie, oppervlakteafwerking, dichtheid |
| Stroomsnelheid | 25-40 s/50g | Geeft aan dat het poeder vloeibaar en smeerbaar is en minder agglomeratie vertoont. |
| Schijnbare dichtheid | Tot 65% theoretisch | Nodig voor hoge verdichting tijdens sinteren of smelten |
| Resterende koolstof | < 0,01% | Bepaalt zuurstof/stikstof pick-up die mechanica beïnvloedt |
Materiaaltestrapporten van gerenommeerde leveranciers van metaalpoeder gedetailleerde karakteriseringsgegevens tonen om de juiste kwaliteit te kiezen voor de beoogde toepassing en het proces.
Toepassingsgebieden
Additieve productie
- Ruimtevaartonderdelen - schoepen, waaiers, motoronderdelen
- Medische implantaten - orthopedisch/tandheelkundig, chirurgisch gereedschap
- Automobiel - kleppen, zuigers, spruitstuk
- Industrieel gereedschap - snijgereedschap, matrijzen, mallen
Metaal spuitgieten
- Kleine precisieonderdelen - tandwielen, sproeiers, bevestigingsmiddelen
- Orthopedische schroeven, knie-/heupimplantaten
- Automobielmechanismen - sloten, katrollen
Thermische spuitcoatings
- Slijtvaste lagen - pompassen, rollen
- Corrosiebescherming - kleppen, leidingen, vaten
Poederpers en sinter
- Zelfsmerende lagers
- Permanente magneten
- Structurele onderdelen via koud/heet isostatisch persen
Afgestemde poedereigenschappen maken diverse toepassingen mogelijk waarbij netvormig of bijna netvormig gefabriceerd wordt.
leverancier metaalpoeder
Toonaangevende Europese, Aziatische en Noord-Amerikaanse leveranciers voorzien in de vraag naar metaalpoeder in alle sectoren en regio's.
| Bedrijf | Materialen | Capaciteit | Markten |
|---|---|---|---|
| Sandvik | Roestvrij staal, gereedschapsstaal, superlegeringen | 210.000 MT | Europa, Azië |
| GKN | Roestvrij staal, superlegeringen, ti-legeringen | 170.000 MT | Europa, Noord-Amerika |
| Praxair | Ti, Ni, Co-legeringen | 110.000 MT | Noord/Zuid-Amerika |
| Hoganas | Gereedschapsstaal, roestvast staal, laaggelegeerd staal | 100.000 MT | Europa, Azië |
| Rio Tinto metaalpoeders | Aluminium, Ti, intermetallische kwaliteiten | 75.000 MT | Wereldwijd |
Deze bedrijven bieden uitgebreide mogelijkheden in verstuivingsprocessen, gekoppeld aan strenge interne kwaliteitscontroles op poederkenmerken en zuiverheid, ondersteund door gecertificeerde testrapporten op chemie, deeltjesgrootteverdeling, microstructuur en batchconsistentie.
Toepassingsdeskundigen helpen bestaande legeringen aan te passen of nieuwe soorten te ontwikkelen op maat van de mechanische eigenschappen, geometrie en functionaliteit van de klant, van prototypes tot metaalpoederbestellingen op commerciële schaal.
Metaalpoeder Prijzen
| Materiaal | Prijsbereik |
|---|---|
| Roestvrij staal 316L | $5-20/kg |
| Maragingstaal | $30-60/kg |
| Gereedschapsstaal H13 | $12-30/kg |
| Inconel 718 | $50-150/kg |
| Titaan Ti-6Al-4V | $100-500/kg |
Prijzen zijn sterk afhankelijk van het ordervolume, de kwaliteitsklasse (commercieel, vliegtuig, medisch enz.), de regionale vraagdynamiek en de mate van certificering. Grote OEM-goedgekeurde klanten krijgen veel lagere prijzen van zelfs $30-40/kg voor gewone superlegeringen voor de ruimtevaart.
Voor- en nadelen van poedermetallurgie
Voordelen
- Aangepaste legeringen/samenstellingen buiten het bereik van conventionele ingotmetallurgie
- Complexe geometrieën van additieve vervaardiging met verminderde assemblage
- Bijna-netvorm fabricage met minder verspilling van grondstoffen
- Verbeterde mechanische eigenschappen door snelle stolling
Beperkingen
- Over het algemeen langzamere productiesnelheden dan gieten of smeden
- Extra stappen zoals CIP/HIP nodig in AM om dichtheid te verbeteren
- Hergebruik van poeder kan leiden tot veranderde eigenschappen
- Vereist behandelingssystemen om ongebruikt poeder terug te winnen/te recyclen
Samenvatting
Samengevat omvatten de belangrijkste metaalpoedertypes roestvast staal, gereedschapspoeders en superlegeringen plus aluminium/titanium voor additieve productie, spuitgieten van metaal en thermische spuitcoatings. Gas-, water- en plasmaverneveling maken poederverdeling, vorm en microstructuur op maat mogelijk. Toonaangevende wereldwijde leveranciers hebben gecertificeerde kwaliteit die is afgestemd op de toepassingsvereisten wat betreft chemie, deeltjeskenmerken en zuiverheid. Voor prototyping of volumeproductie is het afstemmen van het juiste metaalpoedertype op de functionaliteit, het proces en de prestatiebehoeften van het onderdeel bepalend voor het algehele productiesucces.
Veelgestelde vragen
Hoe worden metaalpoeders gemaakt?
De meeste commerciële poeders vertrouwen op atomiseringsprocessen met inert gas of water om fijne sferische deeltjes te genereren met een strak gecontroleerde grootteverdeling.
Wat zijn de belangrijkste soorten metaalpoeders?
Veel voorkomende classificaties zijn roestvrij staal, gereedschapsstaal, superlegeringen, aluminium/titaanlegeringen, zware wolfraamlegeringen en edelmetalen inclusief exoten zoals Elgiloy, Nitinol etc.
Welke factoren beïnvloeden de prijs van metaalpoeder?
De prijzen zijn sterk afhankelijk van het volume, de mate van certificering, de dynamiek van de regionale vraag, de grondstofkosten en de samenstelling van de legering - exotische superlegeringen kunnen 5-10X roestvast staal per kilogram kosten.
Wat zijn typische afmetingen voor metaalpoeders?
Een standaardverdeling voor additieve productie ligt tussen 15-45 micron. Watervernevelde kwaliteiten kunnen variëren van 45-150 μm en worden voornamelijk gebruikt voor persen en sinteren.
Wat bepaalt de keuze van metaalpoeders?
Belangrijke overwegingen zijn de functionaliteit van onderdelen (bedrijfstemperatuur, spanningen enz.), fabricagemethode (gieten, MIM, AM), kostendoelstellingen, mate van nabewerking en beschikbaarheid in de gewenste productvorm.
Hoe worden metaalpoeders gekarakteriseerd en gespecificeerd?
Typische parameters in materiaaltestrapporten hebben betrekking op poedersamenstelling, deeltjesgrootteverdeling, morfologie (bolvormig/onregelmatig), vloeikarakteristieken, schijnbare dichtheid en residuele onzuiverheidsniveaus. Deze bepalen de geschiktheid voor gebruik.
Zijn er normen voor metaalpoeders?
ASTM-, ASME-, MPIF-, ISO- en gelijkwaardige nationale/regionale normen helpen bij het definiëren van specificaties voor gangbare kwaliteiten op het gebied van chemie, productie, monsterprocedures, testmethodologie, leveringsvoorwaarden en kwaliteitsborging.
Welke voorzorgsmaatregelen zijn nodig bij het werken met metaalpoeders?
De belangrijkste risico's zijn ontvlambaarheid en explosiegevaar. Handschoenkasten met inert gas, gesloten transportbanden/transportsystemen, aarding, antistatische coatings helpen bij het veilig hanteren van poeder, samen met het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen tijdens extractie en overdracht.
