Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Herstellung, Charakterisierung und Thermoplastische Formung von glasbildenden Metallpulvern

Metallische Gläser zeichnen sich gegenüber kristallinen Werkstoffen durch hohe Festigkeiten, hohe elastische Dehnungen, gute Korrosionseigenschaften und besondere magnetische Eigenschaften aus. Ebenso beeindruckend ist ihre Fähigkeit sich in einem bestimmten Temperaturbereich plastisch verformen zu lassen. Für die Herstellung von metallischen Gläsern werden hohe Abkühlraten benötigt, um eine Kristallisation der Schmelze während der Erstarrung zu vermeiden. Beim Gießen führen die hohen Abkühlraten zu beschränkten Bauteilabmessungen. Durch einen alternativen Prozess aus Pulverherstellung (PM) und Thermoplastischem Formen (TPF) lassen sich geometrische Einschränkungen, wie sie z.B. bei gegossenen Werkstoffen auftreten, überwinden. Mit Hilfe der Gaszerstäubung kann im industriellen Maßstab amorphes Metallpulver hergestellt und durch das anschließende TPF zu einem Bauteil gepresst werden.

Das geplante Forschungsprojekt umfasst die Prozesskette von der Herstellung amorph erstarrender Metallpulver bis hin zum kompakten Bauteil. Das Fertigen mittels TPF hat das Potential zu einer kostengünstigen alternativen Technologie. Im Projekt soll gezeigt werden, dass die erzeugten Bauteile dieselben hohen Festigkeits- und Härtewerte bzw. guten mechanischen Eigenschaften wie gegossene amorphe Legierungen besitzen. Um dies zu erreichen, sollen relative Materialdichten von mindestens 99,5 % erreicht werden. Für den Verarbeitungsprozess werden sphärische Pulver mit guten Fließeigenschaften gefordert. Der Einfluss von Legierungs- sowie Prozessverunreinigungen auf die Verarbeitbarkeit der Pulver wird ebenfalls untersucht.

Anhand der angestrebten Ergebnisse können KMU ihre Produktpalette um eine neue Materialkasse erweitern und damit Alleinstellungsmerkmale und Wettbewerbsvorteile erzielen. Betriebe, die auf den Anlagenbau, die Herstellung von Halbzeugen/Bauteilen und hochfesten Sonderlegierungen spezialisiert sind, können im Projekt Erfahrungen mit amorphen Legierungen sammeln.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts wurden drei glasbildende Legierungen (ZrCuAlNb, CuTiZrNiSiSn und FeMoPCB) verdüst, charakterisiert und thermoplastisch geformt (TPF). Es konnten amorphe Metallpulver für alle drei Legierungen erzeugt werden. Der Fokus lag dabei auf Einschmelzmaterialien mit technischer Reinheit, die im industriellen Maßstab gefordert werden. Das anschließende thermoplastische Formen führte zu dichten, amorphen Probekörpern. Allerdings lagen die mechanischen Kennwerte um den Faktor 4 niedriger als bei gegossenen Referenzlegierungen und sind somit für mechanische Anwendungen nicht interessant, wohl aber ausreichend für magnetische Anwendungen.

Die geringen mechanischen Kennwerte resultieren aus den Oxidhäuten an der Partikeloberfläche, sodass beim Pressen eine metallurgische Verbindung nur bedingt entstehen kann. Darüber hinaus wurde mit Hilfe der Spark Plasma Sintering (SPS) Technik ein Alternativerfahren eingesetzt, um die Machbarkeit hinsichtlich Pulververdüsung und -verdichtung von glasbildenden Legierungen aufzuzeigen. Die erzielten SPS Ergebnisse waren nahezu identisch zum TPF Prozess.

Mögliche Anwendungen von verdichteten Probekörpern liegen dabei in magnetischen Komponenten wie z.B. Spulen, Transformatoren und Induktoren, die in verschiedene elektronischen Anwendungen und in der Informationstechnik eingesetzt werden können.