Pulvermetallurgie | Anwendung im Bereich der Automobilelektrifizierung

Die Pulvermetallurgie (PM) ist ein Verfahren, bei dem Metall- oder Nichtmetallpulver (oder eine Mischung aus Metall- und Nichtmetallpulver) als Rohstoffe verwendet und anschließend durch Prozesse wie Pressen, Formen und Sintern zu metallischen Werkstoffen, Verbundwerkstoffen und verschiedenen geometrischen Strukturprodukten verarbeitet werden.

Die Entwicklungsmöglichkeiten der Pulvermetallurgiebranche stehen in engem Zusammenhang mit der Automobilindustrie. Bis heute ist die Automobilindustrie weiterhin die wichtigste Branche und der größte potenzielle Markt für die Pulvermetallurgie. Betrachtet man die Verwendung pulvermetallurgischer Teile in der Automobilindustrie in den entwickelten Regionen der Welt, beträgt der Anteil der in der Automobilindustrie eingesetzten pulvermetallurgischen Teile etwa 70 % in Nordamerika, etwa 90 % in Japan, etwa 80 % in Westeuropa und etwa 55 % in meinem Land. 70 % dieser pulvermetallurgischen Automobilteile werden in Motoren und Getrieben eingesetzt.

In den letzten Jahren ersetzt die Entwicklung neuer Elektrofahrzeuge mit alternativen Antrieben allmählich herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Da sich Fahrzeuge mit alternativen Antrieben in Richtung Elektrifizierung und Intelligenz entwickeln, werden höhere Anforderungen an die Gesamtleistung der Werkstoffe gestellt. Die Pulvermetallurgiebranche entwickelt und reserviert weiterhin neue Technologien und Verfahren entsprechend den Anforderungen der Branche für Elektrofahrzeuge mit alternativen Antrieben. Mithilfe schlanker automatisierter Fertigungstechnologien passt sie sich den Anforderungen des neuen Zeitalters an Energieeinsparung und Umweltschutz an und unterstützt die Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben. Gleichzeitig eröffnet die Entwicklung von Elektrofahrzeugen mit alternativen Antrieben der Pulvermetallurgiebranche neue Entwicklungsmöglichkeiten.

Kupferlegierungen

Nach Angaben der International Copper Association verwenden herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor 23 kg Kupfer, Hybridfahrzeuge 40 kg Kupfer, Plug-in-Hybridfahrzeuge 60 kg Kupfer und Elektrofahrzeuge 83 kg Kupfer.

Kupferlegierungen sind Legierungen, bei denen einem reinen Kupfer ein oder mehrere andere Elemente zugesetzt werden. Sie zeichnen sich durch eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit sowie durch hohe Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aus. Kupferlegierungen können zur Herstellung elektrischer Komponenten wie Generatoren, Hochspannungskabeln, Schaltanlagen und Transformatoren in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben verwendet werden. Ebenso eignen sie sich für verschleiß- und korrosionsbeständige Automobilteile wie Synchronringverzahnungen, Lager und Teile von Bremssystemen. Mit dem Aufstieg der Fahrzeuge mit alternativen Antrieben werden Kupferlegierungen als ideales Material für Kabelbäume, Batteriekomponenten und Steckverbinder in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben umfassend in Kühlsystemen, elektrischen Antriebssystemen, Bremssystemen und Hydrauliksystemen eingesetzt werden. Sie sind wichtige Grundrohstoffe für zentrale Automobilkomponenten.

Aluminiumbasierte Verbundwerkstoffe

Leichtbau, Energieeinsparung und Emissionsreduzierung ... Die zahlreichen Vorteile aluminiumbasierter Bremsscheiben haben dazu geführt, dass sie herkömmliche Eisenscheiben erfolgreich ersetzen und zum neuen Favoriten der Branche für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben werden.

Tests zeigen, dass aluminiumbasierte Verbundwerkstoffe im Vergleich zu Bremsscheiben aus Gusseisen eine gute Brems- und Regelungsleistung aufweisen und keine Probleme wie Geräusche, Ruckeln oder unzureichende Bremskraft verursachen. Außerdem bieten sie deutliche Vorteile hinsichtlich Leichtbau, Verbesserung der elektrischen Effizienz, Regelbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Nach dem Austausch der Gusseisen-Bremsscheiben von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben kann allein das Bremssystem dazu beitragen, das Gewicht um etwa 15 kg zu reduzieren. Das bedeutet, dass bei einem Fahrzeug mit alternativen Antrieben und einer Reichweite von 500 km bei gleicher Reichweite die Batterielast um 3 kWh reduziert werden kann. Bei einer jährlichen Fahrleistung von 20.000 km kann ein Elektrofahrzeug etwa 120 kWh Strom einsparen. Dies entspricht einer Einsparung von 48 kg Standardkohle und einer Reduzierung der Kohlendioxidemissionen um etwa 120 kg. Wenn 1 Million Elektrofahrzeuge mit aluminiumbasierten Verbundstoff-Bremsscheiben ausgestattet werden, können die Kohlendioxidemissionen pro Jahr um etwa 120.000 Tonnen reduziert werden. Darüber hinaus verlängern aluminiumbasierte Verbundstoff-Bremsscheiben auch die Batterielebensdauer. Schätzungen zufolge kann ein Elektrofahrzeug die Kosten um etwa 1.000 Yuan senken, während 100.000 Elektrofahrzeuge bei den damit verbundenen Batteriekosten etwa 100 Millionen Yuan einsparen können.

Magnetische Weichverbundwerkstoffe

Magnetische Weichwerkstoffe haben mehrere Entwicklungsstufen durchlaufen:

Von herkömmlichen weichmagnetischen Legierungen über weichmagnetische Ferritwerkstoffe bis hin zu amorphen/nanokristallinen weichmagnetischen Legierungen, die in den 1970er-Jahren entwickelt wurden. Die Pulvermetallurgietechnologie hat eine neue Generation leistungsfähiger weichmagnetischer Werkstoffe hervorgebracht: metallische weichmagnetische Pulverkernmaterialien (MPC), auch als weichmagnetische Verbundwerkstoffe (SMC) bezeichnet.

Metallische weichmagnetische Pulverkernmaterialien werden aus metallischen weichmagnetischen Pulvern als Rohstoffen hergestellt. Durch Isolierbeschichtung, Pressen und Wärmebehandlung werden daraus magnetische Kernkomponenten gefertigt, wodurch die Schwäche metallischer weichmagnetischer Werkstoffe - eine unzureichend hohe magnetische Permeabilität - verbessert wird.

SMC ist ein neuartiger magnetischer Werkstoff. Aufgrund seiner hohen Sättigungsmagnetflussdichte und seiner geringen Verluste wird er als „vierte Generation“ weichmagnetischer Werkstoffe bezeichnet. Er bietet große Anwendungsvorteile und breite Marktperspektiven in Hochfrequenzmotoren, Transformatoren für Hochleistungs-Hochfrequenz-Schaltnetzteile und Hochfrequenz-Hochleistungsenergiespeicherdrosseln. In Elektrofahrzeugen können magnetische Weichverbundwerkstoffe für Hauptantriebsmotoren sowie für Motoren von Ölpumpen und Kühlpumpen eingesetzt werden. Mit dem Übergang zu Elektrofahrzeugen und grüner Energie ist der Bedarf an Leistungsübertragung und -steuerung in elektrischen Schaltungen deutlich gestiegen, wodurch die Nachfrage und die technischen Verfahren für magnetische Weichverbundwerkstoffe schnell weiterentwickelt werden. Neben dem weiterhin hohen Entwicklungsstand in traditionellen Anwendungsbereichen magnetischer Werkstoffe wie Photovoltaik und Frequenzumrichtern für Klimaanlagen sind magnetische Weichverbundwerkstoffe in Anwendungsfeldern mit wachsender Nachfrage wie Elektrofahrzeugen, Ladesäulen und Energiespeicherung in eine Phase schnellen Wachstums eingetreten.

NdFeB-Permanentmagnetwerkstoffe

Die derzeit häufigsten Antriebsmotoren für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben sind Permanentmagnet-Synchronmotoren und Käfigläufer-Asynchronmotoren als Wechselstrommotoren. Unter ihnen sind Permanentmagnet-Synchronmotoren in China am beliebtesten und machen 94 % der in Fahrzeugen verbauten Motoren aus.

Das in Permanentmagnet-Synchronmotoren verwendete NdFeB-Magnetmaterial verfügt über hervorragende magnetische Eigenschaften. Nach der Magnetisierung kann es ohne Zufuhr externer Energie ein starkes Magnetfeld erzeugen. Gleichzeitig weist das Magnetfeld dauerhafte Eigenschaften auf und benötigt keine zusätzlichen Erregerschaltungen (also keine Bestromung des Leiters zur Erzeugung eines Magnetfelds), sodass ein geringes Volumen und ein niedriges Gewicht beibehalten werden können. Bei Nennleistung ist die Leistungsdichte von Permanentmagnet-Synchronmotoren bei gleichen Bedingungen für Wärmeableitung und Isolierwerkstoffe in der Regel mehr als doppelt so hoch wie die von asynchronen Induktionsmotoren.

Kohlenstoff-Keramik-Verbundwerkstoffe

Die Bremswerkstoffe moderner Transportfahrzeuge wie Automobile und Hochgeschwindigkeitszüge haben eine Entwicklung von Asbestwerkstoffen über halbmetallische Werkstoffe und pulvermetallurgische Werkstoffe bis hin zu Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen und Kohlenstoff-Keramik-Verbundwerkstoffen durchlaufen.

Kohlenstoff-Keramik-Verbundwerkstoffe für Bremsen sind eine neue Art von Verbundwerkstoffen, die in den 1990er-Jahren entwickelt wurden. Sie bestehen aus einem dreidimensionalen Filz oder Geflecht aus Kohlenstofffasern als Verstärkungsskelett sowie einer kontinuierlichen Matrix aus Kohlenstoff und Siliziumkarbidkeramik. Das aus Kohlenstoff-Keramik-Bremsscheiben und Kohlenstoff-Keramik-Bremsbelägen bestehende Bremspaar bietet vielversprechende Entwicklungsperspektiven. Im Zuge der Elektrifizierung und des Leichtbaus können Kohlenstoff-Keramik-Scheiben das Gewicht reduzieren und die Reichweitenangst verringern. Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verfügen Elektrofahrzeuge zwar nicht über Motoren und Getriebe, jedoch über zusätzliche Batteriepakete, die schwerer sind als die entsprechenden Komponenten in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Daher ist die Gewichtsreduzierung bei Fahrzeugen mit alternativen Antrieben eine langfristige Herausforderung. Kohlenstoff-Keramik-Bremsen können das Gewicht unterhalb des Fahrwerks wirksam reduzieren, sich besser an Fahrzeuge mit alternativen Antrieben anpassen und die Reichweitenangst verringern.

Mit dem Aufkommen und den Durchbrüchen bei neuen Technologien, neuen Verfahren und neuen Energien werden weiterhin neue Anwendungsbereiche für pulvermetallurgische Produkte entstehen und den neuen Prozess des Zeitalters der Automobilelektrifizierung umfassend unterstützen.