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Hochfeste Leichtgewichteersetzen Metallwerkstoffe

Faserverstärkte Keramik läßt sich jetzt zerspanend fertigen
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Faserverstärkte Keramik gilt als Material für die Luft- und Raumfahrt. Da sich die Teile nun auch zerspanen lassen, wird der Leichtwerkstoff für den Maschinenbau interessant. Die Fertigungs-kosten sind um 40 % gesunken.

Detlef Zienert arbeitet bei der Fachpresse-Agentur Cipos in Reutlingen

Wo konventionelle Werkstoffe wie Metalle, monolithische Keramik oder Kunststoffe an ihre Grenzen stoßen, verspricht faserverstärkte Keramik neue Lösungsansätze. Bisher blieb ihre Verwendung jedoch im wesentlichen auf die Luft- und Raumfahrtindustrie begrenzt. Die Ursache waren hohe Kosten und das Fehlen von Methoden, um großformatige Strukturen reproduzierbar herzustellen. Dies soll sich ändern, denn die Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft (IABG) mbH, Ottobrunn hat zusammen mit der Dasa ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Bauteile aus faserverstärkter Keramik (C/SiC) schnell und kostengünstig fertigen lassen, auch in größeren Dimensionen. Denn erstmals läßt sich die Keramik zerspanend fertigbearbeiten und weist im Hochtemperaturofen keine nennenswerte Schwindung auf. Laut Hersteller IABG beträgt der Kostenvorteil gegenüber früheren Fertigungsmethoden rund 40 %.
Das patentierte Verfahren soll überall dort Anwendung finden, wo besondere Anforderungen an den Werkstoff hinsichtlich Designflexibilität, Lebensdauer, Verschleiß, Temperaturfestigkeit, Gewicht und Steifigkeit gestellt werden. Darüber hinaus zeichnet sich das Material durch eine hohe chemische Beständigkeit und im Vergleich zu monolithischer Keramik durch ein günstiges Bruchverhalten aus. Der im letzten Jahr von der VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik an die IABG und die DASA verliehene Preis für innovative Werkstoffanwendungen unterstreicht die Bedeutung der Fertigungsmethode für den breiten industriellen Einsatz.
„Basis jeder neuen Struktur“, erklärt Ulrich Papenburg, Leiter der Abteilung Hochtemperatur-Technologie und -Werkstoffe der IABG, „ist ein poröser Verbundkörper aus carbonisierten Kohlenstoffaserfilzen oder -kurzfasern.“ Dieser Rohling dient als Ausgangsmaterial für die zerspanende Formgebung in der zweiten Fertigungsstufe. Wie er hergestellt wird, erläutert Papenburg so: Zunächst werden Kohlenstoffasern in ein wärmehärtbares Harzbindemittel eingerührt.
Bauteile schwinden nicht nennenswert
Diese Masse wird in Formen gegossen und bei Temperaturen bis 200 °C unter Vakuumatmosphäre ausgehärtet. Das Ergebnis ist ein kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff (CFK), wie man ihn schon seit längerem als Werkstoff für Sportgeräte, Skier, Surfbretter sowie im Flugzeug- und Schiffbau nutzt.
Bevor das Zerspanen beginnen kann, wird der Kunststoff in einem weiteren Schritt bei hohen Temperaturen unter Vakuum carbonisiert und graphitiert. Aus der CFK-Struktur entsteht dadurch ein faserverstärkter Verbundkörper aus reinem Kohlenstoff.
Diese Struktur dient nun in der zweiten Fertigungsstufe als Ausgangsmaterial, um durch Sägen, Fräsen und Drehen endformnah die Komponenten herauszuarbeiten. Dafür genügen konventionelle Maschinen. Die spanende Formgebung spart Zeit und Kosten. Kompakte Baugruppen wie eine Turbinenschaufel lassen sich genauso realisieren wie filigrane Gitterstrukturen in Integralbauweise mit wenigen Millimetern Wandstärke, beispielsweise für einen Wärmetauscher.
Das eigentlich Revolutionäre des Verfahrens geschieht in der dritten und letzten Phase. Der fertigbearbeitete Kohlenstoffaser-Verbundkörper wird in einem Hochtemperatur-Vakuumprozeß mit flüssigem Silizium infiltriert. Durch Energiezufuhr kommt es zur chemischen Reaktion. Der Kohlenstoff verwandelt sich überall dort in Siliziumcarbid, wo er mit Silizium in Kontakt treten kann (SiC-Konvertierung), zum Beispiel im äußeren Bereich der Kohlenstoffasern. Die C-Verstärkungsfasern werden dabei von SiC umhüllt. Resultat ist ein Siliziumkarbid-Körper mit eingelagerten Kohlenstoffasern (C/SiC).
Da das Volumen bei der Reaktion nur geringfügig zunimmt, liegt das fertigkeramisierte Bauteil in der nahezu ursprünglichen Geometrie vor. Aufgrund des hohen Siliziumcarbid-Anteils weist es aber völlig andere chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften auf als der Ausgangskörper.
Das besondere Know-how liegt nach Angaben der IABG in der ausgeklügelten Prozeßsteuerung, die alle relevanten Variablen kontinuierlich mißt, überwacht, steuert und regelt. Im Gegensatz zu konventionellen Techniken, die überwiegend auf empirischen Erfahrungen beruhen, ermöglicht das Verfahren ein reproduzierbares Vorgehen. Die Werkstoffeigenschaften lassen sich ohne großen Entwicklungsaufwand an die jeweilige Anwendung anpassen. Dazu müssen die Bestimmungsparameter gezielt variiert werden. Beispielsweise lassen sich Kohlenstoffaserstruktur und Matrix über Menge, Ausrichtung und Stärke der Fasern steuern. Weitere Einflußmöglichkeiten ergeben sich über thermochemische Prozeßparameter wie Druck, Temperatur, räumliche und zeitliche Abscheidungsrate.
Zu den Bauteileigenschaften, die eingestellt und damit anwendungsspezifisch optimiert werden können, gehören die elektrische Leitfähigkeit, Festigkeit und Steifigkeit. Entsprechend vielfältig ist das Einsatzpotential des C/SiC-Werkstoffs.
Neben einem niedrigen spezifischen Gewicht, das je nach Fasergehalt noch unter dem von Aluminium liegt, zeigt der Werkstoff ein außergewöhnliches thermophysikalisches Verhalten. Bei guter Wärmeleitfähigkeit dehnt er sich nur geringfügig thermisch aus und verknüpft damit die positiven Eigenschaften von metallischen und keramischen Materialien.
Durch äußerst günstige Werkstoffeigenschaften, etwa hohe mechanische Festigkeit bis zur Temperatur von 2000 °C bei niedriger Dichte und Sprödigkeit, eignet sich die faserverstärkte Keramik für unterschiedlichste Einsatzgebiete in Maschinenbau, Hochtemperaturtechnik und Reaktorbau.
Beispielsweise sind Heißpreßwerkzeuge aus C/SiC um den Faktor 5 bis 10 fester als herkömmliche Graphitpreßwerkzeuge und bieten darüber hinaus den Vorteil höherer Thermoschockbeständigkeit und geringerer Masse. Sogar Befestigungselemente wie Schrauben und Gewindebolzen aus C/SiC finden in besonders beanspruchten Zonen ihre Anwendung. Erfolgreich getestet wurden auch mehrteilige Stützringe zum Tragen und Verbinden von Gasführungsrohren in Hochtemperaturreaktoren. Diese Stützringe halten einem Betriebsdruck von 43 bar unbeschadet stand und erfüllen ihre Aufgaben auch im Störfall bei einem Druckabfall von 20 bar/s bei 1000 °C.
Im Ofenbau lassen sich mit dem neuen, dauerbeständigen Werkstoff die Betriebstemperatur erhöhen und der Wirkungsgrad steigern. Gegenüber konventionellen Werkstoffen bietet C/SiC den Vorteil, daß es den Totraum reduziert, weil der Konstrukteur den Platz im Ofen besser ausnutzen kann. Die geringe Masse wiederum bewirkt eine niedrige Wärmekapazität und ermöglicht schnelle Aufheiz- und Abkühlzyklen (Leichtbaukonstruktion). Weitere Effekte sind eine verlängerte Lebensdauer der Anlagen aufgrund der guten Korrosionsbeständigkeit sowie geringe Stillstandszeiten. Aus C/SiC bereits realisiert sind Brennerkomponenten in der Müllverbrennung, Ofenauskleidungen, Meßsonden, Wärmetauscher sowie Heißgasfilter und -rohre in der Rauchgasreinigung.
Die chemische Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien, die Korrosionsbeständigkeit bis zu hohen Temperaturen und die Schwingfestigkeit sprechen für die Anwendung in der Verfahrenstechnik und chemischen Industrie. Typische Bauteile sind Rührer und Einleitrohre, Trageroste und Filterplatten. Darüber hinaus eignet sich das Material als verschleißarmer Reibbelag für Bremsen und Bremsscheiben sowie für keramische Hochtemperaturbeschichtungen von Abgassonden in Automobilen.
Auch unter extremer Temperatur-Wechselbeanspruchung hat sich das Material im Langzeiteinsatz bewährt: etwa in Schub- und Satellitensteuerdüsen oder als Komponenten in Raketentriebwerken, wo innerhalb von Millisekunden Temperaturschwankungen von über 2100 °C und gleichzeitig hohe Oxidationsbelastungen auftreten. Dar-über hinaus hält kohlenstofffaserverstärktes Siliziumcarbid erheblicher abrasiven Verschleißbeanspruchung stand, die in Festtreibstoffraketen von Bor- und Aluminium-Partikeln herrühren.
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