Werkstoffe Heißer Kandidat

CFC ersetzt vorteilhaft Stahl bei Chargen-Gestellen für thermische Fertigungsprozesse im Hochtemperaturbereich. Nach DIN 6300 werden Gestelle bezeichnet als „Fertigungshilfsmittel, die...

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Nach DIN 6300 werden Gestelle bezeichnet als „Fertigungshilfsmittel, die an Werkstücke gebunden sind und unmittelbar in Beziehung zum Arbeitsvorgang stehen. Sie dienen dazu, die Werkstücke zu positionieren und zu halten“.Per Definition haben sie somit einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf die Qualität der Arbeitsprozesse und der Endprodukte. Doch herkömmliche Gestelle aus hitzebeständigem Stahl oder Stahlguss sind den extremen Randbedingungen in Wärmebehandlungsprozessen wie hohen Temperaturen, ständigem Heiß-Kalt-Wechsel, aggressiven Medien und Reaktionsatmosphären oft nicht gewachsen. So kommt es unter Umständen zum Aufkohlen und Verspröden sowie zu einem starken Verzug von herkömmlichen Stahl- und Stahlgussgestellen, was zu einer verringerten Lebensdauer und Prozesssicherheit führt. Diese konventionellen Gestelle begrenzen aufgrund des hohen Eigengewichts die Zuladung und infolge des Volumens das Platzangebot für die Werkstücke. In aller Regel sind sie wenig ergonomisch, bilden oft keine definierten Auflageflächen für die Werkstücke und lassen ein automatisches Be-/Entladen der Gestelle mit Werkstücken durch auftretende Deformationen kaum zu. Weiterhin adsorbieren sie einen nicht unerheblichen Teil der Wärmemenge zur eigenen Erwärmung, verhindern eine exakte Prozessführung (Durchströmung mit Gasen oder anderen Medien sowie Temperaturführung) und führen zu örtlichen Streuungen der Werkstückeigenschaften.Durch den Einsatz von kohlefa-serverstärktem Kohlenstoff – oder kurz CFC (Carbon Fiber reinforced Carbon) – können die bestehenden Nachteile in der Härterei, beim Sintern oder Hartlöten erheblich reduziert werden. Die Vorzüge von CFC-Gestellen in den Hochtemperaturprozessen liegen in der besseren Gestellausnutzung, einem geringeren Gewicht sowie einem form- und maßhaltigen Chargenaufbau. Daraus folgen eine höhere Prozesssicherheit und Automatisierungsmöglichkeiten beim Be- und Entladen. Technologietransfer aus der RaumfahrtDie Faserverbundkeramik CFC, die ursprünglich als Bestandteil für Hitzeschutzschilder in der Luft- und Raumfahrt entwickelt wurde, hielt schon vor einiger Zeit als nahezu ideales Material für Industrie-Werkstückträger Einzug. CFC verfügt über eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und weist im Gegensatz zu Stahl eine etwa 20fach bessere Festigkeit bei 1000 °C auf. Dehnt sich Stahl bei einer Erwärmung von 20 °C auf 1000 °C etwa 1 bis 2 cm pro Meter Länge aus, ändert dagegen CFC seine Form in Faserrichtung nur um 1 mm. Zusätzlich sorgen die Kohlen-stofffasern im Gegensatz zu bei-spielsweise unverstärkter Keramik für ein pseudoelastisches Bruchverhalten. CFC kann Spannungen besser aufnehmen und bricht nicht spröde und plötzlich; Risse werden an den einzelnen Faserbündeln abgeleitet und „verlaufen“ sich somit im Werkstoff. Die Bruchzähigkeit ist so hoch, dass man ein Stück CFC sogar an die Wand nageln kann. Für die Wiha Werkzeuge GmbH, Schonach, ergab sich aus der Entwicklung des neuartigen Werkstückträgers aufgrund des niedrigeren Gewichts eine um 70% höhere Mehrbeladung und - bedingt durch eine 20% längere Durchführungszeit - eine insgesamt um 50% höhere Prozessauslastung. Außerdem war durch die verzugsfreien Gestelle erstmals eine automatische Be- und Entladung möglich, welche die aufwändige manuelle Chargiertätigkeit reduzierte. Spezifische Anpassungen beim Konstruieren erforderlichAufgrund der neuartigen Werkstoffe müssen konstruktiv leichte Abwandlungen vorgenommen werden, weil sich die Geometrien der Stahl- oder Gussgestelle nicht 1:1 übernehmen lassen. Läuft die Geometrie bei Stahlgestellen fertigungstechnisch auf eine Art Wabenstruktur hinaus, werden bei CFC-Gestellen meist längs- und quer verlaufende Stege eingesetzt. Der wahrscheinlich größte Vorteil von CFC liegt im geringen spezifischen Gewicht. So kann - bezogen auf die Beladung - viel weniger Gestellmaterial verwendet werden. Ein Stahlgestell wird so ausgelegt, dass es bei den jeweiligen Einsatztemperaturen den Belastungen - also den Gewichtskräften der Beladung - standhält. Ein CFC-Gestell wird so be-rechnet, dass es bei Raumtemperatur an den Be- und Entladestationen den Werkstückgewichten gewachsen ist. Bei hohen Temperaturen hat CFC die gleiche Festigkeit wie bei Raumtemperatur und liegt somit bei Temperaturen von etwa 1000 °C um etwa Faktor 10 über der Festigkeit von herkömmlichen Stahl- oder Gusswerkstoffen. Bei der Konstruktion sollte immer darauf geachtet werden, dass die größten Belastungen nicht immer im Ofen bei hohen Temperaturen auftreten, sondern meist bei der Be- und Entladung auf speziell dafür vorgesehenen Chargierplätzen oder auf dem Transportweg dorthin und auf dem Weg in den Ofen. Das Know-how der Fraunhofer TEG, Stuttgart, in Sachen Faserverbundkeramik erwies sich auch für die Modine Europe GmbH als vorteilhaft. Als einer der weltweit führenden Hersteller stellt Modine im Werk Filderstadt bei Stuttgart Wärmetauscher her. Bei den herkömmlichen Chargiergestellen, auf denen die Wärmetauscher gelötet wurden, kam es aufgrund der hohen Temperatur- und Gewichtsbelastung oft zu Verformungen im Wärmebehandlungsprozess. Die TEG-Experten konzipierten einen völlig neuartigen, modularen Gitterrost aus CFC, der insbesondere für hohe Lasten geeignet ist. Damit reduzierten sie das Gestellgewicht von etwa 600 auf 150 kg und erhöhten die Nettobeladung um 50%. Insgesamt konnte die Prozessauslastung so um 70% gesteigert werden. Außerdem lassen sich die modularen CFC-Gestelle sicherer handhaben, und beschädigte Einzelteile werden einfach und kostengünstig ausgetauscht. Ein weiterer Vorteil: Es treten weniger Lotanhaftungen an den Werkstückträgern auf.Direktkontakt vermeiden bei hohen TemperaturenIn höheren Temperaturbereichen - etwa zwischen 1050 und 1300 °C - kann es auch beim Einsatz von CFC zu unerwünschten Wechselwirkungen mit Metallen wie Aluminium, Kobalt, Molybdän oder Stahl kommen. Bei diesen so genannten Kontaktreaktionen erfolgt ein Übertrag des Kohlenstoffs auf das Werkstück, wodurch dieses hart und brüchig wird. Außerdem kann es an den Kontaktstellen zu Anschmelzungen der Werkstücke kommen, weil die Schmelztemperatur der Metalle lokal heruntergesetzt wird. Dieses partielle Aufkohlen lässt sich durch speziell angefertigte CFC-Verbundgestelle unterbinden, indem so genannte Abstandshalter angebracht werden. Damit liegen die Werkstücke nicht direkt auf dem CFC-Werkstoff auf. Eine andere Möglichkeit liegt in der Verwendung von Zwischenschichten aus oxidkeramischen Faser-Verbundwerkstoffen, die auch gleichzeitig einer Chargierung von Kleinteilen zu gute kommt. Erforderliche Optimierung bei HöchsttemperaturenDie Reaktions-Problematik zwi-schen CFC und den metallischen Werkstücken bei hohen Tempera-turen veranlasste die Fraunhofer TEG gemeinsam mit den Schwes-terinstituten IWM in Freiburg und IKTS in Dresden ein Forschungs-projekt aufzulegen. In dessen Rahmen wird an möglichen Beschichtungen geforscht, um diese Diffusionen auszuschließen. Das noch mindestens zwei Jahre andauernde Projekt soll den Einsatz von CFC am Markt etablieren und dessen Anwendungsfähigkeit auch bei problematischen Einsatzverhältnissen ausbauen. Der Einsatz von CFC lohnt sich auch unter Berücksichtigung der vielleicht zunächst im Vergleich mit anderen Werkstoffen sehr hoch erscheinenden Anfangsinvestitionen. Denn aufgrund der höheren Lebensdauer und der verbesserten Prozessqualität amortisieren sich die Mehrkosten für den Werkstoff sehr schnell. Im beschriebenen Beispiel der Firma Wiha waren die Investitionskosten durch das einfachere Chargieren und die höhere Beladungskapazität bereits nach 1,2 Jahren vollständig ausgeglichen. Im Fall von Modine sind die CFC-Gestelle mit einer Traglast von 3 t seit nun knapp vier Jahren in der industriellen Anwendung.