Werkstoffe Eisen-Nickel-Legierungen – Die optimale Lösung für den Formenbau im CFK-Bereich

Eisen-Nickel-Legierungen eignen sich für Formen zur Herstellung großer CFK-Bauteile. Grund dafür ist die rapid fallende Ausdehnung bei Erwärmung in einem bestimmten Temperaturintervall. Dieser Invar-Effekt kann in Bezug auf den Temperaturbereich über den Nickelanteil der Legierungen so „verschoben“ werden, dass sich die Wärmeausdehnung von Form und CFK im Autoklaven einander angleichen lässt.

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An Bauteile aus CFK (kohlenfaserverstärkte Kunststoffe) im Flugzeugbau werden extrem hohe Anforderungen gestellt. Die Formtoleranzen sind sehr eng. Die Gründe dafür liegen zum einen in der Aerodynamik, zum anderen in der Passgenauigkeit. Außerdem müssen CFK-Teile frei von Poren und Spannungen sein, die unter Belastung zu vorzeitigen Schädigungen führen können.

Der verbreitete und bewährte Herstellungsprozess für solche Bauteile ist das Prepreg-Verfahren. Bei diesem Verfahren werden mit Harz imprägnierte Kohlefasergewebe (Prepregs) in eine Form eingelegt, anschließend luftdicht abgedeckt und evakuiert. In einem Autoklaven unter einem Druck von etwa 10 bar und bei einer Temperatur von rund 180 °C wird das Gewebegelege dann ausgehärtet.

Formgeometrie muss gleiche Präzision wie CFK-Teil haben

Es ist offensichtlich, dass die Qualität der Form bei diesem Prozess eine herausragende Bedeutung hat. Die Kontur der Form muss die gleiche Präzision wie das Bauteil haben. Außerdem wünschen sich die Hersteller von Serienteilen eine Form, die der Fertigung von einigen hundert Bauteilen ohne signifikante Qualitätseinbußen standhält.

Insbesondere aufgrund der Verschleißbeständigkeit möchte man daher als Werkstoff für die Formherstellung gerne Stähle verwenden. Allerdings ist ein ganz wesentliches Kriterium des Formwerkstoffs die thermische Ausdehnung. Eine unterschiedliche thermische Schrumpfung von Form und Bauteil beim Abkühlen nach dem Aushärten kann schädliche innere Spannungen im Bauteil erzeugen.

Die thermische Ausdehnung der Kohlefasern ist sehr gering im Vergleich zu Kohlenstoff- (C) und Edelstählen. Deshalb kommen bei der Herstellung anspruchsvoller CFK-Bauteile Stahlformen nicht in Betracht. In der Regel wurden in diesen Fällen die Formen unter anderem auch aus CFK hergestellt, was den Vorteil eines angepassten thermischen Ausdehnungsverhaltens hat. Jedoch ist die Verschleißfestigkeit von CFK-Formen ungenügend.

Geringe Wärmeausdehnung spricht für Eisen-Nickel

Die Lösung des Problems bieten Eisen-Nickel-Legierungen (Fe-Ni-Werkstoffe), die seit den achtziger Jahren für anspruchsvolle Formen eingesetzt werden. Von Thyssen-Krupp VDM werden diese Werkstoffe unter der Markenbezeichnung Pernifer vertrieben. Kennzeichnend für diese Stähle ist ein sehr geringer Ausdehnungskoeffizient, der durch Einstellung des Nickelgehalts der Anwendung angepasst werden kann.

Zur Verarbeitung der gängigsten CFK-Werkstoffe, die bei 180 °C aushärten, ist Pernifer 36 die geeignete Legierung. Für andere Verbundwerkstoffe, die bei höheren Temperaturen aushärten, kann auch die Legierung Pernifer 40 oder Pernifer 42 eingesetzt werden.

36% Nickel minimiert Wärmeausdehnung bei Raumtemperatur

Betrachtet man den mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von binären Fe-Ni-Legierungen – sie bestehen fast ausschließlich aus Eisen und Nickel – bei Raumtemperatur, so stellt man fest, dass bei 36% Nickel ein ausgeprägtes Minimum vorliegt.

Eine Legierung aus Eisen mit 36% Nickel (Pernifer 36) hat bei Erwärmung im Bereich der Raumtemperatur eine Längenänderung von nur etwa 1 μm pro Meter und Grad Celsius. Im Vergleich dazu verändert sich die Länge von Stählen um etwa 10 bis 15 μm pro Meter und Grad Celsius. Dieser Effekt der sehr geringen Längenausdehnung wird als Invar-Effekt bezeichnet und ist bereits seit über 100 Jahren bekannt.

Minimale Ausdehnung basiert auf Invar-Effekt

Durch Veränderung des Nickelgehalts lässt sich der thermische Ausdehnungskoeffizient gezielt einstellen. Hervorzuheben ist auch, dass es sich bei diesen Legierungen um weichmagnetische Legierungen handelt. Letztendlich ist der Invar-Effekt auf mikrophysikalische magnetische Vorgänge zurückzuführen. Entsprechend verschwindet der Effekt bei höheren Temperaturen, bei denen diese Werkstoffe die ferromagnetischen Eigenschaften verlieren. Bei hohen Temperaturen ist der Wärmeausdehnungskoeffizient solcher Materialien wieder „normal“.

Diese Werkstoffeigenschaft wird seit der Erfindung genutzt, beispielsweise für Replikate des Urmeters für Kalibrierungszwecke, hochgenaue Pendeluhren oder Balken für präzise Waagen. Ein Massenmarkt für diese Legierungen entstand jedoch erst deutlich später: in der Elektronik und Elektrotechnik. Bekannte Bauteile sind Bimetallstreifen für Thermostate, Schattenmasken für Bildröhren, Leadframes für die Halbleiterindustrie und zahlreiche verschiedene Anwendungen, in denen Gläser oder Keramiken mit Metallen verbunden werden.

Die sonstigen Eigenschaften der Eisen-Nickel-Legierungen heben sich nicht wesentlich von denen anderer Stähle ab. Im Zugversuch bei Raumtemperatur stellt man fest, dass diese Legierungen im weich geglühten Zustand eine niedrige Dehngrenze von etwa 270 bis 300 N/mm² und eine Zugfestigkeit von rund 450 bis 500 N/mm² bei einer Bruchdehnung von über 30% haben.

Schweißkonstruktionen aus Eisen-Nickel-Legierungen

Typische Formen aus Eisen-Nickel-Legierungen sind Schweißkonstruktionen, die aus einem fachwerkartigen Unterbau bestehen, auf den eine Deckplatte aufgeschweißt wird. In deren Oberseite fräst man die Kontur. Typische Blechdicken, die dafür benötigt werden, reichen von 8 bis 40 mm.

Weil die klassischen Massenanwendungen für Eisen-Nickel-Legierungen zuvor in der Elektronik und Elektrotechnik lagen, war es für die Luftfahrtindustrie zunächst eine Schwierigkeit, diese Werkstoffe als Halbzeug mit den geforderten Abmessungen zu erhalten. Außerdem musste eine Schweißtechnik entwickelt werden. Eine weitere Herausforderung lag in der spanenden Bearbeitung des verhältnismäßig duktilen Werkstoffs um die Form herauszuarbeiten.

Keine Beeinflussung durch Schweißnähte

Der erste Arbeitsschritt des Formenbauers ist der Blechzuschnitt. Anschließend wird die Fachwerkkonstruktion geschweißt. Dafür hat sich der artgleiche Schweißzusatz Pernifer S6436 von Thyssen-Krupp VDM bewährt, mit dem im WIG-, MAG- oder UP-Verfahren gute Resultate erzielt werden.

Weil der Schweißzusatz sich nur sehr geringfügig in der chemischen Zusammensetzung vom Grundwerkstoff unterscheidet, ist das an den Kohlefaserwerkstoff angepasste thermische Ausdehnungsverhalten auch für die Schweißkonstruktion gewährleistet. Parallel zu diesen Schweißarbeiten wird das Deckblech geformt. Bei großen Formen kann das Deckblech auch aus mehreren miteinander verschweißten Blechen bestehen.

Entspannungsglühen verhindert Verzug

Im nächsten Schritt werden Deckblech und Unterkonstruktion aneinander geschweißt. Aufgrund der Spannungen, die durch den Schweißprozess eingebracht werden, erfolgt im Allgemeinen jetzt ein Entspannungsglühen, um auszuschließen, dass sich die Form während den weiteren Fertigungsschritten oder später im Einsatz verzieht.

Die Temperaturführung dieser Wärmebehandlung ist kritisch, weil zu hohe Temperaturen zu Kriechverformung führen und zu niedrige Temperaturen keine ausreichende Entspannung gewährleisten oder das thermische Ausdehnungsverhalten negativ beeinflussen können. Auch die Abkühlung muss kontrolliert erfolgen, weil verständlicherweise keine Spannungen durch Temperaturgradienten entstehen dürfen.

Im letzten Schritt wird die Form gefräst. Aufgrund immer größer werdender CFK-Bauteile werden dazu enorm große Maschinen eingesetzt, die mit höchster Präzision arbeiten müssen. An das Fräswerkzeug selbst werden keine sehr hohen Ansprüche gestellt, weil die Legierungen verhältnismäßig weich sind. Wegen der hohen Duktilität, der damit verbundenen hohen Verformung und Wärmeentwicklung, wird das Werkzeug gut gekühlt.

Große Formen brauchen festere Legierungen

Aufgrund der Zunahme von CFK-Werkstoffe im Flugzeugbau treibt Thyssen-Krupp VDM die Entwicklung neuer Formenlegierungen voran. Dabei muss den immer größeren Abmessungen der CFK-Teile Rechnung getragen werden. Beispiele dafür ist das Seitenleitwerk der Airbus A380 und die Flügelschalen des Militärtransporters Airbus A400 M.

Das bedeutet, dass auch die Formen sehr groß und schwer werden, was die Handhabung schwierig macht. Außerdem verlängern sich die Aufheiz- und Abkühlzyklen im Autoklaven aufgrund der hohen Wärmekapazität der Form.

Leichtere Formen könnten mit festeren Werkstoffen gebaut werden. Die Schwierigkeit liegt darin, dass verfestigende Legierungszusätze im Allgemeinen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten erhöhen. Lediglich mit Hilfe des Elementes Kobalts lässt sich der Ausdehnungskoeffizient noch weiter verringern.

Ausscheidungshärtung erhöht Festigkeit signifikant

Eine Verfestigungsmethode, die einen geringen Einfluss auf das Ausdehnungsverhalten hat, ist die Ausscheidungshärtung. Legiert man Pernifer 36 gezielt mit Titan, Aluminium und Nickel, so bilden sich nach einer Wärmebehandlung bei etwa 750 °C wenige Nanometer kleine Partikel, die die Festigkeit des Werkstoffs erhöhen.

Auf diese Weise ist es gelungen, einen Werkstoff mit der dreifachen Festigkeit von Pernifer 36 zu entwickeln. Dessen Ausdehnungskoeffizient ist nur etwa 50% höher als der von Pernifer 36 und damit vergleichbar mit dem von CFK.

Die Temperatur der Aushärtung von 750 °C fügt sich ideal in den Standard für den Formenbau ein – in der Weise, dass das Entspannungsglühen und das Aushärten miteinander kombiniert werden. Erste Bearbeitungs- und Schweißversuche waren erfolgreich. Die modifizierte Legierung wird zurzeit den Formenentwicklern angeboten.

Bei RTM-Formen entfällt die Nachbearbeitung

Eine weitere Werkstoffentwicklung zielt auf einen anderen Herstellungsprozess für CFK-Bauteile ab. Beim RTM-Prozess (Resin Transfer Moulding) werden anders als beim Prepreg-Prozess die Kohlefasertextilien trocken in die Form eingelegt. Die Form wird evakuiert und das Harz injiziert. Dann wird das Bauteil ausgehärtet.

Die Formen für diesen Prozess bestehen aus massiver Wanne und Deckel, die beide aus Plattenhalbzeugen gefräst werden. Bauteile aus bisherigen RTM-Formen mussten grundsätzlich aufwändig nachbearbeitet werden, bevor sie in die Weiterfertigung gelangten.

Mit der Legierung Pernifer 33Co bietet Thyssen-Krupp VDM einen Werkstoff an, der eine noch geringere thermische Ausdehnung hat als Pernifer 36. Mit dem Werkstoff Pernifer 33Co ist es gelungen, Bauteile herzustellen, die nicht mehr nachbearbeitet werden mussten. Grund dafür ist ein noch geringerer Ausdehnungskoeffizient der Legierung, die eine Herstellung von CFK-Bauteilen in Endabmessung ermöglicht.

Die Teile lassen sich nach dem Aushärten leicht aus der Form lösen. Dadurch wird auch die Form geschont, weil auf scharfkantiges Werkzeug zum Entformen verzichtet werden kann.

Dr. Bernd de Boer ist Mitarbeiter bei der Thyssen-Krupp VDM GmbH in Werdohl.

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