In Kombination mit Keramik wird Stahl belastbarer

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Eindiffusion des Mn in das ZrO₂ führt zu einer Stabilisierung

Aus keramischer Sicht ist die Umwandlungsfähigkeit des teilstabilisierten ZrO₂ wesentlich für die ZrO₂-Eigenschaften Die Stabilisierung des ZrO₂ mit MgO ist aufgrund der möglichen Spinellbildung mit Stahl ein wichtiger Aspekt für die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe. Es hat sich jedoch gezeigt, dass in einigen Fertigungsrouten durch die Diffusion von Mg aus dem ZrO₂ heraus die Stabilisierung des ZrO₂ deutlich beeinflusst wird. Bei Verwendung der im SFB 799 entwickelten CrMnNi-Stähle findet eine Eindiffusion des Mn in das ZrO₂ statt. Dies führt wiederum zu einer (Teil-) Stabilisierung des ZrO₂, so dass derzeit davon ausgegangen wird, dass sich auch im Verbundwerkstoff ein Mn- und Mg-teilstabilisiertes ZrO₂ erzeugen lässt [11]. Dabei ist zu beachten, dass besonders das keramische System ZrO₂-MnO thermodynamisch bisher nur wenig untersucht wurde und daher für die zweite SFB-Förderperiode ein erheblicher Forschungsbedarf besteht.

Für die Herstellung von Verbundwerkstoffen mittels plastischer Formgebung werden die beiden Feststoffkomponenten mit organischen Additiven und Wasser versetzt. Es entsteht eine plastische Masse, die anschließend durch Extrudieren ausgeformt wird. Unterschiedliche Geometrien sind dabei möglich. Von den strangförmigen Halbzeugen werden Proben abgelängt, entbindert und meist konventionell gesintert (Bild 6).

Keramikanteil erhöht Fließgrenze von Stahl bei Druckbelastung

In Kombination mit den Forschungsergebnissen zur Infiltration keramischer Makrostrukturen wurden eine Reihe verfahrensbedingter Probleme gelöst und ein neues Anlagenkonzept umgesetzt. Es ermöglicht, Infiltrationsversuche mit einem Überdruck von 16 bar und unter verschiedenen Schutzgasatmosphären durchzuführen. Erste Untersuchungen zur Bestimmung mechanischer Kennwerte erfolgten mit infiltrierten Schäumen. Aus den Ergebnissen der Druck- und Ermüdungsversuche lassen sich Schlussfolgerungen auf die einzustellende chemische Stahlzusammensetzung sowie auf die erreichbare Druckfestigkeit ziehen.

Die mit dem Stahl 16-7-6 infiltrierten Schäume haben infolge des Keramikanteils im Druckversuch eine um etwa 25 bis 30 % höhere Fließgrenze als der unverstärkte Stahl. Die Porenanzahl von 30 oder 50 ppi (pores per inch) hat keinen Einfluss auf die Druckfestigkeit [12]. Jedoch wird die Duktilität drastisch reduziert. Dies erscheint tolerierbar, weil die Werkstoffvarianten als Modellkörper für Verschleiß beanspruchte Komponenten erforscht werden. Bilder 7 und 8 zeigen eine infiltrierte Hohlspaghettistruktur sowie eine Keramikschaumstruktur.

Begleitend zu den Forschungsarbeiten zum Infiltrationsverfahren erfolgte die thermofluiddynamische Analyse des Infiltrationsprozesses der offenporigen keramischen Schaumstrukturen. Mit dem validierten CFD-Modell wurden die Strömungs- und Temperaturfelder der Stahlschmelze und die Temperaturfelder in der keramischen Struktur voll gekoppelt berechnet sowie die Wärmeübertragungsprozesse zwischen Schmelze und Keramik – aber auch die Rückkopplung dieser Prozesse auf die Schmelze während des Gießprozesses – aufgelöst [14].

Für die infiltrierten Composite-Wrkstoffe mit TRIP-Stahlmatrix wurde die Geometrie der infiltrierten ZrO2-Schäume mathematisch analysiert. Für diese komplizierten, räumlich-geometrischen Strukturen ist schließlich ein geeigneter Finite-Element-Vernetzungsalgorithmus entwickelt worden. Die Entwicklung ermöglichte, den Zusammenhang zwischen den geometrischen Parametern der Schaumstrukturen (bei partikelverstärkten TRIP-Stahlmatrix-Schäumen) und ihren mechanischen Eigenschaften per Simulation aufzuzeigen. In-situ-Analysen in einem Computerthomographen untermauerten die simulativen Ergebnisse [15]. Die DFG hat die Forschungsarbeiten im Rahmen des SFB 799 finanziell unterstützt.

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