Keramik mit Faserverstärkung für hoch belastbare Leichtbauteile

Eigenschaften wie hohe Verschleißfestigkeit, Temperatur- und Thermoschockbeständigkeit machen aus Keramik einen Leichtbauwerkstoff für den Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbau. Das gilt insbesondere...

Anbieter zum Thema

GGB Heilbronn GmbH

JESSBERGER GmbH

Eigenschaften wie hohe Verschleißfestigkeit, Temperatur- und Thermoschockbeständigkeit machen aus Keramik einen Leichtbauwerkstoff für den Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbau. Das gilt insbesondere bei Faserverstärkung, wodurch die massenbezogenen Kennwerte weiter verbessert werden. Aufgrund der aufwändigen Bauteilherstellung sind allerdings dem Anwendungsbereich Grenzen gesetzt. Ziel der Faserverstärkung keramischer Werkstoffe ist nicht so sehr die Steigerung der Festigkeit, sondern die Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit quasiduktilem Bruchverhalten und hohen gewichtsspezifischen Kennwerten über einen großen Temperaturbereich. Dazu sind unterschiedliche Verfahren geeignet. Die damit hergestellten Faserverbundwerkstoffe haben gegenüber monolithischer Keramik eine deutlich erhöhte Schadenstoleranz [1].Keramische Verbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composits, CMC) stehen unmittelbar vor ihrer Einführung in industrielle Märkte, wobei Deutschland technologisch eine führende Rolle einnimmt. Diese Faserkeramiken sind auf Grund der sehr guten Verschleißeigenschaften, der extremen Temperatur- und Thermoschockbeständigkeit, der sehr geringen thermischen Ausdehnung und der hohen massenspezifischen Festigkeiten eine interessante Alternative zu herkömmlichen Werkstoffen in vielfältigen Anwendungen des Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbaus.So werden heute in den meisten Fahrzeugen Bremssysteme mit Bremsscheiben aus Gusseisen oder Stahl und Reibpartnern aus organischen oder sintermetallischen Belägen eingesetzt. Weil die Bremsen meist in den Rädern untergebracht sind und somit zur ungefederten Masse gehören, müssen sie neben einer hohen Temperaturstabilität auch möglichst leicht und wegen des begrenzten Einbauraumes in den Felgen möglichst kompakt sein. Teilweise werden extrem hohe Bremsleistungen erzeugt, die weitaus höher als die Antriebsleistungen des Motors liegen können. Dadurch geraten die für Bremsscheiben langjährig verwendeten Werkstoffe zunehmend an ihre thermischen Belastungsgrenzen. Außerdem erfordern neue Leichtbaukonzepte (zum Beispiel 3-Liter-Automobile, Hochgeschwindigkeitszüge) leichtere Werkstoffe und ausfallsichere Konstruktionen.Im Fahrzeug-Rennsport und im Flugzeugbau haben sich Bremsscheiben aus Carbon/Carbon (C/C) bereits durchgesetzt. Einer breiteren Anwendung von C/C als Bremsenwerkstoff stehen jedoch erhebliche tribologische (schlechtes Kaltbremsverhalten, hoher abrasiver und oxidativer Verschleiß) und wirtschaftliche Nachteile (sehr hohe Werkstoffkosten über 500 DM/kg) entgegen. Vor allem die nach dem Flüssigsilicierverfahren (Liquid Silicon Infiltration, LSI, [1]) hergestellten Siliziumkarbid-Werkstoffe mit Kohlenstofffaserverstärkung (C/C-SiC) zeigen jedoch auf Grund ihrer mehrphasigen Matrixzusammensetzung und ihres inneren Korrosionsschutzes (SiC) deutliche Vorteile gegenüber kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (C/C) in Bezug auf Verschleiß und Reibwertverlauf [2].Nachträgliche Bearbeitung ist unbefriedigendHeutige Hochleistungs- und Leichtbaubremsen aus Gusseisen sind meistens mit einer Innenbelüftung zwecks besserer Wärmeabfuhr versehen. C/C-Bremsscheiben für Rennsportfahrzeuge werden - weil verfahrenstechnisch nicht anders machbar - daher nachträglich im fertigen Zustand radial aufgebohrt. Kühltechnisch und kostenmäßig stellt diese Herstellung in Massiv-Bauweise jedoch nur eine unbefriedigende Kompromisslösung dar. Das LSI-Verfahren ermöglicht die Herstellung von belüfteten Keramikbremsscheiben in einer wesentlich einfacheren und wirtschaftlicheren Weise durch Bildung der Matrix in der Flüssigphase. Hierzu werden einzeln vorgefertigte, pyrolysierte Teile durch Reaktionsbindung während der Silicierung dauerhaft und fest miteinander verbunden. Diese Fügetechnik ist in das LSI-Verfahren direkt integriert, so dass die Herstellung von modular aus Einzelteilen aufgebauten und extrem leichten C/C-SiC-Bremsscheiben möglich wird (Bild 1).Die Befestigung der Bremsscheibe an der Nabe kann analog zu den bekannten Konstruktionen der C/C-Bremsen über einen Stahltopf und eine Schrauben-Hülsen-Konstruktion erfolgen. Im Vergleich zu Grauguss reduziert sich damit die Bremsscheibenmasse von etwa 11 auf 3 kg, wodurch eine mit Keramikscheiben ausgerüstete Automobilbremse einschließlich der Nabenbefestigung um insgesamt rund 50% leichter wird.Auch wenn die neuen Keramikbremsen aus Kostengründen nur für einen kleinen Anteil des Bremsenmarkts in Betracht kommen, so ergibt sich doch ein bedeutendes Marktvolumen. Verschiedene Automobilproduzenten (Porsche, Daimler-Chrysler) planen einen baldigen Einsatz dieser Keramikbremsen in speziellen Hochleistungsfahrzeugen. Die nähere Zukunft wird zeigen, inwiefern sich die hervorragenden Eigenschaften dieser C/C-SiC-Werkstoffe auch wirtschaftlich in Serien-Bremsscheiben umsetzen lassen.Faserkeramiken haben - insbesondere bei Verstärkung mit Kohlenstofffasern - eine generell sehr niedrige Wärmeausdehnung. Die im unteren Temperaturbereich negativen Ausdehnungskoeffizienten der C-Fasern ermöglichen im Verbund mit einer Keramikmatrix maßgeschneiderte Eigenschaften, die sich in ausdehnungsneutralen Strukturen technisch umsetzen lassen. Im Vergleich mit herkömmlichen Werkstoffen, zum Beispiel solchen mit der Bezeichnung Zerodur oder Invar, sind Faserkeramiken wesentlich leichter und auch höher belastbar. Insbesondere C/C-SiC-Keramiken haben eine höhere spezifische Festigkeit. Ihr Ausdehnungskoeffizient ist nahezu null und sie sind im Falle einer thermischen Zyklierung frei von Hysterese-Effekten.Dies ermöglicht die Herstellung extrem leichter und filigraner Bauteile: zum Beispiel von Kalibrierkörpern für Koordinatenmessmaschinen, hochpräzisen Spiegelstrukturen und Teleskopen für die optische Nachrichtenübermittlung, von optischen Bänken und Strahlführungssystemen in der Lasertechnik. Aufgrund eines speziellen Fügeverfahrens lassen sich einzeln vorgefertigte Teile dauerhaft miteinander verbinden, so dass auch sehr komplexe und großformatige Bauteile hergestellt werden können.Erhöhte spezifische Belastung bei guter TribologieSiC/SiC-Faserkeramiken (Siliziumkarbidwerkstoffe mit Siliziumkarbidfaserverstärkung), hergestellt nach dem CVI-Verfahren (Chemical Vapour Infiltration, CVI [1]), werden für hoch belastete Gleitlager und Gleitringdichtungen verwendet und ermöglichen gegenüber konventioneller Keramik eine höhere spezifische Belastung bei gleichzeitig günstigen tribologischen Eigenschaften im Misch- und Trockenreibungseinsatz [3] (Bild 2). In Feldversuchen bewährten sich SiC/SiC-Wellenschutzhülsen in hoch belasteten Pumpengleitlagern in über 30 000 Betriebsstunden. Außerdem befinden sich axiale Gleitlagerringe bereits erfolgreich im Einsatz. Die Hauptvorteile für den Kunden liegen hierbei insbesondere in der hohen Zuverlässigkeit dieser thermoschockbeständigen Faserkeramiken und in der Möglichkeit kleinere Baugrößen herzustellen. Eine weitere interessante Anwendung stellen keramische Zahnräder aus C/C-SiC für neue Leichtbaugetriebe dar (Bild 3). Hier können durch ein faserkeramikgerechtes Design und eine dem Kraftfluss angepasste Faserorientierung extrem leichte und doch bruchzähe Zahnräder realisiert werden.Ein weiteres Anwendungsgebiet für faserverstärkte Keramiken liegt in der Herstellung von Werkzeugen für die spanende Metallbearbeitung (Bild 4). Vorversuche zeigten vielversprechende Ergebnisse bei der Feinbearbeitung von gehärteten Zahnrädern, beim so genannten Schabschleifen, wobei eine spezielle Oberflächenstruktur auf den Zahnflanken aufgebracht wird, um die Geräuschentwicklung der Zahnräder im Einsatz zu reduzieren. Gegenüber dem Stand der Technik von polymergebundenen Honringen haben faserverstärkte Keramikwerkzeuge unter anderem eine höhere Abtragsleistung sowie eine längere Standzeit.Die hohe thermische und mechanische Stabilität der Faserkeramiken eröffnet neue Möglichkeiten in der Hochtemperatur-Prozesstechnik. So befinden sich beispielsweise Rohre für eine neue Generation von keramischen Wärmeaustauschern zur Steigerung des Wirkungsgrads in kombinierten Kraftwerksprozessen in der Entwicklung. Brennerrohre, Messsonden, Feuerungsroste und selbsttragende Chargiervorrichtungen sind heute bereits kommerziell auf dem Markt verfügbar und unterstreichen die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten der Faserkeramiken in der Wärme- und Energietechnik.Faser und Matrix aus Oxiden erhöhen TemperaturbereichDie Anwendungsgrenzen heutiger Faserkeramiken werden primär durch die Oxidations- oder Temperaturbeständigkeit der jeweiligen Verstärkungsfasern begrenzt. So setzt eine Verstärkung mit Kohlenstofffasern (C/SiC oder C/C-SiC) bei eine Dauertemperaturbelastung von über 450 °C eine inerte Atmosphäre voraus. Fasern auf SiC-Basis hingegen sind wesentlich unempfindlicher gegenüber Oxidation. Ihre Einsatztemperatur ist derzeit in SiC/SiC-Werkstoffen jedoch auf etwa 1000 °C limitiert. Faserkeramiken mit oxidischer Matrix und oxidischen Fasern versprechen dagegen höhere Einsatztemperaturen. Die Entwicklung dieser volloxidischen Faserkeramiken steht jedoch noch ganz am Anfang.Die hohen massenspezifischen Eigenschaften der Faserkeramiken machen diese neue Werkstoffklasse zu einem technisch interessanten Kandidaten in vielen Gebieten des Leichtbaus. So lassen sich daraus maßgenaue und komplexe Bauteile mit hoher Verschleiß- und Thermoschockbeständigkeit in unterschiedlichen Fertigungsverfahren industriell herstellbar. Die ersten Serienprodukte werden sich wegen der hohen spezifischen Bauteilkosten auf Nischenanwendungen beschränken. Auch in absehbarer Zukunft bleiben die Kosten der CMC-Keramiken im Vergleich zu herkömmlichen Werkstoffen hoch und müssen sich daher durch systembedingte Vorteile (zum Beispiel kleinere Baugröße, längere Wartungsintervalle) und durch niedrigere Lebenszykluskosten in der Praxis amortisieren.Literatur[1]Krenkel, W.: Fasern erzeugen bei Keramik ein quasiduktiles Bruchverhalten. Maschinenmarkt 5/2001, S. 34 - 36.[2]Krenkel, W., R. Renz, B. Heidenreich: Lightweight and Wear Resistant CMC Brakes. 7th International Symposium Ceramic for Engines in Goslar, June 19 - 21, 2000 [3]Leuchs, M., und W. Prechtl,: Faserverstärkte Keramik als tribologischer Werkstoff im Maschinenbau. DGM-Tagung ,,Reibung und Verschleiß" in Bad Nauheim, März 1996. Deutsche Gesellschaft für Materialkunde, Frankfurt/Main.