Werkstoffe Keramikstrukturen in Stahlmatrix inspirieren den Leichtbau

Autor / Redakteur: Peter Michel, Steffen Wolf, David Ehinger und Alexander Glage / Helmut Klemm

Aus einer neuen Gruppe von Stahl-Keramik-Verbundwerkstoffen lassen sich mithilfe von sinterartigen Verfahren endkonturnahe Teile und mittels plastischer Formgebung blechförmige und profilartige Halbzeuge mit zellularen Strukturen herstellen. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten für alle Arten des Leichtbaus.

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Bild 1: Aus solchen Wabenkörpern könnten Halbzeuge oder auch Crashbauteile aus dem neuen Verbundwerkstoff bestehen, bei dem Keramikstrukturen in eine Stahlmatrix homogen oder inhomogen eingebettet sind.
Bild 1: Aus solchen Wabenkörpern könnten Halbzeuge oder auch Crashbauteile aus dem neuen Verbundwerkstoff bestehen, bei dem Keramikstrukturen in eine Stahlmatrix homogen oder inhomogen eingebettet sind.
(Bild: TU Freiberg)

Nachdem bereits über die Entwicklung neuer Stahlguss-Keramik-Verbundwerkstoffe im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Trip-Matrix-Composite berichtet wurde [1], sollen nun erste Ergebnisse zu den ermittelten mechanischen Eigenschaften sowie mögliche Anwendungsbereiche der verschiedenen Verbundwerkstoffe vorgestellt werden. Die chemische Zusammensetzung der verwendeten Stahlpulver der drei aus den neu entwickelten Cr-Mn-Ni-Stählen ausgewählten Basislegierungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die durchschnittliche Partikelgröße d50 betrug 25 µm. Übergangsweise wurde einStahlpulver aus dem kommerziellen Trip-Stahl 1.4301 verwendet (Trip bedeutet Transformation Induced Plasticity – umwandlungsbewirkte Plastizität). Die Mg-PSZ-Keramik (PSZ bedeutet Partially Stabilized Zirconia – teilstabilisiertes Zirkonoxid) ist ein handelsübliches Pulver mit 3,5 Masse-% MgO.

Die Keramikpartikel wiesen eine mittlere Partikelgröße d50 von 1,3 µm auf. Der monokline Phasenanteil im Ausgangszustand betrug etwa 10 %.

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Nachweis der kombinierten martensitischen Phasenumwandlung

Mit dem Nachweis der spannungsunterstützten martensitischen Phasenumwandlung des ZrO2 in Trip-Stahl/Mg-PSZ-Verbundwerkstoffen war die Annäherung an eines der wesentlichen Ziele der Forschungen an Trip-Matrix-Composites, die Nutzung der Verstärkungseffekte durch die martensitischen Phasenumwandlungen in beiden Komponenten, gelungen [2].

Optimierungsmöglichkeiten bezüglich des Anteils der umwandlungsfähigen tetragonalen Phase im ZrO2 durch Variation der chemischen Zusammensetzung und der Sinterbedingungen wurden ermittelt [3].

Mechanische Kennwerte

In den grundlegenden Untersuchungen zu den Werkstoffvariationen und Herstellungsverfahren konnten für die Verbundwerkstoffe erste mechanische Kennwerte an SPS-Proben (Spark-Plasma-Sintering) ermittelt werden (Tabelle 2). Aufgrund der noch nicht verfügbaren Eigenentwicklungen wurden in der Anfangsphase die Verbundwerkstoffe mit dem konventionellen Stahl 1.4301 hergestellt.

Ausgehend von möglichen Anwendungen im Bereich des Fahrzeugbaus unter Nutzung des Leichtbaupotenzials von Wabenstrukturen (Bild 1) wurde das Energieabsorptionsvermögen der neuen Verbundwerkstoffe ermittelt (Tabelle 3).

Unter dem Aspekt des Einsatzes derartiger Leichtbaustrukturen in höchstbeanspruchten Bauteilkomponenten innerhalb des Fahrzeugbaus, der Bahntechnik oder der Luftfahrt ist sowohl das temperaturabhängige als auch das dehngeschwindigkeitsempfindliche Fließspannungsverhalten der Wabenstrukturen aus Composite-Werkstoffen von besonderer Bedeutung. Bild 2 zeigt das prinzipielle Verhalten der mechanischen Eigenschaften einer Composite-Wabenstruktur unter dem Einfluss unterschiedlicher Temperaturen.

Einsatz der neuen Werkstoffe für zyklisch beanspruchte Bauteile

Für den Einsatz der neuen Werkstoffe für zyklisch beanspruchte Bauteile, wie es im Fahrzeug- und Maschinenbau typisch ist, wurden erste Untersuchungen durchgeführt. In den grundlegenden Versuchen wurde für die Stahlmatrix ein Pulver aus Trip-Stahl 1.4301, bezogen von TLS Bitterfeld, verwendet. Die Verbundwerkstoffe daraus wurden mit 0,5 und 10 Vol.-% Mg-PSZ hergestellt und an ihnen Dehnungswöhlerlinien und zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven ermittelt.

Bild 3a zeigt, dass der Ermüdungsverlauf der Basquin-and-Mandson-Coffin-Beziehung folgt. Die Ergebnisse der Ermüdungslebensdauer der mit Keramik verstärkten Materialien fallen unter LCF-Bedingungen stark ab (LCF bedeutet Low Cycle Fatigue – Kurzzeitermüdung). Allerdings nimmt mit geringerer Dehnungsamplitude auch der Abstand zwischen den Ermüdungsverläufen der untersuchten Werkstoffe ab. Die zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurven in Bild 3b wurden mit der Ramberg-Osgood-Beziehung angepasst, die Datenpunkte bei der halben Lebensdauer ermittelt.

Höhere Spannungswerte aufgrund der Keramikverstärkung

Aus dem Verlauf der Kurven ergibt sich der Schluss, dass die Keramikverstärkung eine Verschiebung zu höheren Spannungswerten bewirkt. Bei geringen Spannungsamplituden liegt die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve des unverstärkten Stahls unter der statischen Kurve, was darauf hinweist, dass das Material durch eine zyklische Entfestigung charakterisiert ist. Bei höheren Dehnungsamplituden zeigt der Stahl eine zyklische Verfestigung. Der Wert der zyklischen Entfestigung sinkt signifikant in den MMC (Metall-Matrix-Composites) mit steigendem Keramikanteil, sodass die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve des MMC mit 10 Vol.-% MG-PSZ nahe an der quasistatischen Kurve liegt, ohne eine ausgeprägte zyklische Entfestigung zu zeigen [7].

Geometrien pulvermetallurgischer und infiltrierter Werkstoffe

Ausgehend von den dargestellten Herstellungsrouten eignen sich die neuen Werkstoffe für die Herstellung endkonturnaher Bauteile analog den konventionellen Sintertechnologien. Perspektivisch sind auch kleinere blechförmige Halbzeuge und daraus umgeformte Profilteile denkbar.

Die mittels plastischer Formgebung verarbeiteten Werkstoffe sind eher für die Herstellung langer, profilierter Halbzeuge geeignet oder für Bauteile aus Abschnitten solcher Halbzeuge (etwa Vollprofile oder Profile mit dünnwandigen, zellularen Strukturen). Die zellularen Strukturen mit ebenen Profilflächen (zum Beispiel Wabenkörper) können durch keramisches Fügen miteinander verbunden werden, sodass durch das Sintern eine feste, unlösbare Verbindung entsteht.

Die keramischen Halbzeuge für die Makrostrukturen (Stränge oder Geflechte) der Infiltrationsroute werden auch auf diese Weise hergestellt. Anwendungsmöglichkeiten sind aufgrund der realisierbaren Geometrien und der Werkstoffeigenschaften für diese Teile im Fahrzeug- und Maschinenbau denkbar. Für die Wabenstrukturen bietet sich aufgrund des günstigen Gewichts-Steifigkeits-Verhältnisses der Einsatz als Crashstrukturen und im Leichtbau an.

Infiltrierte Werkstoffe

Die herstellbaren Geometrien entsprechen prinzipiell denen herkömmlicher Gussteile und können sehr unterschiedlich sein. Es ist möglich, die keramischen Makrostrukturen homogen in der metallischen Matrix (etwa bei Schaumkörpern, Strängen oder regelmäßigen Geflechten) oder inhomogen zur gezielten partiellen Verstärkung anzuordnen.

Infiltrierte Werkstoffe mit einer homogenen Verteilung der Keramikanteile an der Oberfläche (zum Beispiel Schaumkörper) könnten günstigere Verschleißeigenschaften aufweisen. Untersuchungen dazu sind in der zweiten Phase der Arbeiten des Sonderforschungsbereiches SFB 799 geplant. Anforderungsgerecht angeordnete Keramikstrukturen könnten zur Gewichtsreduzierung oder partiellen Verstärkung der Bauteile beitragen. Anwendungen sind im Maschinen- und Fahrzeugbau möglich.

Ausblick auf die weitere Forschung

Nach dem derzeitigen Stand werden die Forschungsarbeiten zur Erzeugung einer ganzen Werkstofffamilie von Stahlmatrix-Verbundwerkstoffen, die durch das Wechselspiel der martensitischen Phasenumwandlungen im Stahl und in der Keramik sowie durch die mechanische Zwillingsbildung im Stahl herausragende Eigenschaften aufweisen, bis 2016 fortgesetzt.

In der zweiten Förderperiode des SFB 799 steht das gezielte Design der Trip-Matrix-Composites, der Mikrostrukturen und der Phasengrenzflächen im Mittelpunkt. Dazu werden weitere pulvermetallurgische Verfahrenstechniken der Keramikindustrie auf Trip-Matrix-Verbundwerkstoffe und Gradientenwerkstoffe übertragen und das Warmumformen gesinterter Vorformen zur Herstellung flacher Halbzeuge integriert.

Die Eigenschaften der Stähle werden für die Verwendung in den Trip-Matrix-Composites durch Mischkristall- und Ausscheidungshärtung gezielt angepasst.

Unter dem Aspekt des möglichen Einsatzes im Fahrzeug- und Maschinenbau werden Grundlagenuntersuchungen über das Korrosionsverhalten und den Korrosionsschutz sowie das Fügen der Verbundwerkstoffe zu komplexeren Bauteilen mittels Elektronenstrahltechnologien in die Forschungsarbeiten einbezogen.

Literatur

[1] Michel, P., Jahn, A., Weigelt, C. und Martin, S.: „In Kombination mit Keramik gewinnt Stahl an Belastbarkeit.“ In: MM Maschinenmarkt (2013) Nr. 14, Seite 44 – 47.

[2] Aneziris, C. G., Berek, H., Hasterok, M., Biermann, H., Wolf, S. und Krüger, L., „Novel TRIP-steel/Mg-PSZ composite-open cell foam structures for energy absorption“, Advanced engineering materials, Bd. 12, Nr. 3, pp. 197-204, 2010.

[3] Berek, H., Yanina, A., Weigelt, C. und Aneziris, C. G. , „Determination of phase distribution in sintered TRIP-matrix/Mg-PSZ composites using EBSD,“ Steel research international, Bd. 82, Nr. 9, pp. 1094-1100, 2011.

[4] Krüger, L., Decker, S., Ohser-Wiedemann, R., Ehinger, D., Martin, S., Seifert, M. U. und H. J., „Strength and failure behaviour of spark plasma sintered steel-zirconia composites under compressive loading,“ Steel research international, Bd. 82, Nr. 9, pp. 1017-1021, 2011.

[5] Krüger, L., Ehinger, D., Martin, U., Martin, S., Weigelt, C. und Aneziris, C. G., „Microstructure and mechanical properties of cold extruded, cellular TRIP-matrix composite structures under quasistatic and dynamic compression,“ WIT Transactions on The Built Environment, Nr. 112, pp. 39-49, 2010.

[6] Ehinger, D., Krüger, L., Martin, U., Weigelt, C. und Aneziris, C. G., „Deformation Mechanisms and Martensitic Phase Transformation in TRIP-Steel/Zirconia Honeycombs,“ Steel research int. , Bd. 83, Nr. 6, pp. 565-575, 2012.

[7] Glage, A., Martin, S., Decker, S., Weigelt, C., Junghans, M., Aneziris, C. G., Martin, U., Krüger, L. und Biermann, H., „Cyclic Deformation of Powder Metallurgy Stainless Steel/Mg-PSZ Composite Materials,“ Steel research international, Bd. 83, Nr. 6, pp. 454-464, 2012.

[8] Weiß, A., Gutte, H., Radtke, M., Scheller, P., Patentanmeldung WO 2008/009722A1 v. 24.01.2008

* Dr.-Ing. Peter Michel ist Geschäftsführer des Sonderforschungsbereichs SFB 799 über Trip-Matrix-Composite am IWT der TU Bergakademie Freiberg, 09599 Freiberg. Dr.-Ing. Steffen Wolf, Dipl.-Ing. David Ehinger und Dipl.-Wirtsch.-Ing. Alexander Glage sind wissenschaftliche Mitarbeiter am SFB 799, IWT, TU Bergakademie Freiberg

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