Image: Harter Stahl und spröde KeramikFERCHAUFERCHAUVerbundwerkstoff aus Stahl und Keramik | v_alex
TechnikPulvermetallurgie

Harter Stahl und spröde Keramik

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Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

Wissenschaftler der Technischen Universität Bergakademie Freiberg in Sachsen haben ein neues pulverme­tall­ur­gi­sches Verfahren für Werkstoff­kom­bi­na­tionen aus Stahl und Keramik entwickelt. Damit ließen sich zukünftig mechanisch hoch belastbare Bauteile herstellen, die insbeson­dere bei Verkehrs­un­fällen Leben retten könnten.

07. Juni 2018

Eine Melange aus Stahlpulver und einer Prise Keramikstaub wird zu einem leichten Superwerk­stoff verarbeitet. Wie das genau funktioniert, erklärt im Interview der Forschungs­leiter und Instituts­di­rektor Werkstoff­technik an der TU Freiberg, Professor Horst Biermann.

Was ist das Geheimnis Ihrer neuen Rezeptur, Herr Prof. Biermann?

Unter Belastung verändert sich die Atomanord­nung des Werkstoffs. So kann er sehr große mechanische Beanspru­chungen ertragen, ohne dabei zu versagen. Das ist wichtig. Wir erreichen damit eine plastische Dehnung von bis zu 50 Prozent. Diese Bauteile können bei Überlastung mechanische Verformungs­ar­beit aufnehmen, ohne zu brechen. Dabei verändern sie die Form, das heißt sie verlängern sich bei Zug- oder verkürzen sich bei Druckbelas­tung.

Wie ist Ihnen dieser überraschende Effekt gelungen?

Die Basis bilden die an der Freiberger Universi­tät entwickelten TRIP-fähigen Stahlguss-Werkstoffe. TRIP steht für „Transfor­ma­tion Induced Plasticity“ — zu Deutsch: Umwandlungs­plas­ti­zi­tät. Eine gezielte Kombination des TRIP-Effekts im Stahl mit einer Phasenum­wand­lung der Keramik ermöglicht die Kreation innovativer Werkstoffe für höchst beanspruch­bare Bauteile und Komponenten, beispiels­weise für Sicherheits- und Leichtbau­kon­struk­tionen im Fahrzeug- und im Maschinenbau.

Welche Sicherheits­bau­steine ließen sich damit beispiels­weise beim Automobilbau konstruieren?

Für den Crash-Fall könnten die neuen Werkstoffe als Sicherheits­bau­teile in der Crash-Box oder als Trägerele­mente eingesetzt werden, um die Fahrgast­zelle zu schützen. Dabei nehmen die Bauteile eine hohe mechanische Energie auf und verformen sich dabei.

Wie kommen die Verbundpartner zusammen?

Für das patentierte Verfahren mischen wir Pulver beider Komponenten mit weiteren Zusatzstoffen. Die Mischung wird dann mit Hilfe spezieller Formgebungs­ver­fahren zu verschie­denen geometri­schen Strukturen wie Schaum-, Waben-, Kugel- oder Spaghetti­formen geformt. Ihre endgültige Festigkeit erhalten die Werkstoffe durch Sintern. Dabei wird das Pulver bei Temperaturen unterhalb der Schmelztem­pe­ratur des Stahlpul­vers bei etwa 1.350 Grad Celsius zu kompakten Bauteilen verdichtet. Eine zweite Variante zum Herstellen von Stahl-Keramik-Verbundwerk­stoffen ist das Infiltrieren keramischer Formkörper mit Stahlschmelze.

Welche Rolle spielt das Lösungsmittel „Wasser“ beim Anmischen des Pulvers?

Damit erhalten wir eine knetbare Masse ähnlich wie Spielzeug­k­nete. Der Wasseran­teil liegt zwischen sieben und acht Prozent und wird beim Trocknen der Masse wieder abgedampft, die restlichen organischen Bestandteile wie Ölsäure als Gleitmittel werden im Ofen unter Luft bei 450 Grad Celsius ausgebrannt. So werden alle „Fremdstoffe“ nach der Formgebung entfernt, so dass diese beim Sintern keinen negativen Einfluss mehr auf das Produkt haben können. Der Sauerstoff der Luft reicht aus, um die noch vorhandenen organischen Bestandteile zu oxidieren. Nach diesem „Entbindern“ können wir die Masse allerdings nicht mehr manipulieren, die würde sonst zerfallen. Wir entwickeln einen Produkti­ons­pro­zess, der ohne Unterbre­chung direkt zum Sintern führt. In der aktuellen Versuchs­phase dauert das Verfahren von der Vorberei­tung der Rohstoffe bis zum fertigen Werkstoff zirka zwei Tage.

Wie legen Sie die Mischungs­ver­hält­nisse Ihres Pulvers fest?

In der Regel überwiegen die Metallan­teile, versetzt mit zehn bis 15 Prozent Keramikan­teil. Das Verformungs­ver­halten des damit hergestellten Werkstoffs wird dann vom Metall dominiert. Wenn wir in Richtung Verschleiß denken, müssen wir einen hohen Keramikan­teil einbringen. Der liegt bei 70 Prozent und mehr. Das wiederum reduziert dramatisch die Verformbar­keit des Körpers.

Welche Korngrößen haben die Pulverpartner?

Keramikkörner haben Durchmesser von einigen Mikrometern, Stahlpar­tikel zwischen 15 und 40 Mikrometer. Das Pulver wird in Mühlen homogeni­siert und vermischt, so dass wir eine möglichste homogene Verteilung zwischen Keramik und Metallpulver erhalten.

Wie haften beide Komponenten im Verbund aneinander?

Dieses Phänomen ist auch noch ein aktiver Forschungs­ge­gen­stand. Wir wissen, dass die Anbindung der Keramik an das Metall verbessert wird, wenn wir gewisse Legierungs­ele­mente dazugeben, die die Grenzfläche der Partner positiv beeinflussen. Im Moment untersuchen wir Titan als Zugabe.

Wie geschieht die unterschied­liche Formgebung des Werkstoffes?

Die Masse wird im Extruder durch ein Mundstück gedrückt. Dabei entstehen Körper mit dem Querschnitt der Öffnung, Extrudat genannt, in theoretisch beliebiger Länge. Der Material­strang wird mit ca. einem Millimeter pro Sekunde ausgeformt.

Welches Verfahren favorisieren Sie: Stahlschmelzein­fil­tra­tion oder die kalte plastische Formgebung?

Es kommt auch hier auf den Anwendungs­fall an. Wir haben Projekte, in denen wir die Stahlschmelze mit größeren keramischen Partikeln mischen und erstarren lassen. Das geht dann in Richtung der Verschlei­ß­körper, beispiels­weise für Baggerzähne. Der größere Teil der Verbundwerk­stoffe wird aber mit den pulverme­tall­ur­gi­schen Verfahren hergestellt. Bei den pulverme­tall­ur­gi­schen Verfahren können wir die Keramikan­teile homogener verteilen als bei der Stahlschmelzein­fil­tra­tion.

Wann könnte Ihr Verfahren zum Beispiel in der Automobil­fer­ti­gung Anwendung finden?

In der jetzigen Forschungs­phase arbeiten wir zwar schon konkret mit Unternehmen zusammen, aber bis zur Serienreife wird es noch dauern. Ein Transfer­pro­jekt betrifft pulverme­tall­ur­gi­sche Stahl-Keramik-Verbundwerk­stoffe für die metallur­gi­sche Industrie. In einem anderen Transfer­pro­jekt arbeiten wir an der Optimierung der Metall-Keramik-Kombination für Bauteile, die in Geräten zum Aushub und zur Förderung von Erdmassen zum Einsatz kommen.

Professor Horst Biermann