Technische Keramik

Vom Raketentreibstoff zum verstärkten Leichtbauteil

Billige Industriereststoffe wie Rotschlamm oder wenig aufbereitete Erze lassen sich durch aluminothermische Reaktionen ökonomisch und ökologisch auf direktem Weg in Leichtbaukomponenten umwandeln.

Schon 1895 hat Goldschmidt die Grundlagen zum Schweißen von Eisenbahnschienen mit Hilfe aluminothermischer Reaktionen patentiert.

Seit dieser Zeit untersucht man derartige exotherme Reaktionen auf ihre technische Verwertbarkeit, beispielsweise zur Herstellung von refraktären Keramikpulvern oder Raketentreibstoffen, etc. Der geringe erforderliche Energieaufwand ist Anreiz für unzählige Versuche, auch Formteile besonders aus hochschmelzenden keramischen Substanzen zu erzeugen. Aber bis jetzt liefern diese schwer kontrollierbaren sogenannten SHS-Verfahren (Self-propagating High-temperature Synthesis) keine riß- bzw. porenfreien Gefüge, d.h. zumindest für tragende Komponenten sind diese Werkstoffe nicht geeignet.

Durch Abschwächung der Reaktion mit inerten Zusätzen ist es dem Arbeitsbereich Technische Keramik gelungen, neuartige Materialien mit besonderen Eigenschaften auch für mechanisch hoch belastbare Bauteile herzustellen. Es entstehen Werkstoffe wie reaktionsgebundenes Al2O3 (RBAO)1 oder Al2O3-Aluminid-Legierungen (3A)2, die bereits für unterschiedliche Anwendungen z.B. als Ventilplatten für hydraulische Antriebe getestet werden. Sowohl bei der Herstellung von RBAO als auch von 3A ist feines Aluminiumpulver der wesentliche Bestandteil eines Gemisches, das pulvermetallurgisch zu Teilen geformt wird, die anschließend gesintert werden. Dabei reagiert Aluminium entweder mit Luftsauerstoff zu Al2O3 (RBAO) oder mit oxidischen Zusätzen wie Fe2O3 oder TiO2 zu Al2O3 und den entsprechenden hochschmelzenden Aluminiden (3A). Obwohl die exotherme Reaktionswärme beim Sintern (klassisch „Brennen") genutzt wird, müssen Temperaturen von ca. 1500°C aufgebracht werden, um dichte Gefüge zu erhalten. Es entstehen dabei aber Werkstoffe mit besonderen mechanischen und funktionellen Eigenschaften, die in weiten Bereichen einstellbar und z. T. über konventionelle Verfahren nicht erzielbar sind. Unter anderem wurden RBAO-Varianten entwickelt, bei denen die Schrumpfung beim Sintern, die üblicherweise bis zu 20% beträgt, durch die Reaktionsausdehnung gerade kompensiert wird. Dadurch entstehen zwischen dem leicht zu bearbeitenden aluminiumhaltigen Grünkörper und dem fertigen hart-keramischen Teil keine Dimensionsänderungen, was eine kostspielige Diamantbearbeitung erübrigt. Komponenten mit einem 3A-Gefüge könnten zwar auch aus Al2O3- und Aluminidpulvermischungen konventionell hergestellt werden, aber einerseits wären Pulver aus Aluminiden wie TiAl oder NiAl um zwei Größenordnungen teurer als 3A-Ausgangsstoffe, und andererseits müßten aufwendige Heißformverfahren angewendet werden, um eine vollständige Verdichtung zu erzielen.

Ein neuartiger Reaktionsdruckguß
Es wurde eine neue Herstellungsvariante für 3A-Verbundwerkstoffe entwickelt, die extrem kurze Prozeßzeiten bei Temperaturen von weniger als 700°C erfordert und dabei dichte, sogar endformnahe Bauteile entstehen läßt. Aufgrund ihrer offensichtlichen Wirtschaftlichkeit und sehr einfachen Prozeßführung ist sie bei der Industrie sofort auf großes Interesse gestoßen.

In der Untersuchungsphase wurden offenporige Vorkörper aus reaktiven Oxiden mit flüssigem Aluminium bei Temperaturen < 800°C Gasdruck-infiltriert3. Die dabei ablaufende exotherme Reaktion mit der resultierenden Gefügeausbildung ist in Bild 1 schematisch dargestellt. Die Vorform, die dieselben Dimensionen wie das fertige Bauteil besitzt, wird pulvermetallurgisch erzeugt und kann durch Ansintern der Oxidpulver oder durch Zugabe von Wasserglas als Bindemittel verfestigt werden; so läßt sie sich einerseits „weich" bearbeiten, übersteht andererseits aber auch hohe Infiltrationsdrücke. Wird das im Überschuß vorhandene flüssige Al in die Vorform eingepreßt (Bild 1b), reagiert das Oxid, beispielsweise TiO2, zu hartem Al2O3 und TiAl3 (Bild 1c). Dabei bilden beide Produktphasen ein zusammenhängendes Netzwerk, sodaß sich ihre Einzeleigenschaften im fertigen Verbundkörper etwa entsprechend ihrer Volumenanteile widerspiegeln, d.h. es entsteht ein Werkstoff, der die Härte und Verschleißfestigkeit des Al2O3 mit der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit sowie der Bruchzähigkeit des Aluminids vereinigt. Sowohl der Phasenanteil wie auch der Phasentyp des Verbundmaterials, das wir i-3A (Infiltrated Al2O3-Aluminide Alloys) getauft haben, kann durch die Porosität und die Zusammensetzung des Vorkörpers in weiten Bereichen eingestellt werden. Als Ausgangsstoff für die Vorkörper können neben einfachen Oxiden wie TiO2, Fe2O3, Nb2O5, NiO, etc. auch billige Mischvarianten eingesetzt werden, beispielsweise industrielle Reststoffe oder Nebenprodukte wie Rotschlamm aus der Aluminiumgewinnung oder wenig aufbereitete Erze wie Ilmenit (FeTiO3) oder Hämatit. Beim Druckinfiltrationsprozeß entsteht aber auch hier immer reines Al2O3, während die intermetallische Phase aus einem Gemisch verschiedener Aluminide besteht, das auch Verunreinigungen toleriert.

Einsatz von konventionellen Aluminium-Druckgußverfahren zur Fertigung metallkeramischer Komponenten
In der Praxis ist die Gasdruckinfiltration unwirtschaftlich. Daher wurde konventionelles Preß- und Druckgießen bei verschiedenen Firmen und Instituten für den i-3A-Prozeß getestet. Besonders der Druckguß von Aluminium wird zur Zeit immer häufiger auch zur Herstellung großer Komponenten eingesetzt, z.B. wird der 6-Zylinder-Motorblock des Porsche Boxter in einem Stück in weniger als einer Sekunde druckgegossen. Nach erfolgreichen Gußversuchen bietet sich diese Technologie sowohl zur Fertigung von i-3A-Vollkörpern, aber insbesondere auch von Aluminium-Bauteilen an, die nur in höher belasteten Bereichen aus i-3A bestehen. Ein Beispiel dafür ist ein Aluminium-Pleuel mit einem Lager aus i-3A. Zu seiner Herstellung wird der Lagervorkörper auf einem Dorn in dem hier vereinfacht wiedergegebenen Druckgußwerkzeug fixiert. Danach wird die flüssige Aluminiumlegierung  mit hoher Geschwindigkeit (ca. 40 m/s) eingepreßt; sie infiltriert den Vorkörper, der dadurch in ein fest eingebundenes, steifes und verschleißfestes Lager verwandelt wird, ohne daß Dimensionsänderungen auftreten. Auch auf druckgegossene Aluminiumgehäuse, in die üblicherweise Durchführungen aus Bronze oder Stahl eingepaßt werden, soll diese Technologie in Zukunft angewendet werden. Damit würde das zusätzliche Ausrichten der Durchführungen entfallen, und eine einfache Schmelzrückgewinnung der Al-Legierung ohne Kontamination durch Eisen oder Kupfer wäre möglich.
Eine Reihe weiterer technischer Anwendungen wird zur Zeit mit Industriefirmen diskutiert. So hat ein deutscher Automobilhersteller kürzlich einen Forschungsauftrag zur Entwicklung von Hochleistungsbremsscheiben erteilt. Dafür sind sowohl Vollscheiben aus i-3A als auch partiell im Bremsbereich mit i-3A-verstärkte Aluminiumscheiben vorgesehen. Die neue Konstruktionsweise würde das Gewicht gegenüber den bisher üblichen Eisengußscheiben halbieren, wobei mindestens eine gleich gute Temperaturbelastbarkeit und vermutlich bessere Tribo- und Verschleißeigenschaften zu erwarten sind.

Der hier sehr vereinfacht wiedergegebene i-3A-Prozeß steckt - wie meist bei Neuentwicklungen - voller unbekannter Details, die eine intensive Grundlagenforschung im Umfeld notwendig machen. Beispielsweise wird bei wenig reaktiven Oxiden die Zündtemperatur für die Reaktion bei tiefen Infiltrationstemperaturen und hohen -geschwindigkeiten nicht erreicht. Dadurch wird der Vorkörper nur mit Aluminium infiltriert, ohne zu i-3A zu reagieren. Dies erfordert eine anschließende Glühbehandlung, oder es müssen hochreaktive Oxide, d.h. Beschleuniger, zugesetzt werden, um die Umwandlung schon während des Druckgußprozesses zu erzielen. Allein hierzu sind umfangreiche thermodynamische Berechnungen und Versuche notwendig. Eine entsprechende Forschungsunterstützung wurde vom BMBF und der DFG beantragt bewilligt.

Verläuft die Entwicklung dieser neuartigen Verbundwerkstoffklasse (i-3A) und ihr Herstellungsprozeß weiterhin positiv, würde das Anwendungsfeld für Aluminiumkomponenten erheblich erweitert. Dafür sprechen folgende Vorteile: Der i-3A-Prozeß ist aufgrund der äußerst billigen Rohstoffe, der kurzen Prozeßzeiten und der Verwendung konventioneller Druckgußmaschinen sehr wirtschaftlich. Allein die Tatsache, daß bei diesem Prozeß, der bei Temperaturen von weniger als 700°C abläuft, endkonturnahe Teile entstehen, deren Einsatztemperatur z. T. weit darüber liegt, ist erwähnenswert. Da der Gefügeaufbau von i-3A-Werkstoffen in weiten Bereichen maßgeschneidert werden kann, sind Eigenschaftsmerkmale zu erwarten, die in der Zukunft völlig neue Anwendungen ermöglichen.
 
Literatur
1. N. Claussen, R. Janssen und D. Holz, „Reaction Bonding of Aluminum Oxide (RBAO)", J. Ceram. Soc. Jap. 103 (1995) 749-58
2. N. Claussen, D.E. Garc”a, R. Janssen, „Reaction Sintering of Alumina-Aluminide Alloys (3A)",
J. Mater. Res., Vol. 11, No. 11 (1996) 2884-88
3. C. Scheu, G. Dehm, W.D. Kaplan, F. Wagner and N. Claussen, „Microstructure and Phase
Evolution of Niobium - Aluminide - Alumina Composites Prepared by Melt-Infiltration", phys. stat. sol. (a) 166 (1998) 241-55

Prof. Dr.-Ing. N. Claussen
Dipl.-Ing. F. Wagner
Arbeitsbereich Technische Keramik