Autor: Susanne Freund

Poröse Keramikeinlagen für hochbeanspruchte Leichtmetall- und Graugussbauteile – HMI#5

4.4.2018

#5 der Reihe: Schmelzen, Gießen, Metallveredelung und Qualitätssicherung mit zerstörungsfreien Prüfverfahren.

Der Einsatz von Metallgussteilen ist trotz der breiten verfügbaren Werkstoffpalette hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit oder Verschleißbeständigkeit limitiert. Mit Hilfe von poröse Einlagen aus Keramik – sogenannten Preformen – lassen sich ihre Einsatzmöglichkeiten allerdings erweitern und ihre Lebensdauer verlängern. Der Vorteil bei der Verwendung von Preformen liegt darin, dass diese im Bauteil gezielt nur an den Stellen positioniert werden, an denen hohe Beanspruchungen herrschen. Damit muss nicht das gesamte Werkstück von Keramik durchzogen sein, was zum einen eine gute Bearbeitbarkeit sichert und zum anderen auch eine preiswerte Herstellung ermöglicht.

Am Fraunhofer IKTS werden diese Preformen aus partikelversinterten Keramiken und Schaumkeramiken entwickelt und hergestellt. Dabei kann auf eine hohe Bandbreite an keramischen Werkstoffen zurückgegriffen werden, welche abhängig von der Anwendung ausgewählt und weiterentwickelt werden können. Besonders vorteilhaft ist hier auch die hohe geometrische Variabilität beider Preformvarianten, sodass sich sowohl sehr kleine Formkörper als auch extrem große Bauteile herstellen lassen.

© Fraunhofer IKTS

Partikelpreformen und Verbundwerkstoffe auf Basis von weißem Gusseisen.

Die versinterten porösen Korn-Preformen können sowohl aus feinen, als auch groben Partikeln aufgebaut werden und verfügen über vergleichsweise hohe Keramikanteile bis über 50 Prozent. Sie eignen sich aufgrund ihrer Struktur insbesondere für Anwendungen, die hohe Verschleißbeständigkeiten und Lebensdauern fordern. Darüber hinaus sind sie bei Gusseisenwerkstoffen im Schwerkraftguss mit verschiedenen Gussmetallen infiltrierbar und benötigen keine speziellen Gießverfahren.

Bei den Schaumkeramik-Preformen handelt es sich um eine Weiterentwicklung der klassischen Gießfilter, wie sie für die Filtration von Metallschmelzen eingesetzt werden. Sie besitzen jedoch deutlich höhere Keramikanteile bis zu 30 Prozent und eine spezielle raue Oberfläche, um eine besonders gute Verzahnung von Preform und Metall zu bewirken. Diese Schaumkeramik-Preformen eignen sich sehr gut zur Verstärkung von Leichtmetalllegierungen, zum Beispiel, um höhere Steifigkeiten zu erzeugen.  

Sie werden bevorzugt im Druckguss mit Metalllegierungen infiltriert. Alternativ zu Schaumkeramiken kann man auch metallische Schäume, beispielsweise aus Stahl einsetzen, welche ebenfalls am IKTS entwickelt werden.

Überaus wichtig für die Eigenschaften der Gussbauteile ist die Ausbildung der Kontaktfläche, an der Keramik und Metall aufeinanderstoßen. Diese muss immer an die jeweilige Werkstoffkombination von Metall und Keramik angepasst werden, was über die Gestaltung spezieller Keramikoberflächen realisiert wird.

Durch die am IKTS etablierte Zusammenarbeit mit verschiedenen Gießereien besteht über die Preformherstellung hinaus auch die Möglichkeit, Verbundwerkstoffe im Hinblick auf anwendungsorientierte Materialkombinationen hin weiterzuentwickeln.