Neuartige, kosteneffektive Werkstoffe als mögliche Alternative zu Edelstahl
Neue intermetallische Werkstoffe könnten in einer Vielzahl wichtiger Industrieerzeugnisse, insbesondere bei der Verwendung unter extremen Bedingungen, wo sie Verschleiß und Korrosion widerstehen müssen, als Ersatz für Edelstahl dienen. Bereits verfügbare intermetallische Eisenaluminid-Verbindungen vereinen die Eigenschaften von Metallen und Keramik, allerdings gestaltet sich deren Umsetzung in reale Produkte schwierig, da sie weniger formbar als Edelstahl bzw. im Vergleich zu anderen Metallen weniger gut maschinell bearbeitbar oder schweißbar sind. „Wir möchten, dass diese neuen Werkstoffe die Eigenschaften herkömmlicher intermetallischer Verbindungen haben, also einen hohen Härtegrad, eine relativ geringe Dichte und eine gute Korrosions- sowie Erosionsbeständigkeit, haben uns aber vorgenommen, ihnen einige neue Eigenschaften zu verleihen“, erklärt Projektkoordinator Costas Charitidis, Professor für Verfahrenstechnik an der Nationalen Technischen Universität Athen. „Wenn sie weniger leicht zerbrechlich und vollständig oder zum Teil schweißbar sind, dann stellen sie den perfekten Ersatz für hochduktilen Edelstahl dar. Mit ihrer größeren Härte und geringerem Gewicht wären sie dann sogar noch besser“, so Charitidis. Im Rahmen des Projektes EQUINOX fand die Entwicklung neuer Werkstoffe statt. Das Team konstruierte eine poröse Vorform, die einem Schwamm ähnelt und in die im Anschluss flüssiges Aluminium oder Eisen-Aluminium-Schmelze eingebracht wurde. Diese Metalle kommen häufiger vor und sind günstiger als Chrom, welches für Europa ein wichtiger und strategisch bedeutsamer Rohstoff ist und bei der Edelstahlproduktion verwendet wird. „Ein weiterer großer Fortschritt besteht darin, dass wir diese neuen intermetallischen Werkstoffe maschinell bearbeiten können. Zudem ist es möglich, mittels Gießformen die Vorformen aus Eisen herzustellen, die die Gestalt der fertigen Komponente nachahmen“, erklärt Panagiotis Kavouras, leitender Forscher an der Nationalen Technischen Universität Athen. „Es ist uns gelungen, über dieses Verfahren Massengüter mit komplexer Form zu erzeugen – nicht nur Stangen oder Zylinder.“
Demonstrationsmodelle
Zwei verschiedene Demonstrationsmodelle wurden erstellt und an bestimmte Anwendungsfälle angepasst. Eines davon war eine Bremsscheibe für kleine Fahrzeuge, das andere eine Komponente für einen Flüssigkeitsraketenantrieb. „Es handelt sich hierbei um reale Einsatzgebiete für die neuen intermetallischen Werkstoffe, die wir entwickelt haben“, erläutert Charitidis. Die Kraftfahrzeugbremse wurde in einer simulierten Umgebung erprobt und außerdem Salzsprühtests unterzogen, die Teil des Standardverfahrens für die Korrosionswiderstandsprüfung sind. Die Komponente für den Flüssigkeitsraketenantrieb wurde auf Erosionsverschleiß hin getestet. Für die beiden neuen Verfahren, also für den Ablauf bei der Fertigung von Kraftfahrzeugbremsscheiben sowie für einen weiteren Prozess, der sich auf das Schaufelteil des Flüssigkeitsraketenantriebs bezieht, wurden jeweils Patentanmeldungen eingereicht. „Diese Ergebnisse belegen, dass das Verfahren von EQUINOX über großes Potenzial verfügt, das zu greifbaren Industrieerzeugnissen führen wird“, merkt Kavouras an. „Selbst wenn sich das Projekt beim Start nahe dem Bereich der Grundlagenforschung bewegte, so führten wir dennoch nicht ausschließlich Prüfungen im Labormaßstab durch, sondern ebenso an der Industrie orientierte Labortests“, sagt Kavouras. „Wir haben noch keine industriellen Größenordnungen erreicht. Aber wir sind nahe am Pilotmaßstab und das ist ein großer Schritt.“
Wesentliche Herausforderung
„Während der letzten Monate des Projektes waren wir in der Lage, einen hochduktilen intermetallischen Werkstoff herzustellen, daher weist vieles darauf hin, dass das Verfahren von EQUINOX zu einem wirklichen Durchbruch führen kann“, fügt er hinzu. Eine wesentliche Herausforderung in der Anfangsphase war die Analyse vieler verschiedener Typen poröser Vorformen sowie verschiedener Arten von Schmelzen bei unterschiedlichen Temperaturen. Die mehr als 2 000 Kombinationen verschiedener Parameter wurden auf ein paar Dutzend Möglichkeiten reduziert, um experimentelle Versuchsrunden, die sich auf ausführliche Modellierungs- und Simulationsversuche stützten, durchführen zu können. „Für den Erfolg des Projektes war es zwingend notwendig, die Modellierung und Simulation vorzunehmen. Diese Simulationsschritte haben uns viele Jahre mühsamer Experimente erspart“, so Kavouras.
Schlüsselbegriffe
EQUINOX, Chrom, Edelstahl, intermetallische Verbindungen, Eisen, Aluminium, Autobremse, Werkstoffe