Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer effizienten Prozesskette für Hochleistungs-C/SiC-Friktionswerkstoffe auf Basis neuer, vorimprägnierter 3D-Kurzfaser- und -Gewebepreformen

Durch die Entwicklung einer effizienten Prozesskette für wirtschaftliche, keramische Hochleistungs-Friktionswerkstoffe auf Basis von carbonfaserverstärktem Siliziumcarbid wird es möglich, den bislang durch sehr hohe Herstellkosten gekennzeichneten Werkstoff in bestehenden Anwendungen zu etablieren und darüber hinaus völlig neue Absatzmärkte zu erschließen. Für die breite Anwendung vor allem in den Volumensegmenten der Automobilindustrie sowie als Notbremssystem im Turbinenbau für Windenergieerzeugung ist es erforderlich, die textilen Halbzeuge mit einer auf die Anforderungen maßgeschneiderten Verstärkungsfaserarchitektur und Matrixzusammensetzung bereitzustellen. Dazu wird eine Fertigungstechnologie für neue 3D-Kurzfaser- und 3D-Gewebepreformen entwickelt, die es ermöglicht, Fasern konstruktions- und belastungsgerecht in allen Raumrichtungen orientiert zu bauteilangepassten 3D-Faserpreformen zu verarbeiten. Das Einbringen von tribologisch wirksamen Additiven, sogenannten Friction-Modifiern, in die 3D-Faserpreformen offeriert die Möglichkeit die Eigenschaften der Reibflächen exakt an das Nutzungsprofil des Friktionsbauteils anzupassen (Betriebsbrems- und Notbremssystem). Die dadurch entstehenden porösen Preformen werden in einem neuen, stark beschleunigten, energieeffizienten Pyrolyseprozess weiterverarbeitet. Im folgenden Prozessschritt der Keramisierung werden Siliziumlegierungen eingesetzt, die eine Absenkung der Temperatur während des Flüssigsilizierverfahrens ermöglichen und dadurch den Energiebedarf und die Prozesszeit weiter senken. Durch die umfassende thermomechanische und tribologische Charakterisierung der Friktionswerkstoffe werden wesentliche Erkenntnisse und Gesetzmäßigkeiten für die Auslegung und effiziente Prozessierung von faserverstärkten Verbundkeramiken erarbeitet, die wissenschaftlich fundiert in einer Handlungsanweisung speziell für KMU aufbereitet werden, für die effiziente Überführung der Forschungsergebnisse in die Produktion.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurden die Einflüsse des Spannungszustands und der Dehnrate auf Verformung und Versagen von GJS-450-18 und GJS-500-14 anhand von verschiedenen Proben mit großer Variation der Mehrachsigkeit und des Lode-Parameters unter statischer und dynamischer Belastung charakterisiert und simuliert. Die Mikrostruktur und die Bruchflächen von ausgewählten Proben wurden mit Metallographie, Fraktographie und CT-Untersuchungen analysiert. Ein direkter Zusammenhang zwischen Gießprozess, Kugelgraphitverteilung und mechanischen Eigenschaften wurde erfasst. Fünf unterschiedliche Werkstoffmodelle wurden systematisch untersucht und kalibriert. Ein Versagensmodell auf Basis der vom Spannungszustand abhängigen Bruchdehnung wurde in Kombination mit drei ausgewählten Werkstoffmodellen verwendet. Zur Validierung der verwendeten Werkstoff- und Versagensmodelle wurden statische und dynamische Bauteilversuche an einer Konsole durchgeführt und simuliert. Eine Methode für zukünftige Versagensmodellierung wurde empfohlen.

Eine wichtige Erkenntnis aus diesen Untersuchungen ist, dass die mechanischen Eigenschaften in einer Komponente deutlich von denen aus einer separat für die Werkstoffcharakterisierung gegossenen Probe abweichen können. Im Rahmen des Projekts wurde festgestellt, dass die statischen und dynamischen Bauteilversuche an der Konsole nur durch die Anwendung der Materialdaten von den Proben aus der Komponente wiedergegeben werden können. Für die Bauteilsimulation wurde die Elementgrößenabhängigkeit der Versagensparameter kalibriert.

Für die beiden Werkstoffe GJS-450-18 und GJS-500-14 wurden die vollständigen Materialkarten mit Berücksichtigung von verschiedenen Einflüssen erstellt und überprüft. Sie können als eine gute Basis zur Ermittlung von Materialkarten für andere Werkstoffvarianten im Bereich des duktilen Gusseisens eingesetzt werden.