Werkstoffverbund Metall/Keramik Dipl.-Ing. Holger Wampers LAPP Insulators Alumina GmbH Redwitz a.d. Rodach

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1 Werkstoffverbund Metall/Keramik Dipl.-Ing. Holger Wampers LAPP Insulators Alumina GmbH Redwitz a.d. Rodach

2 Einleitung Spannungsanteile eines Werkstoffverbundes (allg.): s c f(s V + s E + s L ) s V : Verbundspannung s E : Eigenspannung s L : Lastspannung - thermisch (Ausdehnungskoeff.) - mechanisch (E-Modul) - Oberflächenbehandlung (schleifen, as fired) - mechanisch-chemisch -thermische Lasten Besonderheiten eines Metall-Keramik-Werkstoffverbundes: Keramik ist ein sprödharter Werkstoff mit gut nutzbarem Eigenschaftsprofil (Härte, Temp.) Keramik besitzt eine um den Faktor geringere Bruchdehnung als Stahl (1.4301) Keramik kann Spannungsspitzen nicht durch Plastizität abbauen

3 Einleitung Methode: Betrachtung des Beanspruchungskollektivs aus Eigen-, Verbund- und Lastspannungen

4 Drehmoment M [knm] Beispiel Drehmomentübertragung Formschlüssig Stahlbolzen/2 Auflager Drehmoment [knm] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Probe 1 Probe 2 Probe 1 l 1 Probe 2 Probe 3 Probe 3 Drehmomentprüfstand 0,1 Stahl C ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 q [ ] Verdrehwinkel a [ ] Leicht wieder trennbarer Verbund (Repair) Zusätzliche Axialkraft über Zuganker erforderlich (thermisch hoch belastetet: Vorspannungsverlust!) Kraftaufteilung durch Fertigungstoleranzen nicht gleichmäßig SSIC-Probe mit Bolzen

5 Beispiel Drehmomentübertragung Formschlüssig FEM - Analyse Drehrichtung Spannungsverteilung Nabe (linear elastisch) Spannungsverteilung Bolzen (Mises) Spannungsverteilung in der Nabe zeigt Zugspannungen im Kontaktpunkt Bolzen wird in der Mitte max. auf Zug beansprucht Zugspannungen im Kontaktpunkt resultieren aus Druckspannungen im Kontaktpunkt (Querdehnung) Spannungsrichtungen Nabe

6 Drehmoment M [knm] Beispiel Drehmomentübertragung -F 1 Formschlüssig Alubolzen/4 Auflager -F 2 1,2 1 Probe 7 Probe 7 Probe 4 Probe 4 Drehmoment [knm] 0,8 0,6 0,4 F 2 F 1 Definierte Kraftangriffspunkte 0,2 Alu-Knetlegierung 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Verdrehwinkel w [ ] a [ ] Erhöhte Plastizität der Bolzen führt zu höherer Drehmomentübertragung um bis zu 60% Bessere Gleichmäßigkeit Aluminium besitzt niedrigere Warmfestigkeit als Stahl

7 0,9 Drehmoment M [knm] Beispiel Drehmomentübertragung Stoffschlüssig Kleben (Loctite + Aktivator) 0,8 Probe 5 0,7 Drehmoment [knm] 0,6 0,5 0,4 0,3 Probe 6 Probe 20 Probe 9 Probe 10 0,2 0,1 Ausgepresste Welle Klebung nur an weißen Stellen 0 0 0,5 1 1,5 Verdrehwinkel g [ ] Verdrehwinkel a [ ] Drehmoment liegt im Mittel leicht höher als bei Stahlbolzen Hohe Streuung durch infolge Welligkeit der Fügestelle durch ungleichmäßigen Sinterschrumpf (as fired) Fügestelle muss geschliffen werden (Kosten)

8 Drehmoment M [knm] Beispiel Drehmomentübertragung Stoffschlüssig Aktivlöten von ZrO 2 1,4 1,2 Probe 1 Probe 1 Lötverbund ZrO 2 /ZrO 2 Drehmoment [knm] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 M T Probe 3 Probe 3 Probe 2 Probe ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Winkel [ ] Verdrehwinkel a [ ] ~45 Übertragenes Drehmoment > 1 knm bei 30er Welle Klemmkraft reichte bei Probe 2 und 3 nicht mehr aus Bruch erfolgt durch das Lot: s v minimal Gebrochene Probe 1

9 Beispiel Drehmomentübertragung Stoffschlüssig Aktivlöten von ZrO 2 ZrO 2 30 ZrO 2 10 Lot ZrO 2 Spannungsverteilung und Richtung Modell Über FEM bestätigt sich eine sehr geringe Verbundspannung von s v <16 MPa Spannungsspitzen an den Rändern können durch Radien oder Fasen reduziert werden Für andere Keramikwerkstoffe wie z.b. SSiC mit a 3,4*10-6 1/K a LOT zeigen sich deutlich höhere Verbund-Spannungen

10 Beispiel Drehmomentübertragung Egalisierung Werkstoff- und Geometrieeinfluß Bolzen Kleben Löten 1114,5 Nm 13941,0 Nm 2760,0 Nm 13941,0 Nm 1116,7 Nm 1771,0 Nm FB 50% FB 50% F B 50% 8,2 % 19,8% Form/Kraft-schlüssig 63,1% Bolzen Kleben Löten 1114,5 Nm 13941,0 Nm 2760,0 Nm 13941,0 Nm 1116,7 Nm 1771,0 Nm FB 50% FB 50% 8,2 % 19,8% 63,1% F B 50% Stoffschlüssig (RT) Kostenintensität 1114,5 Nm Bolzens 13941,0 Nm Kleben Löten L,(Bolzen,Kleben,Löten) FB 50% sl,welle F 50% 2760,0 Nm 13941,0 Nm 1116,7 Nm 1771,0 Nm B FB 50% F B 50% 8,2 % 19,8% 63,1% Stoffschlüssig (HT) Temperaturempfindlichkeit, Verbundspannung

11 Beispiel Einschrumpfen (kraftschlüssig) Inlay für Düsenkopf (ZrO 2 ) - Spritzgießmaschine Eingeschrumpftes Inlay Rißprüfung nach Betrieb s V s a Nach Schrumpfen bei RT Mit Betriebslasten (p i, T) Nach Verschrauben Über die FEM lassen sich im Vorfeld der Konstruktion Designalternativen durchspielen Nach dem Einschrumpfen liegen max. Spannungen an, die durch Verschrauben z.t kompensiert werden können. Nach der Rißprüfung weist das Bauteil an der max. beanspruchten Stellen einen Riß auf

12 E-Modul [GPa] Beispiel Einschrumpfen (kraftschlüssig) Eingeschrumpfter Ring (Si 3 N 4 ) - Blechumformung Stahl HM Si 3 N Keramik 320 Hartmetall 210 Stahl Radius 2-schaliger Armierungs-Aufbau mit Hartmetall als Dehnungsbegrenzer, E HM ~2*E Si3N4 Gesamter Verbund soll im Belastungsfall auf Druck gehalten werden Reduzierung von Schmiermitteln und Erhöhung der Standzeit führen zu reduzierten Life Cycle Costs

13 Kraftschlüssige Drehmomentübertragung Schneckensegment in Spritzgießmaschine Prototyp Meteringzone Konstruktion mit Titanbolzen (Temperatur) Verschleißeigenschaften und mechanische Festigkeit bei Si 3 N 4 am besten High-Tech-Werkstoffe wie ATZ noch nicht getestet Hohe Anforderungen an mechanische Eigenschaften des Werkstoffs (M T ;T;Verschleiß)

14 Stoffschlüssige Drehmomentübertragung Gelötete Verbunde im Extrusionsprozess Aktivgelöteter Verbund Stahl/Si 3 N 4 aus 4 Segmenten Modularer Aufbau 1- bzw. 2-gängig Beachtung fügegerechter Parameter durch definierte Führung und Vorspannung bei Löttemperatur Aufbereitung sandhaltiger Genußmittel (oben) und Forschungsextruder zur Analyse der Schmelzeströmung im Extruder mir NMR (links) Aktivgelöteter Ti/ZrO 2 -Verbund Schnecke und Zylinder

15 Stoffschlüssige Drehmomentübertragung Geklebte Verbunde im Extrusionsprozess Aufgeschobene Segmente aus Al 2 O 3 Eingeklebte Innenverzahnung Schnecke zur Verarbeitung von Al 2 O 3 -Massen Ziel: Verschleißminimierung und Kontaminationsfreiheit Verschleiß Faktor >50 niedriger als bei Stahl

16 Passiv-Löttechnik 1kV - Durchführung 3fach- Durchführung Verfahren zur Herstellung von Serien Stückkosten sind niedriger als beim Vakuumlöten 12kV Durchführung (150A) Produkte sind Stromdurchführungen, gelötete Stahl-Keramik-Verbunde für den Verschleißschutz, Sensoren für die Meß- und Regeltechnik