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Institut für Struktur- und Funktionskeramik

Mechanische Charakterisierung von Tellerfedern aus Siliziumnitrid

Förderung: BMWFK, GZ: 60.188/4-IV/9/95
Bewilligung: I/95

Zusammenarbeit : Daimler Benz AG im Rahmen des BRITE EURAM Projektes Nr. BRE2 - CT92 - 0323

Projektleiter: R. Danzer
Mitarbeiter: T. Lube, D. Rubeša

Federn sind mechanische Energiespeicher, die im Maschinen- und Anlagenbau vielfältige Verwendung finden. Gute Federn können besonders viel Energie bei möglichst geringem Eigengewicht aufnehmen. Grundsätzlich sind sehr unterschiedliche Werkstoffe für die Herstellung von Federn geeignet: Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, Metalle und Keramiken. Für die ersten drei Werkstoffklassen gibt es eine Vielzahl von Beispielen für deren erfolgreichen Einsatz. Bei den Keramiken aber sind noch keine Anwendungen als Federwerkstoff bekannt, obwohl sie wegen ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität den anderen Werkstoffen in korrosiver Umgebung und bei hohen Temperaturen (höher als 500°C) überlegen sind. Dies ist vermutlich auf die Sprödigkeit der Keramiken und - als Folge davon - auf ein mangelndes Vertrauen der Konstrukteure in ihre Zuverlässigkeit zurückzuführen. In einem Forschungsauftrag des Bundesministeriums für Wissenschaft und Verkehr an das Institut für Struktur- und Funktionskeramik (ISFK) der Montanuniversität Leoben wurde als Beispiel eine keramische Tellerfeder mit hoher Zuverlässigkeit konstruiert. Dabei wurde auf die Besonderheiten aufgrund der Neigung der Keramiken zum Versagen durch spröden Bruch besonders eingegangen. Die dabei entwickelten Berechnungsgrundlagen können leicht auf andere Federn übertragen werden. Ein Vergleich mit den sehr häufig verwendeten metallischen Federn zeigt interessante Unterschiede: bei Tellerfedern sind beispielsweise die Unter- und die Oberseite unterschiedlich belastet. Die in der Oberseite auftretenden Druckspannungen sind bei typischen Federabmessungen etwa zwei bis dreimal höher als die an der Unterseite auftretenden Zugspannungen. Bei den Stählen ist die Beanspruchbarkeit unter Zug- und Druckbelastung ähnlich, daher treten Schäden in Stahlfedern zunächst an der maximal beanspruchten Stelle, d.h. an der Oberseite auf. Bei Keramiken ist die Druckfestigkeit aber im Regelfall etwa zehn mal höher als die Zugfestigkeit. Daher tritt die Schädigung nicht an der maximal beanspruchten Oberseite (an der Druckspannungen auftreten) sondern an der weniger beanspruchten Unterseite (wo Zugspannungen vorherrschen) auf. Dieser und auch andere Unterschiede werden in einem Vergleich einer metallischen mit einer keramischen Feder einander gegenübergestellt.

Eine weitere Ursache für die geringe Verwendung von Keramiken besteht darin, daß viele der Werkstoffeigenschaften, die für das Konstruieren benötigt werden, nur ungenügend bekannt sind. In diesem Projekt wurden daher die wesentlichen Materialkennwerte für die Berechnung einer keramischen Feder für Einsatzbereiche bis 800 °C experimentell ermittelt.

Mit diesen Arbeiten sind die wesentlichen Voraussetzungen für die Konstruktion und den Einsatz keramischer Tellerfedern geschaffen. Ganz allgemein hilft diese Arbeit eine wichtige Lücke zu schließen: Keramiken gelten wegen ihrer Eigenschaften als Schlüsselelemente für neue Technologien. Die günstigen Eigenschaften sind aber nur nutzbar, wenn neue Konstruktionsprinzipien entwickelt und genutzt werden, um das spröde Versagen zu vermeiden. Hier wird ein Beispiel für das Konstruieren mit keramischen Werkstoffen gegeben, das auch als ganz allgemein als Musterlösung verwendet werden kann. Damit wird ein wichtiger Beitrag für die technische Einführung der Keramik im Maschinenbau geleistet, da solche „Musterlösungen" zur Zeit noch weitgehend fehlen. Das erarbeitete Wissen kommt auch der einschlägigen österreichischen Industrie bei der Entwicklung keramischer Teile zunutze.