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CFC in der Hochtemperaturanwendung als Chargier-Element

Bei der Wärmebehandlung von Bauteilen in den Bereichen Härten, Glühen, Sintern oder Löten sind der Transport und eine stabile Lagerung der zu behandelnden Bauteile während des Prozesses von elementarer Bedeutung. Es gilt, den Verzug zu minimieren und die gleichbleibende Qualität der Werkstücke zu gewährleisten.

Bei herkömmlichen Prozessen wurden bisher Trägersysteme aus Stahl oder Gussstahl in verschiedenen Ausprägungen eingesetzt. Den extremen thermischen Belastungen konnten dabei nur sehr hoch legierte und damit sehr kostenintensive Stahlsorten standhalten. Ohne Alternativen wurden die folgenden Nachteile der Chargier-Systemen aus Stahl in Kauf genommen: 



  • sehr hohes Gewicht
  • die zum Teil sehr kurze Lebensdauer durch Versprödung
  • der Verzug durch Temperatureinwirkung
  • das Längen- und Breitenwachstum während des Einsatzes
  • sehr eingeschränkte Möglichkeiten einer Fixierung
  • die hohen Modellkosten bei Gussteilen
  • keine oder sehr eingeschränkte Möglichkeiten für automatisches Be- und Entladen
  • hohe Belastungen der Werker beim Handling
  • hohe Energiekosten durch Totgewicht



Die Erfolgsgeschichte von Chargier-Systemen aus Graphit begann im Bereich Hartlöten in Durchlauf- und Vakuumöfen. Auf der Suche nach verformungs- und verzugsfreien Aufstellmöglichkeiten erzielten Graphitplatten in Testversuchen als Abstellfläche hervorragende Ergebnisse, da sich Graphit während der Wärmebehandlung nicht verzieht. Dies war im Vergleich zu Gussgestellen ein enormer Vorteil, auch wenn mit der Verwendung von Graphitplatten ein erhöhter Energiebedarf entsteht. Der Grund hierfür ist, dass Graphit eine ca. 2,5-fache Wärmekapazität gegenüber Stahl besitzt, dadurch benötigt man bei gleicher Masse mehr Energie zum Erwärmen und zum Abkühlen. CFC kann man bei gleicher statischer Beanspruchung bis zu 6-8-fach leichter als Graphit konstruieren, dadurch erhält man auch gegenüber Stahl eine bessere Energiebilanz.

Mitte der 90er Jahre eröffnete dann der neu entwickelte Werkstoff CFC (kohlefaserverstärkter Kohlenstoff) im Bereich der Trägersysteme zusätzliche Potentiale. In den 90er Jahren wurden die Versuche im Hinblick auf den wirtschaftlichen Einsatz dieses vergleichsweisen sehr leichten und speziellen Werkstoffs vom Fraunhofer Institut in Stuttgart begleitet. Im Rahmen der Studie wurden verschiedene Systeme bei Kunden installiert und über längere Zeiträume auf Wirtschaftlichkeit und Funktionalität geprüft. Dabei wurden auch elementare Erfahrungen im Hinblick auf den konstruktiven Umgang mit diesem besonderen Werkstoff gemacht.

Auch wurden die Konstruktionen immer mehr den speziellen Anforderungen des Materials und den gegebenen Ressourcen angepasst. Der breiten Öffentlichkeit wurde erstmals bei dem Härterei-Kongress 1999 in Wiesbaden Chargier-Roste aus CFC vorgestellt. Durch die Arbeit dieser Projektgruppe begann der Einzug von CFC basierter Chargier-Systeme in der Wärmebehandlung. Heute, 20 Jahre später, gehören Chargier-Elemente aus CFC in der Wärmebehandlung zum Standard.



Die speziellen Eigenschaften von CFC:

CFC ist ein mit Kohlenstofffasern mit sehr hoher Festigkeit verstärkter Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff. Er zeichnet sich durch sein geringes Gewicht bei sehr hoher mechanischer Festigkeit und einer gleichzeitig hohen Elastizität aus. Diese einzigartige Kombination von außergewöhnlichen Werkstoffeigenschaften qualifizieren CFC-Verbundstoffe für den Einsatz in vielen Bereichen, wie etwa Elektronik, Umwelt und Energie, allgemeine Industrieöfen oder in Kraftfahrzeuge (Stichwort Keramikbremsen) und sonstigen Transportmitteln. Diese Eigenschaften prädestinieren ihn zum Einsatz als Unterlage bei Löteinsätzen als Ersatz für sehr dicke Graphitplatten. Die Vorteile sind hierbei das viel geringere Gewicht bei gleicher Stabilität, damit verbunden das leichtere Handling für die Mitarbeiter und die Energie-Ersparnis durch die dünnere Bauweise. Nicht zuletzt ist hier auch die Haltbarkeit ein Thema, da die Stabilität einer CFC-Platte weitaus höher ist als die Graphitplatte mit ihrer keramischen Struktur.



Die Risiken bei der Anwendung von CFC in der Wärmebehandlung

Wie bereits zuvor geschildert, reagiert Kohlenstoff chemisch mit wenigen Säuren und Laugen. Allerdings finden Reaktionen mit anderen Elementen bei unterschiedlichen Temperaturen statt.



Hier eine Übersicht:

Einer besonderen Aufmerksamkeit bedarf es bei den folgenden Einschränkungen bei dem Einsatz von Kohlenstoff als Chargier-Material in der Hochtemperaturanwendung:



  • Reaktion mit Sauerstoff (O2) oberhalb 400°C 
    Bei Anlasstemperaturen über 400°C unter Sauerstoff besteht die Gefahr der Oxydation des Kohlenstoffs. Es ist dringend angeraten, vor dem Einsatz den Ofen und die gesamte Wärmebehandlungskette auf Oxydation zu prüfen.    
    Maßnahme: Oxydationsminderung durch Imprägnierung des CFC oder Beschichtungen der Oberflächen mit SIC.



  • Reaktion mit Stahl
    Bei einigen Legierungen kann es schon ab ca. 1.000°C zu Kontaktreaktionen kommen, meist in Form von Verfärbungen an der Oberfläche des Bauteils, oder es kommt zu Anschmelzungen.    
    Maßnahme: Hybridsysteme von Verwendung anderer Werkstoffe, wie z.B. Keramiken ALO3 oder ZrO2. Abgeraten wird von Beschichtungen, welche keine chemischen Verbindungen mit dem Kohlenstoff eingehen, wie z.B. bei allen keramischen Beschichtungen. Diese Schichten haben nur eine begrenzte Lebensdauer, da die unterschiedlichen Dehnungskoeffizienten der Materialien dazu führen, dass die Schichten reißen und zuletzt abplatzen.



  • Mechanische Beanspruchung beim Handling 
    Beim Be- und Entladen der Chargier-Einrichtung kann es durch scharfe Kanten des Bauteils oder Punktbelastungen zum Abrieb von Kohlenstoff kommen. Typisches Beispiel dafür sind – bei hängender Chargierung – Ringe, welche auf Stäben aufgefädelt werden.    
    Maßnahme: Verwendung von CFC als Kern zur Verstärkung der Biegefestigkeit von Stahlrohren. Das Stahlrohr dient lediglich als Verschleiß -Schutz und Positionierung des Bauteils.





Konstruktionsmerkmale:

Im Gegensatz zu Stahl ist CFC weder schweißbar, noch kommen andere für Stahl typische Vorgehensweisen, wie z.B. Gussverfahren zum Tragen. Bewährt hat sich von Anfang an eine gesteckte Bauweise, wobei einzelnen Stege sowohl als statisches Element, als auch für Fixierungen des Bauteils infrage kommen können. Weitere Vorteile der gesteckten Bauweise sind, dass die Konstruktionen in der Auslegung für die zu tragenden Gewichte individuell berechnet und ausgelegt werden. So kann man für fast alle Anwendungen, speziell auf den Kundenwunsch, die spezifischen Anforderungen an das Bauteil und die jeweiligen Bedingungen des Ofens eingehen. Das Material kann somit optimal ausgenutzt und damit eine kostengünstige Lösung realisiert werden. Selbstverständlich sind auch einfache Konstruktionen mit Platten umsetzbar. Dies kommt besonders dann zum Tragen, wenn geringe Stückgewichte auf einer Ebene chargiert werden müssen und in der Höhe wenig Platz für das Chargierelement ist. Bei dieser Lösung muss allerding beachtet werden, dass kleine Schäden an der Platte meist einen Totalschaden verursachen. Bei gestecktem Rost kann jederzeit ein oder mehrere Stege ausgetauscht werden und die Funktion des Rostes ist auch nach einer Reparatur wieder voll gegeben.



Zusammenfassung:

Energieersparnis, automatische Be- und Entladung, Entlastung der Mitarbeiter von hohen Traglasten, optimale Ausnutzung der Ofenkapazität und reproduzierbare Ergebnisse in der Wärmebehandlung – alle diese Schlagworte können mit modernen und durchdachten Chargier-Systemen aus CFC realisiert werden. Wo Stahl-Chargier Systeme an ihre Grenzen stoßen, setzt CFC ein. Voraussetzung dafür ist eine enge Zusammenarbeit der Anwender und der Entwickler dieser Systeme, was zum optimalen und kostengünstigsten Einsatz dieses Werkstoffes führt. In der Zukunft werden sich diese Systeme weiter durchsetzen.

Die Heat Treatment Concept GmbH hat Erfahrung im Einsatz in fast allen Anwendungen der Hochtemperatur seit über 20 Jahren und über 500 verschiedenen Chargiersystemen bei über 180 Kunden in Deutschland, Europa und USA. Die Zusammenarbeit gemeinsam mit unseren Kunden macht es möglich, für fast alle Einsätze optimale Lösungen zu finden. Sprechen Sie uns an! 

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