Aerospace

Einleitung

Bauteile, die in Flugzeuge eingebaut werden obliegen strengen Qualitätsrichtlinien. Speziell Komponenten, die im Falle eines Ausfalles zu einem katastrophalen Schaden am Flugzeug führen können, unterliegen speziellen Richtlinien. Dazu wurde ein eigenes Zulassungsprozedere etabliert um Lieferanten zu qualifizieren. Zulassungen wie EN9100 oder NADCAP sind in der Zulieferindustrie Standard. Die Wärmebehandlung von diesen Komponenten wird in den genannten Zulassungen als „Spezial Prozess“ tituliert und zeigt damit, dass in Bezug auf Qualität ein spezielles Augenmerk auf diese Prozesse geworfen wird. Damit Bauteilkomponenten z.B. aus dem Fahrwerk oder den Flugzeugturbinen die Belastungen aushalten, ist eine entsprechende Wärmebehandlung neben der richtigen Auslegung, Fertigung und Werkstoffauswahl einer der Kernprozesse.

Wärmebehandlungen nach folgenden Standards können durchgeführt werden:

  • AMS 2759
  • AMS 2759 /1 - 9, 11, 12
  • AMS 2750
  • Kundenspezifische Normen nach vorangehender Prüfung

Bauteile

Fahrwerksteile

Als Fahrwerk eines Flugzeuges wird die Gesamtheit aus Rädern, Reifen, Felgen, Bremsen und der dazugehörigen Aufhängung bezeichnet. Das Fahrwerk unterstützt das Flugzeug einerseits beim Abheben, andererseits ist es beim Landen eines der wichtigsten Elemente, da gerade dann hohe Kräfte auf alle Fahrwerksteile wirken. Neben der Stoßbelastung ist das Fahrwerk beim Landen hohen kinetischen sowie potenziellen Energien ausgesetzt.

Mithilfe von gezielten Wärmebehandlungsverfahren lassen sich festigkeitssteigernde Eigenschaften der Fahrwerksteile erreichen.

Kurbelwellen

Kurbelwellen wandeln lineare Bewegungen eines Kolbens in eine Drehbewegung um. Sie müssen demnach den entstehenden Belastungen während des Flugbetriebs standhalten und sind sowohl Druck- und Zugkräften, als auch Radialkräften ausgesetzt. Demnach muss gewährleistet werden, dass eine Kurbelwelle eine ausreichende Biege- und Torsionsfestigkeit aufweist und die Lagerstellen eine gute Tragfähigkeit besitzen. Eine Oberflächen- bzw. Wärmebehandlung von Kurbelwellen kann notwendig sein, um die Werkstoffeigenschaften zu verbessern um somit den höheren Anforderungen im Aerospace-Bereich gerecht zu werden. Geeignete thermochemische Verfahren sind das Gasnitrieren R.NIT+®, Nitrocarburieren R.NIT+®, Plasmanitrieren PLASNIT® und Einsatzhärten R.CARB+®. Durch die Einlagerung von Stickstoff entstehen eine Erhöhung der Festigkeit und ein Aufbau von Druckspannungen, was zu einer verbesserten Beanspruchbarkeit der Kurbelwelle führt. Beim Einsatzhärten R.CARB+® wird die Randschicht aufgekohlt, um höhere Festigkeit zu erreichen.

Lager

Lager sind Bauelemente, die Maschinenteile verbinden und aufeinander gleiten oder rollen. Sie ermöglichen es, bewegte und unbewegte Bauteile miteinander zu verbinden und leiten Kräfte weiter. Man unterscheidet zwischen Gleit- und Wälzlagern. In der Aerospace-Industrie sind Kugel-, Rollen- oder Nadellager hohen Belastungen ausgesetzt. Vor allem die Wälzkörper und die Lagerschalen, zwischen denen die Wälzkörper eingepresst sind, unterliegen hohen Beanspruchungen. Auf Dauer führt diese Belastung zu Verschleiß und begrenzt dadurch die Lebensdauer der Teile. Durch eine adäquate Wärmebehandlung, reibungsarme Materialpaarung und Schmierung, kann der erzeugte Widerstand reduziert werden. Die RÜBIG Härtetechniken Gasnitrieren R.NIT+® und Plasmanitrieren PLASNIT® oder auch Einsatzhärten R.CARB+® sowie Vakuumhärten R.VAC+® erhöhen die Festigkeit der Teile. Überdies können Lagerringe erst nach einer Wärmebehandlung das ständige Abrollen des Wälzkörpers ohne Beschädigung aushalten. Eine Oberflächenbeschichtung kann zur Reibungsminimierung eingesetzt werden. Hierzu eignen sich vor allem die PLASTIT® Hartstoffbeschichten Verfahren.

Nockenwellen

Nockenwellen steuern die Ein- und Auslassventile von Verbrennungsmotoren. Nockenwellen sind demnach sowohl hohen Verschleiß- und Kontaktbelastungen, als auch erhöhter Reibbelastung ausgesetzt. Eine geeignete Kombination aus Verschleißbeständigkeit, Zähigkeit und Festigkeit ist hier unerlässlich. Durch die Geometrie (lange Welle, kleiner Durchmesser) ist das Bauteil bei der Wärmebehandlung verzugsgefährdet. Vor allem Niedertemperaturverfahren (< 550°C) wie zum Beispiel Gasnitrieren R.NIT+® und Plasmanitrieren PLASNIT® minimieren den entstehenden Wärmeverzug.

Pumpen

Mithilfe von Pumpen werden Flüssigkeiten befördert. Bei Verbrennungskraftmaschinen oder bei Flugzeugtriebwerken kommen Pumpen meistens für die Kühlmittelbeförderung bzw. zur Kraftstoffbeförderung zum Einsatz.

Gerade im Aerospace-Bereich werden Zahnradpumpen zur Kraftstoffbeförderung eingesetzt. Die eingesetzten Zahnräder sind am Rand hohen Kräften ausgesetzt und benötigen eine Wärmebehandlung.

Eine Wärmebehandlung verbessert sowohl die Festigkeit, als auch das Verschleißverhalten des Bauteils. Mithilfe von gezielten Wärmebehandlungsverfahren lassen sich diese Eigenschaften einstellen. Vor allem das Einsatzhärten R.CARB+® und Nitrieren PLASNIT® und R.NIT+® kommen hier zum Einsatz.

Triebwerksschaufeln

Triebwerksschaufeln dienen aufgrund ihrer Form und Drehbewegung dazu, Luft anzusaugen und zu komprimieren (Verdichter) oder, bei umgekehrter Funktion, bei austretenden Luftströmen eine Drehbewegung zu erzeugen (Turbine). In Flugtriebwerken werden Turbinenschaufeln vor allem nach dem Verbrennen des Treibstoffes, beim Austreten des heißen Luftstroms, aufgrund der hohen Temperatur stark belastet.

Mithilfe von gezielten Wärmebehandlungsverfahren lassen sich festigkeitssteigernde und verschleißfestere Eigenschaften von Triebwerksschaufeln einstellen. Vor allem VH und BBB kommen hier zum Einsatz.

Turbinenwellen

Turbinenwellen werden benötigt um Drehbewegungen und Drehmomente weiterzuleiten und um rotierende Teile wie z.B. Turbinenschaufeln zu fixieren bzw. zu montieren. Im Unterschied zu Achsen übertragen Wellen ein Drehmoment. Je nach Auslegung des Triebwerks kann der Wellenaufbau unterschiedlich sein (z.B. einzeln, koaxial, mehrteilig). Durch die hohe Beanspruchung ist eine geeignete und sorgfältig durchgeführte Wärmebehandlung und Werkstoffwahl unerlässlich. Die RÜBIG Härtetechnik bietet, auf die Bauteilanforderungen zugeschnittene Wärmebehandlungsverfahren an, um die Lebensdauer und Sicherheit von Turbinenwellen zu vergrößern.

Ventile

Ventile dichten bei Flugmotoren mit Verbrennungskraftmaschinen den Brennraum ab. Man unterscheidet hier zwischen Einlassventilen, die den Verbrennungsraum des Flugmotors öffnen und Auslassventilen, die den Abgasauslass öffnen und schließen. Diese werden von einer oder mehreren Nockenwellen gesteuert. Ventile arbeiten unter Einwirkung aggressiver Gase, extremen Temperaturen und sind starken Reibungskräften ausgesetzt. Sie sind sowohl thermisch, als auch mechanisch sehr stark beanspruchte Teile. Defekte Ventile können zu Überhitzungen und Abschmelzungen im Motorraum führen. Um eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, Warmfestigkeit und Zunderbeständigkeit zu erreichen und somit die Lebensdauer dieser Teile maßgeblich zu verlängern, kommt die Wärmebehandlung zum Einsatz. Folgende Verfahren sind hierfür geeignet: z. B. Gasnitrieren R.NIT+® und Plasmanitrieren PLASNIT® oder auch Einsatzhärten R.CARB+® sowie Vakuumhärten R.VAC+®.

Zahnräder / Planetengetriebe

Zahnräder dienen zur Übertragung von Drehmomenten. Die Übertragung kann als Drehbewegung (zwei Zahnräder) oder, gepaart mit einer Zahnstange, als lineare Bewegung erfolgen.

Die Anforderungen an Zahnräder sind unterschiedlich. Einerseits müssen für die Abrollbewegung und die dort auftretenden Kräfte an der Zahnoberfläche eine hohe Härte erreicht werden, andererseits wird für die Kraftübertragung ein zäher Kern benötigt. Stoßweise Beanspruchungen bzw. abrupte Drehmomentsteigerungen vervollständigen das Anforderungsprofil.

Bei Planetengetrieben sind mehrere Zahnräder in einem drehbaren Gestell eingebaut, die ein zentral gelegenes Sonnenrad umkreisen. Das Sonnenrad überträgt die Energie weiter auf die Planetenräder. Grundsätzlich dienen Planetengetriebe als Übersetzungsstufen und werden im Aerospace-Bereich gerne als Untersetzungsgetriebe für Mantelstromtriebwerke (z.B. Boeing 747) verbaut. Bei solchen Triebwerken wird der Großteil der Vorschubbewegung über einen Fan generiert, welcher über ein Planetengetriebe gesteuert wird.

Eine Wärmebehandlung verbessert sowohl die Festigkeit, als auch das Verschleißverhalten des Bauteils. Planetenradgetriebe werden für sehr hohe Untersetzungsverhältnisse eingesetzt. Dies bedingt sehr hohe Belastungen für die Zahnräder. Mithilfe von gezielten Wärmebehandlungsverfahren lassen sich diese Eigenschaften einstellen. Vor allem das Einsatzhärten R.CARB+® und Nitrieren PLASNIT® und R.NIT+® kommen hier zum Einsatz.

Zylinder/Zylinderköpfe

Zylinder bzw. Zylinderköpfe sind in modernen Flugmotoren aus Aluminium gefertigt. Ein Zylinderkopf umfasst Ein- und Auslasskanäle, die Ventilsteuerung für Gaswechselvorgänge und Kanäle für die Zylinderkopfkühlung. Die Zylinder, welche als Verbindungsglied zwischen Gehäuse und Zylinderkopf fungieren und gleichzeitig den Rahmen für die Hubbewegung des Kolbens zur Verfügung stellen, werden oftmals ausschließlich mit Luft gekühlt und sind dementsprechend mit Kühlrippen versehen. Da Temperaturen von über 250°C im Bereich des Brennraums erreicht werden können, kann das auf Dauer zu thermischer Ermüdung führen. Um den hohen Belastungen entgegenzuwirken, spielen Zähigkeit- und Festigkeitswerte eine entscheidende Rolle. Diese können durch die geeignete Wärmebehandlung homogenisiert werden. Die RÜBIG ALU bietet vor allem T6 und T7 Zustände für das Wärmebehandeln von Aluminium-Gussteilen an. T6 und T7 Zustände überzeugen durch die kurzen Durchlaufzeiten bei höchster Qualität.

Diverse Teile

Weitere Komponenten, welche in Flugzeugen wärmebehandelt werden, können sein: Aufhängungen, Gelenke, Sitze, Galley, div. Testteile, div. Teile von Versorgungswägen, Flugfeldtestsysteme und weitere.

Leistungsspektrum Härtetechnik
Dienstleistungen der RÜBIG Härtetechnik im Überblick: