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16. Mai 2018

Technologisches Umdenken erforderlich: Einsparpotenziale für massivumgeformte Stahlprodukte

Steeltec

Die Massivumformung ist eine Form der Stahlverarbeitung, die in jeder Hinsicht ressourcenschonend ist. Doch das Potenzial in puncto Einsparungen gepaart mit einer hohen Leistungsfähigkeit des Endprodukts ist längst nicht ausgeschöpft. Um dynamisch hochbelastete Bauteile wettbewerbsfähig herzustellen, ist eine extrem hohe Zähigkeit und Festigkeit des Ausgangsmaterials gefordert. Bislang gab es keine Lösung, mit der die Produkteigenschaften gleichzeitig kundenspezifisch, effizient und damit konkurrenzfähiger eingestellt werden konnten. Das ist ein Ergebnis von Untersuchungen an XTP-Stählen des Spezialstahlherstellers Steeltec.

Die Kalt- und Halbwarmumformung kommt zum Einsatz, wenn kundenindividuell hohe Anforderungen an das Endprodukt bestehen: enge geometrische Toleranzen, eine hohe Oberflächenqualität, ein gleichmäßiges sowie defektfreies Werkstoffgefüge und hervorragende Zähigkeiten und Festigkeiten. Einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz beim Herstellprozess und das Erreichen der bauteilspezifisch gewünschten Produktattribute nimmt das eingesetzte Ausgangsmaterial: der Stahl mit seinem Gefüge und seinem Zähigkeits- und Festigkeitsverhältnis. Marktübliche Technologieansätze stoßen mit den bestehenden Legierungskonzepten an ihre Grenzen: Die Produktionsverfahren schöpfen die Potenziale zur kundenindividuellen Einstellung der Werkstoffeigenschaften längst nicht aus. Zudem sind zeit- und kostenaufwändige Nachbehandlungen des Stahlproduktes nach der Massivumformung erforderlich, um hohe Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Werkstoffpotenziale nutzbar machen
Eine Möglichkeit, um die Kalt- und Halbwarmumformbarkeit, die Zähigkeit und Dauerfestigkeit von Stahlwerkstoffen zu erhöhen und wettbewerbsfähigere Endprodukte zu erzeugen, ist ein neuartiger thermomechanischer Prozess in Kombination mit einer kontrollierten, beschleunigten Abkühlung bei der Produktion des Vormaterials: die Xtreme Performance Technology (XTP) von Steeltec, einem Unternehmen der SCHMOLZ + BICKENBACH Gruppe. Mit XTP werden nachweislich neue Freiheitsgrade eröffnet, um das Eigenschaftspotenzial von Standardwerkstoffen zielführend auszuschöpfen und Prozessschritte über die Wertschöpfungskette vom Vormaterial bis zum Endprodukt einzusparen. Mit Hilfe der XTP-Technologie kann beispielsweise der Werkstoff 7MnB8 in sehr unterschiedlichen Lieferzuständen produziert werden. So sind beispielsweise hohe Kerbschlagwerte und eine mittlere Festigkeit für die Kaltumformung oder eine hochfeste Variante mit sehr guten Zähigkeitseigenschaften zur nachfolgenden mechanischen Bearbeitung möglich.

Kugelzapfen: ein Potenzialbeispiel

Ein klassisches Anwendungsbeispiel für ein kaltmassivumgeformtes Bauteil sind Kugelzapfen. Diese befinden sich in Lenkgestängen, Zug- und Druckstreben und Spurstangen von Kraftfahrzeugen. Das Bauteil wird auf vielfältige Weise statisch, zyklisch und dynamisch belastet. Die dynamischen Lasten sind kurze, harte Schläge, wie sie z.B. vom Überfahren einer Schwelle oder eines Bordsteins herrühren können. Standardmäßig werden für die Herstellung von Kugelzapfen Einsatz- oder Vergütungsstähle verwendet. Um die geforderte Eigenschaftskombination aus hoher Zähigkeit und hoher Festigkeit zu erreichen, muss der Stahl vor der Kaltumformung weichgeglüht und zur Einstellung hoher Festigkeiten nach der Umformung anschließend erneut erwärmt und abgekühlt werden. Bei Langschaft-Kugelzapfen wird häufig der ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische (AFP)-Stahl 30MnVS6 eingesetzt. Die aus diesem Stahl gepressten Rohlinge werden nicht mehr gehärtet bzw. vergütet. Die Zähigkeit des Stahls ist allerdings deutlich geringer als die der Vergütungsstähle. Daher wird dieser Werkstoff nur bei Zapfen eingesetzt, die ausschließlich auf Zug/Druck belastet sind. Der Vergleich mit dem 7MnB8 XTP zeigt, dass die XTP-Behandlung eine im Ergebnis leistungsfähigere und effizientere Alternative darstellt. So eignet sich der 7MnB8 XTP für die Kaltumformung von komplexen Kugelzapfen. Er verfügt im Auslieferungszustand über eine homogen verteilte Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur von mehr als 150 Joule. Die Festigkeit liegt bei 700 MPa. Nach einer Kaltumformung weist der 7MnB8 XTP bei -40°C eine Kerbschlagzähigkeit von mehr als 50 J/cm2 auf und verfügt somit über exzellente Zähigkeitsreserven. Die Festigkeiten liegen zwischen 1000 und 1100 MPa. Im Ergebnis bedeutet das: Bei stoßartiger und dynamischer Beanspruchung des Kugelzapfens werden mit dem 7MnB8 XTP bisher ungenutzte Zähigkeitsreserven aktiv, die zu langlebigeren und leistungsfähigeren Bauteilen führen. Zusätzliche, kostenintensive Wärmebehandlungsprozesse werden eingespart.

Das XTP-Verfahren
Durch eine gezielte Temperaturführung entsteht ein extrem homogenes, feinkörniges Stahlgefüge mit Korngrößen von weniger als 5 µm, die auch nach der Massivumformung erhalten bleiben. Die geringe Korngröße ist die Voraussetzung, um die Zähigkeitsreserven des Werkstoffs nutzbar zu machen. Ein weiterer Vorteil: Auch bei bis zu  101 °C verfügen XTP-Stähle noch über gute Zähigkeitswerte. Das XTP-Verfahren kann auf Stabmaterial im Durchmesserbereich 18 bis 40 mm angewendet werden und bietet eine hohe Variabilität bei der individualisierten Einstellung der Prozessparameter Temperatur, Umformgrad und Abkühlgeschwindigkeit. Zunächst wird der Stahl induktiv erwärmt. Über die Wahl der Austenitisierungstemperatur bestimmt Steeltec maßgeblich die Werkstoffeigenschaften und die Korngröße des Gefüges. Im Einlauf-Temperaturführungsbereich wird die Temperatur für die Hochumformung eingestellt. Durch die Austauschbarkeit von Kühl- und Zwischenwärmsegmenten ist eine kontrollierte Einflussnahme auf die gewünschten Stahleigenschaften gegeben. Im Auslauf-Temperaturführungsbereich wird das Stabmaterial gezielt abgekühlt – die Intensität der Abkühlung kann durch Zu- und Abschalten einzelner Segmente und durch die Regulierung von Wassermengen gesteuert werden. Anschließend erfolgt das Wiedererwärmen auf Anlasstemperatur. Die gesamte Anlage ist mit aufwendiger Sensorik ausgestattet und überwacht den Temperaturverlauf und die Durchmesserkonstanz des umgeformten Stabmaterials. XTP ist damit ein zukunftsweisendes Verfahren, das die Marktanforderungen nach immer höheren Wirkungsgraden der Bauteile und kosteneffizienten Wertschöpfungsketten erfüllt.

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Marion Ziegler

Marion Ziegler

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