SchmiedeJOURNAL Mrz 201430

Fachbeitrge

Fr den Erzeugnisbereich der Schmiedestcke und Langprodukte eines Stahlherstellers, hier vor allem fr die eingesetzten Produkte der Bereiche Fahrwerk und Antriebsstrang im Automobilbereich, werden im nachfolgenden Beitrag die Mglichkeiten der Gewichtsoptimierung nher beleuchtet. Hier sind hherfeste Sthle bis 1.400 MPa zusammen mit den entsprechend adaptierten Prozessen gefragt, wobei die konstruktive Seite bereits schnelle Lsungsanstze liefert und somit den Takt deutlich vorgibt.

AusgangssituationIm Band- und Blechbereich sind durch

die Krze der Prozesskette sowie die ber-sichtlichkeit der Werkstoffe und der geringen Zahl der Komponenten am Fahrzeug Pro-jekte und deren Realisierung sehr schnell erfolg reich. Bei Schmiedestcken und Lang-pro dukten dagegen sind die Pro zess ketten lnger und bentigen fr ein Pro dukt viele Zwischenverarbeiter. Die einzelnen Kom-po nen ten sind in der Teile zahl sehr viel-fltig und durch ihre Menge ebenfalls an-spruchs voll. So gibt es allein am Antriebs-strang eines Mittelklasse-PKW zirka 2.100 verschiedene Bauteile und im Bereich des Fahrwerks rund 750 verschiedene Bau teile. Zusammen mit der Vielfalt der ein gesetzten Werkstoffe, multipliziert mit der Anzahl der Prozesse ergibt sich damit ein erheb licher

Aufwand fr die Optimierung sowohl von Einzelteilen als auch der gesamten Kom po-nente.

Die Vielfalt an Prozessen und Werkstoffen fhrt beim Einsatz hochfester Sthle natrlich auch zu Blockaden, die wie folgt beschrieben werden knnen: offene Fragen der Bearbeitung, zu viele neue Werkstoffe, teilweise unbekannte Langzeiteigenschaften, mgliche offene Fragen zu Verbindung mit

anderen Werkstoffen, nicht allgemein verfgbare Werkstoffe oder

Patente, Unklarheiten, ob bestimmte Werkstoffe fr

bestimmte Prozesse berhaupt verfgbar sind.

Ziel verschiedener Arbeitsgruppen in jngster Zeit hier speziell der Initiative Massiver Leicht bau aus Stahlherstellern und Massivumformern war, das komplexe Feld zu analy sieren, Prozesse und Werkstoffthemen zu bndeln und Vorschlge fr innovativen massiven Leichtbau zu erarbeiten. So wurde in einer Studie Leichtbaupotenzial massiv-umgeformter Komponenten im Pkw vorab erarbeitet, dass 23 Gewichts prozent eines Pkws als Schmiedestcke und Langprodukte dem Antriebsstrang und 16 Prozent des Fahrzeug-Gesamtgewichts dem Fahrwerk zuzuordnen sind. Bei der Analyse der 2.850 be trach te ten Bauteile ergaben sich bereits heute ber 100 verschiedene angewandte Werk stoffe.

Stabstahl und Schmiedestcke aus hochfesten Sthlen

Dipl.Ing. Frank Wilke, Siegen

The possibilities of weight optimisation for the product range of forgings and long products of a steel manufacturer, above all for the products used in the areas of chassis and power train in the area of automobiles, are examined further in the following entry. In this case, the higherstrength steels up to 1,400 MPa together with the correspondingly adapted processes are examined, wherein the constructive aspect delivers quick solutions and thus clearly sets the pace.

Steel Bars and Forgings Made from Highstrength Steels

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Bei dieser Analyse hat sich gezeigt, dass werkstoffseitig sehr viele hnliche, jedoch nicht gleiche Werkstoffe zum Einsatz kom-men, die die Vorratshaltung und den Ferti-gungs auf wand erheblich vergrern und damit verteuern. Des Weiteren wurde fest ge-stellt, dass die angewandten Werkstoffe zum einen als Werkstoff und zum anderen aber auch bezglich des Eigenschaftsbilds teil-weise sehr konservativ angelegt waren. So wurden unterforderte Werkstoffe ermittelt sowie die technischen Mglichkeiten ein-zelner Werkstoffe unter Bercksichtigung ent sprechen der Sicherheiten nicht oder nur teil weise ausgenutzt. Darber hinaus wurde festgestellt, dass es konstruktiv in Zusammen-hang mit Prozessen und Werk stoffen ebenfalls ein deutliches Optimierungs potenzial gibt.

Produktanforderung an hochfeste SthleFr den Einsatz hochfester Sthle zur Ge-

wichts reduzierung ist die genaue Kenntnis des

Anforderungsprofils wichtig. Neben den reinen statischen Werten in Festigkeit und Duktilitt ist auch die Unter suchung der dynamischen Belastung im Ein satz erforderlich, hier speziell unter Be rck sich tigung der Lebensdauer des Bau teils. Als weitere Anforderungen kommen die Betriebs temperatur im Einsatz, mgliche Be aufschlagung durch Korrosion und uere Be din gungen fr das Bauteil im Einzelfall (Her-stell kosten, Geometrie, Einbauvolumen) hinzu. Fragen nach der Verschleiart, zum Bei spiel einem mglichen Schutz durch Be schichtung, gelten als Basis des Lastenhefts.

Wenn das Anforderungsprofil an das Produkt bekannt ist, gibt es neue Hrden fr die Auswahl hochfester Sthle: Neben Zu las-sungs fragen, Referenzen, Beschaff bar keit und allumfngliche Werkstoff-Kenndaten mssen fr das Produkt aus dem neuen hochfesten Stahl alle fr dieses Produkt erforderlichen Her stellprozesse geprft werden. In Tabelle 1

sind einige Kriterien fr die Herstell- und Fertigungsprozesse aufgefhrt. Im Vor der-grund der Prozessbetrachtung der hoch festen Werkstoffe stehen die Warm- und Kalt um form-barkeit sowie die Bearbeitbarkeit des Werk-stoffs generell sowie die Auswahl der besten Prozessreihenfolge. Gemeint ist zum Beispiel die Ermittlung, wann und in welchem Zustand eine Kaltbearbeitung am kosten gnstigsten und materialschonendsten ist. Die Entscheidung ber Werkstoffauswahl und geeignete Prozessschritte an dieser Stelle ist sehr komplex und erfordert eine breite Dar stellung sowohl der Eigenschaften hoch fester Werkstoffe selbst als auch deren Pro zess darstellung.

Recherchen im Zuge der Leicht bau potenzial studie sowie des Stahlinstituts VDEh zur Um setzung neuer hochfester Werkstoffe im Lang pro duktebereich haben gezeigt, dass die Kenntnis ber Verarbeitungsprozesse hoch-fester Sthle deutlich erweitert werden muss, um eine entsprechende Entschei dungs hilfe fr Konstrukteur und Verarbeiter zu geben. Prozesswissen ber finale Bearbei tungs prozesse hochfester Sthle, insbesondere beim Zerspanen, ist vorhanden, aber Prozesse der Warm- und Kaltumformung sowie das Her-stellen von Werkstoffverbunden erfordern noch weiterfhrende Projektarbeit.

Hochfeste Sthle fr den LeichtbauMit bekannten Werkstoffen, aber noch neuen

beziehungsweise adaptierten Fertigungs pro-zessen knnen hhere Werkstoffeigenschaften in Festigkeit und Duktilitt erzeugt werden als in den klassischen Normen beschrieben. Dies geschieht zum einen durch die Ausnutzung der technischen Wrmebehandlungs mg-lich keiten, zum anderen durch alle Arten der Kalt verfestigung des Materials. Eine weitere Mglichkeit der Fertigung hochfester Sthle ist die direkte Eigenschaftsbildung aus der Warm umformung heraus, die jedoch einen sehr exakten Prozessverlauf whrend der Umformung selbst inklusive der er for der-lichen Krfte als auch ganz gezielt ge re gelte Abkhlgeschwindigkeiten nach der Warm-um formung erfordern. Hier ist besonders eine Vielzahl an bainitischen und aushrtbaren Sthlen zu nennen. Neue hochfeste Sthle entstehen auch durch Analysenmodifikation und neue technische Mglichkeiten im Stahl-her stellungs pro zess, diese Elemente pro zess-sicher im Stahl zu legieren. Als Le gie rungs-elemente fr Langprodukte und Schmiede-stcke sind Mangan, Stickstoff, Vanadin, Bor und Aluminium zu nennen. Diese Legie-rungselemente sind von der Kosten seite als vertretbar zu betrachten, es ist jedoch durch-gngig neues Prozess-Know-how er for der lich. So neigen hoch manganhaltige Sthle im Zuge von Kaltumformungsprozessen zu extremer Kaltverfestigung, was zum einen positiv fr das Eigenschaftsbild ist, zum anderen negativ fr den Kaltumformprozess selbst sein kann.

Zu beachten bei hochfesten1) Sthlen (Prozess):

ZerspanungsBedingungen g siehe Projekte, auch schwefelarm

Verbund mit anderen Werkstoffen g Verbundschmieden, Kleben

Vermeidung von WasserstoffAnflligkeit

gute Umformbarkeit g WerkstoffAuswahl

Bercksichtigung von Verzug + ErholungsEffekten

Eigenspannungsarmut

Erzielung hoher Dehnungs und Kerbschlagarbeitswerte fr dynamische Belastung

uere WerkstoffBedingungen (Reinheitsgrad, Elemente, Gefge, Korngre )

Bercksichtigung von mglicher erhhter KorrosionsAnflligkeit

begrenzte Wrmebehandlung im Herstellprozess

1) hochfest = Rm > 1.000 MPa

Tabelle 1: Wichtige Faktoren im Verarbeitungsprozess bei der Verwendung von hochfesten Sthlen.

Werkstoffbetrachtung hochfester Sthle

Bainitische Sthle:

Mikrolegierte Sthle hnlich AFPSthle, jedoch mit abgesenktem CGehalt.

Eigenschaftsbildung ber gezielte schnelle Abkhlung aus Umformhitze auf rund 400 C und dort halten, um Bainit zu erzeugen und Martensit/Ferrit/Perlit zu vermeiden; idealerweise Prozess so einstellen, dass gesamter Querschnitt zu Bainit fhrt.

Keine weitere Wrmebehandlung > 250 C mehr ntig und mglich.

Analyse ist so gestaltet, dass das Bainitgebiet aufgeweitet wird und Ferrit und PerlitBildung verzgert und somit umgangen werden.

Vorteil bainitischer Sthle ist Rm > 1200 MPa bei gleichzeitigen Kerbschlagarbeitswerten > 50 Joule.

Tabelle 2: Werkstoffbetrachtung hochfester Sthle (1).

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Der Einsatz von Stickstoff fhrt, je nach Werkstoff, ebenfalls zur Festigkeitssteigerung, bedingt jedoch zum einen teilweise hhere Um form krfte und zum anderen sind Risiken (Wasser stoff anflligkeit) zu vermeiden bezieh ungs weise zu bercksichtigen. Prozesse mit deutlich erhhten Aluminiumgehalten als bisher blich, bentigen in der gesamten Pro-zess kette noch die meiste Projektarbeit.

In Tabelle 2 sind die Erkenntnisse beim Einsatz von bainitischen Sthlen dargestellt. Die beschriebenen Materialeigenschaften sind, geeignete Analyse vorausgesetzt, durch eine gezielt extrem schnelle Abkhlung aus der letzten Umformhitze einstellbar, wobei das Bau teil whrend der Abkhlung lange in der Bainitphase um 400 bis 480 C gehalten werden muss. Das Material weist

dann bereits die hohe Festigkeit auf, wobei zu bercksichtigen ist, dass jede weitere Kaltbearbeitung in dieser Festigkeit stattfi ndet.

Im Zuge der Betrachtung hochfester Sthle gewinnen sowohl Wlzlagersthle als auch Nitrier sthle wieder an Bedeutung. Bei den Wlz lagersthlen steht die Verschleifestigkeit im Vordergrund, das heit hier gibt es nun mehr Werkstoffvarianten, die spezifi sch nicht nur die Wlzfestigkeit, sondern auch abra siven Verschlei bercksichtigen. Diese Modi fi kation zielt zum einen auf hchsten Rein heitsgrad und niedrigste Schwefelgehalte dieser Sthle ab, andererseits werden die Mg lich-keiten erhhten Aluminiumgehalts fr TRIPEffekt ausscheidungshrtend und gegebenen-falls Mischkristall-Bildung genutzt.

Die Misch-Nitriersthle erfahren pers pek-ti visch eine durchaus vereinfachte und damit kosten gnstigere Fertigung als frher, da es Mglich keiten gibt, diese Sthle aus der Um-form hitze direkt zu hrten, an zu lassen und nach dem Nitrieren mithilfe des Nitrier vor-ganges direkt als weiteren Anlass vor gang als an lass bestndig zu deklarieren. Werk stoff-ab hngig sind hier neben Festigkeiten von ber 1.000 MPa im Grund werk stoff auch ansprechende Kerbschlagzhigkeiten zu er zie-len. Nhere Angaben sind in Tabelle 3 dar ge-stellt. In Tabelle 4 fi ndet sich beispielhaft eine Aufl istung von hochfesten Werkstoffen.

Konstruktive Lsungsanstze beim massiven Leichtbau

Es sind deutliche Gewichtsreduzierungen bei Schmiedestcken durch Nutzung aller Tech-no lo gien mglich. Schmiedetechnisch kann durch Aus sparungen und Einschnrungen sowie endabmessungsnahes Umformen spe-ziell bei nicht rotations symmetrischen Teilen deut lich Gewicht gespart werden. Zudem ist es im Einzelfall bereits mglich, durch Ver bund-schmie den mit dem Trger werk stoff zum Bei-spiel Funktionsfl chen aus anderen Werk stoffen her zu stellen. In diesem Fall gibt es fer ti gungs -technisch eine Vielzahl von Prozes s schritten, die je nach Geometrie und Anspruch an das Bauteil umgesetzt werden knnen und ein hohes Potenzial an Gewichtseinsparungen bieten.

FazitAm Beispiel der Initiative Massiver Leicht-

bau mit Massivumformern und Stahl her stel-lern hat sich gezeigt, dass eine Zu sammen-arbeit zwischen allen Pro zess be tei ligten auf-grund der langen und kom plexen Prozesse zwingend erforderlich ist, um Ge wichts-einsparungen am Schmie deteil zu er reichen. Dies ist, wie sich an einigen Beispielen mit Ge wichts ein sparungen von bis zu 25 Prozent ge zeigt hat, durchaus ohne zuwachsende Risiken mglich. Es stehen heute Werkstoffe zur Ver f gung, die in robusten Prozessen sicher her stell bar sind und das gewnschte Eigen-schafts bild bei hinreichender Duktilitt und Dauer festig keit garantieren. Hierbei knnen sogar bisherige Fertigungsprozesse, ins be-son dere in der Wrmebehandlung, abgekrzt werden. Die Prozesse selbst sind jedoch hoch an spruchs voll und daher in engen Grenzen zu fhren, speziell was den Bereich der Werk-zeuge betrifft. Das Nahziel muss daher sein, neben der Steigerung des Be kannt heits grads auch In for ma ti onen ber die Ver ar bei-tungs pro zesse hoch-fester Werk stoffe weiter zu geben und somit den Kon struk-teuren Mg lich keiten zur Nut zung dieser Pro zesse an die Hand zu geben. n

Dipl.Ing. Frank Wilke

Werkstoffbetrachtung hochfester Sthle

Wlzlagersthle hnlich 100Cr6:

Einstellen besten Reinheitsgrads (Makro, Meso, Mikro)

Ausnutzen TRIPEffekt (Si, Al) zur Verzgerung der Karbidbildung

Durch Al AusscheidungsHrtung, Bildung einer KPhase

Durch Al MischkristallVerfestigung

Einstellen niedrigster Schwefelgehalte, z. B. < 0,001 % S

Nitriersthle hnlich 8CrMo16:

Grundfestigkeit dynamisch vergtet > 1.000 MPa

Nach Nitrieren KBZ 20 C > 50 Joule

Anlassbestndig beim Nitriervorgang (kein Verzug)

KBZ = Kerbschlagzhigkeit

Tabelle 3: Werkstoffbetrachtung hochfester Sthle (2).

Tabelle 4: WerkstoffBeispiele und Lsungsvorschlge fr hochfeste Anwendungen. Tabellen: Autor

Werkstoff-Beispiele, Lsungsvorschlge fr hochfeste Anwendungen:

Bainit: Rm > 1.400 MPa, wichtig: Abkhlung aus UmformProzess

AFP: Rm > 1.000 MPa, wichtig: Abkhlung aus UmformProzess

Einsatzhrter: Rm > 1.000 MPa + Aufkohlung; wichtig: Reinheitsgrad, Analyse

Vergtungssthle: Rm > 1.300 MPa, wichtig: Eigenspannung

CSthle: Induktiv hrtbar > 62 HRC, Vorsicht: Dehnung, dynamische Belastbarkeit

Nitriersthle: Hohe Oberfl chenhrte, Rm > 1.000 MPa; KBZ hoch

RostfreiAushrter: Rm > 1.200 MPa, Kerbschlagzhigkeit hoch, fr SonderKorrosionsbeanspruchung, hoher Aufwand

100Cr6 u. .: Hohe Oberfl chenhrte, verschleifest; Sonderanalysen gefordert