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Stahl

Mit nichtrostendem Stahl effizienter produzieren

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Werden Kugelzapfen aus nichtrostendem Stahl hergestellt, entfallen aufwändige Wärmebehandlungs- und Beschichtungsverfahren. Anwender profitieren von geringeren Produktionskosten und einer langen Lebensdauer des Bauteils. Die ZF Friedrichshafen AG hat solche Kugelzapfen gemeinsam mit der Swiss Steel AG entwickelt.

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Der Drahtabzug beim Ziehprozess vor der Kaltumformung sowie die Umformstufen beim Kaltfließpressen haben unmittelbare Auswirkung auf die örtlichen mechanisch-technologischen Eigenschaften am Kugelzapfen. Erforderliche Prozessparameter mussten daher genau abgestimmt werden.
Der Drahtabzug beim Ziehprozess vor der Kaltumformung sowie die Umformstufen beim Kaltfließpressen haben unmittelbare Auswirkung auf die örtlichen mechanisch-technologischen Eigenschaften am Kugelzapfen. Erforderliche Prozessparameter mussten daher genau abgestimmt werden.
(Bild: Swiss Steel)

Als Alternative zu konventionell eingesetzten nitrierten Kugelzapfen aus Vergütungsstahl sind Kugelzapfen aus nichtrostendem Stahl per se korrosionsgeschützt. Die Fertigung erfolgt durch Kaltfließpressen – damit entfallen zeit- und energieaufwendige Wärmebehandlungs- und Beschichtungsverfahren. Das wiederum senkt die Herstellungskosten. Die ZF Friedrichshafen AG entwickelte die Spezialstahllösung gemeinsam mit der Swiss Steel AG, einem Unternehmen der Schmolz + Bickenbach Gruppe.

Hohe Anforderungen an den Werkstoff

„Wir arbeiten stets an der Wettbewerbsfähigkeit unserer Produkte“, erklärt Dr. Jochen Kruse, Projektingenieur im Center of Competence für Strukturbauteile bei ZF. „Dafür investieren wir unter anderem in die Erprobung neuer Werkstofflösungen, wie die Fertigung von Kugelzapfen aus nichtrostendem Stahl.“

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Die Kugelzapfen sind ein wesentlicher Bestandteil von Kugelgelenken, die unter anderem in Spurstangen, Winkelgelenken und Koppelstangen zum Einsatz kommen. Sie übertragen Lenk- und Federbewegungen. Dementsprechend hoch sind die Anforderungen an die mechanisch-technologischen Eigenschaften des eingesetzten Stahls. Im Mittelpunkt stehen eine hohe Dauerfestigkeit und Zähigkeit sowie ein gutes Reibungsverhalten (Tribologie) und Korrosionsbeständigkeit. Sie sind ausschlaggebend für die Belastbarkeit, Verschleißbeständigkeit und Lebensdauer des Bauteils in der Anwendung.

Zapfenstreich für Vergütungsstahl

Als Standard greift ZF auf gezogenen Walzdraht aus Vergütungsstahl, wie 41Cr4 oder 42CrMo4, zurück. Um die Kaltumformbarkeit zu verbessern, wird der Vergütungsstahl vor dem Kaltfließpressen weichgeglüht. In mehreren Umformstufen wird der Draht nach den Vorgaben von ZF zum Kugelzapfen gepresst. Die erforderliche Festigkeit erhält das Bauteil durch eine Vergütungsbehandlung. Anschließend dreht ZF den Kugelzapfen auf Endkontur, glättet ihn auf einer Rolliermaschine und transportiert ihn zu einem externen Beschichter. Um den erforderlichen Korrosionsschutz sicherzustellen, nitriert dieser das Bauteil nach Kundenvorgabe per Gas, Plasma oder im Salzbad und lässt ihn kontrolliert abkühlen. Dieser Prozessschritt kann, einschließlich Transport, bis zu drei Wochen dauern. Wird die Beschichtung vor der Montage des Zapfens beschädigt, ist der Korrosionsschutz des Kugelzapfens nicht mehr vollständig gegeben. Folglich sinkt die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils. „Durchlaufzeit, Energieverbrauch und Transportwege sind mit dem Einsatz von Vergütungsstahl vergleichsweise ineffizient“, so Kruse. „Deswegen haben wir mit unserem langjährigen Partner Swiss Steel eine ökologisch und ökonomisch sinnvolle Alternative entwickelt.“ Ziel war es, einen preisgünstigen und nichtrostenden Stahl zu finden, um die kostenintensiven Prozessschritte Glühen, Vergüten und Nitrieren zu vermeiden.

Wirtschaftliche Alternative: nichtrostender Stahl

„Um die optimale Stahlzusammensetzung in Kombination mit den idealen Prozessparametern zur Erzielung der geforderten Werkstoffeigenschaften zu bestimmen, haben wir zahlreiche Laboruntersuchungen und großtechnische Walzversuche durchgeführt“, erläutert Dr. Ulrich Urlau, Leiter Unternehmensentwicklung bei Swiss Steel. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften legten Swiss Steel und ZF Wert auf ein feinkörniges Gefüge. Es vereint eine hohe Dauerfestigkeit und Duktilität, ohne die Zähigkeit zu mindern. Dadurch ist es besonders belastbar. Außerdem spielten ein gutes Kaltverfestigungsverhalten und eine ausreichende Kaltumformbarkeit eine wichtige Rolle.

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