Konstruieren mit höherfesten Spezialstählen von Steeltec

Exklusiv in KEM Die Autorin Hanna Maurer, Journalistin in Montabaur, hat den Beitrag im Auftrag der Steeltec AG, Emmenbrücke/Schweiz, erstellt

Der Bedarf an effizienten Werkstofflösungen steigt branchenübergreifend – sowohl in der Fahrzeugindustrie und dem Maschinenbau als auch in der Hydraulikindustrie. Die Steeltec AG, ein Unternehmen der Schmolz+Bickenbach-Gruppe, begegnet den steigenden Anforderungen an die Antriebstechnik und bietet als Hersteller von Spezialstahl eine wirtschaftliche Alternative zu Standardvergütungsstählen: Bereits im Lieferzustand bringen die HSX-Stähle sehr hohe Festigkeiten bei hervorragenden Zerspanungseigenschaften mit. Bauteile können kompakter und leichter konstruiert werden. Im Vergleich zu Standardvergütungsstählen entfallen eine zusätzliche Wärmebehandlung nach der mechanischen Bearbeitung sowie Nachbearbeitungsschritte wie Richten, Schleifen oder Entgraten.

„Stahl muss auch bei steigender Kraftübertragung sicher arbeiten“, erklärt Gerhard Roggli, Leiter Markt Schweiz der Steeltec AG. „Eine Antriebswelle ist beispielsweise ein zunehmend beanspruchtes Bauteil, das bei steigender Antriebsleistung höhere Drehmomente übertragen und gleichzeitig einer wachsenden Wechselbelastung standhalten muss.“ Hohe Festigkeiten des Materials sind erforderlich, damit das Bauteil den harten Anforderungen im Einsatz standhält und sicher funktioniert. Je kleiner die Antriebswelle dimensioniert werden kann, desto weniger Eigengewicht muss sie bewegen. Ergo kann sie schneller beschleunigt und abgebremst werden. Dies spart Kraft und Antriebsenergie. Nicht jeder Stahl eignet sich für dieses Vorhaben. HSX-Stähle der Steeltec AG ermöglichen mit ihrer höheren Festigkeit und der hohen Formtreue, auch bei asymmetrischer Bearbeitung, leistungsfähigere und/oder kleinere Antriebswellen. Deutlich werden die Vorteile des Spezialstahls anhand eines Materialvergleichs mit den weitverbreiteten Standardwerkstoffen aus dem Maschinen- und Fahrzeugbau.

Warum sollte man einen Standardwerkstoff austauschen, der sich bewährt hat? Das wird klar, stellt man dem HSX 130 den unlegierten Standardvergütungsstahl C45E und den legierten Standardvergütungsstahl 42CrMoS4 gegenüber. Der C45E kommt aufgrund seiner Eigenschaften bei weniger stark beanspruchten Teilen in der Antriebstechnik zum Einsatz. Bei stärkerer Beanspruchung greifen Konstrukteure auf den 42CrMoS4 zurück.

Wie sich die Eigenschaften der Stähle auf ihre Einsatzfähigkeit auswirken, zeigt ein Vergleich des Drehmoments der Antriebswelle und der Leistungsfähigkeit der Stähle. Der HSX 130 kann bei einem Wellendurchmesser von 50 mm unter Wechselbelastung 96 % mehr Kräfte übertragen als der C45E und 18 % mehr Kräfte als der 42CrMoS4. Damit ist der Spezialstahl bei gleichbleibender Teiledimensionierung deutlich belastbarer und kann höheren Drehmomenten standhalten.

Das ist in den Eigenschaften begründet, die den Stählen zu eigen sind. Wichtige Parameter für die Leistungsfähigkeit sind die Streckgrenze und die Zugfestigkeit. Je höher das Drehmoment, desto größer die Kräfte, die auf den Stahl einwirken. Der HSX 130 weist mit 1300 N/mm² im Vergleich zu Standardvergütungsstählen eine doppelt bis dreimal so hohe Streckgrenze auf. Auch in Bezug auf die Zugfestigkeit ist er mit 1350 N/mm² deutlicher Vorreiter.

Die höhere Festigkeit beweist sich auch mit Blick auf die kompakte Bauweise und das reduzierte Gewicht. Benötigt man für eine Antriebswelle aus dem Standardvergütungsstahl C45E einen Stabdurchmesser von 40 mm, könnte der Durchmesser dank des HSX 130 um 16,1 mm reduziert und damit fast halbiert und das Gewicht um 64 % gesenkt werden. Der Spezialstahl spart Bauraum und ist durch seine Eigenschaften dreimal so leistungsfähig wie der C45E. Zusätzlich sorgt er für eine Zeitersparnis in der Bearbeitung und ermöglicht dadurch tiefere Teilekosten.

Ersetzt man bei steigender Beanspruchung der Antriebswelle den 42CrMoS4 durch den HSX 130, können das Bauteilgewicht um 38 % verringert und der Querschnitt des Stabes reduziert werden. Was der 42CrMoS4 mit einem Durchmesser von 30,3 mm leisten kann, erbringt der HSX 130 mit 24 mm.

Daneben bietet Steeltec zwei weitere HSX-Werkstoffe an, die sich entsprechend ihren mechanischen Eigenschaften für unterschiedliche Anwendungen eignen. Der HSX 110 kommt zum Einsatz, wenn hohe Festigkeitswerte bei verbesserter Zähigkeit gefragt sind. Der HSX Z12 bietet sich durch ein erhöhtes Zähigkeitsverhalten für Bauteile mit hoher Kraftübertragung und zusätzlicher Schlagbeanspruchung an. Darüber hinaus verfügt die gesamte Familie unabhängig vom Stabdurchmesser über gleichmäßige mechanische Eigenschaften über den gesamten Querschnitt, wodurch sie sich besonders für kompakte Bauteilkonstruktionen eignet.

„Unterm Strich sparen Konstrukteure beim Tausch der Standardvergütungsstähle gegen unsere Spezialstähle“, erläutert Roggli. „Denn bis zu 85 Prozent der Teilekosten entstehen im Prozess der Herstellung des Bauteiles. Der Hebel für kostengünstigere Bauteile liegt also bei den Prozesskosten und nicht beim Materialeinstandspreis.“ Ihre besonderen Eigenschaften erhalten die HSX-Stähle in einem Spezialverfahren.

Je nach Anforderung werden die Stäbe gezogen, geschält und geschliffen. In einer verketteten Produktionsanlage durchlaufen sie automatisiert die Prozesse vom Ziehen/ Schälen, Richten und Sägen bis zur Qualitätsprüfung und zur Endenbearbeitung. Bereits im Lieferzustand bringen die Spezialstähle hohe Festigkeiten mit, die bei Vergütungsstählen erst nachträglich per Wärmebehandlung erreicht werden.