Neue Technologie für Stahl-Belastbarkeit

Zäher, fester, robuster: Steeltec hat eine innovative Fertigungslinie aufgebaut, mit der Stahl so behandelt werden kann, dass er noch leistungsfähiger wird und dabei auch Tiefst-temperaturen bis 101 °C standhält. Die dynamische Belastbarkeit steigt um mindestens zehn Prozent, was sich positiv auf die Lebensdauer beanspruchter Bauteile auswirkt. Anwendern ermöglicht dies, bestehende Bauteile widerstandsfähiger zu machen oder ohne Kräfteverlust zu redimensionieren. Wegbereiter ist die innovative Xtreme Performance (XTP) Technology, die eine gezielte Temperaturführung vor und nach der Hochumformung von Stabstahl ermöglicht. Dadurch entsteht ein extrem homogenes, feinkörniges Stahlgefüge mit Korn-größen von weniger als 5 µm – der Garant für exzellente Zähigkeit und dynamische Belastbarkeit.

Als Entwicklungspartner seiner Kunden arbeitet Steeltec, ein Tochterunternehmen der SCHMOLZ + BICKENBACH Gruppe, permanent an der Verbesserung der technologischen Möglichkeiten in der Stahlherstellung. Ziel ist es, die Spitze immer wieder neu zu besetzen – die zentrale Voraussetzung für die Technologieführerschaft als Anbieter von Spezialstahl in innovationsgetriebenen Branchen wie Automotive und Maschinenbau. Ein Fachgebiet des Spezialstahlherstellers ist Stabstahl für dynamisch hoch belastete Bauteile. Beispiele sind Bolzen und Schrauben für Baumaschinen oder Schneeraupen, Federbügel für Lkw und Wellen in Getriebe- und Elektromotoren. Wo ein enormer Arbeitsdruck herrscht, ist die Anforderung an die Prozesssicherheit sehr hoch. Eine exzellente Zähigkeit des Stabstahls verhindert, dass er bei schlagender Belastung bricht. Für die Widerstandskraft des Stabes bei Quer- und Längszugbeanspruchung ist eine hohe Festigkeit unerlässlich. Stahl mit einem extrem hohen Niveau beider, eigentlich gegenläufiger Eigenschaften ist jedoch eine Seltenheit. Sinkt zudem die Umgebungstemperatur in den tiefen Minusbereich, lässt die Zähigkeit des Werkstoffs häufig nach. Bauteilversagen ist die Folge.

Widerstandskraft des Stahls dauerhaft stärken
Die Stahleigenschaften und die Anwendungsbedingungen bestimmen die konstruktiven und funktionalen Grenzen von Bauteilen. Um diese breiter zu stecken, hat Steeltec gemeinsam mit weiteren Spezialisten die XTP Technology entwickelt, die das ganze Eigenschafts-potenzial des Stahls entfaltet. Das Verfahren ist anwendbar auf eine Vielzahl von Stählen, wie z. B. unlegierten und mikrolegierten Stahl oder Vergütungsstahl mit einem Durchmesser von 18 mm bis 40 mm. Das Ergebnis der Hochumformung des Stahls mit kontrollierter Tempera-turführung ist die gezielte Kornfeinung. Feinkörnige Gefüge besitzen den Vorteil, dass sie das Verhältnis von Festigkeit und Zähigkeit verbessern. Im Vergleich zu marktüblichen Verfahren unterschreitet Steeltec mit seiner weiterentwickelten Technologie die konventionell erreichbaren Korngrößen: Beispielsweise wurden beim mikrolegierten 38MnVS6 mittlere Korngrößen von 2,8 µm erreicht. Dieser Wert entspricht der Korngrößenklasse 14 nach ASTM 112. Das Korn ist noch nicht einmal halb so groß wie das mit dem marktüblichen thermo-mechanischen Verfahren erzeugte. Das hervorragende Korngrößenniveau ist das Ergebnis der technologischen Feinjustierung der XTP-Anlage durch Steeltec. Dabei wirken extrem hohe Umformkräfte bei sehr niedrigen Prozesstemperaturen auf den Stahl ein. Signifikante Verbesserungen werden dadurch sowohl bei der Festigkeit als auch bei der Zähigkeit erreicht. Für die Optimierung der Stahleigenschaften kann dabei zwischen zwei Möglichkeiten gewählt werden. Zum einen kann der Schwerpunkt in der Prozessführung auf die überproportionale Steigerung der Festigkeitskennwerte gelegt werden. Dabei wird auch eine deutliche Anhebung der Zähigkeit erreicht. Zum anderen kann der Fokus auf einer extremen Steigerung der duktilen Eigenschaften bei gleichzeitig deutlicher Anhebung der Festigkeit liegen. Wird bei dem ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen (AFP )Stahl 38MnVS6 das Haupt-augenmerk auf die Zähigkeit gelegt, weist er im Kerbschlagversuch 100 J bei -40 °C und bei Raumtemperatur 170 J auf. Zusammen mit 850 MPa Zugfestigkeit ergibt sich eine Eigenschaftskombination, die mit konventionellen Stählen nicht oder nur unter Einsatz von Zusatzprozessen erreichbar ist.

Energie + Kraft = ultrafeinkörniger Stahl
Überwindung bisheriger technischer Limits: Die neue Xtreme Performance Technology bietet Steeltec große Freiheit in der anforderungsgerechten Einstellung der Prozessparameter für die Stahlfertigung. Die Austenitisierungs- und Umformtemperatur sowie der Umformgrad werden für jeden Fertigungsauftrag individuell eingestellt, sodass einzelne Stahlsorten gezielt bearbeitet werden können. Ihre mechanisch-technologischen Kennwerte sowie die Korngröße des Stahls werden in diesem Schritt bestimmt – in Abhängigkeit davon, was der Werkstoff im Einsatz leisten muss. Insbesondere kontrollierte Aufheiz- und Abkühlraten vor und nach der Umformung spielen eine zentrale Rolle für das besondere Verhältnis von Festigkeit und Zähigkeit. Auf diese Weise entwickelt das Unternehmen unterschiedliche und kunden-individuelle „Fertigungsrezepte“. Charakteristisch für die neue XTP-Technologie ist die Umformung des Stabstahls. Unmittelbar nach der Erwärmung des Stahls kühlt Steeltec diesen auf Umformtemperatur ab und führt den Stab durch eine Hochumformeinheit. Hier werden die Weichen für die Feinkörnigkeit gestellt. Die kundenspezifischen Stahleigen-schaften stellt Steeltec mittels Materialprüfungen selbstverständlich sicher. Zudem fließen sämtliche Erfahrungswerte mit der Technologie sowie ihrer Wirkung auf die Attribute des Stahls und die Erkenntnisse aus der Anwendung des Werkstoffs in die Steeltec-Wissens-datenbank ein. Auf diese Weise ermöglicht das Unternehmen fundierte, werkstoffspezifische Machbarkeitsanalysen als Voraussetzung, um Kunden umfassend in der Entwicklung von Stahlprodukten zu unterstützen und damit der Unternehmensphilosophie „Mitdenken inklusive“ gerecht zu werden.

Bild 1: Mit der Xtreme Performance Technology steigert Steeltec die Feinkörnigkeit des Gefüges von Standardstählen und verbessert damit das Verhältnis zwischen Festigkeit und Zähigkeit signifikant, Quelle: Steeltec

Bild 2: Zäher, fester, robuster – Standardstähle, die das XTP-Verfahren von Steeltec durchlaufen, gewinnen deutlich an Kaltzähigkeit, Zugfestigkeit und dynamischer Belastbarkeit. Im Ergebnis steigen die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer der Anwendungen, Quelle: Steeltec

Bild 3: Der ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische (AFP-)Stahl 38MnVS6 weist nach der Hochumformung mit der XTP-Technologie im Kerbschlagversuch 100 J bei -40 °C und bei Raumtemperatur 170 J auf; Quelle: Steeltec

von Guido Olschewski, Leiter Qualität und Entwicklung bei Steeltec