Wirtschaftlicher konstruieren mit höherfesten Spezialstählen HSX-Stähle machen’s Normstählen schwer

Redakteur: Luca Meister

>> In der Antriebstechnik geht der Trend zu höheren Leistungen mit dem Bedarf an energieeffizienteren und kompakteren Konstruktionen einher. Bauteile müssen höhere Kräfte übertragen, dürfen aber nicht grösser werden. Im Gegenteil, die Dimensionierung soll sogar noch kleiner und damit kompakter ausfallen. Die höherfesten HSX-Stähle der Steeltec AG bieten Konstrukteuren neue Lösungsansätze.

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Abb. 3: In einer verketteten Produktionsanlage werden die HSX-Stähle je nach Anforderung gezogen, geschält und geschliffen.
Abb. 3: In einer verketteten Produktionsanlage werden die HSX-Stähle je nach Anforderung gezogen, geschält und geschliffen.
(Bild: Steeltec)

mei. Der Bedarf an effizienten Werkstofflösungen steigt branchenübergreifend – sowohl in der Fahrzeugindustrie und dem Maschinenbau als auch in der Hydraulikindustrie. Innovationen sind gefragt, die aufgrund des immensen Wettbewerbsdrucks kostengünstig umgesetzt werden sollen. Die Steeltec AG, ein Unternehmen der Schmolz + Bickenbach Gruppe, begegnet den steigenden Anforderungen an die Antriebstechnik und bietet als Hersteller von Spezialstahl in der Schweiz eine wirtschaftliche Alternative zu Standard-Vergütungsstählen: Bereits im Lieferzustand bringen die HSX-Stähle sehr hohe Festigkeiten bei hervorragenden Zerspanungseigenschaften mit. Bauteile können dadurch kompakter und leichter konstruiert werden. Im Vergleich zu Standard-Vergütungsstählen entfallen eine zusätzliche Wärmebehandlung nach der mechanischen Bearbeitung sowie Nachbearbeitungsschritte wie Richten, Schleifen oder Entgraten. Das führt zu kürzeren Produktionszeiten und tieferen Teilekosten.

Steigende Anforderungen an Antriebswellen

«Stahl muss auch bei steigender Kraftübertragung sicher arbeiten», erklärt Gerhard Roggli, Leiter Markt Schweiz bei Steeltec. «Eine Antriebswelle ist z. B. 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, was Kraft und Antriebsenergie spart.

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Nicht jeder Stahl eignet sich für dieses Vorhaben. HSX-Stähle von Steeltec ermöglichen mit ihrer höheren Festigkeit und der hohen Formtreue, auch bei asymmetrischer Bearbeitung, leistungsfähigere und/oder kleinere Antriebswellen. Deutlich werden die Vorteile des höherfesten Spezialstahles HSX 130 anhand eines Materialvergleichs mit den weit verbreiteten Standardwerkstoffen aus dem Maschinen- und Fahrzeugbau.

Kompakte Bauteilkonstruktion

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 Drehmomentes der Antriebswelle und der Leistungsfähigkeit der Stähle. Der HSX 130 kann bei einem Wellendurchmesser von 50 Millimeter unter Wechselbelastung 96 Prozent mehr Kräfte übertragen als der C45E und 18 Prozent mehr Kräfte als der 42CrMoS4. Damit ist der HSX 130 bei gleichbleibender Teiledimensionierung deutlich belastbarer und kann höheren Drehmomenten standhalten. Das ist in den Eigenschaften begründet, die den Stählen zu eigen sind.

Dreimal so hohe Streckgrenze

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 Newton pro Quadratmillimeter im Vergleich zu Standardvergütungsstählen eine doppelt bis dreimal so hohe Streckgrenze auf. Auch in Bezug auf die Zugfestigkeit ist der Spezialstahl mit 1350 Newton pro Quadratmillimeter deutlicher Vorreiter (Abb. 1).

Die höhere Festigkeit des HSX 130 beweist sich auch mit Blick auf die kompakte Bauweise und das reduzierte Gewicht. Benötigt man für eine Antriebswelle aus dem Standard-Vergütungsstahl C45E einen Stabdurchmesser von 40 Millimeter, könnte der Durchmesser dank des HSX 130 um 16,1 Millimeter reduziert und damit fast halbiert und das Gewicht um 64 Prozent 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, kann das Bauteilgewicht um 38 Prozent verringert und der Querschnitt des Stabes reduziert werden. Was der 42CrMoS4 mit einem Durchmesser von 30,3 Millimeter leisten kann, erbringt der HSX 130 mit 24 Millimeter (Abb. 2).

Zwei weitere HSX-Werkstoffe

Neben dem HSX 130 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 HSX-Familie unabhängig vom Stabdurchmesser über gleichmässige mechanische Eigenschaften über den gesamten Querschnitt und eignet sich dadurch besonders für kompakte Bauteilkonstruktionen.

Markante Kosteneinsparungen im Teileherstellungsprozess

«Unter dem Strich sparen Konstrukteure beim Tausch der Standard-Vergütungsstähle gegen unsere Spezialstähle», erläutert G. 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. Unsere HSX-Stähle gewährleisten kurze Durchlaufzeiten. Sie bringen schon im Anlieferungszustand sehr gute mechanische Eigenschaften und eine hervorragende Bearbeitbarkeit mit. Trotz vergleichsweise hoher Materialkosten ist der Herstellungsprozess durch den Einsatz von Spezialstählen deutlich rationeller und kostengünstiger im Vergleich zur Verwendung von Standard-Vergütungsstählen.»

Die Steeltec AG berät Anwender gerne, um gemeinsam die stärkste Stahllösung zu finden. Die HSX-Stähle sind auf dem Schweizer Markt vorrätig und just in time abrufbar. <<

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