Effiziente Produktion Spezialstahl perfektioniert Kugelzapfen für Fahrwerke

ZF Friedrichshafen hat Kugelzapfen aus nichtrostendem Stahl entwickelt. Als Alternative zu konventionellen nitrierten Kugelzapfen aus Vergütungsstahl sind diese per se korrosionsgeschützt. Die Fertigung erfolgt durch Kaltfliesspressen – zeit- und energieaufwendige Wärmebehandlungs- und Beschichtungsverfahren entfallen. Das Resultat: geringere Herstellungskosten und eine längere Lebensdauer der Bauteile. Die Entwicklung der Speziallösung erfolgte gemeinsam mit der zur Schmolz + Bickenbach-Gruppe gehörenden Swiss Steel.

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Die ZF Friedrichshafen AG zählt mit rund 73 600 Mitarbeitern und 121 Produktionsgesellschaften in 26 Ländern zu den weltweit führenden Technologiekonzernen in der Antriebs- und Fahrwerktechnik. Das Produktportfolio umfasst Getriebe, Lenkungen, Dämpfungsmodule, elektronische Systeme, Fahrwerkkomponenten sowie komplette Achssysteme und -module. Rund fünf Prozent des jährlichen Umsatzes investiert der Konzern in Forschung und Entwicklung. «Wir verstehen uns als innovatives Unternehmen und arbeiten stets an der Wettbewerbsfähigkeit unserer Produkte», erklärt Dr. Jochen Kruse, Projektingenieur im Center of Competence für Strukturbauteile der ZF Friedrichshafen AG. «Dafür investieren wir unter anderem in die Erprobung neuer Werkstofflösungen, wie zum Beispiel die Fertigung von Kugelzapfen aus nichtrostendem Stahl.»

Diese 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 den Vergütungsstahl

Als Standard greift ZF auf gezogenen Walzdraht aus Vergütungsstahl wie etwa den 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 Dr. J. 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, und ist dadurch besonders belastbar. Ausserdem spielten ein gutes Kaltverfestigungsverhalten und eine ausreichende Kaltumformbarkeit eine wichtige Rolle. «Der nichtrostende Stahl 1.4003 bringt alle geforderten Grundvoraussetzungen mit», betont Stephan Hasler, Manager Research & Development bei Swiss Steel. «Der Stahl zeichnet sich durch eine für diese Anwendung ideale Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften aus sowie einen verhältnismässig moderaten Preis.»

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