Spezialstahl perfektioniert Kugelzapfen für Fahrwerke

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TORNOS S.A.

Angehrn AG - Umformtechnik

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Schmolz und Bickenbach Stahlcenter AG

Fuchs Schraubenwerk GmbH

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Das Know-how von Swiss Steel steckt in der Optimierung des Werkstoffes und der Walzparameter hinsichtlich der Anforderungen von ZF. Bei der Stahlherstellung bildet Stahlschrott die Basis. Diesen schmilzt die Deutsche Edelstahlwerke GmbH, ein Schwesterunternehmen der Swiss Steel, im Elektroofen. Nach dem Legieren entkohlt der Edelstahlspezialist das Material per Vakuumverfahren (VOD), um die Korrosionsbeständigkeit weiter zu erhöhen, und giesst den flüssigen Stahl zu Knüppeln. Durch gezielte Steuerung von Temperatur und Abkühlung beim Walzen beeinflusst Swiss Steel die mechanisch-technologischen Eigenschaften und das Gefüge des Stahls. Das Ergebnis ist ein niedrigst gekohlter ferritisch-martensitischer Edelstahldraht mit der ZF-internen Bezeichnung «X1CrNi12».

Weiterverarbeitung des Stahls zum fertigen Bauteil

Ein Kugelzapfen mit Halshinterschnitt und Innensechskant war das Testobjekt in der Entwicklungsphase. Um unter anderem das geforderte Festigkeitsniveau von 800 bis 1 000 Megapascal zu erreichen, standen der Drahtabzug beim Ziehprozess vor der Kaltumformung sowie die Umformstufen beim Kaltfliesspressen im Blickpunkt. Sie haben unmittelbare Auswirkung auf die örtlichen mechanisch-technologischen Eigenschaften am Kugelzapfen und müssen aufeinander abgestimmt sein. Dafür definierten ZF und Swiss Steel gemeinsam mit dem Kaltumformer, der Fuchs Schraubenwerk, die erforderlichen Prozessparameter.

Da der Walzdraht aus X1CrNi12 eine hohe Ausgangsfestigkeit mitbringt, galt es zudem, eine leistungsfähigere Presse und ein stabiles Abschersystem beim Kaltfliesspressen einzusetzen. Der Mehraufwand in der Fertigung wird durch eine vergleichsweise kurze Durchlaufzeit kompensiert. Die Qualität des Bauteils aus X1CrNi12 entspricht den Anforderungen in vollem Umfang. Das belegen die ZF-internen Versuche am gepressten Kugelzapfen: Auch nach längerem Stillstand ist er leichtgängig im Gelenk. Er bringt die erforderliche Festigkeit im Gewinde mit und hält schlagartiger mechanischer Beanspruchung auch bei tiefen Temperaturen stand.

Abhängig vom Bauteildesign, variieren die Kostenvorteile durch den Einsatz des X1CrNi12. Bei Kugelzapfen mit einem Kugeldurchmesser bis zu 30 Millimeter zeigt sich die Rentabilität des Edelstahls am deutlichsten. «Die gut funktionierende interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Swiss Steel und Fuchs Schraubenwerk war die Voraussetzung für die Entwicklung des Stahls bis zur Marktreife», so Dr. J. Kruse. «Unser Ziel ist es, die nitrierten Vergütungsstähle sukzessive gegen den X1CrNi12 auszutauschen.»

Ergänzendes zum Thema

kurzinterview

Fragen an Herrn Dr. Ulrich Urlau, Mitglied der Geschäftsleitung der Swiss Steel AG

SMM: Welche Trends machen sich in der Stahlentwicklung bemerkbar?

Dr. Ulrich Urlau: Im Automobilbau, unserem Hauptendabnehmer, geht ein wesentlicher Trend in Richtung Leichtbau und Downsizing. Zentrale Anforderung ist es, die Bauteile kompakter zu konstruieren und ihre Lebensdauer bei gleichzeitig steigenden Wirkungsgraden zu verlängern. Dies führt unter anderem zu einer vermehrten Nachfrage nach Stahlsorten mit höheren Festigkeiten und einem besseren Verhalten bei dynamischer Beanspruchung. Neben technischen und ökonomischen Aspekten stehen in der Entwicklung neuer Stahlsorten ausserdem vermehrt ökologische Gesichtspunkte wie die Energie- und Ressourceneffizienz im Mittelpunkt.

Wo steckt bei der Entwicklung neuer Legierungen das grösste Optimierungspotenzial?

Dr. U. Urlau: Früher wurde die Entwicklung neuer Stahlprodukte häufig «nur im eigenen Haus» ohne die Einbindung der Kunden betrieben. Bei Swiss Steel beziehen wir schon seit Jahren die ganze Wertschöpfungskette mit ein – von der Stahlherstellung über die Weiterverarbeitung bis zur Anwendung beim Endkunden. Hierdurch werden die geforderten finalen technischen Eigenschaften des Endproduktes besser erzielt. Zusätzlich lassen sich ökologische und ökonomische Vorteile in der Herstellkette realisieren. Darüber hinaus setzen wir moderne numerische Simulationstools ein, die es ermöglichen, Entwicklungsziele exakter, kostengünstiger und schneller zu erreichen.

Wann spricht man von einem effizienten Werkstoff?

Dr. U. Urlau: Ein effizienter Werkstoff bietet bezogen auf eine bestimmte Anwendung den grösstmöglichen Kundennutzen. Für die Herstellung von Kugelzapfen haben wir beispielsweise den Stahl und die Prozessparameter gezielt modifiziert, um sowohl die Anforderungen in der Verarbeitung als auch in der Anwendung zu erfüllen. Zudem sind die Prozesse im Vergleich zum Einsatz von konventionellem Vergütungsstahl energetisch optimiert und umweltfreundlicher.

Wodurch hebt sich Swiss Steel von anderen Stahlherstellern ab?

Dr. U. Urlau: Wir bieten den Kunden ein hohes Mass an Qualität, Flexibilität und Zuverlässigkeit. Mit unserer innovativen Entwicklungsabteilung setzen wir in enger Zusammenarbeit mit unseren Projektpartnern und Kunden neue Ideen effizient und effektiv um. Das Resultat sind zukunftssichere Stahlprodukte und leistungsfähige Bauteile.

Serienreife erreicht

Die Modifikation des 1.4003 für das Kaltfliesspressen des Kugelzapfens überzeugte ZF: Die Eigenschaften des Stahls sind vergleichbar mit denen konventionell hergestellter Teile aus Vergütungsstahl. Eine deutliche Verbesserung erreicht der nichtrostende Stahl X1CrNi12 hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit in der Anwendung.

Auch die Ökobilanz wird verbessert: Mit X1CrNi12 entfallen schadstoffbelastete Prozessschritte wie das Nitrieren sowie zusätzliche Transportwege. Die Durchlaufzeit in der Fertigung ist spürbar verkürzt, ergo steigt die Flexibilität im Fall von Produktionsschwankungen. Der Anwender erhält ein modernes, effizientes Material und kann gleichzeitig die Gesamtkosten senken. <<

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Effiziente Produktion

Spezialstahl perfektioniert Kugelzapfen für Fahrwerke

Weiterverarbeitung des Stahls zum fertigen Bauteil

Serienreife erreicht