Erhöhter Widerstand gegen Knickungen von hartverchromten Kolbenstangen durch Induktionshärtung

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1 Erhöhter Widerstand gegen Knickungen durch IH Seite 1 (7) Erhöhter Widerstand gegen Knickungen von hartverchromten Kolbenstangen durch Induktionshärtung Zusammenfassung Induktionshärten von Kolbenstangen für Hydraulikzylinder schützt nicht nur vor Beschädigungen im Fall äußerlicher Schlageinwirkung, sondern es erhöht auch die mechanischen Eigenschaften der Kolbenstangen, insbesondere den Widerstand gegen Knickungen bei Stoßbelastungen. Der erhöhte Knickwiderstand ergibt sich dadurch, dass die Kolbenstange zu einem Verbundmaterial wird mit einem Mantel aus gehärtetem Gefüge, der einen stabilen Kern aus Ferrit- Perlt- Gefüge umschließt. Als Konsequenz ergibt sich hieraus im Vergleich zu nicht gehärteten Kolbenstangen aus dem gleichen Stahl, dass bei induktionsgehärteten Stangen der Durchmesser verringert werden kann mit dem Vorteil der Gewichtsreduzierungen und damit niedrigerer Kosten. Liste der verwendeten Symbole D: Kolbenstangendurchmesser oder Rohr- Außendurchmesser (mm) L: freie Kolbenstangenlänge (mm) λ: Schlankheitsgrad F b: Knickbelastung (kn) α, Ф: Parameter dimensionsloser Kennzahlen E: Elastizitätsmodul (N/mm ) σ s : Druckbeanspruchungsgrenze (N/mm ) σ k : Knickbeanspruchung (N/mm ) σ ke : Euler Knickbeanspruchung (N/mm ) d: Rohr-Innendurchmesser (mm) Vorteile der Induktionshärtung Induktionshärten von in Hydraulikzylinder eingesetzten hartverchromten Kolbenstangen wird zur Steigerung des Widerstands gegen Beschädigungen durch äußere Schläge bei solchen Anwendungsfällen durchgeführt, die einem erhöhten Risiko für derartige Schäden ausgesetzt sind. Beispiele hiefür sind Kolbenstangen in Hydraulikzylindern für Bagger und Leistungsladern sowie Steuerungszylinder für die Kraftübertragung. Ein weiterer Vorteil des Induktionshärtens ist ein gesteigerter Widerstand gegenüber unbeabsichtigten Verletzungen bei der Zylinderproduktion, Handling und Wartung. Induktionshärten ändert natürlich auch die mechanischen Eigenschaften des für die Kolbenstangen eingesetzten Stahles, ein Fakt, der von den mit Entwurf und Dimensionierung von Hydraulikzylindern beschäftigten Ingenieuren normalerweise nicht erkannt wird. Eine einfache Demonstration solcher Eigenschaftsänderungen ist in Bild 1 dargestellt, in welchem die im Zugversuch ermittelten Spannungs-Dehnungs-Kurven von komplett hartverchromten Kolbenstangen im gehärteten und nicht gehärteten Zustand miteinander verglichen werden ( Stahlbasis 8 X, entsprechend MnV6). Die induktionsgehärtete Kolbenstange erreicht eine höhere Streckgrenze, eine höhere Verfestigungsrate, eine erhebliche Erhöhung der Zugfestigkeit bei einer etwas reduzierten Dehnung. Diese nachweisbaren positiven Effekte können als einfache Gesetzmäßigkeiten bei Paarungen angenommen werden, die auf unterschiedliche Eigenschaften von Stahl im Rand- und Kerngebiet basieren.

2 Erhöhter Widerstand gegen Knickungen durch IH Seite (7) Spannung, X, nicht behandelt 8 X, induktionsgehärtet Dehnung, % Bild 1: Spannungs-Dehnungs-Kurven für komplett hartverchromte Kolbenstangen in gehärteter und nicht gehärteter Ausführung ( Stahlsorte 8X, Durchmesser: 3 mm ). Ein weiteres treffendes Beispiel über den Einfluss der Induktionshärtung auf die mechanischen Eigenschaften von Kolbenstangen liefert der Biegeversuch. Bild zeigt den Vergleich der im 3-Punkt-Biegeversuch ermittelten Spannungs-Dehnungs-Kurven von komplett hartverchromten Kolbenstangen im gehärteten und nicht gehärteten Zustand bei jeweils zwei verschiedenen Durchmessern von 3 und 6 mm ( ebenfalls Basisstahlsorte 8X ). Max. Spannung, N/mm^ mm rd., induktionsgehärtet 3 mm rd., induktionsgehärtet 6 mm rd., nicht gehärtet 3 mm rd., nicht gehärtet 5,% 5,% 1,% 15,%,% Max. Dehnung in äuβerer Faser Bild : Vergleich der Spannungs-Dehnungs-Kurven im 3-Punkt-Biege-versuch von gehärtetem und nicht gehärteten hartverchromtem Kolbenstangenmaterial ( Basisstahl 8X ).

3 Erhöhter Widerstand gegen Knickungen durch IH Seite 3 (7) Beim Biegen ist erfahrungsgemäß die stärkste Spannung in der äußeren Fase. Es ist daher logisch, dass der Verformungswiderstand durch das Vorhandensein einer induktionsgehärteten Randzone konsequenter Weise spürbar höher ist. Weiterhin ist der Biegewiderstand für den Stab mit 3 mm größer als der für 6 mm Durchmesser. Dieses resultiert daraus, dass bei der kleinern Abmessung die gehärtete Zone einen verhältnismäßigen größeren Anteil des Querschnittes erfasst als bei der größeren Abmessung. Festzuhalten ist außerdem, dass bei nicht gehärteten Stäbe in Standardausfüh-rung die Belastungskurve beim Biegen tatsächlich unabhängig vom Durchmesser ist. Bild 3 zeigt den Härteverlauf in der induktionsgehärteten Zone. Härte (HRC) mm rd. 3 mm rd. 5,,5 1, 1,5,,5 3, Abstand von der Oberfläche (mm) Bild 3: Härteverlauf von induktionsgehärteten, hartverchromten Kolbenstangen, ermittelt aus dem Daten des 3-Punkt-Biegeversuchs in Bild ( Basisstahl 8X ). Induktionshärten verbessert den Knickwiderstand Da Knickung im wesentlichen ein unter axialen Druckspannungen entstehendes Phänomen ist, ist es interessant zu untersuchen, ob der beschriebene Einfluss der Induktionshärtung auf die Biegefestigkeit, wie in Bild demonstriert, sich auch in einer gleichen Verbesserung des Knickwiderstandes reflektiert. In der klassischen Ableitung nach Euler ist die für Knickung infrage kommende Belastung nur von einer einzigen mechanischen Eigenschaft bestimmt, dem E-Modul; d.h., die Euler- Knickbeanspruchung ist nicht von typischen mechanischen Eigenschaften, wie plastische Verformung, oder aber Streckgrenze bzw. Bruchfestigkeit abhängig. Sehr genau bekannt ist jedoch, dass für geringe Schlankheitsgrade die Euler-Gleichung nicht länger gültig ist und dass hier der Knickwiderstand eine Abhängigkeit von Streckgrenze und Zugfestigkeit zeigt. Wir haben den Knickwiderstand von hartverchromten Kolbenstangen ( Basisstahl 8X ) mit verschiedenen Durchmessern und Längen im gehärteten und nicht gehärteten Zustand miteinander vergleichen. Die Versuche wurden durchgeführt auf einer steuerbaren hydraulischen Presse, die diesem Zweck angepasst wurde. Die Testergebnisse wurden aufgezeichnet in Form einer Kraft- Zeit-Kurve. Zwei solcher Kurven für gehärtete und nicht gehärtete Kolbenstangen mit einem Durchmesser ( D ) von 44,45 mm und einer Länge ( L ) von 65 mm ( Schlankheitsgrad λ = 4.L/D = 58.5 ) sind in Bild 4 abgebildet.

4 Erhöhter Widerstand gegen Knickungen durch IH Seite 4 (7) Knickung Diagramm für Cromax 8X, Stangendurchmesser 44,45 mm, Länge 65 mm Belastung in kn Fb=849 kn Fb=696 kn Induktionsgehärtet Standard Sekunden Bild 4: Vergleich der im Knicktest ermittelten Kraft-Zeit-Kurven von hartverchromten nicht gehärteten und induktionsgehärteten Kolbenstangen Knickung führt zu einem Maximum in der Kraft-Zeit-Kurve, und es zeigt sich ganz klar, dass die Knickbelastung für die gehärtete Kolbenstange um % höher liegt als die der Standardstange. Es scheint, dass das Induktionshärten tatsächlich einen positiven Effekt in Bezug auf den Knickwiderstand haben würde. Bei der Erprobung gehärteter und nicht gehärteter Kolbenstangen mit verschiedenen Durchmessern und Längen, hat sich die Knickbelastung in einem Bereich der Schlankheitsgrade von 5 bis 15 etabliert. Die erprobten Stabdurchmesser waren 3 und 44,45 mm, weil unglücklicherweise Begrenzungen in der Prüfvorrichtung die Erprobung größerer Durchmesser ausschloss. Die Versuchsergebnisse aller Erprobungen sind in Bild 5 als Knickungs- Diagramm, d.h. Knickbeanspruchung gegen Schlankheitsgrad (λ) aufgeführt. Es ist offenkundig, dass die Knickbeanspruchung als eine Folge der Induktionshärtung über den gesamten untersuchten Bereich der Schlankheitsgrade ansteigt. Es sind einige, möglicherweise aus der behelfsmäßigen Versuchsanordnung abzuleitende Streuungen der Messwerte festzustellen, aber der Effekt des Härtens ist eindeutig. Die durch die Induktionshär-tung hervorgerufene Verbesserung ist etwa % bei λ = 5, 3% bei λ = 1 und 6% bei λ = 15. Mit anderen Worten ausgedrückt, hat es den Anschein, dass Induktionshärten den Knickwiderstand bei hohen Schlankheitsgraden erhöht. selbst im elastischen Bereich, wo die Euler Knickbeanspruchung normalerweise als genau anzusehen ist. Tatsächlich ist der Einfluss des Härtens von verhältnismäßig größerer Bedeutung im Hoch λ- Elastikbereich.

5 Erhöhter Widerstand gegen Knickungen durch IH Seite 5 (7) Knickbeanspruchung (N/mm^) 8 6 Kalkuliert 8X Euler Gemessen 8X 4 Gemessen 8X Induktionsgehärtet Kalkuliert 8X Induktionsgehärtet Lamda=4L/D (Schlankheitsgrad) Bild 5: Knick-Diagramm mit Messwerten von nicht gehärteten und induktionsgehärteten, hartverchromten Kolbenstangen ( Basisstahl 8 X ) sowie kalkulierten Kurven, wie im Text beschrieben. Kann der Einfluss der Induktionshärtung auf den Knickwiderstand erklärt werden? Die in Bild 5 zusammengefassten Beobachtungen können vereinfacht dargestellt werden, wenn der induktionsgehärtete Stab als ein Verbundwerkstoff in Form eines Rohres gedacht wird mit einer gehärteten Randzone und einem soliden Kern aus Basismaterial. Betrachtet man zuerst einen soliden, homogenen Stab, ist das Verhältnis zwischen Knickbeanspruchung und Schlankheitsgrad für die Knickung von Säulen in einer Anzahl von Baustandards aufgeführt, wie nachfolgend dargestellt. Diese Verhältnis kann auch auf unter stoßender Belastung arbeitende Kolbenstangen übertragen werden. Wir definieren ein dimensionsloses Parameter α als: 1 σ s α = λ, indem E der E-Modul, σ s die Druckbeansruchungsgrenze und λ = 4.L/D für π E einen festen Zylinder ist. Die Knickbeanspruchung, σ k, ergibt sich dann aus: ( α.) + α σ k = σ s ( φ φ ), indem der Faktor Ф definiert ist durch: φ =. α α

6 Erhöhter Widerstand gegen Knickungen durch IH Seite 6 (7) Für große λ ( lange Stäbe mit kleinen Durchmessern ), ist σ k,, wie oben kalkulier, auch sehr nah, aber immer etwas geringer als die Euler Knickbeanspruchung, σ ke ; für eine Kolbenstange mit Endbefestigungen, welche frei ist, über eine Achse orthogonale zu der der Kolbenstange zu rotieren (Euler Fall II ), ist z.b. σ ke = π E λ, welches klar ist 1 α = σ ke. σ s Bei λ, ergibt der obige Ausdruck σ k > σ s, und da dieses nicht ausführbar ist, wird σ k gleich der Druckbeanspruchungsgrenze gesetzt. Die mit Hilfe der obigen Gleichungen für den Stahl 8X (σ s = 59 N/mm, E = 1 N/mm ) kalkulierte Kurve ist in Bild 5 dargestellt. Die Übereinstimmung mit den gemessenen Werten für den nicht gehärteten Stab ist annehmbar. Um die Beobachtungen an induktionsgehärteten Stäben ( siehe Bild 5 ) zu verstehen, ist anzunehmen, dass die Knickbeanspruchung für ein Rohr mit einer Wandstärke entsprechend der Dicke der induktionsgehärteten Randzone die Gleiche ist. Der Schlankheitsgrad für eine rohrförmige Kolbenstange mit einem Außendurchmesser (AD ) = D und Innendurchmesser ( ID ) = d ist: D d λ rohr = 4L. 4 4 D d Wenn die Randzonendicke 1,5 mm ist ( siehe Bild 3 ), dann ist d = D - 3 und der Schlankheitsparameter für das Rohr des induktionsgehärteten Stahls kann berechnet werden. Der korrospondierende Wert von σ k kann dann aus dem obigen Verhältnis gegen das wahre λ für einen soliden Stab eingefügt werden. Die auf diesem Weg erhaltene Kurve ist in Bild 5 eingefügt und es ist zu sehen, dass sie ziemlich konform dem beobachteten Knickverhalten für den induktionsgehärteten Stab verläuft und den Streit widerlegt, dass sich, in Bezug auf Knickung, der induktionsgehärtete Stab wie ein Rohr mit einem Kern aus weicherem Material verhält. Praktische Konsequenzen in Bezug auf die Dimensionierung von Kolbenstangen Die vorliegende Studie hat klar demonstriert, dass Induktionshärten von Kolbenstangen nicht nur den Widerstand gegen äußerliche Verletzungen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften der Stangen erhöht. Insbesondere wird der Widerstand gegen Knickung merklich erhöht. Die selbstverständliche Folgerung ist, dass eine induktionsgehärtete Kolbenstange kleiner dimensioniert werden kann, besonders im Vergleich zu standardmäßigen, nicht gehärteten Stangen, solange noch ein akzeptabler Sicherheitsfaktor hinsichtlich Knickschäden aufrecht erhalten wird. Dieses wird in den nachfolgenden Bespielen erläutert.

7 Erhöhter Widerstand gegen Knickungen durch IH Seite 7 (7) Beispiel 1 : Zylinder mit 1 mm Bohrung und maximalem Arbeitsdruck von 6 bar * Eine nicht gehärtete Kolbenstange, 5 mm Durchmesser und 1 mm Länge ( λ = 8 ) in der Stahlqualität 8 X ( Sreckgrenze min. 5 N/mm ), hat eine kalkulierte Knickbeanspruchung von 6 N/mm. Die maximale Belastung in der Stange ist 14 N/mm, und der Sicherheitsfaktor gegen Knickschäden ist.5. * Für eine induktionsgehärtete Kolbenstange, 45 mm Durchmesser und 1 mm Länge ( λ = 88.9 ) in der gleichen Stahlqualität beträgt die nach dem obigen Model errechnete Knickbeanspruchung 353 N/mm ; die max. Belastung in der Kolbenstange ist nun 18 N/mm und der Sicherheitsfaktor.76. Mit anderen Worten gesagt, ergibt die induktionsgehärtete Kolbenstange mit kleinerem Durchmesser jetzt eine größere Sicherheitsspanne gegen Knickung. Beispiel : Zylinder mit 8 mm Bohrung und maximalem Arbeitsdruck von 14 bar * Für eine nicht gehärtete Kolbenstange, Durchmesser 4 mm und Länge 15 mm ( λ = 15 ) beträgt die errechnete Knickbeanspruchung 85 N/mm, und da die Maximalbelastung 56 N/mm ist, beträgt der Sicherheitsfaktor 1,5. *Eine induktionsgehärtete Kolbenstange, Durchmesser 35 mm und 15 mm Länge ( λ = 171,4 ), hat eine Knickbeanspruchung von 117 N/mm und die Maximalbelastung in der Kolbenstange ist dann 73 N/mm, was einen Sicherheitsfaktor von 1,6 ergibt. Die bei der Umstellung auf induktionsgehärtete Kolbenstangen gewonnene Gewichtsersparnis ist bei den obigen Beispielen 19 und 3 %. Dazu kommt noch, dass die zusätzlichen Kosten der Induktionshärtung normalerweise durch das geringere Gewicht der Kolbenstange mehr als kompensiert werden. Ein weiterer sich aus der geringere Dimensionierung induktionsgehärteter Kolbenstangen ergebender Vorteil, ist eine durch den erweiterte Ringbereich bewirkte höhere Zugkraft.