Leichtbau in der Praxis schwerer Schmiedeteile

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1 Leichtbau in der Praxis schwerer Schmiedeteile Dr.-Ing. Udo Zitz, Leiter Engineering B.Sc. Marius Laufkötter, Werkstoffentwicklung Dr.-Ing. Marco Laufer, Techn. Ltg. Umformtechnik Dipl. Ing. Jürgen Steinhof, Leiter Konstruktion Hammerwerk Fridingen GmbH Dr.-Werner-Esser-Str. 1, Fridingen/Donau

2 Das Hammerwerk Fridingen Geometrische Leichtbau-Entwicklung Herausforderungen beim Einsatz neuer hochfester Stähle 2

3 Produktionsstätten 3

4 Schmiedeprogramm Verarbeitung von Stählen in allen schmiedbaren Güten Alle gängigen Wärmebehandlungen Umfangreiche mechanische Bearbeitung Losgröße: Stück Gewichtsspektrum: 0,5 80 kg Rotationssymm. Teile: Ø 50 mm Ø 425 mm Langteile: bis 800 mm Produktionskapazität Tonnen / Jahr 4

5 Die Kunst des Leichtbaus besteht in einer harmonischen Nutzung geeigneter Geometrie-, Werkstoff- und Prozesseigenschaften zur präzisen Erfüllung der Bauteilanforderungen. Mech. Eigenschaften. Technologische Eigenschaften. Dichte / Härte / Festigkeit. Gieß-/ Umform- /Zerspan-/ Schweißbarkeit. Elastizität (Steifigkeit). Beständigkeit gegen Schwingungsbeanspr.. Plastizität (Duktilität). Energieaufnahme bei Deformation. Reinheit / Risszähigkeit Erzeugungs-und Verarbeitungskosten Ökologische Eigenschaften Rohstoffverbr. im Lifecycle. Energieverbr. im Lifecycle. Thermische & Chem. Eigenschaften Wärmeausdehnung & Wärmeleitung. Korrosionsbeständigkeit. Warmfestigkeit / Kaltzähigkeit. 5

6 Konstruktiver Leichtbau (Geometrieanpassung) Material dort möglichst entfernen, wo es nicht zur Erfüllung der Bauteilanforderung beiträgt Nebenelemente integrieren, die bisher z.b. angefügt werden oder zusätzliche Funktionen integrieren Bedingung: Die Funktion und die Anforderungen an das Bauteil müssen genau spezifiziert sein! Ziel: Leichtbau im Kostenrahmen halten! 6

7 Hochfeste Werkstoffe für den Leichtbau In gemeinschaftlichen Forschungsprojekten der letzten Jahre wurden hochfeste Stahlwerkstoffe entwickelt Allen Werkstoffen gemeinsam ist, dass sie ihre Vorteile dann ausspielen können, wenn eine kontrollierte Abkühlung aus der Schmiedehitze, teilweise mit Haltezyklen, erfolgt. Bei einigen ist anschließend nur noch ein Anlassen bei niedrigen Temperaturen hilfreich. Kostenvorteile ergeben sich durch die eingesparte Wärmebehandlung. Ziel der Forschungsprojekte waren mechanische Eigenschaften oberhalb der AFP-Stähle im Bereich der Vergütungsstähle und bessere dynamische Bauteil-Eigenschaften. Quelle: IGF 260 ZN HDB-Schmiedestahl Abschußbericht 7

8 Umsetzung am schweren Schmiedeteil Im Projekt IGF 374 ZN wurde unter anderen Bauteilen ein Achsschenkel aus TRIP-Schmiedestahl (ca. 35kg) gefertigt und mit dem Werkstoff 42CrMo4 verglichen. Trotz vielversprechender Laborwerte bezüglich mechanischer und dynamischer Werkstoffeigenschaften konnten die Eigenschaften im kritischen Bauteilbereich des Achsschenkels nicht eingestellt werden. Streckgrenze, Kerbschlagarbeit sowie dynamisches Versagen lagen bei diesem Bauteil unter den Zielwerten. Die Ursache liegt an der lokalen Abkühlkurve, welche nicht entlang der geforderten eigenschaftsspezifischen Abkühlung verläuft. -> Gefüge nicht im unteren Bainitbereich Temperaturmeßpunkte R P0,2 [MPa] R m [MPa] A 5 [%] A V [J] 42CrMo ,9 51 Projektziel >10 >27 Achsschenkel ,3 11 Pobenlage Quelle: IGF 374 ZN TRIP-Schmiedestahl Abschlußbericht 8

9 Herausforderung: Kontrollierte Abkühlung! Ziel der weiteren Untersuchungen war eine möglichst homogene Abkühlung in allen Bauteilbereichen. Abkühlung bis 375 durch Ventilator, dann ruhende Luft Abkühlung bis 375 durch Ventilator, Isolation des Zapfens, dann ruhende Luft nach 2. Abfall Beschleunigte Abkühlung des Fußes bis 375, Isolation des Zapfens, dann ruhende Luft nach 2. Abfall Erst eine zusätzlich beschleunigte Abkühlung des Fußes homogenisierte die beiden Kurven. 9

10 Optimierte kontrollierte Abkühlung Durch die optimierte kontrollierte Abkühlung konnten insbesondere die dynamischen Eigenschaften im kritischen Bauteilbereich verbessert und auf das Niveau des vergüteten 42CrMo4 angehoben werden. Der herkömmliche Referenz-Stahl 42CrMo4 besitzt zwar bessere statische Eigenschaften als der entwickelte TRIP- Stahl, die dynamischen Eigenschaften sind jedoch bei diesem deutlich vorteilhafter. Mit dem entwickelten Werkstoff bleiben bei reduzierten Kosten der separaten Wärmebehandlung höhere Betriebslasten schadensfrei. Spannungsamplitude σ a [MPa] CrMo4 zyklisch zügig TRIP1 zyklisch zügig 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Dehnungsamplitude ε a,t [%] Quelle: IGF 374 ZN TRIP-Schmiedestahl Abschlußbericht 10

11 Spezifikation der Anforderungen Traditionell wird für ein Schmiedeteil gefordert, dass es über das gesamte Volumen die identischen Eigenschaften besitzt. Die Untersuchungen zeigen, dass dies möglich ist, jedoch nur mit hohem produktionstechnischem Aufwand. Im Hinblick auf die neuen Stähle ist es sehr sinnvoll, die hochfesten Eigenschaften an den kritischen Bauteilstellenzu definieren und die unkritischenmit geringeren oder auch anderen Forderungen zu belasten. Im Idealfall können auch lokal unterschiedliche Eigenschaften vorteilhaft sein. Hier sind unsere Kunden gefordert, mit uns die Spezifikation zu erstellen. Die Schmieden sind gefordert, den Abkühlprozess möglichst Bauteilflexibel zu gestalten. Aktuelle Forschungsprojekte unterstützen uns intensiv dabei. Die Vorteile der neu entwickelten Stähle können so für Schmiedeteile ideal eingesetzt werden 11

12 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Hammerwerk - wir packen das an 12