Hochfeste, geschweißt-gezogene Präzisionsrohre

Technik

Leichtbauaspekte stehen mehr und mehr im Fokus auch bei der Herstellung von Halbzeugen für die Automobilindustrie. Darüber hinaus steigt die Belastung durch höhere Dynamik der Fahrzeuge und Motordrehmomente.

06. April 2011

Zur Reduzierung des Gewichts oder zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Komponenten müssen die mechanischen und dynamischen Eigenschaften der Rohre den Anforderungen ständig angepasst werden. Die Festigkeit der eingesetzten Werkstoffe muss also stets unter Berücksichtigung der dynamischen Wechselfestigkeit erhöht werden. Zu diesem Zweck hat die Salzgitter Mannesmann Präzisrohr GmbH mit CTG 850 und KSG 900 zwei neue Stahlwerkstoffe für Rohre mit geringen Wanddicken entwickelt, die den gesteigerten Anforderungen des Marktes gerecht werden.

Ziel der Entwicklung war im Wesentlichen, mit CTG 850 einen preiswerten und hochfesten Werkstoff anzubieten, dessen statische Festigkeit entsprechend dem gesteigerten Anforderungsfall höher liegt, als dies bei bisher eingesetzten Werkstoffen der Fall ist. Für KSG 900 lag der Entwicklungsschwerpunkt darin, bei erhöhter mechanischer Festigkeit eine sehr hohe Torsionswechsellastfestigkeit zu erreichen. Beide Ziele wurden erreicht.

Werkstofftechnische Eigenschaften geschweißter Rohre

Geschweißte Rohre werden häufig dann eingesetzt, wenn niedrig legierte Stahlgüten mit relativ geringen Wanddicken und einer hohen Oberflächenqualität verwendet werden sollen. Hier besitzen diese Rohre einen technischen Vorteil und sind daher häufig die wirtschaftlichste Lösung. Darüber hinaus haben geschweißte Rohre meist eine geringere Exzentrizität als nahtlose Rohre.

Geschweißte Stahlrohre haben jedoch gegenüber nahtlosen einen Nachteil: Für eine wirtschaftliche Fertigung müssen sie mit Hochleistungsschweißverfahren, wie dem induktiven HF-Schweißen, herstellbar sein. Dies schränkt das Legierungskonzept für geschweißte Rohre erheblich ein. Festigkeitssteigernde Elemente wie Kohlenstoff oder Chrom können nur in engen Grenzen verwendet werden und beschränken somit die erreichbaren Festigkeiten. So mussten andere Wege gefunden werden, um der Automobilindustrie höchstfeste geschweißte Präzisrohre anbieten zu können.

Ein Weg, dies zu erreichen, ist thermomechanisch gewalztes Band (TM-Material). Bei diesem Material werden die mechanischen Eigenschaften der Rohre bereits durch das Band eingestellt und nur noch unwesentlich durch den Rohrherstellungsprozess verändert. Dadurch sind die erreichbaren Festigkeiten der Werkstoffe durch die Festigkeitseigenschaften des Bandmaterials begrenzt. Eine Wärmebehandlung oder ein Kaltumformprozess wie das Kaltziehen würde in diesen Rohren das beim Walzen eingestellte Gefüge und damit die günstigen mechanischen Eigenschaften zerstören. Demnach werden Rohre aus thermomechanisch gewalztem Band nur für maßgewalzte Rohre nach DIN EN 10305-3 eingesetzt mit den entsprechenden Einschränkungen hinsichtlich geometrischer Toleranzen und der nicht homogen integrierten Schweißnaht in das Grundmaterial.

Durch eine geschickte Wahl des Werkstoffkonzeptes und einem speziell ausgelegten Herstellungsprozess hinsichtlich des Kaltziehens und der Wärmebehandlungen können hochfeste geschweißt-gezogene Rohre auch auf andere, technologisch hochentwickelte Weise hergestellt werden. Diese bieten neben den hohen mechanischen und dynamischen Eigenschaften auch die Vorteile der gezogenen Rohre nach DIN EN 10305-2 mit sehr engen geometrischen Toleranzen und der großen Homogenität im Schweißnahtbereich. Dies ist insbesondere für die Laufruhe von Antriebskomponenten sehr interessant, und darüber hinaus erleichtert es die Weiterverarbeitung sowohl bei der spanenden Bearbeitung als auch bei Umformprozessen.

Entwicklung neuer Werkstoffe

Die Werkstoffentwicklung der Salzgitter Mannesmann Präzisrohr GmbH hat stets einen bestimmten Anwendungsfall für den Einsatz neuer Werkstoffe im Fokus. Die genaue Zielrichtung der Entwicklung ergibt sich dann aus dem konkreten Anforderungsprofil. So ist der CTG 850 im Speziellen für die Herstellung von Stoßdämpferbehälterrohren und der KSG 900 für die Kardanrohrherstellung ausgelegt worden.

Übergeordnetes Ziel der Entwicklung des CTG 850 (Container Tube Grade) war es, ein Legierungskonzept zu entwickeln und zu qualifizieren, bei dem die daraus hergestellten Rohre sowohl kostenmäßig im Bereich des E355 als auch in den mechanischen Eigenschaften oberhalb der thermomechanisch gewalzten Bandgüten liegen und darüber hinaus enge geometrische Toleranzen und eine moderate Restumformbarkeit besitzen.

Stoßdämpferbehälterrohre benötigen eine hohe statische Festigkeit, die durch die beiden mechanischen Eigenschaften Streckgrenze und Zugfestigkeit bestimmt wird. TM-Bandgüten erreichen eine Streckgrenze von mindestens 680 MPa und eine Zugfestigkeit von mindestens 750 MPa. Der CTG 850 liegt bei beiden Werten jeweils zirka 80 MPa oberhalb dieser Werte. Eine leicht verringerte Bruchdehnung gegenüber dem S700MC ist aufgrund des überwiegend statischen Belastungsprofils eher unerheblich.

Das Anforderungsprofil für die Zielanwendung des KSG 900 (Kardan-Sonder-Güte) ist deutlich weiter gefächert. Neben einer hohen statischen Festigkeit ist hier aufgrund des Anforderungsprofils einer Kardanwelle eine hohe dynamische Wechsellastfestigkeit notwendig. Hier können hohe mechanische Festigkeiten sogar kontraproduktiv wirken, da hochfeste Werkstoffe deutlich höhere Kerbempfindlichkeiten besitzen als Werkstoffe geringerer Festigkeit. Entsprechend muss mit einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit auch die Dehnung des Werkstoffs heraufgesetzt werden.

Durch eine geschickte Folge von Zieh- und Wärmebehandlungsprozessen konnte gegenüber dem seit Jahren erfolgreich im Markt etablierten KSG 800 sowohl eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit um ungefähr 100 MPa als auch eine Erhöhung der Bruchdehnung von etwa 67 Prozent erzielt werden.

Eigenschaften der neuen Werkstoffe

Neben der Prüfung der statischen mechanischen Eigenschaften durch den Zugversuch wurden beide Werkstoffe auch umfangreichen Torsionswechsellasttests unterzogen. Für den KSG 900 ist dies aufgrund des Anforderungsprofils als Rohrwelle für Kardanwellen unbedingt notwendig. Zur Überprüfung der dynamischen Eigenschaften des CTG 850 sind diese Tests auch bei diesem Werkstoff durchgeführt worden. Als Referenz wird der etablierte KSG 800 herangezogen. In einem doppelt logarithmisch aufgetragenen Diagramm verläuft die Linie der Tests des KSG 800 bei fallenden Lastmomenten hin zu höheren Lebensdauerwerten.

Messwerte, die rechts oder oberhalb dieser Kurve verlaufen, zeigen bessere Eigenschaften; Werte, die links oder unterhalb dieser Linie verlaufen, eine geringere Wechsellastfestigkeit. Zu erkennen ist, dass der KSG 800 bereits gegenüber dem E355 ein erheblich höheres Wechsellastniveau erreicht. Aus diesem Grund hat sich dieser Werkstoff bereits seit Jahren als geeigneter Werkstoff insbesondere für dünnwandige Kardanwellen etabliert.

Der CTG 850 zeigt gegenüber dem KSG 800 bereits eine Verbesserung der Torsionswechselfestigkeit. Der B50-Mittelwert liegt bei konstanter Torsionslast um etwa den Faktor 2 oberhalb des Wertes des KSG 800. Dies ist auch bei logarithmischer Betrachtung eine signifikante Verbesserung der Wechselfestigkeit gegenüber dem Standardprodukt. Neben der erhöhten Festigkeit gegenüber dem KSG 800 macht sich hier auch die leicht höhere Bruchdehnung positiv bemerkbar.

Noch besser kann der KSG 900 seine günstigen Eigenschaften im Torsionswechsellasttest hervorheben. Hier erreichen die Rohre durch die erhöhte mechanische Festigkeit in Kombination mit der erhöhten Bruchdehnung Messwerte, die noch oberhalb des bereits sehr guten CTG 850 liegen. Dabei wirkt sich günstig aus, dass aufgrund der Herstellungsprozesskette dieser Werkstoff im Vergleich zum CTG 850 in seinen Eigenschaften genau auf die dynamische Festigkeit hin optimiert wurde, während beim CTG 850 die statische Festigkeit im Vordergrund stand. Beide Werkstoffe stellen jedoch für ihren spezifischen Anwendungsfall derzeit hervorragende Lösungen dar.

Zusammenfassung

Die Nachfrage nach höherfesten Stählen für Rohrprodukte nimmt unter ökologischen und technologischen Gesichtspunkten permanent zu. Mit den Werkstoffen CTG 850 und KSG 900 bietet die Salzgitter Mannesmann Präzisrohr GmbH neue Möglichkeiten, durch den Einsatz hochfester geschweißt-gezogener Rohre Leichtbaupotenziale zu heben oder die gestiegenen Anforderungen an die Fahrzeugkomponenten ohne Gewichts-zunahme zu realisieren. Sowohl in der statischen als auch in der dynamischen Belastung zeigenbeide Werkstoffe ein erheblich besseres Niveau als dies im Markt etablierte Werkstoffe aufweisen.

Bei der Auslegung der Werkstoffkonzepte wurde darüber hinaus auf aufwendige Herstellprozesse und teure Legierungselemente verzichtet.

Dr.-Ing. Michael Hagedorn

Dipl.-Ing. Stefan Czeczor

Dipl.-Ing. Uwe Lechtenfeld

Erschienen in Ausgabe: 02/2011