Ultrahoch- und Verschleissfest

Fokus/Werkstoffe

Der Bedarf an Stahlsorten mit höherer Festigkeit und guter Umformbarkeit ist in den letzten Jahren in vielen Anwendungsbereichen, wie dem Fahrzeugbau und in der Maschinen- und Kranindustrie, deutlich gestiegen.

04. Oktober 2011

Das Hauptziel ist eine Gewichtsreduzierung bei Fahrzeugen, Kranauslegern und anderen Transportmitteln. Folglich kann der Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen reduziert und gleichzeitig der Sicherheitsstandard beibehalten oder sogar verbessert werden. Die Traglast von Kränen und die Transportkapazität von Nutzfahrzeugen werden erhöht. Daher haben neben kaltgewalzten, hochfesten auch warmgewalzte Stahlsorten für die Direktverarbeitung mit hoher und ultrahoher Festigkeit einen immer höheren Mehrwert für Produkte geschaffen.

Das finnische Unternehmen Rautaruukki Oyj (Ruukki), hat sich auf die Entwicklung und Herstellung hoch- und verschleißfester Stahlsorten spezialisiert und ist in diesem Bereich eines der führenden Unternehmen, das den Kunden eine große Auswahl an hochfesten, ultrahochfesten und verschleißfesten Stahlsorten je nach Anforderung anbieten kann.

Um solch eine hohe Festigkeit zu erzielen, ist der Beitrag jedes Verfestigungsmechanismus zu optimieren:

-Mischkristallverfestigung durch interstitielle und substitutionale Elemente (C, Mn, Si)

-Ausscheidungshärtung (Ti, Nb, V)

-Kornfeinung

-Versetzungshärtung

Die Nutzung dieser Verfestigungsmechanismen verlangt zunächst die korrekte Anpassung der chemischen Zusammensetzung. Ferner müssen geeignete Produktionsverfahren gefunden werden, etwa thermomechanisches Walzen, Mehrstufenkühlen und/oder beschleunigtes Kühlen. So werden die für jede Stahlgruppe spezifischen Mikrostrukturen erzielt. Diese Mikrostrukturen sind mit entsprechenden Produktionsverfahren verbunden, mit exakten Temperatur-Zeit-Plänen. Jedoch spielt nicht nur der Kühlbereich eines Warmbandwalzwerks eine wichtige Rolle in der Produktion warmgewalzter hochfester Stahlsorten.

Thermomechanisches Walzen

Bei thermomechanisch gewalzten Stahlsorten handelt es sich um kohlenstoffarme Stahlsorten mit Mikrolegierung aus Titan, Niob und Vanadium. Sie werden auch HSLA-Stahl (High Strength Low Alloy) genannt. Im Vergleich zu Baustahlsorten, deren Festigkeit durch Mischkristallverfestigungselemente wie Mangan oder Silizium und unterschiedlichem Perlitanteil (je nach C-Gehalt) erzielt wird, gewinnen Stahlsorten mit Mikrolegierung einen beträchtlichen Anteil ihrer Festigkeit durch Ausscheidungshärtung mit Titan-Niob-Karbonitriden (Ti,Nb)(C,N) und Vanadiumkarbid (VC) sowie durch die thermomechanisch erzielte Kornfeinung.

Demnach findet beim Warmwalzen eine durch die Umformung induzierte Ausscheidung von (Ti,Nb)(C,N) statt. Diese feinen Ausscheidungen und die Mikrolegierungselemente in der Lösung verzögern die Rekristallisierung des verformten Austenits, der sich nach der letzten Bearbeitung im Fertigwalzwerk in einen feinkörnigen Ferrit mit hoher Versetzungsdichte umwandelt.

Die Festigkeit von HSLA-Stahlsorten kann sowohl durch eine höhere Menge von Ausscheidungen (etwa höhere Ti-, Nb- und V-Gehalte) als auch durch Einsatz der Mischkristallverfestigung durch Elemente wie Mn oder Si erhöht werden. Für eine ultrahohe Festigkeit muss außerdem die Umwandlungshärtung durchgeführt werden. Folglich ist der Temperatur-Zeit-Plan im Kühlbereich des Warmbandwalzwerks für jede Stahlsorte anzupassen, um die Umwandlung des aufbereiteten Austenits zu steuern.

Verschiedene Mehrstufenkühlmuster mit unterschiedlichen Kühlgeschwindigkeiten, Zwischentemperaturen und Haspeltemperaturen helfen dabei, die gewünschten Härtungs-Mikrostrukturen wie irregulären Ferrit, Bainit oder Martensit zu erzielen.

Die thermomechanisch gewalzten Stahlsorten mit Mikrolegierung sind gemäß der Norm EN10149-2 mit einer Mindeststreckgrenze von 315 bis 700 N/mm² standardisiert.

Rautaruukki vertreibt diese Stahlsorten unter dem Namen ›Optim MC‹.

Ultrahochfest aus dem Warmbandwalzwerk

Ultrahochfeste warmgewalzte Stahlbleche werden gewöhnlich durch Erwärmen, Härten und Anlassen erzeugt. Es gibt jedoch auch Bedarf an ultrahochfestem Stahl mit besserer Oberflächenqualität, besonderem Dickenbereich und engen Dickentoleranzen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, hat Ruukki Produktionsverfahren entwickelt, die in neuen Warmbandprodukten mit Streckgrenzen von 900 und 960 N/mm² resultieren. Sie tragen die Marken Optim 900 QC und Optim 960 QC.

Ziel der Entwicklung war das Erreichen der erforderlichen Streckgrenzen in Verbindung mit guter Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit und Umformbarkeit. Ferner wurde auf die Eignung zum Laserschneiden und Schweißen geachtet.

Durch die Entscheidung für das Warmbandwalzwerk als Produktionsort war es möglich, sehr gute Oberflächenqualität und Dickentoleranzen zu erzielen. Resultat: eine feinkörnige martensitisch-bainitische Mikrostruktur gewährleisten. Das Warmbandwalzwerk produziert Stahl-Coils, die anschließend abgehaspelt, in einem speziellen Richtwerk gerichtet und auf die entsprechende Länge geschnitten werden. Durch das Richtwalzen haben die Bleche sehr geringe innere Spannungen und eine gute Ebenheit. Die guten Eigenschaften von Optim 900 und 960 QC wurden laut Ruukki in einer Vielzahl von Umform-, Schweiß-, Schneide- und Dauerfestigkeitstests bewiesen.

Dicke, verschleißfeste Stahlsorten

Um gehärtete Quartobleche herstellen zu können, hat Ruukki 2007 die bestehenden Schnellkühlstrecke um eine Direkthärteanlage erweitert. Eine zweite Kühleinheit wurde integriert. Zudem wurde vor der Härteeinheit eine Warmrichtmaschine installiert, um die Ebenheit der Bleche vor dem Härten sicherzustellen – Voraussetzung für eine gleichmäßige Härtung und eine gute Ebenheit des Endblechs.

Heutzutage kann man Stahlbleche mit martensitischen Mikrostrukturen produzieren, also harte, abriebbeständige Stahlsorten sowie gehärtete und vergütete Baustahlsorten.

Die Direkthärtung ist ein vielseitiger einsetzbares Verfahren als die konventionelle Härtung und bietet mehr Möglichkeiten zur Steuerung der Mikrostruktur. Die Direkthärtung führt zu höherer Härte für eine bestimmte chemische Zusammensetzung, was für Produkte mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt und besserer Schweißbarkeit genutzt werden kann.

Durch thermomechanisches Walzen können feinere Mikrostrukturen mit besserer Zähigkeit erreicht werden. Ferner kann die Oberflächenqualität durch Einsatz eines Zunderwäschers während des Walzens verbessert werden. Die Verbindung von Walzen und Härten in einem Verfahren bietet auch logistische Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Wiedererwärmen und Härten, da die Lieferzeiten verkürzt werden.

Ruukki kann jetzt eine große Vielfalt an verschleißfesten Stahlsorten anbieten, angefangen mit dem dünnsten Blech mit 2 mm bis zu 60 mm dicken Blechen. Dicke verschleißfeste Bleche werden hauptsächlich in Schwerlastanwendungen wie dem Bergbau und dünnere Bleche in Kippern und Betonmischern eingesetzt.

Für dünne verschleißfeste Stahlsorten gibt es zahlreiche Anwendungsgebiete.

Höhere umweltbedingte Anforderungen und Kosteneffizienz haben zu strengeren Spezifikationen bezüglich Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen sowie Hebe-, Umschlag- und Transportausrüstung geführt. Beträchtliche Gewichtsreduzierungen und ein verbessertes Produkt-Design sind also vonnöten. Diese Anforderungen verlangen dünnere Materialien und Stahlsorten mit höherer Festigkeit. Eine weiterer Vorteil ist die Erhöhung der Nutzlasten oder die Verlängerung der Lebensdauer etwa von Muldenkippern oder Containern.

Jeder Anwendungsbereich hat mehr oder weniger typische Lasten und Spannungen, die die Gestaltung der Produkte beeinflussen. Je höher die Eigenspannungen in der Konstruktion, desto größer die Kerbwirkung und die Notwendigkeit einer gleichmäßigen Ausführung. Die Festigkeit des Stahls ist nicht der einzige Faktor, der eine höhere Wettbewerbsfähigkeit sicherstellt. Die Vorteile werden maximiert, wenn durch leistungsfähige Stahlsorten der Produktionsprozess optimiert werden kann, das Design und die Wirtschaftlichkeit der Endprodukte verbessert und Kosteneinsparungen für den Endverwender realisiert werden.

Die Festlegung der zulässigen Spannungen in verschiedenen Konstruktionen und Anwendungsbereichen basiert auf der Erfahrung der Konstrukteure im jeweiligen Unternehmen. Wenn die zulässigen Spannungen in einer Konstruktion bekannt sind, kann man die Festigkeit und die Dicke des Stahls wählen. Statische und ermüdungsbeanspruchte Konstruktionen erfordern unterschiedliche Auslegungen.

Wenn die Konstruktion auf höchste Belastung ausgelegt wird, wird eine gleichmäßigere Ausführung und Geometrie der Konstruktionen nötig. Eine glatte Fügekante macht normalerweise ein 2D-Schneiden anstatt des mechanischen Schneidens erforderlich, etwa wenn das Design Schwierigkeiten in der Fertigung verursacht. Daher müssen die wirklichen Belastungen bekannt sein. In einer ermüdungsbeanspruchten Anwendung ist das Produkt-Design sogar noch wichtiger als die Verarbeitbarkeit in der Werkstatt, um eine längere Lebensdauer des Produktes gewährleisten zu können.

Die verschleißfesten Stahlsorten werden entwickelt und eingesetzt, um eine längere Lebensdauer der Konstruktionen zu gewährleisten. Die Lebensdauer der verschleißfesten Stahlsorten ist von der Umgebung und der Anwendung abhängig. Die Verschleißmechanismen werden seit vielen Jahren erforscht, jedoch ist die Vorhersage der genauen Lebensdauer einer Konstruktion noch immer schwierig, weil oft ganz unterschiedliche Verschleißmechanismen einwirken. Üblicherweise gewährleisten die Härte und Zähigkeit des Stahls die Abriebbeständigkeit.

Die Lebensdauer und die Nutzlast der verschleißfesten Stahlkonstruktion müssen im Vergleich zur Normalstahlkonstruktion verlängert beziehungsweise erhöht werden, um die Vorteile realisieren zu können. Die Verschleißbeständigkeit basiert auf den Entwurfsmethoden und dem Wissen über verschleißarme Konstruktionen. Da der Verschleiß selbst nur schwer zu verstehen ist, ist der bestmögliche Entwurf in vielen Fällen ein Kompromiss zwischen zwei oder drei vorhandenen Verschleißmechanismen. Die typischen mechanischen Eigenschaften des Materials müssen bei der Planung des Umformens und der mechanischen Bearbeitung, berücksichtigt werden.

Anwendungen

In den letzten Jahren wurden moderne ultrahochfeste und verschleißfeste Stahlsorten in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Dazu einige Beispiele von Ruukki-Kunden.

Sirch ist ein führendes deutsches Unternehmen im Bereich Behälterbau mit Niederlassungen in Kaufbeuren (Bayern) und Löbichau (Thüringen). Ein Schwerpunkt sind Abrollcontainer für viele Anwendungsbereiche. Wirtschaftliche Zwänge und der Bedarf an umweltverträglichen und ressourcenschonenden Konstruktionen in der Baubranche und der Abfallwirtschaft sowie bei Container-Herstellern treiben die Suche nach geeigneten Lösungen voran. Für die Konstruktion von Abrollcontainern haben diese Lösungen die Minimierung des Eigengewichts bei gleichzeitiger Maximierung der Nutzlasten, Reduzierung der Betriebskosten (Kraftstoffkosten) und Verlängerung der Lebensdauer zur Folge.

Wie für Anwendungen in der Baubranche und Abfallwirtschaft nachgewiesen, sind zwei besonders wichtige Faktoren das Eigengewicht und die Verschleißfestigkeit. Im Fall der gewichtsoptimierten ›Light Box‹ von Sirch spielt der verschleißfeste Stahl Raex 400 von Ruukki eine bedeutende ›Nebenrolle‹.

Mit einer Masse von nur 1780 kg bietet die neue Light Box ein Volumen von 39 m³. Derweil sind Container mit einer vergleichbaren Größe mit über 3000 kg deutlich schwerer. Neben dem geringen Gewicht bietet der Sirch-Container eine höhere Belastbarkeit sowie eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von etwa 4 l pro 100 km. Diese Einsparungen wurden durch die Spezialstahlsorten für die Light Box und der entsprechend optimierten Ausführung erzielt.

Während die Bodenplatten herkömmlicher Abrollcontainer im Allgemeinen 5 mm dick sind, sind die der Light Box nur 2,5 mm stark, da der verschleißfeste Raex-400-Stahl von Ruukki verwendet wurde. »Der finnische Hersteller war das einzige Unternehmen, das uns hochfesten, verschleißfesten Stahl mit den erforderlichen Abmessungen und der erforderlichen Qualität anbieten konnte«, erklärt Thomas Krol, Geschäftsführer von Sirch Behältertechnik. Raex 400 sei zum Schweißen und für mechanische Verarbeitung ideal geeignet, wodurch eine bessere Ausführungseffizienz und Leistungsfähigkeit ermöglicht werde.

Ein anderes Beispiel: Gicalla hat 30-jährige Erfahrung in der Herstellung von Betonmischern sowie in der Herstellung und Reparatur von Betonanlagen. Vor einigen Jahren aktualisierte Gicalla die Ziele und das Image des Unternehmens, um auf die neuen Anforderungen des Marktes zu reagieren. In dieser Phase musste sich Gicalla vielen Herausforderungen stellen. Es war entscheidend, das Vertrauen nach 30 Jahren zu bewahren, auch wenn das Unternehmen Änderungen vornahm, um sich an neue Marktanforderungen anzupassen: »Weniger ist mehr«.

Der verschleißfeste Raex 300 und der hochfeste Optim-650-MC-Baustahl wurden im GH-1, dem neuen Gicalla-Betonmischer, verwendet. Gicalla hat damit die Stahlsorte Raex 300 als Erster weltweit eingesetzt.

Dank schneller Lieferung konnte Gicalla das neue Fahrzeug auf der Smopyc 2008, wichtigste Messe der Branche in Spanien, vorstellen. GH-1 war ein Erfolg und überstieg die Erwartungen des Kunden bei weitem. Dessen Kunden waren mit dem neuen Betonmischer hochzufrieden – vor allem weil das Gewicht um knapp 1 t gesenkt werden konnte (Reduzierung der Blechdicke von 5 mm auf 3 mm in der Trommel). Das heißt, das leere Fahrzeug wiegt deutlich weniger und die Kapazität der Trommel wurde um etwa 1,5 m³ erhöht.

Im dritten Beispiel geht es um ein brasilianisches Unternehmen mit 36-jähriger Tradition, das als einer der größten und besten Fahrzeugbauer in Lateinamerika gilt. Um die Anforderungen des Marktes zu erfüllen, wollte das Unternehmen ein neues Produkt entwickeln, das sowohl leicht als auch beständig ist. Durch die hochfesten Ruukki-Stahlsorten konnte der Kunde viel Zeit und Material sparen. Ruukki liefert Optim 700MC für die Rahmenkonstruktion und die Verstärkung der Kippanhänger.

Die hochfesten Optim-Stahlsorten sind für Anwendungen geeignet, in denen hohe Festigkeit und Belastbarkeit gewünscht ist. Für die Seitenwände wird der verschleißfeste Raex 300 verwendet. Raex hat trotz seiner hohen Festigkeit und Härte gute Schweißeigenschaften. Er hat zudem gute Oberflächeneigenschaften, die gute End-bearbeitung und hohe Verschleißbeständigkeit ermöglichen. Das Gewicht der Kippanhänger wurde um 25 Prozent reduziert, was deutliche Einsparungen der Kraftstoffkosten, höhere Nutzlasten und eine Reduzierung der CO2-Emissionen bedeutet.

Erschienen in Ausgabe: 05/2011