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Schwermaschinenbau profitiert von Verschleiß- und Sonderbaustählen

23.06.2008
Grobbleche aus gehärteten Verschleiß- und vergüteten Sonderbaustählen sparen Bauteilgewicht im Schwermaschinenbau ein, ohne die Funktionssicherheit zu beeinträchtigen. Das Ergebnis ist eine höhere Wirtschaftlichkeit, die Steigerung der Festigkeit oder Härte lässt weitere Verbesserungen erwarten. Wichtig ist die Verarbeitbarkeit. Thermomechanisch gewalzte und vergütete Stähle haben da Vorteile.

Die Entwicklung von hochfesten Sonderbaustählen mit Streckgrenzen von mehr als 460 MPa hat in Europa bereits Anfang der sechziger Jahre begonnen [1 und 2]. Voraussetzung für die Bereitstellung von Grobblechen aus Sonderbaustählen, die den hohen Anforderungen des Marktes gerecht werden, waren Fortschritte in der Stahlmetallurgie, in der Walz- und Wärmebehandlungstechnik.

So lassen sich heutzutage durch thermomechanisches Walzen Stähle mit einer Mindeststreckgrenze von 500 MPa in großen Dicken herstellen [3 und 4]. In Kombination mit einer Anlassbehandlung im unteren Abmessungsbereich ist sogar die Herstellung noch höherfesterer Güten möglich.

Für höchste Anforderungen hinsichtlich Festigkeit und Zähigkeit haben sich wasservergütete Stähle seit langem in unterschiedlichen Anwendungsbereichen etabliert [5 und 6]. Als höchste Güte mit 1100 MPa Mindeststreckgrenze steht inzwischen die Stahl S1100QL allgemein zur Verfügung.

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Heute wird daran gearbeitet, einen Stahl (S1300QL) mit einer noch höheren Streckgrenze marktreif zu machen. Bei konventionellen Verschleißstählen, die lediglich gehärtet werden, reicht die Nominalhärte der Güten bis etwa 600 HBW. Stähle mit noch höherer Härte sind in der Entwicklung. Zur Herstellung von Feinkornbaustählen werden je nach Anforderungsprofil unterschiedliche Walz- und Wärmebehandlungsverfahren angewandt.

Martensitumwandlung erhöht Streckgrenze des Stahls

Das so genannte normalisierende Walzen oder Normalglühen ermöglicht, Stähle mit ferritisch-perlitischer Gefügestruktur und Streckgrenzen bis 460 MPa herzustellen. Beim thermomechanischen Walzen werden die chemische Zusammensetzung – vor allem die Mikrolegierung – und der Umform-Zeit-Temperatur-Verlauf genau aufeinander abgestimmt.

Dadurch lässt sich ein äußerst feines, gestrecktes ferritisch-perlitisches Gefüge mit günstigen Auswirkungen auf Streckgrenze und Zähigkeit einstellen. Der Gesamtgehalt an Legierungselementen kann auf diese Weise auf einen niedrigen Wert gehalten werden.

Durch eine dem thermomechanischen Walzen nachfolgende Intensivkühlung der Bleche wird eine teilweise Umwandlung in die Bainitstufe erreicht. Somit ergibt sich durch Intensivkühlung die Möglichkeit, die Streckgrenzen weiter zu steigern.

Der Vergütungsprozess zur Herstellung wasservergüteter Baustähle beginnt mit einem durchgreifenden Erwärmen der Grobbleche auf Temperaturen oberhalb Ac3. Nach der Erwärmung erfolgt ein schnelles Abkühlen mit Druckwasser, wodurch eine Gefügeumwandlung zu Martensit oder Bainit erreicht wird.

Zur „Einstellung“ der mechanischen Eigenschaften gehört nicht nur die chemische Zusammensetzung, sondern auch die an das Härten anschließende Anlassbehandlung zu den wichtigsten Steuergrößen. Eine Übersicht über die wichtigsten hochfesten und verschleißfesten Sonderbaustähle, ihre chemische Zusammensetzung sowie deren mechanische Eigenschaften sind in der Tabelle vermerkt. Als Referenzgüte gilt der allgemeine Baustahl S355.

Grobbleche aus hoch- und verschleißfesten Sonderbaustählen machen Stahlkonstruktionen nicht nur leichter und haltbarer, sondern auch wirtschaftlicher. Zum Beispiel wurden erst mit hochfesten Sonderbaustählen Leichtbaukonstruktionen im Mobilkranbau möglich. Heutzutage können Mobilkrane Lasten bis 1200 t tragen. Sie müssen hierzulande dennoch leicht gebaut sein, um auf Straßen fahren zu dürfen.

Daher werden die langen Auslegersysteme durch hochbelastete Zugstangen gespannt. Um die Tragfähigkeit der Krane nicht infolge des hohen Eigengewichts zu reduzieren, sind diese Zugelemente möglichst leicht auszuführen. Außerdem müssen sie den hohen und wechselnden Kräften durch Lasten und Wind standhalten.

Verlegen von Schweißnähten in weniger belastete Bereiche

Um diesen Anforderungen zu genügen, werden hochfeste wasservergütete Baustähle bis hin zur Güte S960QL eingesetzt. Bei gleicher Tragfähigkeit lässt sich das Eigengewicht um rund 60% verringern, falls der Stahl S960QL mit 960 MPa Mindeststreckgrenze anstelle der Güte S355 mit 355 MPa Mindeststreckgrenze eingesetzt wird [6]. Der Einsatz hochfester Stähle ermöglicht, die Fertigungskosten von Schweißkonstruktionen erheblich zu verringern und damit die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

In vielen Fällen sind Stahlkonstruktionen nicht nur einer statischen, sondern auch wechselnden Belastung ausgesetzt. Es ist bekannt, dass sich der Widerstand hochfester Stähle bei schwingender Beanspruchung im Vergleich zu normalfesten Stählen nicht im gleichen Maße erhöht wie die Streckgrenze. Außerdem sind Schweißverbindungen hochfester Baustähle im Vergleich zu normalfesten Stählen hinsichtlich des Schwingverhaltens nur wenig überlegen.

Dennoch ergeben sich aus dem Einsatz hochfester Stähle in geschweißten, schwingbeanspruchten Konstruktionen Vorteile. Das ist bei Anwendungen der Fall, bei denen die Schweißnähte in wenig belastete Bereiche der Konstruktion gelegt werden – oder auch nachbehandelt werden [7 und 8].

Verbesserte Schwingfestigkeit im Schweißnahtbereich

Zur Nachbehandlung der Stähle kommen unterschiedliche Verfahren zur Anwendung, zum Beispiel das Schleifen, das Kugelstrahlen oder das WIG-Aufschmelzen der Nahtübergänge. Ein relativ neues Nachbehandlungsverfahren von Schweißnähten ist die UIT-Behandlung – das Verfahren Ultrasonic Impact Treatment.

Bei diesem Oberflächenbehandlungsverfahren werden mit Hilfe eines Handgeräts über einen Ultraschallkoppler Eigenspannungen in den Schweißnahtbereich eingebracht. Zusätzlich wird die Form der Schweißnaht behandelt.

Untersuchungen an S1100QL-Schweißverbindungen zeigen, dass damit sogar die Schwingfestigkeit des Grundwerkstoffs nahezu erreicht werden kann [9]. Daraus ergeben sich Vorteile in Bezug auf die dynamische Belastbarkeit.

Verschleißfester Stahl senkt Instandhaltungsaufwand

Eine hohe Lebensdauer wird auch für Maschinen und Geräte gefordert, die im Baumaschinenbereich im Einsatz sind und dort einer hohen Verschleißbeanspruchung unterliegen [10 und 11]. Ein Beispiel dafür ist ein Muldenkipper, dessen Mulde bis zu 250 t stark abrasives Gesteinsmaterial in den chilenischen Kupferminen transportieren kann. Der Aufwand für die Instandhaltung solcher mobilen Arbeitsmaschinen lässt sich nur aufgrund des Einsatzes verschleißfester Sonderbaustähle in Grenzen halten.

Bei einem rein abrasiven Verschleiß ist die Härte des Werkstoffs maßgebend für dessen Verschleißverhalten. Dabei lässt sich bei gegebenem Abrasivmaterial mit zunehmender Werkstoffhärte eine höhere Lebensdauer erzielen. Bei sehr hartem granithaltigem Gestein kann die Lebensdauer des Muldenkippers bei Verwendung eines 500 HBW harten Stahles um etwa das Dreifache verlängert werden – im Vergleich zu Kippern mit Mulden aus dem allgemeinen Baustahl S355.

Verschleiß ist allerdings keine reine Werkstoff- sondern eine Systemeigenschaft. Das heißt: Das Verschleißverhalten hängt außer vom Werkstoff auch vom Verschleißsystem ab, insbesondere von der Härte des Abrasivmaterials.

Literatur

[1] Neuhaus, W., W. Dick und J. Degenkolbe: Erfahrungen bei der Herstellung wasservergüteter Bleche aus schweißbarem Baustahl mit einer Streckgrenze von 70 kg/mm2. Stahl und Eisen 1965/85, S. 127–136.

[2] Uwer, D., und H. Dißelmeyer: Erfahrung mit der Herstellung, Verarbeitung und Anwendung des neuen wasservergüteten Baustahles XABO 90. In: Thyssen – Technische Berichte 1989/21, S. 21–38.

[3] Tschersich, H.-J., U. Schriever, J. Bobbert und C. Kuntze: Modern structural steels with improved properties through accelerated cooling. Proceeding, 5th International Conference 1995. Den Haag: OMAE, S. 187–195.

[4] Degenkolbe, J.: Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften bei der Herstellung von Grobblechen, In: Thyssen – Technische Berichte 1993/25, S. 19–30.

[5] Degenkolbe, J., H. Dißelmeyer, B. Müsgen und U. Schriever: Hochfeste wasservergütete Stähle für den Kranbau und Nutzfahrzeugbau, In: Thyssen – Technische Berichte 1991/23, S. 53–62.

[6] Hamme, U., J. Hauser, A. Kern und U. Schriever: Einsatz hochfester Baustähle im Mobilkranbau, Stahlbau 2000/4, S. 295–305.

[7] Müsgen, B., und K. Hoffmann: Improvement of the fatigue strength of welded high-strength steels, In: Thyssen – Technische Berichte 1987/19, S. 67–79.

[8] Kuhlmann, U., und andere: Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten höherfesten Baustählen durch Anwendung von Nachbehandlungsverfahren. Stahlbau 2005/5, S. 358–365.

[9] Gerster, P., und H. van der Poel: Ultrasonic Impact Technology – eine Möglichkeit zur Erhöhung der Lebensdauer von Schweißkonstruktionen? DVS-Bericht Nr. 237, 2005, S. 18–23.

[10] Feinle, P., A. Kern und U. Schriever: Verschleißverhalten hochfester Sonderbaustähle XAR, Tagungsband „47. Tribologie-Fachtagung 2006“, S. 8/1–8/9.

[11] Bogatsch, M., und H.-J. Kaiser: Schweißtechnische Verarbeitung von verschleißfesten Stählen, Tagungsband „Große Schweißtechnische Tagung 2006“, S. 80–86.

Dr. Hans-Jürgen Kaiser ist Leiter des Bereichs Technisches Marketing im Profit Center Grobblech der Thyssen-Krupp Steel AG, Duisburg. Dr. Marco Pfeiffer ist Mitarbeiter dieses Bereichs. Prof. Dr. Andreas Kern leitet den Bereich Qualitäts- und Abnahmewesen im Profit Center Groblech.

Hans-Jürgen Kaiser, Andreas Kern | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/werkstoffe/articles/124938/

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