AUTOREN
Dr.-Ing.
Serosh Engineer
ist Gesellschafter
der EZM
Edelstahlzieherei
Mark GmbH
in Wetter (Ruhr) und ist zurzeit
als technischer
Berater
tätig
Thorbjørn Høiland,
M.Sc.
ist Advanced
Development
Manager
of Technology
bei
der Raufoss
Technology
AS in
Raufoss, Norwegen
MOTIVATION
Komponenten
wie Kugelbolzen
werden
derzeit
aus dem Stahl
42CrMo4 hergestellt.
Sie werden
kaltfließgepresst,
auf eine
Festigkeit
von 1.050 bis 1.200 MPa vergütet,
zerspant
und anschließend
induktiv
gehärtet,
um hohe Druckeigenspannungen
an der Oberfläche
zu erreichen.
Nachteil
ist, dass die Belastbarkeit
der induktiv
gehärteten
Kugelbolzen
durch die derzeit
vorhandenen
Rechenmodelle
nicht simuliert
werden
kann. In
dieser
Arbeit
wird die Entwicklung
von preiswerteren
Kugelbolzen
aus einem neuen Stahl 20MnCrMo7 dargestellt,
der verbesserte
Eigenschaften
ohne Induktivhärten
aufweist.
Die experimentellen
Ergebnisse
können
rechnerisch
dargestellt
werden
und ermöglichen
eine Voraussage
über die Belastbarkeit
des
Kugelbolzens.
Ein Kugelbolzen
verbindet
die Zugstrebe
und
den Querlenker
mit dem Schwenklager
(Bild 1).
MECHANISCHE
EIGENSCHAFTEN
Für die Neuentwicklung
wurde ein Stahl mit hoher
Festigkeit
(zirka 1.500 MPa) und guter
Duktilität
gesucht.
Die ersten
Vorversuche
an 20MnCrMo7 (Werkstoff-Nr. 1.7911) zeigten,
dass
die geforderten
Festigkeitskennwerte
nach einer Vergütungsbehandlung
eingestellt
werden
können.
Tabelle 1 gibt die eingestellten
Kennwerte
von 20MnCrMo7 an und vergleicht
sie
mit den Werten
des zurzeit
verwendeten
42CrMo4. Der Stahl
20MnCrMo7 zeigt in diesem
Zustand
ein feinkörniges,
martensitisches
Vergütungsgefüge.
PRÜFUNGEN
AM KUGELBOLZEN
Die Kugelbolzen
wurden
mittels
Kaltfließpressen
aus gezogenen
Drahtabschnitten
aus 20MnCrMo7 bei der Räuchle GmbH
in Dietenheim
hergestellt
und vergütet.
Die fertig bearbeiteten
Kugelbolzen
wurden
einer Biege- und Lebensdauerprüfung
unterzogen
und die Ergebnisse
mit Kugelbolzen
42CrMo4 (vergütet
und induktiv
gehärtet
= IH) verglichen.
In Bild 2 sind das Prinzip
der Prüfung
sowie
das Prüfgerät
für
die Biege- und Lebensdauerprüfung
dargestellt.
AUS DER PRAXIS
Bild 1: Kugelbolzen in der Zugstrebe (links) und Einbau (schematische
Darstellung, rechts)
BIEGEPRÜFUNG
DES KUGELBOLZENS
Der Schaft des Kugelbolzens
wird eingespannt
und dessen
Kopf mit einer vorgegebenen
Kraft gebogen
(Bild 2, mittig). Die
Prüfung
erfolgt
im elastischen
und plastischen
Bereich.
Im elastischen
Bereich
bei 60 kN mit einer bleibenden
Verformung
von
kleiner als 0,5 mm beim Entlasten
des Kugelbolzenkopfs
und im
plastischen
Bereich
bei größer
70 kN ohne sichtbare
Risse.
Die
erzielten
Ergebnisse
sind in Tabelle
2 dargestellt.
Im elastischen
Bereich
(60 kN) ist das Verhalten
beider
Kugelbolzen
vergleichbar,
während
im plastischen
Bereich
der Kugelbolzen
aus 20MnCrMo7 deutlich
überlegen
ist. Der Kugelbolzen
aus 42CrMo4 zeigte
erste Anrisse
nach einer Biegekraft
von
78 kN, während
am Bolzen
aus 20MnCrMo7 erst bei einer Kraft
von 102 kN Risse
sichtbar
wurden.
Die bleibende
Verformung
des Bolzens
aus 20MnCrMo7 von 13,1 mm verdeutlicht
zudem
die höhere
Duktilität
und somit
die größere
Sicherheitstoleranz
unter missbräuchlichen
Bedingungen
(wie zum Beispiel
beim
Fahren
auf eine Bordsteinkante)
gegenüber
dem Kugelbolzen
aus 42CrMo4.
Stahl 0,2%-Dehngrenze
Rp0,2-
MPa
Zugfestigkeit
Rm
MPa
Bruchdehnung
A
%
Brucheinschnürung
Z
%
20MnCrMo7 ~1.220 ~1.500 ~11 ~55
42CrMo4 ~1.080 ~1.160 ~12 ~55
Tabelle 1: Vergleich der mechanischen Eigenschaften
massivUMFORMUNG | MÄRZ 2018 43