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Werkstoffe

Stahl ist idealer Werkstoff für extreme Anforderungen

07.02.2008 | Autor / Redakteur: Ulrich W. Schamari / Ulrike Gloger

Dr. Jörg Rollmann von der Rothe Erde GmbH in Lippstadt: „Heute fertigen wir Großwälzlager und nahtlos gewalzte Ringe in einem Durchmesserbereich von ungefähr 200 mm bis 8 m.“ Bild: Rothe Erde
Dr. Jörg Rollmann von der Rothe Erde GmbH in Lippstadt: „Heute fertigen wir Großwälzlager und nahtlos gewalzte Ringe in einem Durchmesserbereich von ungefähr 200 mm bis 8 m.“ Bild: Rothe Erde

Stahl ist ein Werkstoff für extreme Anforderungen. Dank intensiver Forschung und Entwicklung verfügt Stahl über anwendungsspezifische Eigenschaften, die für die Konstruktion gigantischer Maschinen unentbehrlich sind. Die Experten sind sich einig: Ein international wettbewerbsfähiger Maschinenbau ist ohne erstklassigen Stahl nicht denkbar.

Stahl ist im „Wettbewerb um die Zukunft“ – so lautete das Motto der Jahrestagung Stahl Ende 2007 – hervorragend aufgestellt. Moderne Stahlsorten, die dank intensiver Forschung und Entwicklung über anwendungsspezifische Eigenschaften verfügen, sind zum Beispiel für die Konstruktion gigantischer Maschinen, wie sie im Tunnel- und Tagebau eingesetzt werden, unentbehrlich. Auch unter extremen Einsatzbedingungen erbringt der Werkstoff ein Maximum an Leistungen.

Dr. Volker Schwich von Arcelor Mittal beschreibt das so: „Neben hoher Festigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit kommt es auf dynamische und zyklische Belastbarkeit, Korrosions- und Verschleißwiderstand sowie thermische Beständigkeit an.“ Zwar seien diese Anforderungen auf den ersten Blick kaum oder nur schlecht miteinander zu vereinbaren, doch sei der Werkstoff Stahl aufgrund seiner Vielfältigkeit in der Lage, für die gegensätzlichen Anforderungen passende Produkte anzubieten.

Dr. Hans-Jürgen Kaiser von der Thyssen-Krupp Steel AG in Duisburg untermauert diese Feststellung. Nach seinen Worten ist Stahl wegen seiner Tragfähigkeit, seines günstigen Verarbeitungsverhaltens und seiner hohen Wirtschaftlichkeit der wichtigste Konstruktionswerkstoff des Schwermaschinenbaus.

Stahl verdanke seine Bedeutung vor allem der Tatsache, dass seine Eigenschaften auch an höchste technische Anforderungen angepasst werden können. Die von den Stahlherstellern bereitgestellten Grobbleche aus Sonderbaustählen für den Schwermaschinenbau seien ein typisches Beispiel.

Flexibilität des Werkstoffs Stahl zahlt sich aus

Zurzeit ist die Marktsituation für diese Produkte aufgrund einer beachtlichen Nachfrage glänzend. Dazu erläutert Kaiser: „Grobbleche aus Sonderbaustählen werden beispielsweise im Schiffbau, Rohrleitungsbau oder auch bei Baumaschinen eingesetzt.“ So würden hochfeste Baustähle für Schiffskrane benutzt und sauergasbeständige Rohrgüten kämen im Fernleitungsbau zum Zuge.

Mit den Walz- und Schmiedeerzeugnissen für den Einsatz im Schwermaschinenbau befasst sich Dr. Peter Janßen von der Arcelor Mittal Ruhrort GmbH in Duisburg. Er berichtet über die verschiedenen Werkstoffe sowie einige typische Anwendungen, bei denen jeweils von einem Stahlhartprodukt ausgegangen wird.

Zu den Stahlsortengruppen, die im Schwermaschinenbau zum Zuge kommen, zählen die Einsatzstähle, auch als Case Hardening Steel bezeichnet. Vertreter dieser Gruppe sind der 16 MnCr 5 und der 20 MoCr 4. Zu den ebenfalls im Schwermaschinenbau eingesetzten Kohlenstoffstählen gehören der C38 und der C60. Eine sehr wichtige Werkstoffgruppe, so Janßen, sind in diesem Kontext auch die mikrolegierten perlitischen Stähle – die so genannten AFP-Stähle – mit den typischen Vertretern 38 MnSiVS 6 und 27 MnSiVS 6.

Stahl muss immer höheren Anforderungen gerecht werden

Janßen ergänzt: „Anwendungen für diese Werkstoffe findet man in Kolbenstangen oder Wänden für Lenkungen. Die Anforderungen an Streckgrenze und Festigkeit sind durch die zunehmend höheren Belastungen gestiegen.“ Außer der Rückbesinnung auf die klassischen Vergütungsstähle habe dies zur Entwicklung von Stählen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften geführt.

Charakteristische Stahlprodukte für die Schwermaschinenindustrie sind auch die Großwälzlager. Die Rothe Erde GmbH in Lippstadt begann Mitte der 1930er Jahre mit der Produktion von Lenkkränzen für die Deichsellagerung landwirtschaftlicher Anhänger. Nach 1945 wurden die Großwälzlager zunehmend für die Baumaschinenindustrie zum Einsatz in Baggern und Kränen hergestellt, wobei der Durchmesser der Lager immer größer wurde.

Dr. Jörg Rollmann von der Rothe Erde GmbH: „Heute fertigen wir Großwälzlager und nahtlos gewalzte Ringe in einem Durchmesserbereich von ungefähr 200 mm bis 8 m.“

Falls die Kunden noch größere Lager forderten, würden diese aus Transportgründen aus Segmenten aufgebaut. Die Anwendungsgebiete für nahtlos gewalzte Ringe, die von Rothe Erde auch direkt vertrieben werden, sind vielfältig. Sie können Flansche für Windenergieanlagen ebenso sein wie Strukturelemente für Raumfahrtkomponenten oder Großgetriebe-Zahnringe.

Mehr als die Hälfte der Ringe gehen jedoch in die Fertigung von Großwälzlagern, die in zahlreichen Anwendungen des Maschinenbaus zum Einsatz kommen, wobei Krane und Bagger immer noch sehr wichtig sind.

Tunnelbohrmaschinenbauer Herrenknecht verlangt dem Stahl alles ab

Was höchste Anforderungen an den Werkstoff Stahl sind, kann Christian Frenzel von der Herrenknecht AG, nach eigenen Angaben Weltmarktführer in der Tunnelvortriebstechnik mit Sitz im badischen Schwanau, am Beispiel von Schneidringen im maschinellen Tunnelbau darlegen. Diese Ringe sind elementare Bestandteile von Tunnelvortriebsmaschinen, wie sie etwa in der Schweiz beim Bau des Lötschberg-Basistunnels eingesetzt werden.

Da dort die Gebirgsverhältnisse stabil sind, wird ein Maschinentyp verwandt, bei dem relativ wenig Sicherungsmittel eingebaut werden müssen. Neben diesem offenen Maschinenkonzept gibt es geschildete Konzepte, bei denen eine Stützung des Gebirges durch einen Stahlmantel sichergestellt wird.

Frenzel erläutert die Funktionsweise der Maschinen: „Sie bewegen sich bohrend vorwärts. Der Bohrkopf ist an einem kleinen Bohrschild montiert, das für die Stabilisierung des Bohrkopfes sorgt. Abgestützt wird die Maschine mit seitlichen Gripperplatten, die links und rechts gegen das Gebirge verspannt werden.“

Im Betrieb verschleißen die aus einem Warmarbeitsstahl hergestellten Schneidringe, welche die eigentliche Arbeit des Bohrens ausführen, sehr unterschiedlich. Das hängt mit den sehr verschiedenen Eigenschaften des Gesteins zusammen. Im schlimmsten Fall kann es sehr hart und abrasiv sein.

Bergbau benötigt schwere Schilde aus Stahl

Extrem gefordert ist Stahl auch im Anwendungsbereich Untertage-Bergbau, wie Horst Ringleff von der DBT Deutsche Bergbau-Technik GmbH in Lünen ausführt. Denn beim Schildausbau wirken hohe, hydraulisch erzeugte Stützkräfte auf flache Stahlkonstruktionen ein.

Diese schweren Schilde aus Stahl sichern den Stollen durch das Abstützen der Decke vor dem Einsturz. „Erst durch Schildausbau ist es möglich, in großem Stil im so genannten Strebbau Kohle unter Tage zu gewinnen“, verdeutlicht Ringleff.

Doch Stahl spielte auch schon vor dem heutigen Schildausbau eine wesentliche Rolle: Einzelne Stempel waren unten durch Stahlkufen und oben an Eisenträgern miteinander verbunden. Die Technik wurde immer weiter bis zum modernen Hochleistungsstreb entwickelt.

Schilde aus Stahl mit Hydraulikstempeln erzeugen hohe Setzkräfte

Nun verfügt man über Stahlschilde mit integrierten Hydraulikstempeln, durch die hohe Setzkräfte erzeugt werden können. Die Verbindung zum Förderer im vorderen Bereich des Stollens wird über Stahlstangen – Schreitwerke genannt – hergestellt. Sie können dem Ausbau über Hydraulikzylinder in Richtung Kohlestoß nachziehen.

Überdeutlich sichtbar wird der Einsatz von Stahl im Tagebau, dessen Bild von gigantischen Schaufelradbaggern, riesigen Förderbrücken und Absetzern geprägt ist. Dr. Holger Lieberwirth von der Takraf GmbH in Leipzig, die solche Kolosse herstellt und in alle Welt liefert, betont: „Wenn man das Stahlvolumen bei unseren Einzelmaschinen ansieht, dann dürfte es schwer fallen, jemanden zu finden, der noch mehr Stahl in einer einzelnen selbst fahrbaren Maschine verbauen kann.“

Die stählernen Riesenanlagen sind in praktisch allen denkbaren klimatischen Bereichen zu finden, wobei Takraf sehr lange Erfahrung speziell mit extrem tiefen Temperaturen habe. Die Geräte des Unternehmens werden beispielsweise seit über 40 Jahren in Sibirien eingesetzt. Die Temperaturen von minus 40 bis 45 °C bedeuten laut Lieberwirth, dass man sehr spezielle Anforderungen an die Stahlkonstruktion stellen muss.

Hochwertiger Stahl für bärenstarke Maschinen

Auch große Hydraulikbagger, wie Liebherr-France sie in Colmar herstellt, sind ein Fall für extreme Stahlanwendungen. Die bis zu 700 t schweren Bagger verfügen über bärenstarke Maschinen und arbeiten unter härtesten Einsatzbedingungen.

Liebherr-Manager Dr. Wolfgang Burget: „Der Einsatz der Hydraulikbagger ist heutzutage sehr, sehr vielseitig geworden. Wir reden ja nicht nur vom klassischen Haupteinsatz in der Erdbewegung und Materialgewinnung, sondern sehr stark auch in anderen Bereichen wie Abbruchtechnik und Materialumschlag.“

Ausgewählt werden die Stähle nach ihrer Streckgrenze, dem Verformungsvermögen, der Kerbschlag- und Bruchzähigkeit, Ermüdungsfreiheit, Formbarkeit, Schweißeignung, Härte, dem Verschleißwiderstand, der Recyclingfähigkeit und nicht zuletzt nach dem Preis.

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