Schmolz + Bickenbach Neuer Stahl verkürzt Produktion von Kugelzapfen

Kugelzapfen aus nicht rostendem Stahl statt konventioneller nitrierter Kugelzapfen aus Vergütungsstahl – die dauerhaft korrosionsgeschützte Alternative verspricht Vorteile: Zeit- und energieaufwendige Wärmebehandlungs- und Beschichtungsverfahren entfallen, die Herstellungskosten sinken und die Lebensdauer des Bauteils steigt.

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Die ZF Friedrichshafen AG zählt zu den weltweit führenden Technologiekonzernen in der Antriebs- und Fahrwerktechnik. Für ein wettbewerbsfähiges Produktportfolio investiert der Konzern rund 5 % des jährlichen Umsatzes in Forschung und Entwicklung. „Wir investieren unter anderem in die Erprobung neuer Werkstofflösungen, wie zum Beispiel in die Fertigung von Kugelzapfen aus nichtrostendem Stahl,“ erklärt Dr. Jochen Kruse, Projektingenieur im Center of Competence für Strukturbauteile der ZF Friedrichshafen AG. Diese Kugelzapfen sind ein wesentlicher Bestandteil von Kugelgelenken, die unter anderem in Spurstangen, Winkelgelenken und Koppelstangen zum Einsatz kommen. Sie übertragen Lenk- und Federbewegungen. Dementsprechend hoch sind die Anforderungen an die mechanisch-technologischen Eigenschaften des eingesetzten Stahls. Im Mittelpunkt stehen eine hohe Dauerfestigkeit und Zähigkeit sowie ein gutes Reibungsverhalten (Tribologie) und Korrosionsbeständigkeit. Sie sind ausschlaggebend für die Belastbarkeit, Verschleißbeständigkeit und Lebensdauer des Bauteils in der Anwendung.

Als Standard greift ZF auf gezogenen Walzdraht aus Vergütungsstahl, wie 41Cr4 oder 42CrMo4, zurück. Um die Kaltumformbarkeit zu verbessern, wird der Vergütungsstahl vor dem Kaltfließpressen weichgeglüht. In mehreren Umformstufen wird der Draht zum Kugelzapfen gepresst. Eine Vergütungsbehandlung sorgt für die erforderliche Festigkeit des Bauteils. Anschließend dreht ZF den Kugelzapfen auf Endkontur, glättet ihn auf einer Rolliermaschine und transportiert ihn zu einem externen Beschichter.

Konventioneller Korrosionsschutz ist zeitintensiv

Um den erforderlichen Korrosionsschutz sicherzustellen, nitriert dieser Beschichter das Bauteil nach Kundenvorgabe per Gas, Plasma oder im Salzbad und lässt es kontrolliert abkühlen. Dieser Prozessschritt kann, einschließlich Transport, bis zu drei Wochen dauern. Wird die Beschichtung vor der Montage des Zapfens beschädigt, ist der Korrosionsschutz des Kugelzapfens nicht mehr vollständig gegeben. Folglich sinkt die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils. „Durchlaufzeit, Energieverbrauch und Transportwege sind mit dem Einsatz von Vergütungsstahl vergleichsweise ineffizient“, so Kruse. „Deswegen haben wir mit unserem Partner Swiss Steel eine ökologisch und ökonomisch sinnvolle Alternative entwickelt.“ Ziel war es, einen preisgünstigen und nicht rostenden Stahl zu finden, um die kostenintensiven Prozessschritte Glühen, Vergüten und Nitrieren zu vermeiden.

Wirtschaftliche Alternative: nicht rostender Stahl

„Um die optimale Stahlzusammensetzung in Kombination mit den idealen Prozessparametern zu bestimmen, die die geforderten Werkstoffeigenschaften erzielen, haben wir zahlreiche Laboruntersuchungen und großtechnische Walzversuche durchgeführt“, erläutert Dr. Ulrich Urlau, Leiter Unternehmensentwicklung bei Swiss Steel. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften legten die Unternehmen Swiss Steel und ZF Wert auf ein feinkörniges Gefüge. Es vereint eine hohe Dauerfestigkeit und Duktilität, ohne die Zähigkeit zu mindern, und ist dadurch besonders belastbar. Außerdem spielten ein gutes Kaltverfestigungsverhalten und eine ausreichende Kaltumformbarkeit eine wichtige Rolle.

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