Stahlwerkstoffe Sprühkompaktieren contra Gießen – wie sind bessere Stahleigenschaften erreichbar?

Autor / Redakteur: Volker Uhlenwinkel und andere / Josef-Martin Kraus

Der Vorteil sprühkompaktierter Stähle liegt einerseits im homogenen Werkstoffgefüge. Andererseits sind Gefügebestandteile, mit denen die Werkstoffeigenschaften verbessert werden, zum Beispiel Mangansulfide oder Carbide, wesentlich kleiner als bei gießtechnisch hergestellten Stählen. Dadurch lassen sich die negativen Effekte dieser Stoffe erheblich reduzieren. Die Folge ist eine zunehmende Substitution zugunsten sprühkompaktierter Stähle.

Firmen zum Thema

Sprühkompaktierter Bolzen aus Kaltarbeitsstahl. Er wurde in rund 50 min hergestellt. Der Durchmesser liegt bei 500 mm, die Länge bei 2500 mm und das Gewicht bei 4 t. Bilder: IWT
Sprühkompaktierter Bolzen aus Kaltarbeitsstahl. Er wurde in rund 50 min hergestellt. Der Durchmesser liegt bei 500 mm, die Länge bei 2500 mm und das Gewicht bei 4 t. Bilder: IWT
( Archiv: Vogel Business Media )

Im Vergleich zum Metallgießen handelt es sich beim Sprühkompaktieren um ein relativ neues Verfahren, bei dem die Schmelze über einen Zerstäubungsprozess zu einem kompakten Material geformt wird. Beide Verfahren unterscheiden sich wesentlich durch die Abkühl- und Erstarrungsgeschwindigkeiten und die daraus resultierenden Gefügemerkmale und Werkstoffeigenschaften. Aufgrund der hohen Abkühlraten werden beim Sprühkompaktieren Seigerungen im Werkstoff weitestgehend unterdrückt. Es bildet sich ein feines und homogenes Gefüge aus, das insbesondere bei hochlegierten Stählen zu entscheidenden Verbesserungen der Werkstoffeigenschaften führt, die teilweise erst in der Anwendung richtig zur Geltung kommen.

Bolzen, Rohrluppen und Bleche aus fein zerstäubten Tropfen

Beim Sprühkompaktieren wird die flüssige Schmelze aus dem Tiegel in einen beheizten Verteiler gegossen, an dessen Boden sich eine zylindrische Düse befindet (Bild 1). Aufgrund der konstanten Füllhöhe der Schmelze im Verteiler und typischen Düsendurchmessern von 5 bis 7 mm können Produktionsraten von 1000 bis 2500 kg/h je Düse erreicht werden. Der austretende Schmelzestrahl wird dabei durch die Hochgeschwindigkeitsströmung einer Gasringdüse mit Stickstoff oder Argon in feine Tropfen zerstäubt, die mit hoher Geschwindigkeit auf dem Substrat auftreffen und dort das sprühkompaktierte Vorprodukt bilden.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 6 Bildern

So können Bolzen, Rohrluppen oder Bleche hergestellt werden. Industriell kommt das Sprühkompaktieren bei Bolzen zur Anwendung. Der gleichzeitige Einsatz von zwei aufeinander abgestimmten Düsensystemen ermöglicht, Bolzen mit bis zu 500 mm Durchmesser und über 2000 mm Länge herzustellen. Das Stückgewicht kann dabei bis zu 4000 kg betragen.

Das Legieren manganhaltiger Stähle mit Schwefel führt zur Bildung von Mangansulfiden, die die Zerspanbarkeit verbessern [1]. Im Gegenzug verschlechtern sich jedoch die mechanischen Eigenschaften. Besonders stark tritt die Beeinträchtigung bei umgeformten Halbzeugen auf, die in Querrichtung beansprucht werden. Der Grund dafür ist, dass die Mangansulfide beim Umformen in Längsrichtung gestreckt werden. Beim Sprühkompaktieren ist die rasche Erstarrung der Schmelze für die Entstehung kleiner Mangansulfide verantwortlich, die einen weniger schädlichen Einfluss auf die Festigkeit haben.

Höhere Zugfestigkeit trotz Schwefelzugabe

Aktuelle Untersuchungen beschäftigen sich mit den mechanischen Eigenschaften und der Zerspanbarkeit des schwefellegierten sprühkompaktierten Einsatzstahls 20MnCr5. In Bild 2 ist zusätzlich zur Zugfestigkeit die Biegewechselfestigkeit des vergüteten Werkstoffs bei Beanspruchungen sowohl längs als auch quer zur Walzrichtung dargestellt. Die Werte beziehen sich auf einen konventionell hergestellten, nicht schwefellegierten Stahl 20MnCr5. Dabei ist zu beachten, dass die experimentell ermittelte Biegewechselfestigkeit in Querrichtung ebenfalls auf die Längswerte des konventionellen 20MnCr5 bezogen wird.

Die Gegenüberstellung zeigt, dass man beim sprühkompaktierten Werkstoff trotz der Schwefelzugabe eine höhere Zugfestigkeit wie auch Dauerfestigkeit in Längsrichtung erhält. In Querrichtung werden 90% der Dauerfestigkeit des konventionellen Stahles in Längsrichtung erzielt. Die Zerspanbarkeit des Werkstoffs ist momentan Untersuchungsgegenstand eines von der DFG geförderten Forschungsvorhabens. Ein positiver Einfluss des Schwefels auf die Zerspanbarkeit des sprühkompaktierten Einsatzstahls 20MnCr5 wird erwartet – ähnlich wie bei dem im Vorgängerprojekt untersuchten schwefellegierten sprühkompaktierten Wälzlagerstahl 100Cr6. Bild 3 zeigt den positiven Einfluss des Schwefels auf den Schneideckenverschleiß des Werkzeugs bei Bohrversuchen [3].

Konventionelle hochlegierte Werkzeugstähle sind hart und aufgrund des hohen Carbidgehalts äußerst verschleißarm. In der Praxis nachteilig sind die großen Carbide bei Schlagbeanspruchung. Um die Carbide klein zu halten, gab es bisher nur die Möglichkeit, durch Zerstäuben der Schmelze mittels Gas und anschließendes Pressen bei hohem Druck und hoher Temperatur ein homogenes und feinkörniges Gefüge zu erhalten. Dieser pulvermetallurgische Prozess (PM) ist zwar aufwändig, doch führt er zu sehr kleinen Carbiden, die eine gute Zähigkeit haben, aber bei starkem abrasiven Verschleiß durch große harte Partikel leicht versagen (Bild 4).

Durch Sprühkompaktieren (SF) erreicht man einen Kompromiss. Die Carbide in der SF-Variante sind feinverteilt, aber deutlich größer als in der PM-Variante (Bild 5). Weiterer wesentlicher Aspekt ist, dass selbst Stähle mit rund 30% Carbiden, wie die Legierung X290Cr12, die konventionell nicht schmiedbar sind, im sprühkompaktierten Zustand problemlos zu warmumgeformtem Halbzeug verarbeitet werden können [4].

Deutlich weniger Verzug in der Wärmebehandlung

Der Werkstoffverzug ist ein wichtiges Thema in der Wärmebehandlung. Ein Anteil davon wird auf Seigerungen im Ausgangsmaterial zurückgeführt. Sprühkompaktierte Stähle zeigen bei einer Wärmebehandlung deutlich weniger Formänderungen und damit einen verringerten Bedarf an kostenintensiver Nacharbeit im harten Zustand [5].

Die steigende Nachfrage an sprühkompaktierten Werkstoffen lässt sich im Wesentlichen aus den Anwendungserfolgen herleiten. So wurde bei einem rotierenden Schneidwerkzeug der konventionell hergestellte Kaltarbeitsstahl AISI D2 durch eine sprühkompaktierte Legierung ähnlicher Zusammensetzung ersetzt (Bild 6). Bei dieser Legierung – dem Werkstoff Sverker SF der Böhler-Uddeholm GmbH in Düssel-dorf – handelt es sich um einen hochlegierten Kohlenstoff-Chrom-Stahl, der wesentlich besser Ausbrüchen, Rissen und abrasivem Verschleiß widersteht als der konventionell erschmolzene Werkstoff 1.2379.

So eignet sich der Stahl aufgrund der Eigenschaftskombination aus Verschleißfestigkeit und mittlerer Zähigkeit zum Schneiden relativ dicker und harter Materialien. In der Anwendung als rotierendes Schneidwerkzeug werden damit Fließmaterialien (Babywindeln) geschnitten. Vor dem Stahlwechsel hat man das Werkzeug gießtechnisch hergestellt. Es zeigte nach 34 Mio. Schneidvorgängen Mikrorisse, weshalb eine Reparatur bevorstand. Dagegen konnten mit dem sprühkompaktierten Werkzeug ohne erkennbare Mikrorisse 2,5-mal so viele Schneidvorgänge durchgeführt werden.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel betrifft die Verarbeitung zu Rollen in einer Sendzimir-Walze. Dazu wurde in der Vergangenheit der konventionell hergestellte Werkstoff HS6-5-2 (AISI M2) verwendet. Nun ist er durch die sprühkompaktierte Legierung Roltec ersetzt. Diese Legierung von Uddeholm hat die gleiche Härte (HRC 60 bis 62) und eignet sich für Anwendungen, bei denen abrasiver Verschleiß und Rissbildung die dominierenden Ausfallmechanismen sind.

Beide Legierungen zeigten schließlich den gleichen Versagensmechanismus, der zum „Chippen“ an den Walzenoberflächen führte. Allerdings ist die Standzeit beim sprühkompaktierten Stahl Roltec mit 1560 h um den Faktor 5,5 höher.

Literatur

  • [1] Houdremont, E.: Handbuch der Sonderstahlkunde, Band 2: Phosphor und Schwefel im Stahl. Berlin: Springer-Verlag 1956.
  • [2] DIN 17210: Einsatzstähle, Gütevorschriften. Dezember 1969.
  • [3] Bahnsen, C., H. Bomas und P. Mayr: Verbesserung der Zerspanbarkeit des Wälzlagerstahls 100Cr6 bei gleichzeitiger hoher Schwingfestigkeit mit Hilfe des Sprühkompaktierens. Härterei-Technische Mitteilung 2004/59, S. 402–410.
  • [4] Schulz, A., und andere: European Commission Technical Steel Research Series – Special and Alloy Steels. Report EUR 22438 EN. Luxemburg: Office for Official Publications of the European Communities 2007.
  • [5] Cui, C., und andere: Spray formed bearing steel insensitive to distorsion. Part 2: Distortion behaviour. Journal of Material Science 2004/7, S. 1673–1680.

Dr. Volker Uhlenwinkel ist Leiter der Abteilung Sprühkompaktieren im Bereich Verfahrenstechnik am IWT Stiftung Institut für Werkstofftechnik der Universität Bremen, Dr. Alwin Schulz ist Gruppenleiter Sprühkompaktierte Werkstoffe, Dr. Hubert Bomas leitet die Abteilung Strukturmechanik und Dipl.-Ing. Jens Schumacher ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWT. Prof. Dr. Hans-Werner Zoch ist Direktor des IWT. Claus Spiegelhauer ist Application Manager SF Tool Steels bei Uddeholm Tooling AB, Harfors/Schweden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat einen Teil der präsentierten Untersuchungen im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 570 und des Transferbereichs 58 gefördert.

(ID:261218)