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Werkstoffe, Stahl im Nutzfahrzeug Zoom

Werkstoffe: Herz aus Stahl

In Nutzfahrzeugen gewinnen neue Werkstoffe zunehmend an Bedeutung. Ein Material bleibt dennoch unverzichtbar: Ohne Stahl geht im Fahrzeugbau nichts.

Stahl ist im Fahrzeugbau längst nicht abgemeldet. Der Werkstoff und Leichtbau schließen sich keinesfalls aus, sondern ermöglichen letzteren oft erst. Veränderte Konstruktionen, Verarbeitungsprozesse und neue Legierungen werden das Leichtbaupotenzial von Stahl künftig noch erheblich steigern. Hinzu kommen all jene Komponenten, bei denen Stahl bisher ohnehin unersetzbar ist, seien es Rahmenkonstruktionen und Achsen für schwere Nutzfahrzeuge, Getriebekomponenten oder im Motorenbau Kurbeltriebe, Wellen, Einspritzdüsengehäuse und Common-Rails oder Zylinderkolben in großen Aggregaten. Ein weites Spektrum nützlicher Eigenschaften, günstige Kosten und eine gute Recyclingfähigkeit sprechen ebenfalls für den Werkstoff.

Dabei ist Stahl längst nicht gleich Stahl. Es gibt eine Reihe verschiedener Sorten mit unterschiedlichen Eigenschaften. Dazu zählen unter anderem unlegierte Kohlenstoffstähle, Einsatzstähle, Vergütungsstähle, AFP-Stähle oder Nitrier-Stähle. Für Anwendungen mit eher geringen mechanischen Belastungen eignen sich unlegierte Kohlenstoffstähle, meist sogenannte C15 oder C45-Stähle. Durch ihren niedrigen Kohlenstoffgehalt lassen sie sich kalt umformen. Soll die Festigkeit erhöht werden, lässt sich der Kohlenstoffgehalt anheben. Bei der Verarbeitung braucht es dann aber auch höhere Temperaturen.

Gehärtete Einsatzstähle

Für größere Belastungen empfehlen sich Einsatzstähle, die gehärtet werden. Mit "Härte" ist das Maß für das Verschleißverhalten des jeweiligen Stahlbauteils gemeint. Zusammen mit Streckgrenze und Zugfestigkeit erhalten sie die Struktur des Werkstoffs ohne eine plastische Verformung. Gemessen wird die Härte mit Hilfe diverser Prüfverfahren, die Einheit ist HR plus eine anschließende Kennung, benannt nach dem  amerikanischen Ingenieur Stanley Rockwell. Beim Härten von Einsatzstahl dringt Kohlenstoff in die Randschicht ein.

Nach dem Härten besitzt Einsatzstahl eine Härte von rund 60 HRC (zum Vergleich: eine Getriebe-Welle liegt bei etwa 48 HRC, eine Messerklinge aus japanischem Stahl bei 61 HRC). Der Kern des Materials bleibt aber weich, wodurch es besonders gegen Schwingungsbelastungen resistent ist. Der Kohlenstoffgehalt liegt etwa bei 0,15 bis  0,3 Prozent. Je nach gewünschten Eigenschaften kann Nickel, Chrom oder Molybdän zugegeben (zulegiert) werden. Nickel beispielsweise erhöht die  Zähigkeit bei tiefen Temperaturen.

Zugabe von Bor

Vergütungsstähle werden auf dieselbe Weise behandelt. Auch hier reicht die Härtung bei größeren Abmessungen aber nicht bis zum Kern. Bei Bolzen und Schrauben wird aus Kostengründen inzwischen versucht, bei der Härtung Chrom und Molybdän durch die Zugabe von Bor zum Teil zu ersetzen. Zum teilweisen oder vollständigen Ersatz von Molybdän experimentiert die Werkstoffforschung zudem mit Mangan. Noch verschlechtert sich aber besonders bei einem vollständigen Ersatz die Kerbschlagzähigkeit des Stahls bei tiefen Temperaturen. Eine leichtere Zerspanbarkeit bei der Bearbeitung von Dieseleinspritzdüsen-Gehäusen erhoffen sich die Forscher von der Zugabe von Schwefel und Blei.

Ausscheidungshärtende, ferritisch-perlitische Stähle, kurz AFP-Stähle sind eine vor allem kostengünstigere Alternative zu Vergütungsstahl. Neben ihrem Kohlenstoffgehalt enthält diese hoch feste Stahlsorte zusätzlich etwa 0,1 bis 0,4 Prozent Vanadium.

Nach dem Warmschmieden bei über 1.200 Grad Celsius und anschließendem kontrolliertem Abkühlen verhindern Reaktionsprodukte des Vanadiums Versetzungen im Molekülgefüge. Dadurch erhöhen sich wiederum Zugfestigkeit und Streckgrenze des Stahls.

Geforscht wird an AFP-Stahl auch in Zusammenhang mit der Achsenfertigung für schwere Nutzfahrzeuge. Ein höheres Festigkeitsniveau und somit höhere Nutzlasten versprechen sich die Werkstoffspezialisten durch Beigabe von Titan und Niob. Grundsätzlich für alle Stahlsorten geeignet  ist das Nitrieren, das eine gesteigerte Härte der Randschicht bewirkt.

Der Effekt entsteht dadurch, dass während einer Wärmebehandlung Stickstoff durch Diffusion in die Randschicht eindringt. Härtegrad und Härtetiefe lassen sich durch einen zusätzlichen Anteil von Aluminium weiter steigern.

Metallschaum-Sandwiches

Zusammen mit Stahlbauteilen rückt Aluminium im Nutzfahrzeugbau aber auch noch in anderer Hinsicht in das Blickfeld: Von sogenannten Metallschaum-Sandwiches, also Stahlbauteilen, die beispielsweise mit Aluminiumschaum gefüllt sind, verspricht sich die Werkstoffindustrie ein sehr hohes Leichtbau- und Dämpfungspotenzial. Durch seine zellulare Struktur ist Aluminiumschaum extrem leicht und eignet sich bestens dafür, Schwingungen, Stöße und Schall zu dämpfen. Die stützende Hülle aber – besteht aus Stahl.

Andreas Wolf lastauto omnibus

Autor

Foto

Kögel

Datum

10. Juli 2015
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