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massivUMFORMUNG September 2016 01

Bild 5: Vergleich der Wöhlerlinien für den Achsschenkel aus den Stählen 42CrMo4 und LHD-P2 5, 6 Bilder: Autoren TECHNOLOGIE UND WISSENSCHAFT TF k=3,2 P ü 10 % 50 % 90 % k= 9,6 TF Durchläufer hochgestufter Durchläufer (gebrochen) Achsschenkel Werkstoff: LHD-P2 42CrMo4 Belastung: Biegung Versuch: Wöhler Kraftverhältnis R: 0,05 Frequenz f: 10 bzw.18 Hz 10 – 30 Hz 2x k*= 45 k*= 45 P ü 10 % 50 % 90 % NK NK 104 105 106 107 Rp0,2 N/mm2 Rm N/mm2 Schwingspiele N Rp0,2/Rm - Ag % A5 % Z % KV bei RT J 400 350 300 250 200 150 100 50 Kraftamplitude Fa kN Achsschenkel 42CrMo4 959 1.091 0,88 4,9 13,0 51 - Achsschenkel LHD-P2 970 1.100 0,88 - 13,0 55 8 Tabelle 3: Mechanische Kennwerte der im zyklischen Versuch untersuchten Achsschenkel schnitts zeigt der Werkstoff eine hohe Dehngrenze von über 900 N/mm² und eine Zugfestigkeit von über 1.200 N/mm². Die geringe Zähigkeit mit 9 J ist auf das sehr große ehemalige Austenitkorn, welches oberhalb von 150 μm liegt, zurückzuführen. Der Schmiedeablauf bei der Herstellung der Achsschenkel verlief entsprechend einer Serienteilfertigung des Achsschenkels aus 42CrMo4. Die Demonstratorteile wurden jedoch aus der Schmiedewärme unterschiedlichen Abkühlvariationen unterzogen, die in Bild 3 erläutert sind. Alle aufgeführten Abkühlbehandlungen haben zu einem martensitischen Grundgefüge im Zapfeninneren (Ø 80 mm) geführt. Die am Zapfen bestimmten mechanischen Kennwerte der Achsschenkel sind ebenfalls in Bild 3 gezeigt. Die mechanischen Eigenschaften verhalten sich weitgehend unabhängig von den Abkühlbedingungen. So zeigen die Festigkeits und Duktilitätseigenschaften aber auch die Zähigkeitswerte nur geringe Unterschiede auf. Bei der Herstellung der Federbügel wurden drei verschiedene Austenitisier und Schmiedetemperaturen untersucht, zu denen jeweils fünf verschiedene Anlasstemperaturen zwischen 400 °C und 500 °C angeschlossen wurden. Die Austenitisierung vor der Umformung erfolgte induktiv innerhalb von 20 Sekunden. Im Anschluss wurden die Federbügel an ruhender Luft abgekühlt und bei der jeweiligen Temperatur für 3 Stunden angelassen. Die mechanischen Kennwerte am Federbügel sind in Bild 4 wiedergegeben. Die Analyse zeigt, dass die Festigkeitseigenschaften unabhängig von den untersuchten Austenitisiertemperaturen sind. Auch die Zähigkeitseigenschaften sind trotz der großen variierten Temperaturspanne zwischen 1.050 °C und 1.250 °C nahezu identisch. Das kann durch die gleichbleibende Korngröße begründet werden. Einzig die Bruchdehnung zeigt mit abnehmender Austenitisiertemperatur eine Tendenz zu größeren Werten. Diese Tendenz könnte durch die stärkere Ausscheidung kritischer Karbide begründet werden. ZYKLISCHE EIGENSCHAFTEN Für die zyklische Untersuchung des Achsschenkels aus dem Stahl LHD-P2 wurden Achsschenkel verwendet, die auf einer Palette mittels Gebläse von der Schmiedetemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend im Salzbad bei 450 °C für zwei Stunden angelassen wurden. Das Referenzbauteil aus dem Stahl 42CrMo4 ist einer Serienfertigung entnommen worden und liegt im vergüteten Zustand vor. Die mechanischen Kennwerte beider Werkstoffe sind in Tabelle 3 gezeigt. Die zyklischen Untersuchungen der Achsschenkel aus dem LHD-P2, welche aufgrund der begrenzten Bauteilanzahl nur stichprobenartig an sechs Bauteilen erfolgten, sowie dem 42CrMo4 sind am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt durchgeführt worden 5, 6. In Bild 5 sind die Wöhlerlinien für die Achsschenkel aus den Stählen 42CrMo4 und LHD-P2 gezeigt. Im Vergleich der ertragbaren Kraftamplitude bei der Lebensdauer von 1·107 Schwingspielen ermittelt für eine Überlebenswahrscheinlichkeit von Pü  =  50  %, zeigen die Bauteile aus LHD-P2 mit Fa(1·107, Pü = 50 %) = 87,7 kN eine um 58 Prozent höhere ertragbare Kraftamplitude als diejenigen aus dem Referenzwerkstoff mit Fa(1·107, Pü = 50 %) = 55 kN. Trotz vergleichbarer quasistatischer Kennwerte und geringer Kerbschlagbiegearbeit weist der Stahl LHD-P2 eine höhere Langzeitfestigkeit auf als der 42CrMo4. Für einen statistisch aussagefähigen Vergleich beider Werkstoffe müssten weitere Untersuchungen durchgeführt werden. ZUSAMMENFASSUNG Im Rahmen des Projekts wurde ein neuer Schmiedestahl mit einem Mangangehalt von vier Gewichtsprozent entwickelt, bei dem das Gebrauchsgefüge durch kontrollierte Abkühlung aus 54 massivUMFORMUNG | SEPTEMBER 2016


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