Schadenstolerante Stähle verhelfen zu längerem Bauteilleben

Die deutsche Stahlindustrie hat in diesem Jahr eine Forschungskooperation der Universitäten in Bremen, Aachen, München und Kaiserslautern mit dem Stahl-Innovationspreis 2015 ausgezeichnet. Den Wissenschaftlern gelang es, die Empfindlichkeit des Werkstoffs gegenüber Versagen aufgrund von Einschlüssen zu reduzieren.

Hochbeanspruchte Antriebskomponenten wie Wälzlager oder Zahnräder von Großgetrieben versagen oft durch Wälzkontaktermüdung, was zu vorzeitigem Anlagenausfall führen kann. Werkstofftechnische Ursache sind häufig Mikrorisse, die von nichtmetallischen Einschlüssen im Gefüge ausgehen. Die bisher verfolgte Strategie, die Lebensdauer der Bauteile durch einen immer größeren Reinheitsgrad der eingesetzten Werkstoffe zu steigern, stößt jedoch inzwischen an technologische und wirtschaftliche Grenzen.

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Nun wurde mit dem von DFG und AiF geförderten Gemeinschaftsprojekt HiPerComp ein neuer Ansatz mit dem Stahl-Innovationspreis 2015 der Wirtschaftsvereinigung Stahl ausgezeichnet. Die Wissenschaftler der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau der TU München verfolgten zusammen mit dem Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen, dem Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern und der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen die innovative Idee, die Schadenstoleranz der Werkstoffe durch Einstellen eines Werkstoffzustands mit möglichst hohem Verfestigungsvermögen zu steigern. Lokale Verformung des Werkstoffs im Bereich von Einschlüssen führt dann zu einer starken Verfestigung an diesen versagenskritischen Positionen. So kann die Rissentstehung vermieden oder die Rissausbreitung gestoppt werden.

Neue Legierungs- und Wärmebehandlungskonzepte

Eine wesentliche Herausforderung bestand darin, die von Flacherzeugnissen bekannten Mechanismen zur Festigkeitssteigerung wie die Ausscheidungshärtung und den TRIP(TRansformation Induced Plasticity)-Effekt auf Wälzlager- und Einsatzstähle zu übertragen. Zudem erarbeiteten die Projektpartner geeignete Wärmebehandlungsstrategien für die neu entwickelten Stähle. Die Wirkungsweise ihres Ansatzes der erhöhten Schadenstoleranz belegen die Forscher exemplarisch mit einem modifizierten Wälzlagerstahl 100Cr6, dem Aluminium zulegiert wurde. Bei der Bauteilprüfung an Wälzlagern wiesen die Innenringe aus dem aluminiumlegierten Wälzlagerstahl im Vergleich zum derzeit industriell eingesetzten 100Cr6 eine deutlich erhöhte Lebensdauer auf.