2. Anwendungsbeispiele

Bei jedem modernen Kraftfahrzeug sind Leistung, Umwelt- und Sicherheitsaspekte von großer Bedeutung. Nachfolgend wird an einigen Beispielen verdeutlicht, dass die hieraus resultierenden Anforderungen ohne den Einsatz von RSH-Stählen langfristig nicht einzuhalten sind.

2.1. Leistung

Ein Turbolader steigert die Leistung eines Verbrennungsmotors durch Zuführen von Luft bzw. Sauerstoff mit erhöhtem Druck. Zu den dazugehörigen Bauteilen zählt die Konturhülse (Bild 3). Sie dient zum Leiten der Abgasströme und muss deswegen beständig gegen Hochtemperaturoxidation sein, sowie über einen geringen Wärmeausdehnungsbeiwert verfügen. Hier kommt der Stahl 1.4742 (X10CrSiAl18-1-1) zum Einsatz. Er ist ein hitzebeständiger, ferritischer Stahl, der sich durch seine Beständigkeit gegenüber schwefelhaltigen Gasen auszeichnet.

Vom Turbolader verdichte Luft ermöglicht zwar die Erhöhung der Leistung eines Motors, aber kein Viertaktmotor funktioniert ohne Einlass- und Auslassventile (Bild 4).  Erstere lassen den Kraftstoff in die Verbrennungskammer hinein, die Zweiten lassen die Abgase frei. Beide sind sehr hohen thermischen, mechanischen und korrosiven Belastungen ausgesetzt. Einlassventile erreichen Temperaturen von 300°C bis 500°C, Auslassventile von 600°C bis 800°C [3]. 

Diese Temperaturdifferenz bestimmt die Materialauswahl für die verschiedenen Werkstoffe. Infolgedessen sollen die Ventilschäfte und die Einlassventilteller bevorzugt aus dem martensitischen Stahl 1.4718 (X45CrSi9-3) und die Auslassventilteller eher aus korrosions- und hitzebeständigen austenitischen Stählen wie z.B. dem Werkstoff 1.4882 (X50CrMnNiNbN21-9) oder 1.4871 (X53CrMnNiN21-9) hergestellt werden.

Weiterhin wird heutzutage praktisch bei jedem modernen Kraftwagen ein Einspritzsystem eingebaut, um eine dosierte zündfähige Kraftstoff-Luft-Mischung für den Verbrennungsmotor zu erzeugen. Die Gehäuse der Einspritzpumpe sind beispielsweise aus dem nickelmartensitischen Stahl 1.4418 (X4CrNiMo16-5-1) gefertigt (Bild 5). Der Werkstoff verfügt über eine einzigartige Kombination aus hoher Festigkeit und Zähigkeit sowie guter Korrosionsbeständigkeit, vor allem gegen interkristalline Korrosion und Spannungsrisskorrosion.

Ein weiteres Bauteil des Einspritzsystems ist die elektromagnetische Einspritzdüse (Bild 6), nach heutigem Stand der Technik die präziseste Einspritzdüse überhaupt. Ihr Anker wird aus dem Stahl 1.4105 (X6CrMoS17) hergestellt. Der Werkstoff wurde für die weichmagnetischen Anwendungen entwickelt und besitzt neben einer ausgezeichneten Zerspanbarkeit auch eine hohe magnetische Permeabilität, eine hohe Sättigungsinduktion sowie eine niedrige Koerzitivfeldstärke.

Damit das Einspritzsystem ein optimales Luft/Kraftstoff-Verhältnis einhält, wird eine Lambdasonde eingesetzt (Bild 7, [4]). Sie befindet sich im Katalysator und kontrolliert den Restsauerstoffgehalt im Abgas. Bei ihrer Herstellung kann z.B. der Stahl 1.4104 (X14CrMoS17) eingesetzt werden.

Bei den mechanisch stark beanspruchten Bauteilen, die nicht nur gute Hitze- und/oder Korrosionsbeständigkeit sondern auch eine hohe Festigkeit und einen guten Verschleißwiderstand aufweisen müssen, kommen die martensitischen Stähle zum Einsatz. So wird z.B. für Bremse, Handbremse, Bolzen, Kugellager und Kolben der Werkstoff 1.4034 verwendet (X46Cr13). Wenn höherer Korrosionswiderstand und/oder bessere Zähigkeit notwendig sind, wie bei Zahnstangen oder Wellen, wird der Stahl 1.4057 (X17CrNi16-2) mit höheren Chrom- und Nickelgehalten eingesetzt.

2.2. Umwelt

Die modernen Fahrzeuge müssen heutzutage nicht nur eine hohe Leistung vorweisen, sondern darüber hinaus auch umweltfreundlich, d.h. vor allem leise, fahren. Dies wird mit Hilfe eines Schalldämpfers erreicht, der Motoren- und Auspuffgeräusche um rund 20 bis 30 Prozent reduziert. 

Absorptionsschalldämpfer dämpfen die Schallausbreitung, indem Schallenergie durch eine Schicht aus Glasfaser oder Stahlwolle in Wärmeenergie umgewandelt wird. Sämtliche Abgase des Kraftfahrzeugs und damit auch der Schall durchlaufen den Schalldämpfer und treffen hier auf die schallschluckende Stahlwolle [5] (Bild 8). Speziell für diesen Verwendungszweck wurde bei der Deutsche Edelstahlwerke GmbH der Werkstoff 1.4113 (X6CrMo17-1) entwickelt. Es handelt sich um einen ferritischen Chromstahl mit Zusätzen von Schwefel und Molybdän, der sich einerseits durch hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit, andererseits auch durch gute Zerspanbarkeit auszeichnet.

Für den Bau und die Befestigung der Auspuffanlage werden preisgünstigere ferritische Werkstoffe eingesetzt wie z.B. die Stähle 1.4509 (X2CrTiNb18-1) und 1.4511 (X3CrNb17). Diese verfügen über eine gute Korrosionsbeständigkeit in schwach aggressiven Medien mit geringer Chloridionenkonzentration, wie es in natürlichen Wässern, Seifen und Lösungen von Reinigungsmitteln der Fall ist.

2.3. Sicherheit

Die Sicherheit der Insassen ist eines von wenigen Themen, das noch wichtiger als der Umwelteinfluss ist. Sie wird durch mehrere Einrichtungen gewährleistet wie Airbags, Kopfstützen, Sicherheitsgurte etc.

Die Airbags müssen im Fall des Aufpralls innerhalb von Millisekunden mit einem Argon-Helium-Gemisch, welches separat in einer Stahlpatrone aufbewahrt wird, aufgeblasen werden. Die Belastung ist enorm, es geht um einen konstanten Innendruck von 300 bis 600 bar innerhalb einer Zeitspanne von 15 Jahren, welche die Stahlpatrone überdauern muß. Es werden zurzeit die Stähle 1.4301 (X5CrNi1810) oder 1.4104 (X14CrMoS17) eingesetzt. Der Werkstoff 1.4301 wird ebenfalls bei den Kopfstützen und Sicherheitsgurten verwendet, wo ihre Rolle eher offensichtlich ist.

2.4. Nichtmagnetisierbarkeit

Die Rolle der nichtmagnetisierbaren rostfreien Stähle muss auch erwähnt werden. Um jeden möglichen magnetischen Einfluss auf die Genauigkeit und Funktionsweise der hochwertigen Elektronik zu vermeiden, müssen deren Gehäuse und Befestigungselemente aus nichtmagnetisierbaren austenitischen Stählen hergestellt werden. Dazu können vor allem die Stähle 1.4404 (X2CrNiMo17-12-2) und 1.4435 (X2CrNiMo18-14-3) eingesetzt werden. 

Baustein 3

Aufbauseminar „Was der Härter über seine Arbeit wissen muss“

Das zweite einwöchige Präsenzseminar baut auf dem Einsteigerseminar mit folgenden Themen auf.

Tag 1

• Gleichgewichtsumwandlungen der Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. 
• Austenitbildung und Kornwachstum.
• Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubilder. 
• Gruppenarbeit zu den Vortragsthemen des Vormittags mit Übungen an ZTU-Schaubildern. Vermessung und Auswertung von Abschreckmitteln. Wärmebehandlungsanweisungen für das Härten und Anlassen.

Tag 2

• Prozessgrößen bei Wärmebehandlungen. 
• Prozesstechnik Härten und Anlassen. 
• Randschichthärteverfahren.
• Gruppenarbeit zu den Vortragsthemen mit der Durchführung und Auswertung eines Stirnabschreckversuchs. Gefügebewertung nach dem Härten und Anlassen von unterschiedlichen Stählen.

Tag 3

• Aufkohlen und Carbonitrieren.
• Prozessgase und Prozessregelung beim Aufkohlen.
• Einsatzstähle und Einsatzhärten.
• Gruppenarbeit zu den Vortragsthemen mit der Bestimmung der Einsatzhärtungstiefe und Einhärtungstiefe nach dem Induktivhärten. Gefügebewertung nach dem Einsatzhärten, Randschichthärten, Restaustenitbewertung

Tag 4

• Nitrieren und Nitrocarburieren. 
• Eigenspannungen durch Wärmebehandlungen. 
• Verzug und Maßänderung. 
• Wärmebehandlungsfehler.
• Besprechung individueller Wärmebehandlungsaufgaben der Seminarteilnehmer.

Tag 5