gradientenstahl innovative korrosionsarme materialien für ... · surface layer modification (slm)...

Property of Mubea - Copyright ©

Gradientenstahl – Innovative korrosionsarme

Materialien für Federn

Prof. Dr. rer. nat. Robert Brandt, Universität Siegen

Dr.-Ing. Jörg Neubrand, Mubea Fahrwerksfedern GmbH

Nürnberg, 27. - 28. Februar 2014

Förderprojekt

3 Vorstellung der Mubea Unternehmensgruppe

4 Gradientenstahl

Gliederung

Vorstellung des Lehrstuhls

1

2

Property of Mubea - Copyright ©4

1000120014001600180020002200240026002800

1992 1994 1996 1998 2002 2004 2008Mass per Unit in g 1,01,11,21,31,41,51,6 Level of Strain

Förderprojekt

Förderprojekt Thüringen GreenTech

Gefördert werden „grüne Technologien“:

Zum Beispiel: Umweltfreundliche Energieformen, Nachhaltige Mobilität, Rohstoff-

und Materialeffizienz

Förderung durch:

Den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und den Europäischen

Sozialfonds (ESF)

Projektdaten:

Name: Innovative Achsfeder

Laufzeit: bis Ende 2014

Schwerpunkt: Randschichtmodifikation von Silizium-Chrom-Stählen am

Beispiel einer Tragfeder


1000120014001600180020002200240026002800


Förderprojekt

Lehrstuhl für Materialkunde

und Werkstoffprüfung

Lehrstuhl für Werkstoffsysteme

für den Fahrzeugleichtbau

Dr.-Ing. Timm Bauschke

Dipl.-Ing. Alexander Tump

Prof. Dr.-Ing. habil. Hans-Jürgen Christ

Dr.-Ing. Arne Ohrndorf

Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. Horst Weiß

Prof. Dr. rer. nat. Robert Brandt

Förderprojekt

3 Vorstellung der Mubea Unternehmensgruppe

4 Gradientenstahl

Gliederung

Vorstellung des Lehrstuhls2

1


1000120014001600180020002200240026002800


Vorstellung der Universität Siegen

Fahrzeugleichtbau

Robert Brandt

Lehrstuhl Werkstoffsysteme für den Fahrzeugleichtbau

an der Universität Siegen


1000120014001600180020002200240026002800


Departments der Universität Siegen

Fakultät I:

Philosophische Fakultät

Fakultät II:

Bildung – Architektur - Künste

Fakultät III:

Wirtschaftswissenschaften,

-informatik und -recht

Fakultät IV:

Naturwissenschaftlich-

Technische Fakultät

Departments:

• Bauingenieurwesen

• Maschinenbau

• Elektrotechnik – Informatik

• Chemie - Biologie

• Mathematik

• Physik


1000120014001600180020002200240026002800


Werkstoffsysteme für den

Fahrzeugleichtbau

1. Leichtbau mit hochfesten Stählen

Wasserstoffinduzierte Spannungsrißkorrosion, Korrosionsschutz, Korrosionswiderstand,

Eigenspannung

2. Leichtbau mit funktionsoptimierten Werkstoffeigenschaften (Tailored

Properties)

Metallische Werkstoffe, gradierte Werkstoffe, Gefügebildung und –beschreibung,

Optimierung von Prozessen und Werkstoffen

3. Leichtbau mit Verbundmaterial und hybriden Werkstoffen

GFK und CFK, Verbindungs- und Klebetechnologie, Betriebsfestigkeit


1000120014001600180020002200240026002800


Werkstoffsysteme für den

Fahrzeugleichtbau

Start der Professur im Januar 2013

2 Doktoranden

2 administrative und technische Mitarbeiter

3 externe Doktoranden

6 studentische Hilfskräfte

Geplant für 2014

1 technischer Mitarbeiter

2 wissenschaftliche Mitarbeiter


1000120014001600180020002200240026002800


Artur-Woll-Haus

Förderprojekt

Vorstellung der Mubea Unternehmensgruppe

4 Gradientenstahl

Gliederung


3

1


1000120014001600180020002200240026002800


Vorstellung der Mubea

Unternehmensgruppe

Mubea Produktportfolio

Antrieb

Fahrwerk

Karosserie

Interieur

Mubea beliefert mit Federn und technologisch verwandten Produkten als innovativer Leichtbauspezialist

alle Automobilhersteller weltweit.


1000120014001600180020002200240026002800


Beitrag zur CO2 - Reduzierung

Die konsequente Anwendung der Mubea-Innovationen ermöglicht eine Reduzierung des Gewichts von

mehr als 25 kg pro Fahrzeug.

Fahrwerk Karosserie Antrieb

Reduzierung von:

Gewicht

Reibung

Gewichts-

einsparung

CO2-Reduzierung

(g CO2 / km)

~ 10 kg ~ 10 kg ~ 7 kg

~ 1 g ~ 1 g

~ 0,7 g

zzgl. Effekte durch

Reibungsreduzierung

Hohes Potential Mittleres Potential Kein Potential


1000120014001600180020002200240026002800


Wettbewerbsfähigkeit als

Komponentenspezialist

ProzessentwicklungProduktentwicklung

Gewichtsoptimiertes

Produktdesign

Mubea‘s Wettbewerbsfähigkeit als Komponentenspezialist beruht auf der Optimierung von Produkt und

Prozess sowie auf der Kompetenz in der Produktion von Vormaterial und in Low-Cost-Countries.

Produktion in Low-Cost-CountriesProduktion Vormaterial

Prostejov, Tschechien

Integrierte

Produktionsprozesse und

eigener Werkzeugbau

In-house

Vormaterialproduktion


1000120014001600180020002200240026002800


Globale Aufstellung

Produktionsstandort

Entwicklungsstandort

Mubea versteht sich als Familienunternehmen mit hoher Flexibilität, kurzen Entscheidungswegen und

einer an langfristigem Erfolg ausgerichteten Unternehmenskultur.

Industrie

DIVISIONEN

Fahrwerk Karosserie CFK Antrieb Interieur

RE

GIO

NE

N

Europa

Finanzen /

Controlling / IT

Einkauf /

Logistik

Recht / Energie

Marketing /

Vorentwicklung

Personal

Fertigungs-

technologien

Qualität / MPS

ZE

NT

RA

LB

ER

EIC

HE

Nordamerika

Südamerika

Asien

Kundenzufriedenheit


1000120014001600180020002200240026002800


Mitarbeiterentwicklung

2.200

2.900

3.800

5.000

5.600

8.700

Deutschland

restl. Europa

USA

Mittel- und

Südamerika

Asien

1998 2001 2004 2007 2010 2013

Mit

arb

eit

erza

hl

300 Ingenieure in Forschung und Entwicklung

Implementierung der Dualen Berufsausbildung

weltweit (D,CZ,CN)

Kooperation mit lokalen Hochschulen und

Instituten: Duales Studium/Praktika/

Fach- und Diplomarbeiten/Promotionen

Führungskräfteausbildung: Meister-/

Teamleitertraining, Junior Management

Programm, Mubea Management Programm

Fortlaufende gezielte Fachtrainings in allen

Bereichen

weltweite technische Ausbildung

Interne Karriereoptionen

Möglichkeit zum Einsatz an den weltweiten

Mubea Standorten

Mubea‘s erfolgreiches Wachstum basiert auf konsequenter Mitarbeiterentwicklung.


1000120014001600180020002200240026002800


Produktionsmengen und

Marktposition

Mubea strebt für all seine Produktgruppen technologische bzw. Volumen-Marktführerschaft an.

Produktgruppe Volumen 2012 Marktposition

MOTOR

Ventilfedern

Riemenspannsysteme

Federbandschellen

315 Mio.

7 Mio.

836 Mio.

#1 weltweit

#2 in Europa

#1 weltweit

FAHRWERKAchsfedern

Stabilisatoren

64 Mio.

16 Mio.

#1 weltweit

#2 weltweit

GETRIEBEGetriebefedern

Rohrwellen

78 Mio.

2 Mio.

#1 weltweit

Industry first

KAROSSERIE /

INTERIEUR

Tailor Rolled Products

CFK-Produkte

Kopfstützbügel

113 Tsd. t

45 Tsd.

33 Mio.

Industry first

#1 in Europa

#1 in Europa


1000120014001600180020002200240026002800


Umsatzentwicklung und Kunden

Mubea beliefert alle Automobilhersteller weltweit und strebt auch in den kommenden Jahren

ein kontinuierliches Wachstum an.

550

710

820

920

Um

sa

tz in

Mio

. €

2004 2006 2008 2010 2012

1.320

2013B

> 1.450


1000120014001600180020002200240026002800


Zusammenfassung

Mubea hat das Ziel, als Leichtbauspezialist weltweit zu den

„TOP 100 Automobilzulieferern“ zu gehören.

Innovativer Leichtbauspezialist für Federn und technologisch verwandte Produkte

Leichtbaupotential von bis zu 25 kg pro Fahrzeug und entsprechende CO2-Reduktion durch

konsequente Anwendung der Mubea-Innovationen

Wettbewerbsfähigkeit als Komponentenspezialist durch Optimierung von Produkt und Prozess

sowie Kompetenz in der Produktion von Vormaterial und in Low-Cost-Countries

Familienunternehmen mit hoher Flexibilität, kurzen Entscheidungswegen und einer an

langfristigem Erfolg ausgerichteten Unternehmenskultur

Solide Kapitalstruktur und schnelle Anpassungsfähigkeit an neue Marktbedingungen

Weltweite Präsenz in Produktion, Entwicklung und Vertrieb

Erfolgreiches Wachstum durch konsequente Mitarbeiterentwicklung

Markt- und/oder Technologieführerschaft für alle Produktgruppen

Förderprojekt

Vorstellung der Mubea Unternehmensgruppe

Gradientenstahl

Gliederung


1

4

3


Entwicklung der Mubea Technologie

- 1995: Hochfestes Material

- 1997: Spannungskugelsstrahlen

- 2003: High Performance Process (HPP)

• Steigerung der Beanspruchbarkeit

• Steigerung der Robustheit

Ziele

- Gewichtsreduktion um 10%

- erhöhte Robustheit

- verbesserter intrinsischer Korrosionsschutz

1000120014001600180020002200240026002800


Um bei erhöhter Robustheit weitere Gewichtsreduktion zu erreichen, hat Mubea die

Surface Layer Modification (SLM) Technologie für Achsfederdraht entwickelt.

Umsetzung

- Prozessoptimierung SLM + HPP2

Zielsetzung


SLM ist eine modifizierte und innovative Prozesstechnologie für die Inductive

Tempered Wire (ITW) Produktion.

Inductive Tempered Wire (ITW)

- 1995: Inhouse Fertigung

- induktiv vorvergüteter Federdraht für

höchstbeanspruchte Leichtbaufedern

- homogene, feinkörnige Gefüge

- Zugfestigkeiten bis Rm = 2100 MPa.

High Performance Process 2 (HPP2)

- 2008: Schleifen der Oberfläche

- Entfernen von Oberflächenfehlern

- Eliminierung von Randentkohlung

- Erhöhung der Beanspruchbarkeit

Surface Layer Modification (SLM)

- 2012: innovativer Gradientenwerkstoff

- weitere Erhöhung der BeanspruchbarkeitSchleifen (HPP2)

1000120014001600180020002200240026002800


Mubea Drahtfertigung


- Korrosion, ausgehend von der

Oberfläche (I)

- Risse und Randentkohlung an der

Oberfläche (I)

- Druckeigenspannungen an der

Oberfläche durch HPP

- nichtmetallische Einschlüsse (III)

Beanspruchbarkeit einer Feder

Drahtquerschnitt

30 µm

Draht

ungeschliffen

IIII

500 µm

Nichtmetallischer

Einschluss

500 µm

KorrosionsnarbeHPP

Eig

enspannungs

Tiefe

Zug

Dru

ck

1000120014001600180020002200240026002800


Beanspruchbarkeit


- Reduktion der Rissausbreitungs-

geschwindigkeit (II)

- Druckeigenspannungen an der

Oberfläche durch HPP

- Risse und Randentkohlung an der

Oberfläche (I)

- nichtmetallische Einschlüsse (III)

- Korrosion, ausgehend von der

Oberfläche (I)

Beanspruchbarkeit einer Feder

Erhöhung der Beanspruchbarkeit

- optimierte Druckeigenspannung (III)

SLM

IIII

- Entfernung randschichtnaher

Risse und Randentkohlung in (I)

- Vermeidung von Rissbildung (I)

SLM

HPP2

II

SLM ermöglicht erhöhte Beanspruchbarkeit der Feder durch Optimierung der

Randschicht des Federdrahtes.

HPP2

HPP2

Draht

geschliffen

HPP

Eig

enspannungs

Tiefe

Zug

Dru

ck

1000120014001600180020002200240026002800


Beanspruchbarkeit


- Reduktion der Rissausbreitungs-

geschwindigkeit (II)


- optimierte Druckeigenspannung (III)

- Vermeidung von Rissbildung (I)

SLM Konzept

- Erhöhung der Bruchzähigkeit KIc

durch Absenkung der Festigkeit in der

Randschicht

- Erhöhung der Setzfestigkeit durch

Anhebung der Härte im Kern

- Härtegradient an der Oberfläche liefert

ein optimiertes Eigenspannungsprofil

SLM bewirkt eine erhöhte Bruchzähigkeit in der Randschicht, ein verbessertes

Setzverhalten sowie ein optimiertes Druckeigenspannungsprofil.

500

550

600

650

700

0 1 2 3

Abstand zur Oberfläche in mm

Härt

e i

n H

V1

Serie 2000 MPa

I - III

SLM 2100 MPa

SLM

54SiCr6

Bru

ch

zäh

igk

eit

KIc

in M

Nm

-3/2

Mittlere Härte in HV

0

20

40

60

80

485 545 606 667

1000120014001600180020002200240026002800


Beanspruchbarkeit


- Einstellung der Kernhärte analog zum

ITW-Verfahren

- Einstellung der Randhärte mittels

zusätzlicher Erwärmeinheit für eine

geänderte Temperaturführung

Darstellung des Festigkeitsgradienten

Festigkeitsdefinition für SLM-Draht

SLM basiert auf der Absenkung der Härte in der Randschicht des Federdrahts sowie

der Anhebung der Härte im Kernbereich.

- Randschichtfestigkeit = 1700 MPa

- Kernfestigkeit = 2100 MPa

- resultierende, integrale Festigkeit

2050 MPa

Härt

e in H

V1

T2

Anlassspulen SLM Kühlstation

H2OT1

1000120014001600180020002200240026002800


Umsetzung in der Produktion


Auslegungsgrenze Schubspannung

SLM bietet ein Gewichtsreduktionspotential für alle Federtypen

von 10% durch den Einsatz von SLM und HPP2.

Gewichtsreduktion

- SLM and HPP2: bis zu 10%

- unabhängig vom Federtyp

HPP2 + SLM1200

1250

1300

1350

1400

HPP

Sc

hu

bsp

an

nu

ng

in

MP

a

+5%

HPP2 + SLM0,8

0,9

1,0

1,1

HPP

Bezo

ge

ne

s G

ew

ich

t

-10%

10%-Gewichtsreduktion

5%-Schubspannungs-

erhöhung

13501280Maximale

Schubspannung

tk,max in MPa

SLM + HPP2HPP

1000120014001600180020002200240026002800




SLM bietet ein Gewichtsreduktionspotential von mehr als 20% durch den Einsatz von

SLM und HPP2 sowie der Achsfeder New Generation Technologie.

SL

HPP

Optimierung

- Basis ist die Mubea SL-Feder mit HPP

SL NG;

HPP2 + SLMSL NG

HPP

- 1. Optimierung mit New Generation

- 2. Optimierung mit HPP2 und SLM

50 mm44 mm

0

400

800

1200

1600

0 1 2 3 4 5 6

Windungsort

Sc

hu

bs

pa

nn

un

ge

n in

MP

a

SL HPP

SL NG HPP

SL NG HPP2 + SLM

1,62

(- 22%)

1,82

(-12%)

5044

4,24,6

13501280

2,07Masse in kg

-Reduzierung

Bauhöhen in mm

5,8Anzahl der

Windungen nt

1170Max. Spannung

tk,max in MPa

SL NG

HPP2

SLM

SL NG

HPP

SL

HPP

1000120014001600180020002200240026002800


Gewichtsreduktion für SL Federn


- Prüfung bis zum Bruch

- Auswertung der Anzahl der Zyklen

SLM erlaubt die Substitution von teuren, korrosionsresistenten Stählen durch

Federstahl 54SiCr6.

Schwingungsrisskorrosion

- systematische Vorschädigung der

Beschichtung

- 24 h: Salzsprühnebel, Heißtrocknen,

Tauchen im Salzbad und Trocknen

- 150.000 LW mit Prüfhub

Spannungsrisskorrosion

- unbeschichtete Federn

- vorgespannt in verdünnte Schwefelsäure

- Prüfung bis zum Bruch

- Auswertung der Zeitdauer in Tagen

0

1

2

3

4

Zykle

n b

is z

um

Bru

ch

KRSt 54SiCr6 54SiCr6 + SLM

KRSt 54SiCr6 54SiCr6 + SLM

0

10

20

30

Tag

e b

is z

um

Bru

ch

40

1000120014001600180020002200240026002800


Substitution von

korrosionsresistenten Stählen


SLM bewirkt ...

- eine erhöhte Bruchzähigkeit in der Randschicht.

- ein verbessertes Setzverhalten.

- optimierte Druckeigenspannungen an der Oberfläche.

SLM basiert auf ...

- der Absenkung der Härte in der Randschicht des Federdrahts.

- der Anhebung der Härte im Kernbereich.

SLM bietet ...

- Kompatibilität mit dem High Performance Process (HPP).

- ein Gewichtsreduktionspotential von 10% in Verbindung mit Schleifen (HPP 2).

- Kompatibilität mit der Achsfeder New Generation Technologie.

- Robustheit und damit die Möglichkeit zur Substitution von teuren, korrosionsresistenten tählen durch Federstahl 54SiCr6.

SLM ist prozesssicher, reif und in Anwendung.

Um bei erhöhter Robustheit eine weitere Gewichtsreduktion zu erreichen, hat Mubea

die innovative Prozesstechnologie SLM für Achsfederdraht entwickelt.

1000120014001600180020002200240026002800


Zusammenfassung


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

1000120014001600180020002200240026002800


gradientenstahl innovative korrosionsarme materialien für ... · surface layer modification (slm)...

Documents