Mobile Maschine mit Druckzylinder, Bild: © Kybele - Fotolia.com

Hydraulikzylinder müssen viel aushalten. Dabei sorgen bestimmte Werkstoffe für mehr Leistung und Sicherheit. Bild: © Kybele - Fotolia.com

Hydrauliksysteme entfalten ihre Vorteile, wenn große Lasten bewegt werden. Hier reichen die Anwendungsspektren vom Schrauber über den Bagger bis zur Fregatte. Das hat Werkstoffentwickler auf den Plan gerufen, die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Technik zu erhöhen. Denn eines ist klar: Hydraulikzylinder sind bei schwankenden Temperaturen erheblichen Lasten ausgesetzt. Wirkt zum Beispiel auf einen Pumpenkolben der Fläche von 0,5 Quadratzentimeter die Kraft von 100 Newton, kann das einen Druck von 20 bar erzeugen. Dieser statische Druck wirkt dann auf einen Presszylinder. Er kann eine Kraft von 8000 Newton erzeugen und dann etwa 800 Kilogramm hochheben.

Ein Unternehmen mit beträchtlichem Know-how in diesem Bereich ist Salzgitter Mannesmann Precision in Mülheim an der Ruhr. Das Unternehmen hat Tradition, wie man beim Betreten des Betriebsgeländes schnell bemerkt, denn einige Gebäude weisen auf die im Ruhrgebiet verbreitete Industriekultur hin. Nach der wechselvollen Geschichte des Mannesmannkonzernes gehört Mannesmann Precision nun zum Salzgitter-Konzern mit seinen zahlreichen Tochter- und Beteiligungsgesellschaften.

Dr. Andreas Meißner, Bild: Salzgitter Mannesmann Precision GmbH
Dr. Andreas Meißner, Leiter Technische Beratung/Produktentwicklung für die Geschäftsbereiche Industrie und Energie bei Salzgitter Mannesmann. Bild: Salzgitter Mannesmann Precision GmbH

Hier ist auch der Arbeitsplatz von Dr. Andreas Meißner, Leiter Technische Beratung/Produktentwicklung für die Geschäftsbereiche Industrie und Energie. Ein Hauptprodukt sind Präzisionshalbzeuge in Form von Rohren für die Produktion von Hydraulikzylindern. Diese Rohre werden in einem Kaltverformungsprozess hergestellt, darunter verstehen die Experten eine plastische Verformung von Metallen unterhalb der Raumtemperatur.

Ein Beispiel aus der Alltagswelt ist das Verformen von Blech bei Autounfällen. Dieses ist jedoch ein ungerichteter Prozess im Vergleich zu Fertigungsverfahren. Hierfür ist Meißner Profi, denn er begann seine Laufbahn in der Stahlforschungsabteilung des Konzerns und beschreibt die Produkte so: „Wir stellen Präzisionsrohre her, mit denen Toleranzen enger eingestellt werden können.“ Das ist bei der Produktion von Hydraulikzylindern, die eine hohe Belastungsresistenz bei hohen Drücken benötigen, ein Vorteil.

Normentwurf EN 13001-3-6

Hydraulikzylinder, Bild: Salzgitter Mannesmann Precision GmbH
Bei Hydraulikkomponenten kommt es auf Präzision an. Hier ist Spezialwissen und Know-how gefragt. Bild: Salzgitter Mannesmann Precision GmbH

Im Gespräch weist er schnell auf den zur Zeit in der Branche diskutierten Normentwurf EN 13001-3-6: 2016 hin, und beschreibt diesen mit einem anschaulichen Beispiel aus der Alltagswelt, mit der berühmten Kesselformel: „Dabei wird der Druck so groß, dass die Haut aufreißt. Man kann beobachten, dass dies immer in Längsrichtung geschieht.“ Der Grund hierfür ist, dass die Spannung in Umfangrichtung immer doppelt so hoch ist wie in Längsrichtung. Daher platzt auch die Wurst in Längsrichtung. Bei Überlastung können auch Hydraulikzylinder aufreißen. Diesem Phänomen soll in der neuen Norm Rechnung getragen werden.

Schäden an Hydraulikzylindern können fatale Folgen haben. Dies kann der Fall sein beim Hydraulikzylinder, wenn dieser überlastet wird und das Sicherheitsventil reißt, erklärt Meißner. Hierdurch können die Lasten abstürzen, schlimmstenfalls kommt es zu einer Splitterbombenwirkung. „An diesem Punkt setzt unser Sicherkonzept ein“, meint Meißner, „denn um diese Schadensfälle zu vermeiden, benötigen Sie eine Mindestzähigkeit des Werkstoffes.“ Die beschreibende Größe hierzu ist die Kerbschlagarbeit. Bei der Kerbschlagarbeit ist zu unterscheiden zwischen Streckfestigkeitsgrenze und Zugfestigkeit. Mit der Streckfestigkeitsgrenze wird die Grenze zu einer plastischen Verformung erklärt. Sie ist die Auslegungsgrundlage für die Zylinder. Hier ist eine gewisse Reserve der Auslegung der Hydraulikzylinder einzuhalten.

Die Zähigkeit des Werkstoffes

Mit der Zugfestigkeit beschreiben die Ingenieure Grenzen zur Bauteilzerstörung bei Belastungen. Wichtig ist die Zähigkeit des Werkstoffes, denn bei einem spröden Material wird der Riss zu Zerstörungen führen. Hierzu hat Meißner mit seinen Kollegen neue Werkstoffe entwickelt, die eine deutlich höhere Festigkeit als die Standardwerkstoffe des Unternehmens bieten. Bei den Auslegungen können so dünnere Wände realisiert werden, die dann zu Gewichtsreduktionen bei mobilen Einsätzen führen. Auch bieten die Werkstoffe hohe Zähigkeitsreserven und damit hohe Sicherheitsreserven gegen mehrteiliges Zerlegen. Deswegen werden Werkstoffe mit ausgewählten Legierungselementen verwendet. Die Forschungsabteilung des Stahlkonzernes fertigt hierzu Versuchsschmelzen in einer Chargengröße von 200 bis 300 Kilogramm an.

Mit den Mustern auf der Basis dieser definierten Legierungen werden dann Versuche durchgeführt. Wichtig ist es den ganzen Prozess zu betrachten, da sich auch hierdurch die Eigenschaften verändern können, so Meißner. Bei einem positiven Versuchsergebnis wird dann eine Charge von mehreren 100 Tonnen beim Stahlwerk bestellt, und es können die gewünschten Halbzeuge produziert werden. Dem Produktkatalog des Unternehmens können die physikalischen Eigenschaften sowie die grobe chemische Zusammensetzung entnommen werden.

Druck im Hydraulikzylinder, Bild: Salzgitter Mannesmann Precision GmbH
Die Drücke in Hydraulikanlagen liegen oft in der Größenordnung von 300 bar. Die hierbei wirkenden Kräfte müssen durch eine durchdachte Bauweise in die richtige Richtung gelenkt werden. Bild: Salzgitter Mannesmann Precision GmbH