Die richtige Materialauswahl für die optimale Wellenfeder

In nahezu allen Branchen unterstützen die ein- und mehrlagigen Wellenfedern von Smalley Produktdesigner, Ingenieure und Konstrukteure bei der Umsetzung der stetig wachsenden Qualitätsanforderungen bei der Entwicklung moderner Baugruppen. Als besonders raumsparende Federlösung ermöglichen sie Miniaturisierungen, die sich mit konventionellen Runddrahtfedern nicht erreichen lassen. In entscheidendem Maße tragen sie daher zur Realisierung kompakter und innovativer Produkte bei. 

Damit selbst jene Systemhersteller, die Komponenten und Geräte für den Einsatz unter Extrembedingungen fertigen, von diesen Vorteilen profitieren können, arbeitet Smalley kontinuierlich an der Ausweitung seiner Werkstoffauswahl für die Produktion von Wellenfedern. Das spiegelt sich auch wieder im Portfolio von Zulieferer TFC, dem Exklusivanbieter dieser vielseitigen Konstruktionselemente. Konkret heißt das: Die Wellenfedern stehen nicht nur in verschiedenen Carbonstählen und einer Reihe von Edelstählen zur Verfügung, sondern auch in Buntmetallen und vor allem in Superlegierungen, die zugelassen sind für den Einsatz in Petrochemie, Offshore-Industrie, Hochtemperatur-Umgebungen, Luft- und Raumfahrt sowie Ultrahochvakuum-Anwendungen (UHV).

Die Fertigung der Wellenfedern erfolgt im patentierten Circular-Grain-Kantenwickelverfahren von Smalley. Diese einzigartige Technik ist überaus flexibel und eignet sich auch zur Verarbeitung von Superlegierungen. Die gewünschten Materialeigenschaften werden dabei auch durch verschiedene Wärmebehandlungen eingestellt. „Zudem sind keine speziellen Werkzeuge erforderlich, was die Kosteneffizienz der Produktion erhöht – sowohl von Prototypen und Kleinserien als auch von Großserien“, berichtet Johannes Lambertz, der Technische Leiter von TFC.

Wenn es heiß hergeht

Eine häufig für Wellenfedern eingesetzte Superlegierung ist Inconel X-750. Dieser nickel-chrombasierte Werkstoff erhält durch Ausscheidungshärtung einen federharten Zustand und bietet eine hohe Festigkeit sowie eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 370° C. Wärmebehandlungen können die Korrosionsbeständigkeit und andere physikalische Parameter des Materials weiter verbessern. Daneben gibt es weitere Varianten wie etwa Inconel 718 und 625, deren spezielle Eigenschaften – etwa ihre Temperaturfestigkeit von bis zu 700° C – das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten weiter vergrößern. Die Inconel-Typen sind unter anderem zugelassen für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt, der Öl- und Gasförderung sowie auch der Chemietechnik.

Ein ähnliches Eigenschaftsprofil wie Inconel X-750 hat die nickel-eisenbasierte Legierung A286. In federgehärtetem Zustand lässt sie sich bei Temperaturen von bis zu 540°C einsetzen. Über die zuvor genannten Branchen hinaus wird dieses Material insbesondere bei der Konstruktion von Abgasrückführungssystemen und Turboladern für verschiedene Fahrzeug-Plattformen verwendet. Nicht unerwähnt sollte bleiben, dass sich diese Superlegierungen auch für Anwendungen am anderen Ende der Temperaturskala eignen – also für den Tieftemperatureinsatz im kryogenen Bereich. „Hier gelten ähnlich herausfordernde Bedingungen wie im Hochtemperatursektor. Die Wahl des Federwerkstoffs entscheidet dabei maßgeblich über die Funktionssicherheit von Ventilen, mechanischen Dichtungen und Pumpen, die bei der Flüssiggasförderung zum Einsatz kommen“, sagt Johannes Lambertz.

Der Korrosion keine Chance

Ausgelegt auf Anwendungen, in denen Korrosionsbeständigkeit oberste Priorität hat, ist Hastelloy C-276. Diese Nickel-Molybdän-Chrom-Legierung mit Wolfram-Anteil verleiht Wellenfedern eine hohe Resistenz gegen Spalt- und Spannungsrisskorrosion sowie Lochfraß – selbst bei hohen Temperaturen. Der Werkstoff eignet sich daher gut für Wellenfedern, die in Baugruppen der chemischen Industrie zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind mechanische Dichtungen, Druckbehälter und Regelventile.

Elgiloy und MP35N sind hingegen nickel-kobaltbasierte Legierungen, die über hohe Festigkeit und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit verfügen. Häufig werden sie für Unterwasser-Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt, insbesondere wenn im Umfeld saurer Schwefelwasserstoff (H₂S, „sour gas“) auftritt. Im Vergleich zu anderen NACE-zugelassenen Materialien bietet Elgiloy eine verbesserte Beständigkeit gegen Sulfid-Spannungsrisskorrosion.

Über die erwähnten Anwendungen hinaus finden sich im aktuellen Portfolio von TFC auch Smalley-Wellenfedern, die prädestiniert sind für den Einsatz in Lebensmitteltechnik, Medizintechnik, Schiffbau und Automobilindustrie. Zudem stehen die genannten Materialoptionen auch für das gesamte Smalley-Sortiment an Sicherungsringen zur Verfügung – inklusive der Spirolox-, Hoopster-, und Wavering-Ringe sowie dem für hohe Drehzahlen ausgelegten Revolox-Sicherungsring.

Viel Freiraum für innovative Ideen

TFC ist der in Europa führende Anbieter von Smalley-Wellenfedern und Sicherungsringen. Mit technischen Zentren in Großbritannien und Deutschland kann das Unternehmen seine Kunden über den gesamten Entwicklungsprozess begleiten – von der ersten Designberatung über das Prototyping bis hin zur Serienproduktion. „Dabei spielt es keine Rolle, ob eine einzelne Feder für ein spezifisches Projekt benötigt wird oder große Stückzahlen für die Automobil-, Medizin- oder Konsumgüterindustrie zu fertigen sind“, betont Johannes Lambertz.