Focus on piston rods: surface coatings, tensile strength and causes of failure

Eine Kolbenstange mag auf den ersten Blick unscheinbar wirken – doch sie überträgt tonnenschwere Kräfte im Sekundentakt. Gleichzeitig wirken auf sie Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, abrasive Schmutzpartikel oder aggressive Medien.

Wird die Oberfläche beschädigt, folgen Dichtungsversagen, Korrosion oder strukturelle Schwächung – mit unmittelbaren Auswirkungen auf Anlagenverfügbarkeiten und die Sicherheit der Gesamtanlage.

Entscheidend für die Lebensdauer sind drei technische Stellhebel:

1. Werkstoffwahl: Je nach Umgebungsbedingungen, Beständigkeit und Verschleißschutz kommen vergütete Stähle für Standardanwendungen, korrosionsbeständige Edel- oder Duplexstähle oder Spezialwerkstoffe bei erhöhten Korrosions- und Temperaturanforderungen zum Einsatz. Dabei wird die Materialwahl für Hochleistungszylinder gezielt auf Ihre Anforderungen abgestimmt.

2. Oberflächenbehandlung: Ob Hartverchromung, chemisches Vernickeln oder thermisches Auftragsschweißen – die Beschichtung muss sowohl gegen Verschleiß als auch gegen Umwelteinflüsse – wie etwa durch Salzwasser oder aggressive Chemikalien – schützen. Die Auswahl erfolgt anforderungsspezifisch und in Abstimmung mit dem Dichtungskonzept.

3. Konstruktive Auslegung: Insbesondere bei langen oder schlanken Kolbenstangen muss die Knickstabilität verlässlich nachgewiesen sein. Nur so kann das Bauteil dauerhaft unter Druck arbeiten, ohne das Risiko eines Totalausfalls.

Ebenso ist die Ausführung der Verbindung zwischen Kolben und Stange von zentraler Bedeutung. Ob in einteiliger Ausführung für Pressenzylinder, in zweiteiliger Ausführung mit Gewindeverbindung für druckbelastete Hydraulikzylinder für Krane oder in einer auf den Anwendungsfall abgestimmten Sonderlösung – die richtige Wahl ist entscheidend für den wirtschaftlichen und konstruktiven Erfolg des Projekts.

Korrosions- und Verschleißschutz: Oberflächenbeschichtungen + Materialwahl im Zusammenspiel

Ob Hydraulikzylinder im Tage- oder Bergbau, in Offshore-Anlagen oder in einem Chemiepark: Hydraulikzylinder unter Extrembedingungen stellen eigene Anforderungen an den Korrosions- und Verschleißschutz. Darum entscheidet die Wahl von Grundwerkstoff und Beschichtung unmittelbar über Lebensdauer, Wartungsaufwand und Total Cost of Ownership (TCO).

Die Umgebung definiert den Schutzbedarf:

• abrasiver Staub (z. B. im Bergbau) schleift Riefen in die Oberfläche

• Salzwasser + UV (z. B. Offshore) greifen den Stahl und den Korrosionsschutz an

• aggressive Medien (z. B. in der Chemie) fördern Spannungsrisse und können zu Versprödung führen

Je nach Anforderung kommen unterschiedliche Beschichtungstechnologien zum Einsatz: Zu den bewährten Lösungen zählen Hartverchromung (kosteneffizient, jedoch durch regulatorische Auflagen zunehmend eingeschränkt) chemisches Vernickeln (ENP) für simultanen Abrasions- und Korrosionsschutz oder Laserauftragsschweißungen (auch Laser-Cladding) für besonders dichte und widerstandsfähige Schichten. Jede dieser Technologien bringt spezifische Stärken und Schwächen mit sich und spielt – je nach Anwendungsfall – eine unterschiedliche Rolle bei der Auslegung von Hochleistungszylindern.

Dabei gilt: Der Korrosionsschutz ist nur so wirksam, wie die Kombination aus Beschichtung und passendem Grundwerkstoff.

Knickstabilität verlässlich nachweisen: Euler, DNV oder FEM?

Schlanke Langhubzylinder müssen extreme Druckkräfte aufnehmen, und arbeiten oftmals drückend. Wird die kritische Drucklast überschritten, knickt die Kolbenstange – ohne Vorwarnung, aber mit Totalausfall und hohem Sicherheitsrisiko für Menschen.

Um dieses Szenario bereits in der Auslegung auszuschließen, stehen drei Berechnungsmethoden zur Verfügung:

1. Euler-Formeln

Klassisch und schnell, aber nur begrenzt aussagekräftig, bei realen Geometrien und Einbausituationen, konservativ

• Berücksichtigt nur ideale Stabmodelle und ein konstantes Flächenträgheitsmoment.

• Führt bei realen Zylindern oft zu Überdimensionierung und damit zu mehr Gewicht und höheren Kosten.

2. DNV-Richtlinie (z. B. DNV-RP-C204)

Branchenbewährt und etwas differenzierter als die Euler-Formeln

• Betrachtet Flächenträgheitsmomente von Kolbenstange und Zylinderrohr getrennt.

• Vernachlässigt jedoch Durchbiegung durch Eigengewicht, Führungsspiel oder exzentrische Querlasten. Deshalb wird ein hoher Sicherheitsfaktor angesetzt.

3. Finite-Elemente-Methode (FEM)

State-of-the-art und exakt auf den individuellen Anwendungsfall zugeschnitten

• Bildet reale Belastungen, nicht lineare Kontaktbedingungen, Spaltmaße und Durchbiegung präzise ab.

• Liefert einen validen Sicherheitsnachweis inklusive Auswertung der maximalen Durchbiegung und ermöglicht eine materialsparende, zugleich sichere Konstruktion.

• Besonders bei langen und dünnen Kolbenstangen, die beispielsweise als Hydraulikzylinder für Krane eingesetzt werden, ist eine reale Abbildung ausschlaggebend, um Sicherheit zu gewährleisten und Überdimensionierung zu verhindern.

Werkstoffwahl und Wärmebehandlung – oft missverstanden

Ein häufiger Irrglaube besteht darin, dass sich die Knicklast einer Kolbenstange durch Wärmebehandlung oder eine höhere Streckgrenze steigern lässt. Tatsächlich hängt das elastische Knicken ausschließlich vom Elastizitätsmodul (E-Modul) des Werkstoffs ab – und dieser ist bei allen gebräuchlichen Stählen nahezu identisch. Härte, Festigkeit oder Streckgrenze haben darauf keinen signifikanten Einfluss.

Die Werkstoffwahl richtet sich daher primär nach anderen Kriterien:

• Vergütete Stähle bieten eine harte, verschleißfeste Oberfläche bei gleichzeitig zähem Kern – ideal für dynamisch beanspruchte Anwendungen.

• Nichtrostende Stähle kommen zum Einsatz, wenn Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund steht.

• Bei Gewindeverbindungen oder anderen Schwachstellen kann die lokale Festigkeit des Werkstoffs durchaus relevant sein – etwa zur Vermeidung plastischer Verformung oder Ermüdung.

Wärmebehandlung und Werkstoffwahl beeinflussen also nicht die Knicklast, wohl aber das Gesamtverhalten der Kolbenstange unter Schlag- oder Oberflächenbelastungen – und sind daher für die Lebensdauer entscheidend, wenn auch nicht für die Stabilität im Euler’schen Sinn.

Wirksame Maßnahmen zur Lebensdauerverlängerung

Drei Säulen der Schadensprävention:

• 1.

  Oberflächenoptimierung

  • Oberflächenbearbeitung senkt Rautiefe und vermindert Kerben.

  • Für geringe Reibung, reduzierte Kerben und verbesserten Dichtungskontakt.

• 2.

  Betriebsmittel & Dichtung

  • Abgestimmte und hochwertige Dichtungssysteme

  • Additivierte Hydrauliköle reduzieren Mischreibung und Korrosion.

• 3.

  FEM-basierte Auslegung & Knicknachweis

  • Finite-Elemente-Simulation bildet Durchbiegung, Spaltmaße und nicht lineare Kontakte realitätsnah ab.

  • Verhindert Über- wie Unterdimensionierung, liefert einen belastbaren Sicherheitsnachweis und spart Gewicht.

Ergebnis: Durch diese drei ineinandergreifenden Maßnahmen sinkt das Schadenrisiko drastisch, planmäßige Wartungen werden kalkulierbar, und die Kolbenstange wandelt sich vom potenziellen Schwachpunkt zur robusten Langzeitkomponente.

Fazit: So werden Kolbenstangen vom Verschleißteil zur Dauerlösung

In Hydraulikzylindern entscheidet die Kolbenstange über Betriebssicherheit und Lebensdauer. Wer Werkstoff, Beschichtung, Härtung und Auslegung präzise auf den Einsatzfall abstimmt, reduziert ungeplante Ausfälle und senkt langfristig die Betriebskosten.

So wird die Kolbenstange nicht zum Risiko – sondern zum verlässlichen Kraftpfad im System.