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Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen und
Konstruktionselementen, von denen eine hohe
Dauerschwingungsfestigkeit verlangt wird
Von den auf Schwingung beanspruchten Stahlgegenständen, insbesondere Federn, wird eine möglichst hohe Dauerschwingungsfestigkeit verlangt, die von der Festigkeit und Streckgrenze des Stahles sowie vom Oberflächenzustand der Werkstücke abhängt.
Eingehende Untersuchungen führten zu der Erkenntnis, dass die Dauerfestigkeit von Federstählen durch den Phosphorgehalt des Stahles wesentlich beeinflusst wird, u. zw. vielfach stärker als durch die Streckgrenze und Festigkeit des Stahles oder die Wärmebehandlung und Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes.
Man hat zwar bereits für Blattfedern höchster, Beanspruchung Phosphorgehalte von 0, 0350 ; 0 und für höchstwertige Federdrähte solche von 0, 02 5% als oberste Grenze vorgeschlagen. Eine weitere Erniedrigung des Phosphorgehaltes wurde für derartige Stähle aber bisher nicht für erforderlich erachtet, weil in der einschlägigen Literatur darüber hinausgehende Hinweise auf den Einfluss des Phosphors auf die Dauerfestigkeit fehlen.
Erfindungsgemäss sollen zur Herstellung von Gegenständen und Konstruktionselementen, wie z. B. Federn, von denen eine hohe Dauerschwingungsfestigkeit gefordert wird, legierte oder unlegierte, warm vergütbare Federstähle üblicher Zusammensetzung, jedoch mit der Massgabe verwendet werden, dass deren Phosphorgehalt weniger als 0, 015%, vorzugsweise weniger als 0, 012% beträgt. Diesem Vorschlage liegt mit Rücksicht auf den oben dargestellten Stand der Technik eine überraschende Erkenntnis zugrunde, die keineswegs in der bisher angestrebten Entwicklungslinie gelegen ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende neue Erkenntnis, dass der Phosphor die Dauerschwingungsfestigkeit eines Stahles stark beeinträchtigt, erklärt sich offenbar aus der starken Seigerung des Phosphors. Es hat sich herausgestellt, dass bereitsPhosphorgehalte von0, 015% und mehr zur Bildung eines ternären Phosphideutektikums mit über 10 Phosphor an den Korngrenzen des Primärgefüges führen, das durch die übliche Warmverarbeitung und Wärmebehandlung nicht beseitigt wird. Als Folge der Einlagerung der spröden phosphorreichen Phase im Gefüge ergeben sich innere Anürüche bei schwingender Beanspruchung, die zum vorzeitigen Bruch des Werkstoffes führen.
Bei Phosphorgehalten unter 0, 015%, vorzugsweise jedoch unter 0, 012%, tritt ein ternäres Phosphideutektikum bei den Federstählen normaler Zusammensetzung nicht mehr auf, so dass die Dauerfestigkeit durch denPhosphorgehalt nicht mehr wesentlich beeinträchtigt wer- den kann. Auch genügt bei so geringen Gehalten der während der Warmformgebung eintretende geringe Konzentrationsausgleich durch Diffusion, um ein ausreichend homogenes Gefüge selbst in den immer stärker zur Seigerung neigenden Teilen aus dem Blockkopf zu erhalten.
Die Erkenntnis, dass die Dauerfestigkeit von Federstählen durch deren Phosphorgehalt vielfach stärker als durch ihre Festigkeitseigenschaften, ihre Wärmebehandlung und Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst werden kann, stellt aber einen wesentlichen technischen Fortschritt dar, weil diese Erkenntnis einen sicheren Weg angibt, auf dem deren hohe Dauerschwingungsfestigkeit erreicht werden kann. Hinzu kommt noch, dass die erfindungsgemäss zusammengesetzten Federstähle gegenüber den bisher bekannten auch gegen äussere Einflüsse, wie z. B. Oberflächenfehler, wesentlich unempfindlicher sind und daher nur einen geringen Aufwand bei ihrer Verarbeitung erfordern.
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Die sich n nicht vorauszusehender Weise ergebende unerwartete Steigerung der Dauerschwingungsfestigkeit der erfindungsgemäss zu verwendenden Stähle bestimmten Phosphorgehaltes geht aus dem beiliegenden Diagramm hervor, das die Abhängigkeit der Dauerschwingungsfestigkeit von Blattfedern von deren Phosphorgehalt widergibt. Dieses Diagramm zeigt, dass die Veränderung der Lastwechselzahl bis zum Bruch der Feder eine unstetige Funktion des Phosphorgehaltes ist und die optimale Dauerschwingungsfestigkeit unter gegebenen Beanspruchungsverhältnissen erst bei unter 0, 0150/0 Phosphor gelegenen Werten erreicht wird. Aus dem Diagramm ist auch ersichtlich, dass die Breite des Streubereiches von der Kristallseigerung des Phosphors abhängig ist und naturgemäss mit steigenden Phosphorgehalten zunimmt.
Die als schädlich erkannte Wirkung eines höheren Phosphorgehaltes, auch wenn er unter der Grenze aller üblichen Phosphorgehalte liegt, kann durch eine Diffusionsglühung gemildert werden. Jedoch sind dafür Diffusionstemperaturen zwischen 1150 und 13500 und sehr lange Diffusionszeiten erforderlich. Man wird diesen Weg aus wirtschaftlichen Gründen nur beschreien, um die Wirkung eines erfindungsgemäss niedrigen Phosphorgehaltes zu unterstützen.
Es leuchtet ein, dass durch alle Massnahmen, die zu einem feineren Primärgefüge im Gussblock führen, wie die Wahl geringer Blockgrösse, niedriger Giesstemperatur und der Zusatz keimbildender und kornverfeinernder Zusätze, beispielsweise von Sonderdesoxydationsmitteln wie AI, Ca, Si oder Zirkonverbindungen zur Schmelze auch das Ausmass der schädlichen Phosphidbildung herabgesetzt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dennoch der erfindungsgemäss anzustrebende Maximalwert von weniger als 0, 015% Phosphor in der Schmelzanalyse eingehalten werden muss, um ein einwandfreies Ergebnis sicherzustellen.
Die Einhaltung dieser erfindungsgemäss geforderten niedrigen Phosphorgehalte erfordert aber die Anwendung zusätzlicher metallurgischer Massnahmen bei der Erschmelzung eines solchen Stahles ; diesbezüglich wird auf die Auswahl des Einsatzes, eine entsprechende Schlacken-und Temperaturführung im Ofen sowie auf die geeignete Desoxydation unter Vermeidung jeglicher Rückphosphorung bei der Herstellung derartiger Stähle, z. B. im Siemens-Martinofen, verwiesen.
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P-Gehalt von nur 0, 012% in der Schmelzanalyse. Vergütet auf 135 kg/rnm2. Schwingungsfestigkeitbis zum Bruch der fertigen Federn unter den gleichen Prüfbedingungen wie im Beispiel a) : 375000-410000 Schwingungen.
Ähnliche Verhältnisse liegen auch bei Blattfedern aus unlegierten und legierten Federbändern vor, wie sie für die verschiedensten Verwendungszwecke benötigt werden. Das gleiche gilt auch für Wickelfedem aus Walzdraht oder gezogenem Draht.
Bei Torsionswechselbeanspruchungen, wie sie z. B. bei Drehstabfedern auftreten, konnte der schädliche Einfluss eines hohen Phosphorgehaltes ebenfalls beobachtet werden. Auch bei schwingender Beanspruchung eines Werkstückes durch Biegung, Torsion oder durch beide Beanspruchungen gemeinsam ergibt die Begrenzung des Phosphorgehaltes mit weniger als 0, 015% wesentlich bessere und gleichmässigere Werte für die Wechselbeansprt1chung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Die Verwendung eines legierten oder unlegierten, warmvergütbaren Federstah1es üblicher Zusammensetzung, jedoch mit der Massgabe, dass der Phosphorgehalt weniger als 0, 015%, vorzugsweise weniger als 0, 012% beträgt, als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen und Konstruktionselementen, wie z. B.
Federn, von denen eine hohe Dauerschwingungsfestigkeit verlangt wird.