AT507385B1 - Verfahren zur herstellung eines vergüteten stahldrahtes für federnde elemente, federstahldraht und feder aus diesem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines vergüteten Stahldrahtes für federnde Elemente, insbesondere Federn. Um einen Stahldraht mit großer Zugfestigkeit und dergleichen Zähigkeit zu erhalten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Draht aus einem Stahl mit einer Zusammensetzung enthaltend (in Gewichtsprozent)0,3 bis 0,75 % Kohlenstoffbis zu 2,5 % Silicium bis zu 1,5 % Mangan bis zu 1,8 % Chrom optional bis zu 0,4 % Nickel optional bis zu 0,5 % Vanadium optional bis zu 0,2 % Wolfram optional bis zu 0,4 % Molybdän optional bis zu 0,2 % Niob maximal 0,025 % Schwefel maximal 0,03 % Phosphor maximal 0,15 % Kupfer maximal 0,05 % Titan maximal 0,05 % Aluminium maximal 0,05 % Zinn maximal 0,08 % StickstoffRest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungenerstellt wird, wonach der Draht im kontinuierlichen Durchlauf auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt wird, danach mit Öl, optional anschließend mit Wasser und schließlich mit flüssigem und/oder gasförmigem Stickstoff abgekühlt wird, wobei ein im Wesentlichen homogenes martensitisches Gefüge mit einem Restaustenitgehalt von weniger als 4 Volumenprozent erhalten wird, wonach der Draht angelassen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen vergüteten Federstahldraht sowie eine Feder aus einem solchen Federstahldraht.

Description

österreichisches Patentamt AT 507 385 B1 2011-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines vergüteten Stahldrahtes für federnde Elemente, insbesondere Federn.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung einen vergüteten Federstahldraht sowie eine Feder aus diesem.

[0003] Im Maschinenbau ist es häufig erforderlich, bei Vorrichtungen, Bauelementen oder dergleichen zumindest eine Stahlfeder vorzusehen. Dabei kann es unter Umständen ausreichend sein, dass eine Feder aus einem Stahl mit geringer Zugfestigkeit eingesetzt wird, sofern dies ein im Einsatz erwartetes Beanspruchungsprofil zulässt. Häufiger jedoch werden an eine einzusetzende Stahlfeder hohe Anforderungen in Bezug auf Zugfestigkeit gestellt, insbesondere wenn die Feder im Automobilbau zum Einsatz kommt.

[0004] Um eine Stahlfeder großer Zugfestigkeit bereitzustellen, wird gemäß dem Stand der Technik ein vergütbarer Stahl in Form eines Stahldrahtes eingesetzt. Diesbezüglich stehen zwei Möglichkeiten offen: Zum einen kann zuerst der Stahldraht ohne Vergüten erstellt und anschließend eine Feder aus diesem gefertigt werden, wobei die Feder im Anschluss durch Härten und Anlassen vergütet wird. Dies bringt insofern Vorteile, als dass sich die Feder leicht aus dem Stahldraht fertigen lässt, da der Stahldraht eine geringe Zugfestigkeit und große Zähigkeit aufweist. Allerdings ergeben sich nach Erstellung der Feder Probleme beim erforderlichen Härten, da es beim Härten zu einer Volumenänderung und damit auch zu Spannungen und dadurch einem Verzug kommt. Zum anderen, und dies wird grundsätzlich bevorzugt, kann zuerst ein Vergüten des Stahldrahtes durchgeführt werden, wonach aus dem vergüteten Stahldraht eine Feder erstellt wird. Hierbei treten die vorstehend erwähnten Probleme nicht auf.

[0005] Wird eine Feder aus einem bereits vergüteten Stahldraht gefertigt, so soll der Stahldraht eine große Zugfestigkeit aufweisen, damit die aus dem Stahldraht erstellte Feder im Einsatz mechanischen Belastungen standhält, gleichzeitig soll der Stahldraht aber auch eine große Zähigkeit erbringen, sodass die Feder aus dem Stahldraht ohne Probleme erstellt werden kann. Die gleichzeitige Erreichung von großer Zugfestigkeit und dergleichen Zähigkeit stellt jedoch einen Zielkonflikt dar. In der Praxis begnügt man sich in der Regel damit, vorgeschriebene Zähigkeitswerte auf Kosten einer großen Zugfestigkeit zu erreichen. Für viele Anwendungen, insbesondere im Automobilbau, sind jedoch größere Zugfestigkeiten gewünscht, damit entweder höhere Maximalbelastungen erreichbar sind oder eine Feder bei Auslegung auf gleiche Maximalbelastung leichtgewichtiger gefertigt werden kann.

[0006] Aus der DE 199 47 393 A1 ist ein ölgehärteter Stahldraht für hochfeste Federn bekannt geworden. Der Stahldraht weist neben Eisen als Hauptbestandteil (in Gewichtsprozent) 0,4 bis 0,7 % Kohlenstoff, 1,2 bis 2,5 % Silicium, 0,1 bis 0,5 % Mangan, 0,4 bis 2,0 % Chrom, 0,0001 bis 0,005 % Aluminium, maximal 0,015 % Phosphor und maximal 0,015 % Schwefel auf, wobei der Stahl des Weiteren keine metallischen Einschlüsse mit einer Größe von mehr als 15 pm aufweist. Bei einer Vergütung des Stahldrahtes wird dieser von einer Austenitisierungstemperatur ausgehend in einem Ölbad auf eine Temperatur von etwa 40°C abgeschreckt und anschließend angelassen. Entsprechende Stahldrähte weisen bei einem Restaustenitanteil von weniger als 3 Volumen-% und einem Drahtdurchmesser von 3,2 mm allerdings eine Zugfestigkeit von nur bis zu 2062 MPa auf.

[0007] In der EP 0 509 407 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines vergüteten Stahldrahtes vorgeschlagen, wobei während eines Härtens der zuerst auf Austenitisierungstemperatur befindliche Stahldraht in einem ersten Schritt mit einem Öl auf eine Temperatur von etwa 80°C und in einem zweiten Schritt mit Wasser auf eine Temperatur von etwa 25°C gekühlt wird, ehe ein Anlassen erfolgt. Eine Zugfestigkeit ist allerdings bestenfalls mit 2005 MPa bei einer Einschnürung von 38 % begrenzt.

[0008] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem ein Stahldraht hergestellt werden kann, der zugleich 1/10 österreichisches Patentamt AT 507 385 B1 2011-03-15 große Zugfestigkeit und dergleichen Zähigkeit aufweist.

[0009] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ein Draht aus einem Stahl mit einer Zusammensetzung enthaltend (in Gewichtsprozent) [0010] 0,3 bis 0,75 % Kohlenstoff [0011] bis zu 2,5 % Silicium [0012] bis zu 1,5 % Mangan [0013] bis zu 1,8 % Chrom [0014] optional bis zu 0,4 % Nickel [0015] optional bis zu 0,5 % Vanadium [0016] optional bis zu 0,2 % Wolfram [0017] optional bis zu 0,4 % Molybdän [0018] optional bis zu 0,2 % Niob [0019] maximal 0,025 % Schwefel [0020] maximal 0,03 % Phosphor [0021] maximal 0,15 % Kupfer [0022] maximal 0,05 % Titan [0023] maximal 0,05 % Aluminium [0024] maximal 0,05 % Zinn [0025] maximal 0,08 % Stickstoff [0026] Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen [0027] erstelt wird, wonach der Draht im kontinuierlichen Durchlauf auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt wird, danach mit Öl, optional anschließend mit Wasser und schließlich mit flüssigem und/oder gasförmigem Stickstoff abgekühlt wird, wobei ein im Wesentlichen homogenes martensitisches Gefüge mit einem Restaustenitgehalt von weniger als 4 Volumenprozent erhalten wird, wonach der Draht angelassen wird.

[0028] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass ein Stahldraht erhalten wird, der bezogen auf einen Querschnitt des Stahldrahtes ein im Wesentlichen homogenes martensitisches Gefüge mit großer Zugfestigkeit und dergleichen Zähigkeit aufweist. Diesbezüglich wurde erkannt, dass eine kombinierte Abschreckung mit Öl, optional Wasser und Stickstoff zu einem gewünschten Eigenschaftsprofil des Stahldrahtes führt. Eine Abschreckung in Öl, die zuerst erfolgt, sorgt für eine schonende Kühlung bzw. weitgehende Umwandlung von Austenit in Martensit. Im Anschluss wird optional mit Wasser abgekühlt, was vor allem dazu führt, dass eine Umwandlung von Austenit in Martensit auch im Kern des Drahtes erfolgt, was durch das Abkühlen mit Öl bei großen Drahtdurchmessern nicht unbedingt gewährleistet wird. Dadurch wird über den Querschnitt des Drahtes eine Homogenität des Gefüges erreicht. Schließlich wird durch die vorgesehene Kühlung mit flüssigem und/oder gasförmigem Stickstoff eine Minimierung des Restaustenitgehaltes auf weniger als 4 Volumenprozent erreicht. Dies ist wesentlich aus verschiedenen Gründen. Einerseits führt ein hoher Restaustenitgehalt zu einer größeren Zähigkeit, gleichzeitig jedoch auch zu einer geringeren Zugfestigkeit, was nicht erwünscht ist. Andererseits kann sich aus dem Restaustenit bei der Erstellung einer Feder bzw. beim Umformen Verformungsmartensit bilden, welcher zwar zur Zugfestigkeit beiträgt, allerdings bereichsweise Sprödigkeit verursachen kann, was ebenfalls unerwünscht ist. Es hat sich gezeigt, dass trotz des bei einem erfindungsgemäßen Verfahren eingestellten geringen Restaustenitgehaltes nicht nur eine große Zugfestigkeit, sondern auch eine dergleichen Zähigkeit erreicht werden kann. Ein erfindungsgemäß hergestellter Stahldraht 2/10 österreichisches Patentamt AT 507 385 B1 2011-03-15 weist daher eine große Zähigkeit auf, was bei der Erstellung einer Feder und auch im Einsatz derselben bezüglich einer Dauerfestigkeit von Vorteil ist, hat zugleich jedoch auch eine große Zugfestigkeit, was für die erstellte Feder im Einsatz wichtig ist.

[0029] Hinsichtlich der gewünscht großen Zugfestigkeit und dergleichen Zähigkeit hat sich bei Versuchen gezeigt, dass eine Kombination von Öl-, Wasser- und Stickstoffkühlung besonders zweckmäßig ist. Wird auf die Wasserkühlung verzichtet, so weisen entsprechend hergestellte Drähte eine geringere Zugfestigkeit auf als Drähte, die mit Öl, Wasser und Stickstoff abgekühlt werden. Im Rahmen der Erfindung hat sich auch gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur auf Silicium-Chrom-Stähle, sondern auch Silicium-Chrom-Vanadium-Stähle angewendet werden kann, wobei im Vergleich mit dem Stand der Technik bei Silicium-Chrom-Vanadium-Stählen erzielte Effekte ausgeprägter sind. Das heißt, dass mit einem erfindungsgemäßen Verfahren im Falle von Silicium-Chrom-Vanadium-Stählen größere Steigerungen von Zugfestigkeit und Zähigkeit erreicht werden können als bei Silicium-Chrom-Stählen.

[0030] Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich sowohl auf gewalzte als auch gezogene Drähte anwenden.

[0031] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Draht bevorzugt in einem ersten Schritt in einem Ölbad auf eine Temperatur von etwa 40°C bis 80°C abgekühlt. Damit kann die im ersten Schritt gewünschte weitgehende Ausbildung von Martensit im Draht erreicht werden, ohne dass im Draht Spannungen aufgebaut werden. Aus dem gleichen Grund kann der Draht im Anschluss ohne weitere Behandlung vom Ölbad in ein Wasserbad geführt und dort auf eine Temperatur von etwa 15°C bis 30°C abgekühlt werden.

[0032] Bevorzugt im Anschluss an das Abkühlen in einem Wasserbad kann der Draht zum Abkühlen mit Stickstoff durch ein mit Stickstoff gekühltes Kühlrohr geführt werden. Der gesamte Abkühl- bzw. Abschreckvorgang kann dann in besonders einfacher Weise kontinuierlich erfolgen. Dabei wird bevorzugt ein mehrwandiges Kühlrohr mit einem zentralen Kanal und einem diesen koaxial umgebenden äußeren Kanal eingesetzt und der Draht durch den zentralen Kanal geführt und der äußere Kanal mit Stickstoff beaufschlagt. Der im äußeren Kanal befindliche Stickstoff sorgt dann dafür, dass der zentrale Kanal ausreichend gekühlt wird, um im Draht allfällig vorhandene Austenitanteile in Martensit umzuwandeln. Hierbei erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn im äußeren Kanal verdampfender Stickstoff gegebenenfalls zusammen mit flüssigen Anteilen in Bewegungsrichtung des geführten Drahtes in den zentralen Kanal geleitet wird, damit der durch das Kühlrohr geführte Draht besonders effizient gekühlt wird.

[0033] Im Kühlrohr wird der Draht auf eine Temperatur von -40°C bis -150°C, vorzugsweise -40°C bis -100°C, insbesondere -40°C bis -80°C, abgekühlt. Eine Abkühltemperatur von zumindest -40°C führt zu einem im Wesentlichen vollständig martensitischen Gefüge. Eine untere Temperatur für die Stickstoffkühlung von -150°C ist ausreichend, um sowohl große Zugfestigkeit als auch dergleichen Zähigkeit sicherzustellen. Beste Ergebnisse hinsichtlich sowohl großer Zugfestigkeit als auch Zähigkeit werden erhalten, wenn eine Kühlung mit Stickstoff zu einer Drahttemperatur von vorzugsweise -40°C bis -100°C, insbesondere -40°C bis -80°C, führt.

[0034] Eine Austenitisierungstemperatur liegt bevorzugt im Bereich von 920°C bis 960°C.

[0035] Eine für das Anlassen des Drahtes gewählte Temperatur spiegelt sich in den erreichten Zugfestigkeits- und Zähigkeitswerten wider. Je höher eine Anlasstemperatur ist, desto größer ist eine Zähigkeit, aber umso geringer ist eine Zugfestigkeit. Im Rahmen der Erfindung ist es bevorzugt, um sowohl große Zugfestigkeit als auch dergleichen Zähigkeit zu erreichen, dass der Draht bei einer Temperatur von 420 °C bis 490 °C angelassen wird. Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn der Draht bei einer Temperatur von 430°C bis 470°C angelassen wird.

[0036] Insbesondere im Hinblick auf eine gewünschte Homogenität von mechanischen Eigenschaften über den Querschnitt des Drahtes ist es bevorzugt, dass der Draht in einem umgewälzten Bleibad angelassen wird. Eine Umwälzung und damit eine konstante Temperatur des Bleibades kann wichtig sein, um gleichbleibende Eigenschaften des Drahtes sicherzustellen. 3/10 österreichisches Patentamt AT 507 385 B1 2011-03-15 [0037] Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann grundsätzlich auf Drähte mit beliebigem Querschnitt angewendet werden, beispielsweise rund, quadratisch oder rechteckig, wobei jedoch für runde Drähte eine besonders gute Homogenität erreicht wird.

[0038] Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren auch auf Drähte mit beliebigem Durchmesser angewendet werden. Bevorzugt findet jedoch ein erfindungsgemäßes Verfahren Anwendung, wenn der Draht mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 10 mm erstellt wird, da in diesem Fall ohne Weiteres über den Querschnitt des Drahtes ein homogenes Eigenschaftsprofil in Bezug auf Zugfestigkeit und Zähigkeit erreicht wird.

[0039] Entsprechend den vorstehend dargelegten Vorteilen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, einen vergüteten Federstahldraht anzugeben, der große Zugfestigkeit und dergleichen Zähigkeit aufweist.

[0040] Dieses Ziel wird durch einen vergüteten Federstahldraht mit einer Zusammensetzung enthaltend (in Gewichtsprozent) [0041] 0,3 bis 0,75 % Kohlenstoff [0042] bis zu 2,5 % Silicium [0043] bis zu 1,5 % Mangan [0044] bis zu 1,8 % Chrom [0045] optional bis zu 0,4 % Nickel [0046] optional bis zu 0,5 % Vanadium [0047] optional bis zu 0,2 % Wolfram [0048] optional bis zu 0,4 % Molybdän [0049] optional bis zu 0,2 % Niob [0050] maximal 0,025 % Schwefel [0051] maximal 0,03 % Phosphor [0052] maximal 0,15 % Kupfer [0053] maximal 0,05 % Titan [0054] maximal 0,05 % Aluminium [0055] maximal 0,05 % Zinn [0056] maximal 0,08 % Stickstoff [0057] Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen [0058] und einem im Wesentlichen homogenen martensitischen Gefüge, das einen Restaustenitgehalt von weniger als 4 Volumenprozent aufweist, wobei der Federstahldraht bei einem Drahtdurchmesser von 3,5 mm oder mehr eine Zugfestigkeit von größer als 2100 N/mm2 und eine Einschnürung von größer als 45 % und bei kleineren Drahtdurchmessern, insbesondere von 1,4 mm bis 3,5 mm, eine Zugfestigkeit von größer als 2250 N/mm2, bevorzugt größer als 2300 N/mm2, und eine Einschnürung von größer als 50 % aufweist, erreicht.

[0059] Mit einem erfindungsgemäßen Federstahldraht wird ein Stahldraht zur Verfügung gestellt, der neben großer Zugfestigkeit auch dergleichen Zähigkeit aufweist, obwohl ein Restaustenitgehalt gering ist. Der erfindungsgemäße Federstahldraht, der insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sein kann, weist bevorzugt eine Zusammensetzung enthaltend (in Gewichtsprozent) [0060] 0,5 bis 0,75 % Kohlenstoff [0061] 0,15 bis 1,65% Silicium [0062] 0,3 bis 0,9 % Mangan [0063] 0,4 bis 1,0% Chrom [0064] optional bis zu 0,4 % Nickel [0065] 0,05 bis 0,25 % Vanadium [0066] optional bis zu 0,2 % Wolfram 4/10 österreichisches Patentamt AT 507 385 B1 2011-03-15 [0067] optional bis zu 0,4 % Molybdän [0068] optional bis zu 0,2 % Niob [0069] maximal 0,025 % Schwefel [0070] maximal 0,03 % Phosphor [0071] maximal 0,15 % Kupfer [0072] maximal 0,05 % Titan [0073] maximal 0,05 % Aluminium [0074] maximal 0,05 % Zinn [0075] maximal 0,08 % Stickstoff [0076] Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen [0077] auf. Bei diesen Zusammensetzungen, insbesondere wenn auch Vanadium anwesend ist, können optimale Zugfestigkeits- und Zähigkeitswerte erreicht werden.

[0078] Bevorzugt ist es, dass der Restaustenitgehalt so gering wie möglich ist. Bevorzugt beträgt der Restaustenitgehalt weniger als 3 Volumenprozent.

[0079] Überdies weist ein erfindungsgemäßer Federstahldraht nach dem Vergüten auch eine große Homogenität in Bezug auf das Gefüge auf, weshalb auch eine große Homogenität der mechanischen Eigenschaften gegeben ist, was darin resultiert, dass ein Unterschied zwischen einer Härte des Federstahldrahtes am Rand und im Zentrum weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 3 %, beträgt.

[0080] Wie bereits erläutert, lässt sich ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Vorteil auf Drähte mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 10 mm anwenden, weshalb ein erfindungsgemäßer Federstahldraht bevorzugt solche Dimensionen aufweist.

[0081] Eine Feder, die beispielsweise im Automobilbau eingesetzt wird, kann mit Vorteil aus einem erfindungsgemäßen Federstahldraht hergestellt werden, weil der Federstahldraht sowohl große Zugfestigkeit als auch dergleichen Zähigkeit aufweist.

[0082] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung.

[0083] In an sich bekannter Weise wurden gezogene Stahldrähte mit Zusammensetzungen gemäß der nachfolgenden Tabelle 1 hergestellt.

[0084] Tabelle 1 - Zusammensetzungen von Drahtsorten

Zusammensetzung (Gew.-%) Element Drahtsorte E1 Drahtsorte E2 Drahtsorte E3 C 0,53 0,62 0,65 Si 1,40 1,38 1,54 Mn 0,65 0,57 0,40 Cr 0,65 0,65 0,53 Ni 0,020 V 0,107 0,17 Cu 0,030 0,010 0,030 Ti 0,0009 AI 0,003 0,020 Sn 0,004 P 0,007 0,013 0,007 S 0,006 0,009 0,010 N 0,007 Eisen Rest Rest Rest 5/10 österreichisches Patentamt AT 507 385 B1 2011-03-15 [0085] Die Drähte wurden im Anschluss an ein Austenitisieren bei einer Temperatur von 920°C bis 940°C mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,1 m/s durch ein Ölbad von etwa 5 m Länge geführt und dabei auf eine Temperatur von etwa 60 °C abgekühlt. Obwohl eine Abkühlung der Drähte im Ölbad vermutlich bereits auf den ersten wenigen Zentimetern erfolgte, wurde ein längeres Ölbad vorgesehen, um eine durchgehend homogene Temperatur der Drähte am Ende des Ölbades sicherzustellen. Grundsätzlich erwies sich diesbezüglich eine Länge des Ölbades von 3 m bis 5 m als zweckmäßig. Im Anschluss wurden die Drähte durch ein Kunststoffelement mit einem Loch entsprechend einem Durchmesser des jeweiligen Drahtes geführt, um an der Oberfläche befindliches Öl abzustreifen. Anschließend wurden die Drähte durch ein Wasserbad mit einer Länge von 1 m geführt, wobei eine Wasserbadtemperatur 20 °C betrug. Danach wurden die Drähte durch einen zentralen Kanal eines mehrwandig aufgebauten Kühlrohres von 6 m Länge geführt. Das mehrwandige Kühlrohr bestand dabei aus drei konzentrisch zueinander angeordneten Mänteln aus Kunststoff, die unterschiedliche Durchmesser aufwiesen und inei-nandergesteckt waren. Der äußerste Mantel bildete mit dem mittigen Mantel eine Isolierschicht bzw. einen Isolierkanal. Zwischen dem mittigen und dem zentralen Mantel wurde gesteuert Stickstoff geführt, um im Inneren des zentralen Mantels eine Temperatur zwischen -60°C und -140°C einzustellen. Eine Ausbildung zumindest des zentralen Mantels aus Kunststoff wurde gewählt, damit die durchgeführten Drähte ohne Schaden am Mantel gleiten konnten. Stickstoff, welcher im mittleren der koaxialen Kanäle als Kühlmittel eingeführt wurde, wurde im Anschluss in Richtung der Bewegung eines Drahtes in den zentralen Kanal eingeführt, um einen Wärmeübergang bzw. ein Kühlen möglichst effizient zu gestalten. Der aus dem zentralen Kanal austretende Stickstoff wurde in der Folge in einen Austenitisierungsofen geleitet, wo der Stickstoff als Inertgas beim Austenitisieren diente. Die durch den zentralen Kanal geführten Drähte wurden im Anschluss durch ein Bleibad geführt, um die Drähte anzulassen. Das Bleibad wurde dabei umgewälzt, um eine möglichst konstante Temperatur des Bleibades und damit homogene Anlassbedingungen sicherzustellen.

[0086] Drähte aus den in Tabelle 1 angeführten Drahtsorten E1, E2 und E3 wurden wie vorstehend beschrieben vergütet. Dabei wurde eine Länge der Behandlungsbäder bzw. Kühlstrecke so gewählt, dass bei einer mittleren Fördergeschwindigkeit eines Drahtes von etwa 0,1 m/s eine Abkühlung bzw. Erwärmung auf eine gewünschte Temperatur nicht nur am Rand des Drahtes, sondern auch in seinem Inneren mit Sicherheit erreicht wurde. In der Praxis können je nach baulichen Gegebenheiten bei der gegebenen Geschwindigkeit auch kürzere Bäder bzw. Rohre verwendet werden.

[0087] In Tabelle 2 sind für Drahtsorlen E1, E2 und E3 mit teilweise unterschiedlichen Dimensionen von Drähten sowie für verschiedene Vergütungsbedingungen mechanische Eigenschaften angeführt. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, konnten für alle Drahtsorten und unterschiedliche Drahtdurchmesser bei einer sequenziellen Abschreckung von Austenitisierungstemperatur, die üblicherweise im Bereich von etwa 920°C bis 940°C lag, in Öl und Wasser sowie mit flüssigem und/oder gasförmigem Stickstoff bessere mechanische Kennwerte erreicht werden als bei bloßer Abkühlung mit Öl und Wasser. Ein Optimum aus Zugfestigkeit und Einschnürung ergibt sich aus dem Zusammenspiel der Abschrecktemperaturen und einer Anlasstemperatur, welche naturgemäß Zugfestigkeit und Einschnürung ebenfalls beeinflusst. Aus Tabelle 2 kann abgelesen werden, dass in der Regel bei einer Abkühlung mit Stickstoff im Temperaturbereich von -60°C und -100°C sowie Anlasstemperaturen von etwa 430 °C bis 460 °C bei den angeführten Drahtsorten exzellente mechanische Eigenschaften erreicht wurden. Grundsätzlich wird bei Drahtdurchmessern von mehr als 3,5 mm eine Temperatur der Stickstoffkühlung sowie eine Temperatur beim nachfolgenden Anlassen so gewählt, dass eine Zugfestigkeit von zumindest 2100 N/mm2 und eine Einschnürung von größer als 45 % erreicht wird. Bei kleineren Drahtdurchmessern von 1,4 mm bis 3,5 mm wird die Vergütung vorzugsweise so durchgeführt, dass eine Zugfestigkeit zumindest 2250 N/mm2 und eine Einschnürung zumindest 50 % beträgt. 6/10 österreichisches Patentamt AT 507 385 B1 2011-03-15 [0088] Tabelle 2 - Mechanische Eigenschaften hergestellter Drähte

Draht sorte Dimension (mm) N2-Kühlung (°C) Anlass temperatur (°C) Zugfestigkeit (N/mm2) Einschnürung (%) Torsion (Verdre hungen) E1 3,50 ohne 430 2077 48,7 5,3 E1 3,50 -60 430 2121 16,7 4,0 E1 3,50 -100 430 2140 49,0 4,7 E1 3,50 -140 430 2132 47,0 4,0 E1 3,50 ohne 440 2033 50,7 5,7 E1 3,50 -60 440 2077 48,3 4,7 E1 3,50 -100 440 2073 51,0 4,3 E1 3,50 -140 440 2086 49,7 4,3 E1 3,50 ohne 450 1973 53,7 4,7 E1 3,50 -60 450 2014 52,7 5,7 E1 3,50 -100 450 2031 49,7 4,7 E1 3,50 -140 450 2036 46,0 4,3 E1 3,50 ohne 460 1910 52,0 5,3 E1 3,50 -60 460 1954 48,7 4,7 E1 3,50 -100 460 1957 52,0 5,0 E1 3,50 -140 460 1964 52,0 4,7 E2 3,50 ohne 430 2255 43,0 4,3 E2 3,50 -60 430 2349 30,3 4,3 E2 3,50 -100 430 2360 49,7 3,7 E2 3,50 -140 430 2337 13,7 4,7 E2 3,50 ohne 440 2262 43,0 4,0 E2 3,50 -60 440 2291 44,3 4,7 E2 3,50 -100 440 2301 44,3 4,3 E2 3,50 -140 440 2296 44,0 4,0 E2 3,50 ohne 450 2166 51,0 4,7 E2 3,50 -60 450 2218 51,3 4,3 E2 3,50 -100 450 2226 53,7 4,7 E2 3,50 -140 450 2232 51,0 4,3 E2 3,50 ohne 460 2103 51,3 5,3 E2 3,50 -60 460 2142 53,7 5,3 E2 3,50 -100 460 2144 51,0 4,3 E2 3,50 -140 460 2155 45,0 5,3 E3 2,30 ohne 430 2330 34,7 7,7 E3 2,30 -60 430 2425 15,0 5,7 E3 2,30 -100 430 2399 20,7 5,7 E3 2,30 -140 430 2411 29,7 5,7 E3 2,30 ohne 440 2291 49,8 6,3 E3 2,30 -60 440 2343 49,7 5,3 E3 2,30 -100 440 2346 52,0 5,7 E3 2,30 -140 440 2350 45,3 5,3 E3 2,30 ohne 450 2248 54,7 7,3 E3 2,30 -60 450 2305 53,0 6,0 E3 2,30 -100 450 2301 52,0 6,0 E3 2,30 -140 450 2316 52,7 6,0 E3 2,30 ohne 460 2163 50,0 6,7 E3 2,30 -60 460 2190 51,3 6,7 E3 2,30 -100 460 2190 51,0 6,0 7/10 AT 507 385 B1 2011-03-15 österreichisches

Patentamt E3 2,30 -140 460 2198 50,0 6,0 E3 3,50 ohne 430 2311 32,0 3,0 E3 3,50 -60 430 2402 13,3 3,3 E3 3,50 -100 430 2376 29,3 4,0 E3 3,50 -140 430 2405 33,7 3,7 E3 3,50 ohne 440 2271 49,0 4,0 E3 3,50 -60 440 2325 45,7 3,7 E3 3,50 -100 440 2324 46,7 3,0 E3 3,50 -140 440 2326 35,3 4,0 E3 3,50 ohne 450 2197 39,3 4,7 E3 3,50 -60 450 2244 41,0 4,3 E3 3,50 -100 450 2252 49,0 4,3 E3 3,50 -140 450 2257 47,3 3,7 E3 3,50 ohne 460 2143 50,0 4,3 E3 3,50 -60 460 2171 49,7 4,0 E3 3,50 -100 460 2172 48,7 4,3 E3 3,50 -140 460 2179 49,0 4,3 [0089] Vergleichsversuche unter gleichen Bedingungen, jedoch ohne Wasserkühlung, also mit einer unmittelbaren Überführung eines Drahtes vom Ölbad in das Stickstoffrohr, haben gezeigt, dass die erreichten Zugfestigkeiten in einem solchen Fall um bis zu 20 N/mm2 niedriger lagen. Daraus kann geschlossen werden, dass eine sequenzielle Abschreckung mit Öl, Wasser und flüssigem und/oder gasförmigem Stickstoff zu den besten Ergebnissen führt.

[0090] Unabhängige Untersuchungen an vergüteten Drahtsorten E1, E2 und E3 mit Röntgen-diffraktometrie (D8 Advance Theta/Theta Goniometer, 435 mm Messkreis, Cr-Strahlung, 40 kV Röhrenspannung, 40 mA Röhrenstrom, Braun PSD-50M Detektor bzw. Siemens D 500 Diffraktometer, Cu-Ka-Strahlung, 40 kV Röhrenspannung, 25 mA Röhrenstrom) haben ergeben, dass ein Restaustenitgehalt in vergüteten Stahldrähten unter der röntgenografischen Nachweisgrenze lag und daher mit weniger als 1 bzw. 3 Volumenprozent qualifiziert wurde. Darüber hinaus konnte auch bei allen erfindungsgemäß hergestellten Drähten festgestellt werden, dass diese über ihren Querschnitt äußerst homogene mechanische Eigenschaften aufwiesen, wobei z. B. Härteunterschiede zwischen einem Rand eines Drahtes und einem Zentrum bzw. Kern des Drahtes lediglich maximal 3 % betrugen. 8/10

Claims (9)

1. österreichisches Patentamt AT 507 385 B1 2011-03-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines vergüteten Stahldrahtes für federnde Elemente, insbesondere Federn, wobei ein Draht aus einem Stahl mit einer Zusammensetzung enthaltend (in Gewichtsprozent) 0,3 bis 0,75 % Kohlenstoff bis zu 2,5 % Silicium bis zu 1,5 % Mangan bis zu 1,8 % Chrom optional bis zu 0,4 % Nickel optional bis zu 0,5 % Vanadium optional bis zu 0,2 % Wolfram optional bis zu 0,4 % Molybdän optional bis zu 0,2 % Niob maximal 0,025 % Schwefel maximal 0,03 % Phosphor maximal 0,15 % Kupfer maximal 0,05 % Titan maximal 0,05 % Aluminium maximal 0,05 % Zinn maximal 0,08 % Stickstoff Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen erstellt wird, wonach der Draht im kontinuierlichen Durchlauf auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt wird, danach mit Öl, optional anschließend mit Wasser und schließlich mit flüssigem und/oder gasförmigem Stickstoff abgekühlt wird, wobei ein im Wesentlichen homogenes martensitisches Gefüge mit einem Restaustenitgehalt von weniger als 4 Volumenprozent erhalten wird, wonach der Draht angelassen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Draht in einem Ölbad auf eine Temperatur von etwa 40°C bis 80°C abgekühlt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Draht ohne weitere Behandlung vom Ölbad in ein Wasserbad geführt und dort auf eine Temperatur von etwa 15°C bis 30°C abgekühlt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Draht zum Abkühlen mit Stickstoff durch ein mit Stickstoff gekühltes Kühlrohr geführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein mehrwandiges Kühlrohr mit einem zentralen Kanal und einem diesen koaxial umgebenden äußeren Kanal eingesetzt wird und wobei der Draht durch den zentralen Kanal geführt und der äußere Kanal mit Stickstoff beaufschlagt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei im äußeren Kanal verdampfender Stickstoff gegebenenfalls zusammen mit flüssigen Anteilen in Bewegungsrichtung des geführten Drahtes in den zentralen Kanal geleitet wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Draht im Kühlrohr auf eine Temperatur von -40°C bis -150°C, vorzugsweise -40°C bis -100°C, insbesondere -40°C bis -80°C, abgekühlt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Draht auf eine Austenitisierungstemperatur im Bereich von 920°C bis 960°C erwärmt wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Draht bei einer Temperatur von 420°C bis 490°C, vorzugsweise 430°C bis 470°C, angelassen wird. 9/10