DE102004018406A1

DE102004018406A1 - Kaltgeformte Feder von hoher Ermüdungsfestigkeit und hoher Korrosionsermüdungsfestigkeit, Stahl für eine solche Feder und Verfahren zur Herstellung einer solchen Feder

Info

Publication number: DE102004018406A1
Application number: DE102004018406A
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi Nagoya Yoshikawa; Takayuki Nagoya Sakakibara; Masami Nagoya Wakita
Original assignee: Chuo Spring Co Ltd
Current assignee: Chuo Spring Co Ltd
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2024-04-17
Also published as: US20040238074A1; US20070267112A1; DE102004018406B4; JP2004315944A; JP4252351B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung sieht eine kaltgeformte Feder vor mit hoher Ermüdungsfestigkeit und hoher Korrosionsermüdungsfestigkeit, eine besondere Stahlsorte für eine solche Feder und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen kaltgeformten Schraubenfeder. Die Feder gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus einem Stahlmaterial gefertigt, welches in Gewichtsprozenten enthält: 0,45 bis 0,52% an C, 1,80 bis 2,0% an Si, 0,30 bis 0,80% an Ni, 0,15 bis 0,35 an Cr und 0,15 bis 0,30% an V, wobei Eisen im wesentlichen den Restprozentgehalt bildet. Aus dem Stahl wird ein Draht hergestellt, und der Draht wird einem Hochfrequenz-Erhitzungsverfahren unterworfen, wodurch der Draht bei einer Temperatur von 920 bis 1040 DEG C während 5 bis 10 Sekunden und dann bei einer Temperatur von 450 bis 550 DEG C während 5 bis 20 Sekunden getempert wird, so daß seine Härte bei 50,5 bis 53,5 HRC liegt. Schließlich wird der Draht einem Kugelstrahlverfahren unterzogen, so daß seine Innenspannung in 0,2 mm Tiefe von der Oberfläche aus bei -600 MPa oder höher liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kaltgeformte Feder mit hoher Ermüdungsfestigkeit, einen Materialtyp für eine solche Feder und ein Herstellungsverfahren einer solchen Feder. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine kaltgeformte Feder, die gegenüber korrosiven Umgebungen eine hohe Ermüdungsfestigkeit haben soll, zum Beispiel eine Aufhängungsfeder, die bei Automobilen benutzt wird, und bezieht sich ferner auf einen Materialtyp für eine solche Feder und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Feder.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zum Zwecke des Umgebungsschutzes und einer Ressourcenerhaltung wird nunmehr verlangt, daß die Menge an schädlichen Substanzen, die in dem von Automobilen ausgestoßenen Abgas enthalten sind, reduziert werden soll, während es auch erwünscht ist, daß Automobile einen besseren Kraftstoffwirkungsgrad haben sollten. Um diesen Forderungen zu genügen, besteht eine effektive Maßnahme darin, den Aufbau des Automobils leichter zu machen. Dementsprechend wurden Anstrengungen unternommen, um jeden Teil des Aufbaus so leicht wie möglich zu machen.
Ein Beispiel eines solchen Aufbauteils ist die Aufhängungsfeder, welche zur Herstellung eines leichtgewichtigen Aufbaus beiträgt, wenn sie eine höhere zulässige Belastung (oder Konstruktionsspannung) besitzt. Eine Verbesserung der zulässigen Belastung kann jedoch im Hinblick auf die Ermüdung (oder Haltbarkeit) der Feder zu einem Problem führen.
Ein weiteres Problem ist die Korrosion der Feder, die unvermeidbar ist, da Aufhängungsfedern an solchen Stellen des Aufbaus installiert werden, die am schlimmsten mit Wasser oder Dreck verschmutzt werden. Korrosion verursacht Anfressungen (oder Mikroporen) an der Federoberfläche und diese Anfressungen dienen als Ausgangspunkt für den Ermüdungsbruch der Feder.
Um die zuvor erwähnten Probleme aufzugreifen, hat die Anmelderin eine japanische Patentanmeldung für eine "Feder mit einem verbesserten Korrosions-Ermüdungswiderstand" eingereicht, wie in der japanischen ungeprüften Patent-Veröffentlichung Nr. H11-241143 offenbart.
Die zuvor erwähnte Feder zeigt selbst unter hoher Betriebsbeanspruchung eine hohe Haltbarkeit. Bei der Entwicklung dieser Feder wurde jedoch angenommen, daß die Feder heißgeformt wird. Wenn, wie in der vorliegenden Erfindung, die Feder als ein kaltgeformtes Material eingesetzt wird, kann die Feder eine geringere Haltbarkeit aufweisen, und zwar wegen einer übermäßigen Entkohlung (d.h. ein Phänomen, bei dem ein Kohlenstoffgehalt aus der Oberfläche der Feder entweicht, wenn die Feder auf hohe Temperatur erhitzt wird).
Was dementsprechend ungelöst verbleibt, ist die Gewinnung einer besonderen Stahlsorte für kaltgeformte Federn, welche gute Haltbarkeit (oder Ermüdungswiderstand) wie auch guten Korrosionswiderstand, und eine aus dem Stahl gefertigte kaltgeformte Schraubenfeder.
Im Hinblick auf die vorerwähnten Probleme beabsichtigt die vorliegende Erfindung, eine kaltgeformte Feder vorzusehen von hoher Ermüdungsfestigkeit (d.h. Ermüdungswiderstand oder Haltbarkeit) und hoher Korrosionsermüdungsfestigkeit, eine besondere Stahlmaterialsorte für eine solche Feder und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen kaltgeformten Schraubenfeder.
KURZÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
Um die vorerwähnte Probleme anzugehen, sieht die vorliegende Erfindung eine kaltgeformte Feder von hoher Ermüdungsfestigkeit und hoher Korrosionsermüdungsfestigkeit vor, welche aus einem Draht gefertigt ist, der aus einem Stahlmaterial hergestellt ist, das in Gewichtsprozenten enthält: 0,45 bis 0,55 % an C, 1,80 bis 2,0 % an Si, 0,30 bis 0,80 % an Ni, 0,15 bis 0,35 % an Cr und 0,15 bis 0,30 % an V, wobei Fe im wesentlichen den Restprozentgehalt bildet, und welche durch einen Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß gehärtet und getempert ist.
Bei dem vorerwähnten Stahlmaterial ist es vorzuziehen, daß der Prozentgehalt an P 0,025 % oder niedriger und der Prozentgehalt an S 0,20 % oder niedriger ist.
Es wird ferner vorgezogen, daß der Draht die Zugfestigkeit von 1800 bis 2000 MPa und eine Querschnittsreduzierung von 35 % oder mehr hat, nachdem er durch den Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß gehärtet und getempert ist.
Es wird auch vorgezogen, daß der Draht eine Härte von 50,5 bis 53,5 HRC hat, nachdem er gehärtet und getempert ist, und die Feder einem Kugelstrahlverfahren unterworfen wird, so daß die Restspannung in 0,2 mm Tiefe von der Oberfläche aus -600 MPa oder höher wird.
Die vorliegende Erfindung vermittelt auch ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder von hoher Ermüdungsfestigkeit und hoher Korrosionsermüdungsfestigkeit, bei welchem die Feder aus einem Stahlmaterial hergestellt ist, welches in Gewichtsprozenten enthält: 0,45 bis 0,52 % an C, 1,80 bis 2,0 % an Si, 0,30 bis 0,80 % an Ni, 0,15 bis 0,35 % an Cr und 0,15 bis 0,30 % an V, wobei Fe im wesentlichen den Restprozentgehalt bildet, und welches die Schritte einschließt: Herstellen eines Drahtes aus dem Stahlmaterial, Härten und Tempern des Drahtes durch einen Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß und Kaltwickeln des Drahtes zur Feder.
Es wird vorgezogen, daß der Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß die Schritte einschließt: Härten des Drahtes bei einer Temperatur von 920 bis 1040°C während 5 bis 20 Sekunden, rasches Abkühlen des Drahtes und Tempern des Drahtes bei einer Temperatur von 450 bis 550°C während 5 bis 20 Sekunden. Insbesondere liegt die Härtungstemperatur innerhalb des Bereiches von 940 bis 1020°C und die Temperungstemperatur im Bereich von 480 bis 520°C.
Es wird außerdem vorgezogen, daß der Draht nach der Temperung rasch abgekühlt wird.
Die vorliegende Erfindung vermittelt auch eine Stahlmaterialsorte zum Kaltformen einer durch einen Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß gehärteten und getemperten Feder mit einem Gehalt in Gewichtsprozenten von 0,45 bis 0,52 % an C, 1,80 bis 2,0 % an Si, 0,30 bis 0,80 % an Ni, 0,15 bis 0,35 % an Cr und 0,15 bis 0,30 % an V, wobei Fe im wesentlichen den Restprozentgehalt bildet.
Bei dem Stahlmaterial wird es vorgezogen, daß der Prozentgehalt an P 0,025 % oder niedriger und der Prozentgehalt an S 0,020 % oder niedriger ist.
Im Hinblick auf die kaltgeformte Feder von hoher Ermüdungsfestigkeit und hoher Korrosionsermüdungsfestigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung wurden die Prozentgehaltbereiche der Elemente des Stahlmaterials auf der Basis der folgenden Gründe spezifiziert.
Kohlenstoff (C): 0,45 bis 0,52 %
Kohlenstoff hat den größten Einfluß auf die Festigkeit des Stahlmaterials und jedes Stahlmaterial für eine Aufhängungsfeder muß 0,45 % oder mehr an Kohlenstoff enthalten, um eine solche Festigkeit zu haben, welche eine adäquate Haltbarkeit (oder Ermüdungswiderstand) vermittelt. Wenn jedoch der Kohlenstoffgehalt höher als 0,52 % ist, verschlechtert sich die Korrosionsermüdungsfestigkeit aufgrund der Zähigkeit des Materials.
Silicium (Si): 1,80 bis 2,0 %
Ähnlich wie Kohlenstoff erhöht Silicium die Festigkeit des Stahlmaterials. Auch im Falle der Herstellung einer Feder ist Silicium ein wichtiges Element, um den Durchhängewiderstand der Feder zu erhöhen. Unter normalen Arbeitsbedingungen wird bei Automobilen die Durchhängung der Feder dann merklich, wenn der Siliciumgehalt niedriger als 0,18 % ist, was die Höhe des Aufbaus verringern kann. Silicium begünstigt auch die Oberflächenentkohlung während des Heizprozesses. Bei einer Feder, die im Gebrauch an ihrer Oberfläche maximal belastet wird, muß die Entkohlung in erster Linie in Betracht gezogen werden. Wenn der Siliciumgehalt höher als 2 % ist, wird die Entkohlung während des Erhitzungsprozesses für die Aushärtung merklich. Aus diesem Grunde hat die vorliegende Erfindung die Obergrenze des Siliciumgehaltes bei 2 % festgesetzt.
Nickel (Ni): 0,30 bis 0,80 %
Nickel verbessert den Korrosionswiderstand des Stahlmaterials. Im Falle einer Aufhängefeder muß deren Nickelgehalt 0,30 % oder höher sein, um einen adäquaten Korrosionswiderstand zu vermitteln. Die Verwendung von mehr als 0,80 % an Nickel ist jedoch nicht empfehlenswert, da sie keine Verbesserung des Korrosionswiderstands mit sich bringt, der bei 0,80 % gesättigt ist, während sie die Fertigungskosten in unnötiger Weise steigert, da Nickel ein kostspieliges Element ist.
Chrom (Cr): 0,15 bis 0,35 %
Ähnlich wie Nickel verbessert auch Chrom den Korrosionswiderstand des Stahlmaterials. Weiterhin verbessert Chrom den Härtungseffekt. Um das Stahlmaterial mit einer adäquaten Festigkeit, Zähigkeit und Haltbarkeit zu versehen, muß der Erhitzungsprozeß voll durchgeführt werden. Daher muß die Feder vollständig bis zu ihrem Kern gehärtet werden. Zu diesem Zweck enthält das Material gemäß der vorliegenden Erfindung 0,15 % oder mehr an Chrom. Mit Bezug auf den Durchmesser der Aufhängungsfeder, den die vorliegenden Erfindung in Betracht zieht, vermitteln 0,35 % an Chrom einen ausreichenden Härtungseffekt. Höhere Prozentgehalte als dieser erhöhen in unerwünschter Weise den Rest-Austenit.
Vanadium (V): 0,15 bis 0,30 %
Vanadium fällt in der Form feiner Carbidpartikel im Inneren des Stahlmaterials aus, was die Entwicklung von Kristallkörnern während des Erhitzungsprozesses verhindert. Die Reduzierung der Korngröße ist bei der Verbesserung des Korrosions-Ermüdungswiderstands wie auch der Zähigkeit des Stahlmaterials wirksam. Um solche Effekte zu erhalten, muß der Vanadiumgehalt 0,15 % oder höher sein. Der Prozentgehalt muß jedoch 0,30 % oder geringer sein, da Prozentgehalte höher als diese wahrscheinlich die Entwicklung jedes Vanadiumcarbidpartikels mehr begünstigen als die Ausfällungsstellen des Carbids. Die Entwicklung von Vanadiumcarbidteilchen kann die Zähigkeit und den Korrosionsermüdungswiderstand herabsetzen.
Phosphor (P): 0,025 % oder weniger
Phosphor ist das erste Element, das innerhalb der Korngrenze im Inneren des Stahlmaterials ausfällt und die Festigkeit der Korngrenze verschlechtert. Da das Ausfallen von Phosphor die Ermüdungsfestigkeit herabsetzt, ist es erwünscht, den Phosphorgehalt so niedrig als möglich zu machen. Im Hinblick auf die Durchführbarkeit des Herstellungsverfahrens und die oben beschriebenen Eigenschaften der Feder sollte der Phosphorgehalt vorzugsweise 0,025 % oder niedriger sein.
Schwefel (S): 0,020 % oder niedriger
Im Innern des Stahlmaterials ist Schwefel mit Mangan zu MnS kombiniert, welches im Stahlmaterial unlöslich ist. Da MnS eine weiche Substanz ist, wird sie durch einen Walz- oder ähnlichen Prozeß leicht verbreitet, was die mechanischen Eigenschaften des Stahlmaterials verschlechtert. Deshalb ist es bei der Herstellung der Feder vorzuziehen, den Schwefelgehalt so niedrig als möglich zu machen. Mit Bezug auf die Durchführbarkeit des Herstellungsprozesses und die beschriebenen Eigenschaften der Feder sollte der Schwefelgehalt vorzugsweise 0,025 % oder weniger betragen.
Ein typisches Verfahren zur Herstellung einer kaltgeformten Feder schließt die folgenden Schritte ein: Auswalzen eines Materials zu einem Draht; Verändern des Drahtdurchmessers auf einen vorbestimmten Wert durch Ziehen oder einen ähnlichen Prozeß, falls nötig; Härten und Tempern des Drahtes; Wickeln des Drahtes zu einer Feder und Ausführung der Kugelstrahlung und der Voreinstellung.
Die kaltgeformte Feder gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung einer spezifischen Stahlmaterialsorte hergestellt, deren Zusammensetzung den oben beschriebenen Bedingungen genügt, und durch Steuerung des Härtungs- und Temperungsprozesses derart, daß die Härte der Feder 50,5 bis 53,5 HRC wird. Wenn die Härte niedriger als dieser Bereich ist, kann die Feder keine ausreichende Haltbarkeit (oder Ermüdungswiderstand) besitzen, um als Aufhängefeder eingesetzt zu werden. Wenn die Härte höher als der Bereich ist, wird die Kaltwicklung des Drahtes schwierig, und der Wicklungsvorgang veranlaßt bestimmte Qualitätsschäden der Feder, beispielsweise einen Oberflächendefekt, ein Oberflächenaufreißen oder die Verschlechterung der Zähigkeit aufgrund eines übermäßigen Arbeitseffektes.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Härtung und Temperung durch einen Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß vollzogen. Die Hochfrequenz-Erhitzung ermöglicht es, die Temperatur rasch anzuheben und die Obeftlächenentkohlung bei einem Minimum zu halten. Dieser Erhitzungsvorgang ist auch deswegen vorteilhaft, weil die Kristallkörner im Inneren des Stahlmaterials zu ihrer Entwicklung nur wenig Zeit haben. Ferner vermittelt dieser Erhitzungsprozeß eine relativ leichte Steuerung der Temperatur mit guter Genauigkeit. Diese Effekte sind insbesondere für den Härteprozeß vorteilhaft. Im Temperungsprozeß wird es auch vorgezogen, eine geringfügig hohe Temperatur zu verwenden, um zur Erzielung des gleichen Effektes (d.h. die Temperungshärte) die Prozeßzeit abzukürzen. Dies verbessert vorzugsweise den Durchhängewiderstand der Feder.
Es wird beispielsweise vorgezogen, daß im Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß das Stahlmaterial bei einer Temperatur von 920 bis 1040°C (vorzugsweise 940 bis 1020°C) während 5 bis 20 Sekunden gehärtet wird, dann rasch abgekühlt und schließlich bei einer Temperatur von 450 bis 550°C (vorzugsweise 480 bis 520°C) während 5 bis 20 Sekunden getempert wird. Die hier angegebenen Temperaturen sind höher als im Falle der normalen Ofenerhitzung und verkürzen dementsprechend die Heizzeit (oder Aufheizzeit), wodurch die Entkohlung, die Entwicklung der Kristallkörner und einige andere Probleme ausgeschaltet werden.
Eine rasche Abkühlung nach der Temperung ist auch deshalb empfehlenswert, weil sie die Ungleichmäßigkeit der Temperungshärte verringert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Bedingungen für den Kugelstrahlprozeß so reguliert, daß die Innenspannung in 0,2 mm Tiefe von der Oberfläche aus -600 MPa oder höher wird. Wenn diese Höhe der Kompressions-Innenspannung an der Oberfläche gegeben ist, hat die Feder als Aufhängefeder eine adäquate Haltbarkeit. Das Kugelstrahlen kann entweder bei kalter Temperatur (bei Raumtemperatur) oder warmer Temperatur (bei etwa 250 bis 340°C) durchgeführt werden.
Wie oben beschrieben, wird die kaltgeformte Feder gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt durch Anfertigung eines Stahlmaterials mit einer besonderen Zusammensetzung und Ausführung eines Hochfrequenz-Erhitzungsprozesses unter spezifischen Bedingungen. Die so hergestellte Feder hat einen guten Korrosions-Ermüdungswiderstand, so daß sie als Aufhängefeder verwendet werden kann. Die passende Bestimmung der Bedingungen für die Erhitzung, das Kugelstrahlen und andere nachfolgende Prozesse minimiert das Ausmaß der Durchhängung, das auftreten kann, wenn die Feder im Einsatz ist. Weiterhin wird die Wickelarbeit erleichtert und die auf der Wickelarbeit beruhende Qualitätsverschlechterung wird auf ein Minimum reduziert.
Wenn die kaltgeformte Schraubenfeder gemäß der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen guten Eigenschaften hat, kann sie unter einer maximalen Konstruktionsspannung von 1150 MPa oder mehr zum Einsatz gelangen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Tabelle mit der Darstellung des Auswertungsergebnisses der Entkohlungseigenschaft mit Bezug auf den Kohlenstoff- und den Siliciumgehalt.
2 ist eine graphische Darstellung des optimalen Bereiches des Kohlenstoff- und Siliciumgehalts.
3 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Kohlenstoffgehalt und der Korrosionsbeständigkeit.
4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Nickelgehalt und dem Gewichtsverlust durch Korrosion.
5 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Vanadiumgehalt und der Kristallkorngrößenzahl.
6 ist eine graphische Darstellung des Beziehung zwischen dem Phosphorgehalt und der Korrosionsbeständigkeit.
7 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Zugfestigkeit und der Querschnittsreduktion eines Beispiels des Stahlmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung und eines Vergleichsstahlmaterials.
EINZELBESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Zwanzig Stücke von Stahlproben mit verschiedenen Kohlenstoff- und Silicongehalten wurden zum Zwecke einer Untersuchung der Entkohlungseigenschaften vorbereitet. Jede Probe wurde während zehn Minuten bis auf 900°C erhitzt, wurde dann rasch abgekühlt und geschnitten. Die Schnittfläche wurde mit einem Mikroskop untersucht, und die Probe wurde entweder als "OK (gut)" (wenn die Tiefe der perfekten (Ferrit-) Entkohlungsschicht kleiner war als 0,02 mm) oder mit "NO (nicht gut)" (wenn die Tiefe 0,2 mm oder mehr betrug. Das Ergebnis ist in 1 dargestellt.
Aus 1 wurde, wie in 2 dargestellt, der optimale Bereich des Kohlenstoff- und des Silicongehalts mit Bezug auf die Entkohlung bestimmt. Der optimale Bereich entspricht 0,45 bis 0,52 % Kohlenstoffgehalt und 1,80 bis 2,0 % Siliciumgehalt, angegeben in Gewichtsprozenten.
In 2 fehlt dem Stahl Festigkeit innerhalb des Bereichs mit einem Siliciumgehalt kleiner als 1,8 % und einem Kohlenstoffgehalt kleiner als 0,52 %. In diesem Bereich veranlaßt der Verlust an Haltbarkeit ein beträchtliches Ausmaß an Durchhang, wenn der Stahl als eine Feder verwendet wird. In dem Bereich mit einem Siliciumgehalt höher als 2 % ist die Entkohlung unerwünscht. In diesem Bereich kann die Oberflächenfestigkeit des Stahls aufgrund der Entkohlung während des Erhitzungsprozesses merklich abnehmen. In dem Bereich, in welchem der Kohlenstoffgehalt höher als 0,52 % ist, fehlt dem Stahl die Zähigkeit. Wenn, wie im Falle der Aufhängfeder der Stahl in einer sehr korrosiven Umgebung eingesetzt wird, veranlaßt das Fehlen von Zähigkeit eine Abnahme der Haltbarkeit.
Der zweite Versuch war auf die Beziehung zwischen dem Kohlenstoffgehalt und der Korrosionshaltbarkeit gerichtet. In diesem Versucht betrug die Belastungsbedingung 490 ± 294 MPa. Der Gehalt an den Hauptelementen außer Kohlenstoff war wie folgt: Si: 1,99 %, Mn: 0,69 %, Ni: 0,55 %, Cr: 0,20 % und V: 0,20 %. Das Ergebnis dieses Versuches ist in 3 dargestellt.
3 zeigt, daß die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen im Korrosionshaltbarkeitstest größer als 50,000 ist, wenn der Kohlenstoffgehalt 0,52 % oder weniger beträgt, was bedeutet, daß die Korrosionshaltbarkeit adäquat ist. Wenn der Kohlenstoffgehalt höher als 0,52 % ist, nimmt die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen rasch auf etwa 30,000 oder weniger ab.
Der dritte Versuch richtete sich auf die Beziehung zwischen dem Nickelgehalt und dem Korrosionswiderstand. Die Gehalte der Hauptelemente außer Nickel waren wie folgt: C: 0,49 %, Si: 1,99 %, Mn: 0,69 %, Cr: 0,20 % und V: 0,20 %. In dem Versuch wurde der Vorgang der Aufsprühung einer salzigen Lösung bei der Temperatur von 35°C auf die Probe während drei Stunden und Trocknung während 21 Stunden bei der Temperatur von 35°C zwanzigmal wiederholt. Nach Abschluß wurde der Gewichtsverlust durch Korrosion je Oberflächenbereichseinheit (kg/m²) als Kriterium für die Bewertung des Korrosionswiderstandes überprüft. Das Ergebnis ist in 4 dargestellt.
4 zeigt, daß der Gewichtsverlust 0,4 kg/m² beträgt, wenn der Nickelgehalt 0,30 % oder höher ist, was bedeutet, daß der Korrosionswiderstand angemessen ist.
Der vierte Versuch war auf die Beziehung zwischen dem Vanadiumgehalt und dem Kornraffinierungseffekt gerichtet. Die Gehalte der Hauptelemente außer Vanadium waren wie folgt: C: 0,49 %, Si: 1,99 %, Mn: 0,69 %, Ni: 0,55 % und Cr: 0,20 %. Das Ergebnis ist in 5 dargestellt.
5 zeigt, daß die Kristallkorngrößenzahl größer als 10 ist, wenn der Vanadiumgehalt innerhalb des Bereiches von 0,15 bis 0,30 % liegt, was bedeutet, daß der Kornraffinierungseffekt adäquat ist.
Der fünfte Versuch richtete sich auf die Beziehung zwischen dem Phosphorgehalt und der Korrosions-Haltbarkeit. Die Gehalte der Hauptelemente außer Phosphor waren wie folgt: C: 0,49 %, Si: 1,99 %, Mn: 0,69 %, Ni: 0,55 %, Cr: 0,20 % und V: 0,20 %. Das Ergebnis ist in 6 dargestellt.
6 zeigt, daß die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen im Korrosions-Haltbarkeitstest größer als 50,000 ist, wenn der Phosphorgehalt 0,025 % oder niedriger ist, während die Zahl auf etwa 20,000 oder weniger abnimmt, wenn der Phosphorgehalt höher als 0,25 % ist.
Der sechste Versuch war auf die Beziehung zwischen der Zugfestigkeit und der Querschnittsreduzierung des Drahtes gerichtet, der aus einem Stahlmaterial hergestellt war mit einem Gehalt von 0,49 % an C, 1,99 % an Si, 0,99 % an Mn, 0,55 % an Ni, 0,20 % an Cr und 0,20 % an V. Der Draht wurde in einem Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß gehärtet und dann bei verschiedenen Temperaturen getempert, so daß seine Zugfestigkeit 1800 bis 2000 MPa betrug. Die Beziehung ist in 7 dargestellt, die auch die Eigenschaftsdaten eines herkömmlichen Stahlmaterials (SAE9254) zum Vergleich zeigt. Die Graphik in 7 gibt klar an, daß das Stahlmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung eine höhere Haltbarkeit als das herkömmliche Material hat. Dieses Ergebnis legt nahe, daß die vorliegende Erfindung den Korrosionsermüdungswiderstand verbessert.

Claims

Eine kaltgeformte Feder von hoher Ermüdungsfestigkeit und hoher Korrosionsermüdungsfestigkeit, welche aus einem Draht gefertigt ist, der aus einem Stahlmaterial hergestellt ist mit einem Gehalt in Gewichtsprozenten von 0,45 bis 0,52 % an C, 1,80 bis 2,00 % an Si, 0,30 bis 0,80 % an Ni, 0,15 bis 0,35 % an Cr und 0,15 bis 0,30 5 an V, wobei Fe im wesentlichen den Restprozentgehalt bildet, und welche durch einen Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß gehärtet und getempert ist.
Die kaltgeformte Feder nach Anspruch 1, bei welcher der Prozentgehalt an P 0,025 % oder niedriger und der Prozentgehalt an S 0,020 % oder niedriger ist.
Die kaltgeformte Feder nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Draht eine Zugfestigkeit von 1800 bis 2000 MPa und eine Querschnittsreduktion von 35 % oder mehr hat, nachdem er durch den Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß gehärtet und getempert wurde.
Die kaltgeformte Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Draht eine Härte von 50,5 bis 53,5 HRC hat, nachdem er gehärtet und getempert wurde, und die Feder einem Kugelstrahlverfahren unterworfen wird, so daß die Innenspannung in 0,2 mm Tiefe von der Oberfläche aus -600 MPa oder höher ist.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder von hoher Ermüdungsfestigkeit und hoher Korrosionsermüdungsfestigkeit, bei welchem die Feder aus einem Stahlmaterial hergestellt ist mit einem Gehalt in Gewichtsprozenten von 0,45 bis 0,52 % an C, 1,80 bis 2,0 % an Si, 0,30 bis 0,80 % an Ni, 0,15 bis 0,35 % an Cr und 0,15 bis 0,30 % an V, wobei Fe im wesentlichen den Restprozentgehalt bildet, und das Verfahren die Schritte umfaßt: Herstellen eines Drahtes aus dem Stahlmaterial, Härten und Tempern des Drahtes durch einen Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß und Kaltwickeln des Drahtes zur Feder.
Das Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß die Schritte einschließt: Härten des Drahtes bei einer Temperatur von 920 bis 1040°C während 5 bis 20 Sekunden, rasches Abkühlen des Drahtes und Tempern des Drahtes bei einer Temperatur von 450 bis 550°C während 5 bis 20 Sekunden.
Das Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Härtungstemperatur im Bereich von 940 bis 1020°C und die Temperungstemperatur im Bereich von 480 bis 520°C liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der Draht nach der Temperung rasch abgekühlt wird.
Eine Stahlmaterialsorte zum Kaltformen einer durch einen Hochfrequenz-Erhitzungsprozeß gehärteten und getemperten Feder mit einem Gehalt in Gewichtsprozenten von 0,45 bis 0,52 % an C, 1,80 bis 2,0 % an Si, 0,30 bis 0,80 % an Ni, 0,15 % bis 0,35 % an Cr und 0,15 bis 0,30 % an V, wobei Fe im wesentlichen den Restprozentgehalt bildet.
Das Stahlmaterial nach Anspruch 9, bei welchem der Prozentgehalt an P 0,025 % oder niedriger und der Prozentgehalt an S 0,020 % oder niedriger ist.