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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Blattfedermaterial und ein Herstellungsverfahren
desselben und genauer ein Blattfedermaterial und ein Herstellungsverfahren
desselben, welches eine Wärmebehandlung basierend auf Induktionshärten
nutzt, um die Haltbarkeit der Feder zu verbessern.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Das
für „Federn” verwendete Federmaterial
wird durch Kalt- oder Warmformen eines Metallmaterials aus Federstahl,
um dem Material eine Form einer „Feder” zu geben,
und Wärmebehandeln des Materials durch Vergüten
geliefert. Um die Dauerfestigkeit solch eines Materials zu verbessern,
wird auf der Oberfläche desselben weitgehend auch Strahlverfestigen
bzw. Kugelstrahlen durchgeführt, um das Material mit einer
Druckeigenspannung zu versehen. In den letzten Jahren wurden auch
Federmaterialien bekannt, bei welchen die Dauerfestigkeit durch
Durchführen des Abschreckens unter Verwendung einer Hochfrequenz-Heizvorrichtung verbessert
wird.
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Beispielsweise
ist in
JP, A, 2004-323912 ein
Schraubenfedermaterial offenbart, bei welchem eine kalt geformte
Windung unter Verwendung eines Hochfrequenz-Heizgerätes
dem Abschrecken unterzogen wird, um die Dauerfestigkeit zu verbessern.
Diese Offenlegung der ungeprüften Anmeldung gibt an, dass
bei dieser Anordnung das Induktionshärten ermöglicht
das Erhitzen schnell durchzuführen und dadurch die Entkohlung der
Oberfläche des Federmaterials unterdrückt, das
Wachstum der Korngröße verringert und die Dauerfestigkeit
der „Feder” verbessert. Zudem bringt die Wärmebehandlung
basierend auf dem Hochfrequenz-Heizgerät eine relativ einfache
Temperaturregelung mit sich und ermöglicht dadurch das
Erhitzen mit einer hohen Genauigkeit durchzuführen und
zuverlässig eine Metallstruktur zu erhalten, welche dem
Federmaterial eine hohe Dauerfestigkeit verleiht.
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Zudem
ist auch ein Federmaterial bekannt, welches teilweise einer Wärmebehandlung
unter Verwendung eines Hochfrequenz-Heizgerätes unterzogen
wird, um die Dauerfestigkeit zu verbessern.
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Beispielsweise
ist in
JP, A, 2006-71082 ein
Verfahren zum Herstellen eines Federmaterials offenbart, bei welchem
das Induktionshärten nur an einer Oberfläche des
Blattfedermaterials durchgeführt wird. Insbesondere wird
ein streifenförmiges Blattfedermaterial, welches aus Federstahl
besteht, warm geformt und der Wärmebehandlung der Vergütung
unterzogen. D. h., ein normales Blattfedermaterial wird erhalten.
Da das Blattfedermaterial mit einer Stärke versehen ist,
wird anschließend eine Belastung in der gleichen Richtung
wie der Zustand der Verwendung der Blattfeder hinzugefügt,
was eine Zugspannung auf einer ersten Oberfläche und eine
Druckspannung auf einer zweiten Oberfläche erzeugt. Wenn
in der Nähe bzw. Umgebung der ersten Oberfläche,
auf welcher die Zugspannung wirkt, unter Verwendung eines Hochfrequenz-Heizgerätes
Wärme zugeführt wird, wird die Zugspannung verringert.
Dann, wenn die Belastung nach dem Abkühlen gelöst
wird, wird der ersten Oberfläche eine Druckspannung verliehen,
was ermöglicht das Federmaterial mit einer hohen Dauerfestigkeit
zu erhalten.
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Wie
in der Offenbarung der ersten Offenlegung der ungeprüften
Anmeldung ermöglicht das Hochfrequenz-Heizgerät
das Federmaterial der Wärmebehandlung mit einer hohen Genauigkeit
zu unterziehen und dadurch dem Federmaterial zuverlässig
eine vorbestimmte Metallstruktur zu verleihen. Zudem kann wie in
der Offenbarung der zweiten Offenlegung der ungeprüften
Anmeldung eine Verbundstruktur erzielt werden, indem das Federmaterial
teilweise einer Wärmebehandlung unterzogen wird, was zu
einem viel versprechenden Federmaterial führt, welches
bessere mechanische Charakteristiken der „Feder” aufweist.
In letzter Zeit ist jedoch eine sogar höhere Dauerfestigkeit
gefragt.
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Die
vorliegende Erfindung erfolgte in Anbetracht der obigen Umstände
und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Blattfedermaterial
mit besseren mechanischen Charakteristiken und ein Verfahren zum
Herstellen eines Blattfedermaterials zu liefern, welches dieselbe
zuverlässig erzielen kann und die Hochfrequenz-Heizung
nutzt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das
Blattfedermaterial nach der vorliegenden Erfindung weist eine im
Wesentlichen streifenförmige Stahlplatte mit einer ersten
Oberfläche und einer zweiten Oberfläche auf. Solch
ein Blattfedermaterial weist in der Umgebung der ersten Oberfläche
eine gehärtete Schicht mit einer induktionsgehärteten
Struktur, welche eine höhere Durchschnittshärte
als die Ausgangsmaterialstruktur in der Umgebung der zweiten Oberfläche aufweist,
und eine Druckeigenspannungsschicht mit einer Stärke auf,
welche zumindest nicht geringer als die der gehärteten
Schicht in der Umgebung der ersten Oberfläche ist.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird das Blattfedermaterial nicht nur
mit einer gehärteten Schicht mit einer induktionsgehärteten
Struktur, sondern auch mit einer Druckeigenspannung von der Seite
der abgeschreckten Oberfläche zum Bereich mit einer Ausgangsmaterialstruktur
eines tiefen Abschnitts versehen. Solch eine Konfiguration ermöglicht
die mechanischen Charakteristiken in der Umgebung der Grenzfläche
zwischen der Ausgangsmaterialstruktur und der induktionsgehärteten
Struktur zu verbessern, wodurch die Dauer- bzw. Ermüdungscharakteristiken
der „Feder” erheblich verbessert werden.
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Das
Verfahren zum Herstellen des Blattfedermaterials nach der vorliegenden
Erfindung weist die Schritte zum Liefern bzw. Vorsehen einer Zugspannung
auf einer ersten Oberfläche entlang der Längsrichtung der
ersten Oberfläche und einer Druckspannung auf einer zweiten
Oberfläche entlang der Längsrichtung der zweiten
Oberfläche einer im Wesentlichen streifenförmigen
Stahlplatte und zum Unterziehen der ersten Oberfläche dem
Induktionshärten auf. Das Induktionshärten liefert
in der Umgebung der ersten Oberfläche eine gehärtete
Schicht mit einer induktionsgehärteten Struktur, welche
eine höhere Durchschnittshärte als die Ausgangsmaterialstruktur
in der Umgebung der zweiten Oberfläche aufweist, und eine
Druckeigenspannungsschicht mit einer Stärke, welche zumindest
nicht geringer als die der gehärteten Schicht ist, in der
Umgebung der ersten Oberfläche.
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Nach
der vorliegenden Erfindung ist es möglich das Blattfedermaterial
zu erhalten, welches nicht nur mit einer gehärteten Schicht
mit einer induktionsgehärteten Struktur, sondern auch mit
einer Druckeigenspannung zu dem Bereich mit einer Ausgangsmaterialstruktur
eines tiefen Abschnitts versehen ist. D. h., die vorliegende Erfindung
ermöglicht die mechanischen Charakteristiken in der Umgebung
der Grenzfläche zwischen der Ausgangsmaterialstruktur und
der induktionsgehärteten Struktur zu verbessern, wodurch
die Ermüdungscharakteristiken der „Feder” erheblich
verbessert werden. Zudem kann solch ein Blattfedermaterial unter
Verwendung eines einfachen Verfahrens, wie beispielsweise oben beschrieben
wurde, erhalten werden, welches auf Induktionshärten basiert.
Solch ein Verfahren ermöglicht das zuverlässige
Liefern des Blattfedermaterials.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Darstellung, welche das Verfahren zum Herstellen eines Blattfedermaterials
nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Teilquerschnittsansicht des Blattfedermaterials nach der vorliegenden
Erfindung.
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3 ist
ein Graph, welcher die Vickershärte und die Anzahl an Zyklen
bis zum Versagen in einem Ermüdungsversuch des Blattfedermaterials
zeigt.
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4 ist
ein Graph, welcher die Anzahl an Zyklen bis zum Versagen und die
Stärke d der gehärteten Schicht in Bezug auf die
Stärke D der Stahlplatte in einem Ermüdungsversuch
des Blattfedermaterials zeigt.
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5 ist
ein Graph, welcher die Druckeigenspannung der Oberfläche
und die Anzahl an Zyklen bis zum Versagen in einem Ermüdungsversuch
des Blattfedermaterials zeigt.
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6 ist
ein Diagramm, welches die Verteilung der Vickershärte des
induktionsgehärteten Blattfedermaterials zeigt.
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7 ist
ein Diagramm, welches die Verteilung der Eigenspannung des induktionsgehärteten
Blattfedermaterials zeigt.
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8 ist
ein Diagramm, welches die Ergebnisse des Ermüdungsversuches
im Verhältnis zwischen einer Stärke y der Druckeigenspannungsschicht
und einer Stärke d der gehärteten Schicht in einem
Ermüdungsversuch des Blattfedermaterials zeigt.
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9 ist
ein Graph, welcher die Anzahl an Zyklen bis zum Versagen und das
Verhältnis einer Stärke y der Druckeigenspannungsschicht
zu einer Stärke d der gehärteten Schicht in einem
Ermüdungsversuch des Blattfedermaterials zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Ausführungsform eines Blattfedermaterials und das Verfahren
zur Herstellung desselben nach der vorliegenden Erfindung werden
nun beschrieben werden.
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Zunächst
wird ein Metallmaterial aus Federstahl oder Ähnlichem kalt
oder warm geformt, um ein Blattfedermaterial zu erzeugen, welchem
eine Form einer „Blattfeder” verliehen wird. D.
h., ein normales Blattfedermaterial wird erzeugt. Bei Raumtemperatur
wird eine Belastung zu solch einem Blattfedermaterial aus einer Stahlplatte,
welche im Wesentlichen in eine Streifenform gebogen ist, in der
gleichen Richtung wie bei Verwendung desselben als „Feder” hinzugefügt.
D. h., das Blattfedermaterial mit einer gebogenen Form wird geglättet und
als flache Platte befestigt. Da das Blattfedermaterial mit einer
Stärke versehen ist, werden zu dieser Zeit eine Zugspannung
entlang der Längsrichtung der ersten Oberfläche
und eine Druckspannung entlang der Längsrichtung der zweiten
Oberfläche erzeugt. Um eine typische, induktionsgehärtete
Struktur zu erzielen, welche später beschrieben wird, wird
auf der ersten Oberfläche eine höhere Zugspannung
hergestellt. Diese Zugspannung beträgt bei Raumtemperatur
vorzugsweise 1000 MPa oder mehr.
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Wenn
das Induktionshärten an der ersten Oberfläche
durchgeführt wird, wobei das Blattfedermaterial geglättet
und als flache Platte befestigt ist, wird die Zugspannung dieser
Oberfläche durch Erhitzen schnell verringert. Wenn der
befestigte Zustand und die Belastung nach dem Abkühlen
gelöst werden, wird auf der ersten Oberfläche
des Blattfedermaterials eine Druckeigenspannung vorgesehen. Anschließend
wird eine Wärmebehandlung mit einer geringen Temperatur
von 80°C bis 160°C für eine Dauer von
weniger als 120 Minuten durchgeführt, um die Eigenspannung
um eine vorbestimmte Menge zu verringern.
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Beim
Blattfedermaterial, welches durch das oben beschriebene spannungsinduzierte
Härteverfahren erhalten wird, weist hier die Umgebung der
zweiten Oberfläche gegenüber der induktionsgehärteten
Oberfläche die Ausgangsmaterialstruktur auf. D. h. die
Umgebung der zweiten Oberfläche weist die gleiche Struktur wie
das Blattfedermaterial auf, welches anfangs erzeugt wurde, was die
Ausgangsmaterialstruktur ist, welche Martensit, eine/ein angelassene/angelassenes
Martensitstruktur bzw. -gefüge, Troostit, Sorbit, Bainit,
Ferrit und/oder Perlit aufweist. Zudem weist die Umgebung der ersten
Oberfläche auch die gleiche Struktur wie die Ausgangsmaterialstruktur
vor dem Induktionshärten auf. Wenn das spannungsinduzierte
Härten durchgeführt wird, erlangt die Umgebung
der ersten Oberfläche eine induktionsgehärtete
Struktur in erster Linie in Form von Martensit, welche eine höhere
Durchschnitthärte als die Ausgangsmaterialstruktur von
650 HV oder mehr aufweist. Die Stärke der gehärteten
Schicht, welche eine hohe Durchschnittshärte und solch
eine induktionsgehärtete Struktur aufweist, beträgt
vorzugsweise 5 bis 10 Prozent der Stärke des Blattfedermaterials.
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Wenn
das Induktionshärten, wie oben beschrieben wurde, während
des Vorsehens einer großen Zugspannung auf der ersten Oberfläche
durchgeführt wird, kann jedoch die Verteilung der oben
beschriebenen Druckeigenspannung durch Einstellen der Zugspannung,
der Zustände des Induktionshärtens (Leistung,
Bewegungsgeschwindigkeit und Ähnliches) und Kühlzustände
(Kühlleistung, Bewegungsgeschwindigkeit und Ähnliches)
(nachstehend als „Abschreckzustände” bezeichnet)
eingestellt werden. Insbesondere weist die Verteilung der Druckeigenspannung,
welche durch Induktionshärten erhalten wird, einen im Wesentlichen
stabilen Druckspannungswert von der ersten Oberfläche zur
Seite der zweiten Oberfläche auf, welcher dann plötzlich auf
einen Spannungswert nahe null abnimmt. D. h., die Druckeigenspannung
weist charakteristischer Weise eine schrittartige Eigenspannungsverteilung
auf. Die Stelle, an welcher die Druckeigenspannung plötzlich
von einem vorbestimmten Wert oder mehr abnimmt, erstreckt sich weiter
als die gehärtete Schicht mit der induktionsgehärteten
Struktur zu dem Bereich, welcher die Ausgangsmaterialstruktur eines
tiefen Abschnitts aufweist. D. h., die vorliegende Erfindung ermöglicht
die mechanischen Charakteristiken in der Umgebung der Grenzfläche
zwischen der Ausgangsmaterialstruktur und der induktionsgehärteten
Struktur zu verbessern, wodurch die Ermüdungscharakteristiken
der „Feder” erheblich verbessert werden. Der vorbestimmte
Wert solch einer Druckeigenspannung beträgt vorzugsweise
650 MPA oder mehr, um die Haltbarkeit der Feder erheblich zu erhöhen.
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Gemäß dem
Blattfedermaterial der vorliegenden Erfindung, welches basierend
auf dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erhalten
wird, weist das Blattfedermaterial, wie oben beschrieben wurde, zuverlässig
eine Haltbarkeit auf, welche dem Dreifachen oder mehr der des Blattfedermaterials
entspricht, welches ein herkömmliches, modifiziert- austenitformgehärtetes
Material aufweist, wenn beispielsweise mit einer B10-Lebensdauer
ausgewertet, was die Dauerhaltbarkeit basierend auf der Weibull-Statistik
und Weibull-Wahrscheinlichkeit ist.
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Eine
Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wird nun
in Bezug auf die 1 und 2 detailliert
beschrieben werden.
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Im
Folgenden verwendet die Ausführungsform zwar JIS
SUP11A-Stahl, aber der Stahl ist nicht darauf beschränkt.
Insbesondere ist eine ähnliche Implementierung unter Verwendung
eines gewöhnlichen Federstahls (JIS4801)
oder eines Äquivalents desselben möglich.
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Wie
in 1 gezeigt, wird eine Stahlplatte, welche einen
Federstahl aus einer/einem Zweiphasenstruktur bzw. -gefüge
aus Ferrit und Perlit aufweist, in eine Streifenform vorbestimmter
Maße geschnitten. Dieser streifenförmige Stahl
wird dann während des Erhitzens desselben geformt und dann
der Vergütung unterzogen, was zu einem bogenförmigen
Blattfedermaterial 10-1 vor der spannungsinduzierten Härtebehandlung führt.
Dieser Prozess ist öffentlich bekannt und wird daher nicht
beschrieben werden. Solch ein vorbehandeltes Blattfedermaterial 10-1 weist
ein angelassenes Martensitgefüge auf. Materialien, wie
beispielsweise ein Ist-Blattfedermaterial mit dem Zweiphasengefüge
aus Ferrit und Perlit, welches nicht dem Abschrecken unterzogen
wurde, oder ein Blattfedermaterial mit einem Bainitgefüge,
welches durch die isotherme Umwandlung erhalten wird, kann auch
geeignet verwendet werden.
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Wie
in 1(a) gezeigt, ist das vorbehandelte
Blattfedermaterial 10-1 auf einer feststehenden Basis 1 derart
angeordnet, dass beide nach oben gekrümmten Endabschnitte
oben sind und der Mittelabschnitt unten ist.
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Wie
in 1(b) gezeigt, wird das vorbehandelte
Blattfedermaterial 10-1 nach unten auf die feststehende
Basis 1 gedrückt und unter Verwendung einer Klemme 2 als
im Wesentlichen flache Platte befestigt. Zu dieser Zeit wird aufgrund
der Stärke des vorbehandelten Blattfedermaterials 10-1 eine
Zugspannung TMPa auf einer ersten Oberfläche (Oberseite) 11 und
eine Druckspannung auf einer zweiten Oberfläche (Unterseite) 12 erzeugt.
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Wie
in 1(c) gezeigt, wird die erste Oberfläche 11 dann
mit einer bestimmten Leistung während des Bewegens der
Hochfrequenz-Heizeinrichtung 3 entlang einer Längsrichtung
A des vorbehandelten Blattfedermaterials 10-1 erhitzt.
Folglich wird die Zugspannung der ersten Oberfläche 11 verringert.
Dabei geht die Umgebung der ersten Oberfläche 11 von
einem angelassenen Martensitgefüge (oder einem Zweiphasengefüge aus
Ferrit und Perlit, einem Bainitgefüge oder Ähnlichem)
in eine/ein im Wesentlichen Einphasenstruktur bzw. -gefüge
aus der Hochtemperaturphase Austenit über.
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Andererseits
wird der erhitzte Abschnitt der ersten Oberfläche 11 während
des Bewegens der Kühleinrichtung 4 in Richtung
A, welche der Hochfrequenz-Heizeinrichtung 3 folgt, sequentiell
abgekühlt. Mit dieser Anordnung wird die Umgebung der ersten
Oberfläche 11, welche in eine Austenitphase in
der oben beschriebenen Erhitzungsbearbeitung übergegangen
ist, zu einem Zweiphasengefüge aus Martensit und Austenit
abgeschreckt.
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Zudem
können die Temperaturverteilung, die Abschreckstruktur
und Ähnliches in der Umgebung der ersten Oberfläche
des vorbehandelten Blattfedermaterials 10-1 durch Abschreckzustände
eingestellt werden. D. h., die Stärke einer oben beschriebenen,
abgeschreckten, gehärteten Oberfläche 11a und
die Eigenspannungsverteilung in der Umgebung der ersten Oberfläche 11 sind
einstellbar.
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Wie
in 1(d) gezeigt, werden das oben beschriebene
Hochfrequenz-Erhitzen und Abschrecken nach entsprechendem Bedarf
an einem vorbestimmten Abschnitt, wie beispielsweise nur der Mittelabschnitt oder
von einem Endabschnitt zum anderen Endabschnitt, des vorbehandelten
Blattfedermaterials 10-1 durchgeführt, um das
Blattfedermaterial 10 zu erhalten.
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Wie
in 1(e) gezeigt, wird die Klemme 2 dann
gelöst und dadurch die Druckspannung der zweiten Oberfläche
derart gelöst, dass das Blattfedermaterial 10 wieder
in eine Form zurückkehrt, in welcher beide Endabschnitte
nach oben gekrümmt sind. Zu dieser Zeit wird eine Druckspannung
in der Umgebung der ersten Oberfläche 11 erzeugt.
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Wie
in 2 gezeigt, weist das Blattfedermaterial 10 (eine
Stärke D gegeben) nach der Ausführungsform zwei
Schichten auf: eine Ausgangsmaterialschicht 12a mit einer
Ausgangsmaterialstruktur, welche ein angelassenes Martensitgefüge
aufweist, und die gehärtete Schicht 11a mit einer
Stärke d, welche ein Zweiphasengefüge (abgeschreckte
Struktur) aus Martensit und Restaustenit aufweist. Zudem kann die
Ausgangsmaterialstruktur Martensit, ein angelassenes Martensitgefüge,
Bainit oder ein Zweiphasengefüge aus Ferrit und Perlit
sein, und die Bearbeitung, welche die gleichmäßige
Verteilung des Karbids verursacht, wird vorzugsweise durchgeführt.
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Mehrere
Vorversuche wurden beim Erzeugen der Proben der Ausführungsform
und der Vergleichsbeispiele, welche später beschrieben
werden, durchgeführt.
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3 zeigt
die Ergebnisse als Blattfedermaterialien 10 mit unterschiedlichen
Werten der Vickershärte der gehärteten Oberfläche 11a erzeugt
und einem Ermüdungsversuch unterzogen wurden. Die Spannungsbelastungszustände
des Ermüdungsversuches waren 700+/–560 MPa. Mit
dem Prüfexemplar mit einer Vickershärte von 725
HV wurde eine hohe Anzahl an Zyklen bis zum Versagen von 9 × 104 oder mehr in allen drei Prüfungen
erzielt (siehe Bezugscode 31). Andererseits ergab sich
mit dem Prüfexemplar mit einer Vickershärte von
630 HV eine Anzahl an Zyklen bis zum Versagen von 9 × 104 oder weniger in allen drei Prüfungen
(siehe Bezugscode 32).
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D.
h., zuerst ist die Stahlplatte eine Stahlplatte mit einem Kohlenstoffgehalt,
welche der oben beschriebenen Hochfrequenz-Wärmebehandlung
und dem Anlassen unterzogen wird, wodurch vorzugsweise eine Vickershärte
von 650 HV erzielt wird. Umgekehrt wird Federstahl, welcher eine
SUP11A-Stahlplatte enthält, welche im Allgemeinen eine
Vickershärte von ungefähr 650 HV erlangt, unzureichend
abgeschreckt, wenn die Vickershärte nach der Hochfrequenz-Wärmebehandlung
und dem Anlassen 650 HV oder weniger beträgt, was zur Entkohlung
führt. In solch einem Fall erlangt der Federstahl nicht
zuverlässig eine Haltbarkeit, welche dem Dreifachen eines
herkömmlichen Blattfedermaterials entspricht, welches ein
typisches, verbessert-austenitformgehärtetes Material mit
der B10-Lebensdauer oder mehr aufweist,
und wird daher nicht bevorzugt.
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Da
die Dauerfestigkeit im Allgemeinen mit zunehmender Härte
zunimmt, ist die Härte jedoch nicht hinsichtlich einer
oberen Grenze beschränkt. Wenn ein Defekt, wie beispielsweise
ein Kratzer, besteht, nimmt die Dauerfestigkeit andererseits in
einem umgekehrten Verhältnis zur Härte ab. Hier
wird die obere Grenze der Härte für das „Federmaterial” gemäß der
vorgesehenen Umgebung und Ähnlichem geeignet bestimmt.
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Als
nächstes zeigt 4 die Ergebnisse, wenn die Blattfedermaterialien 10 mit
unterschiedlichen Stärken d der gehärteten Schicht 11a,
welche eine Vickershärte von 650 HV aufweist, wie oben
beschrieben wurde, erzeugt und einem Ermüdungsversuch unterzogen
werden. Wenn die Stärke d der gehärteten Schicht 11a 5%
oder weniger oder 10% oder mehr in Bezug auf die Stärke
D der Stahlplatte beträgt, beträgt die höchste Anzahl
an Zyklen bis zum Versagen, welche erzielt wird, nur 105 (siehe
Bezugscode 41). Zudem kann, wenn die Stärke d
der gehärteten Schicht 11a von 5 bis 10% in Bezug
auf die Stärke D der Stahlplatte beträgt, eine Anzahl
an Zyklen bis zum Versagen von zumindest 8 × 104 oder mehr erzielt werden (siehe Bezugscode 42). D.
h., der Wert von d/D × 100% liegt vorzugsweise innerhalb
eines bestimmten Bereiches und der Bereich dieses bevorzugten Wertes
beträgt von 5 bis 10%.
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Hier
wird die Umgebung der gehärteten Schicht 11a der
Ausgangsmaterialschicht 12a durch die Wärme während
des Induktionshärtens beeinträchtigt, was manchmal
zu einer geringeren Härte als der in der Umgebung der zweiten
Oberfläche 12 der Ausgangsmaterialschicht 12a führt.
Wenn die Stärke d der gehärteten Schicht 11a gering
ist, gibt die durch Wärme beeinträchtigte Schicht
nach, wenn die Biegespannung der „Blattfeder” belastet
bzw. angelegt wird, was manchmal zu einer Abnahme in den Ermüdungscharakteristiken
führt. Die Stärke d der unteren Grenze solch einer
gehärteten Schicht 11a beträgt d/D × 100%
= 5%.
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Wenn
die Stärke d der gehärteten Schicht 11a zu
groß ist, wird andererseits die Druckeigenspannung in der
Umgebung der gehärteten Schicht 11a durch die
Rückstellkraft der Ausgangsmaterialschicht 12a nicht effektiv
erzielt. Die Stärke d der gehärteten Schicht 11a solch
einer oberen Grenze beträgt d/D × 100% = 10%.
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5 zeigt
das Ergebnis wenn Blattfedermaterialien 10 mit unterschiedlichen
Oberflächen-Druckeigenspannungen der ersten Oberfläche 11 erzeugt
und einem Ermüdungsversuch unterzogen werden. Die Anzahl
an Zyklen bis zum Versagen verbessert sich mit zunehmender Druckeigenspannung
der Oberfläche. Um zuverlässig eine Anzahl an
Zyklen bis zum Versagen von 5 × 105 zu
erlangen, beträgt die Oberflächen-Druckeigenspannung
vorzugsweise 650 MPa oder mehr. Zwar wird eine hohe Oberflächen-Druckeigenspannung bevorzugt,
aber der Höchstwert entspricht zudem der Streckspannung.
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Wie
in 6 gezeigt, weist die gehärtete Schicht 11a,
welche durch Induktionshärten erlangt wird, eine im Wesentlichen
konstante Härte in Tiefenrichtung von der ersten Oberfläche 11 auf,
wobei die Härte plötzlich an einer bestimmten
Tiefenposition abnimmt. Bei einer Härteverteilung 61 des
Blattfedermaterials 10 der vorliegenden Erfindung ist der
Bereich von der ersten Oberfläche 11 zu der Position,
an welcher die Härte plötzlich abnimmt (d. h.,
zu der Position, an welcher die Vickershärte 650 HV oder
weniger beträgt) als Stärke d der gehärteten
Schicht 11a definiert. Zudem besteht bei einer Härteverteilung 62 eines
Vergleichsbeispiels, welches später beschrieben wird, eine
im Wesentlichen konstante Härte in Tiefenrichtung und dann
nimmt die Härte plötzlich an einer bestimmten
Tiefenposition ab. Ähnlich der Definition der Härte
der gehärteten Schicht 11a der Härteverteilung 61 des
Blattfedermaterials 10 der vorliegenden Erfindung ist folglich
die Härte d der gehärteten Schicht als Bereich
von der ersten Oberfläche 11 zu der Position definiert,
an welcher die Härte plötzlich abnimmt. Zudem
ist beim Vergleichsbeispiel, wie bei dem Blattfedermaterial 10 der
vorliegenden Erfindung, in einem Fall, in welchem die Vickershärte
650 HV oder mehr nicht erreicht, die Stärke d der gehärteten
Schicht als der Bereich zu der Position einer Tiefe definiert, an
welcher die Härte auf 20% der des maximalen Wertes abnimmt.
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Wie
in 7 gezeigt, weist zudem die Druckeigenspannungsverteilung
in der Umgebung der ersten Oberfläche 11, welche
durch Induktionshärten erzielt wird, einen im Wesentlichen
konstanten Spannungswert in Tiefenrichtung von der ersten Oberfläche 11 auf
und der Absolutwert des Spannungswertes nimmt plötzlich an
einer bestimmten Tiefenposition ab. Bei einer Druckeigenspannungsverteilung 71 des
Blattfedermaterials 10 der vorliegenden Erfindung ist der
Bereich von der ersten Oberfläche 11 zu der Position,
an welcher der Spannungswert plötzlich abnimmt (d. h. zu
der Position, an welcher der Spannungswert den Absolutwert des Druckspannungswertes
von im Wesentlichen 650 MPa oder weniger erreicht) als Stärke
y der Druckeigenspannungsschicht definiert. Zudem ist bei einer
Druckeigenspannungsverteilung 72 des Vergleichsbeispiels die
Stärke y ähnlich als der Bereich von der ersten
Oberfläche 11 zu der Position definiert, an welcher
die Druckeigenspannung plötzlich abnimmt.
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Als
nächstes zeigt 8 das Ergebnis, wenn die Blattfedermaterialien 10 erzeugt
werden, wobei die Stärke d der gehärteten Schicht
und die Stärke y der Druckeigenspannungsschicht verändert
werden, und ein Ermüdungsversuch durchgeführt
wird. Der Druckeigenspannungswert, welcher zum Festlegen der Stärke
y verwendet wird, beträgt 650 MPa. (Siehe Beschreibung
der 5, welche später beschrieben wird und
angibt, dass die hohe Dauerfestigkeit mit einem Druckeigenspannungswert
von 650 MPa oder weniger nicht erzielt wird).
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Hier
besteht eine Probe (Bezugscode 81) einer Anzahl an Zyklen
bis zum Versagen von einer Millionen oder mehr oder eine Probe (Bezugscode 82),
welche in einem Innenbruch bei einer Anzahl an Zyklen bis zum Versagen
von einer Millionen endet, innerhalb des Bereiches, in welchem die
Stärke y der Druckeigenspannungsschicht größer
als die Stärke d der gehärteten Schicht ist. Andererseits
besteht die Probe (Bezugscode 83), bei welcher ein Oberflächenbruch
aufgetreten ist, innerhalb des Bereiches, in welchem die Stärke
y der Druckeigenspannungsschicht geringer als die Stärke
d der gehärteten Schicht ist. D. h., das Nachgeben dieser Abschnitte
kann durch das Liefern einer Druckeigenspannung verhindert werden,
welche die Grenzfläche der gehärteten Schicht 11a/Ausgangsmaterialschicht 12a,
an welcher sich die Härte plötzlich ändert,
und der oben beschriebenen, durch Wärme beeinträchtigten
Schicht in der Umgebung der gehärteten Schicht 11a der
Ausgangsmaterialschicht 12a überschreitet. Da
eine Abnahme in der Eigenspannung in der gehärteten Schicht 11a durch
die Erzeugung solch eines Nachgebens erzeugt wird, kann umgekehrt
ein Oberflächenbruch entstehen, welcher eine Bruchart eines
frühen Stadiums ist. Aus Obigem geht hervor, dass die Stärke
y der Druckeigenspannungsschicht vorzugsweise größer
als die Stärke d der gehärteten Schicht ist. D.
h., y/d > 1,0 wird bevorzugt.
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9 zeigt
das Ergebnis, wenn die Blattfedermaterialien 10, welche
verschiedene y/d-Verhältnisse aufweisen, weiter erzeugt
werden und ein Ermüdungsversuch durchgeführt wird.
Aus dieser Figur wird eine Tendenz zum Vorschein gebracht, welche
eine größere Anzahl an Zyklen bis zum Versagen
zeigt, wenn y/d > 1,0
ist.
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Basierend
auf den obigen Versuchsergebnissen wurden die Zustände
zum Induktionshärten in das im Wesentlichen streifenförmige,
vorbehandelte Blattfedermaterial 10-1 mit einer Plattenstärke
von 18 mm, welches eine SUP11A-Stahlplatte aufweist, geändert
und die Proben der Ausführungsformen 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele
1 bis 3 wurden erzeugt, wie in Tabelle 1 gezeigt.
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D.
h., beim Verfahren zum Herstellen des Blattfedermaterials
10 der
Ausführungsformen 1 bis 3, welche y/d > 1,0 erfüllen, wird in einem
Zustand, in welchem dem Material eine hohe Zugspannung verliehen
wurde, die Oberfläche, in welcher die Spannung erzeugt
wird, dem Induktionshärten ausgesetzt und nach dem Abkühlen
eine Wärmebehandlung mit einer Temperatur zwischen 80°C
bis 160°C durchgeführt. Wenn die Zugspannung weniger
als T = 1000 MPa beträgt, nimmt zudem die Eigenspannung
des Blattfedermaterials
10, welches erhalten wurde, am
Ende ab und, wie beim oben beschriebenen Versuchsergebnis der
5,
werden die Ziel-Ermüdungscharakteristiken nicht erzielt.
Folglich wird T = 1000 MPa oder mehr bevorzugt. Tabelle 1
| | Härte
der gehärteten Schicht (HV) | Verhältnis der
Stärke der gehärteten Schicht zur Stärke der
Stahlplatte (%) | Oberflächen-Druck-eigenspannung
(MPa) | y/d-Verhältnis | Anzahl
an Zyklen bis zum Versagen (Zyklen) |
| Ausführungsform
1 | 721 | 7,1 | 670 | 1,0 | 2010000 |
| Ausführungsform
2 | 720 | 5,6 | 745 | 1,1 | 2513212 |
| Ausführungsform
3 | 750 | 7,4 | 671 | 1,1 | 1400000 |
| Vergleichsbeispiel
1 | 628 | 7,1 | 327 | 1,2 | 85940 |
| Vergleichsbeispiel
2 | 725 | 4,4 | 604 | 0,8 | 107005 |
| Vergleichsbeispiel
3 | 726 | 10,3 | 246 | 0,8 | 31000 |
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Wie
in Tabelle 1 gezeigt, weisen die Ausführungsformen 1 bis
3, welche y/d > 1,0,
eine Vickershärte der gehärteten Schicht 11a von
650 HV oder mehr, einen Druckeigenspannungswert von 650 MPa oder
mehr und ein Verhältnis der Stärke der gehärteten
Schicht zur Stärke der Stahlplatte von 5 bis 10% erfüllen,
eine zuverlässige Haltbarkeit auf, welche dem Dreifachen
eines herkömmlichen Ziel-Blattfedermaterials entspricht, welches
ein typisches, modifiziert-austenitformgehärtetes Material
mit einer B10-Lebensdauer aufweist.
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Zudem
kann die Wärmebehandlung im Trocknungsverfahren des Beschichtungsverfahrens
durchgeführt werden. Wenn die Trocknungstemperatur des
Beschichtungsverfahrens weniger als 80°C beträgt,
treten manchmal Risse im Blattfedermaterial auf. Wenn die Trocknungstemperatur
mehr als 160°C beträgt, wird zudem die Eigenspannung
verringert und, wie oben beschrieben wurde, werden die erwünschten
Ermüdungscharakteristiken nicht erzielt. Zudem führt
beim Trocknungsverfahren eine Wärmebehandlungsdauer von
5 Minuten oder weniger zu einer Beschichtung, welche nicht getrocknet
ist, und eine Wärmebehandlungsdauer von 120 Minuten oder
mehr verringert die Eigenspannung, was einen übermäßigen
Energieverlust im Trocknungsverfahren verursacht. Folglich sollten
die Zustände zum Anlassen und Zustände zum Trocknen
berücksichtigt werden, um die optimalen Zustände
zu bestimmen.
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Um
weitere Ermüdungscharakteristiken zu verbessern, kann auch
ein öffentlich bekanntes Oberflächenbehandlungsverfahren
hinzugefügt werden. Beispielsweise wird die Druckeigenspannung
auf der obersten Oberfläche des Federmaterials durch Peening
bzw. Kugelstrahlen unter Verwendung von feinen Körnern zudem
erhöht und dadurch die Ermüdungscharakteristiken
weiter verbessert.
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Mit
Obigen wird gemäß dem Federmaterial der vorliegenden
Ausführungsform eine Dauerfestigkeit, welche dem Dreifachen
oder mehr der B10-Lebensdauer eines bekannten
und typischen, modifiziert-austenitformgehärteten Materials
entspricht, zuverlässig erzielt.
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Zwar
wurden charakteristische Ausführungsformen nach der vorliegenden
Erfindung und darauf basierte Modifikationen beschrieben, aber die
vorliegende Erfindung ist zudem nicht darauf beschränkt.
Für Fachmänner wird offensichtlich sein, dass
verschiedene Modifikationen und Variationen an der vorliegenden Erfindung
vorgenommen werden können, ohne vom Wesen oder Bereich
der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-323912
A [0003]
- - JP 2006-71082 A [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - JIS SUP11A-Stahl [0028]
- - JIS4801 [0028]