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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Federdraht sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben und eine Feder mit einem solchen Federdraht sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben.
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Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von verschiedenen Federn bekannt, beispielsweise Druckfedern, Zugfedern und Drehfedern. Diese Federn sind in vielen Anwendungen großen Belastungen ausgesetzt.
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Aus der
DE 103 21 259 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von dynamisch belasteten Bauteilen aus Metall, insbesondere von Federn bekannt, bei dem das Bauteil mindestens einmal einer Feuerverzinkung unterworfen wird und eine Oberflächenvergütung durch Kugelstrahlen vor- und/oder nach dem Feuerverzinken durchgeführt wird.
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Es hat sich gezeigt, dass solche Federn bei vielen technischen Anwendungen zu großem Verschleiß neigen und daher nachteilig sind. Des Weiteren ist die Weiterbearbeitung solcher Federn problematisch, insbesondere beim Schleifen und Kugelstrahlen. Es ergeben sich Verunreinigungen und Gesundheitsgefährdungen für die bedienenden und überwachenden Personen, einschließlich der Gefahr von Zinkstaubexplosionen. Der Kostenaufwand für Schutzmaßnahmen, um solche Gesundheitsgefährdungen zu reduzieren oder auszuschließen, ist beträchtlich.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Federdraht und eine Feder anzugeben, die sich für einen größeren Anwendungsbereich eignen, die eine höhere Verschleißfestigkeit innehaben und die besser weiterverarbeitet, insbesondere durch nachfolgende Formgebungsverfahren weiterverarbeitet werden können. Es sollen auch entsprechende einfach und kostengünstig durchführbare Herstellungsverfahren dafür angegeben werden.
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Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein erfindungsgemäßer Federdraht umfasst ein SiCr-legiertes, insbesondere ölschlussvergütetes Grundmaterial und eine auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachte Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 μm.
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Neben Si und Cr kann die Legierung weitere Legierungselemente umfassen, bspw. Ni.
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Ein erfindungsgemäßer Federdraht kann als beliebiger Federdraht ausgebildet sein, insbesondere kann der erfindungsgemäße Federdraht auch ein Ventilfederdraht sein.
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Durch das Ölschlussvergüten werden die Drahteigenschaften optimiert. Das Ölschlussvergüten kann über die Martensitstufe erfolgen, durch Abschrecken im Ölbad und anschließendem Anlassen im Bleibad. Der so hergestellte Federdraht hat ein spannungsfreies, homogenes Gefüge ohne Verformungstextur und eine hohe Lebensdauer, Temperatur- und Relaxationsbeständigkeit.
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Bei dem erfindungsgemäßen Federdraht wird nicht, wie vielfach üblich, als Grundmaterial unlegierter Stahl eingesetzt, sondern vielmehr kommt ein SiCr-legiertes Grundmaterial zum Einsatz. Der Hauptbestandteil des Grundmaterials ist dabei vorzugsweise Stahl.
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Des Weiteren handelt es sich bei der auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachten Zinkschicht nicht um eine sogenannte weiche Reinzinkschicht bzw. Weichzinkschicht, sondern vielmehr um eine Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 μm.
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Die Erfinder des vorliegenden Gegenstandes haben herausgefunden, dass die beim üblichen Verzinken normalerweise erwünschte, wesentlich dickere weiche Reinzinkschicht, die sich beim Erstarren des flüssigen Zinks bildet und vorteilhafte Korrosionseigenschaften bedingt, für viele Anwendungsfälle von Federn von Nachteil ist, da die Schichtdicke für diese Anwendungsfälle zu dick ist und die Schicht von zu geringer Härte. Des Weiteren haben die Erfinder herausgefunden, dass sich bei Federdrähten mit darauf aufgebrachten üblichen weichen Reinzinkschichten verschiedene Probleme ergeben, beispielsweise ergibt sich bei nachfolgenden Formgebungsverfahren ein erheblicher Abrieb des Zinkmaterials der weichen Reinzinkschicht, was zu Verunreinigungen der Fertigungsautomaten einschließlich deren Peripherie und zu Gesundheitsgefährdungen der Personen, welche diese Fertigungsautomaten bedienen oder überwachen, einschließlich der Gefahr von Zinkstaubexplosionen führt.
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Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ist die auf der Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachte Hartzinkschicht deshalb wesentlich dünner, und zwar mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 μm ausgebildet. Durch den Härtegrad dieser Hartzinkschicht sowie durch die deutlich dünnere Ausbildung derselben können die Probleme bei der Weiterverarbeitung dieses Federdrahts deutlich reduziert werden. Insbesondere ist der Abrieb bei späteren Formgebungsverfahren signifikant reduziert, so dass sich kaum Verunreinigungen der Fertigungsautomaten einschließlich der Peripherie und eine deutlich reduzierte Gesundheitsgefährdung ergeben. Zudem können kostenintensive Schutzmaßnahmen an den Fertigungsautomaten gegen eine Gesundheitsgefährdung durch Zinkabrieb entfallen.
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Der erfindungsgemäße Federdraht ist somit sehr gleichmäßig, temperaturbeständig, hart und abriebfest und bietet einen hohen Korrosionsschutz.
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Bei dem erfindungsgemäßen Federdraht ist auf der Hartzinkschicht, die auf der Oberfläche des Grundmaterials aufgebracht ist, ausdrücklich keine weitere weiche Reinzinkschicht vorhanden. Die Außenfläche der Hartzinkschicht bildet auch die Oberfläche des Federdrahts.
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Insbesondere eignet sich ein erfindungsgemäßer Federdraht mit einer solchen Hartzinkschicht problemlos zur Weiterverarbeitung auf Fertigungsautomaten für Federn, zum einen auf Federwindeautomaten mit Winderollen und zum anderen auf Federwickelautomaten.
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Die Erfinder des vorliegenden Gegenstands haben herausgefunden, dass diese Hartzinkschicht entgegen dem landläufigen Vorurteil, dass diese beim ”normalen Feuerverzinken” eigentlich nicht erwünscht ist, da sie spröde sei, beim weiteren Drahtziehen oft in blockartige Bereiche zerbreche und somit in der Bauteiloberfläche Kerben darstelle, welche die Dauerschwingfestigkeit deutlich herabsetzen können, auf einem SiCr-legierten, ölschlussvergüteten Federdraht gute Korrosionseigenschaften und eine bei weitem nicht so nachteilige Beeinflussung der Dauerschwingfestigkeit aufweist und sich sehr gut für nachfolgende Bearbeitungsschritte eignet.
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Ein erfindungsgemäßer Federdraht ist für nachfolgende Formgebungsschritte und Wärmebehandlungsschritte, wie bspw. das Spannungsarmglühen, die zumeist erst bei Herstellung der Feder durchgeführt werden, geeignet. Die Hartzinkschicht bleibt dabei erhalten und bietet einen guten Korrossionsschutz.
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Ein erfindungsgemäßer Federdraht ist auch zum anschließenden Kugelstrahlen geeignet. Das Kugelstrahlen stellt eine Oberflächenbehandlung dar, bei der mittels Schleuderrad-, Druckluft- oder Injektor-Strahlanlagen kleine Strahlmittelkörner mit hoher Geschwindigkeit gegen die Federdrahtoberfläche geschleudert werden. Dadurch werden künstlich Fehler ins Atomgitter eingebracht, die eine Volumenvergrößerung und damit Druckeigenspannungen hervorrufen, was sich positiv auf die Lebensdauer der herzustellenden Feder auswirkt. Üblicherweise erfolgt die Oberflächenbehandlung des Kugelstrahlens erst nach Herstellung und Ablängung der Feder.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung hat die Hartzinkschicht eine Schichtdicke von 5 bis 9 μm. Eine derartige Hartzinkschichtdicke reicht aus, um einen zuverlässigen Korrosionsschutz zu bieten, was bei Versuchen mit Kondenswassertests nachgewiesen werden konnte. Gleichzeitig eignet sich ein solcher Federdraht für nachfolgende Weiterverarbeitungsverfahren, insbesondere Formgebungsverfahren und der Abrieb wird minimiert.
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Der durch die erfindungsgemäße Hartzinkschicht bereitgestellte Korrosionsschutz ist verschleißfest und bietet für viele technische Anwendungen, beispielsweise für lange Druckfedern für Kraftfahrzeug-Klappenöffnungssysteme, einen Vorteil gegenüber anderen Beschichtungsverfahren und insbesondere gegenüber wesentlich weicheren Weichzinkschichten bzw. weichen Reinzinkschichten, die häufig durch Verschleiß abgerieben werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt der Siliziumanteil des Grundmaterials im Bereich von 1,2% bis 1,65%, und der Chromanteil des Grundmaterials liegt im Bereich von 0,5% bis 0,8%. Durch einen solchen Siliziumanteil und einen solchen Chromanteil des Grundmaterials kann sich das Zink der Hartzinkschicht besonders gut mit dem Grundmaterial verbinden, was die Korrosionsbeständigkeit und die Eignung des Federdrahts für die nachfolgende Weiterverarbeitung noch weiter verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Grundmaterial zusätzlich einen Anteil an Vanadium auf, um die Zähigkeit und die Widerstandsfähigkeit des Federdrahts zu erhöhen. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Vanadiumanteil des Grundmaterials im Bereich von 0,05 bis 0,35% herausgestellt.
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Die Hartzinkschicht besteht aus intermetallischen Verbindungen zwischen dem Grundmaterial des Federdrahts und dem Zink der Hartzinkschicht. Idealerweise sollen darin keine weiteren chemischen Verbindungen oder erstarrtes Zink in nennenswerter Menge vorhanden sein. Dabei sind die intermetallischen Verbindungen insbesondere diffusionsinduziert, die Hartzinkschicht bildet somit eine Diffusionsschicht, in der das Grundmaterial des Federdrahts, insbesondere der SiCr-legierte bzw. SiCrV-legierte Stahl mit dem Zink der Hartzinkschicht als intermetallische Phase verbunden ist.
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Die Erfindung betrifft auch eine Feder mit einem Federdraht der oben beschriebenen Art. Die erfindungsgemäße Feder kann prinzipiell von beliebiger Art und Bauform sein. In bisherigen Versuchen haben sich insbesondere Druckfedern, beispielsweise Druckfedern für Einspritzpumpen oder für Klappenöffnungssysteme eines Kraftfahrzeugs, Zugfedern und Drehfedern als sehr vorteilhaft herausgestellt.
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Eine derartige erfindungsgemäße Feder hat alle oben mit Bezug auf den Federdraht beschriebenen Vorteile inne. Durch die Hartzinkschicht an der Oberfläche der Feder ist die Feder korrosions- und temperaturbeständig, hart und abriebfest, was die Feder für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten geeignet macht.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder, sind die Federenden ohne eine Hartzinkschicht ausgebildet. Da die erfindungsgemäße Feder direkt aus einem Federdraht der oben beschriebenen Art hergestellt und daraus abgelängt wird, haben die Federenden keine Hartzinkschicht, sie sind vielmehr blank.
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An den Federenden, die ggf. noch abgeschliffen werden können, bzw. an der Endwindung ist somit örtlich kein oder nur ein geringerer Korrosionsschutz gegeben, hier liegen jedoch im Anwendungsfall auch deutlich niedrigere Spannungen als im Federkörper vor, so dass ein Korrosionsangriff dort relativ unschädlich ist und in der Regel nicht zum Ausfall der Feder führt.
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Da die Federenden bei der Anwendung der Feder zudem in der Regel keinem Verschleiß durch große Relativbewegungen zum Nachbarteil ausgesetzt sind, braucht auch aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit auf den Federenden normalerweise keine solche Hartzinkschicht vorgesehen zu werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Feder zusätzlich mit einer weiteren Oberflächenbeschichtung versehen, die sich auch über die Federenden erstrecken kann. Bei einer derartigen weiteren Oberflächenbeschichtung kann es sich insbesondere um eine weiche Zinklamellenbeschichtung, um eine weiche Zink-Aluminiumlamellenbeschichtung oder um eine KTL-Beschichtung handeln.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Federdrahts, bei dem zunächst ein noch nicht gewundenes SiCr-legiertes Grundmaterial ölschlussvergütet wird und anschließend darauf eine Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 μm, insbesondere von 5 bis 9 μm aufgebracht wird. Mit einem derartigen Herstellungsverfahren lässt sich ein Federdraht der oben beschriebenen Art einfach und kostengünstig herstellen. Der durch das Herstellungsverfahren bereitgestellte Federdraht weist die oben beschriebenen Vorteile auf, die hier zur Vermeidung von Wiederholungen nicht noch einmal aufgeführt werden.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Aufbringen der Hartzinkschicht durch Feuerverzinken im schmelzflüssigen Zinkbad. Dabei kann das SiCr-legierte Grundmaterial insbesondere im Durchlaufverfahren durch das schmelzflüssige Zinkbad gezogen und dabei eingetaucht werden. Beim Durchlaufen des Grundmaterials durch das flüssige Zinkbad reagiert das Zink des Zinkbads an der Oberfläche des Grundmaterials mit diesem zu der Hartzinkschicht. Das Grundmaterial des Federdrahts ist üblicherweise stangenförmig und wird auf dem Fachmann bekannte Weise hergestellt und in sowie durch das Zinkbad hindurch geführt.
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Dadurch ergibt sich auf dem SiCr-legierten Grundmaterial eine Zinkschicht, die an der Grenzfläche zum Grundmaterial diffusionsinduzierte, intermetallische Verbindungen zwischen dem Eisen des Grundmaterials und dem Zink der Hartzinkschicht umfasst, wobei auf dieser Hartzinkschicht noch eine weiche Reinzinkschicht vorhanden ist, die reines Zink und gegebenenfalls weitere chemische Verbindungen enthält. Diese weiche Reinzinkschicht kann anschließend entfernt werden, und das Entfernen dieser weichen Reinzinkschicht kann dabei auf beliebige Weise erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Entfernen der weichen Reinzinkschicht in noch flüssigem Zustand des Zinks beim Austritt aus dem Zinkbad mechanisch, beispielsweise durch wenigstens einen Abstreifer erfolgt. Dieser Abstreifer kann an oder nach dem Austritt des Federdrahts aus dem Zinkbad angeordnet sein.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Feder, insbesondere einer Druckfeder, beispielsweise einer Druckfeder für eine Einspritzpumpe oder für ein Klappenöffnungssystem eines Kraftfahrzeugs, eine Zugfeder oder eine Drehfeder der oben beschriebenen Art.
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Zunächst wird der Federdraht gemäß einem Herstellungsverfahren der oben beschriebenen Art hergestellt und anschließend wird die Feder gewickelt oder gewunden und abgelängt. Bei der Federherstellung wird zunächst der Federkörper geformt und dabei der Draht vom Coil nachgezogen. Erst die fertige Feder wird abgelängt.
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Bei der Federfertigung wird nach ”Winden” und ”Wickeln” unterschieden, je nach Herstellungsart des gewünschten Federtyps. Prinzipiell sind beide Verfahren möglich, insbesondere bei Zugfedern wird oft das Verfahren des Wickelns verwendet.
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Mit einem derartigen erfindungsgemäßen Verfahren kann auf einfache und kostengünstige Weise eine korrosionsfeste Feder mit einer günstigen Federrate hergestellt werden, und diese Feder kann weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden, beispielsweise dem Spannungsarmglühen oder dem Schleifen der Federenden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Wickeln oder Winden und Ablängen der Feder die Oberfläche der Feder mit Kugelstrahlen behandelt. Das Oberflächenveredelungsverfahren des Kugelstrahlens kann die Schichtdicke der Hartzinkschicht etwas verringern. Nach Kugelstrahlen mit geeigneten Parametern ist die Hartzinkschicht immer noch ausreichend stark, um für viele technische Anwendungen einen ausreichenden Korrosionsschutz im Federkörper zu gewährleisten. Diese hat danach eine Schichtdicke von 1 bis 10 μm, insbesondere von 3 bis 9 μm.
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Selbstverständlich ist auch eine Feder mit einem SiCr-legierten, insbesondere ölschlussvergüteten Grundmaterial und mit einer auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachten und mit Kugelstrahlen behandelten Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 1 bis 10 μm, insbesondere von 3 bis 9 μm, Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Anschließend kann je nach Anwendungsfall noch eine weitere Oberflächenbeschichtung, insbesondere eine weiche Zinklamellen-, Zinkaluminiumlamellen- oder KTL-Beschichtung auf die Oberfläche der Feder aufgebracht werden. Eine solche weitere Oberflächenbeschichtung wird in der Regel dann vorgesehen, wenn bei der Federanwendung auch an den Federenden keine Roststellen zulässig sind, wie beispielsweise bei langen Druckfedern für Klappen-Öffnungssysteme.
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Wenn bei dem einen oder anderen Anwendungsfall eine solche zusätzliche Oberflächenbeschichtung partiell oder großflächiger abgescheuert wird, bietet die darunter vorhandene Hartzinkschicht immer noch einen ausreichenden Korrosionsschutz.
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Anders als bei vielen anderen Beschichtungen, insbesondere bei Weichzinkbeschichtungen, die beim Kugelstrahlen abrasiv entfernt würden, ist die Hartzinkschicht zum nachträglichen Kugelstrahlen geeignet, und somit können die Druckeigenspannungen erhöht und die Dauerfestigkeit der Feder gesteigert werden.
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Alle vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und die daraus resultierenden Vorteile ergeben sich auch – in vorrichtungsmäßiger Ausgestaltung – bei dem erfindungsgemäßen Federdraht und bei der erfindungsgemäßen Feder, und diese werden hier zur Vermeidung von Wiederholungen nicht noch einmal aufgeführt.
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Durch die erfindungsgemäße Hartzinkschicht können andere nachträgliche galvanische Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise die ZnNi-Beschichtung, die häufig zu einer Wasserstoffversprödung führen, entfallen und eingespart werden.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegende Figur näher erläutert.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Herstellen einer Feder anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Gemäß dem Ablaufdiagramm 1 wird zunächst im Verfahrensschritt S1 ein insbesondere stangenförmiger Federdraht aus SiCr-legiertem Grundmaterial, insbesondere Stahl bereitgestellt.
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Dieser Federdraht wird anschließend ölschlussvergütet (Verfahrensschritt S2), um die Drahteigenschaften zu optimieren. Dieses Ölschlussvergüten kann, wie dem Fachmann bekannt, über die Martensitstufe erfolgen, durch Abschrecken im Ölbad und anschließendes Anlassen im Bleibad.
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Ein derart ölschlussvergüteter Federdraht aus SiCr-legiertem Grundmaterial hat ein spannungsfreies, homogenes Gefüge ohne Verformungstextur und weist eine hohe Lebensdauer, Temperatur- und Relaxationsbeständigkeit auf.
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Nun wird im Verfahrensschritt S3 die Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 μm, insbesondere von 5 bis 9 μm auf die Oberfläche des Federdrahts aufgebracht. Dabei wird der ölschlussvergütete Federdraht durch ein Zinkbad mit einer Temperatur von 420°C bis 500°C geführt, und das Zink des Zinkbads reagiert an der Oberfläche des Federdrahts mit dem Grundmaterial desselben zu einer Hartzinkschicht, die als Diffusionsschicht ausgebildet ist, in welcher das Zink und das Eisen als intermetallische Phase miteinander verbunden sind, und zu einer sich auf der Hartzinkschicht abscheidenden weichen Reinzinkschicht. Diese unerwünschte weiche Reinzinkschicht wird anschließend entfernt. Dies kann in einem ersten Ausführungsbeispiel mechanisch durch Abstreifer erfolgen, die am Austritt des Federdrahts aus dem Zinkbad angeordnet sind und die noch flüssige weiche Reinzinkschicht abstreifen.
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Nun wird die Feder je nach für den Federtyp in Frage kommenden Herstellungsvariante entweder gewickelt oder gewunden und abgelängt (Verfahrensschritt S4). Bei Druckfedern kommen häufig Federwindeautomaten mit Winderollen zum Einsatz, für welche sich die erfindungsgemäße Hartzinkschicht aufgrund des geringen Abriebs besonders gut eignet. Bei Zugfedern wird oft das Verfahren des Wickelns verwendet.
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Danach ist die Feder grundsätzlich fertig, es können sich noch weitere Verfahrensschritte anschließen, um die Eigenschaften der Feder noch weiter zu verbessern.
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In 1 sind als optional weiter auszuführende Verfahrensschritte der Verfahrensschritt S5 des Spannungsarmglühens, der Verfahrensschritt S6 des Schleifens der Federenden, der Verfahrensschritt S7 des Kugelstrahlens und der Verfahrensschritt S8 des Aufbringens einer weichen Zinklamellenbeschichtung oder KTL-Beschichtung dargestellt.
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Der Verfahrensschritt S8 des Aufbringens einer weiteren weichen Beschichtung kann dann vorgesehen werden, wenn auch an den Federenden, an denen ja bedingt durch das Ablängen keine Hartzinkschicht vorhanden ist, keine Roststellen zulässig sind, wie beispielsweise bei langen Druckfedern für Kraftfahrzeug-Klappenöffnungssysteme. Diese blanken Federenden sind normalerweise keinem Verschleiß durch große Relativbewegung zum Nachbarbauteil ausgesetzt, so dass hier eine solche weiche Beschichtung ausreicht. Im Federkörper, wo durch das Ausknicken der Feder ein nennenswerter Abrieb entstehen kann, kann nach dem Abscheuern der weichen Beschichtung die Hartzinkschicht noch einen ausreichenden Schutz bieten.
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Eine durch das Verfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hergestellte Feder ist besonders korrosionsbeständig und eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten. Verunreinigungen der Fertigungsautomaten einschließlich der Peripherie sowie Gesundheitsgefährdungen, welche durch einen Abrieb von Zink aus der weichen Reinzinkschicht bei herkömmlichen Federn verursacht werden, ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren nicht. Die durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erhaltene Feder hat eine sehr dünne und dabei sehr gleichmäßige Schichtdicke der Hartzinkschicht, was sie für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten geeignet macht, und sie ist darüberhinaus temperatur- und korrosionsbeständig, hart und abriebfest.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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