DE102010046776A1

DE102010046776A1 - Schraubenfeder für ein Kraftfahrzeugfahrwerk und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102010046776A1
Application number: DE201010046776
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Aichi Nakano; Takayuki Aichi Sakakibara; Takanori Aichi Kuno; Shingo Aichi Mimura; Masami Aichi Wakita
Original assignee: Chuo Hatsujo KK
Current assignee: Chuo Hatsujo KK
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2011-07-21
Also published as: JP2011149036A; JP5550359B2

Abstract

für ein Kraftfahrzeugfahrwerk umfasst das Formen eines Materials zu einer Schraubenwendelform, das Durchführen eines Wärmebehandlungsschritts mit dem Material, das Durchführen eines Warmkugelstrahlschritts mit dem Material und das Durchführen eines Heißhärtungsschritts mit dem Material. Durch die Durchführung des Warmkugelstrahlschritts vor dem Heißhärtungsschritt wird in einer Richtung, entlang derer während des Gebrauchs der Schraubenfeder eine starke Zugspannung einwirkt, eine stärkere Druckrestspannung verliehen, wodurch die Durchbiegebeständigkeit und Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder verbessert werden. Ferner wird gemäß diesem Verfahren auch eine Schraubenfeder hergestellt.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Schraubenfeder für ein Kraftfahrzeugfahrwerk. Die vorliegende Anmeldung betrifft auch ein Verfahren zu deren Herstellung.
Eine Schraubenfeder für ein Kraftfahrzeugfahrwerk wird typischerweise durch Formen eines Stahldrahts oder -stabs (nachstehend zusammen als „Stahldraht” bezeichnet) hergestellt. Ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung einer solchen Schraubenfeder ist auf der Seite 508 des Lehrbuchs „Spring”, 4. Auflage, herausgegeben von der Japan Society of Spring Engineers, beschrieben und umfasst die folgenden Schritte:

1) Der Stahldraht wird zu einer Schraubenwendelform geformt;
2) der Stahldraht in Schraubenwendelform wird einer Wärmebehandlung (Abschrecken und Anlassen) unterzogen;
3) der wärmebehandelte Stahldraht in Schraubenwendelform wird einem Heißhärten unterzogen, bei dem eine Druckbelastung, die größer ist als die maximale Druckbelastung, die voraussichtlich auf die Schraubenfeder beim Gebrauch ausgeübt wird, auf die Schraubenfeder ausgeübt wird;
4) die Schraubenfeder wird einem Warmkugelstrahlen unterzogen;
5) die Schraubenfeder wird einem Kalthärten unterzogen; und
6) die Oberfläche der Schraubenfeder wird mit einer Schutzbeschichtung versehen.

Eine Schraubenfeder weist die Eigenschaft auf, dass sich die Beziehung zwischen der Spannung und der Dehnung während des Gebrauchs ändert. Wenn sich diese Beziehung schnell ändert oder verschlechtert, wird die Schraubenfeder essentielle Federeigenschaften schnell verlieren. In dieser Beschreibung wird die Eigenschaft, die Spannung-Dehnung-Beziehung über einen langen Zeitraum bei einem relativ konstanten Niveau zu halten, als „Durchbiegebeständigkeit” bezeichnet. Ferner bricht eine Schraubenfeder, wenn sie wiederholt zyklischen Belastungen ausgesetzt wird. Die Eigenschaft, dass sie eine lange Gebrauchsdauer bis zum Bruch aufweist, wird hier als „Dauerbeständigkeit” bezeichnet.
Der Heißhärtungsschritt während der Herstellung der Schraubenfeder erhöht die Durchbiegebeständigkeit der hergestellten Schraubenfeder effektiv und der Warmkugelstrahlschritt erhöht die Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder effektiv.
Eine Schraubenfeder für ein Kraftfahrzeugfahrwerk muss ein extrem hohes Niveau der Durchbiegebeständigkeit und der Dauerbeständigkeit aufweisen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Lehren, ein neues Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder bereitzustellen, das zu einem sehr hohen Niveau der Durchbiegebeständigkeit und der Dauerbeständigkeit führt. Die hier offenbarten Techniken führen auch zu einer neuen und nützlichen Schraubenfeder für ein Kraftfahrzeugfahrwerk.
Bei dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Schraubenfeder-Herstellungsverfahren wird der Heißhärtungsschritt vor dem Warmkugelstrahlschritt durchgeführt. Als Ergebnis ausgedehnter und intensiver Untersuchungen haben die Erfinder gefunden, dass diese Abfolge von Schritten aus dem folgenden Grund nachteilig ist. Der Heißhärtungsschritt verleiht der Schraubenfeder eine Restspannung mit einer spezifischen Orientierung und diese orientierte Restspannung verbessert die Durchbiegebeständigkeit. Die Erfinder haben jedoch gefunden, dass diese gewünschte orientierte Restspannung, die durch den Heißhärtungsschritt erzeugt worden ist, geschwächt wird, wenn der Warmkugelstrahlschritt nach dem Heißhärtungsschritt durchgeführt wird.
Auf der Basis dieser Erkenntnis haben die Erfinder ein neues Verfahren entwickelt, bei dem der Warmkugelstrahlschritt vor dem Heißhärtungsschritt durchgeführt wird. Ausgedehnte und intensive Untersuchungen haben bestätigt, dass gemäß dem hier offenbarten neuen und verbesserten Verfahren eine Schraubenfeder mit einem sehr hohen Niveau der Durchbiegebeständigkeit und der Dauerbeständigkeit hergestellt werden kann.
Obwohl sich die Erfinder nicht auf eine Theorie festlegen wollen, wird die folgende Theorie als möglicher Grund für die verbesserten Eigenschaften der gemäß dem hier offenbarten Verfahren erzeugten Schraubenfedern angeführt.

1) Der Warmkugelstrahlschritt verleiht der Oberfläche der Schraubenfeder eine Restspannung, die kompressiv und isotrop ist. Die Oberflächendruckspannung trägt zur Verbesserung der Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder bei.
2) Der Heißhärtungsschritt verleiht der Schraubenfeder eine orientierte Restspannung, die zur Verbesserung der Durchbiegebeständigkeit der Schraubenfeder beiträgt. Durch die Durchführung des Heißhärtungsschritts nach dem Warmkugelstrahlschritt wird die durch den Warmkugelstrahlschritt erzeugte Oberflächendruckspannung nicht geschwächt.
3) Das neue Verfahren verleiht somit die durch den Warmkugelstrahlschritt erzeugte Oberflächendruckspannung und die durch den Heißhärtungsschritt erzeugte orientierte Restspannung. Sowohl die Durchbiegebeständigkeit als auch die Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder werden verbessert.

In einem hier offenbarten Herstellungsverfahren wird der Warmkugelstrahlschritt vor dem Heißhärtungsschritt durchgeführt. Folglich werden sowohl die Durchbiegebeständigkeit als auch die Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder verbessert. Darüber hinaus kann eine neue und nützliche Schraubenfeder für ein Kraftfahrzeugfahrwerk hergestellt werden. Nachstehend werden bestimmte verbesserte Eigenschaften mit Hilfe der 12 und 13 erläutert.
Die 12A veranschaulicht einen oberen Abschnitt einer Schraubenfeder. Die 12B veranschaulicht eine vergrößerte Seitenansicht der Schraubenfeder. Die Schraubenfeder erstreckt sich von einem oberen Ende 162 im Uhrzeigersinn (d. h. eine Verdrehung im Uhrzeigersinn). Das Bezugszeichen 164 bezeichnet einen Punkt auf der Oberfläche der Schraubenfeder. Der Punkt 164 befindet sich an einer Außenposition auf der Oberfläche der Schraubenfeder. Das Bezugszeichen 166 veranschaulicht eine virtuelle Ebene, die mit der Oberfläche der Schraubenfeder an dem Punkt 164 in Kontakt steht oder diesen schneidet. Die Richtungen zur Beschreibung der Orientierung der Restspannung sind wie folgt definiert.

1) 0 Grad: 0 Grad ist parallel zu einer Richtung, entlang derer sich die Schraubenfeder erstreckt. 0 Grad erstreckt sich von dem Punkt 164 in die Richtung des oberen Endes 162.
2) θ Grad: 0 Grad ist eine Richtung, die ausgehend von 0 Grad um den Punkt 164 innerhalb der Ebene 166 um den Winkel θ im Gegenuhrzeigersinn gedreht ist.

Die 13A und die 13B veranschaulichen eine Schraubenfeder, die sich von einem oberen Ende 163 im Gegenuhrzeigersinn erstreckt. Das Bezugszeichen 165 gibt einen Punkt auf einer Oberfläche der Schraubenfeder an. Der Punkt 165 befindet sich an einer Außenposition auf der Oberfläche der Schraubenfeder. Das Bezugszeichen 167 veranschaulicht eine virtuelle Ebene, die mit der Oberfläche der Schraubenfeder an dem Punkt 165 in Kontakt steht oder diesen schneidet. Die Richtungen zur Beschreibung der Orientierung der Restspannung sind wie folgt definiert.

1) 0 Grad: 0 Grad ist parallel zu einer Richtung, entlang derer sich die Schraubenfeder erstreckt. 0 Grad erstreckt sich von dem Punkt 165 in die Richtung des oberen Endes 163.
2) θ Grad: θ Grad ist eine Richtung, die ausgehend von 0 Grad um den Punkt 165 innerhalb der Ebene 167 um den Winkel θ im Uhrzeigersinn gedreht ist.

Die 12B und die 13B veranschaulichen die Winkel 45 Grad, 135 Grad, 225 Grad bzw. 315 Grad.
Wenn die Schraubenfeder in einem Kraftfahrzeugfahrwerk eingesetzt wird, wird eine große Zugspannung oder -belastung im Allgemeinen entlang der Richtung von 135 bis 315 Grad ausgeübt. Daher trägt eine große Druckrestspannung, die entlang der Richtung von 135 bis 315 Grad orientiert ist, zur Verbesserung der Durchbiegebeständigkeit und der Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder für das Kraftfahrzeugfahrwerk bei, Es ist bekannt, dass eine Kombination einer großen Restspannung, die entlang der Richtung von 135 bis 315 Grad orientiert ist, und einer relativ kleineren Restspannung, die entlang der Richtung von 45 bis 225 Grad orientiert ist, die Durchbiegebeständigkeit und die Dauerbeständigkeit verbessert. Selbst wenn jedoch das Verhältnis der Restspannung, die entlang der Richtung von 135 bis 315 Grad orientiert ist, dividiert durch die Restspannung, die entlang der Richtung von 45 bis 225 Grad orientiert ist, relativ hoch ist, kann manchmal eine geeignete Durchbiegebeständigkeit oder Dauerbeständigkeit dennoch nicht erhalten werden. Die Erfinder haben umfangreiche Untersuchungen bezüglich dieses Phänomens durchgeführt und erkannt, dass es selbst dann, wenn das Verhältnis an der Oberfläche der Schraubenfeder hoch ist, möglich ist, dass das Verhältnis in einer Innenposition oder Tiefenposition innerhalb des Körpers der Schraubenfeder vermindert sein kann. Wenn das Verhältnis an unterhalb der Oberfläche liegenden oder tieferen Positionen vermindert oder niedriger ist und dann die ursprüngliche Oberfläche oder die ursprüngliche Oberflächenschicht während des Einsatzes der Schraubenfeder verschlissen wird, ist das Verhältnis der neu freigelegten Oberfläche niedriger als dasjenige der ursprünglichen Oberfläche. Diese Erkenntnis zeigt die Bedeutung der Verhältnisverteilung entlang der Tiefenrichtung des Stahldrahts, der die Schraubenfeder bildet.
Die hier offenbarte neue und nützliche Schraubenfeder weist vorzugsweise die folgende Eigenschaft auf: Das Verhältnis der Restspannung, die entlang der Richtung von 135 bis 315 Grad orientiert ist, dividiert durch die Restspannung, die entlang der Richtung von 45 bis 225 Grad orientiert ist, an der Oberfläche der Schraubenfeder ist vorzugsweise kleiner als das Verhältnis der Restspannung, die entlang der Richtung von 135 bis 315 Grad orientiert ist, dividiert durch die Restspannung, die entlang der Richtung von 45 bis 225 Grad orientiert ist, in einer Tiefe (senkrecht von der Oberfläche) von 0,2 mm des Stahldrahts, der die Schraubenfeder bildet.
Die neue und nützliche Schraubenfeder, welche diese Eigenschaft zeigt, kann die große Zugspannung verkraften, die während des Gebrauchs vorwiegend entlang der Richtung von 135 bis 315 Grad ausgeübt wird, selbst wenn die ursprüngliche Oberfläche verschlissen ist, und daher werden die Durchbiegebeständigkeit und die Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder für ein Kraftfahrzeugfahrwerk effektiv verbessert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A zeigt eine Referenz für das Verständnis der Zusammensetzung und des Herstellungsverfahrens der geprüften Proben.
1B zeigt die Zusammensetzungen von zwei Typen von geprüften Stahldrähten.
1C zeigt erste Daten und Eigenschaften von geprüften Schraubenfedern.
1D zeigt zweite Daten und Eigenschaften von geprüften Schraubenfedern.
2 zeigt die Ergebnisse einer Durchbiegungsbestimmungsprüfung.
3 zeigt die Ergebnisse einer Dauerbeständigkeitsprüfung.
4 zeigt die Ergebnisse einer Korrosionsermüdungsprüfung.
5 zeigt die Verteilung der Restspannung entlang der Tiefe von Beispiel-Stahlschraubenwendeln und Vergleichsstahlschraubenwendeln.
6 zeigt die Beziehung zwischen der Restspannung und deren Orientierung an der Oberfläche von Beispiel-Stahlschraubenwendeln und Vergleichsstahlschraubenwendeln.
7 zeigt die Beziehung zwischen der Restspannung und deren Orientierung von Beispiel-Stahlschraubenwendeln und Vergleichsstahlschraubenwendeln in einer Tiefe von 0,1 mm.
8 zeigt die Beziehung zwischen der Restspannung und deren Orientierung von Beispiel-Stahlschraubenwendeln und Vergleichsstahlschraubenwendeln in einer Tiefe von 0,2 mm.
9 zeigt die Beziehung zwischen der Restspannung und deren Orientierung von Beispiel-Stahlschraubenwendeln und Vergleichsstahlschraubenwendeln in einer Tiefe von 0,3 mm.
10 zeigt die berechneten Verhältnisse der Restspannung, die entlang der Richtung von 135 bis 315 Grad orientiert ist, dividiert durch die Restspannung, die entlang der Richtung von 45 bis 225 Grad orientiert ist, von Beispiel-Stahlschraubenwendeln und Vergleichsstahlschraubenwendeln.
11 zeigt die Beziehungen zwischen der Tiefe, der Größe der Restspannung und dem Verhältnis der Restspannung, die entlang der Richtung von 135 bis 315 Grad orientiert ist, dividiert durch die Restspannung, die entlang der Richtung von 45 bis 225 Grad orientiert ist.
12A zeigt einen oberen Abschnitt einer Feder, der sich von einem oberen Ende im Uhrzeigersinn erstreckt.
12B zeigt eine vergrößerte Seitenansicht der Schraubenfeder und die Richtungen zur Beschreibung der Orientierung der Restspannung.
12C erläutert ein Verfahren zum Messen der Restspannung mittels Röntgenbeugung.
13A zeigt einen oberen Abschnitt einer Feder, der sich von einem oberen Ende im Gegenuhrzeigersinn erstreckt.
13B zeigt eine vergrößerte Seitenansicht der Schraubenfeder und die Richtungen zur Beschreibung der Orientierung der Restspannung.
13C erläutert ein Verfahren zum Messen der Restspannung mittels Röntgenbeugung.
Ein neues Verfahren zur Herstellung einer neuen Schraubenfeder z. B. für ein Kraftfahrzeugfahrwerk umfasst vorzugsweise die folgenden Herstellungsschritte, die in der folgenden Reihenfolge durchgeführt werden. Es sollte beachtet werden, dass die nachstehend genannten Schritte (5) und (6) optional sind und nach den Schritten (1) bis (4) nicht durchgeführt werden müssen.

1) Der Stahldraht wird zu einer Schraubenwendelform geformt.
2) Der Stahldraht in Schraubenwendelform wird einer Wärmebehandlung unterzogen.
3) Der wärmebehandelte Stahldraht in Schraubenwendelform wird einem Warmkugelstrahlen unterzogen.
4) Der Stahldraht in Schraubenwendelform wird einem Heißhärten unterzogen.
5) Der Stahldraht in Schraubenwendelform wird einem Kaltkugelstrahlen unterzogen.
6) Der Stahldraht in Schraubenwendelform wird einem Kalthärten unterzogen.

Das Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform kann unter Verwendung von jedwedem bekannten Stahldraht durchgeführt werden, der zur Herstellung von Schraubenfedern verwendet worden ist. Das hier offenbarte Herstellungsverfahren ist jedoch besonders gut geeignet, wenn der Stahldraht zusätzlich zu Eisen die folgenden Elemente enthält. Zusätzlich zu den nachstehend genannten Elementen kann der Stahl ferner zufällig vorliegende Elemente und/oder unvermeidbare Verunreinigungen umfassen.

1) 0,35 bis 0,55 Massen-% Kohlenstoff,
2) 1,60 bis 3,00 Massen% Silizium,
3) 0,20 bis 1,50 Massen% Mangan,
4) 0,10 bis 1,50 Massen-% Chrom und mindestens eines der folgenden Elemente: 5-1) 0,40 bis 3,00 Massen-% Nickel, 5-2) 0,05 bis 0,50 Massen-% Molybdän und/oder 5-3) 0,05 bis 0,50 Massen-% Vanadium.

Aus Gründen der Vereinfachung wird der Ausdruck „Massenprozent” nachstehend als „Massen-%” abgekürzt.
Wenn der Stahldraht die vorstehende Zusammensetzung aufweist, weisen gemäß den vorliegenden Verfahren hergestellte Schraubenfedern weiter verbesserte Eigenschaften der Durchbiegebeständigkeit, der Dauerbeständigkeit und der Korrosionsermüdungsbeständigkeit auf.
Kohlenstoff ist bei der Verfestigung des Stahldrahts nützlich. Wenn die Menge an Kohlenstoff weniger als 0,35 Massen-% beträgt, ist die mechanische Festigkeit des Stahldrahts für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren gegebenenfalls nicht geeignet. Wenn die Menge an Kohlenstoff mehr als 0,55 Massen-% beträgt, kann es für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren sehr schwierig werden, den Stahldraht zu der Form einer Schraubenwendel zu formen.
Silizium trägt auch zur Verfestigung der Schraubenfeder sowie zur Verbesserung der Durchbiegebeständigkeit bei. Wenn die Menge an Silizium weniger als 1,60 Massen-% beträgt, ist die mechanische Festigkeit des Stahldrahts gegebenenfalls nicht ausreichend, um für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren eine zufrieden stellende Durchbiegebeständigkeit zu erhalten. Wenn die Menge an Silizium mehr als 3,00 Massen-% beträgt, kann es für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren sehr schwierig werden, den Stahldraht zu der Form einer Schraubenwendel zu formen.
Mangan trägt zur Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls bei und verhindert, dass das Einbeziehen von Schwefel in den Stahl unerwünschte Effekte verursacht. Wenn die Menge an Mangan weniger als 0,20 Massen-% beträgt, können die vorstehend genannten Effekte für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren nicht erhalten werden. Wenn die Menge an Mangan mehr als 1,50 Massen-% beträgt, besteht die Gefahr, dass sich die Formgebungseigenschaften des Stahls für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren verschlechtern.
Chrom trägt auch zur Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls und zur Verbesserung der Beständigkeit gegen ein durch Anlassen verursachtes Weichwerden bei. Wenn die Menge an Chrom weniger als 0,10 Massen-% beträgt, können die vorstehend genannten Effekte für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren nicht erhalten werden. Wenn die Menge an Chrom mehr als 1,50 Massen-% beträgt, wird verhindert, dass Kohlenstoff eine homogene Lösung bildet, und die mechanische Festigkeit der Schraubenfeder kann für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren vermindert werden.
Nickel, Molybdän und Vanadium tragen jeweils zur Verbesserung der Beständigkeit gegen ein durch Anlassen verursachtes Weichwerden bei. Wenn die Menge an Nickel weniger als 0,40 Massen-% beträgt, die Menge an Molybdän weniger als 0,05 Massen-% beträgt oder die Menge an Vanadium weniger als 0,05 Massen-% beträgt, können die vorstehend genannten Effekte für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren gegebenenfalls nicht erhalten werden. Wenn die Menge an Nickel mehr als 3,00 Massen-% beträgt, die Menge an Molybdän mehr als 0,50 Massen-% beträgt oder die Menge an Vanadium mehr als 0,50 Massen-% beträgt, kann dies zu einer Resourcenverschwendung führen und/oder es besteht die Gefahr, dass die Formgebungseigenschaften des Stahls für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren verschlechtert werden.
Der Schritt des Formens oder der Formgebung des Stahldrahts zu der Schraubenwendelform kann gemäß einem Heißmodus (oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Stahldrahts, wie z. B. bei 800 bis 1000°C), einem Warmmodus (unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Stahldrahts, wie z. B. bei 50 bis 400°C) oder einem Kaltmodus (z. B. bei Raumtemperatur) durchgeführt werden. Jedwede Arten von Form/Formgebungsverfahren oder -vorrichtung können eingesetzt werden, wie z. B. eine Wendelwickelmaschine. Darüber hinaus kann die Schraubenwendel durch Wickeln eines Stahldrahts um einen Kern oder Stab gebildet werden.
Die am Besten geeignete Wärmebehandlung kann abhängig von der Temperatur ausgewählt werden, bei welcher der Stahldraht zu der Schraubenwendelform geformt wird. Wenn der Stahldraht gemäß dem Heißmodus zu der Schraubenwendel geformt wird, werden vorzugsweise ein Abschrecken und Anlassen durchgeführt. Die Abschrecktemperatur kann innerhalb des Bereichs von 800 bis 1000°C liegen. Die Anlasstemperatur kann innerhalb des Bereichs von 300 bis 500°C liegen. Durch die Durchführung des Abschreckens und des Anlassens wird die wärmebehandelte Schraubenfeder eine geeignete Festigkeit und Zähigkeit erhalten. Wenn der Stahldraht gemäß dem Warm- oder Kaltmodus zu der Schraubenwendel geformt wird oder mit diesem eine Formgebung zu der Schraubenwendel durchgeführt wird, wird vorzugsweise ein Niedertemperaturanlassen durchgeführt. Das Niedertemperaturanlassen kann für 20 bis 60 Minuten innerhalb eines Bereichs von 300 bis 500°C durchgeführt werden. Durch die Durchführung des Niedertemperaturanlassens können die Restspannungen, die während des Schritts des Formens der Schraubenfeder entwickelt worden sind, beseitigt werden. Es kann jedwede Art von bekanntem Wärmebehandlungsverfahren ohne Beschränkung eingesetzt werden.
Beim Warmkugelstrahlschritt werden Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 0,6 bis 1,2 mm gegen die Oberfläche der wärmebehandelten Schraubenfeder innerhalb eines Geschwindigkeitsbereichs von 50 bis 100 m/s gestrahlt. Das Warmkugelstrahlen kann unter der Bedingung durchgeführt werden, dass die wärmebehandelte Schraubenfeder innerhalb des Temperaturbereichs von 150 bis 400°C gehalten wird. Dieser Bereich liegt oberhalb von Raumtemperatur und unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Schraubenfeder. Es ist mehr bevorzugt, die Schraubenfeder innerhalb des Temperaturbereichs von 250 bis 350°C zu halten. Der Warmkugelstrahlschritt kann z. B. einmal oder zweimal durchgeführt werden. Dessen Anwendungsbereich kann mehr als 80% betragen. Jedwede Art von bekannten Warmkugelstrahlverfahren kann ohne Beschränkung eingesetzt werden. Durch die Durchführung des Warmkugelstrahlschritts entwickelt sich an der Oberfläche der Schraubenfeder eine große Druckrestspannung, die zur Verbesserung der Dauerbeständigkeit und der Korrosionsermüdungsbeständigkeitseigenschaften der Schraubenfeder beiträgt. Durch die Durchführung des Warmkugelstrahlschritts ist es ferner möglich, an der Oberfläche der Schraubenfeder eine starke Druckrestspannung zu entwickeln, ohne die Oberfläche zu beschädigen.
Bei dem Heißhärtungsschritt kann als ein Herstellungsschritt eine Druckbelastung, die größer ist als die maximale Druckbelastung, die voraussichtlich auf die Schraubenfeder beim Gebrauch ausgeübt werden würde, auf die Schraubenfeder ausgeübt werden. Das Heißhärten wird unter der Bedingung durchgeführt, dass die Schraubenfeder innerhalb eines Temperaturbereichs gehalten wird, der höher ist als Raumtemperatur und niedriger ist als die Rekristallisationstemperatur der Schraubenfeder. Beispielsweise kann der Heißhärtungsschritt unter der Bedingung durchgeführt werden, dass die Schraubenfeder innerhalb des Temperaturbereichs von 150 bis 400°C gehalten wird, während die Druckbelastung darauf ausgeübt wird. Die Temperatur der Schraubenfeder während des Heißhärtungsschritts kann niedriger sein als die Temperatur, die während des Warmkugelstrahlschritts eingesetzt wird. In diesem Fall ist ein Heizschritt nach dem Warmkugelstrahlschritt nicht erforderlich. Ferner kann das Heißhärten auch als „Warmhärten” bezeichnet werden. Durch die Durchführung des Heißhärtungsschritts werden bei der Schraubenfeder eine dauerhafte Verformung und eine anisotrope Restspannung entwickelt. Das Verhältnis der Restspannung entlang der Richtung von 135 bis 315 Grad dividiert durch die Restspannung entlang der Richtung von 45 bis 225 Grad wird erhöht. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Ausführungsform nimmt dieses Verhältnis vorzugsweise von der Außenoberfläche in die Richtung des Inneren des Schraubenfederkörpers zu. Es ist bevorzugt, dass der Heißhärtungsschritt so durchgeführt wird, dass sich die Restscherung γ („residual shear strain”) in einem Bereich von 10 × 10^–4 bis 40 × 10^–4 entwickelt. Die Durchführung des Heißhärtungsschritts innerhalb eines Temperaturbereichs, der höher als Raumtemperatur und niedriger als die Rekristallisationstemperatur der Schraubenfeder ist, so dass die Restscherung γ innerhalb des Bereichs von 10 × 10^–4 bis 40 × 10^–4 bleibt, führt zu keinem unerwünschten Einfluss auf die Dauerbeständigkeit und/oder die Korrosionsermüdungsbeständigkeitseigenschaften, die durch das Warmkugelstrahlen verliehen worden sind.
Bei dem Kaltkugelstrahlschritt werden Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 0,1 bis 1,0 mm gegen die Oberfläche der Schraubenfeder innerhalb eines Geschwindigkeitsbereichs von 50 bis 100 m/s gestrahlt. Der Kaltkugelstrahlschritt kann unter der Bedingung durchgeführt werden, dass die Schraubenfeder bei Raumtemperatur gehalten wird. Der Kaltkugelstrahlschritt kann einmal oder zweimal durchgeführt werden. Dessen Anwendungsbereich kann mehr als 80% betragen. Jedwede Art von bekannten Kugelstrahlverfahren kann ohne Beschränkung eingesetzt werden. Es ist bevorzugt, dass bei dem Warmkugelstrahlschritt größere Stahlkugeln eingesetzt werden und dass bei dem Kaltkugelstrahlschritt kleinere Stahlkugeln eingesetzt werden. Durch die Verwendung der größeren Stahlkugeln beim Warmkugelstrahlschritt entwickelt sich eine relativ große Druckrestspannung an der Oberfläche, wohingegen die Verwendung der kleineren Stahlkugeln beim Kaltkugelstrahlschritt zu einer verbesserten Oberflächenrauhigkeit führt. Durch die Durchführung des Kaltkugelstrahlschritts werden die Dauerbeständigkeits- und Korrosionsermüdungsbeständigkeitseigenschaften der Schraubenfeder auch weiter verbessert. Der Kaltkugelstrahlschritt beeinflusst die durch den Heißhärtungsschritt verliehene Durchbiegebeständigkeit nicht in unerwünschter Weise.
Bei dem Kalthärtungsschritt als ein Herstellungsschritt kann eine Druckbelastung, die größer ist als die maximale Druckbelastung, die voraussichtlich auf die Schraubenfeder beim Gebrauch ausgeübt werden würde, auf die Schraubenfeder ausgeübt werden. Der Kalthärtungsschritt wird unter der Bedingung durchgeführt, dass die Schraubenfeder bei Raumtemperatur gehalten wird, während die Druckbelastung darauf ausgeübt wird. Es ist bevorzugt, dass der Kalthärtungsschritt so durchgeführt wird, dass die Restscherung γ innerhalb des Bereichs von 1 × 10^–4 bis 10 × 10^–4 bleibt. Die Durchführung des Kalthärtungsschritts bei Raumtemperatur in einem Ausmaß, so dass die Restscherung γ innerhalb des Bereichs von 1 × 10^–4 bis 10 × 10^–4 bleibt, führt zu keinem unerwünschten Einfluss auf die Dauerbeständigkeits- und Karrosionsermüdungsbeständigkeitseigenschaften, die durch den Warmkugelstrahlschritt und den Kaltkugelstrahlschritt erhalten worden sind.
Der Kaltkugelstrahlschritt und/oder der Kalthärtungsschritt, die vorstehend genannt worden sind, kann bzw. können gegebenenfalls weggelassen werden. Ferner kann oder können ein oder mehrere zusätzliche(r) Schritt(e) oder Verfahren hinzugefügt werden. Beispielsweise kann die Schraubenfeder nach dem Heißhärtungsschritt mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gekühlt werden.
Gemäß dem Verfahren dieser Ausführungsform liegt die Härte der hergestellten Schraubenfeder vorzugsweise innerhalb des Bereichs einer Rockwellhärte von HRC 50 bis 56. Der Bereich von HRC 51 bis 55 ist für eine Schraubenfeder, die in einem Kraftfahrzeugfahrwerk eingesetzt werden soll, mehr bevorzugt. Die vorliegende Ausführungsform deckt den geeigneten Bereich ab.
Nachstehend werden repräsentative, nicht-beschränkende Beispiele der vorliegenden Lehren detaillierter beschrieben. Diese detaillierte Beschreibung soll lediglich einem Fachmann weitere Details zur Ausführung bevorzugter Aspekte der vorliegenden Lehren bereitstellen und soll den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken. Ferner kann jede(s) der nachstehend offenbarten zusätzlichen Merkmale und Lehren separat oder zusammen mit anderen Merkmalen und Lehren genutzt werden, um verbesserte Schraubenfedern, z. B. für ein Kraftfahrzeugfahrwerk, sowie Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
Darüber hinaus sind Kombinationen von Merkmalen und Schritten, die in der nachstehenden detaillierten Beschreibung offenbart sind, gegebenenfalls nicht erforderlich, um die Erfindung im weitesten Sinn auszuführen, und diese werden lediglich gelehrt, um repräsentative Beispiele der Erfindung speziell zu beschreiben. Ferner können verschiedene Merkmale der vorstehend beschriebenen und nachstehend beschriebenen repräsentativen Beispiele sowie die verschiedenen unabhängigen und abhängigen Ansprüche in einer Art und Weise kombiniert werden, die nicht speziell und explizit angegeben ist, um zusätzliche nützliche Ausführungsformen der vorliegenden Lehren bereitzustellen.
Alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale sollen als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens des beanspruchten Gegenstands unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden. Darüber hinaus sollen alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens des beanspruchten Gegenstands offenbaren.
Beispiele
Für Prüfzwecke wurden zwei Arten von Stahldrähten A und B mit den unterschiedlichen Zusammensetzungen, wie sie in der 1B gezeigt sind, eingesetzt. Unter Verwendung von jedem der jeweiligen Stahldrähte wurden zwei Arten von Schraubenfedern für ein Kraftfahrzeugfahrwerk hergestellt. Ein Satz der Schraubenfedern (AN-Probe und BN-Probe) wurde gemäß dem hier offenbarten, neuen Verfahren hergestellt, und der andere Satz von Schraubenfedern (AC-Probe und BC-Probe) wurde unter Verwendung des vorstehend beschriebenen herkömmlichen Verfahrens hergestellt. Die 1A gibt einen Überblick über die Zusammensetzung und das Herstellungsverfahren der vier Schraubenfedern. Ferner sind die Daten und Eigenschaften der Schraubenfedern der AN-Probe und der AC-Probe in der 1C gezeigt und die Daten und Eigenschaften der Schraubenfedern der BN-Probe und der BC-Probe sind in der 1D gezeigt.
Der Stahldraht A weist die in der 1B gezeigte Zusammensetzung auf. Der Rest der vorstehend genannten Zusammensetzung ist Eisen (Fe) und zufällig vorliegende Elemente und/oder unvermeidbare Verunreinigungen. In dem vorliegenden Beispiel wurden C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, V und Fe in Pulverform gemäß den in der 1B gezeigten Massenverhältnissen gemischt, das Gemisch wurde dann geschmolzen, durch Walzen in Blöcke aufgeteilt und durch weiteres Walzen zu einer Draht- oder Stabform gestreckt. Aus dem so hergestellten Draht A wurden die AN-Probe und die AC-Probe hergestellt.
Der Stahldraht B weist die in der 1B gezeigte Zusammensetzung auf. Der Rest der vorstehend genannten Zusammensetzung ist Eisen (Fe) und zufällig vorliegende Elemente und/oder unvermeidbare Verunreinigungen. in dem vorliegenden Beispiel wurden C, Si, Mn, P, S, Ni, Cu, Cr, Mo, V, Ti, B und Fe in Pulverform gemäß den in der 1B gezeigten Massenverhältnissen gemischt, das Gemisch wurde dann geschmolzen, durch Walzen in Blöcke aufgeteilt und durch weiteres Walzen zu einer Draht- oder Stabform gestreckt. Aus dem so hergestellten Draht B wurden die BN-Probe und die BC-Probe hergestellt.
Verfahren zur Herstellung der AN-Probe
Die AN-Probe wurde gemäß der folgenden Abfolge von Schritten hergestellt.

(1) Der Stahldraht A wurde einem Ölabschreck- und Anlassverfahren unterzogen.
(2) Der Stahldraht A wurde gemäß dem vorstehend beschriebenen Kaltmodusverfahren zu einer Schraubenwendelform geformt.
(3) Der Stahldraht A wurde einem Niedertemperaturanlassen unterzogen.
(4) Der Stahldraht A wurde einem Warmkugelstrahlen unterzogen.
(5) Der Stahldraht A wurde einem Heißhärten unterzogen.
(6) Der Stahldraht A wurde mit Wasser gekühlt.
(7) Der Stahldraht A wurde einem Kaltkugelstrahlen unterzogen.
(8) Der Stahldraht A wurde einem Kalthärten unterzogen.

Die Bedingungen der Herstellungsschritte waren wie folgt:
(3) Der Niedertemperaturanlassschritt wurde für 30 Minuten bei 350°C durchgeführt.
(4) Der Warmkugelstrahlschritt wurde unter Verwendung von Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 1,2 mm durchgeführt, während der Stahldraht bei 300°C gehalten wurde.
(5) Der Heißhärtungsschritt wurde durchgeführt, während der Stahldraht bei 200°C gehalten wurde, bis die freie Länge der Schraubenfeder ohne Belastung um 21 mm verkürzt war, was zu einer Restscherung γ von 13,7 × 10^–4 führte.
(7) Der Kaltkugelstrahlschritt wurde unter Verwendung von Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 0,8 mm durchgeführt.
(8) Der Kalthärtungsschritt wurde durchgeführt, bis die freie Länge der Schraubenfeder ohne Belastung um 3 mm verkürzt war, was zu einer Restscherung γ von 2 × 10^–4 führte.
Verfahren zur Herstellung der AC-Probe
Die AC-Probe wurde gemäß der folgenden Abfolge von Schritten hergestellt.

(1) Der Stahldraht A wurde einem Ölabschreck- und Anlassverfahren unterzogen.
(2) Der Stahldraht A wurde gemäß dem vorstehend beschriebenen Kaltmodusverfahren zu der Schraubenwendelform geformt.
(3) Der Stahldraht A wurde einem Niedertemperaturanlassen unterzogen.
(5c) Der Stahldraht A wurde einem Heißhärten unterzogen.
(4c) Der Stahldraht A wurde einem Warmkugelstrahlen unterzogen.
(6) Der Stahldraht A wurde mit Wasser gekühlt.
(7) Der Stahldraht A wurde einem Kaltkugelstrahlen unterzogen.
(8) Der Stahldraht A wurde einem Kalthärten unterzogen.

Verglichen mit dem Herstellungsverfahren für die AN-Probe war die Reihenfolge der Schritte (5c) (Heißhärten) und (4c) (Warmkugelstrahlen) umgekehrt. Das Verfahren zur Herstellung der AC-Probe entspricht folglich einem herkömmlichen Verfahren.
Die Bedingungen der Herstellungsschritte waren wie folgt:
(5c) Der Heißhärtungsschritt wurde durchgeführt, während der Stahldraht bei 300°C gehalten wurde.
(4c) Während des Warmkugelstrahlschritts wurde der Stahldraht bei 200°C gehalten.
Die anderen Bedingungen waren mit denjenigen zur Herstellung der AN-Probe identisch.
Die AN-Probe und die AC-Probe, die so hergestellt worden sind, wiesen die Daten und Eigenschaften auf, wie sie in der 1C gezeigt sind. Die Härte der AN-Probe und der AC-Probe betrug HRC 53.
Verfahren zur Herstellung der BN-Probe
Die BN-Probe wurde gemäß der folgenden Abfolge von Schritten hergestellt.

(1) Der Stahldraht B wurde auf 990°C erwärmt,
(2) Der Stahldraht B wurde gemäß dem vorstehend beschriebenen Heißmodusverfahren zu der Schraubenwendelform geformt.
(3) Der Stahldraht B wurde einem Ölabschrecken unterzogen.
(4) Der Stahldraht B wurde einem Anlassen unterzogen.
(5) Der Stahldraht B wurde einem Warmkugelstrahlen unterzogen.
(6) Der Stahldraht B wurde einem Heißhärten unterzogen.
(7) Der Stahldraht B wurde mit Wasser gekühlt.
(8) Der Stahldraht B wurde einem Kaltkugelstrahlen unterzogen.
(9) Der Stahldraht B wurde einem Kalthärten unterzogen.

Die Bedingungen der Herstellungsschritte waren wie folgt:
(4) Das Anlassverfahren wurde bei 370°C durchgeführt.
(5) Der Warmkugelstrahlschritt wurde unter Verwendung von Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 1,0 mm durchgeführt, während der Stahldraht bei 350°C gehalten wurde.
(6) Der Heißhärtungsschritt wurde durchgeführt, während der Stahldraht bei 180°C gehalten wurde. Das Heißhärten wurde durchgeführt, bis die freie Länge der Schraubenfeder ohne Belastung um 36 mm verkürzt war, was zu einer Restscherung γ von 26,0 × 10^–4 führte.
(8) Der Kaltkugelstrahlschritt wurde unter Verwendung von Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 0,6 mm durchgeführt.
(9) Der Kalthärtungsschritt wurde durchgeführt, bis die freie Länge der Schraubenfeder ohne Belastung um 4 mm verkürzt war, was zu einer Restscherung γ von 2 × 10^–4 führte.
Verfahren zur Herstellung der BC-Probe
Die BC-Probe wurde gemäß der folgenden Abfolge von Schritten hergestellt.

(1) Der Stahldraht B wurde auf 990°C erwärmt.
(2) Der Stahldraht B wurde gemäß dem vorstehend beschriebenen Heißmodusverfahren zu der Schraubenwendelform geformt.
(3) Der Stahldraht B wurde einem Ölabschrecken unterzogen.
(4) Der Stahldraht B wurde einem Anlassen unterzogen.
(6c) Der Stahldraht B wurde einem Heißhärten unterzogen.
(5c) Der Stahldraht B wurde einem Warmkugelstrahlen unterzogen.
(7) Der Stahldraht B wurde mit Wasser gekühlt.
(8) Der Stahldraht B wurde einem Kaltkugelstrahlen unterzogen.
(9) Der Stahldraht B wurde einem Kalthärten unterzogen.

Verglichen mit dem Herstellungsverfahren für die BN-Probe war die Reihenfolge der Schritte (6c) (Heißhärten) und (5c) (Warmkugelstrahlen) umgekehrt. Das Verfahren zur Herstellung der BC-Probe entspricht folglich einem herkömmlichen Verfahren.
Die Bedingungen der Herstellungsschritte waren wie folgt:
(6c) Der Heißhärtungsschritt wurde durchgeführt, während der Stahldraht bei 330°C gehalten wurde.
(5c) Während des Warmkugelstrahlschritts wurde der Stahldraht bei 230°C gehalten.
Die anderen Bedingungen waren mit denjenigen zur Herstellung der BN-Probe identisch.
Die BN-Probe und die BC-Probe, die so hergestellt worden sind, wiesen die Daten und Eigenschaften auf, wie sie in der 1D gezeigt sind. Die Härte der BN-Probe und der BC-Probe betrug HRC 54.
Durchbiegungsbestimmungsprüfung
Zwei Stücke der AN-Probe und zwei Stücke der AC-Probe wurden geprüft. Die AN-Probe und die AC-Probe wurden so gestaltet, um bei einer maximalen Belastung von 5472 N verwendet zu werden. Daher wurde eine maximale Belastung von 5472 N ausgeübt, um jede der zu prüfenden Schraubenfedern zusammenzudrücken, und die Länge der verkürzten Schraubenfedern im zusammengedrückten Zustand wurde sicher fixiert. Die verkürzten Schraubenfedern wurden 96 Stunden bei 80°C unter Druck gehalten. Nach 96 Stunden wurden die Schraubenfedern freigegeben und die freie Länge jeder der Schraubenfedern wurde gemessen. Die freie Länge jeder der Schraubenfedern war in jedem Fall vermindert und die Ausmaße der Verminderung der freien Längen wurden berechnet. Die verminderten Längen wurden in die Einheit einer Scherung γ umgerechnet. Die 2 zeigt die Ausmaße der Änderungen der Restscherung γ (Ausmaß des Durchbiegens), die durch die Prüfung verursacht worden sind. Die Größenordnung der angegebenen Werte ist 10^–4. Bei dieser Prüfung ist die Durchbiegebeständigkeit umso besser, je kleiner der Wert ist, wobei größere Werte eine nicht zufrieden stellende Durchbiegebeständigkeit angeben können. Beide AN-Proben zeigen eine stärker verbesserte Durchbiegebeständigkeit als die zwei AC-Proben. Folglich wurde festgestellt, dass die AN-Proben die Dehnung-Spannung-Beziehung auf einem relativ konstanten Niveau für einen längeren Zeitraum beibehalten als die AC-Proben.
Dauerbeständigkeitsprüfung
Zwei Stücke der BN-Probe und zwei Stücke der BC-Probe wurden geprüft. Eine sich zyklisch ändernde (oszillierende bzw. schwingende) Belastung wurde auf jede der zu prüfenden Schraubenfedern ausgeübt und die Anzahl der Schwingungszyklen, bis die Schraubenfeder bricht, wurde gemessen. Die Änderung der Größe der ausgeübten Spannung oder Belastung lag innerhalb des Bereichs von 735 + 550 MPa bis 735 – 550 MPa. Die 3 zeigt die Anzahl der Zyklen, bis jede der Schraubenfedern brach. Die Größenordnung der Werte ist 10⁴. Je größer der Wert ist, desto größer ist die Dauerbeständigkeit, wobei kleinere Werte im Allgemeinen eine kürzere Gebrauchsdauer anzeigen. Beide BN-Proben zeigten eine bessere Dauerbeständigkeit als die BC-Proben. Die BN-Proben wiesen insbesondere nahezu die doppelte Gebrauchsdauer bezogen auf die BC-Proben auf.
Korrosionsermüdungsprüfung
Zwei Stücke der BN-Probe und zwei Stücke der BC-Probe wurden geprüft. Die Oberflächen jeder der geprüften Schraubenfedern wurden im Vorhinein mit einer Schutzbeschichtung versehen. Die Prüfung wurde dann gemäß der folgenden Reihenfolge von Schritten durchgeführt, wobei jeder dieser Schritte in dem folgenden Absatz genauer beschrieben wird.

1) Abplatzen
2) Korrosionsförderndes Verfahren (5 Mal wiederholt)
3) Ausüben einer zyklischen Belastung (3000 Zyklen)
4) 11-maliges Wiederholen der Schritte 2) und 3) (d. h., die Schritte 2) und 3) wurden insgesamt 12 Mal durchgeführt) und
5) Ausüben der zyklischen Belastung, bis die Schraubenfeder bricht

Das Abplatzen von Schritt 1) wurde durch Herabfallenlassen jeder der zu prüfenden Schraubenfedern auf eine Lage von zerkleinerten Steinen durchgeführt. Die herabgefallenen Schraubenfedern fielen mit einer ausreichenden Kraft auf die Lage von zerkleinerten Steinen, so dass die Schutzbeschichtung beschädigt wurde. Dieses Verfahren wurde 4 Mal wiederholt. Das korrosionsfördernde Verfahren von Schritt 2) wurde durch Sprühen von Salzwasser (Salzkonzentration: 5%) auf die Schraubenfeder für 6 Stunden durchgeführt, die Schraubenfeder wurde dann 6 Stunden lang unter trockenen Bedingungen gehalten (relative Feuchtigkeit von 20% bei 60°C), worauf die Schraubenfeder 12 Stunden lang unter feuchten Bedingungen gehalten wurde (relative Feuchtigkeit von 95% bei 50°C). Das korrosionsfördernde Verfahren wurde 5 Mal wiederholt. Das Ausüben der zyklischen Belastung gemäß Schritt 3) wurde unter Verwendung des gleichen Verfahrens wie in der vorstehend beschriebenen Dauerbeständigkeitsprüfung durchgeführt. D. h., die sich zyklisch ändernde (oszillierende bzw. schwingende) Spannung oder Belastung wurde auf die Schraubenfeder innerhalb des Bereichs von 735 + 550 MPa bis 735 – 550 MPa ausgeübt. Es wurden 3000 Zyklen durchgeführt. Der Satz aus dem korrosionsfördernden Schritt 2), der 5 Mal durchgeführt wurde, und dem Schritt der Anwendung der zyklischen Belastung 3), der für 3000 Zyklen durchgeführt wurde, wurde insgesamt 12 Mal wiederholt. Danach wurde auf die Schraubenfedern die sich zyklisch ändernde Belastung ausgeübt, wie es vorstehend beschrieben worden ist, bis jede Schraubenfeder brach. Die 4 zeigt die Anzahl der Zyklen, die mit jeder der Schraubenfedern durchgeführt wurde, bis die jeweilige Schraubenfeder brach. Die Größenordnung ist 10⁴. Je größer der Wert ist, desto höher ist die Korrosionsermüdungsbeständigkeit, wobei kleinere Werte relativ schwache Korrosionsermüdungsbeständigkeitseigenschaften anzeigen können. Beide BN-Proben zeigten bessere Korrosionsermüdungsbeständigkeitseigenschaften als die BC-Proben.
Messung der Restspannung
Die Restspannung der BN-Probe und der BC-Probe wurde gemessen. Um den Unterschied klar zu erkennen, wurden das Kaltkugelstrahlen und das Kalthärten in dem Verfahren zur Herstellung der geprüften Schraubenfedern weggelassen. Die anderen Verfahren waren mit denjenigen der BN-Probe und der BC-Probe, die in der vorstehend beschriebenen. Gebrauchsdauerprüfung (Dauerbeständigkeitsprüfung) eingesetzt wurden, identisch.
Die Größe der Restspannung wurde gemäß einer Röntgen-Restspannungsmesstechnik (Röntgenbeugung) gemessen. Für ein vollständiges Verständnis sollte die folgende Beschreibung zusammen mit der Beschreibung der Restspannung gelesen werden, die in dem vorstehenden Zusammenfassungsabschnitt angegeben ist. Die in der vorliegenden Ausführungsform eingesetzte Röntgen-Restspannungsmesstechnik wird unter Bezugnahme auf die 12C weiter erläutert. Das Bezugszeichen 164 gibt einen Punkt der Messung der Größe der Restspannung an. Das Bezugszeichen 166 gibt eine virtuelle Ebene an, die mit der Oberfläche der Schraubenfeder an dem Messpunkt 164 in Kontakt steht oder diese schneidet. Das Bezugszeichen 168 gibt eine weitere virtuelle Ebene an, die senkrecht zur Ebene 166 ist. Die Ebene 168 verläuft durch den Messpunkt 164. Die Ebene 168 ist im Gegenuhrzeigersinn um den Messpunkt 164 innerhalb der Ebene 166 gedreht. Die Größe der Restspannung in der θ-Richtung wurde durch Untersuchen der gebeugten Röntgenstrahlen 172 gemessen. Das Bezugszeichen 170 gibt die Röntgenstrahlen an, die in die Richtung des Messpunkts 164 eingestrahlt werden. Die Röntgenstrahlen 170 werden entlang der θ-Ebene(n) 172 gebeugt. Bei der Messung wurde 0 auf 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 und 315 Grad eingestellt. Daher wurden jeweils die Größen der Restspannung bei 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 und 315 Grad gemessen. Wie es in der 13C gezeigt ist, wurde der Winkel θ dann, wenn sich die Schraubenfeder im Gegenuhrzeigersinn erstreckt, im Uhrzeigersinn gemessen.
Bei der vorliegenden Röntgen-Restspannungsmesstechnik wurde nicht nur die Größe der Restspannung an der Oberfläche gemessen, sondern auch die Größen der Restspannungen an tieferen (inneren) Positionen wurden gemessen. in der vorliegenden Ausführungsform wurden die Größen der Restspannungen an der Oberfläche, in einer Tiefe von 0,1 mm, in einer Tiefe von 0,2 mm und in einer Tiefe von 0,3 mm gemessen. Die Größen der Restspannung in jeder Tiefe wurden mit dem Winkel θ von 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 und 315 Grad gemessen.
Die 5 zeigt die Beziehung zwischen der Tiefe (Abstand von der Oberfläche) und der gemessenen Größe der Restspannung. Die Größe der Restspannung in der 5 ist ein Durchschnitt, der bei Winkeln θ von 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 und 315 Grad gemessen worden ist. Die Einheit der Tiefe ist Millimeter, und zwar vertikal oder senkrecht von der Oberfläche der Schraubenfeder gemessen, und die Einheit der gemessenen Spannung ist MPa.
Die schwarzen Kreise zeigen die Messergebnisse für die BN-Probe, wohingegen die weißen Kreise die Messergebnisse für die BC-Probe zeigen. Wie es durch die schwarzen Kreise gezeigt ist, weist die gemäß dem hier beschriebenen neuen Verfahren hergestellte Schraubenfeder bei allen Tiefen ausgehend von der Oberfläche der Schraubenfeder eine größere Restspannung auf als die Schraubenfeder, die gemäß dem herkömmlichen Verfahren hergestellt worden ist.
Die 6 veranschaulicht die Restspannungsorientierung, die an der Oberfläche gemessen worden ist. Die durchgezogene Linie zeigt die Messergebnisse für die BN-Probe, wohingegen die gestrichelte Linie die Messergebnisse für die BC-Probe zeigt. Die durchgezogene Linie zeigt deutlich eine stärkere Anisotropie als die gestrichelte Linie. Die gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellte Schraubenfeder weist folglich eine stärkere Anisotropie auf als die gemäß dem herkömmlichen Verfahren hergestellte Schraubenfeder.
Die gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellte Schraubenfeder weist eine größere Restspannung entlang der Richtung oder Achse auf, die sich von 135 bis 315 Grad erstreckt, als die gemäß dem herkömmlichen Verfahren hergestellte Schraubenfeder. Wenn die Schraubenfeder in Gebrauch ist, wird entlang der Richtung von 135 und 315 Grad eine starke Zugspannung ausgeübt. Größere Restdruckspannungen entlang der Richtung von 135 und 315 Grad wirken dahingehend, dass die starke Zugspannung, die entlang der Richtung von 135 und 315 Grad ausgeübt wird, während des Gebrauchs aufgehoben oder ausgeglichen wird. Die größeren Restdruckspannungen entlang der Richtung von 135 und 315 Grad tragen folglich zur Verbesserung der Durchbiegebeständigkeit und der Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder bei.
7 veranschaulicht die Restspannungsorientierung, die in einer Tiefe von 0,1 mm gemessen worden ist. Die 8 veranschaulicht die Restspannungsorientierung, die in einer Tiefe von 0,2 mm gemessen worden ist. Die 9 veranschaulicht die Restspannungsorientierung, die in einer Tiefe von 0,3 mm gemessen worden ist. Bei jeder Tiefe weist die gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellte Schraubenfeder eine stärkere Restspannung entlang der Richtung von 135 und 315 Grad auf. Gemäß dieser Ausführungsform können die größeren Restspannungen entlang der Richtung von 135 und 315 Grad, die zur Verbesserung der Durchbiegebeständigkeit und der Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder beitragen, bei jeder Tiefe erhalten werden.
Die 10 zeigt das Verhältnis von (Restspannung bei 135 Grad + Restspannung bei 315 Grad) dividiert durch (Restspannung bei 45 Grad + Restspannung bei 225 Grad). Die gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellte Schraubenfeder weist bei jeder Tiefe eine stärkere Anisotropie auf als die gemäß dem herkömmlichen Verfahren hergestellte Schraubenfeder.
Ein weiterer Schraubenfedertyp wurde aus dem Stahldraht B hergestellt. Die BN1-Probe und die BN2-Probe, die in der 11 gezeigt sind, wurden gemäß dem hier offenbarten neuen Verfahren hergestellt. Die BC1-Probe und die BC2-Probe, die in der 11 gezeigt sind, wurden gemäß dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Verfahren hergestellt. Die Herstellungsabfolge und die Herstellungsbedingungen waren mit denjenigen der BN-Probe und der BC-Probe identisch, mit der Ausnahme, dass die Schritte des Kaltkugelstrahlens und des Kalthärtens weggelassen worden sind.
Die 11 zeigt die Orientierung der Restspannung, die Größe der gemessenen Restspannung und die Tiefe des Messpunkts. Beispielsweise wurden 607 MPa an der Oberfläche bei 135 Grad festgestellt und 648 MPa wurden an der Oberfläche bei 315 Grad festgestellt. Die 11 zeigt auch das Verhältnis von (Restspannung bei 135 Grad + Restspannung bei 315 Grad) dividiert durch (Restspannung bei 45 Grad + Restspannung bei 225 Grad).
Gemäß der BN1- und BN2-Proben ist das Verhältnis in einer Tiefe von 0,2 mm größer als das Verhältnis an der Oberfläche. Das Verhältnis von BN1- und BN2-Proben in einer Tiefe von 0,2 mm ist größer als 1,0. Andererseits ist das Verhältnis von BC1- und BC2-Proben in einer Tiefe von 0,2 mm kleiner als 1,0. BN1- und BN2-Proben, die gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellt worden sind, weisen eine verbesserte Durchbiegebeständigkeit und Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder aufgrund der großen Restdruckspannung bei 135 und 315 Grad auf.
Ferner ist die Restspannung bei 135 und 315 Grad in einer Tiefe von 0,2 mm der BN1- und BN2-Proben größer als 950 MPa. Andererseits liegt die Restspannung bei 135 und 315 Grad in einer Tiefe von 0,2 mm der BC1- und BC2-Proben innerhalb eines Bereichs von 700 bis 750 MPa. Die BN1- und BN2-Proben, die gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellt worden sind, weisen eine größere Restdruckspannung bei 135 und 315 Grad auf als die BC1- und BC2-Proben, die gemäß dem herkömmlichen Verfahren hergestellt worden sind. De BN1- und BN2-Proben, die gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellt worden sind, weisen eine verbesserte Durchbiegebeständigkeit und Dauerbeständigkeit der Schraubenfeder aufgrund der großen Restdruckspannung bei 135 und 315 Grad auf.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder für ein Kraftfahrzeugfahrwerk, wobei das Verfahren umfasst: Formen eines Eisen-enthaltenden Metallmaterials zu einer Schraubenwendelform; anschließend Wärmebehandeln des Materials; anschließend Warmkugelstrahlen des wärmebehandelten Materials und anschließend Heißhärten des warmkugelgestrahlten Materials.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Material, in Massenprozent, 0,35 bis 0,55% C, 1,60 bis 3,00% Si, 0,20 bis 1,50% Mn, 0,10 bis 1,50% Cr und mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 0,40 bis 3,00% Ni, 0,05 bis 0,50% Mo und 0,05 bis 0,50% V, umfasst, wobei der Rest Fe, zufällig vorliegende Elemente und unvermeidbare Verunreinigungen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Warmkugelstrahlschritt durchgeführt wird, während das Material innerhalb eines Temperaturbereichs von 150 bis 400°C gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Warmkugelstrahlschritt durchgeführt wird, während das Material innerhalb eines Temperaturbereichs von 250 bis 350°C gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Warmkugelstrahlschritt durch Strahlen von ersten Stahlkugeln gegen die Oberfläche des Materials durchgeführt wird, und wobei das Verfahren ferner umfasst: Kaltkugelstrahlen des heißgehärteten Materials, wobei zweite Stahlkugeln gegen die Oberfläche des Materials gestrahlt werden, und wobei die ersten Stahlkugeln einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als der Durchmesser der zweiten Stahlkugeln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Heißhärtungsschritt durchgeführt wird, während das Material innerhalb eines Temperaturbereichs von 150 bis 400°C gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur des Materials während des Heißhärtungsschritts niedriger ist als die Temperatur des Materials während des Warmkugelstrahlschritts.
Schraubenfeder für ein Kraftfahrzeugfahrwerk, welche die folgenden Eigenschaften aufweist: das Verhältnis einer Druckrestspannung in einer Tiefe von 0,2 mm ist größer als das Verhältnis der Druckrestspannung an der Oberfläche einer Schraubenwendel, wobei das Verhältnis der Druckrestspannung durch die folgende Formel erhalten wird: (Druckrestspannung bei 135 Grad + Druckrestspannung bei 315 Grad)/(Druckrestspannung bei 45 Grad + Druckrestspannung bei 225 Grad) und die Gradwerte bezogen auf eine 0 Grad-Ebene, die sich parallel zu einer Richtung erstrecken, entlang derer sich die Schraubenfeder erstreckt, gemessen werden.
Schraubenfeder nach Anspruch 8, bei der die Druckrestspannung bei 135 Grad und 315 Grad in einer Tiefe von 0,2 mm innerhalb eines Bereichs von 800 bis 1200 MPa liegt.
Schraubenfeder nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schraubenfeder eine Härte innerhalb eines Bereichs von HRC 50 bis 56 aufweist.
Schraubenfeder nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die Schraubenfeder, in Massenprozent, 0,35 bis 0,55% C, 1,60 bis 3,00% Si, 0,20 bis 1,50% Mn, 0,10 bis 1,50% Cr und mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 0,40 bis 3,00% Ni, 0,05 bis 0,50% Mo und 0,05 bis 0,50% V, umfasst, wobei der Rest Fe, zufällig vorliegende Elemente und unvermeidbare Verunreinigungen ist.