-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer korrosionsbeständigen Feder sowie eine korrosionsbeständige Feder.
-
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. Beispielsweise werden im Automobilbau eingesetzte Federn, wie Ventilfedern oder Federn für Einspritzsysteme sehr stark beansprucht und müssen sehr viele, teilweise über eine Milliarde Lastwechsel ertragen, was sehr hohe Anforderungen an die Dauerlaufeigenschaften von solchen Federn stellt.
-
Zudem befinden sich die Federn bei manchen Anwendungen, beispielsweise bei Federn für Einspritzsysteme, nicht in einer schützenden Umgebung, wie das bei Ventilfedern der Fall ist, wo sich die Federn in einem geschützten Umgebungsmedium wie beispielsweise Motoröl befinden, das einen Korrosionsangriff verhindert. Solche Federn für Einspritzsysteme sind daher einem ständigen Korrosionsangriff ausgesetzt.
-
Solche Federn sind aus einem sehr speziellen, korrosionsbeständigen Federdraht gefertigt, was solche Federn sehr teuer macht. Weiterhin besitzen solche Federn häufig nicht optimale Dauerlaufeigenschaften.
-
In der
DE 10 2010 015 389 A1 ist ein Federdraht offenbart, der ein SiCr-legiertes, insbesondere ölschlussvergütetes Grundmaterial und eine auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachte Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4–10 μm umfasst.
-
Die
DE 103 21 259 A1 offenbart ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von dynamisch belasteten Bauteilen aus Metall, insbesondere von Federn, wobei das Bauteil mindestens einmal einer Feuerverzinkung unterworfen wird und eine Oberflächenvergütung durch Kugelstrahlen vor und/oder nach dem Feuerverzinken durchgeführt wird.
-
Aus der
DE 10 2007 059 714 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines verzinkten Formbauteils aus Stahl bekannt, bei welchem die Oberfläche des Formbauteils durch eine Strahlbehandlung vorbehandelt und anschliessend in einem Beschichtungsvorgang mit einer Beschichtung aus Zink versehen wird. In dem Verfahren aus der
DE 10 2007 059 714 A1 wird das Formbauteil nach der Strahlbehandlung und vor dem Beschichtungsvorgang einer Wärmebehandlung unterzogen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine korrosionsbeständige Feder bereitzustellen, die kostengünstig hergestellt werden kann, und gleichzeitig sehr gute Dauerlaufeigenschaften aufweist. Des Weiteren soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren angegeben werden, mit dem eine solche Feder auf einfache und kostengünstige Weise erhalten wird, und das weitestgehend automatisiert werden kann.
-
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird zunächst ein Federdraht aus einem ölschlussvergüteten, SiCrNiV-legierten Grundmaterial mit einer Härte von 440 bis 490 HV2 bereitgestellt. Die Erfinder haben nämlich herausgefunden, dass sich ein derartiger ölschlussvergüteter SiCrNiV-legierter Federdraht mit einer Härte von 440 bis 490 HV2 in besonderem Maße zur Herstellung einer erfindungsgemäßen korrosionsbeständigen Feder mit sehr guten Dauerlaufeigenschaften eignet und gleichzeitig kostengünstig hergestellt werden kann. Bei den nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritten verliert dieser Federdraht nur unwesentlich an seiner Kernhärte und erhält gleichzeitig seine guten dynamischen Dauerlaufeigenschaften. Handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Feder um eine Ventilfeder, so ist das Grundmaterial ein ölschlussvergüteter, SiCrNiV-legierter Ventilfederdraht.
-
Im nächsten Verfahrensschritt wird das Grundmaterial gewunden und zu Federn abgelängt. Dann werden die Federenden geschliffen. Danach wird eine Korrosionsschicht mit einer Dicke von 5 bis 9 μm, insbesondere von 6 bis 8 μm ausgebildet, die sich über den Umfang und die Federenden des Federdrahts erstreckt.
-
Diese Korrosionsschicht umfasst eine Nitrierschicht die durch Nitrierbehandeln der Feder erzeugt wird, und eine äußere, in die Nitrierschicht eingebrachte Oxidschicht mit einer Oberflächenhärte von 685 bis 885 HV0,5 die durch Nachoxidieren der Federn im Salzbad erhalten wird. Anschließend an das Nachoxidieren im Salzbad werden die Oberflächen der Federn durch Kugelstrahlen, insbesondere durch Intervall-Kugelstrahlen behandelt, wodurch sich die auf der Rohfeder nach dem Nitrieren und dem Oxidieren vorhandene Schichtdicke der Korrosionsschutzschicht etwas verringert wird.
-
Die Erfindung betrifft auch eine korrosionsbeständige Feder mit einem Federdraht aus einem ölschlussvergüteten, SiCrNiV-legierten Grundmaterial mit einer Härte von 440 bis 490 HV2 und mit einer Korrosionsschutzschicht mit einer Dicke von 5 bis 9 μm, insbesondere von 6 bis 8 μm, die sich über den Umfang und die Federenden des Federdrahts erstreckt, und die eine Nitrierschicht und eine äußere, in die Nitrierschicht eingebrachte Oxidschicht mit einer Oberflächenhärte von 685 bis 885 HV0,5 aufweist.
-
Die hier beschriebenen Verfahren zum Herstellen einer korrosionsbeständigen Feder eignen sich prinzipiell zur Herstellung von beliebigen Druckfedern, Zugfedern und Drehfedern, ganz besonders jedoch für die Herstellung von Druckfedern für eine Einspritzpumpe eines Kraftfahrzeugs oder für ein Klappenöffnungssystem eines Kraftfahrzeugs, da Druckfedern für diese Anwendungsbereiche ganz besonders von der hohen erfindungsgemäßen Korrosionsbeständigkeit und den sehr guten erfindungsgemäßen Dauerlaufeigenschaften profitieren.
-
Die erfindungsgemäße Feder kann in einem weitestgehend automatisierten Fertigungsverfahren hergestellt werden. Dadurch sowie durch Verwendung eines ölschlussvergüteten SiCrNiV-legierten Federdrahts ist die erfindungsgemäße Feder kostengünstig herstellbar.
-
Gegenüber gängigen korrosionsbeständigen Federdrähten aus Spezialmaterialien ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Feder ganz erhebliche Kostenvorteile.
-
Der Federdraht aus ölschlussvergütetem SiCrNiV-legiertem Grundmaterial weist auch nach dem Durchführen der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte eine gute Kernhärte zwischen 440 und 490 HV2 auf und behält gleichzeitig seine guten dynamischen Dauerlaufeigenschaften. Die erfindungsgemäße Feder kann daher eine Vielzahl von Lastwechseln, insbesondere mehr als 1 Milliarde Lastwechsel bei sehr hohen Belastungsspannungen ertragen, was die erfindungsgemäße Feder für Anwendungsgebiete prädestiniert, in welchen eine solch hohe Zahl von Lastwechseln typisch ist, beispielsweise bei Ventilfedern oder bei Federn für Einspritzsysteme im Kraftfahrzeugbau.
-
Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Korrosionsschutzschicht ein hoher Korrosionsschutz mit einer hohen Lebensdauer bereitgestellt. Die korrosionsschützenden Eigenschaften bleiben über die geforderte Lebensdauer der Feder erhalten. Die Korrosionsschutzschicht auf dem Grundmaterial zeigt kein sprödes Verhalten und ein Abplatzen dieser Korrosionsschutzschicht im Dauerbetrieb wird verhindert.
-
Die hohe Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Feder macht sie insbesondere für Anwendungsgebiete geeignet, bei denen die Feder mit korrosiven Medien in Berührung kommt, wie das beispielsweise bei Druckfedern für Einspritzpumpen oder bei Druckfedern für Klappenöffnungssysteme für Kraftfahrzeuge der Fall ist.
-
Ganz besonders bei Anwendungen, die sowohl sehr gute dynamische Dauerlaufeigenschaften als auch einen beständigen und sicheren Korrosionsschutz fordern, wie dies beispielsweise bei Druckfedern für Einspritzpumpen im Kraftfahrzeugbereich der Fall ist, ist die erfindungsgemäße Feder ganz hervorragend geeignet.
-
Bei der erfindungsgemäßen Feder wird auf einen ölschlussvergüteten Si Cr Ni V-legierten Federdraht, der aber ansonsten noch nicht beschichtet, also noch nicht verzinkt oder vernickelt ist, nachträglich, nach dem Winden und Ablängen der Federn eine Korrosionsschutzschicht aufgebracht. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein 100-Prozent rissgeprüfter Federdraht verwendet werden kann, was bei der Verwendung von verzinktem oder vernickelten Drähten nicht der Fall ist. Dadurch kann vermieden werden, dass Fehler-behaftete Drahtbereiche zu Federn verarbeitet werden, wie dies bei der Verwendung von verzinkten oder vernickelten Drähten häufig der Fall ist. Dadurch kann die Ausschlussrate gesenkt und die Gefahr vermieden werden, dass fehlerhafte Federn verbaut werden.
-
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Nitrierbehandeln der Feder in einem TF1-Bad bei einer Temperatur von 570°C–600°C, insbesondere von 580°C–590°C über eine Dauer von 60 bis 120 Minuten, insbesondere von etwa 90 Minuten. Die Temperatur dieser Nitrierbehandlung ist dabei so gewählt, dass die Grundhärte und die Grundfestigkeit des Federdrahts nicht oder nur unwesentlich reduziert werden und gleichzeitig eine Korrosionsschutzschicht ausgebildet wird.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch das Nitrierbehandeln eine Nitrierschicht mit einer Dicke von 5 bis 9 μm, insbesondere von 6 bis 8 μm auf dem Grundmaterial aufgebaut.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird durch das Nachoxidieren eine Oxidschicht in die Nitrierschicht der Feder eingebracht. Diese Oxidschicht kann dabei eine im wesentlichen körnige Struktur aufweisen.
-
Das Nachoxidieren kann dabei in einem AB1 Bad bei einer Temperatur von 390°C–410°C, insbesondere von 396°C–404°C über eine Dauer von 10 bis 20 Minuten, insbesondere von etwa 15 Minuten durchgeführt werden. Die Temperatur des Nachoxidierens ist dabei so gewählt, dass die Grundhärte und die Grundfestigkeit des Federdrahts dadurch nicht beeinträchtigt werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Kugelstrahlen mit arrondiertem Stahldrahtkorn, das einen Durchmesser von 0,4 bis 1,0 mm, Insbesondere von etwa 0,7 mm aufweist und über eine Dauer von 30 bis 50 Minuten, insbesondere von etwa 40 Minuten durchgeführt wird. Dadurch wird durch Einbringung von Druckeigenspannungen die Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen Feder gesteigert, was sich sowohl auf die Beständigkeit der Korrosionsschutzschicht als auch auf die Dauerlaufeigenschaften positiv auswirkt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anschließend über eine Dauer von 10 bis 20 Minuten, insbesondere von etwa 15 Minuten ein zweiter Kugelstrahlvorgang mit arrondiertem Stahldrahtkorn durchgeführt, das einen Durchmesser von 0,2 bis 0,6 mm, insbesondere von etwa 0,4 mm aufweist. Dadurch kann die Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen Feder weiter gesteigert werden, was sich positiv auf die Beständigkeit der Korrosionsschutzschicht sowie auf die Dauerlaufeigenschaften auswirkt.
-
Durch die nachfolgend beschriebenen zusätzlichen Fertigungsschritte können die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Feder, insbesondere auch die sehr guten dynamischen Dauerlaufeigenschaften und die korrosionsschützenden Eigenschaften zusätzlich positiv beeinflusst werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann nach dem Winden und Ablängen des Grundmaterials zu Federn und vor dem Schleifen der Federenden der Feder eine Wärmebehandlung der Feder erfolgen, beispielsweise mit einer Temperatur von 400 bis 420°C, insbesondere von etwa 410°C über einen Zeitraum von 20 bis 40 Minuten, insbesondere von etwa 30 Minuten.
-
Nach dem Schleifen der Federenden und vor der Nitrierbehandlung können die Federn vorgestrahlt werden, beispielsweise mit arrondiertem Stahldrahtkorn mit einem Durchmesser von 0,3 bis 0,5 mm, insbesondere von etwa 0,4 mm für einen Zeitraum von 20 bis 40 Minuten, insbesondere von etwa 30 Minuten. Anschließend kann eine Vorwärmung der Federn für einen Zeitraum von 5 bis 15 Minuten, insbesondere von etwa 10 Minuten bei einer Temperatur von 585°C–615°C, insbesondere von etwa 600°C erfolgen.
-
Nach dem Nachoxidieren der Federn und vor dem Kugelstrahlen können die Federn abgekühlt werden, beispielsweise an der Luft über einen Zeitraum von 5 bis 15 Minuten, insbesondere von etwa 10 Minuten. Anschließend können die Federn gespült werden, beispielsweise über einen Zeitraum von 15 bis 25 Minuten, insbesondere von etwa 20 Minuten.
-
Nach dem Kugelstrahlen kann zudem ein abschließender Verfahrensschritt des Warmsetzens bei einer Temperatur von 250 bis 290°C, insbesondere von etwa 270°C für einen Zeitraum von 5 bis 15 Minuten, insbesondere von etwa 10 Minuten, erfolgen.
-
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder besteht die Nitrierschicht im wesentlichen aus Eisen- und Chromnitriden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Nitrierschicht Eisen- und Chromnitride, Epsilon und Gamma'-Nitride sowie Sondernitride.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder weist die Oxidschicht eine wesentlich körnige Struktur auf.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die Oxidschicht im Wesentlichen aus Eisenoxid (Fe3O4).
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder ist die Grenzfläche zwischen dem Grundmaterial und der Nitrierschicht glatt und gleichmäßig ausgebildet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder ist die Grenzfläche zwischen der Nitrierschicht und der Oxidschicht unregelmäßig und rauh strukturiert.
-
Die Erfindung betrifft auch eine Feder der oben beschriebenen Art, die durch ein Verfahren der oben beschriebenen Art hergestellt worden ist.
-
Der Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegende Figur näher erläutert.
-
Die Figur zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Herstellungsverfahren einer korrosionsbeständigen Feder mit sehr guten Dauerlaufeigenschaften gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Dabei wird gemäß Verfahrensschritt 2 zunächst ein ölschlussvergüteter Federdraht aus SiCrNiV-legiertem Grundmaterial bereitgestellt, der noch nicht mit einer weiteren Beschichtung versehen ist und der kostengünstig hergestellt oder beschafft werden kann.
-
Dieser Federdraht wird nun gewickelt oder gebunden und zu einzelnen Federn abgelängt (Verfahrensschritt 4).
-
Anschließend werden die so erhaltenen Federn einer Wärmebehandlung unterzogen (Verfahrensschritt 6), beispielsweise bei einer Temperatur von 410°C für 30 Minuten.
-
Dann werden die Federenden blank geschliffen (Verfahrensschritt 8).
-
Anschließend erfolgt das Vorstrahlen der Federn mit einem arrondierten Stahldrahtkorn, der beispielsweise einen Durchmesser d = 0,4 mm aufweist (Verfahrensschritt 10). Das Vorstrahlen kann beispielsweise etwa 30 Minuten dauern.
-
Nun werden die Federn vorgewärmt (Verfahrensschritt 12), um sie so für die nachfolgende Nitrierbehandlung vorzubereiten. Das Vorwärmen kann dabei über einen Zeitraum von 10 Minuten und bei einer Temperatur von 600°C +/– 15°C erfolgen.
-
Nun erfolgt die Nitrierbehandlung (Verfahrensschritt 14). Diese kann beispielsweise im TF1-Bad bei einer Temperatur von 585°C +/– 5°C für einen Zeitraum von 90 Minuten erfolgen. Dabei wird auf dem Grundmaterial der Federn eine Nitrierschicht mit einer Dicke von beispielsweise 6 μm aufgebaut.
-
Anschließend erfolgt die Nachoxidation im Salzbad (Verfahrensschritt 16). Dabei kann es sich um ein AB1 Bad mit einer Temperatur von 400°C +/– 4°C handeln, in dem die Federn für einen Zeitraum von etwa 15 Minuten verbleiben. Dabei baut sich eine Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 9 μm auf.
-
Die Nitrierschicht und die Oxidschicht bilden somit zusammen eine Korrosionsschutzschicht, die Oxidschicht bildet dabei die äußere Schicht und ist in die Nitrierschicht eingebracht. Sie hat eine Oberflächenhärte von 685 bis 885 HV0,5 und eine körnige Struktur. Die Nitrierschicht besteht überwiegend aus Eisen- und Chromnitriden, weiterhin können Epsilon und Gamma'-Nitride sowie Sondernitride vorhanden sein. Die Nitrierschicht hat einen Stickstoffgehalt der im Prozess des TF1 Bades durch die Zusammensetzung des Bades, insbesondere über den Cyanit- und Cyanat-Wert sowie über die Zeitdauer des Verbleibens der Federn in dem TF1 Bad eingestellt werden kann.
-
Die Oxidschicht besteht überwiegend aus Eisenoxid Fe3O4. Der Sauerstoffgehalt der Oxidschicht wird im Prozess durch die Beschaffenheit des Bades, insbesondere über die Nitrid- und Nitratwerte und über den Zeitraum des Verbleibens der Federn in dem Bad eingestellt.
-
Die Grenzfläche zwischen dem Grundmaterial und der Nitrierschicht ist glatt und gleichmäßig ausgeprägt, die Grenzfläche zwischen der Nitrier- und der Oxidschicht ist jedoch unregelmäßig und rauer strukturiert, was auch durch die nachfolgend noch beschriebenen Nachbehandlungsprozesse bedingt ist.
-
Im Verfahrensschritt 18 lässt man die Federn nun abkühlen, dies kann beispielsweise an der Luft für einen Zeitraum von etwa 10 Minuten erfolgen.
-
Anschließend werden die Federn gespült, beispielsweise für einen Zeitraum von 20 Minuten (Verfahrensschritt 20).
-
Im Verfahrensschritt 22 erfolgt nun die Oberflächenbehandlung des Kugelstrahlens. Dabei werden Strahlmittelkörner mit hoher Geschwindigkeit gegen die Federn geschleudert, um so eine Volumenvergrößerung und damit Druckeigenspannungen zu erzeugen, was die Korrosionsbeständigkeit und die Dauerfestigkeit der Federn steigert. Das Kugelstrahlen kann dabei als Intervall-Kugelstrahlen mit arrondiertem Stahldrahtkorn erfolgen. In einem ersten Kugelstrahlvorgang können arrondierte Stahldrahtkörner mit einem Durchmesser von d = 0,7 mm über einen Zeitraum von 40 Minuten auf die Federn geschleudert werden, und in einem zweiten Kugelstrahlvorgang können arrondierte Stahldrahtkörner mit einem Durchmesser von d = 0,4 mm über einen Zeitraum von 15 mm gegen die Federn geschleudert werden.
-
Nach der Kugelstrahlbehandlung gehen die Nitrierschicht und die Oxidschicht ineinander über. Die Nitrier- und die Oxidschicht verfilzen sich sozusagen. Demgemäß kann die Schichtstärke nicht mehr exakt zwischen der Nitrierschicht und der Oxidschicht unterschieden werden.
-
Im Verfahrensschritt 24 erfolgt nun eine Anlassbehandlung bzw. ein Warmsetzschritt, der beispielsweise bei einer Temperatur von 270°C über einen Zeitraum von 10 Minuten andauern kann.
-
Durch ein derartiges Herstellungsverfahren erhält man Federn mit hohen Dauerlaufeigenschaften und hoher Korrosionsbeständigkeit.
-
Mittels eines solchen Verfahrens können prinzipiell Federn beliebiger Art, beispielsweise Druckfedern, Zugfedern und Drehfedern, hergestellt werden. Besonders geeignet sind Federn, die in ihrem Anwendungsgebiet einen Korrosionsangriff ausgesetzt sind und/oder eine Vielzahl von Lastwechseln ertragen müssen, beispielsweise Druckfedern für eine Einspritzpumpe eines Kraftfahrzeugmotors, Druckfedern für Klappenöffnungssysteme eines Kraftfahrzeugs oder auch Ventilfedern für einen Kraftfahrzeugmotor.
