DE102014112761B4 - Verfahren zum Herstellen von kaltgeformten Stahlfedern - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen von kaltgeformten Stahlfedern umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
1) Bereitstellen (10) eines Drahts (1), der bei einer Umformtemperatur (T1) oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Ac3) des Drahtwerkstoffs einer thermomechanischen Umformung (12) unterzogen worden ist,
2) Vergüten des Drahts (1), umfassend
a) ein Erhitzen (17) des Drahts (1) auf eine Vergütungstemperatur (T2) oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs und Austenitisierung,
b) ein Abschrecken (18) des auf Vergütungstemperatur (T2) erhitzten Drahts (1) zur Bildung eines martensitischen Gefüges im Draht (1),
c) ein Anlassen des Drahts (1),
3) Kaltumformen des Drahts (1) zur Erzeugung der kaltgeformten Stahlfeder (3', 3"), dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (1) nach der thermomechanischen Umformung (12) auf eine Temperatur unterhalb von 200°C derart abgekühlt wird (13), dass sich im abgekühlten Draht (1) ein perlitisch-ferritisches Gefüge einstellt (14).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von kaltgeformten Stahlfedern.
  • STAND DER TECHNIK
  • Zur Erhöhung der konstruktiv nutzbaren Festigkeit wird der zur Herstellung der Stahlfeder verwendete Federstahl einer thermomechanischen Umformung (TMU) unterzogen. Unter einer thermomechanischen Umformung wird ein Prozess verstanden, bei dem der Federstahl auf eine Temperatur knapp oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs erhitzt und dort einer mechanischen Umformung unterzogen wird. Dabei wird ein möglichst feines Korngefüge infolge schneller und hoher Umformung erreicht. So können Stahlfedern mit hoher Festigkeit bei vergleichsweise geringem Materialeinsatz und somit geringem Gewicht und Materialkosten hergestellt werden. Das Kaltumformen, insbesondere Kaltwinden, des Federstahls findet bei einer Temperatur des Werkstoffs unterhalb des 0,5-fachen, insbesondere unterhalb des 0,4-fachen seiner Schmelztemperatur statt.
  • Bei der Serienproduktion von warmgeformten Schraubenfedern wird die TMU bereits in Form eines Schrägwalzprozesses eingesetzt, hier allerdings nur an vorgefertigten, vereinzelten Federstäben. Ein solches Verfahren ist in der DE 103 15 418 B3 offenbart. Die TMU erfolgt am Federstab durch einen einstufigen Schrägwalzprozess direkt vor dem Warmwickeln der Schraubenfeder. Die warmgeformte Feder wird in Öl abgeschreckt, wodurch sich ein martensitisches Gefüge ausbildet.
  • Beim Kaltformen von Schraubenfedern werden keine Federstäbe eingesetzt. Vielmehr wird ein vorvergüteter, also bereits gehärteter und angelassener Draht im kalten Zustand durch Kaltwickeln in die endgültige Schraubenform gebracht; erst anschließend erfolgt die Trennung vom fortlaufenden Draht und somit die Vereinzelung des Materials.
  • In der DE 198 39 383 C2 ist ein Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von Stahl für torsionsbeanspruchte Federelemente beschrieben. Ein Ausgangsmaterial wird zügig auf eine Temperatur von 1080°C erhitzt und austenitisiert. Anschließend wird das Ausgangsmaterial einer TMU unterzogen, wodurch eine Rekristallisation erreicht wird. Anschließend, ohne zwischenzeitliche Abkühlung, wird das Ausgangsmaterial durch Abschrecken gehärtet.
  • Dieses Verfahren wird in einer integralen Fertigungsstraße durchgeführt, in der von der TMU bis zur Abschreckung sämtliche Schritte durchgeführt werden. Durch die damit erforderliche unmittelbare Verkettung von thermomechanischer Umformung und Vergütung ergeben sich die folgenden Nachteile:
    1. 1. Längenänderungen am Draht durch die thermomechanische Umformung, zumeist Walzen, wirken sich unmittelbar auf die Prozessparameter der unmittelbar anschließenden Vergütung aus.
    2. 2. Die Prozesszeiten und -temperaturen der thermomechanischen Umformung und der Vergütung müssten aufeinander abgestimmt werden, was prozesstechnisch schwierig umzusetzen ist. Denn für die thermomechanische Umformung wird eine Temperatur lediglich knapp oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs bevorzugt, während für das Vergüten ein Erhitzen auf eine deutlich höhere Temperatur vorteilhaft ist.
    3. 3. Die Walzvorrichtung für die TMU und die Vergütevorrichtung weisen unterschiedliche Durchlaufzeiten pro Drahtlängeneinheit auf; um diesem Konflikt zu lösen sind sehr komplexe Regelungs- und Steuerungsaufgaben zu lösen.
    4. 4. Der Durchsatz der Fertigungsstraße würde dann durch die langsamste Prozesskomponente definiert; die schnelleren Prozesskomponenten sind daher nicht ausgelastet und arbeiten daher unwirtschaftlich.
    5. 5. Das in der Fertigung von Federn zur thermomechanischen Umformung angewendete einstufige Schrägwalzen (entsprechend der oben genannten DE 103 15 418 B3 ) führt zu einer Rotation des Drahtes um seine Längsachse mit einer Geschwindigkeit von 400 U/min und mehr. Dies lässt sich zwar mit vereinzelten Federstäben durchführen, nicht aber bei der Verarbeitung von Endlosdrähten. Bei den nachfolgenden Prozessschritten wie Abschrecken, Anlassen und Aufhaspeln würde der Draht entsprechend rotieren, was zumindest stark erhöhte Anforderungen an diese Einrichtungen stellen würde. In der Praxis wurde die Umsetzbarkeit eines solchen integrierten Prozesses bei Endlosdraht noch nicht erprobt. Zwar ist es bereits bekannt, anstelle des Schrägwalzens auch ein zweistufiges Kaliberwalzen zu verwenden. Die vorstehenden Nachteile 1 bis 4 bestehen auch bei der Anwendung des Kaliberwalzens.
  • Die DE 198 39 383 C2 schlägt in einer Variante (Sp. 3, Z. 4-20) vor, nach der thermomechanischen Umformung den Federstahl zunächst auf niedrige Temperatur abzuschrecken und anschließend erneut einem Vergütungsprozess mit starker Erhitzung und Abschreckung zuzuführen. Diese Variante weist aber weitgehend die oben angesprochenen Nachteile auf. Im abgekühlten Zustand zwischen den beiden Vergütungsschritten liegt der Federstahl dabei gehärtet vor und lässt sich so allenfalls in einer integralen Fertigungsstraße weiterverarbeiten, aber nicht zu Lager- und Transportzwecken aufhaspeln.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von kaltgeformten Stahlfedern zu entwickeln, welches insbesondere die oben angesprochenen Nachteile umgeht.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen sowie durch eine Verwendung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • So umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von kaltgeformten Stahlfedern, insbesondere Schraubenfedern oder Drehstabfedern aus Stahl, folgende Verfahrensschritte:
    1. 1) Bereitstellen eines, insbesondere fortlaufenden, Drahts, der bei einer Umformtemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs einer thermomechanischen Umformung unterzogen worden ist,
    2. 2) Vergüten des Drahts, umfassend
      1. a) ein Erhitzen des Drahts auf eine Vergütungstemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs und Austenitisierung,
      2. b) ein Abschrecken des auf Austenitisierungstemperatur erhitzten Drahts zur Bildung eines martensitischen Gefüges im Draht,
      3. c) ein Anlassen des Drahts.
    3. 3) Anschließend ein Kaltumformen des Drahts zur Erzeugung der kaltgeformten Stahlfeder. Das Unterziehen des Drahtes der thermomechanischen Umformung kann Bestandteil des Verfahrens sein.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Draht nach der thermomechanischen Umformung auf eine Temperatur unterhalb von 200°C derart abgekühlt wird, dass sich im abgekühlten Draht ein perlitisch-ferritisches Gefüge einstellt. Durch die Bildung des perlitischen-ferritischen Gefüges wird der Draht in einen Zwischenzustand versetzt, in dem sich der Draht durch eine hohe Weichheit und damit auch eine gute Handhabbarkeit auszeichnet. Aufgrund dieser Weichheit lässt sich eine prozesstechnische Trennung der TMU von dem nachfolgenden Vergüten erreichen. In der Zeit zwischen der TMU und dem Vergüten lässt sich der Draht deutlich besser handhaben, da er nicht in einer gehärteten Form vorliegt.
  • So ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass in diesem Zwischenzustand, also nach der TMU und vor der Vergütung, der Draht, der nun immer noch in einem fortlaufenden Draht vorhanden ist, zu Lager- oder Transportzwecken aufgerollt, insbesondere aufgehaspelt wird. Dies ist umso leichter möglich, je weicher der Draht ist. Für das nachfolgende Vergüten wird der Draht wieder abgehaspelt. Das nachfolgende Vergüten ist so vollständig von der TMU entkoppelt.
  • Der erfindungsgemäße Verfahrensablauf ermöglicht es auch, die Vergütung im Hinblick auf den Temperaturbereich von der TMU zu entkoppeln. Während die optimale Umformtemperatur während der TMU knapp oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs, insbesondere weniger als 50°C oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs liegt, ist für die Vergütung ein Erhitzen auf wesentlich höhere Temperaturen vorteilhaft. So ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Vergütungstemperatur oberhalb der Umformtemperatur liegt, insbesondere mehr als 50°C oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs. Durch die prozesstechnische Trennung von TMU und Vergütung kann für jeden der beiden Schritte die optimale Temperatur eingestellt werden.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs ist es, dass durch die Entkopplung der beiden Prozesse Vergüten und TMU beide Prozesse bei für den jeweiligen Prozess optimalen (benötigten) Durchlaufgeschwindigkeiten des Drahtes durchgeführt werden können. Die Durchlaufgeschwindigkeit des Drahtes bei der TMU ist nicht zwingend die selbe, wie bei der Vergütung. Bei der integralen Fertigungsstraße hingegen gibt der langsamere der beiden Prozesse die Durchlaufgeschwindigkeit für beide Prozesse vor, d.h., einer der beiden Prozesse arbeitet nicht bei optimalen Bedingungen, also unwirtschaftlich.
  • Bevorzugt wird das Verfahren angewendet bei der Herstellung von kaltgeformten Schraubenfedern. Hierbei wird der Draht zu Stahlfedern kaltgewunden; erst nach dem Kaltwinden der Schraubenfedern werden diese vom Draht getrennt.
  • Ebenfalls bevorzugt wird das Verfahren angewendet bei der Herstellung von kaltgeformten Drehstabfedern. Hierbei wird der Draht nach dem Vergüten zu Stäben abgelängt. Danach werden die Stäbe durch Kaltverbiegen zu Drehstabfedern, insbesondere Stabilisatoren für Kraftfahrzeugfahrwerke, weiterverarbeitet.
  • Die Abkühlung nach der TMU erfolgt bevorzugt mit einer so geringen Abkühlgeschwindigkeit, dass sichergestellt wird, dass sich ein perlitisch-ferritisches Gefüge einstellt. Der Fachmann kann hierzu das zum Werkstoff passenden ZTU-Schaubild heranziehen, aus dem sich die Abkühlgeschwindigkeit ablesen lässt.
  • Grundsätzlich erscheint die vorgeschlagene Vorgehensweise gegenüber dem bekannten Verfahren zwar unwirtschaftlich zu sein, da nunmehr der Draht für das Kaltumformverfahren erneut erwärmt werden muss, nachdem die zwischenzeitliche Abkühlung erfolgt ist. Es hat sich aber herausgestellt, dass durch die damit erreichte Entkopplung die eingangs genannten Nachteile vermieden werden können, was technisch besser und wirtschaftlich vorteilhafter zu bewerten ist als die durch die integrale Fertigung bedingten Vorteile. Ferner kann die zwischenzeitliche Abkühlung auch gezielt unter Mitwirkung eines Wärmetauschers erfolgen, wodurch die Abwärme des Abkühlens wiederum der TMU oder der anschließenden Vergütung mit einem recht hohen Wirkungsgrad zur Verfügung stehen kann.
  • Erfindungsgemäß kann nun ein bereits vorbehandelter Draht zur Herstellung von kaltgeformten Stahlfedern, insbesondere Schraubenfedern oder Drehstabfedern aus Stahl, verwendet werden. Der Draht weist eine Temperatur von weniger als 200°C, insbesondere Raumtemperatur, auf. Ferner ist der Draht bereits einer thermomechanischen Umformung unterzogen worden und weist ein perlitisch-ferritisches Gefüge auf. Dieser Draht wird nun vergütet, wobei das Vergüten folgende Schritte umfasst: ein Erhitzen des Drahts auf eine Vergütungstemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs und Austenitisierung; ein Abschrecken des auf Vergütungstemperatur erhitzten Drahts zur Bildung eines martensitischen Gefüges im Draht; ein Anlassen des Drahts. Anschließend erfolgt das Kaltumformen des Drahts zur Erzeugung der kaltgeformten Stahlfeder. Die bezüglich des Verfahrens genannten Vorteile und Weiterbildungen sind auf diese Verwendung anwendbar.
  • BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausgestaltung,
    • 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausgestaltung,
    • 3 einen Temperaturverlauf zu den Verfahren nach 1 und 2.
  • Die 1 bis 3 werden nachfolgend gemeinsam beschrieben. Ein gewickelter Walzdraht 1 wird auf einem Ring 10 bereitgestellt. Der Draht 1 wird zunächst erwärmt auf eine Umformtemperatur T1 von etwa 800°C, was oberhalb der Austenitisierungstemperatur Ac3 von im vorliegenden Fall 785°C (Schritt 11) liegt. Nun wird der Draht einer thermomechanischen Umformung 12 unterzogen. Das Erhitzen 11 kann entfallen, wenn sich die TMU unmittelbar an einen Drahtwalzprozess anschließt und die Temperatur des Drahts bereits auf der gewünschten Umformtemperatur T1 liegt.
  • Das thermomechanische Umformen 12 kann durch mehrstufiges Kaliberwalzen erfolgen. Anschließend wird der Walzdraht 1 derart langsam abgekühlt (Schritt 13), dass sich im Draht ein perlitisch-ferritisches Gefüge, also ein weiches Gefüge, einstellt. Das Abkühlen kann ohne weitere Einwirkung durch einfaches Lagern in Raumtemperatur oder Umgebungstemperatur erfolgen, bevorzugt erfolgt das Abkühlen aber kontrolliert. Vor, während oder nach der Abkühlung wird der Draht 1 aufgehaspelt (Schritt 14), was aufgrund des weichen Gefügezustands ohne weiteres möglich ist. Zum Abkühlen kann auch ein Wärmetauscher bereitgestellt werden, so dass die Abwärme dem Prozess wieder zugeführt werden kann.
  • Wenn der Draht 1 nun aufgehaspelt ist, kann er von einer Verarbeitungsstelle zur nächsten Verarbeitungsstelle transportiert und dort weiterverarbeitet werden. In der 3 ist dies durch eine Lücke im Temperaturverlauf nach dem Aufhaspeln 14 verdeutlicht.
  • Ein Federhersteller kann nun den durch thermomechanische Umformung vorbehandelten Draht 1 von einem Drahthersteller zukaufen und muss nicht die für die TMU erforderlichen Anlagen bei sich vorhalten. Dies spart dem Federhersteller Platz und Investitionskosten ein.
  • Nach einem belibigen Zeitraum der Lagerung und/oder des Transports beginnt das Vergüten des Drahts 1, welches sich folglich nicht mehr unmittelbar (auch örtlich) an die TMU anschließen muss. Nach einem Abhaspeln 15 kann noch eine Bearbeitung, beispielsweise ein Schleifen 16, vor dem Vergüten erfolgen. Anschließend wird zur Einleitung der Vergütung der Draht auf eine Vergütungstemperatur T2 deutlich oberhalb der Austenitisierungstemperatur Ac3 bzw. der Umformtemperatur T1 erhitzt (Schritt 17). Im vorliegenden Fall liegt die Vergütungstemperatur T2 bei in etwa 950°C. Das Erhitzen erfolgt sehr schnell und wird vorzugsweise induktiv durchgeführt. Die Erhitzung erfolgt mit einer Heizgeschwindigkeit von mindestens 50 K/s, vorzugsweise mindestens 100 K/s. Anschließend erfolgt das Abschrecken (Schritt 18), z.B. in einem Wasser- oder einem Ölbad, wodurch sich ein martensitisches Gefüge einstellt. Anschließend wird der Draht 1 angelassen (Schritt 19).
  • In einer ersten Ausgestaltung, wie es in 1 gezeigt ist, wird der vergütete Draht 1 nun zu Schraubenfedern 3' kaltgewunden (Schritt 20') und anschließend vom Draht 1 geschnitten (Schritt 21). In einer alternativen Ausgestaltung, wie es in 2 gezeigt ist, wird der vergütete Draht 1 zunächst in einzelne Federstäbe 22 geschnitten (Schritt 21) und anschließend zu Drehstabfedern 3" kaltgebogen (Schritt 20").
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Draht
    2
    Federstab
    3'
    Schraubenfeder
    3"
    Drehstabfeder
    10
    Ring
    11
    Erhitzen
    12
    TMU
    13
    Abkühlen
    14
    Aufhaspeln
    15
    Abhaspeln
    16
    Schleifen
    17
    Erhitzen
    18
    Abschrecken
    19
    Anlassen
    20'
    Kaltwinden
    20"
    Kaltbiegen
    21
    Schneiden
    22
    Federstab

Claims (7)

  1. Verfahren zum Herstellen von kaltgeformten Stahlfedern umfassend die folgenden Verfahrensschritte: 1) Bereitstellen (10) eines Drahts (1), der bei einer Umformtemperatur (T1) oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Ac3) des Drahtwerkstoffs einer thermomechanischen Umformung (12) unterzogen worden ist, 2) Vergüten des Drahts (1), umfassend a) ein Erhitzen (17) des Drahts (1) auf eine Vergütungstemperatur (T2) oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs und Austenitisierung, b) ein Abschrecken (18) des auf Vergütungstemperatur (T2) erhitzten Drahts (1) zur Bildung eines martensitischen Gefüges im Draht (1), c) ein Anlassen des Drahts (1), 3) Kaltumformen des Drahts (1) zur Erzeugung der kaltgeformten Stahlfeder (3', 3"), dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (1) nach der thermomechanischen Umformung (12) auf eine Temperatur unterhalb von 200°C derart abgekühlt wird (13), dass sich im abgekühlten Draht (1) ein perlitisch-ferritisches Gefüge einstellt (14).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (1) nach der thermomechanischen Umformung (12) und vor dem Erhitzen (17) zu Lager- oder Transportzwecken aufgerollt (14), insbesondere aufgehaspelt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergütungstemperatur (T2) oberhalb der Umformtemperatur (T1) liegt, insbesondere mehr als 50°C oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Ac3) des Drahtwerkstoffs.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (1) bei dem Kaltumformen zu Schraubenfedern (3') gewunden wird und danach die Schraubenfedern (3') vom fortlaufenden Draht (1) getrennt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (1) nach dem Vergüten zu Stäben abgelängt wird und die Stäbe danach durch Kaltumformen zu Drehstabfedern (3"), insbesondere Stabilisatoren für Kraftfahrzeugfahrwerke, weiterverarbeitet werden.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (1) nach der thermomechanischen Umformung (12) und vor dem Erhitzen (17) auf Raumtemperatur abgekühlt (13) wird.
  7. Verwendung eines Drahts (1) zur Herstellung von kaltgeformten Stahlfedern, der bei einer Umformtemperatur (T1) oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Ac3) des Drahtwerkstoffs einer thermomechanischen Umformung (12) unterzogen worden ist, wobei der Draht (1) eine Temperatur von weniger als von 200°C aufweist und ein perlitisch-ferritisches Gefüge aufweist, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: 1) Vergüten des Drahts (1), umfassend a) ein Erhitzen (17) des Drahts (1) auf eine Vergütungstemperatur (T2) oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs (1) und Austenitisierung, b) ein Abschrecken (18) des auf Vergütungstemperatur (T2) erhitzten Drahts (1) zur Bildung eines martensitischen Gefüges im Draht (1), c) ein Anlassen des Drahts (1), 2) Kaltumformen des Drahts (1) zur Erzeugung der kaltgeformten Stahlfeder, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (1) vor der Vergütung (17,18,19) eine Temperatur von weniger als 200°C aufweist und ein perlitisch-ferritisches Gefüge aufweist.
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