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Korrosiönsbeständiges Federmaterial Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Stahlfedern und Federmaterial mit sehr guten federnden Eigenschaften, wie
hohem Elastizitätsmodul, Zug- und Ermüdungsfestigkeit bei niedrigen sowie@auch bei
normalen und bei hohen Temperaturen, und die gleichzeitig eine gute Korrosiansbestän-,
digkeit aufweisen.
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Die bisher verwendeten Materialien mit den obigen Eigenschaften bestehen-in
der Regel aus sehr hoch legierten, kostspieligen Stoffen mit hegierungselementen,
welche die Warm- und Kaltbearbeitung beträchtlich erschweren. Auf Bildung einer
dauerkorrosionsbeständigen Schutzschicht behandelter Kohlenstoffstahl ist ebenfalls
verwendet worden. Sol--ehe Schutzschichten,gewährleisten jedoch nicht immer einen
dauernden Schutz gegen Korrosion, und ihre Anwendung kann sehr schwierig und kostspielig
sein. Sie können auch Nachteile, wie z.B.-Wasserstoffsprödigkeit des Stahles, in
sich bergen.
Seit langer Zeit besteht Bedarf nach Gegenständen mit
sehr guten Federungseigenschaften aus den bekannten auste-. nitischen rostfreien
Stählen. Wegen ihres Gehaltes an Legierungsbestandteilen kann jedoch diesen Stählen
keine erhöhte Festigkeit durch Warmbehandlung in der üblichen Weise verliehen werden,
weil sie ihr austenitisches Gefüge bis hinab auf Raumtemperatur (15o C) und darunter
beibehalten. Es ist daher nicht mööli.ch, die Festigkeit dieser Stähle durch Umwandlung
von weichem Austenit in harten Martensit zu erhöhen. Bei der Kaltbearbeitung austenitischer
Stähle ist öfters eine im allgemeinen unerwünschte Härtesteigerung als Folge einer
gewissen Umwandlung von Austenit in Martensit beobachtet worden. So ergab die Reduktion
der Querschnittsfläche von austenitischen Chromnickelstählen um. 25 - 60 % durch
Kaltwalzen mit. nachfolgender Warmbehandlung bei relativ niedriger Temperatur, beispielsweise
zwischen 75o und 2000 C, eine gewisse Erhöhung der Festigkeit, welche jedoch für
Gegenstände-nicht ausreicht, die hohe Festigkeit und gute federnde Eigenschaften
erfordern, wie z.B. Federn für Uhren und andere Instrumente. Ebensowenig ist so
behandeltes Material geeignet für Federn, welche bei erhöhten Temperaturen, z.B.
300o - 500o C, arbeiten. müssen.
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In der deutschen Patentanmeldung Nr. S 26 229 VIa/18d wurde für ein
Verfahren zur Herstellung:,yon korrosionsbeständigen Stahlfedern und Federmaterial
mit guten Federungseigenschaften
einschl. hohen Elastizitätsmoduls
und hoher Zugfestigkeit Schutzbegehrt. Das betreffende Verfahren umfasst das Glühen
einer unstabilen austenitischen Stahllegierung von einer Temperatur zwischen 9500
- 1200o C, wobei die Legierung Eisen -als Hauptbestandteil-enthält, 6 -
10% des,austenitfördenden Bestandteils aus Nickel, 12 - 20% des ferritfördernden
Bestandteils aus Chrom bestehen und mindestens ein zusätzlicher ferritfördernd'er
Bestandteil aus Silizium und Molybdän gewählt wird,-der Ifiengenanteil des Slizfum
und 11'Iolybdän -2j bezw. 3% nicht übersteigt und mindestens 0.,8 g&
Silizium und/oder mindestens 0,4 j 1Vlolybdän vorhanden. sind, -ferner die Kaltbearbeitung
der Legierung in mehreren. Stufen ohne-Zwischenglühen',- unter Verminderung der
Querschnittsfläche um mindestens 70%, wobei die austenit-und ferritfördernden Bestandteile
in der-abschreckungsgehärteten Legierung so bemessen sind, dass durch,die Kaltbearbeitung
praktisch keine Umwandlung des Auste' nits unterhalb 74 Querschnittsreduktion eintritt"da-
-für aber oberhalb eine wesentliche Umwandlung des.Austenits in eine'nicht-austentische
ferrom.agnetisehe-Phase stattfindet, schliesslich das Vergüten des kaltbearbeiteten
Materials im Temperaturintervall von @; 3500 bis 5500 C zur Erzielung 'guter federnderElgenschaften.
Nach-diesem Verfahren hergestellte 2ederri@
besitzen sdhr gute Federungseigenschaften;
ein Nachteil des Verfahrens ist jedoch die starke Reduktion der Querschnittsfläche;
gewöhnlich etwa 90%, was zu Schwierigkeiten vom Standpunkt der Herstellung führt
und sehr teure Anlagen erfordert. Mit modernen Kaltwalzwerken war es nicht möglich,
vergleichsweise starkes IEaterial um etwa 90% zu reduzieren, sodass man beim fertigen
Federstahlmaterial nicht unter ca. 0,5 mm Dicke gelangt ist.
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Durch ausgedehnte Untersuchungen wurde nun festgestellt, dass.durch
diejiähl einer geeigneten Zusammensetzung für den abstenitischen Stahl sehr gute
Federungseigenschaften, sogar bei einem relativ kleinen Reduktionsgrad erzielt werden
können. Die Zusammensetzung muss dabei derart sein, dass der fertige Gegenstand
nach einer Reduktion der Querschnittsfläche, die nicht weniger als 50b beträgt,-zwischen
25 und 75 %, vorzugsweise 50% Martensit enthält. Die-Gebchwindigkeit der Umwandlung
von Austenit in Martensit hängt z .T. vän der Stabilität de stenits, d.h. seiner
Umwandlungsbereitschaft,und z.T. vom Verformungsgrad ab. Für einen bestimmten Grad
der Kaltbearbeitung erhöht sich die Menge des gebildeten Martensits mit abnehmender
Stabilität des Austenits. Umgekehrt erhöht sich für eine bestimmte-Stabilität des
Austenits die Menge des
Martensits mit dem Grad der Kaltbearbleitung.
Die sich ergebende Festigkeit hängt von dieser Umwandlung ab. Die Stabilität des
Austenits richtet sich teilweise nach den Prozentsitzen der Legierungselemente,,
welche die Stabilität unterschiedlich beeinflussen, und teilweise-nach der Bearbeitungstemperatur.
Durchsenken der Temperatur wird die Stabilität des Austenits herabgemindert.. Die
Bearbeitungstemperatur schafft also ein weiteres. Mittel zur Regelung der Faktoren
Stabilität und Kaltbearbeitung in der geeignetsten Weise.
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Die angestellten Versuche haben gezeigt, dass relativ unbedeutende
Änderung in den Prozentsätzen der Lejierungselemente eine beträchtliche Veränderung
in der Stabilität des Austenits bewirken kann. So können viele in ihrer Zusammensetzung
nahe verwandte 2,faterialien ganz verschiedene Federungseigen-. schaften@aufweisen.
Aus diesem Grunde ist es wesentlich, die für die Erf-Indung geeigneten Legierungen
au --iein r andersartigen Grundlage als die Zusammensetzung de Legierungen zu kennzeichnen.
Man hat , sich dafür entschieden.,. die Legierungen nach ihrer Stabilität zu kennzeichnen.
Dementsprechend wird die Stabilität-des Austenits als diejenige Temperatur definiert,
bei welcher 50%iger 14lartensit unter Spannung bei einer wahren Dehnung von 0r30
(3030
| = 1n.: zum Unterschied von der gewöhnlichen |
| @oDehnung e = j# - -@o$, worin to die ursprüngliche |
| Länge der Prüfspange und = die Länge nach der |
| Dehnung bezeichnet). Diese charakteristische Tem- |
| peratur wird hier als h'd30 bezeichnet, analog zu Iils
31 |
| womit die charakteristische i.'emperatur für gewöhn- |
| liche Stähle bezeichnet wird, bei welcher der |
| Austenit sich spontan in Martensit umzuvvandeln be- |
| ginnt. Es wurde ferher festgestallt, dass die :;irliung |
| der- wichtigsten Legierungselemente auf die als =9d30 |
| gemessene Stabilität durch die folgende Gleichung |
| bestimmt werden kann: |
| ied30 413 = 462 (% 0 + ö N) - 9..2 (% Si) - 8.1 (%l,in) - |
| 13.7 (% Cr) - 10.0 (% Ni) - 18.5 (% 110)- |
| t t - |
| Die in Pargnthese gehaltenen Angaben bezeichnen die Ge- |
wichtsprozente der verschiedenen Elemente., Td30 m'Lsste gemäss den angestellten
Untersuchungen zwischen 200G und -200G, verzugsweise zwischen 100G und -100G liegen,
um die für die Erfindung charakteristischen Ergebnisoe zu erzielen. Durch die obige
Gleichung wird _ eine 'weitere und genauere Definition der für die Erfindung geeigneten
austenitischen Stähle erreicht.
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Gemäss der .Erfindung werden .die Gegenstände aus Legierungen hergestellt,
die nach dem Glühen austenitisch sind und eine solche Stabilität aufweisen,
dass
die Verformungstemperätur, bei welcher 50 Islartensit aus dem Austeneit gebildet
wird, nachdem das material unter Spannung entsprechend einer wahren Dehnung von
30% verformt wurde, zwischen 200C und -200C, vorzugsweise zwischen 100 C
und -100 C liegen muss, und welche nach dem Glühen und einer Reduktion der Querschnittsfläche
durch Iialtberarbeitung von mehr als 50% zwischen 30 und 75% Martensit,
vorzugsweise zwischen ¢Ö und-60%, enthalten.
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Der Anteil des Martensits in den Fertigerzeugnisser@ist von grosser
Bedeutung für die Federungseigenschaften. Bei einem Prozentsatz kartensit ausserhalb
des obenerwähnten Bereiches sind gute Federungseiöenechaften nicht zu erhalten.
In der Regel ergeben, sich die besten Resultate, wo die Prozentsätze von Austenit
und 1rlartensit etwa einander gleich sind.
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Die ILaltbearbeitung erfolgt-in verschiedenen Stufen ohne dazwischen
liegende Wärmebehandlungen und die Reduktion der Querschnittsfläche darf nicht weniger
"als 50% betragen. Gewöhnlich liegt sie, zwischen 50; und 70%, aber
in bestimmten Fällen muss sie. bis zu:: 75% oder sogar 85% liegen.
Das der Kaltbearbeitung vorausgehende Glühen erfordert eine Erwärmung auf hohe Temperatur,
gewöhnlich im Bereich von 9500 - . 12000 C, mit darauffolgender rascher Abkühlung.
Die, in den austenitischen Stählen nach der Luftabkühlung
gewöhnlich
vorhandenen Karbide werden dadurch in Lösung gebracht, was den Stählen diejenigen
Eigenschaften verleiht, welche für"die darauffolgende Kaltbearbeitung erforderlich
-sind.
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Die Bearbeitungstemperatur ist ein weiter Faktor, der auf das Ergebnis
einen grossen Einfluss hat. Eine Herabminderung dieser Temperatur unter die normalerweise
für die Kaltbearbeitung angewendete, ergibt einen grösseren Prozentsatz ,1artensit
für denselben Bearbeitungsgrad oder D
1
erfordert einen niedrigeren Bearbeitungsgrad
für den gleichen Prozentsatz rIartensit. Ds ist gezeigt worden, dass eine-solche
Verminderung der Bearbeitungstemperatur unter gleichzeitiger Verminderung des Reduktionsgrades
keine Veränderung in den guten Federungseigenschaften bewirkt, die mit den austenitischen
Legierungen im Ran-.en der = Erfindung erzielt werden. Dies bedeutet grosse Vorteile
vom Standpunkt der Herstellung. Durch Niedrighalten des Reduktionsgrades - er darf
nichtweniger als 50% betragen - werden verschiedene Reduktionsstufen eingespart,
während der Bereich der Formate für das fertige Federmaterial beträchtlich erweitert
werden kann, ohne über den zulässigen -@Yalzdruck der modernen 'Malzwerke hinauszugehen.
-Die Bearbeitungstemperatur, welche hier als die leicht zu messende Temperatur des
Materials
| un:_n.it telbar vor dem einlaufen in das :;alziirerk anzu- |
| sehen ist, rann also .vorteilhaf- t unter der aumteu_-- |
| peratur lie-en. 'eine lemneratur im Bereich von -loo |
| bis 15 2 hat sich als besonders .@@eilzet für diesen |
| Z-weck er "uesen. |
| Mne weitere Verbesserun:@ in den Federungsei-en- |
| schaften von se;e@?s Ländene:@@zss der -.f#,rfinduilg lässt |
| r@@.c:l durch .Anlassem nach der K'altbearbcitung innerhalb |
| des e1_nperaturbereicriss von 550o bis' 550-0C und eines |
| Zeitraumes erreichen, welC;heh eilt sprechend verschie- |
| denen Pahtoren, eile Anlasstemperatur und Form des Ge- |
| Genstandes, zywcclLmäasig einige _@iinuten- bis mehrere |
| Tage dauern sann . -3ei einer e?nperatur. von@4CÖ° bis |
| 475o Ct die sich als vorteilhaft erwiesen hat; kann |
| die ii?.lassdauer vorteilhaft z@-#,ischen 2 und $ Stunden |
| liegen. 3eträchtlch längere ZeGen habeiz sich in |
| einigen Fällen _ als vorteilhaft erwiesen, sie sind |
| jedoc1-i in der ELeöel nicht notwendig und daher wegen. |
| der damit verbundenen. Zöstensteigerung zu vermeiden. |
| In. den befol,i#eilien Zeiehnunden ist das Verhält- |
| nis zw:sclzen den ?rogent,ehalt an ülartensit, der Ver.= |
| formungs-I`emperatur und der wahren Dehnuri g im Falle |
| ton austenitischen Legierungen nach dem Glühen dar- |
| gestellt. In Eig, 1 handelt es sich um zwei hegie= |
| rünöen A und 3, deren erstere im Halonen der Erfindung |
| liegt, während die letztere offenbar ausserhalb |
| liegt. meide Legierungen wurden einer wahren Dehnung |
| von 30% unterworfen, jedoch nur die Legierung A zeigte |
| . die definierte Stabilität, nämlich-diejeniöe, bei |
| welcher 50% Martensit innerhalb des Temperaturbe- |
| reiches von 20° und -20° gebildet werden. Für die |
| Legierung A beträgt diese charakteristische Tem- |
| peratur etwa -5o C, während diejenige für die Legierung |
| B etwa bei 33° C liegt. Zig, 2 zeigt den frozentge- |
| halt Yartensit aufgetragen gegen die Verformungs- |
| temperatur für die Le g-ie rung A für verschiedene |
| wahre Dehnungen. Die Kurven l,. 2, 3 und ¢ stellen eine |
| wahre Dehnung von 10 bezw. 20 bezw. 30 bezw. 50% dar. |
| Hieraus ist klaff zu ersehen, wie die mwandlun;ui.t |
| zunehmendez Verformungsgrad fortschre,tet, ebsnsc auch |
| der beträohtliche Einfluss der Bearbeitungstemperatur. |
| Legierung A. hat die folgende Zusammensetzung: |
| Sticlstff, etwa |
| Etwa 0,1a Kohlenstoff,. etwa 0,02 |
| ifli2.lum, etwa. 1 @Ian.gan:, etwa 18% Chrom, etwa 8a |
| Nickel, etwa 0,7 f P4!olybdän, der Rest hauptsächlich |
| aus Eisen. bestehend. Die Legierung i3 untersche@.st |
| sieh von. der Legierung A hauptsächlich darin, dass. |
| sie etwas niedrigere 2rozentsätze Kohlenstoff, Si.- |
| lz ium, Mangan und Mo lyb dän. enthält |
| Wie oben erwähnt, müssten die Legierungen nach |
| dem Mühen völlig austenitisch, d,h. frei von |
| Ferfit sein. Dies hat einen günstigen Einfluss auf |
| , |
| die Korrosionsfestigkeit. Erfordernis für die Körrosions- |
| festigkeit ist, dass der Prozentsatz an Chrom minde- |
| stens 13 ö betragen muss. Damit = Ferrit nicht vor- |
| handen ist, ist es wesentlich, dass die Anteile der |
| sogenannten ferritfördernden Elemente, wie Chrom, |
| Silicium und Lolybdän gegen die austenitbildenden |
| Elemente, wie i#,ickel, Mangan, Kohlenstoff und Stick- |
| stoff abgestimmt werden. , |
| Es wurde festgestellt, dass die für den Zweck |
| der vorliegenden Erfindung am besten geeigneten Le- |
| gierungen die folgenden- Elemente innerhalb der ge- |
| gebenen Grenzen enthalten müssen: 0,07 - 0,20 % Kohlen- |
| stoff, 0 - 0,1 5a Stickstoff, 14 - 20% Chrom, 7 - 12 |
| Hickel, 0t2 - 2 % Silicium, 0,4 - 2% Mangan, 0,- 4% |
| :iol@ll)dän @ und 0 - 10% TL;obalt ; oder 0907 = 0920
% Koh- |
| lenstoff, 0 - 0,,1 j Stickstoff, 14 - 20% Chrom, 3 - 7% |
| Nicl.#:el, 0,2 - 2% Silicium, 4 - 12% Mangan, 0 -.4% |
| =..@olybdän und O - 10`;1 Kobalt. Der Rest kann praktisch |
| ganz aus Eisen bestehen, mit Ausnahme zufälliger Ver- |
| unreinigungen, @@de geringe Mengen Phosphor und Schwefel. |
| Eines oder mehrere der folgenden weiteren Legierungs- |
| elemente körulc:n zugeschlagen werden: @liolfram,- Titan, |
| Columbium, Niob, Tantäil"uzd Aluminium, und zwar in Pro- |
| ' zen tsätzen - bis zu.14ö' Ebenso *können noch weitere |
| Elemente in relativ kleinen-Nengen zuge etzt werden. |
| Insbesondere empfehlen sich Legierungen,.deren |
| Komponenten innerhalb .der folgenden engeren Grenzen |
| liegen: 0,08 - 0,20 ö C; 0,005 - 0,.075 öN;_ 16 -'18%
Cr; |
| 7 - 10% Ni; 0,8 - 1,5 5,2 Si; 0,8 - 1,5 % 2.Fn;
0 - 2 |
| #o; 0 --5 ö Co ;. O - 1 ö Ti; 0 - 1_ :ä. Nb und/oder
a;0 - 2% W; 0 - 1g V, Rest Eisen Z.it den üblichen-Ver- |
| unreinigungen. , - |
| ' Ein -bevorzugter !`malysenbereich zur Herstellung |
| von Blechen aus diesem Typus ist:. 0,10 -.0,15 |
| 0,015 - 0,0>5 l N-; 17 -- 18% Cr,; 7,5 - 9% Ni;
0,9 =- |
| Best Eisen |
| 1,2 f Si; 0,9 -. 1,.2i In; 0,5 - 1,.5 1,16, |
| mit den üblichen Verunreinigungen. |
| Um gute Pederungsei,enschaften zu erzielen, |
| ist es von grosser Bedeutung, dass der Prozentsatz |
| an Kohlenstoff bei anstenitischen Stählen einen hohen |
| Wert beibehält. Er darf- nicht weniger als 0,07i° be-' |
| ' vzwischen |
| orzugsweise/,10% tragen und soll vorzugsweise 0,10% und 0,15%
liegen. |
so ist die Zunahme der mechanischen Festigkeit irblge eines durch.Kaltbearbeitung
erzielten bestimmten iVIartensi'tanteils proportional dem Kohelenstoffgehalt. Da
eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu einer entsprechenden Verbesserung
der Federungseigenschaften führt, erhellt ohne weiteres, dass die richtige STahl
des Kohlenstoffgehalts von grosser Bedeutung ist.
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Die Erfindung betrifft hauptsächlich Federn aller Art, beispielsweise
Uhrfedern, jedoch fallen auch andere Gegenstände, für die gute Federungseigenschaften
gefordertverden,
in den Rahmen der Erfindung,. @sbestehen keine Herstellungsschwierigkeiten für Fe-Bern
gemäss der_yrfindung mit Stärken bis-zu mindestens 2 bis 3 mm und mit guten Pederungseigenschaf-.ten
und guter Korrosionsbeständigkeit, und zwar bei normalen als auch bei erhöhten Temperaturen
bis zu 5000C. Verglichen beispielsweise mit Kohlenstoffstahl-Federn, besitzen die
genäss der Erfindung hergestellten Federn beträchtlich bessere Ermüdungs-:@igenschaften
und sind gleichzeitig korrosionsbeständig: Die Zugfestigkeit von gemäss der Erfindung
hergestellten Federn hat einen Maximalwert von 250 k.-/MM 2.