DE1483022C2

DE1483022C2 - Verfahren zur Herstellung von Drehstäben

Info

Publication number: DE1483022C2
Application number: DE1483022A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Regie Nationale des Usines Renault
Current assignee: Renault SA
Priority date: 1964-04-29
Filing date: 1965-04-29
Publication date: 1975-09-11
Also published as: OA01701A; ES312228A1; FR1402106A; GB1095802A; DE1483022B1

Description

a) spanabhebendes Bearbeiten zum Entfernen einer durch Walzen, Strangpressen oder Ziehen entkohlten äußeren Stahlschicht sowie zur endgültigen Formgebung des Drehstabes und zur Glättung dessen Oberfläche;

b) TOrmgebung der Einspannköpfe der Drehstäbe durch Warmschmieden, Kaltschmieden und spanabhebendes Bearbeiten;

c) Oberflächenhärtung des Drehstabes, indem der Drehstab kontinuierlich in einer äußeren Stabschicht austenitisiert und unmittelbar danach in öl, Wasser od. dgl., abgeschreckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstab nach der Wärmebehandlung einem Drehmoment ausgesetzt wird, das größer als das maximal während des Betriebs auftretende Drehmoment ist und in dem Drehstab eine bleibende Torsionsverformung hervorruft, wonach gegebenenfalls der Drehstab noch mit einem Korrosionsschutz versehen wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Drehstäben aus unlegiertem Edelstahl.

Drehstäbe sind hochbelastete Bauelemente, deren Belastungsgrenze gemäß den Torsionsgesetzen von der größtmöglichen Spannung abhängt, die die Oberfläche des Drehstabes bei Dauerwechselbeanspruchung aufnehmen kann.

Um Drehstäbe mit hoher zulässiger Spannung zu erhalten, ist es seit langem üblich, diese aus legierten Stählen, wie z. B. Siliziumstählen oder Chromsiliziumstählen, zu fertigen und einer Durchhärtung zu unterziehen. Zur Durchhärtung des Drehstabes wird dieser auf eine Temperatur oberhalb der austenitischen Umwandlungstemperatur des verwendeten Stahls von etwa 875° C gebracht, anschließend in einem Wasser- oder ölbad abgeschreckt und danach auf eine Vergütungstemperatur von 400 bis 525° C gebracht. Diese Wärmebehandlungen müssen mit einer besonderen Sorgfalt durchgeführt werden, zu welcher die hohe Beanspruchung zwingt, der die Drehstabfedern im Betrieb unterworfen werden. Unbedingt zu vermeiden sind die Entkohlung der Oberfläche und mechanische Oberflächenfehler infolge von Stoßen, da hierdurch die Dauerschwingfestigkeit der Drehstabfedern beträchtlich herabgesetzt wird. Die Entkohlung der Oberfläche kann nur durch die Verwendung einer Schutzatmosphäre, die insbesondere in Austenitisierungsöfen genau dosiert wird, vermieden werden. Zur Vermeidung von Oberflächenfehlem sind besondere Vorsichtsmaßnahmen zu treffen. Diese zusätzlichen Sorgfaltsmaßnahmen verteuern die Herstellung der Drehstäbe. Nach der Wärmebehandlung werden die Drehstäbe noch einem Granalverfahren unterworfen, um unvermeidliche Oberflächenfehler zu beseitigen. Durch eine anschließende Vortorsion des Drehstabes wird bezweckt, eine bleibende Verformung des Drehstabes unter der Einwirkung der im Betrieb auftretenden Belastungen zu unterbinden.

Bei der Herstellung von Drehstäben aus einem gewalzten Halbzeug ist es außerdem bekannt, die Härtung des Drehstabes unmittelbar an dessen Austritt aus den Endwalzen anzuschließen. Ein zusätzliches Aufheizen des Drehstabes zum Zwecke des Härtens

ao kann somit entfallen. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, daß die Härtung des Drehstäbes bereits vor desseJrendgültiger Formgebung geschieht. Eine anschließende Bearbeitung ist dadurch beträchtlich erschwert. Außerdem wird die Oberfläche eines auf diese Weise hergestellten Drehstabes nur eine geringe Härte aufweisen, was auf die Entkohlung der Oberfläche während des Walzens zurückzuführen ist. Dies ist insbesondere deswegen nachteilig, da gerade die Oberfläche des Drehstabes im Betrieb der größten Belastung unterworfen wird.

Aus dem Fachbuch »Technische Baustähle« von Küntscher, Kilger und Biegler, 1958, S. 200 und 201, sind unter anderem Qualitäts- und unlegierte Edelstahle für Drehstabfedern bekannt. Die Stähle weisen einen Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,12%, Spuren von Silizium, einen Mangangehalt von 0,25 bis 0,50%, einen Phosphorgehalt von 0,04 bis 0,08% und einen Schwefelgehalt von weniger als 0,06% auf. Außerdem sind dort Bessemer-Stähle vorbeschrieben, deren Zusammensetzung je nach Art des Verwendungszweckes einen C-Gehalt zwischen 0,30 und 0,70%, einen Si-Gehalt zwischen etwa 0,35 und etwa 0,50%, einen Mn-Gehalt zwischen etwa 0,60 und etwa 0,80 % und einem Phosphorgehalt zwischen 0,05 und 0,08% eingestellt sein kann. Schließlich wird für Federn mit hoher und sehr hoher Beanspruchung für die P- und S-Gehalte angegeben, daß dieses für jedes Element weniger als 0,35% betragen soll.

In dem »Manual on Design and Manufacture of Torsion Bar Springs«, herausgegeben von der Society of Automotive Engineers, 1947, S. 23, 24, ist ein Verfahren zur Herstellung von Drehstäben beschrieben, das, ausgehend von einem Halbzeug, mit dem Anstauchen von Einspannköpfen beginnt. Nach einem Normalglühen bei etwa 900° C schließt sich eine spanabhebende Vorbearbeitung an. Sodann wird der vorbearbeitete Drehstab auf etwa 816° C erhitzt, 15 Min. auf dieser Temperatur gehalten und hierauf drastisch in Natronlauge abgeschreckt. Es entsteht ein Drehstab mit harter Oberflächenschicht und abnehmender Härte zur Stabmitte. Das Verfahren endet nach einem zwischenzeitlichen Anlassen mit einem Feinschleifvorgang.

Außerdem ist es bekannt, zur Vermeidung von Ermüdungsbrüchen an gehärteten Federn diese nicht durchzuhärten, sondern nur deren Oberflächen zu härten. Insbesondere bei Ventilfedern

hat sich diese Oberflächenhärtung als günstig erwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Drehstäben aus einem gewalzten, stranggepreßten oder gezogenen Halbzeug zu schaffen, das, insbesondere auch zur Verwendung auf unlegierte Federstähle geeignet, durch kostensparende Verfahrensschritte Drehstäbe verbesserter Eigenschaften, z. B. in bezug auf Dauerschwingfestigkeit, liefert.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung von Drehstäben aus unlegiertem Edelstahl gelöst, der 0,35 bis 0,50 °/o Kohlenstoff, bis zu 0,04 % Phosphor, bis zu 0,035% Schwefel, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält, mit der weiteren Maßgabe, daß die Summe aus dem Schwefel- und Phosphorgehalt unter 0,065 °/o liegt in Form von gewalztem, stranggepreßtem oder gezogenem Halbzeug als Ausgangsmaterial, und gekennzeichnet ist durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:

* a) spanabhebendes Bearbeiten zum"Entfernen einer durch Walzen, Strangpressen oder Ziehen entkohlten äußeren Stahlschicht sowie zur endgültigen Formgebung des Drehstabes und zur Glättung dessen Oberfläche;

b) Formgebung der Einspannköpfe der Drehstäbe durch Warmschmieden, Kaltschmieden und spanabhebendes Bearbeiten;

35

Die Oberflächenhärtung geschieht vorzugsweise durch Induktionshärtung, gegebenenfalls durch Flammen- oder Brennhärten oder durch ein anderes Oberflächenaufheizungsverfahren, auf das unmittelbar das . Abschrecken in einem Wasser- oder ölbad erfolgt. Das Aufheizen und Abschrecken des Drehstabes geschieht in kontinuierlicher Weise mit einer geeignet geregelten Geschwindigkeit. Bei Aufheizen des Drehstabes kann eine Schutzgasatmosphäre entfallen, da das Aufheizen rasch vonstatten geht und sich das Abschrecken unmittelbar anschließt. Die Regelung der Einhärttiefe geschieht durch die Wahl der angewandten Frequenz oder der Leistung der Flamme und der Fördergeschwindigkeit des Drehstabes.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig infolge des geringen Wärmebedarfs und infolge des hohen Durchsatzes beim Härten. Die Härtung des Drehstabes erfolgt erst nach dessen beendigter Formgebung, so daß an die Bearbeitungswerkzeuge keine hohen Anforderungen gestellt werden. Bei der Oberflächenhärtung kann sich der Drehstab außerdem viel weniger verziehen als beim Durchhärten.

Vorteilhaft wird der Drehstab nach der Wärmebehandlung einem Drehmoment ausgesetzt, das größer als das maximal während des Betriebs auftretende Drehmoment ist und in dem Drehstab eine bleibende Torsionsverformung hervorruft. Hierdurch wird vermieden, daß der eingebaute Drehstab während des Betriebs an Spannung verliert. Gegebenenfalls kann der Drehstab noch mit einem Korrosionsschutz versehen werden.

Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß dieses auch für unlegierte Edelstahle angewandt werden kann. Als günstig hat sich ein Edelstahl erwiesen, der 0,35 bis 0,50% Kohlenstoff; bis zu 0,04% Phosphor, bis zu 0,035 % Schwefel, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält. Die Summe aus dem Schwefel und Phosphorgehalt liegt zweckmäßig unter 0,065%.

Die Möglichkeit der Verwendung von unlegierten Edelstahlen führt zu einer Einsparung an Zeit und Werkzeugkosten bei der Bearbeitung der an Drehstäben vorzusehenden Einspannköpfe, die gewöhnlich durch Warmschmieden erzeugt werden. Dies ergibt sich aus der bekannten Tatsache, daß die unlegierten Stähle im geglühten Zustand und bei gleichem Kohlenstoffgehalt eine geringere Härte als die legierten Stäbe aufweisen, wobei ferner das richtige Glühen leichter und weniger umständlich bei unlegierten Stählen ist.

Die erwähnten Vorteile der einfacheren Herstellung und -der geringeren Gestehungskosten_wer.den nicht nur nicht aufJCosten einer geringeren Qualität erzielt, sondern sind im Gegenfeil von einer Erhöhung der Dauerschwingfestgkeit im Betrieb begleitet. Zahlreiche Versuche haben gezeigt, daß bei Drehstäben, die im Ruhezustand ständig einer statischen Belastung von 60 kp/mm² ausgesetzt sind, durchgehärtete Drehstäbe ohne Bruch 500 000 Torsions-Lastwechselzyklen bei einer dynamischen und statischen Gesamtbelastung zwischen 98 und 104 kp/mm² standhielten. Bei den in der erfindungsgemäßen Weise behandelten Drehstäben liegt die zulässige Gesamtbelastung zwischen 102 und 122 kp/mm². Diese scheinbar geringfügige Verbesserung ist jedoch beträchtlich, wenn die hohe Beanspruchung berücksichtigt wird, denen die Drehstäbe im Betrieb ausgesetzt sind.

Als Beispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei die Herstellung von Drehstäben zur Verwendung als Drehstabfedern in der Aufhängung eines Kraftfahrzeuges gewählt, welche Drehstäbe eine Länge von 1000 mm und einen Durchmesser von 21,5 mm haben, wobei die vorgesehene statische Belastung 121 mkp und der maximale Verdrehungswinkel plus oder minus 22° beträgt.

Es wird von einem unlegierten Edelstahl mit 0,42% Kohlenstoff (Typ XC 42 nach der französischen Norm AFNOR) in Form von Walzstangen mit einem Durchmesser von 23 mm ausgegangen. Die nachfolgenden Arbeitsvorgänge sind wie folgt:

Beseitigung der entkohlten Oberflächenschicht, Bringen auf das gewünschte Durchmessermaß und Glätten der Oberfläche durch spanabhebende Bearbeitung, z. B. Schleifen,
Aufheizen der Enden durch elektrische Induktion und Warmstauchen der Enden zur Bildung der Einspannköpfe,

Herstellung einer Kerbverzahnung durch Walzen der Köpfe,

Umlaufvorschubhärtung über die volle Länge des Drehstabes einschließlich der Einspannköpfe durch Induktionsheizung mit einer mittleren Frequenz von 10 000 Hz und durch Abbrausen mit Wasser, wobei die Geschwindigkeit des Umlaufvorschubs 860 mm je Minute mit einer Drehung von 200 Umdrehungen pro Minute beträgt.

Hierdurch wird eine Einhärttiefe zwischen 5 und 6 mm erhalten, wobei die gehärtete Zone eine Min-

5 6

dest-Rockwell-Härte C von 48 aufweist und die Härte bestimmten Grenzen liegen, die vom Durchmesser

der Oberfläche zwischen 51 und 63 liegt (gemessen der Drehstäbe abhängen. Die beiden Grenzen stehen

unter Verwendung eines Diamantkegels mit einer Be- in linearer Beziehung mit dem Durchmesser des

lastung mit 150 kp). Die Einhärttiefe muß zwischen Drehstabes, wobei diese Beziehungen lauten:

Mindesteinhärtetiefe = (Durchmesser des Stabes · 0,27) — 1,8 [mm]
Maximale Einhärtetiefe = (Durchmesser des Stabes · 0,328) — 0,83 [mm]

Diese Beziehungen gelten für Drehstäbe mit einem io erfährt dieser eine Vortorsion durch die Ausübung größeren Durchmesser als 10 mm. eines Drehmoments, das ausreicht, den Drehstab um

Vor dem Einbau des Drehstabes in ein Fahrzeug einen Winkel von 105° zu verdrehen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Drehstäben aus unlegiertem Edelstahl, der 0,35 bis 0,50% Kohlenstoff, bis zu 0,04% Phosphor, bis zu 0,035% Schwefel, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält, mit der weiteren Maßgabe, daß die Summe aus dem Schwefel- und Phosphorgehalt unter 0,065% liegt in Form von gewalztem, stranggepreßtem oder gezogenem Halbzeug als Ausgangsmaterial, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte: