DE19852734A1

DE19852734A1 - Feder mit verbesserter Korrosionsermüdungsbeständigkeit

Info

Publication number: DE19852734A1
Application number: DE19852734A
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Nakano; Takayuki Sakakibara; Masami Wakita
Original assignee: Chuo Hatsujo KK
Current assignee: Chuo Hatsujo KK
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: DE19852734B4; US6193816B1

Description

Die Erfindung betrifft Federn mit verbesserter Korrosionsermü dungsfestigkeit.

Aus der Sicht des Umweltschutzes und der Ressourcenschonung ist es zwingend geboten, den Gehalt an toxischen Substanzen in den Abgasen und die Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen zu reduzie ren bzw. zu verbessern. Weil dies weitgehend über die Reduzie rung des Fahrzeuggewichts erreicht wird, sind laufend Bestre bungen dahingehend im Gange, das Gewicht jedes am Aufbau des Fahrzeugs beteiligten Bauteils zu verringern. Im Falle von Fe dern, einschließlich Tragfedern, trägt eine Erhöhung der Ar beitsspannung (oder der Entwurfsspannung) der Feder direkt zu deren Gewichtsreduzierung bei. Aber die Erhöhung der Arbeits spannung verursacht gewöhnlich Ermüdung und Setzen der Feder. Dieses Problem ist nicht auf solche Federn beschränkt, die im Fahrzeugbau zum Einsatz gelangen, sondern gilt allgemein für in Maschinen verwendete Federn.

Es sind bereits viele Arten von Federwerkstoffen vorgeschlagen worden, welche verschiedene Legierungselemente umfassen, um die Ermüdungsbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Setzen zu verbessern. So offenbart zum Beispiel die japanische Offenle gungsschrift Nr. H3-2354 einen Federstahl mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt, aber mit Nickel und Chrom und mit einem hö heren Gehalt an Stickstoff als herkömmliche Federstähle. Weiter ist vorgeschlagen worden, neben den genannten ein oder mehrere Elemente aus der von Niob, Vanadium und Molybdän gebildeten Gruppe mitaufzunehmen.

Das Setzen kann allgemein wirksam reduziert werden, indem die Härte des Materials erhöht wird. Ideal verbessert die Zunahme der Härte in gewissem Umfang auch die Ermüdungsbeständigkeit. Bei einem Fahrzeug ist es jedoch so, daß die Tragfedern an Stellen zum Einsatz kommen, wo sie ständig der Einwirkung von Wasser- und Schmutzspritzern ausgesetzt sind. Für den prakti schen Gebrauch ist es deshalb von ausschlaggebender Bedeutung, an erster Stelle der Korrosion der Federn Rechnung zu tragen, weil Korrosion die Bildung winziger Vertiefungen auf der Ober fläche der Federn verursacht und diese Vertiefungen den Ermü dungsbruch der Federn einleiten.

Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung gelöst. Ei ne Aufgabe der Erfindung ist es, die Korrosionsermüdungsbestän digkeit der Federn zu verbessern und Federn zu schaffen, die im praktischen Gebrauch eine hohe Ermüdungsbeständigkeit zeigen sowie eine Beständigkeit gegen Setzen, die gleich oder größer ist als die von herkömmlichen Federn.

Die erfindungsgemäße Feder, mit der dieses Problem gelöst wird, ist dadurch gekennzeichnet,

a) daß als Werkstoff ein Stahl zur Verwendung kommt, welcher umfaßt:
0,35 bis 0,55% C, 1,60 bis 3,00% Si, 0,20 bis 1,50% Mn, 0,010% oder weniger S, 0,40 bis 3,00% Ni, 0,10 bis 1,50% Cr, 0,010 bis 0,025% N, 0,05 bis 0,50% V und Rest Fe;
b) daß eine Wärmebehandlung auf eine Härte von 50,5 bis 55,0 HRC durchgeführt wurde; und
c) daß eine Kugelstrahlbehandlung bei mäßigen Tempera turen auf eine Restspannung von -600 MPa oder mehr in einer Tiefe von 0,2 mm unterhalb der Oberfläche durchgeführt wurde.

Eine noch bevorzugtere Wirkung ist erreichbar, wenn der P- (Phosphor-)Gehalt des genannten Materials auf 0,010% oder we niger begrenzt wird.

Das Kugelstrahlen "bei mäßigen Temperaturen" (im folgenden als Warmkugelstrahlen bezeichnet) bedeutet Kugelstrahlbehandlung einer Feder bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur. Es versteht sich, daß die Temperatur niedriger sein sollte als die Temperatur, bei der die Feder wärmebehandelt wird (oder, im besonderen, niedriger als die Anlaßtemperatur), um einen Härte abfall der wärmebehandelten Feder zu vermeiden. Nach experimen tellen Befunden der betreffenden Erfinder wird die meist bevor zugte Korrosionsermüdungsfestigkeit mit einer Kugelstrahlbe handlungstemperatur im Bereich von 100 bis 300°C erhalten. Noch bevorzugter ist der Temperaturbereich bei 200 bis 250°C angesiedelt.

Es empfiehlt sich, Strahlmittelteilchen mit einer Härte von 450 bis 600 HV für das Warmkugelstrahlen zu verwenden, um zu dem genannten Restspannungswert für die Feder genannter Härte zu gelangen. Weiter bevorzugt ist die Härte der Strahlmittelteil chen 500 bis 550 HV.

Es besteht die Vorstellung, daß das Auftreten von Brüchen in folge Korrosionsermüdung in der Hauptsache auf folgende Ursa chen zurückzuführen ist: (1) die bei Stahl auftretende Erschei nung des "verzögerten Bruchs", (2) die Bildung von Oberflächen vertiefungen durch Korrosion und (3) das Nachlassen der Rest spannung nach langer Gebrauchsdauer.

Das Phänomen des verzögerten Bruchs tritt speziell bei hochfe sten Stählen auf. Bei einem mit einer Spannung beaufschlagten Stahlbauteil dringt Wasserstoff über der Bauteiloberfläche an haftendes Wasser oder über den in der umgebenden Atmosphäre enthaltenen Wasserdampf in den Stahl ein. Der Wasserstoff sam melt sich an Unregelmäßigkeiten des Stahls, so etwa an inter kristallinen Grenzen und an Grenzen von Einschlüssen im Stahl, und baut darin einen Druck auf. Mit steigendem Druck entsteht ein mikroskopischer Riß, der zum Restbruch des Bauteils führt. Vielfach kommen heute für Federn Werkstoffe zum Einsatz, die eine erhöhte Härte aufweisen, und die Federn werden im Gebrauch mit höheren Spannungen beansprucht als früher. Hinzu kommt, daß die Federn häufiger unter Bedingungen eingesetzt werden, wo Wasser oder dergleichen ihren Oberflächen anhaftet, wie im vor stehenden beschrieben. Es ist deshalb wichtig, beim Entwurf von Federn, die eine verbesserte Korrosionsermüdungsfestigkeit auf weisen sollen, das Phänomen des verzögerten Bruchs angemessen zu berücksichtigen.

Eine Oberflächenkorrosionsvertiefung bildet ein Spannungskon zentrationszentrum und wirkt sich stark mindernd auf die Ermü dungsbeständigkeit aus. Eine Maßnahme, dem entgegenzuwirken, beruht darauf, die Bildung der Vertiefungen zu verhindern, oder, für den Fall, daß sie zustandekommen, die Form der Ver tiefungen eine kleinere Konzentration der Spannung herausfor dern zu lassen. Eine weitere Gegenmaßnahme besteht darin, den Federwerkstoff unanfällig gegen Rißbildung zu machen.

Ihre Restspannung erhält eine Feder durch eine Kugelstrahlbe handlung. Im einzelnen erfährt die Oberfläche einer Feder durch den Vorgang des Kugelstrahlens eine plastische Verformung, und es ergibt sich ein Unterschied im Verformungsgrad der plastisch verformten Oberfläche und der unverformten darunterliegenden Schicht. Diese Verschiedenheit erzeugt eine Beanspruchung, die die Druckrestspannung in der Oberfläche der Feder ergibt. Wenn also die Oberfläche einer Feder abgetragen wird oder wenn sich ein winziger Riß in der Oberfläche entwickelt, vermindern sich die Beanspruchung und die Spannung.

Derzeit werden viele Federn aus Stahl nach JIS-SUP7 ("JIS" steht für Japanese Industrial Standards) oder aus Stahl nach JIS-SUP7 + Nb und V gefertigt. Für die erfindungsgemäße Feder haben wir als Material einen Stahl verwendet, der nahezu gleich dem in der genannten japanischen Offenlegungsschrift H3-2354 ist. Die Ober- und Untergrenzen für die jeweiligen, in dem er findungsgemäßen Stahlmaterial enthaltenen Elemente begründen sich wie folgt. Tabelle 1 vergleicht die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahlmaterials mit der des Stahls nach JIS-SUP7.

Tabelle 1

Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)

Der Bereich für den Kohlenstoffgehalt ist niedriger festgelegt als der des Stahls nach JIS-SUP7 (der im folgenden als der "herkömmliche Stahl" bezeichnet wird), weil - bei gleicher Här te der beiden Werkstoffe - die Zähigkeit mehr durch Reduzierung des Kohlenstoffgehalts bei gleichzeitig erhöhten Anteilen der Legierungselemente verbessert wird als durch Anhebung des Koh lenstoffanteils. Die Zähigkeitsverbesserung senkt die Rißbil dungs- und Rißfortpflanzungsgeschwindigkeit und leistet einen merklichen Beitrag zur Verbesserung der Korrosionsermüdungsfe stigkeit, die die vorliegende Erfindung anspricht. Die untere Grenze des Kohlenstoffbereichs ist auf 0,35% festgelegt, weil die obenerwähnte Härte nach einer Wärmebehandlung nur schwer zu erreichen ist, wenn der Kohlenstoffgehalt unter diesem Wert liegt, selbst wenn die anderen Legierungselemente in ihren ma ximalen Anteilen zugegeben werden. Die obere Grenze ist auf 0,55% festgelegt, weil sich die Zähigkeit des Materials in starkem Umfang verschlechtert, wenn der Kohlenstoffgehalt die sen Wert überschreitet.

Weil Silizium dafür bekannt ist, eine bevorzugte Wirkung zu ha ben, dahingehend, die Beständigkeit gegen Setzen zu verbessern, wird für die vorliegende Erfindung die Obergrenze des Silizium- Bereichs höher gesetzt, als dies bei dem herkömmlichen Stahl der Fall ist. Auf der anderen Seite begünstigt Silizium die Oberflächenentkohlung. Wenn der Siliziumgehalt über 3,00% liegt, kann die im Zuge einer Wärmebehandlung entstehende Ober flächenentkohlung nicht ignoriert werden, wobei dann die weiter oben beschriebene Härte und Restspannung an der Oberfläche schwer zu erreichen sind. Aus diesem Grund wird die Obergrenze so festgesetzt.

Mangan wirkt härtbarkeitsverbessernd. Ein durchgreifendes Här ten und Anlassen bis zum Kern der Feder ist ausschlaggebend, damit sich der zähigkeitsverbessernde Effekt einiger Legierung selemente, zu denen auch Nickel gehört (welches im folgenden beschrieben ist), voll entfalten kann. Wenn der Mangangehalt kleiner als 0,2% ist, läßt sich eine Feder großen Durchmessers nicht voll bis zum Kern härten, weshalb die Untergrenze für Mangan auf 0,2% festgelegt wird. Demgegenüber wird die obere Grenze auf 1,5% festgesetzt, weil um diesen Wert herum der härteverbessernde Effekt in die Sättigung kommt und die Zähig keit verschlechtert wird.

Schwefel verbindet sich mit Mangan im Stahl unter Bildung von MnS, welches im Stahl unlöslich ist. Weil MnS-Einschlüsse in hohem Maße plastisch verformbar sind, erfahren sie beim Walzen eines Stahlstücks eine Längung. Diese gelängten MnS-Einschlüsse bilden gern Ausgangspunkte für Brüche infolge Stoß oder Ermü dung. Erfindungsgemäß wird die obere Grenze für den Schwefelge halt auf 0,010% festgelegt, um die Zähigkeit und Ermüdungsbe ständigkeit zu bewahren, wenn die Härte der Feder angehoben wird.

Nickel wirkt sich verbessernd auf die Zähigkeit von Stahl aus und hat außerdem die Wirkung, die Korrosion von Stahl zu unter drücken. Die Unterdrückung der Korrosion führt zu einer Verbes serung der Korrosionsermüdungsfestigkeit insofern, als die Bil dung von Korrosionsvertiefungen und die Abminderung der Rest spannung, wie oben erläutert, verhindert werden. Derartige Wir kungen des Nickels lassen sich nicht mit Gehalten unter 0,4% erzielen. Andererseits kommt der zähigkeitsverbessernde Effekt in die Sättigung, wenn der Nickelgehalt 3% überschreitet. Weil Nickel die Austenitphase im Stahl stabilisiert, kann ein über mäßiger Nickelgehalt dazu führen, daß Austenit erhalten bleibt und die Umwandlung zu Martensit im Stahl nach dem Abschrecken sich nicht vollständig einstellt. Hinzu kommt, daß Nickel teuer ist und die Kosten der Federn in die Höhe treibt. Dementspre chend ist die obere Grenze für Nickel auf 3% festgesetzt.

Chrom wirkt, wie Mangan, härtbarkeitsverbessernd. Chrom ist auch wirksam, die Oberflächenentkohlung zu unterdrücken. Die Untergrenze für Chrom wird auf 0,1% festgelegt, weil weniger als 0,1% Chrom nicht geeignet sind, derartige Wirkungen zu liefern. Diese Wirkungen kommen in die Sättigung, wenn der Chromgehalt 1,5% überschreitet, und übermäßiger Chromgehalt ist mit dem Nachteil behaftet, daß die angelassene Struktur he terogen wird. Aus diesem Grund wird die Obergrenze auf 1,5% gesetzt.

Stickstoff verbindet sich mit Aluminium im Stahl zu AlN, wel ches sich in Form feiner Teilchen im Stahl ausscheidet. Die feinen Teilchen behindern das Kristallwachstum im Stahl, so daß Stickstoff stark kristallfeinend im Stahl wirkt. Dieser Kri stallfeinungseffekt läßt sich mit Stickstoffgehalten von 0,01% oder mehr erreichen. Übermäßiger Stickstoffgehalt im Stahl führt zur Bildung von N₂-Gas während der Stahlherstellung (im besonderen während der Erstarrung und Abkühlung) und ver schlechtert die Stahlqualität. Aus diesem Grund wird die Ober grenze auf 0,025% gesetzt.

Vanadium verbindet sich mit Kohlenstoff unter Bildung von VC (Vanadiumcarbid), welches sich in Form von feinen Teilchen im Stahl ausscheidet. Wie bei dem oben beschriebenen AlN, wirken feine VC-Teilchen kristallfeinend und verbessern die Zähigkeit des Stahls. Ferner führt die große Zahl an feinen Partikeln, die überall im Stahl gegenwärtig sind, dazu, daß in den Stahl eintretende Wasserstoffatome dispergiert werden und deren An sammlung verhindert wird, was die Einleitung eines verzögerten Bruchs, wie oben beschrieben, unterdrückt. Ein derartiger Ef fekt läßt sich erst mit Vanadiummengen ab 0,05% erzielen. Der Zusatz von mehr als 0,5% Vanadium führt zu keiner Erhöhung der Zahl der Ausscheidungsplätze von VC mehr, sondern zum Wachsen jedes VC-Teilchens, was bedeutet, daß an diesem Punkt der Ef fekt in die Sättigung kommt. Aus diesem Grund wird die Ober grenze auf 0,5% festgesetzt.

Phosphor verschlechtert die Zähigkeit von Stahl. Durch Begren zung des Phosphorgehalts auf 0,010% oder weniger ist zu erwar ten, daß die Zähigkeit des Materials und ferner die Korrosion sermüdungsfestigkeit der erfindungsgemäßen Feder verbessert werden. Eine Verbesserung der Zähigkeit ist für die vorliegende Erfindung besonders wichtig, weil die erfindungsgemäße Feder mit höherer Härte verwendet wird als herkömmliche Federn.

Die Härte der Feder nach einer Wärmebehandlung gemäß der vor liegenden Erfindung ist auf 50,5 bis 55,0 HRC festgelegt, was einen höheren Wert darstellt als der typische Härtebereich von 49 bis 52 HRC herkömmlicher Federn. Damit soll die Ermüdungsfe stigkeit verbessert werden, bei gleichzeitiger Unterdrückung des Setzens, wenn die Arbeitsspannung (Entwurfsspannung) ange hoben wird. Trotz so angehobener Härte wird die Zähigkeit des Werkstoffs durch den Zusatz der oben beschriebenen Legierungse lemente verbessert, und eine Verminderung der Ermüdungsfestig keit tritt nicht auf.

Erfindungsgemäß ist die Restspannung bei 0,2 mm Tiefe auf -600 MPa oder mehr festgelegt. Dies kann durch Warmkugelstrah len einer Feder mit der oben beschriebenen Härte unter geeigne ten Kugelstrahlbehandlungsbedingungen erzielt werden. Indem so die Restspannung nicht direkt an der Oberfläche, sondern bei 0,2 mm unter der Oberfläche festgelegt wird, wird bei korro dierter Oberfläche der Abfall der Restspannung an der Oberflä che wirksam verhindert und die Verschlechterung der Korrosion sermüdungsfestigkeit auf ein Minimum reduziert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den nachfolgenden Beispielen und den Figuren dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Prüfung auf verzögerten Bruch;

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse des Kerbschlagbiegeversuchs nach Charpy in graphischer Form;

Fig. 3 zeigt die Ergebnisse der Korrosionsprüfung in graphi scher Darstellung;

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Restspannung in Beziehung zur Tiefe unter der Oberfläche;

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Restspannung in Beziehung zur Temperatur der Warmkugelstrahlbehandlung;

Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Prüfung auf Setzen;

Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Prüfung auf Korrosionsermüdung.

Beispiele Materialprüfungen

Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Materials werden unter Bezugnahme auf einen herkömmlichen Federstahl SUP7 hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit gegen verzögerten Bruch und Zähigkeit geprüft. Die chemische Zusammensetzung der ge prüften Werkstoffe zeigt Tabelle 2. Gemäß Tabelle 2 hat der er findungsgemäße Werkstoff A einen niederen Vanadiumgehalt in dem oben genannten Bereich. Das Material C hat einen niederen Koh lenstoff- und Schwefelgehalt in dem angegebenen Bereich. Der Werkstoff D hat einen niederen Phosphorgehalt in dem angegebe nen Bereich. Unter Berücksichtigung der tatsächlichen Einsatz bedingungen wird die Anlaßtemperatur der geprüften Werkstoffe geeignet eingestellt, so daß die Härte des erfindungsgemäßen Materials zu 53,5 HRC und die von SUP7 zu 51 HRC erhalten wird.

Tabelle 2

Chemische Zusammensetzung der geprüften Werkstoffe (Gew.-%)

(1) Verzögerter Bruch

Gekerbte Testkörper der Werkstoffe werden elektrolytisch mit Wasserstoff beladen und unter Einwirkung verschiedener Lastwer te Streckspannungsbeträgen zwischen 50 bis 120 kgf/mm² unter worfen. Für jeden Werkstoff wird die höchste Spannung, bei der nach 100stündiger Belastung kein verzögerter Bruch eintritt, als σ 100 definiert. Das Verhältnis RH von σ 100 für den Fall mit Wasserstoffbeladung (σ 100H) zu σ 100 für den Fall ohne Wasserstoffbeladung (σ 100N), d. h.

RH = σ 100H/σ 100N

wird zur Auswertung des verzögerten Bruchverhaltens herangezo gen.

Das Ergebnis zeigt Fig. 1, gemäß welcher selbst dasjenige er findungsgemäße Material, dessen Vanadiumgehalt nahe der unteren Grenze des spezifizierten Bereichs (Material A) liegt, ein um mehr als 30% höheres Verhältnis aufweist als der herkömmliche Stahl SUP7.

(2) Zähigkeit

Die Werkstoffe wurden einem Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy unterzogen, dessen Ergebnis in Fig. 2 wiedergegeben ist. Selbst dasjenige erfindungsgemäße Material, dessen Kohlenstoffgehalt und Schwefelgehalt nahe der Obergrenze des spezifizierten Be reichs liegen (Material B), weist eine um ca. 15% höhere Zä higkeit auf als der herkömmliche Stahl SUP7.

Federprüfungen

Es wurden verschiedene Prüfungen an Federn durchgeführt, wobei die Federn nach dem Verfahren gemäß Tabelle 3 hergestellt wur den und die in Tabelle 4 aufgezeigten Abmessungen aufwiesen; die Ergebnisse sind im folgenden erläutert.

Tabelle 3

Tabelle 4

Das "Formen" in Tabelle 3 umfaßt Warmformen und Kaltformen.

(3) Korrosion

Es wird die maximale Korrosionstiefe an Federn nach Durchlaufen verschiedener Korrosionszyklen gemessen. Ein Korrosionszyklus umfaßt:
Besprühen mit Salzwasser für 3 Stunden + Trocknen für 21 Stunden.

Der Korrosionszyklus wird maximal 35mal wiederholt und die ma ximale Tiefe in geeigneten Intervallen gemessen; das Ergebnis ist in Fig. 3 wiedergegeben. Es zeigt sich, daß bei den erfin dungsgemäßen Federn, im Vergleich zu den herkömmlichen Federn, nach 10 Korrosionszyklen oder mehr die Korrosionsgeschwindig keit augenscheinlich langsam ist. Wenn die Federn beispielswei se als Tragfedern für Fahrzeuge verwendet werden, können die Federn die Abminderung der Ermüdungsfestigkeit nach langer Ge brauchsdauer verhindern.

(4) Restspannung

Die Restspannungsverteilung unter der Oberfläche wird nach ei nem röntgenographischen Verfahren ermittelt, und zwar nach er folgtem Anlassen, Warmkugelstrahlen bei 250°C und Abkühlen auf Raumtemperatur der Federn. Wir haben Strahlmittelteilchen mit einer Härte von 520 HV verwendet. Wie in Fig. 4 gezeigt, weist die erfindungsgemäße Feder allgemein eine höhere Restspannung auf als die herkömmliche Feder. Im besonderen bewahrt die er findungsgemäße Feder in 0,2 mm (200 µm) Tiefe unter der Ober fläche immer noch eine hohe Restspannung von 800 MPa, während die der herkömmlichen Feder auf ca. 430 MPa sinkt. Dadurch wird der Restspannungsabfall infolge Oberflächenkorrosion in größe rem Umfang reduziert, als dies bei der herkömmlichen Feder der Fall ist.

Zur Sichtbarmachung des Effekts der Warmkugelstrahlbehandlung wird der Zusammenhang zwischen der Temperatur der Kugelstrahl behandlung und der Restspannungsverteilung untersucht, indem die Temperatur auf Raumtemperatur und verschiedene Temperaturen zwischen 200 bis 300°C eingestellt wird. Das Ergebnis ist in Fig. 5 veranschaulicht, gemäß welcher die Druckrestspannung di rekt an der Oberfläche und der Wert der maximalen Druckrest spannung infolge der Warmkugelstrahlbehandlung einen Anstieg erfahren. Es ist ferner offensichtlich, daß im besonderen die Restspannung gerade unterhalb der Oberfläche einen Anstieg er fährt, wovon man annimmt, daß es zur Verbesserung der Ermü dungsfestigkeit nach Korrosionseintritt beiträgt.

(5) Beständigkeit gegen Setzen

Die Prüfung wurde mit verschiedenen Federhärten durchgeführt, die durch Variieren der Anlaßtemperaturen erhalten wurden. Un ter Berücksichtigung der Tatsache, daß die erfindungsgemäßen Federn bei höheren Arbeitsspannungen (Entwurfsspannungen) ver wendet werden, wird die Belastungsspannung für die erfindungs gemäßen Federn auf τ = 1200 MPa eingestellt, während sie für die herkömmlichen Federn auf τ = 1000 MPa eingestellt wird. Die Prüfbedingung wird auf 80°C × 96 h gesetzt, um das Setzen zu beschleunigen. Das Ergebnis ist in Fig. 6 gezeigt, gemäß welcher das Ausmaß des Setzens (oder die Schubrestspannung) der erfindungsgemäßen Federn trotz höherer Belastungsspannung etwa halb so groß ist wie der der herkömmlichen Federn.

(6) Korrosionsermüdung

Es wurde eine Korrosionsermüdungsprüfung an Federn verschiede ner Härte ohne Oberflächenbeschichtung durchgeführt. Auch hier werden die tatsächlichen Einsatzbedingungen berücksichtigt, d. h. die Prüfspannung für die herkömmlichen Federn wird mit nur τ = 490 ± 294 MPa angesetzt, während die Prüfspannung für die erfindungsgemäßen Federn auf τ = 588 ± 353 MPa gesetzt wird. Das Ergebnis ist in Fig. 7 gezeigt, gemäß welcher die erfin dungsgemäßen Federn fast die gleiche Korrosionsermüdungsfestig keit wie die herkömmlichen Federn aufweisen, obgleich die ange wandte Beanspruchung, sowohl in bezug auf die mittlere Spannung wie auf die Spannungsverstärkung, höher ist. Im besonderen zeigt die erfindungsgemäße Feder aus dem Material D mit niedri gerem Phosphorgehalt eine hohe Ermüdungsfestigkeit. Aus Fig. 7 wird auch ersichtlich, daß die Korrosionsermüdungsfestigkeit der erfindungsgemäßen Federn unabhängig von der Formgebungsme thode, d. h. Kalt- oder Warmformen, gut ist. Während das Warmku gelstrahlen darauf abzielt, die Korrosionsermüdungsbeständig keit zu verbessern, werden Federn, bei denen die Forderung nach hoher Haltbarkeit besteht, einer zweiten Kugelstrahlbehandlung bei Raumtemperatur unterworfen. Die zweite Kugelstrahlbehand lung bei Raumtemperatur reduziert die Oberflächenrauhigkeit ei ner Feder, wodurch die Dauerhaftigkeit verbessert wird.

Bei der vorliegenden Erfindung sorgen, wie oben erläutert, die Legierungselemente dafür, dem Werkstoff angemessene Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu vermitteln, und die Härte nach Wärmebehandlung, die Warmkugelstrahlbehandlung und der resultierende Restspannungswert werden geeignet spezifi ziert. Durch diese Maßnahmen zeigen die erfindungsgemäßen Fe dern die gleiche oder eine höhere Beständigkeit gegen Setzen und eine höhere Korrosionsermüdungsfestigkeit als herkömmliche Federn, selbst wenn sie mit höherer Spannung verwendet werden, wodurch es ermöglicht wird, die Entwurfsspannung der Federn zu erhöhen und das Gewicht der Federn zu reduzieren, unter Beibe halt des gleichen Verhaltensniveaus.

Claims

1. Feder, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff ein Stahl zur Verwendung kommt, welcher umfaßt:
0,35 bis 0,55% C, 1,60 bis 3,00% Si, 0,20 bis 1,50% Mn, 0,010% oder weniger S, 0,40 bis 3,00% Ni, 0,10 bis 1,50% Cr, 0,010 bis 0,025% N, 0,05 bis 0,50% V und Rest Fe;
daß eine Wärmebehandlung auf Erhalt einer Härte von 50,5 bis 55,0 HRC durchgeführt wurde; und
daß eine Kugelstrahlbehandlung bei mäßigen Temperaturen auf Erhalt einer Restspannung von -600 MPa oder mehr in einer Tiefe von 0,2 mm unter der Oberfläche durchgeführt wurde.

2. Feder nach Anspruch 1, bei der das Material einen P-Gehalt von 0,010% oder weniger aufweist.

3. Feder nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Feder bei einer erhöhten Temperatur geformt wird.

4. Feder nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Feder bei Normal temperatur geformt wird.

5. Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mäßigen Temperaturen, bei denen die Feder kugelgestrahlt wird, im Bereich von 100 bis 300°C liegen.

6. Feder nach Anspruch 5, wobei die mäßigen Temperaturen, bei denen die Feder kugelgestrahlt wird, im Bereich von 200 bis 250°C liegen.

7. Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Feder mit Strahlmittelteilchen kugelgestrahlt wird, deren Härte im Bereich von 450 bis 600 HV liegt.

8. Feder nach Anspruch 7, wobei die Feder mit Strahlmittel teilchen kugelgestrahlt wird, deren Härte im Bereich von 500 bis 550 HV liegt.