DE2345882B1

DE2345882B1 - Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs mit guten Federeigenschaften

Info

Publication number: DE2345882B1
Application number: DE19732345882
Authority: DE
Inventors: Berthold Dipl-Ing Dr Wenderott
Original assignee: Ver Deutsche Metallwerke AG
Current assignee: Ver Deutsche Metallwerke AG
Priority date: 1973-09-12
Filing date: 1973-09-12
Publication date: 1974-11-07
Also published as: SE7411480L; DE2345882C2; AT336903B; ATA584574A; GB1477182A; CH597357A5; US3915760A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Federwerkstoffs mit hohem Elastizitätsmodul, hoher Federbiegegrenze, einer Konstanz der Federcharakteristik bei hohen Temperaturen sowie einer guten Korrosionsbeständigkeit.

Als Federwerkstoffe werden bisher hochchromhaltige Stähle und Nickel-Legierungen sowie die sehr teuren Kupfer-Beryllium- und Kupfer-Kobalt-Beryllium-Werkstoffe benutzt. Mit diesen können jedoch die vielfach sehr hohen Anforderungen nicht immer

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ao zeichnet, daß in der Nickel-Legierung Nickel bis zu 10% durch Kobalt und/oder bis zu 6% durch Eisen ersetzt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß in der Nickel-Legierung Titan as befriedigend erfüllt werden. Die ebenfalls häufig verganz oder teilweise durch Zirkonium und/oder wendete Kupfer-Zinn-Legierung CuSn8 hat beispiels-Niob ersetzt ist. weise einen Elastizitätsmodul von 11 700 kp/mm² und

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, eine Federbiegegrenze von 40 kp/mm^a. Die sehr teuren dadurch gekennzeichnet, daß der Nickel-Legierung und daher nur in wenigen Sonderfällen einsetzbaren noch bis zu 2% Chrom und/oder Molybdän züge- 30 Kupfer-Beryllium-Werkstoffe haben einen Elastizitätssetzt sind. modul von 13 500 kp/mm² und eine Federbiegegrenze

zwischen 80 und 105 kp/mm². Diese für Raumtemperatur geltenden Werte sind in vielen Fällen noch ausreichend. In zunehmendem Maße werden jedoch Werk-Konstanz der Federcharakteristik bis über 380° C 35 stoffe benötigt, deren Konstanz der Federcharakteristik sowie guter Korrosionsbeständigkeit und Weiter- bis zu verhältnismäßig hohen Temperaturen reicht.

Die üblichen Federwerkstoffe auf Kupferbasis, wie die Kupfer-Zink- und Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen, sind nur bis zu Temperaturen von 150 bis 200⁰C zu gebrauchen. Die nicht rostenden und hitzebeständigen Stähle sowie die hochchromhaltigen Nickel-Legierun-

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung eines Federwerkstoffes mit einem Elastizitätsmodul von über 15 000 kp/mm², einer

verarbeitbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel-Legierung

a) bei über 900⁰C lösungsgeglüht,

b) anschließend in Wasser abgeschreckt,

c) mit wenigstens 40% Querschnittsminderung kaltverf ormt und

d) wenigstens 1,5 Minuten bei 350 bis 500⁰C, vorzugsweise bei 400 bis 450⁰C, anlaßgeglüht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung eines Federwerkstoffs mit einem Elastizitätsmodul von über 18 000 kp/mm², einer gen weisen eine befriedigende Konstanz der Federeigenschaften bis etwa 300⁰C auf. Nur die sehr teuren Kupfer-Beryllium-Werkstoffe sind bis zu Temperatüren von 350 bis 375⁰C im Dauerbetrieb einsetzbar, ohne daß ihre Federcharakteristik sich wesentlich ändert.

Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit sind die bekannten Federwerkstoffe alle mehr oder weniger

Federbiegegrenze von über 90 kp/mm², einer Konstanz der Federcharakteristik bis über 400⁰C sowie 50 unbefriedigend. So neigen beispielsweise die chromguter Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekenn- legierten Stähle und Legierungen bei Anwesenheit von

Chlorionen zur Spannungsrißkorrosion, die sich auf die Dauerschwingfestigkeit einer Feder verheerend auswirken kann.

Bekannt sind als Federwerkstoffe auch aushärtbare Nickel-Kupfer-Aluminium-Legierungen, die neben 50 bis 85% Nickel und 45 bis 10% Kupfer noch 2 bis 4 % Aluminium sowie wenigstens 0,25 % und weniger als 1% Titan und von 0,05 bis 0,3% Kohlenstoff ent-

zugsweise bei 500 bis 550° C, anlaßgeglüht wird. ^{6o h}?^ten· Außerdem können diese Legierungen noch eins

oder mehrere der Elemente Silizium, Mangan und Eisen in folgenden Mengen enthalten: Si 0,05 bis 1 %; Mn 0,05 bis 2%; Fe 0,05 bis 10%,

Diese Legierungen besitzen zwar eine vergleichs-

zeichnet, daß die Nickel-Legierung

a) bei über 900⁰C lösungsgeglüht,

b) anschließend mit weniger als 15°C/Stunde auf unter 350° C abgekühlt,

c) nach weiterer Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Querschnittsabnahme von wenigstens 60 bis 80% kaltverf ormt wird und

d) wenigstens 1,5 Minuten bei 450 bis 600⁰C, vor-

7. Verfahren nach Anspruch 6 zur Herstellung von Gegenständen aus einem Federwerkstoff mit höchsten Federkennwerten, dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens 60 Minuten dauerndes Anlaßglühen angewendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung von Gegenständen aus Federwerkweise gute Korrosionsbeständigkeit, haben aber wegen der hohen Al-Gehalte den Nachteil schlechter Lötbarkeit. Sie erfordern wegen des träge ablaufenden Aushärtungsvorgangs eine aufwendige und komplizierte

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Wärmebehandlung. Die daraus resultierende Unsicher- weise ein wenigstens 60 Minuten dauerndes Anlaßheit hinsichtlich der Einstellung bestimmter Material- glühen angewendet. Kommt es hingegen darauf an, Nennwerte macht es verständlich, daß beispielsweise daß die Gegenstände, vorzugsweise Bänder aus Feder-Angaben über den Ε-Modul und die Federbiegegrenze werkstoff, absolut plan sind, so wird vorteilhafterweise dieser Legierungen in der Literatur nicht oder nur mit 5 im Durchlaufglühverfahren mit effektiven Verweilgroßen Schwankungsbreiten angegeben werden. Der- zeiten von 1,5 bis 5 Minuten anlaßgeglüht. Bei Gegenartige Kennwerte bzw. deren sichere Einstellung ständen, bei denen es vornehmlich auf höchste Federmüssen für ein als Federwerkstoff angewendetes Ma- kennwerte ankommt, wird hingegen zweckmäßigerterial aber unbedingt vorliegen und mit Sicherheit zu weise 60 bis 180 Minuten im Einsatzofen anlaßgeglüht, erreichen sein. Anderenfalls ist ein solcher Werkstoff io Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beizur Herstellung von Präzisionsfedern nicht geeignet. spiele näher erläutert.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, . .
einen Federwerkstoff zu schaffen, der besonders hohe Beispiel 1
Werte im Elastizitätsmodul und in der Federbiege- Für die Herstellung von hochbeanspruchten Tellergrenze aufweist, dessen Konstanz der Federcharakte- 15 federn für die chemische Verfahrenstechnik wurde ein ristik auch bei höheren Temperaturen gewährleistet ist Federband mit den Abmessungen 100 · 0,8 mm und und der darüber hinaus eine gute Korrosionsbeständig- folgenden Eigenschaften benötigt:
keit und Lötbarkeit besitzt Außerdem sollen der Aus- Elastizitätsmodul mind. 18 000 kp/mm*;
hartungsmechamsmus unkompliziert und die Feder- Federbiegegrenze mind. 100 kp/i;
kennwerte reproduzierbar sein. »o _Temperaf_u°_{konstanz der} Federcharakteristik bis

Überraschenderweise wurde gefunden, daß diese 450⁰C im Dauerbetrieb·

Aufgabe gelöst werden kann wenn man von einer chemische Beständigkeit'gegen Medien mit Ätz-

Nickel-Legierung mit 25 bis 35% Kupfer, 3 bis 6% natronaehalten bis 20°/

Mangan, 0,1 bis 3 % Titan, 0,1 bis 1,0 % Aluminium, natrongehalten bis 20 /₀.

0,3 bis 2,5 % Eisen, Rest Nickel einschließlich her- as Für die Herstellung des Federbandes wurde die als stellungsbedingter Verunreinigungen ausgeht und diese Schweißzusatz-Legierung bekannte Nickel-Legierung

vor der letzten Kaltumformung, die mindestens 40% folgender Zusammensetzung gewählt:

betragen soll, bei über 900⁰C lösungsglüht und nach _Mckel ^_{7307 Man} _%tay _{Than 2 42%}

der genannten Kaltumformung wenigstens 1,5 Minu- _{K fer} _2%^_{0/ Mumiainm} fay

ten bei 350 bis 600⁰C anlaßgluht. 30 *->/<» /o

Unter den gleichen Bedingungen lassen sich auch Die Gußblöcke wurden bei Temperaturen von 1150 Nickel-Legierungen zu Federwerkstoffen verarbeiten, bis 1000° C auf 4 mm Dicke warmgewalzt und von der bei denen gegenüber der erstgenannten Legierung Walzendtemperatur in einer wärmeisolierten Grube Nickel bis zu 10% durch Kobalt und/oder bis zu 6% langsam mit 10 bis 12°C/Minute auf 350⁰C und durch Eisen ersetzt ist. Ferner kann in der Nickel- 35 danach unkontrolliert an Luft abgekühlt. Das 4 mm Legierung Titan ganz oder teilweise durch Zirkonium dicke Band wurde danach überschliffen und mit nor- und/oder Niob ersetzt sein. Schließlich ist es auch malen Stichabnahmen auf die Fertigabmessung von möglich, der Nickel-Legierung noch bis zu 2% Chrom 0,8 mm Dicke kaltgewalzt. Da hinsichtlich der Plan- und/oder Molybdän zuzusetzen. heit des Bandes keine besonderen Anforderungen bein weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen 40 standen, wurde es im Coil bei 55O⁰C 2 Stunden im Verfahrens geht man zur Herstellung eines Feder- Einsatzofen anlaßgeglüht. Folgende Werte wurden werkstoffs mit einem Elastizitätsmodul von über erreicht:

15 000 kp/mm*, einer Federbiegegrenze von über Elastizitätsmodul 18 900 kp/mm²,
80 kp/mm², einer Konstanz der Federcharakteristik Federbiegegrenze 125 kp/mm²
bis über 38O°C sowie guter Korrosionsbeständigkeit 45 _Federcharakteristik nach 500 Stunden Dauerbetrieb und Weiterverarbeitbarkeit am zweckmäßigsten so _{bei 420 bis} _45QOC _unverandert.
vor, daß die Nickel-Legierung bei über 900 C losungsgeglüht, anschließend in Wasser abgeschreckt, mit Während dieser Zeit kein merklicher Verschleiß wenigstens 40% Querschnittsminderung kaltverformt durch Korrosion,
und wenigstens 1,5 Minuten bei 350 bis 500⁰C, vor- 50 .
zugsweise bei 400 bis 450° C, anlaßgeglüht wird. B e 1 s ρ 1 e 1 2

Zur Herstellung eines Federwerkstoffs mit einem Für Miniatur-Schaltrelais wurde ein Federband mit Elastizitätsmodul von über 18 000 kp/mm², einer den Abmessungen 20 · 0,20 mm benötigt, das einen Federbiegegrenze von über 90 kp/mm², einer Konstanz Elastizitätsmodul von mindestens 18 000 kp/mm², eine der Federcharakteristik bis über 400⁰C sowie guter 55 Federbiegegrenze von über 90 kp/mm², eine Tempe-Korrosionsbeständigkeit wird vorzugsweise so vor- raturbeständigkeit der Federcharakteristik bis mind, gegangen, daß die Nickel-Legierung bei über 900⁰C 400⁰C im Dauerbetrieb und eine Biegezahl von mind, lösungsgeglüht, anschließend mit weniger als 15° C 5 aufweisen sollte (Biegekante senkrecht zur Walzpro Stunde auf unter 350⁰C abgekühlt, nach weiterer richtung).

Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Quer- 60 Ausgehend von der gleichen Legierung wie im Beischnittsabnahme von wenigstens 60 bis 80 % kalt- spiel 1 wurde diesmal das Warmwalzband aus der verformt und wenigstens 1,5 Minuten bei 450 bis Walzhitze (über 900⁰C) zur Einstellung des lösungs-600⁰C, vorzugsweise bei 500 bis 550⁰C, anlaßgeglüht geglühten Zustandes in Wasser abgeschreckt. Nach wird. dem Schleifen und Kaltwalzen auf 1 mm Dicke, was-Kommt es bei den aus dem Federwerkstoff herzu- 65 dem 5fachen Wert der Endabmessung entspricht, stellenden Gegenständen auf optimale Federkennwerte wurde das Band bei 900⁰C im Durchlauf verfahren und weniger auf höchste Formtreue an, so wird bei unter Spaltgas zwischengeglüht und anschließend auf der letztgenannten Verfahrensvariante zweckmäßiger- eine Dicke von 0,2 mm kaltgewalzt. Die Anlaßglüh-

behandlung erfolgte im Durchlauf bei 400° C und einer Verweilzeit im Ofen von 2,5 Minuten.

Alle geforderten Federeigenschaften wurden erreicht. Auch die Verarbeitbarkeit beim Endverbraucher war einwandfrei. Aus diesem Federwerkstoff aufgebaute Relais zeigten auch nach 1000 Stunden Funktionsprüfung keinerlei Unstetigkeiten.

Der erfindungsgemäß hergestellte Federwerkstoff erweist sich somit in fast jeder Beziehung den herkömmlichen Federwerkstoffen überlegen. Lediglich bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit, an die jedoch nur bei stromführenden Federn Anforderungen gestellt werden, ist der erfindungsgemäß hergestellte Werkstoff den herkömmlichen Werkstoffen aus Kupferbasislegierungen unterlegen. Er erreicht nur Werte, die in der Größenordnung von 0,8 bis l,2m/Oinm² liegen und damit den Werten für nichtrostende Stähle bzw. hochchromhaltige Nickel-Legierungen entsprechen. In Sonderfällen, in denen neben besonders guten Federeigenschaften auch eine gute elektrische Leitfähigkeit gefordert wird, können die erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffe entweder auf galvanischem Wege oder durch Walzplattieren mit Kupfer ίο oder Silber beschichtet werden. Auf diese Weise wird der erfindungsgemäß hergestellte Federwerkstoff auch hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit den herkömmlichen Federwerkstoffen auf Kupferbasis angeglichen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Federwerkstoffs mit hohem Elastizitätsmodul, hoher Federbiegegrenze, guter Konstanz und Federcharaktenstik bei hohen Temperaturen sowie hervorragender Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nickel-Legierung mit 25 bis 35% Kupfer, 3 bis 6% Mangan, 0,1 bis 3% Titan, 0,1 bis 1,0% Aluminium, 0,3 bis 2,5% Eisen, Rest Nickel einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen .

a) vor der letzten, noch wenigstens 40% Querschnittsverminderung betragenden Kaltumformung bei über 900⁰C lösungsgeglüht und

b) nach dieser Kaltumformung wenigstens 1,5 Minuten bei 350 bis 600⁰C anlaßgeglüht wird.

stoff, die absolut ebe'i sein müssen, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlaßglühen im Durchlaufglühverfahren mit Verweilzeiten von 1,5 bis 5 Minuten durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 zur Herstellung von Gegenständen aus Federwerkstoffen, bei denen vornehmlich nur höchste Federkennwerte gefordert werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Einsatzofen 60 bis 180 Minuten anlaßgeglüht wird.