DE2741930C2

DE2741930C2 - Ventilfederdraht aus niedriglegiertem Stahl

Info

Publication number: DE2741930C2
Application number: DE2741930A
Authority: DE
Inventors: Christer Garphyttan Lanner
Original assignee: GARPHYTTE BRUK GARPHYTTAN SE AB; Garphytte Bruk Garphyttan AB
Current assignee: Garphyttan Hesselman Garphyttan Se AB
Priority date: 1976-09-20
Filing date: 1977-09-17
Publication date: 1984-06-07
Also published as: SE404703C; FR2364974B1; JPS5344418A; SE7610405L; DE2741930A1; FR2364974A1; SE404703B; US4233089A; BR7706281A

Description

und EiseiiiTiit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest.

0,6	bis	0,8%
0.1	bis	1,0%
1.0	bis	2,0%
0,01	bis	0.05%
0,004	bis	0.020%

Die Erfindung betrifft einen Ventilfederdraht aus niedriglegiertem Stahl.

Ventilfedern sind dynamische Federn, die unter Ermüdungsbedingungen arbeiten, und der Draht, aus dem diese Federn hergestellt werden, wird als Ventilfederdraht bezeichnet.

Bei einem Stahl für die Herstellung solchen Ventilfederdrahts ist es wünschenswert, gute Ermüdungseigenschaften zu erhalten, die auch mit guten Entspannungseigenschaften kombiniert sein müssen, d. h. der Fähigkeit zum Widerstehen einer plastischen Verformung im Einsatz.

Um dieses "roblern zu lösen, sind bisher Stähle benutzt worden, die vorzugsweise mit Cr und V legiert sind, z. B. 0,50% Cr und 0.20% V oder 1,0% Cr und etwa 0,20% V. Im Vergleich zum ursprünglich benutzten nicht legierten Kohlenstoffstahl wirä eine Verbesserung der Ermüdungseigenschaften von etwa 8% mit einer gleichzeitigen erheblichen Verbesserung der Entspannungseigenschaften erreicht.

Aus der DE-OS 21 13 418 ist e_;ne Stahllegierung für Schienen bekannt, die mindestens ein Kornfeinungselement. nämlich 0,015 bis 0,1% Al, 0.01 bis 0,1% Nb, 0,05 bis 0,2% V, 0,015 bis 03% Ti, 0,015 bis 03% Cr enthält. Ferner soll der Stahl mindestens ein Härtungselement enthalten, und zwar 0,5 bis 2J5°/o Mn, bis 1,5% Si, bis 1,5% Cr, bis 1,0% Ni oder bis 0,6% Mo. Der Kohlenstoffgehall des Stahls liegt bei 0,2 bis 0.85%, und Schwefel und Phosphor sind jeweils auf maximal 0.06% begrenzt. Stickstoff kann in einer Menge zwischen 0,003 bis 0,03% vorhanden sein. Der Stahl wird entweder normalisiert oder einem geregelten Walzvorgang unterworfen, um feinkörniges Gefüge zu erzielen. Der bekannte Stahl zeichnet sich bis herab zu Temperaturen von minus 15⁰C durch verbesserten Widerstand gegen Sprödbruch, ausreichende Zugfestigkeit und Streckgrenze aus. Über die Eignung dieses bekannten Stahls in Form von Draht für Ventilfedern ist jedoch nichts bekannt.

Eine Weiterentwicklung in dieser Richtung durch eine Erhöhung der Legierungssubstanzen ist jedoch wegen der Tatsache schwierig, daß Cr die Empfindlichkeit gegen Rißbildung erhöhl und folglich die Ermüdungsfestigkeit verringert und daß V sowie Cr relativ teure Legierungselemente sind.

Neben den vorstehend genannten Stählen wird auch ein mit Cr und Si legierter Stahl benutzt, der z. B. etwa 0,7% Cr und 1,5% Si enthält. Dabei wird eine Verbesserung der Entspannungseigenschaften im Vergleich zu den Cr-V-Stählen erreicht, jedoch unter gleichzeitiger Verschlechterung der Ermüdungseigenschaften. Eine weitere so Entwicklung in dieser Richtung, d. h. eine zusätzliche gleichzeitige Verbesserung beider Eigenschaften, wird noch durch die Tatsache erschwert, daß Si, und wie vorstehend erwähnt, auch Cr die Empfindlichkeit gegen Rißbildung erhöhen. Auf dieser Höhe ist die Entwicklung solcher Werkstoffe während der letzten 15 Jahre stehengeblieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen preiswerten und daher niedriglegierten Stahl zur Herstellung von Ventilfederdraht anzugeben, der rißunempfindlich ist durch gleichzeitige Verbesserung der Ermüdungs- und Entspannungseigenschaften und der damit die Möglichkeit für eine Gewichtseinsparung bietet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein niedriglegierter Stahl der folgenden Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) vorgeschlagen:

C	0.5	bis	1.0%
Si	0,1	bis	1,5%
Mn	1.0	bis	2.0%
Al,.«	0,01	bis	0.05%
N	0.004	bis	0,020%

Rest Eisen miterschmclzungsbedinglen Verunreinigungen.

Nach einem bevorzugten Ausfiihrungsbcispiel der Erfindung hat der Stahl die folgende Zusammensetzung (in Gewichtsprozent):

	0,6	bis	0,8%	27	41	930
C	0,1	bis	1,0%
Si	1,0	bis	2.0%
Mn	0,01	bis	0,05%
AI_ges	0,004	bis	0,020%
N

Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.

Um also eine gleichzeitige Verbesserung beider Eigenschaften zu erreichen, was eine notwendige Kombination für den in Frage stehenden Federwerkstoff ist, wird mit einer Erhöhung des Mn-Gehalts und einer gleichzeitigen Zugabe von Al und N zum Erreichen eines Feinkorneffekts gearbeitet Im Vergleich zu bisher verwendeten Legierungsstählen wird eine erhebliche Verbesserung der Ermüdungseigenschaften mit einer unerheblichen Verschlechterung der Entspannungseigenschaften im Vergleich zum Cr-Si-Stahl erreicht Dieser Effekt bleibt außerdem bis zu einer Temperatur von 120⁰C bestehen, was von höchster Bedeutung in einem wichtigen Einsatzbereich dieses Materials ist z. B. Brennkraftmotoren.

Eine Erhöhung des Mn-Gehalts und eine gleichzeitige Ausnutzung des damit einhergehenden positiven Effekts auf das Verformungshärten, das beim Strahlen benutzt werden kann, was bei der Herstellung dieses Materials konventionell ist sowie eine Zugabe von Al und N, was sich für eine Feinkornbehandlung eignet, erbringt also eine erhebliche Verbesserung nicht nur in der Ermüdungsfestigkeit, sondern auch der Entspannungseigenschaften der besten der vorstehend erwähnten Stähle, des Cr-V-Stahls, auch bei Temperaturen bis zu 120⁰C, was von besonderem Interesse in diesem Einsatzbereich ist. Dk-ser Kombinationseffekt muß als volikommen überraschend beim Arbeiten mit einem Material nach der Erfindung angesehen werdex-, und er ist von höchster Bedeutung für die Herstellung vor jllem von leichteren Ventilfedern.

Die Erfindung und ihre Vorteile sind im einzelnen in den Zeichnungen dargestellt.

F i g. 1 zeigt in der Form eines Diagramms die Unterschiede bezüglich der Ermüdungs- und Entspannungseigenschaften zwischen bekannten Stahlsorten und dem erfindungsgemäßen Stahl.

F i g. 2 zeigt das Ergebnis von Vergleichsversuchen bezüglich der Entspannungseigenschaften von Federn nach der Erfindung und solchen, die aus bekannten Stählen hergestellt sind.

F i g. 3 zeigt die Ergebnisse entsprechender Tests bezüglich der Ermüdungseigenschaften.

Fig.4 schließlich zeigt in der Form eines Diagramms die Gewichtseinsparung, die für eine bestimmte Belastungsamplitude unter Verwendung von Ventilfedern erreicht werden können, welche nach der Erfindung hergestellt sind.

Die Erfindung ist nachstehend im einzelnen im Zusammenhang mit dem folgenden Beispiel näher erläutert

Eine Charge von etwa 42 Tonnen Stahl nach der Erfindung ist hergestellt worden. Zusätzlich zu Eisen hatte die Charge die folgende chemische Zusammensetzung, ausgedrückt in Gew.-%:

% C % Si % Mn % P °/o S % Cr % Ni % Mo % Al % N

0,64 03 132 0,020 0,019 0,17 0,03 0,01 0,035 0,0087

Etwa 22 Tonnen der Charge wurden auf Draht mit einer Durchmesser von 7,10 mm heißgewalzt. Dieser Draht wurde unter anderem auf einen Durchmesser von 3,80 mm kaltgezogen, und danach wurde der Draht ölgehärtet und getempert.

Das mechanische Testen des Drahts ergab die folgenden Ergebnisse:

Zugfestigkeit Ä„(N/min³): 1 646

Streckgrenze /?_p02 (N/mm²): 1 588

Kontraktion C %: 50

Verdrallung / = 250 mm: 9

180°-Biegetest fr = 5 mm): 3

Aus diesem Draht sind Versuchsfedern mit den folgenden Federnangaben gewickelt worden:

Drahldurchmesser d = 3,80 mm

Außendurchmesser der Feder D_y = 26,5 mm Gesamtzahl der Federwindungen n, = 7,5

Freie Federlänge Lo = 61 mm

Nach dem Wickeln wurden die Federn 30 Minuten lang bei 400°C entspannend geglüht.

Einige Federn wurden kalt (20°C) für die Dauer von 5 Sekunden einmal einer Last von 1100 N/mm² ausgesetzt, und danach wurden sie bei der Temperatur von 80⁸C entspannungsgetestet. Die Ergebnisse sind in F i g. 2 dargestellt und beziehen sich auf 30 Teststunden im nicht kugelgestrahlten Zustand.

Ferner wurde eine Ermüdungsprüfung mit einer Anzahl von Federn mit 15 · 1O⁰ Lastzyklen im kugelgestrahlten Zustand durchgeführt. Das Kugelstrahlen war mit Kugeln mit einem Durchmesser von 0,80 mm in einer Stärke durchgeführt worden, die einem Almen-Wert von 0,48 mm entsprach. Nach dem Kugelstrahlen wurden b5 die Federn 30 Minuten lang bei 250°C entspannend geglüht. Alle Federn sind außerdem auf 1200 N/mm² für die Dauer von 5 Sekunde·.) bei 250°C heißbelastet worden. Die Ergebnisse sind in F i g. 3 angegeben.

In F i g. 2 und 3 sind auch die entsprechenden Kurven für die vorstehend genannten Stahlqualitäten eingesetzt,

die bisher zur Verfügung standen (nicht legiert, Cr-V, Cr-Si). Der Vergleich zwischen den verschiedenen Stahlqualitäten, in Fig. 1 dargstellt, ist bezüglich der Entspannungseigenschaften mit einer Anfangsbelastung von 930 N/mm² entsprechend F i g. 2 durchgeführt worden.

Bezüglich der Ermüdungscigenschaften ist der gleiche Vergleich in der normalen Weise mit einer Anfangsbe-5 lastung von 100 N/mm² entsprechend F i g. 3 durchgeführt worden.

Die Gewichtseinsparung, auf die vorstehend Bezug genommen worden ist, hangt ausschließlich von der Ermüdungsfestigkeit ab und kann in einer Feder nach den vorstehend angegebenen Daten durch einen Wechsel von einem Cr-V-Stahl zu einem Material nach der Erfindung erreicht werden, und das geht aus Fig.4 als eine Funktion der Bciriebsbelastungsamplitude hervor. Die Verringerung des Drahtdurchmessers und der Zahl der ίο aktiven Windungen, die durch dieses Material möglich gemacht werden, sorgen fijr die Gewichtseinsparung, während die anderen Federdaten als unverändert angenommen werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Π 41 930

Patentansprüche:
1. Ventilfederdraht aus niedriglegiertem Stahl, gekennzeichnetdurch einen Gehalt an

C 05 bis 1,0% Si 0,1 bis 13% Mn 1,0 bis 2,0% Alges 0,01 bis 0.05% N 0,004 bis 0,020%,

und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest
2. Ventilfederdraht nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehal t an

Si

Mn

Aigcs
N