DE2851142C2

DE2851142C2 - Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Federstahls

Info

Publication number: DE2851142C2
Application number: DE2851142A
Authority: DE
Inventors: Toshio Hijikata; Takao Fujisawa Kanagawa Yamazaki
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 1978-11-25
Filing date: 1978-11-25
Publication date: 1989-01-12
Also published as: DE2851142A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Federstahls yemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Federstähle für Schrasbenfedern, Torsionsfedern od. dgl., müssen eine hohe Dauerbiegefestigkeit und insbesondere eine hohe Torsionsdauerfestigkeit aufweisen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Biege- und Torsionsspannungen bei der Belastung derartiger Federn von der neutralen Achse zur Außenseite des Querschnittes ansteigen, und die Maximalspannung normalerweise in der Oberflächenschicht der Feder auftritt

Bei bekannten Herstellungsverfahren für Schraubenfedern wird ein gezogener und anschließend ölangelassener Federstahl in Form der Feder kalt geformt, oder es wird der Federstahl zuerst in seine Federform gebogen und dann abgeschreckt und angelassen, um das Gefüge zu verfeinern, und die Festigkeit zu erhöhen. Durch beide Herstellungsverfahren wird ein feinkörniges Abschreckgefüge gleichmäßig Ober den gesamten Querschnitt erreicht Nach diesen bekannten Herstellungsverfahren können deshalb keine Federn hergestellt werden, deren Festigkeitsverteilung der während der Arbeit der Federn sich einstellenden Spannungsverteilung im Querschnitt entspricht Außerdem wird durch diese bekannten Verfahren zur Herstellung von Schraubenfedern, bei welchen der gesamte Querschnitt des Federstahls bis zum Kern nur einmal bis über den Acj-Umwandlungspunkt erwärmt und anschließend sofort abgeschreckt wird, keine sehr feine Kristallstruktür erreicht

Es ist ein Verfahren zur Verbesserung der Kornfein' heit des Gefüges von Stahl bekannt (US-PS 31 78 324), bei welchem ein Stahl mehrfach über dem AC3·Umwandlungspunkt erhitzt und abgekühlt und dann abgeschreckt wird, um über seinem gesamten Querschnitt ein feinkörniges martensitisches GefUge zu erhalten. Bei sinngemäßer Anwendung des Verfahrens auf Federn würde jedoch auch dadurch keine Anpassung der Festigkeit t)«f Federstahls an die im Querschnitt unterschiedliche Belastung von Federn erfolgen.

Um ein Un Querschnitt unterschiedliches Gefüge zu schaffen, ist ein Verfahren bekannt (IfL-Mitt, 12, (1973), Seiten 282—284), bei welchem zur Herstellung eines nochfesten Baustahls die Walzader unmittelbar nach dem letzten Walzstich durch ein Kühlsystem läuft und kurzzeitig stark gekühlt wird. Durch die Kühlung tritt eine starke Absenkung der Oberflächentemperatur ein, die zur Folge hat, daß der Stahl in der Randzone zu einem Härtegefüge umgewandelt wird. Nach Ablauf der Kühlperiodfr bewirkt die im Kern des Stabes verbliebene Wärme ein Wiederansteigen der Randtemperatur bis zu einer sich einstellenden Ausgleichstemperatur, und hierdurch wird das Randgeföge angelassen und erhält eine gute Zähigkeit. Dieses bekannte Verfahren läßt sich jedoch für Federn nicht anwenden, da das bei dem nur einmaligen Abschrecken und Wiederanlassen erziehe Gefüge nicht die für die insbesondere an der Oberfläche von Federn gewünschte hohe Festigkeit hat

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Federstahls zu schaffen, bei dem bei einem sehr feinen, hochfesten Gefüge, die Festigkeit vom Kern des Federstahls zur Oberfläche graduell entsprechend dem Anstieg der Belastung bei der Federarbeit zunimmt

Dies wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erhaltenen Maßnahmen erreicht

Gemäß der Erfindung erfolgt also, wie oben erläutert, die aus der US-PS 31 78 324 bekannte Erwärmung des Stahls mit einer solchen, genau dosierten Wärmemenge, daß bei jedem Erwärmen durch die im Stahl enthaltene Restwärme die Erwärmung über den Ac₃-Umwandlungspunkt nach innen weiter fortschreitet, bis beim letzten Erwärmungsschritt des gesamten Querschnitts über dem AcyUmwandlur.gspuniJ erwärmt ist Darauf erfolgt das Abschrecken. Dadurch wird in den häufiger und länger erwärmten Randzonen ein feineres und festeres Gefüge, als im Kern erreicht, aber auch im Kern stellt sich ein Gefüge ein, das die für Federstähle erforderliche hohe Festigkeit aufweist

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren auf Federstähle mit über 0,3% Kohlenstoff angewendet

Wie oben beschrieben, hat sich das herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Schraubenfedern zum Ziel gesetzt, ein gleichförmiges, abgeschrecktes und angelassenes Gefüge des Stahls über seinen gesamten Querschnitt während der routinemäßigen Wärmebehandlung zu erreichen und demzufolge ist dieses herkömmliche Verfahren kaum für die Herstellung einer Feder geeignet, bei der die Verteilung der Festigkeit mit der Verteilung der Spannung, die sich unter Betriebsbedingungen in der Feder entwickelt, übereinstimmt; und da bei dieser bekannten Wärmebehandlung der Stahl über seinen gesamten Querschnitt bis zu seinem Inneren nur einmal über den AcrUmwandlungspunkt aufgeheizt und unmittelbar danach abgeschreckt wird, kann keine Komfeinung stattfinden.

Obwohl, wie oben erwähnt, ein Verfahren des wiederholten Abschreckens bekannt ist, wird dieses nicht zur Herstellung von Federn als Mittel zur Feinkornerzeugung verwendet. Gemäß diesem Verfahren, wird der Stahl über seine gesamten Querschnitt rasch über den ACVUmwandlungspunkt aufgeheizt und anschließend auf Umgebungstemperatur abgeschreckt,

wobei dieser W&rmebeh&ndlungszyklus des schnellen Aufheizens und Abkühlen« wiederholt wird, um eine Kornfeinung in dem Stahl durchzuführen und dem Stahl Festigkeit und insbesodere Dauerschwingfestigkeit zu verleihen.

Die Merkmale, die die Erfindung von dem obenerwähnten Stand der Technik unterscheiden, sind die folgenden;

1. Während bei dem oben erwähnten Stand der Technik, d.h. sowohl bei der Technik der Herstellung einer Feder als auch bei der Technik der Kornfeinung von Stahl die rasche Aufheizung durchgeführt -wird, um den Stahl über seinen gesamten Querschnitt über den AC₃-Umwandlungspunkt aufzuheizen, wird bei der Erfindung lediglich die Oberflächenschicht des Stahls über den ACrUmwandlungspunkt aufgeheizt

Z Während beim Stand der Technik zur Kornfeinung von Stahl dieser über seinen gesamten Querschnitt wiederholt abgeschreckt wird, um eine Kornfeinung zu erzielen, wird bei der Errindung ein Aufheizen der Oberfläche des Stahls durchgeführt und beim Abkühlen, das zwischen den wiederholten Aufheizvorgängen durchgeführt wird, wird der Stahl unter den An-Umwandlungspunkt aufgrund seiner eigenen Wärmeleitfähigkeit abgekühlt

3. Während beim Stand der Technik zur Herstellung einer Feder oder zur Kornfeinung von Stahl dieser, nachdem er über seinen gesamten Querschnitt über den ACs-Umwandlungspunkt aufgeheizt wurde, auf Umgebungstemperatur abgeschreckt wird, wird bei der Erfindung lediglich die Oberflächenschicht des Stahls über den ACs-Umwandlungspunkt aufgeheizt, mit Ausnahme der letzten Stufe des wiederholten Aufheizens. Deshalb kann, nachdem der Aufheizvorgang unterbrochen wurde, der Stahl innerhalb kurzer Zeit unter den An-Umwandlungspunkt durch Selbstkühlung aufgrund seiner eigenen Wärmeleitfähigkeit abgekühlt werden, ohne Anwendung eines Abschreckvorgangs. Es wird also beim Stand der Technik nach Unterbrechung des raschen Aufheizens der Stahl über seinen gesamten Querschnitt auf Umgebungstemperatur abgeschreckt Bei der Erfindung wird jedoch nach Unterbrechung des raschen Aufheizens der Stahl in der Oberflächenschicht in kurzer Zeit unterhalb den Ari-Umwandlungspunkt (nicht auf Umgebungstemperatur) ohne die Anwendung eines Abschreckvorgang;, abgekühlt Dieser Wärmebehandlungszyklus wird wiederholt, wobei das Innere des Stahls allmählich aufgeheizt wird, bis ein Stahl erreicht ist, der gänzlich über seinen gesamten Querschnitt aufgeheizt ist, oder einen Zustand erreicht, der dieser Bedingung nahekommt, woran sich ein rasches Abkühlen zum Abschrecken des Stahls anschließt

Entsprechend ist das oben erwähnte Verfahren, das Stand der Technik ist, zur gleichförmigen Kornfeinung über den gesamten Querschnitt des Stahls sehr unterschiedlich im Vergleich zur Erfindung, bei der die Körner vom Inneren zur Oberflächenschicht hin zunehmend gefeint werden und bei dem die Körner in der Oberflächenschicht außerordentlich stark gefeint werden. Die Erfindung schafft daher eine Technik zur Herstellung von Feoti'stahl, wobei dem Stahl eine Festigkeitsverteilung verliehen wird, die mit den Betriebsbedingungen der Feder übereinstimmt,

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ^in bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, das das Verhältnis der Temperaturen im Inneren und an der Oberfläche des Stahls, der der erfindungsgemäßen Hochfrequenzinduktionsaufheizung unterworfen wird, erläutert, wobei auf der Ordinate die Temperatur und auf der Abszisse die Zeit aufgetragen sind,

L)—U stellen dieSpulenfürdie Hochfrequenzinduktionsaufheizung dar, die hintereinander längs dem Laufweg des Stahldrahts angeordnet sind. Der Draht W, der in Pfeilrichtung läuft, wird während des Durchlaufs des Drahts durch die Hochfrequenzinduktionsheizspu len Li-L₄ dem erfindungsgemäßen Wärmebehand lungszyklus unterworfen. Dabei ist es selbstverständlich, daß die Abmessungen des Drahts und die Frequenz der induzierten elektrischen Leistung aufeinander abgestimmt werden sollten. Der Wärmebehandlungszyklus innerhalb der Induktionsheizspule; c l.\—Ia kann außerdem so ausgelegt werden, daß die Oberflächenschicht des Drahts die Temperaturanstiegscharakteristik A und das Innere bzw. die Seele des Drahts die Temperaturanstiegscharakteristik B annehmen können.

Dies geschieht durch geeignete Einstellung der Variablen auf die Laufgeschwindigkeit des Drahts, wobei die Variablen bestehend aus der Anzahl der Induktionsheizspulen U-La, die längs des Laufwegs des Drahts angeordnet sind, den Längen h—U der

jo jeweiligen Spulen, den Zwischenräumen d\—cU zwischen den Spulen und den Leistungsdichten P^-P* mit denen die jeweiligen Spulen versorgt werden.

Auf diese Weise steigt die Oberflächentemperatur des Drahts W über den Ac3-Umwandlungspunkt

J5 während der Heizdauer von ii(sec) innerhalb des ersten Wärmebehandlungszyklus durch die Spule Li, aber während der Zeitspanne t\ findet von der Zeit an, von der der Draht die Spule L\ verläßt bis zu der Zeit, wo er in die Spule Li eintritt Luftabkühlung statt, während der die Oberflächentemperatur des Drahts unterhalb der Aji-Umwandlungspunkt abfällt Während der Aufheizzeit von <2(sec) im Verlauf des zweiten Wärmebehandlungszyklus in der Spule L₂ erreicht die Oberflächenschicht des Drahts erneut eine Temperatur, die oberhalb des Ac₃-Umwandlungspunkts liegt Während der Luftabkühlung für 12(sec), nachdem der Draht W die Spule La verlassen hat, erreicht die Oberflächenschicht eine Temperatur unterhalb dem Ari-Umwandlungspunkt Daran schließt sich ein weiterer Wärmebehand- lungszyklus der beschriebenen Art an.

Die Seele des Drahts W befindet sich immer noch nahe der Umgebungstemperatur, solange sie sich innerhalb dem ersten Wärmebehandlungszyklus der Spule Li befindet Wenn der Wärmebehandlungszyklus jedoch wiederhoit wird, steigt die Temperatur stetig an. Wenn beispielsweise der Wärmebehandlungszyklus durch die Spule U beendet wird, wird eine Temperatur oberhalb dem Acj-Umwandlungspunkt erreicht I<i dieser Behandlui.gsstufe fällt die Oberflächentempera' tür nicht unterhalb den Ari-Umwandlungspunkt während der Behandlungsdauer t\ der Luftabkühlung und in der Folge wird der gleiche Effekt wie beim Glühen des gesamten Drahtvolumens erzielt; auf dieser Behandlungsstufe wird der Draht durch rasches Abkühlen abgeschreckt.

Um die Wirkung der Erfindung darzustellen, hat der Erfinder verschiedene Versuche durchgeführt, von denen einige im folgenden dargestellt werden.

Beispiel I
1. Versuchsbedingungen

Tabelle I

(1) Versuchsstück: Durchmesser 10 mm

Chemische Zusammensetzung, bezogen auf die Werte der japanischen Industrienorm JIS G 4801 bzw. SUP 6: in

C 0.55-0,65%

Si 1,50-1.80%

Mn 0,70-1,00%

P weniger als 0.035% ι -,

S weniger als 0,035%

(2) Anordnung der Induktionsheizspulen:

Wie bereits beschrieben, sind die Spulen l.\ — U mit bestimmten Zwischenräumen längs der Draht- :» laufbahn angeordnet.

(a) Länge der Spulen:

L-L, = 30 mm

(b) Spulenzwischenräume:
d, und di - 120 mm

(3) Aufheizbedingungen:

(a) Leistung in kW. die an die Spulen geliefert wird:

L₁
20

L₂
15

L₁
15

des Drahtes

(b) Durchlaufgeschwindigkeit
120 mm/sec.

2. Versiichsablauf

bedingungen einer wiederholten zyklischen Wärmebehandlung gemäß der Erfindung ausgesetzt und nach Abschluß des vierten Wärmebehandlungszyklus in Wasser abgeschreckt.

Die Dauer des induktiven Aufheizens während jedes Wärmebehandlungszyklus betrug 0,25 see. für die Behandlungsdauer !■-(, und 1,5 see. für U und das Versuchsstück erreichte während dieser Aufheizvorgänge eine Ob-/flächentemperatur von 880-900^CC. Dem Abschrecken des Versuchsstücks schloß sich unmittelbar ein Anlassen bei 500'C für 2 Sekunden durch Hochfrequenzinduktionsglühen an.

Versuchsergebnisse

Es wurde ein Vergleich der Korngrößen über den Querschnitt zwischen dem so behandelten Versuchsstück und einem weiteren Versuchsstück, das die gleiche chemische Zusammensetzung und die gleichen Abmessungen aufwies wie das erstgenannte, durchgeführt, das jedoch nur einmal für 3 Sekunden zwischen 880 und 900'C durch Hochfrequenzinduktion geglüht und anschließend abgeschreckt und der gleichen Anlaßbehandlung unterzogen wurde wie das erstgenannte. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellt

Einmal
aufgeheizt

Korngröße

(ASTM-

Ziffer)

Viermal zykl
aufgeheizt

Korngröße

(ASTM-

Ziffer)

Härte

Oberflächenschicht
(I mm Tiefe von
der Oberfläche)

Mittelschicht
(3 mm Tiefe von
der Oberfläche)
Seele

13

46RC

45 RC

44 RC

Beispiel 2

U = 180 mm „>·,

d\ = 360 mm

1. Versuchsbedingungen

(I) Versuchsstück:

Durchmesser 10 rnm

Chemische Zusammensetzung wie in Beispiel 1

2. Versuchsdurchführung

Es wurde das gleiche Versuchsstück wie in Beispiel I für das Aufheizen in 4 Wärmebehandlungszyklen und das anschließende Abschrecken und Anlassen verwendet. Die Zugfestigkeit und die entgültig erreichte Dauerschwingfestigkeit dieses Versuchsstücks wurden mit einem Versuchsstück verglichen, das die gleiche chemische Zusammensetzung und die gleichen Abmessungen wie das erstgenannte aufwies, und das während 3 Sekunden zwischen 880 und 900" C induktionsgeglüht, anschließend abgeschreckt und der gleichen Anlaßbehandlung wie das erstgenannte unterzogen wurde ebenso wie jenes Versuchsstück, das einer Routine-Anlaßbehandlung mit öl ausgesetzt wurde. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2

	Zugfestigkeit	Endgültig er
		reichte Biege-
		wechselfestigkcit
	(kg/mm" >	(kg/rr.ml
(/!angelassenes	155	44
Versuchsstuck
Versuchsstiick nach	161	57
Routine-Induktions-
glühung. Abschrecken
und Anlassen

Versuchsstück nach
erfindungsgemäßer
Wärmebehandlung

163

66

Gemäß den Ergebnissen von weiteren Versuchen, die vom Erfinder durchgeführt wurden, können ähnlich gute Ergebnisse selbst mit Drähten erzielt werden, die einen Kohlenstoffgehalt von mehr oder weniger als 03% aufweisen, wenn die Mn- und P-Geha!te mehr als 1% bzw. 0,001"% betragen oder wenn ein abschreckbarer Draht wie in Tabelle 3 gezeigt, verwendet wird und anschließend der wiederholten zyklischen Wärmebehandlung gemäß der Erfindung unterzogen wird.

Tabelle 3	7	Si (%)	28	51 142	8	P (%)	S(%
C (%)		0,15-0.35 0,15-0.35		Mn (%)	0.04 0.03	0,05 0,03
0,18-0,24 0,17-0,23			1.35-1.65 1.20-1,50

Die Erfindung überdeckt zahlreiche iVlöglichkeiten von mehr als zwei auszuführender Wärmebehandlungszyklen um das Durchheizen des Drahtes oder einen Zustand zu erreichen, der dieser Bedingung nahekommt. Dies hängt von der chemischen Zusammensetzung des verwendeten Drahtes und von der Temperatur ab. auf die der Draht aufgeheizt werden soll.

Gleichzeitig kann man selbstverständlich äußere Hiifs.naGiiahiiicH air Unicntützurig der Luftkühlung und zum Erzielen einer geeigneten Oberflächentemperatur zur Unterstützung des Wärmebehandlungszyklus einsetzen.

Wie die obigen Versuchsergebnisse zeigen, ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, einen Draht herzustellen, dessen Kristallkörner von der Seele zur Oberfläche hin zunehmend feiner werden und dessen Oberflächenschicht eine außerordentlich feine Kornstruktur aufweist. Bei diesem Verfahren wird der Draht einer wiederholten strukturellen Umwandlung innerhalb kurzer Zeit durch Oberflächenaufheizen mit Hufe von wiederholter, von kurzen Pausen unterbrochener Hochfrequenzinduktionsaufheizung unterworfen. F.in auf diese Weise hergestellter Federstahl ist durch hohe Zähigkeit und eine Festigkeitsverteilung charakterisiert, die mit der Biege- und Torsionsspannungsverteilung übereinstimmt, die sich in der Feder unter Betriebsbedingungen einstellen.

Bei der Erfindung sind entweder eine Vielzahl von Induktionsheizspulen in bestimmten Abständen vorge «.phrn und der Draht wird gleichzeitig zur Wiederholung der Wärmebehandlungszyklen durch diese Spulen geleitet; oder das Werkstück ist fest und wird in entsprechender Weise wiederholten Wärmebehandlungs/.yklen durch bewegte Spulen unterworfen. Es kann jedes dieser Verfahren angewendet werden.

Gemäß dem beschriebenen Verfahren wird lediglich ein Drittel der Leistung, das bei einem herkömmlichen Verfahren erforderlich ist, eingesetzt. Daraus ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß ein äußerst wirtschaftliches und energiessparendes Verfahren geschaffen wird, das insbesondere im Hinblick auf die Energieverknappung ι Bedeutung erlangen kann.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Verfahren zur Henrtefl«ng eines hochfesten Federstahls durch Anwendung von mehr als zwei s Wärmebehandlungszyklen, die jeweils eine Erwärmung ober den Acj-Umwandhmgspunkt und eine Abkühlung unter den Ar_rUmwandIungspunkt emschGeßen, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht des Stahles durch Hochfrequenzinduktion kurzzeitig aufgeheizt und so selbsttätig abgekühlt wird, daß der Kernbereich zunehmend durch Wänneabfluß ans der Oberflächenschicht in den Kernbereich erwärmt wird, und daß nach einem Temperaturausgleich oberhalb der ACj-UnTwandlungstemperatur zwischen Oberflächenschicht und Kernbereich eine Abschreckung des Stahls in an sich bekannter Weise erfolgt.
2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine?» Federstahl mit mehr als 03% Kohlenstoff.