DE2917287C2 - Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern, Torsionsstäben oder dergleichen aus Federstahldraht - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern, Torsionsstäben oder dergleichen aus Federstahldraht

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DE2917287C2 DE2917287A DE2917287A DE2917287C2 DE 2917287 C2 DE2917287 C2 DE 2917287C2 DE 2917287 A DE2917287 A DE 2917287A DE 2917287 A DE2917287 A DE 2917287A DE 2917287 C2 DE2917287 C2 DE 2917287C2
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Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Federstahl eines der Elemente Chrom, Molybdän, Vanadium, Niob und Bor enthält.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern, Torsionsstäben oder dergleichen aus Federstahldraht nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
2< Aus der Druckschrift »Stahlschlüssel«, 1977, Verlag Stahlschlüssel Wegst KG, Selten 47, 49 und 50, ist es bekannt, einen Federstahl mit 0,95 bis 1 05% Kohlenstoff, 0,15 bis 0,35 Silizium, 0,40 bis 0,60% Mangan sowie Anteilen an Phosphor und Schwefel zunächst auf 780 bis 810°C zu erwärmen und danach mit öl abznschrekken, worauf der Federstahl auf 430 bis 500° C angelassen und in Luft abgekühlt wird. Aus derartigem Federstahl werden Federn aus kaltgewalztem Bandstahl für höchst beanspruchte Zugfedern, Insbesondere In der Uhrenin-.1(1 dustrie, hergestellt.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß man Schraubenfedern mit einer erheblich verbesserten Elastizitätsgrenze erhält.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch Erwärmen, Anlassen und Abkühlen in der angegebenen Weise erhält man einen Draht, der selbst bei einem Durchmesser .is von 10 bis 16 mm kaltverformt werden kann, während Drähte mit einem derartigen Durchmesser bisher warmverformt wurden. Die Kaltverformung, die auch bei den angegebenen Durchmessern leicht durch die übliche Verformungsmaschinen vorgenommen werden kann, und die anschließende Wärmebehandlung verleiht der so hergestellten Schraubenfeder eine erheblich verbesserte Elastizitätsgrenze.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens ist im Anspruch 2 angegeben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 (a) und 1 (b) das Verhältnis zwischen Anlaßtemperatur und Anlaßzeit in einem Temperaturbereich, der einer Probe eine bestimmte Zugfestigkeit verleiht,
Flg. 2 (a) und 2 (b) mechanische Eigenschaften einer Probe, die anschließend angelassen und abgekühlt wird. Über der Anlaßzelt sind die Zugfestigkeit, die Einschnürung und die Bruchdehnung wiedergegeben;
FI g. 3 das Verhältnis der Haltezeit zu den angegebenen Eigenschaften des nach F i g. 2 (b) erhaltenen Stahls, wenn der Stahl bei 500° C angelassen und bei dieser Temperatur über 10 s gehalten wurde, bevor er schnell abgekühlt wurde; und
Fig. 4 einen Vergleich der Elastizitätsgrenze zwischen einer Probe m, die kaltverformt und anschließend angelassen wurde, gegenüber einer Probe n, die ohne vorherige Kaltverformung angelassen wurde.
5n Der das Ausgangsmaterial bildende Strahldraht soll gut härtbar sein und einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,196, vorzugsweise über 0,3%, haben. Durch schnelles Erwärmen auf eine Temperatur im Austenitbereich mittels Hochfrequenzinduktion mit einer Geschwindigkeit von mehr als 100° C/s, Abschrecken und schnelles Anlassen durch Hochfrequenzinduktion bzw. durch direkten Stromdurchgang mit einer Geschwindigkeit von mehr als 100° C/s auf 300 bis 600° C mit anschließender schneller Abkühlung nach Erreichen dieser Temperatur ss erhält der Stahl eine gute Kaltverformbarkeit. Dabei wird diese Anlaßtemperatur bis zu 60s gehalten, bevor schnell abgekühlt wird.
Wenn ein Federstahl mittels Hochfrequenzinduktion schnell auf beispielsweise HOO0C erwärmt und über die
kürzeste austenitblldende Zelt Im Austenitbereich gehalten wird, worauf z. B. in Wasser oder öl mit einer AbkUhlgeschwindlgkelt über der kritischen Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckt wird, wird das Austenitgefüge
6Ii des Stahls sehr fein, und es ergibt sich ein Gefüge mit einer ungleichförmigen Konzentration von Kohlenstoff, wodurch beim Härten eine hohe Zähigkeit erreicht wird.
Wird ein hochfester Stahl mit mehr als 0,3% Kohlenstoffgehalt auf diese Weise gehärtet und mit einer
Geschwindigkeit von mehr als 100° C/s auf 300 bis 600° C In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Stahls schnell angelassen und danach unmittelbar oder nach einer kurzen Haltezelt bis zu 60 s, z. B. durch
(,s Wasserkühlung, schnell abgekühlt, wobei die Abkühlgeschwindigkeit über 50° C/s liegt, so erhält man einen hochverformbaren Stahl mit einer Zugfestigkeit von über 1500 N/mm2 und hoher Zähigkeit.
Es wird angenommen, daß das schnelle Anlassen durch Hochfrequenzinduktion auf eine relativ hohe Temperatur eine Auflösung des übersättigten Martensits mit einem Zwlschengefüge aus einer Feststofflösung von
Atomen bewirkt, wenn diese Temperatur in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Stahls erreicht ist. sowie eine schnellere Ausscheidung von Carbiden bewirkt als bei langsamerer Erwärmung. Beim Anlassen, dem unmittelbar oder nach einer kurzen Haltezelt ein schnelles Abkühlen folgt, wird eine Wärmeenergie zugeführt, die ausreicht, um einen Anlaßzustand einzustellen, der allgemein bei dieser Temperatur als ausreichend angenommen wird, um die Reaktionen zu henunen, die während eines ungenügenden Anlaßzustandes im Hinblick > auf die Verteilung und die Form der Carbide auftreten.
Die folgenden Versuche dienen zur eiteren Erläuterung der Erfindung.
Versuch I
in Vergleich xilt üblichem Anlassen In einem Elektroofen.
(1) Proben:
Chemische Zusammensetzung (Gew.-96):
C Mn Si P S κ
0,51 1,56 0,24 0,017 0,006
Form und Größen: Runddraht (Durchmesser 12 mm)
Abschreckhärte: Hv = 800
(2) Anlaßbedingungen Im Verhältnis zu mechanischen Eigenschaften: ;<i (a) Für Hochfrequenz-InduktionserwSrmung und Anlassen und unmittelbares schnelles Abkühlen ohne Haltezeit, nach dem eine gewünschte Temperatur Im Bereich von 300-600° C erreicht Ist, sind die mechanischen Eigenschaften in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1 Anlaßbedingungen Haltezeit Mechanische Eigenschaften Bruch Ein Jd) 27,9 Anzahl der
Temperatur Härte dehnung schnürung 45,0 Drehungen
Anlaßverfahren (min) (%) % 50,2 (100 d)
0C (Hv) (GL*) = ! 51,1
30 6,3 52,3 12
385 0 520 8,7 14
Elektroofen 450 0 590 9,7 16
Induktionserwärmung 500 0 535 10,2 19
525 0 515 11,4 23
550 480
*) (GL = Prüflänge)
(b) Für Hochfrequenz-Induktionserwärmung und Anlassen und darauffolgendes schnelles Abkühlen nach einer Haltezeit, nachdem eine gewünschte Temperatur In dem Bereich von 300-600° C erreicht ist, sind die mechanischen Eigenschaften in Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2
Anlaßbedingungen Haltezeit Mechanische Eigenschaften Bruch Ein Anzahl der
Anlaßverfahren Temperatur Härte dehnung schnürung Drehungen
(min) (%) % (100 d)
0C (Hv) (GL *) = 8 d)
30 min 6,3 27,9 12
Elektroofen 385 2 see 520 10,8 53,0 19
Induktionserwärmung 525 10 see 510 9,0 49,0 15
450 10 see 550 10,1 51,4 17
500 10 see 515 11,5 55,9 25
550 60 see 470 9,7 50,3 16
470 515
(3) Versuchsergebnisse:
Gemäß den Versuchsergebnissen kann ein hochverformba/ss Stahlerzeugnis hergestellt werden durch schnelles Erwärmen des das Ausgangsmaterial bildenden Stahls durch Hochfrequenzinduktion, Abschrekken, schnelles Anlassen auf 300-600° C und, wenn eine gewünschte Temperatur in diesem Bereich erreicht Ist, die von der chemlschsn Zusammensetzung des Stahls abhängt, schnelles Abkühlen, unmittelbar oder nach Halten der Temperatur über eine kurze Zelt.
Wie aus Tabelle 1 und 2 ersichtlich, zeigt der Vergleich, daß die durch Hochfrequenzinduktion erhaltenen Werte für die Bruchdehnung und Einschnürung wesentlich besser als die durch Anlassen im Ofen erreichten sind. Insbesondere Ist eine Erhöhung der Anzahl der Windungen um mehr als etwa das Zweifache gegenüber der mit einem Ofen erhaltenen erreichbar, wodurch die hohe Verformbarkeit bestätigt Ist.
Fig. 1 (a) zeigt das Verhältnis der Anlaßzelt zur Anlaßtemperatur bei Hochfrequenzinduktionserwärmung für die Probe bei diesem Versuch.
Flg. 2 (a) zeigt die Härte und Zähigkeit des nach Flg. 1 (a) erhaltenen Stahls, wenn der Stahl bei 525° C angelassen und dann ohne Halten be! dieser Temperatur unmittelbar schnell abgekühlt wurde.
Flg. 3 zeigt das Verhältnis der Haltezelt zur Härte und Zähigkeit des nach Flg. 2(b) erhaltenen Stahls, wenn der Stahl bei 500° C angelassen und bei dieser Temperatur über 10 Sekunden gehalten wurde, bevor er schnell abgekühlt wurde.
Daher kann, wie aus diesen Versuchen deutlich wird, eine hohe Festigkeit, d .h. eine Festigkeit von über 1500 N/mm2 und eine ausgezeichnete Verformbarkeit erreicht werden, wenn ein Stahl mit etwa 0,5% Kohlenstoffgehalt dieser Anlaßbehandlung unterzogen wird. Gemäß anderen durchgeführten Versuchen kann ein Stahl mit gleich hoher Festigkeit und ausgezeichneter Verformbarkeit erzielt werden, wenn ein Stahl, der über 3,0% Kohlenstoff, wie In Tabelle 3 gezeigt, oder ein härtbarer Stahl mit einem entsprechenden Gehalt an Mn, Sl, Cr, Mo und anderen Elementen, wie den Tabellen 4-9 dargestellt, der oben beschriebenen Behandlung unterzogen wird. Zum Beispiel kann gemäß einem derartigen Versuch, wenn ein Stahl, dessen chemische Zusammensetzung In Tabelle 4 gezeigt Ist, der Behandlung unter den gleichen Bedingungen wie oben unterzogen wird, mit Ausnahme, daß die Anlaßtemperatur Innerhalb des in Fig. 1 (b) dargestellten Bereichs liegt, ein Stahl mit den In Fig. 2 (b) dargestellten mechanischen Eigenschaften erreicht werden.
Tabelle 3 Si (%)
0,15 bis 0,35		 Mn (%)
0,60 bis		 0,90 P (%)
unter 0,040		 S (%)
unter 0,040		 0,0015 bis 0,0025
:, C (%)
0,59 bis 0,66
Tabelle 4 Si (%)
1,5 bis 2,0		 Mn (%)
0,60 bis		 0,90 P («/ο)
unter 0,030		 S (%)
unter 0,035		 Cr(%)
0,60 bis 0,80
0,27 bis 0,32
Tabelle 5 Si (%)
1,20 bis 1,60		 Mn (%)
0,60 bis		 0,80 unter 0,035 unter 0,040 Cr(%)
0,49
3 c C (%)
0,51 bis 0,59
Tabelie 6 Si (%)
1,78		 Mn (%)
0,65		 P(%)
0,012		 j I /OJ
0,012
;:. C (%)
0,48
Tabelle 7 Si (%)
0,15 bis 0,35		 Mn (%)
1,35 bis		 1,65 P (%)
unter 0,035		 unter 0,035
,< C (%)
0,47 bis 0,60
Tabelie 8 Si (%)
1,50 bis 2,20		 Mn(%)
0,70 bis		 1,00 unter 0,035 unter 0,035 Cr (%)
0,65 bis 1,00
„ C (%)
0,55 bis 0,65
Tabelle 9 Si (%)
0,15 bis 0,35		 Mn (%)
0,65 bis		 1,00 P (%)
unter 0,035		 unter 0,035
; C (%)
0,50 bis 0,60
Wie oben erläutert, muß das Ausgangsmaterial ein härtbarer Stahl sein. Die in Tabelle 3-9 dargestellten Kohlenstoffstähle sind einige Beispiele dieser härtbaren Stähle. In Verbindung damit wird darauf hingewiesen, daß Zusammensetzungen von einem C-Gehalt von 0,1 bis 1,1%, Mn-Gehalt von 0,3 bis 2,0% und Sl-Gehalt von 0.15 bis 2.596 einen härtbaren Stahl ergeben, während Zusammensetzungen mit kleineren Mengen als in den oben erwähnten Bereichen der drei Elemente den Stahl nicht härtbar machen. Es wird also ein derartiger hSrtbarer Kohlenstoffstahl, wie oben erläutert, als Ausgangsmaterial verwendet. Nach Bedarf können entsprechende Anteile an Cr, Mo, V, B, Nb zugesetzt werden.
Die nächste Stufe ist, den so behandelten Stahl plastisch kaltzuverformen. Da der Stahl trotz hoher Festigkeil eine hohe Verformbarkeit aufweist, kann er leicht In eine Schraubenfeder mit einem Durchmesser von 10 bis 10 mm kaltverformt werden, was etwa 50 bis 60% über den üblichen durch Kaltverformung hergestellten Schraubenfedern liegt. Mit anderen Worten kann eine hochfeste Schraubenfeder mit großem Durchmesser (10
bis 16 mm) leicht durch übliche Arbeitsmaschinen kaltverformt werden. Das gleiche gilt für einen Torsionsstab Ü
od. dgl. It?
Nach der Kaltverformung wird über eine Zeitspanne von 30 bis 60 min auf 300 bis 5000C erwärmt, wodurch g!
ausgezeichnete Anti-Kriecheigenschaften erzielt werden, was zu einem Endprodukt führt, das eine geringe blei- ί|
bende Verformbarkeit hat. Mit anderen Worten, durch das schnelle Anlassen und schnelle Abkühlen wird bei ^ j§
einem Stahl mit einer extrem hohen Dichte durch Gefügeverschiebung, die darin aufrechterhalten wird, die |s
Gefügeverschiebung als Ergebnis der plastischen Kaltverformung und durch anschließendes erneutes Erwärmen |
weiter erhöht, die üblicherweise durch Ofenerwärmung bei einer Temperatur Im Bereich von 300 bis 500° C über I
30 bis 60 min erfolgt, wobei die aufgespaltenen und durch Diffusion verteilten Karbide In dem verschobenen I
Gefüge bleiben und dabei die Elastizitätsgrenze erhöhen. m i/
In der Zwischenzelt wird die unzureichende Ausfällung, Verteilung und Form der Karbide, ebenso wie die
Martensitzersetzung In der Anlaßstufe vor der Kaltverformung des Stahls stabilisiert. Daraus Ist ersichtlich, daß li;
letztlich ein verformtes Erzeugnis, das durch hohe Dauerfestigkeit und Anti-Kriecheigenschaften bei Erhaltung ί
einer hohen Zugfestigkeit gekennzeichnet Ist, erreicht werden kann. %
Selbstverständlich ergibt sich durch die abschließende Wärmebehandlung auch der Abbau von Restspannun- !? |
gen, die durch die Kaltverformung erzeugt wurden. 2
Versuch II I
(1) Proben: die gleichen wie bei Versuch I :.n |
(2) Wärmebehandlungsbedingungen: die gleichen wie bei Versuch I. f: Einige der unter den Bedingungen (2) behandelten Proben wurden durch Verdrehen plastisch verformt :;; (bearbeitete Proben), während andere keiner solchen Verformung unterzogen wurden (nicht bearbeitete '" Proben). Beide Arten von Proben wurden einer Wärmebehandlung unter den gleichen Bedingungen, d. h. ff 350° C über 30 min, unterzogen. :> φ
(3) Versuchsergebnisse: |, Die ermittelten Ergebnisse sind in Fig. 4 dargestellt, in welcher die Ordinate die Zugbelastung und die §t Abszisse die Verformung (ε) angibt, m ist die Zugverformungskurve für die bearbeitete Probe und π ist die || Zugverformungskurve für die nicht bearbeitete Probe. Aus Flg. 4 wird deutlich, daß die bearbeitete Probe 'f eine höhere Elastizitätsgrenze und bessere Antl-Krlecheigenschaften als die nicht bearbeitete Probe hat. <" h
Es wurden folgende Versuche an einer Schraubenfeder zum Vergleich der mechanischen Eigenschaften %
zwischen dem Enderzeugnis gemäß der Erfindung und 4n üblicherweise warmverformten Erzeugnissen durchge- £?
führt. Ui
Versuch III ä
(1) Proben: | Durchmesser: 14 mm $» chemische Zusammensetzung: au |] C(%) Mn(%) Si(%) P(SS) S(%) I 0,51 1,56 0,24 0,017 0,006 f
(2) Herstellungsschritte: -|
A. gemäß der Erfindung |f
(a) Schnellerwärmen durch Hochfrequenzinduktion (Temperatur 910° C, Haltezeit 10 see). 4? :|
(b) Schnelles Abschrecken In Wasser (Wassertemperatur 28° C) §
(c) Anlassen mittels Hochfrequenzinduktion (Temperatur 525° C), Sf
(d) unmittelbar folgende schnelle Abkühlung In Wasser (Wassertemperatur 28° C), £f
(e) Kaltverformung in eine Schraubenfeder, t< (0 Wärmebehandlung in einem Elektroofen (Temperatur 350° C, Haltezeit 30 min) ί» 5§ (g) Schleifen beider Enden, §| (h) Kugelstrahlen S (|) Einstellen. i|
B. Übliches Warmverformen: $
(a) Erwärmen in einem Elektroofen (Temperatur 880° C, Haltezeit 15 min), Λ; S1
(b) Warmverformen in eine Schraubenfeder (Temperatur 880° C bis 885° C), I '
(c) Abschrecken im ölbad (öltemperatur 53° C) ■:
(d) Anlassen in einem Elektroofen (Temperatur 400° C, Haltezeit 30 min), ä
(e) Schnellabkühlen In Wasser (Wassertemperatur 28° C) M (0 Schleifen beider Enden, f»
(g) Kugelstrahlen
(h) Einstellen.
Einige der Proben (1) wurden der Behandlung A unterzogen, während andere der Behandlung B unterzogen
wurden. <>>
Die Proben wurden in gleicher Welse bis auf einen Festigkeitswert von 1700 N/mm2 behandelt und in die
folgenden Schraubenfedern geformt:
D/d .. 6
wobei der mittlere Durchmesser D der Spirale = 84 mm und der Drahtdurchmesser d = 14 mm war. Anzahl der wirksamen Windungen Na 5
Gesamtzahl der Windungen Nt 7 Freie Höhe H 220 mm
(3) Versuchsverfahren:
Alle Proben wurden auf einer Dauerbelastungs-Ermüdungsprüfmaschlne zur Bestimmung der Ermüdungsgrenze 2 Millionen Last-Wechseln unterzogen.
(4) Versuchsergebnisse:
ι« Die Ergebnisse waren wie folgt:
Ermüdungsgrenze bei 2 χ 10' Wechseln Mittlere Torsionsspannung Belastungs-Amplitude Erfindung 60 ± 450 N/mm2
übliche Warmverformung 60 ± 380 N/mm2
Es ergibt sich, daß für die gleiche mittlere Torsionsbelastung das Erzeugnis mit der größeren Belastungsamplltude eine größere Dauerfestigkeit aufweist. Damit wurde bestätigt, daß die der Behandlung gemäß der Erfindung unterzogene Probe eine wesentlich größere Dauerfestigkeit als die einer üblichen Warmverformung unterzogene Probe aufweist.
2« Anstelle von Hochfrequenz-Induktion kann die schnelle Erwärmung auch dadurch erreicht werden, daß der Strom direkt durch den Stahl zu dessen Erhitzung durchgeleitet wird.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern, Torsionsstaben oder dergleichen aus Federstahldraht mit 0,1 bis 1,1* Kohlenstoff, 0,3 bis 2,0% Mangan und 0,15 bis 2,5% Silizium durch Erwärmen auf eine Temperatur im Austenitbereich und anschließendes Abschrecken, darauffolgendes Anlassen und Abkühlen, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:
1. das Erwärmen des Drahtes auf eine Temperatur im Austenitbereich erfolgt durch Hochfrequenzinduktion oder im direkten Stromdurchgang mit einer Geschwindigkeit von mehr als 100° C/s;
2. das Anlassen des zuvor abgeschreckten Drahtes erfolgt ebenfalls durch Hochfrequenzinduktion oder im direkten Stromdurchgang mit einer Geschwindigkeit von mehr als 100° C/s auf 300 bis 600° C, wobei diese Temperatur bis zu 60 s gehalten wird;
3. das anschließende Abkühlen des Drahtes erfolgt mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50° C/s;
4. der Draht wird zu Schraubenfedern, Torsionsstäben oder dergleichen kaltverformt und anschließend einer Wärmebehandlung bei 300 bis 500° C während 30 bis 60 min unterzogen.
DE2917287A 1978-04-28 1979-04-27 Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern, Torsionsstäben oder dergleichen aus Federstahldraht Expired DE2917287C2 (de)

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