DE3124977C2

DE3124977C2 -

Info

Publication number: DE3124977C2
Application number: DE3124977A
Authority: DE
Inventors: Yoshiro Akashi Hyogo Jp Yamada; Nobuyasu Itami Hyogo Jp Hatsuoka; Shinzo Kobe Jp Ashida
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1980-06-26
Filing date: 1981-06-25
Publication date: 1987-08-27
Also published as: JPS5925024B2; JPS5713148A; DE3124977A1; US4409026A

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Stahllegierung als Werkstoff zur Herstellung von Aufhängefedern für Fahrzeuge.

Die Verwendung von Stählen des Typs JIS SUP 6-7 als Werkstoff in Form von Stahldrähten zur Herstellung von Aufhängefedern für Fahrzeuge ist bekannt. Wenn im Winter Streusalz verwendet wird, ist es möglich, daß Aufhängefedern zur Ermüdungskorrosion oder zum Verzögerungsbruch infolge von Korrosion neigen. Demgemäß wird von Aufhängefedern, die zu den wichtigsten Sicherheitsteilen von Fahrzeugen gehören, gefordert, daß sie nicht nur ihre Funktion als Aufhängefedern erfüllen, sondern auch zuverlässig sind. Die bisher als Werkstoff zur Herstellung von Aufhängefedern verwendeten Stähle haben in dieser Hinsicht den Nachteil, daß sie eine große bleibende Verformung bei Ermüdung und eine geringe Beständigkeit gegen Ermüdungskorrosion oder Verzögerungsbruch zeigen; und wenn diese Stähle zur Verminderung der bleibenden Verformung wärmebehandelt werden, um ihre Festigkeit zu erhöhen, geht die Zuverlässigkeit des Betriebsverhaltens der daraus hergestellten Aufhängefedern infolge mangelnder Zähigkeit verloren.

Stahldrähte zur Herstellung von Aufhängefedern für Fahrzeuge sind z. B. aus der SE-PS 3 42 475 (korrespondierend zur GB-PS 13 00 210), den US-PS 19 72 524, 23 95 687 und 35 28 088 und der JA-OS 46-19 240 und als sowjetische Standards 60C 2×A und 60C 2×ΦA bekannt.

Aus der DE-OS 14 83 331 sind Stähle mit hoher Härtbarkeit bekannt, die aus:

0,1 bis 1,2 Gew.-% C, 0,005 bis 2,0 Gew.-% Si,
0,2 bis 2,0 Gew.-% Mn, 0,03 bis 0,2 Gew.-% Al,

Rest Eisen, bestehen und wahlweise 0,03 bis 3,0 Gew.-% Cr und ggf. 0,01 bis 0,06 Gew.-% Zr und Ti enthalten. Diese bekannten Stähle, die z. B. als Baustähle verwendet werden können, zeichnen sich dadurch aus, daß sie durch den Zusatz von Al, durch das offenbar die Differenz der 50%-Martensitabstände erhöht werden soll, bezüglich ihrer Härte verbessert sind.

Aus der DE-OS 29 17 287 ist ein kaltverformbarer Stahl bekannt, der neben Fe als obligatorische Bestandteile C, Mn und Si enthält und als fakultative Legierungselemente Cr, Mo, V, B und Nb enthalten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stahl bereitzustellen, der sich als Werkstoff zur Herstellung von Aufhängefedern für Fahrzeuge eignet, die eine geringe bleibende Verformung und einen geringen Relaxationswert bei Raumtemperatur zeigen, eine hohe Ermüdungsfestigkeit besitzen und beständig gegen Verzögerungsbruch sind und eine hohe Zuverlässigkeit ihres Betriebsverhaltens haben, wobei der Stahl z. B. durch Walzen und Ziehen und Herstellung von Aufhängefedern aus dadurch erhaltenen Drähten leicht verarbeitbar sein soll und wobei die statische bleibende Verformung des Stahls vorzugsweise unter 2,58 · 10^-4 liegen soll.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer Stahllegierung, bestehend aus:

0,5 bis 0,7 Gew.-% C, 1,3 bis 1,6 Gew.-% Si,
0,1 bis 1,0 Gew.-% Mn, 0,3 bis 0,55 Gew.-% Cr,
0,03 bis 0,5 Gew.-% V, 0,02 bis 0,1 Gew.-% Al,

Rest Eisen sowie unvermeidbaren Verunreinigungen, in Form eines abgeschreckten und getemperten Stahls, dessen Mikrostruktur in Form von getempertem Martensit vorliegt, als Werkstoff zur Herstellung von Aufhängefedern für Fahrzeuge gelöst.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung enthält die erfindungsgemäß verwendete Stahllegierung zusätzlich wenigstens 0,02 bis 0,1 Gew.-% Zr, 0,02 bis 0,1 Gew.-% Nb und/ oder 0,02 bis 0,1 Gew.-% Ti.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Si-Gehalt von Stählen und der statischen bleibenden Verformung, die in dem Stahl durch Anwendung einer statischen Belastung ausgebildet wird.

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Cr-Gehalt von Stählen und der statischen bleibenden Verformung, die in dem Stahl durch Anwendung einer statischen Belastung ausgebildet wird.

Fig. 3 und Fig. 7 zeigen eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Al-Gehalt von Stählen und der statischen bleibenden Verformung, die in dem Stahl durch Anwendung einer statischen Belastung ausgebildet wird.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Si-Gehalt von Stählen und der dynamischen bleibenden Verformung, die in dem Stahl durch Anwendung einer dynamischen Belastung ausgebildet wird.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Cr-Gehalt von Stählen und der dynamischen bleibenden Verformung, die in dem Stahl durch Anwendung einer dynamischen Belastung ausgebildet wird.

Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Al-Gehalt von Stählen und der dynamischen bleibenden Verformung, die in dem Stahl durch Anwendung einer dynamischen Belastung ausgebildet wird.

Im Rahmen der Erfindung werden die Mengenbereiche der Legierungselemente aus folgenden Gründen wie vorstehend definiert:

Si (Silicium) ist ein Element, das billig ist und hinsichtlich der Verbesserung der Beständigkeit von Spiralfedern, die durch Abschreck- und Temper- und/oder Öltemperbehandlungen erhalten werden, gegen bleibende Verformung effektiv ist. Si-Mengen von weniger als 1,3 Gew.-% führen zu viel geringeren Effekten. Wenn die Si-Menge 1,6 Gew.-% überschreitet, wird die Zähigkeit der abgeschreckten und getemperten Stähle beeinträchtigt, und dies trifft sogar nach dem Heißwalzen der Stähle zu. Diese Neigung erscheint in ähnlicher Weise beim gesteuerten Walzen und ferner beim gesteuerten Abkühlen nach dem Walzen. Si dient zur Erhöhung der Aktivität von C und erleichtert die Entkohlung der gewalzten und wärmebehandelten Stähle, jedoch verursacht es die Bildung von nichtmetallischen Einschlüssen während des Verlaufs der Stahlherstellung, so daß die Zuverlässigkeit des Betriebsverhaltens einer Aufhängefeder erniedrigt wird. Demgemäß wird die Menge von Si in einem Bereich von 1,3 bis 1,6 Gew.-% der Stahllegierung gehalten, und ein Grund hierfür wird anschließend experimentell erläutert.

Wenn Cr (Chrom) in großen Mengen zugegeben wird, zeigt es eine Neigung zur Erhöhung des Relaxationswertes von Stählen, die abgeschreckt und getempert worden sind, jedoch ergeben geringere Mengen als 0,55 Gew.-% einen geringeren Einfluß auf den Relaxationswert. Daneben führt Cr zur geringfügigen Beeinträchtigung der Zähigkeit von Stählen, die abgeschreckt und getempert worden sind; jedoch ist sein Einfluß gering, wenn die Menge weniger als 0,55 Gew.-% beträgt. Andererseits verleiht Cr den heißgewalzten Stählen Zähigkeit und gewährleistet die Stabilität und Zuverlässigkeit eines Drahtziehverfahrens nach dem Heißwalzen ohne Einschluß irgendeiner Wärmebehandlung. In diesem Zusammenhang zeigen kleinere Mengen als 0,3 Gew.-% einen relativ kleinen Effekt. Im Gegensatz dazu sind größere Mengen als 0,55 Gew.-% insoweit nachteilig, als die Härtbarkeit steigt, was sich in einer starken Neigung dazu zeigt, daß der Stahl beim Heißwalzen in die Bainit- oder Martensitstruktur mit der begleitenden Beeinträchtigung der Zähigkeit umgewandelt wird. Diese Neigung zeigt sich in gleicher Weise beim gesteuerten Walzen und beim gesteuerten Kühlen nach dem Heißwalzen. Cr bewirkt eine Erniedrigung der Aktivität von C und ist zur Verhinderung der Entkohlung während der Dauer der Wärmebehandlung brauchbar, so daß es zur Erhöhung der Qualitätszuverlässigkeit beiträgt. Diese Effekte sind nicht signifikant, wenn die Mengen bei weniger als 0,3 Gew.-% liegen. Demgemäß liegt die Cr-Menge im allgemeinen im Bereich von 0,3 bis 0,55 Gew.-%.

V (Vanadium) ist ein Element, das zur Erhöhung der Beständigkeit gegen bleibende Verformung beiträgt, und es ist zur Verhinderung der Entkohlung ähnlich wie Cr geeignet. Vanadium wird zu den Stählen hinzugesetzt, damit die Kristallkörper gereinigt werden, um dem Stahl Zähigkeit zu verleihen und die Beständigkeit gegen Verzögerungsbruch zu verbessern, so daß damit die Zuverlässigkeit des Betriebsverhaltens verbessert wird. Geringere Mengen als 0,03 Gew.-% führen zu einem verminderten Effekt, während größere Mengen als 0,5 Gew.-% nicht günstig sind, weil Vanadium teuer ist und ferner beim Stahlherstellungsverfahren Schwierigkeiten auftreten können. Demgemäß liegt die Menge von V im Bereich von 0,03 bis 0,5 Gew.-%.

C (Kohlenstoff) ist ein notwendiger Bestandteil, um den Stahldrähten bei Raumtemperatur Festigkeit zu verleihen, jedoch wird eine Begrenzung der Menge von C notwendig, wenn hohe Festigkeiten neben geringem Gewicht der Fahrzeuge erforderlich sind. Weniger als 0,5 Gew.-% führen nicht zu befriedigenden Festigkeiten der Drähte, und Mengen über 0,7 Gew.-% sind ungünstig, weil die Zähigkeit beeinträchtigt wird. Demgemäß wird die Menge von C im Bereich von 0,5 bis 0,7 Gew.-% festgelegt.

Mn (Mangan) ist ein Bestandteil, der für den Ausschluß des nachteiligen Effektes von S (Schwefel) und ferner bei der Desoxidation brauchbar ist, jedoch zeigt Mangan einen geringen Effekt, wenn es in Mengen von weniger als 0,1 Gew.-% verwendet wird. Mn dient kaum zur Verbesserung der Beständigkeit gegen bleibende Verformung. Wenn seine Menge 1 Gew.-% überschreitet, erhöht sich die Härtbarkeit beim Heißwalzen, was zu einer starken Neigung dazu führt, daß die Stahlstruktur in Bainit oder Martensit umgewandelt wird. Als Folge wird die Zähigkeit so gering, daß die Leichtigkeit und die Stabilität bei der Herstellung von Stahldrähten behindert wird. Demgemäß wurde die Menge von Mn im Bereich von 0,1 bis 1 Gew.-% festgelegt. Die vorstehend erwähnte Neigung zeigt sich in ähnlicher Weise beim gesteuerten Kühlen nach dem Heißwalzen oder beim gesteuerten Walzen.

Al (Aluminium) dient zur Kornverfeinerung durch Verbindung mit Stickstoff im Stahl und verleiht dem Stahl Zähigkeit zusammen mit einer steigenden Beständigkeit gegen bleibende Verformung. Diese Effekte werden nicht entwickelt, wenn die Menge geringer als 0,02 Gew.-% ist. Größere Mengen als 0,1 Gew.-% führen zu Schwierigkeiten beim Stahlherstellungsprozeß. Dementsprechend wird die Menge von Al im Bereich von 0,02 bis 0,1 Gew.-% festgelegt.

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, warum die Mikrostruktur des erfindungsgemäß verwendeten Stahls in Form von getempertem Martensit vorliegen muß.

Die Stahllegierung, die die vorstehend beschriebenen Legierungselemente enthält, zeigt befriedigende Eigenschaften für die Verwendung als Werkstoff zur Herstellung von Aufhängefedern für Fahrzeuge. Zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften und der Zuverlässigkeit des Werkstoffs ist es bevorzugt, eines oder mehr als eines der Elemente Zr, Nb und Ti zu der Stahllegierung hinzuzufügen. Diese fakultativen Legierungselemente werden anschließend beschrieben.

Zr, Nb und Ti zeigen ähnliche Effekte wie Al, und sie werden entsprechend in Mengen von 0,02 bis 0,1 Gew.-% verwendet, da geringere Mengen als 0,02 Gew.-% nicht wirksam sind, während größere Mengen als 0,1 Gew.-% zu Schwierigkeiten beim Stahlherstellungsprozeß führen.

Wenn die erfindungsgemäß verwendeten Stähle Reinigungsbehandlungen unterzogen werden, beispielsweise durch Zugabe von Ca oder Seltenerdelementen zu Gußeisen oder geschmolzenem Stahl und Einblasen von Ar-Gas in Gußeisen oder geschmolzenem Stahl, um Reinstahl zu erzielen und um den Gehalt an Verunreinigungselementen und nichtmetallischen Einschlüssen herabzusetzen oder um eine Seigerung abzuschwächen, beispielsweise durch Desoxidation, Entschwefelung, Entphosphorung od. dgl., entstehen keine nachteiligen Einflüsse auf die Stähle, und somit können Stähle, die diesen Behandlungen ausgesetzt werden, ebenfalls erfindungsgemäß verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele näher erläutert.

Zum Vergleich der bleibenden Verformung von Spiralfedern, die aus üblicherweise für Aufhängefedern verwendeten Stahldrähten und Drähten aus erfindungsgemäß verwendetem Stahl hergestellt wurden, wurden statische und dynamische Tests bei Raumtemperatur durchgeführt. Ferner wurde die Verzögerungsbrucheigenschaft von ölgetemperten Drähten überprüft. Zu diesem Zweck wurden 23 in Tabelle I gezeigte Stähle hergestellt und geeigneten Abschreck- und Temperungsbehandlungen unterzogen, so daß die Zugfestigkeit 1,81 kN/mm² betrug.

Beispiel 1

Erfindungsgemäß zu verwendende Stähle B, C, D und F und Vergleichsstähle A, E, G, H, I und J mit der in nachstehender Tabelle gezeigten Zusammensetzung wurden hergestellt und jeweils zur Herstellung einer Spiralfeder mit einer Federkonstanten von 2,5 verwendet und bei einer Beanspruchung von 1,18 kN/mm² verformt bzw. gedehnt. Jede Spiralfeder wurde einem statischen Test zur Prüfung der bleibenden Verformung unterzogen, bei dem eine konstante Beanspruchung von 1,08 kN/mm² kontinuierlich über einen Zeitraum von 114 h bei Raumtemperatur auf die Federprobe ausgeübt wurde, wobei die in der Tabelle und in den Fig. 1 bis 3 aufgeführten Ergebnisse erhalten wurden. Die Fig. 1 bis 3 zeigen die Beziehung zwischen der bleibenden Verformung und den Gehalten von Si, Cr bzw. Al, aus denen ersichtlich ist, daß die aus den erfindungsgemäß verwendeten Stählen hergestellten Spiralfedern denjenigen aus den Vergleichsstählen überlegen sind. Ferner ergibt sich aus Fig. 1, daß bezüglich der bleibenden Verformung der Si-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 1,3 bis 1,6 Gew.-% liegt. Aus Fig. 2 ergibt sich, daß der Cr-Gehalt vorzugsweise unter 0,55 Gew.-% und insbesondere im Bereich von 0,3 bis 0,55 Gew.-% liegt.

Beispiel 2

Spiralfedern aus erfindungsgemäß verwendetem Stahl und Vergleichsfedern, die in gleicher Weise wie in Beispiel 1 erhalten wurden, wurden einer wiederholten Beanspruchung ausgesetzt, so daß die mittlere Beanspruchung 637 N/mm² und die Amplitude der Beanspruchung 490 n/mm² (dynamischer Test) betrug. Die bleibende Verformung jeder Federprobe, die der Beanspruchung 200 000mal bei Raumtemperatur ausgesetzt wurde, ist in Tabelle I und in den Fig. 4 bis 6 gezeigt, in denen die Beziehungen zwischen der bleibenden Verformung und den Gehalten von Si, Cr bzw. Al aufgeführt sind. Aus der Tabelle und den Figuren ergibt sich, daß die aus den erfindungsgemäß verwendeten Stählen B, C, D und F hergestellten Spiralfedern besser als solche der Vergleichsstähle A, E, G, H, I und J sind, und daß ähnliche Tendenzen im Hinblick auf die Verformungseigenschaften in Beziehung zu den Gehalten der entsprechenden Legierungselemente beobachtet werden.

Beispiel 3

Spiralfedern wurden aus den erfindungsgemäß verwendeten Stählen B und D und den Vergleichsstählen G, H, I und J in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und jeweils einem Ermüdungstest unterzogen, bei dem jede Federprobe wiederholt einer dynamischen Beanspruchung ausgesetzt wurde, bis sie bei Raumtemperatur zerbrochen war oder bis die Zahl der Wiederholungen 350 000 erreichte, und zwar mit der Maßgabe, daß die mittlere Beanspruchung 637 N/mm² und die Amplitude der Beanspruchung 490 N/mm² betrug. Die in der Tabelle aufgeführten Testergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäß verwendeten Stähle B und D die gleiche Dauerfestigkeit wie oder eine höhere Dauerfestigkeit als die Vergleichsstähle G, H, I und J zeigen.

Beispiel 4

Aus den erfindungsgemäß verwendeten Stählen B und D und den Vergleichsstählen G, H, I und J wurde ein ölgetemperter Draht mit einer Zugfestigkeit von 1,81 kN/mm² hergestellt und einer Biegebeanspruchung ausgesetzt, so daß der Krümmungsradius 0,5 cm betrug, und die Drahtprobe wurde einen Monat lang in Wasser stehengelassen, wodurch der Verzögerungsbruch im Wasser bestimmt wurde. Aus den in der Tabelle aufgeführten Testergebnissen geht hervor, daß die erfindungsgemäß verwendeten Stähle B und D eine bessere Beständigkeit gegen Verzögerungsbruch als die Vergleichsstähle G, H, I und J haben.

Die in Tabelle I angegebene bleibende Verformung (γ) wurde durch die folgende Gleichung erhalten:

worin

d:Drahtdurchmessern:Zahl der aktiven SpiralenD:mittlerer Durchmesser einer SpiraleG:SchubelastizitätsmodulH₁:freie Höhe vor dem Test H₂:freie Höhe nach dem Test

Tabelle I

Beispiel 5 (nachgereicht)

Zur Verdeutlichung des Effekts des Al-Gehaltes auf die erfindungsgemäß verwendeten Stähle wurde die statische bleibende Verformung von Stählen in Abhängigkeit vom Al-Gehalt wie in Beispiel 1 untersucht. Die Zusammensetzung der verwendeten Stähle ist in Tabelle II angegeben, wobei die statische bleibende Verformung in Fig. 7 verdeutlicht ist. Aus diesem Untersuchungsergebnis geht hervor, daß die statische bleibende Verformung ganz beträchtlich verbessert werden kann, wenn der Al-Gehalt im erfindungsgemäß beanspruchten Bereich eingestellt wird.

Tabelle II

Claims

1. Verwendung einer Stahllegierung, bestehend aus: 0,5 bis 0,7 Gew.-% C, 1,3 bis 1,6 Gew.-% Si,
0,1 bis 1,0 Gew.-% Mn, 0,3 bis 0,55 Gew.-% Cr,
0,03 bis 0,5 Gew.-% V, 0,02 bis 0,1 Gew.-% Al,Rest Eisen sowie unvermeidbaren Verunreinigungen, in Form eines abgeschreckten und getemperten Stahls, dessen Mikrostruktur in Form von getempertem Martensit vorliegt, als Werkstoff zur Herstellung von Aufhängefedern für Fahrzeuge.

2. Verwendung des Stahls nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1, wobei die Stahllegierung zusätzlich wenigstens 0,02 bis 0,1 Gew.-% Zr, 0,02 bis 0,1 Gew.-% Nb und/oder 0,02 bis 0,1 Gew.-% Ti enthält.

3. Verwendung des Stahls nach Anspruch 1 oder 2 für den Zweck nach Anspruch 1, wobei der Mn-Gehalt im Bereich von 0,1 bis 0,6 Gew.-% liegt.