DE3832434A1

DE3832434A1 - Stahlfeder mit hoher festigkeit

Info

Publication number: DE3832434A1
Application number: DE3832434A
Authority: DE
Inventors: Makoto Abe; Tetsuyuki Taniguchi; Tsuyoshi Kuriki; Noritoshi Takamura; Naoki Terakado; Kaoru Hatayama
Original assignee: NHK Spring Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1988-09-23
Publication date: 1989-04-20
Anticipated expiration: 2008-09-24
Also published as: US4909866A; GB2210299A; JPS6483644A; JP2613601B2; GB8822448D0; GB2210299B; DE3832434C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Stahlfeder mit hoher Festigkeit, die eine starke Ermüdungsbelastung aushält, sie betrifft insbesondere eine Stahlfeder mit hoher Festigkeit, die als Ventilfeder für eine Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor) verwendet werden kann.

Unter den bisher bekannten Federn mit hoher Festigkeit wurde eine Ventilfeder für eine Brennkraftmaschine (Verbren nungsmotor) bisher aus einem Material wie SWO-V (Feder stahldraht gemäß JIS [Japanese Industrial Standard] G 3561), SWOCV-V (Federstahldraht gemäß JIS G 3565) und SWOSC-V (Federstahldraht gemäß JIS G 3566) hergestellt.

Zu diesem Zweck hat man kürzlich begonnen, solche aus Super-SWOSC-V (nachstehend als SWOSC-V* bezeichnet) zu ver wenden, die eine verbesserte Festigkeit aufweisen, die er zielt wurde durch weitere Herabsetzung des Gehaltes an Ein schlüssen in dem o. g. Material SWOSC-V.

Obgleich das Material SWOSC-V* in bezug auf die Festigkeit beträchtlich verbessert ist gegenüber dem Material SWOSC-V, weist es immer noch eine unzureichende Festigkeit auf, um eine Ventilantriebskette bei der maximalen Betriebsgeschwin digkeit und die Reibung in ausreichendem Maße zu verbessern, um dadurch den gewünschten hohen Wirkungsgrad und einen nierigen Kraftstoffverbrauch des zugeordneten Motors zu er zielen.

Man ist daher eifrig bemüht, eine neue Ventilfeder zu ent wickeln, die kompakt in ihrer Größe ist, ein geringes Ge wicht und eine hohe Festigkeit aufweist sowie eine stabile Qualität besitzt und im Betrieb sehr zuverlässig ist.

Gegenstand der Erfindung ist eine neue Stahlfeder mit hoher Festigkeit, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Stahl die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) hat:

Kohlenstoff
0,6 bis 0,7%
Silicium	1,2 bis 1,6%
Mangan	0,5 bis 0,8%
Chrom	0,5 bis 0,8%
Vanadin, Molybdän, Niob und/oder Tantal	0,5 bis 0,2% (Gesamtmenge)
Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen

wobei die Teilchengröße der nichtmetallischen Einschlüs se des Stahls in der Weise begrenzt ist, daß die maximale Teilchengröße der nichtmetallischen Einschlüsse 15 µm beträgt;
an die Feder in einem Abschnitt benachbart zu ihrer äußeren Oberfläche eine Druckeigenspannnung in der Weise angelegt wird, daß das Maximum der Druckeigenspannung in dem Bereich von 85 bis 110 kgf/mm² liegt; und
die Feder weiter bearbeitet ist, so daß sie eine Oberflä chenrauheit 15 µm aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Her stellung einer Stahlfeder mit hoher Festigkeit, insbesondere einer solchen, wie sie vorstehend charakterisiert ist, das die folgenden Stufen umfaßt:
Herstellung eines Stahls, der besteht aus

0,6 bis 0,7 Gew.-% Kohlenstoff
1,2 bis 1,6 Gew.-% Silicium
0,5 bis 0,8 Gew.-% Mangan
0,5 bis 0,8 Gew.-% Chrom
0,05 bis 0,2 Gew.-% Vanadin, Molybdän, Niob und/oder Tantal (Gesamtmenge) und
Rest Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen,

wobei die maximale Teilchengröße der nichtmetallischen Ein schlüsse so begrenzt ist, daß sie 15 µm beträgt;
Herstellung der Feder aus dem Stahl;
Anlegen einer Druckeigenspannung (Resultat Compression Stress) an die Feder in einem Abschnitt benachbart zu ihrer äußeren Oberfläche in der Weise, daß das Maximum der Druck eigenspannung in dem Bereich von 85 bis 110 kgf/mm² liegt; und
Bearbeitung der Feder in der Weise, daß ihre Oberfächen rauheit 15 µm beträgt.

Mit der o. g. erfindungsgemäßen Feder und dem Verfahren zu ihrer Herstellung können die weiter oben genannten Anforderungen alle erfüllt werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue Feder mit einer hohen Festigkeit zu schaffen, die sehr stark ist, so daß sie eine besonders hohe Ermüdungsbe lastung aushält. Ziel der Erfindung ist es ferner, eine neue Feder mit hoher Festigkeit mit den o. g. Merkmalen zu schaffen, die eine Ventilkette bei der maximalen Betriebs geschwindigkeit und die Reibung in ausreichendem Maße ver bessern kann, um dadurch den Wirkungsgrad und den Kraft stoffverbrauch des damit verbundenen Motors zu verbessern. Ziel der Erfindung ist es ferner, eine neue Feder mit hoher Festigkeit mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen zu schaffen, die eine kompakte Größe, ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit aufweist sowie eine stabile Quali tät besitzt und im Betrieb sehr zuverlässig ist.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, in dem das experimentelle Ergebnis der Beziehung zischen der maximalen Korngröße oder Teilchengröße der in einem Federmaterial ent haltenen nichtmetallischen Einschlüsse und der Ermüdungsgrenze des Federmaterials dargestellt ist;

Fig. 2 ein Diagramm, in dem das experimentelle Ergebnis der Beziehung zwischen der maximalen Druckeigen spannung und der Ermüdungsgrenze von Federn dar gestellt ist, wenn die Oberflächenrauheit der Fe dern im wesentlichen konstant gehalten wird; und

Fig. 3 ein Diagramm, welches das experimentelle Ergebnis der Beziehung zwischen der Oberflächenrauhheit und der Ermüdungsgrenze von Federn darstellt, wenn die maximale Druckeigenspannung an den Federn im wesentlichen konstant gehalten wird.

Die erfindungsgemäße Feder mit hoher Festigkeit besteht aus einem Material, das wie folgt zusammengesetzt ist:

0,6 bis 0,7 Gew.-% C
1,2 bis 1,6 Gew.-% Si
0,5 bis 0,8 Gew.-% Mn
0,5 bis 0,8 Gew.-% Cr
0,05 bis 0,2 Gew.-% V, Mo, Nb und/oder Ta (Gesamtmenge) und
Rest Fe und unvermeidliche Verunreinigungen.

Das Material weist eine begrenzte Teilchengröße für die nichtmetallischen Einschlüsse in der Weise auf, daß die maximale Teilchengröße der nichtmetallischen Einschlüsse 15 µm ist. An die Feder wird eine Druckeigenspannung in der Weise angelegt, daß die maximale Druckeigenspannung in dem Abschnitt der Feder benachbart zu ihrer äußeren Ober fläche 85 bis 110 kgf/mm² beträgt. Die Feder wird ferner so so bearbeitet, daß sie eine Oberflächenrauheit R _max von 15 µm aufweist.

Die Einflüsse der jeweiligen Legierungselemente und die Gründe für die Begrenzungen der Mengen der jeweiligen Ele mente sind nachstehend beschrieben. Es sei darauf hinge wiesen, daß in der nachstehenden Beschreibung die Mengen der jeweiligen Elemente in dem Federmaterial jeweils in Gew.-% angegeben sind.

(1) Kohlenstoff: 0,6 bis 0,7 Gew.-%

Kohlenstoff ist ein unerläßliches Element, um einer Feder Festigkeit zu verleihen. Wenn der Kohlenstoffgehalt unter 0,6% liegt, kann keine ausreichende Festigkeit erzielt werden. Wenn der Kohlenstoffgehalt andererseits 0,7% über steigt, ist die Zähigkeit vermindert, wodurch die Produk tivität beeinträchtigt wird. Aus diesem Grunde beträgt der geeignete Bereich des Kohlenstoffgehaltes 0,6 bis 0,7%.

(2) Silicium: 1,2 bis 1,6%

Silicium ist ein Element mit einem verhältnismäßig niedri gen Preis und damit kann die Ferrit-Festigkeit wirksam er höht werden und gleichzeitig werden die Abstände zwischen den benachbarten Carbiden nach einem Öltemperprozeß verrin gert, um dadurch die Beständigkeit der Feder gegen blei bende Verformung zu verbessern. Wenn jedoch der Siliciumge halt unter 1,2% liegt, kann kein ausreichender Effekt er zielt werden, wenn er andererseits 1,6% übersteigt, wird dadurch nicht nur die Zähigkeit der Feder verringert, son dern es wird auch die Decarburierung gefördert, die eine Ur sache für die Bildung von nichtmetallischen Einschlüssen während der Stahlherstellungsverfahren ist, und dadurch werden die Festigkeit und die Zuverlässigkeit vermindert. Aus diesem Grunde liegt ein geeigneter Siliciumbereich bei 1,2 bis 1,6%.

(3) Mangan: 0,5 bis 0,8%

Mangan ist ein Element, das wirksam ist in bezug auf die Fi xierung von Schwefel, um dadurch verursachte Schäden zu verhindern, und das auch wirksam ist in bezug auf die Desoxidation. Wenn jedoch der Mangangehalt unter 0,5% liegt, ist seine Wirksamkeit unzureichend. Wenn er anderer seits 0,8% übersteigt, nimmt die Härtbarkeit zu, so daß die Kristallform des Federmaterials während des warmem Aus walzens dazu neigt, in Bainit oder Martensit überzugehen, wodurch die Zähigkeit und die Leichtigkeit und Stabilität der Produktion vermindert werden. Aus diesem Grunde liegt ein geeigneter Manganbereich bei 0,5 bis 0,8%.

(4) Chrom: 0,5 bis 0,8%

Chrom ist ein Element, das dem Federmaterial Zähigkeit ver leiht, wenn es nach dem warmen Auswalzen einer Glättungs- Behandlung unterzogen wird, und das die Beständigkeit gegen Weichwerden beim Tempern erhöht bei Durchführung einer Öltem perbehandlung, um dadurch eine hohe Festigkeit zu erzielen. Chrom ist ferner wirksam zur Herabsetzung der Kohlenstoffak tivität und zur Verhinderung der Decarburierung bei der Wärmebehandlung. Wenn jedoch der Chromgehalt unter 0,5% liegt, ist seine Wirksamkeit zu gering. Wenn er anderer seits 0,8% übersteigt, wird nicht nur die Beständigkeit gegen blei bende Verformung vermindert, sondern auch die Härtbarkeit wird übermäßig stark erhöht, wodurch die Zähigkeit herab gesetzt wird. Aus diesem Grunde liegt ein geeigneter Be reich für den Chromgehalt bei 0,5 bis 0,8%.

(5) Eines oder mehrere der Elemente Vanadin, Molybdän, Niob und Tantal: 0,05 bis 0,2% (Gesamtmenge)

Vanadin, Molybdän, Niob und Tantal sind Elemente, die be sonders wirksam sind in bezug auf die Verbesserung der Be ständigkeit gegen bleibende Verformung und in bezug auf die Verhinderung der Decarburierung ähnlich wie Chrom. Außerdem weisen sie eine beträchtliche Wirksamkeit auf in bezug auf die Verfeinerung des Korns und in bezug auf die Erhöhung der Zähigkeit des Federmaterials, um dadurch die Zuverlässig keit zu erhöhen. Wenn ihr Gehalt unter 0,05% liegt, ist die Wirksamkeit unzureichend. Wenn andererseits ihr Gehalt 0,2% übersteigt, werden die Kosten zu hoch und die Handha bung bei der Herstellung wird schwierig. Aus diesem Grunde liegt ein geeigneter Bereich des Gehaltes an einem oder meh reren der Elemente Vanadin, Molybdän, Niob und Tantel bei 0,05 bis 0,2% (Gesamtmenge).

Der Grund für die Beschränkung der Größe der nichtmetalli schen Einschlüsse auf einen Wert 15 µm ist folgender:

Im Vergleich zu dem bekannten Material SWOSC-V weist der Stahl, der zur Herstellung der erfindungsgemäßen Feder mit hoher Festigkeit verwendet wird, einen erhöhten Gehalt an Kohlenstoff auf und er ist zusätzlich mit einem oder mehre ren der Elemente V, Mo, Nb und Ta versetzt, um dadurch die Festigkeit zu erhöhen. Deshalb ist die Kerbempfindlichkeit erhöht, und wenn Einschlüsse mit einer großen Teilchengröße in dem Material enthalten sind, ist die Ermüdungsfestigkeit auch vermindert. Aus diesem Grunde ist es zur Erzielung ei ner Feder mit hoher Festigkeit und hoher Zuverlässigkeit unerläßlich, die Teilchengröße der nichtmetallischen Ein schlüsse zu spezifizieren. Aufgrund verschiedener Unter suchungen wurde gefunden, daß dann, wenn es möglich, ist, die Teilchengröße der nichtmetallischen Einschlüsse auf einen Wert unter 0,15 µm einzustellen, der Gehalt an den nichtmetallischen Einschlüssen entsprechend vermindert werden kann, wodurch die Abnahme der Ermüdungsfestigkeit unter dem Einfluß der nichtmetallischen Einschlüsse geringer sein kann. Aus diesem Grunde ist es erwünscht, daß die maximale Teilchengröße der nichtmetallischen Einschlüsse auf 15 µm beschränkt ist.

Obgleich die erfindungsgemäße Feder mit hoher Festigkeit aus einem Stahl mit der vorstehend angegebenen Zusammen setzung und der vorstehend angegebenen Art besteht, bei der die Teilchengröße der nichtmetallischen Einschlüsse in dem Stahl auf die vorstehend beschriebene Weise be schränkt ist, kann dadurch noch nicht die gewünschte hohe Festigkeit erzielt werden und sie muß einem Stahlsand blasen (Shot Peening) oder dgl. unterzogen werden, um die gewünschte Druckeigenspannung (Residual Compression Stress) in dem Abschnitt benachbart zu ihrer äußeren Oberfläche an zulegen. Da die erfindungsgemäße Feder mit hoher Festigkeit außerdem eine hohe Kerbempfindlichkeit aufweist, wird da durch bewirkt, daß trotz des Anlegens der Druckeigenspan nung das Phänomen auftritt, daß die Ermüdungsfestigkeit abnimmt mit steigender Oberflächenrauheit.

Daher sind in der erfindungsgemäßen Feder mit hoher Festig keit die nachstehend angegebenen Beschränkungen in bezug auf die Oberflächenrauheit und die Druckeigenspannung in dem Ab schnitt der Feder benachbart zu ihrer äußeren Oberfläche er forderlich.

Der Grund für die Beschränkung in bezug auf die maximale Druckeigenspannung in dem Abschnitt der Feder benachbart zu ihrer äußeren Oberfläche, die innerhalb des Bereiches von 85 bis 110 kgf/mm² liegen muß, ist folgender:

Die Druckeigenspannung in dem Abschnitt der Feder benach bart zu ihrer äußeren Oberfläche hat einen beträchtlichen Einfluß auf die Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit. Wenn je doch die maximale Druckeigenspannung an der äußeren Ober fläche und benachbart zur äußeren Oberfläche weniger als 85 kgf/mm² beträgt, wird eine ausgeprägte Erhöhung der Er müdungsfestigkeit nicht erzielt. Aus diesem Grunde muß an die Feder eine maximale Druckeigenspannung angelegt werden, die 85 kgf/mm² ist, durch Anwendung eines Stahlsandblas verfahrens oder dgl. Wenn jedoch die maximale Druckeigen spannung 110 kgf/mm² übersteigt, wird dadurch nicht nur die Herstellung erschwert, sondern es wird auch die Zuverlässig keit der Federbetriebseigenschaften vermindert. Außerdem wird auch die Oberflächenrauheit, wie nachstehend beschrieben, vermindert, wodurch die Ermüdungsfestigkeit in nachteiliger Weise herabgesetzt wird. Aus diesem Grunde liegt ein geeigneter Bereich für die maximale Druckeigenspannung benachbart zur äußeren Oberfläche der Feder bei 85 bis 110 kgf/mm².

Der Grund für die Beschränkung der Oberflächenrauheit R _max auf einen Wert von 15 µm ist folgender:

Die Glättung der Oberfläche der Feder, d. h. die Erzielung einer geringen Oberflächenrauheit ist von beträchtlicher Wirksamkeit in bezug auf die Erhöhung der Ermüdungsfestig keit der erfindungsgemäßen Feder mit hoher Festigkeit. Wenn die Oberflächenrauheit R _max 15 µm übersteigt, ist eine deutliche Abnahme der Ermüdungsfestigkeit feststellbar. Aus diesem Grunde ist eine geeignete Oberflächenrauheit R _max 15 µm. Bei einer Oberflächenrauheit R _max von weniger als 5 µm kann die Ermüdungsfestigkeit nur sehr wenig anstei gen, dadurch wird jedoch die Erzielung einer einheitlichen und stabilen Produktion erschwert. Im Hinblick auf die Mas senproduktivität liegt ein geeigneter Bereich für die maxi male Oberflächenrauheit R _max bei 5 bis 15 µm.

Obgleich die erfindungsgemäße Feder mit hoher Festigkeit besonders gut geeignet ist als Ventilfeder für eine Brenn kraftmaschine (Verbrennungsmotor) und in einem solchen Fal le in Form einer Spiralfeder vorliegt, ist die Erfindung keineswegs darauf beschränkt und die erfindugnsgemäße Feder mit hoher Festigkeit kann auch eine beliebige andere Form als die einer Spiralfeder haben.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Spiral federn für Brennkraftmaschinen (Verbrennungsmotoren) anhand von erfindungsgemäßen Beispielen zusammen mit Vergleichsbei spielen (Stand der Technik) näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Beispiele

In der folgenden Tabelle I sind 5 erfindungsgemäße Beispiele A, B, C, D und E und zwei Vergleichsbeispiele F und G ange geben, die jeweils aus den in der Tabelle I genannten Stählen bestehen. Bei den Stählen handelt es sich um Öltemper-Drähte, aus denen Ventilfedern hergestellt werden, um ihre jeweili gen Haltbarkeiten zu testen durch Messung ihrer mechanischen Eigenschaften bei Raumtemparatur und ihre Ermüdungseigen schaften bei Raumtemperatur. Die Materialien SWOSC-V und SWOSC-V* dienen in der Tabelle als Vergleichsmaterialien.

Zuerst wurden Drähte mit einem Durchmesser von 4 mm mit den Zusammensetzungen der Beispiele A, B, C, D und E und der Ver gleichsbeispiele F und G, wie sie in der Tabelle I angegeben sind, hergestellt und es wurden Versuche durchgeführt, um ih re Zugfestigkeit δ _B (kgf/mm²) und die Einschnürung bzw. Abnahme der Quer schnittsfläche R _A (%), wenn eine Öltemperung unter variierenden Bedingungen durchgeführt wird, zu bestimmen.

Der Federdraht mit einer höheren Zugfestigkeit ist vorteil hafter, wenn er als Ventilfeder verwendet wird. Normalerweise nimmt mit steigender Zugfestigkeit die Abnahme der Quer schnittsfläche R _A ab, wodurch die Kaltaufwickeleigenschaften beeinträchtigt (verschlechtert) werden. Außerdem ist es im Falle der Herstellung einer Ventilfeder aus einem Federdraht mit einem typischen Durchmesser von 4 mm im Hinblick auf die Produktivität erwünscht, daß die Abnahme der Querschnittsflä che R _A 40% beträgt.

Experiment 1

Die Experimente wurden mit den erfindungsgemäßen Beispielen und mit den Vergleichsbeispielen durchgeführt, um die maxi malen Zugfestigkeiten zu bestimmen, wenn R _A = 40%.

Maximale Zugfestigkeiten der verschiedenen Öltemper-Drähte, wenn R _A = 40%
Typ
Zugfestigkeit (kg/mm²)
Beispiel A
209
Beispiel B	212
Beispiel C	214
Beispiel D	215
Beispiel E	218
Vergleichsbeispiel F	197
Vergleichsbeispiel G	199

Wie aus den in der Tabelle II angegebenen Ergebnissen hervor geht, ist es mit allen erfindungsgemäßen Beispielen A, B, C, D und E möglich, eine hohe Festigkeit zu erzielen, die für die Verwendung als Ventilfeder geeignet ist.

Jeder der Öltemperdrähte, welche die in der Tabelle II ange gebenen maximalen Zugfestigkeiten bei R _A = 40% aufweisen, wurde zu einer Spiralfeder mit einer Federkonstante (K) von 6,0 kgf/mm² geformt und danach, je nach Bedarf, einem zwei stufigen Stahlsandblasen unterworfen. Nach dieser Behandlung wiesen die erfindungsgemäßen Beispiele A, B, C, D und E und die Vergleichsbeispiele F und G jeweils eine maximale Druck eigenspannung von 95 ± 1 kgf/mm² und eine maximale Oberflächen rauheit R _max von 10 ± 1 µm auf. Im Falle der Vergleichs beispiele F und G war es jedoch nur möglich, die maximale Druckeigenspannung auf bis zu 80 bis 82 kgf/mm² unter der Bedingung zu erhöhen, daß die Oberflächenrauheit R _max bei 10 ± 1 µm gehalten wurde, weshalb die Vergleichsbeispiele F und G so hergestellt wurden, daß die maximale Druckei genspannung 81 ± 1 kgf/mm² betrug.

Experiment 2

Die Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden Versuchen unter zogen unter Verwendung einer Federtestvorrichtung unter der Bedingung, daß die angelegte durchschnittliche Spannung bei 65 kgf/mm² konstant gehalten wurde und die Spannung mit va riierender Amplitude wiederholt bis zu 10⁷mal angelegt wurde, um die Ermüdungsgrenze zu bestimmen, die ermittelt wird durch die maximale Spannungsamplitude, die keinen Bruch der Ventilfeder hervorruft. Das erzielte Versuchsergebnis ist in der folgenden Tabelle III angegeben.

Spannung an der Ermüdungsgrenze
Typ
Spannung an der Ermüdungsgrenze (kgf/mm²)
Beispiel A
62,7
Beispiel B	63,1
Beispiel C	63,5
Beispiel D	63,9
Beispiel E	64,4
Vergleichsbeispiel F	48,2
Vergleichsbeispiel G	54,0

Wie aus der Tabelle III hervorgeht, sind die Ermüdungs grenzen der erfindungsgemäßen Beispiele A, B, C, D und E alle höher als diejenigen der Vergleichsbeispiele D und G.

Experiment 3

Mit dem erfindungsgemäßen Beispiel C wurden Versuche durchge führt, um festzustellen, wie die Größe der nichtmetallischen Einschlüsse die Ermüdungsgrenze beeinflußt.

Wie oben angegeben wurden Federdrähte, die jeweils in mehreren unabhängigen Chargen so hergestellt wurden, daß sie die Zusammensetzung gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel C hatten, zu einer Spirale geformt mit einer Federkonstante von 6,0 kgf/mm² und dann wurden sie unter Anwendung eines Stahlsand blas-Verfahrens oder dgl. behandelt, so daß sie eine ma ximale Druckeigenspannung von 95 ± 1 kgf/mm² und eine Ober flächenrauheit R _max von 10 ± 1 µm aufwiesen, wobei sie auf diese Weise zu Ventilfedern geformt wurden, die dann unter Verwendung einer Federtestvorrichtung auf ähnliche Weise wie vorstehend beschrieben getestet wurden, um die Ermüdungs grenze zu bestimmen. Nach diesem Test wurden die nichtme tallischen Einschlüsse im Bruchabschnitt oder in der Nähe des Bruchabschnittes der Ventilfeder unter Verwendung eines Mikroskops betrachtet, um so die maximale Teilchengröße der nichtmetallischen Einschlüsse festzustellen. Die Beziehung zwischen der maximalen Teilchengröße der nichtmetallischen Einschlüsse und der Ermüdungsgrenze ist in der Fig. 1 dar gestellt.

Wie aus den in der Fig. 1 dargestellten Versuchsergebnissen hervorgeht, wurde eine Herabsetzung der Ermüdungsgrenze kaum festgestellt, wenn die Teilchengröße der nichtmetallischen Einschlüsse kleiner als 15 µm war. Wenn jedoch die Größe der nichtme tallischen Einschlüsse 15 µm überstieg, wurde festgestellt, daß eine beträchtliche Herabsetzung und Streuung der Ermü dungsgrenze auftrat.

Experiment 4

Außerdem wurde der Ventilfederdraht mit der Zusammensetzung gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel E zu einer Spirale geformt mit einer Federkonstante (K) von 6,0 kgf/mm² und danach unter Anwendung verschiedener Stahlsandblasverfahren, die sich in bezug auf die Behandlungsbedingungen voneinander unterschie den, behandelt, um dadurch verschiedene Ventilfedern mit unterschiedlichen maximalen Druckeigenspannungen und ver schiedenen Oberflächenrauheiten zu erzielen. Die so herge stellten Ventilfedern wurden unter Verwendung einer Feder testvorrichtung unter ähnlichen Bedingungen wie oben be schrieben getestet, um die Ermüdungsgrenzen zu bestimmen.

In der Fig. 2 ist die Beziehung zwischen der maximalen Druckeigenspannung und der Ermüdungsgrenze, wenn die Ober flächenrauheit im wesentlichen konstant gehalten wird, dar gestellt.

In der Fig. 3 ist die Beziehung zwischen der Oberflächen rauheit und der Spannung an der Ermüdungsgrenze, wenn die maximale Druckeigenspannung im wesentlichen konstant gehalten wurde, dargestellt.

Wie aus den in Fig. 2 dargestellten Versuchsergebnissen her vorgeht, war dann, wenn die maximale Druckeigenspannung 85 kgf/mm² war, die Abnahme der Ermüdungsgrenze verhältnis mäßig gering, wenn sie jedoch 110 kgf/mm² überstieg, nahm die Oberflächenrauheit zu, wodurch die Ermüdungsgrenze in nachteiliger Weise herabgesetzt wurde.

Wie aus den in Fig. 3 dargestellten Ergebnissen hervorgeht, wurde dann, wenn die Oberflächenrauheit R _max den Wert 15 µm überstieg, die Abnahme der Beanspruchung an der Ermüdungs grenze groß. Es ist klar, daß selbst dann, wenn die Oberfläche so geglättet wird, daß die Oberflächenrauheit R _max einen Wert von < 5 µm hat, der Anstieg der Spannung an der Ermü dungsgrenze sehr gering ist.

Experiment 5

Es wurden Ventilfedern gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel C und gemäß dem Vergleichsbeispiel G, die für einen 2,0-l- Benzinmotor bestimmt waren, mit dem gleichen Sicherheitsfaktor hergestellt und in den Motor eingebaut, um die kritische Motorgeschwindigkeit zu ermitteln, bei der ein Ventil pumpen nicht auftritt. Das ermittelte Versuchsergebnis ist in der Tabelle IV dargestellt.

Vergleich der kritischen Motorgeschwindigkeit
Typ
Kritische Motorgeschwindigkeit (UpM)
Beispiel C
6820
Vergleichsbeispiel G	6390

Aus der Tabelle IV geht hervor, daß das erfindungsgemäße Bei spiel C die Erhöhung der kritischen Motorgeschwindigkeit um 430 UpM ermöglicht im Vergleich zu derjenigen des Vergleichs beispiels G aufgrund des Einflusses der verminderten trägen Masse und der erhöhten natürlichen Frequenz.

Aus den vorstehenden Angaben geht hervor, daß die erfindungs gemäße Ventilfeder eine hohe Ermüdungsfestigkeit, verglichen mit einer Ventilfeder gemäß Stand der Technik, aufweist, wo durch es möglich ist, die kritische Motorgeschwindigkeit zu erhöhen. Daraus geht ferner hervor, daß selbst dann, wenn die kritische Motorgeschwindigkeit als konstant festgestellt wird, die maximale Ventilstößelbelastung herabgesetzt werden kann, wodurch es möglich ist, die Reibung der Ventilkette zu vermindern und dadurch den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. Daraus geht ferner hervor, daß die erfindungsgemäße Ventilfe der verbessert ist in bezug auf die Wärmebeständigkeit und in bezug auf die bleibenden Verformungseigenschaften, so daß es möglich ist, den Sicherheitsfaktor zu erhöhen, wenn sie mit dem gleichen Aufbaustandard hergestellt wird, wodurch die Zuverlässigkeit des Produkts erhöht werden kann.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spe zifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Stahlfeder mit hoher Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) hat: Kohlenstoff 0,6 bis 0,7% Silicium 1,2 bis 1,6% Mangan 0,5 bis 0,8% Chrom 0,5 bis 0,8% Vanadin, Molybdän, Niob und/oder Tantal 0,05 bis 0,2% (Gesamtmenge) und Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen

wobei die Teilchengröße der nichtmetallischen Einschlüsse in dem Stahl in der Weise begrenzt ist, daß die maximale Teilchen größe der nichtmetallischen Einschlüsse 15 µm beträgt;
an die Feder in einem Abschnitt benachbart zu ihrer äußeren Oberfläche eine Druckeigenspannung (Residual Compression Stress) in der Weise angelegt wird, daß das Maximun der Druckeigenspannung in dem Bereich von 85 bis 110 kgf/mm² liegt, und die Feder eine Oberflächenrauheit von 15 µm aufweist.

2. Stahlfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Oberflächenrauheit in dem Bereich von 5 bis 15 µm liegt.

3. Stahlfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Stahl um einen Draht handelt, des sen Querschnittsfläche um 40% vermindert (eingeschnürt) worden ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Stahlfeder mit hoher Festigkeit, insbesondere einer solchen nach einem der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt:
Herstellung eines Stahls mit einer Zusammensetzung bestehend aus 0,6 bis 0,7 Gew.-% Kohlenstoff
1,2 bis 1,6 Gew.-% Silicium
0,5 bis 0,8 Gew.-% Mangan
0,5 bis 0,8 Gew.-% Chrom
0,05 bis 0,2 Gew.-% Vanadin, Molybdän, Niob und/oder Tantal (Gesamtmenge) und
Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen,wobei die maximale Teilchengröße der nichtmetallischen Ein schlüsse so begrenzt ist, daß sie 15 µm beträgt;
Formen der Feder aus diesem Stahl;
Anlegen einer Druckeigenspannung an die Feder benachbart zu ihrer äußeren Oberfläche in der Weise, daß das Maximum der Druckeigenspannung (Residual Compression Stress) in dem Bereich von 85 bis 110 kgf/mm² liegt; und
Bearbeitung der Feder in der Weise , daß ihre Oberflächenrauheit 15 µm beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauheit in dem Bereich von 5 bis 15 µm liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl aus einem Draht besteht, dessen Querschnittsfläche um 40% vermindert (eingeschnürt) worden ist.