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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines ölvergüteten und getemperten und
hartgezogenen Stahldrahtes (ölvergüteter hartgezogener Stahldraht) mit
einem nicht rundgeformten Querschnitt. Insbesondere betrifft
sie die Herstellung eines ölvergüteten und hartgezogenen
Stahldrahtes, welcher einfach aufgerollt werden kann, um
Federn mit überlegenden Eigenschaften herzustellen.
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Der zur Herstellung von Spiralfedern verwendete Draht weist
normalerweise einen runden Querschnitt auf; einer mit einem
ovalen Querschnitt, trapezförmigen Querschnitt oder mit
jedem anderen nicht rundgeformten Querschnitt ist jedoch für
solche wünschenswert, welche unter strengen Bedingungen
verwendet werden. Obwohl die bekannten Spiralfedern zwingende
Erfordernisse erfüllen und eine hohe Qualität aufweisen
müssen, ist es unmöglich, solche Spiralfedern aus herkömmlichen
Drähten mit einem runden Querschnitt zu formen. Daher wurden
Untersuchungen an einem ölvergüteten Stahldraht mit einem
geformten Querschnitt unternommen und dieser wurde in
einigen Spezialgebieten verwendet.
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Ölvergüteter Stahldraht init einem nicht rundgeformten
Querschnitt wird herkömmlicherweise aus heißgewalztem Stahldraht
geformt, durch die Schritte des Beizens, Glühens, erneuten
Beizens, Kaltbearbeitens (um den nicht rundgeformten
Querschnitt zu bilden) und Ölvergütens. Es wird festgehalten,
daß das Kaltbearbeiten, wie Drahtziehen, zur Herstellung des
nicht rundgeformten Querschnittes, zwischen den Schritten
des Beizens (Entzunderns) nach dem blühen und dem Ölvergüten
durchgeführt wird.
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Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es, daß der Stahldraht
nach dem Ölvergüten, aufgrund der nicht ausgeglichenen
Kaltbearbeitungsbeanspruchung
und der
Abschreckungsbeanspruchung, etwas verdreht wird. Solch ein gedrehter Stahldraht
kann nicht zu einer Feder mit einer normalen Form aufgerollt
werden. Erzwungenes Aufrollen mit einer Einspannvorrichtung
zerbricht den Draht. Federn aus gedrehten Stahldraht sind
einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung, einer
unzureichenden Druckverformung und einem frühen Ausfall durch
Ermüdung unterworfen. Sie erfüllen keine
Konstruktionserfordernisse und sind in der Qualität und der Ausbeute schlecht.
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Ein anderer Nachteil von ölvergütetem Stahldraht ist es, daß
dieser mehr Oberflächenrisse aufweist, als runder Stahl
draht, da dieser aufgerollt wird, während er noch die durch
die Wärmebehandlung erzeugte Kruste bzw. Gußhaut aufweist.
Zusätzlich erfordert eine Aufrolleinspanneinrichtung eine
aufwendige Wartung. Aus den oben genannten Gründen wird
ölvergüteter Stahldraht mit einem geformten Querschnitt nur
auf Spezialgebieten verwendet.
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Aus US-A-4 568 394 ist ein Verfahren zur Herstellung von
Stahldraht bekannt, welcher insbesondere zur Herstellung von
aufgerollten Federn geeignet ist, umfassend das Formen eines
Stahlstabes durch Heizwalzen, anschließendes Ölvergüten des
Stabes, welcher durch das Heißwalzen hergestellt wurde, ohne
den Stab zu ziehen, indem dieser durch einen
Austenitisierungsschritt geleitet wird, einen Ölabschreckungsschritt und
einen Anlassungsschritt, einem Kaltziehen des resultierenden
ölvergüteten Stabes zu einem Draht, und Aufrollen des
Drahtes. Es ist nicht beschrieben, daß der resultierende
Stahldraht einen nicht rundgeformten Querschnitt aufweist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zur Verfügung zu stellen zur wirtschaftlichen
Herstellung eines ölvergüteten und hartgezogenen Stahldrahtes mit
einem nicht rundgeformten Querschitt, welcher in der
Längsrichtung keine Drehungen aufweist, und welcher durch
leichtes Aufrollen zu Federn geformt werden kann.
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Die vorliegenden Erfinder führten intensive Untersuchungen
durch, um die Nachteile der herkömmlichen Verfahren zu
überwinden, bei denen ölvergüteter Stahldraht aufgrund der
unausgeglichenen Kaltbearbeitungsbeanspruchungen und
Abschreckungsbeanspruchungen, wie oben beschrieben, gedreht
wird, wenn der Draht einem Ölvergüten unterworfen wird,
nachdem er durch Kaltbearbeitung zu einem bestimmten
Querschnitt geformt wurde. Als ein Resultat fand man heraus, daß
ölvergüteter Stahldraht ohne Drehungen aufgerollt werden
kann, wenn der Draht nach der Ölvergütung durch ein
Ziehwerkzeug (zur Kaltbearbeitung) gezogen wird, da die nicht
ausgeglichene Abschreckungsbeanspruchungen, wenn diese
auftreten, den durch Kaltbearbeitung nicht rundgeformten
Querschnitt nicht beeinflussen.
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Gemäß dieses Verfahrens wird der ölvergütete Stahldraht
einem Aufwickeln unterworfen, während dieser immer noch die
von der Wärmebehandlung resultierende Kruste bzw. Gußhaut
aufweist. Dieser Aufspulbetrieb verschleißt die
Aufspuleinspannvorrichtung und bewärkt Risse auf der Drahtoberfläche.
Um dieses Problem zu lösen, führen die vorliegenden Erfinder
nach der Ölvergütung ein Entzundern durch (umfassend eine
Phosphatbehandlung). Als ein Ergebnis fand man heraus, daß
dieses Verfahren in einem aufgewickelten Zustand
durchgeführt werden kann. Die vorliegende Erfindung basiert auf
dieser Erkenntnis.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt in einem Verfahren
zur Herstellung eines ölvergüteten und hartgezogenen
Stahldrahtes für Spiralen mit einem nicht rundgeformten
Querschnitt, einer Phosphatbeschichtung auf der Oberfläche
sofern notwendig, und einer hohen Festigkeit resultierend aus
dem Ölvergüten und dem Kaltbearbeiten (Hartziehen) auf das
die Phosphatbehandlung folgt, sofern notwendig, wobei dieser
nicht rundgeformte Querschnitt keine Drehungen in
Längsrichtung aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren zur
Herstellung eines ölvergüteten und hartgezogenen
Stahldrahtes für Federn das Entzundern, Vergüten und erneute
Verzundern eines heißgewalzten Walzdrahtes, Kaltbearbeiten des
Walzdrahtes, Ölvergüten des kaltbearbeitenden Drahtes,
Entzundern des ölvergüteten Drahtes und das Ausgestalten des
Drahtes mit einem nicht rundgeformten Querschnitt, welcher
durch das Kaltbearbeiten des behandelnden Drahtes keine
Drehungen in Längsrichtung aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figuren 1 bis 3 sind schematische repräsentative
Illustrationen des geformten Querschnittes des ölvergüteten
Stahldrahtes, welcher zu einer Spiralfeder geformt ist. Fig. 1
zeigt einen Querschliff einer Spiralfeder, in welcher die
einzelnen nicht rundgeformten Querschnitte des ölvergüteten
Stahldrahtes in der gleichen Richtung angeordnet sind. Fig.
2 und 3 zeigen jeweils einen Querschliff einer Spiralfeder,
bei welcher die einzelnen nicht rundgeformten Querschnitte
des ölvergüteteten Stahldrahtes nicht in der gleichen
Richtung angeordnet sind. Fig. 4 ist eine Schnittansicht, welche
einen ovalen Querschnitt zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Der die vorliegende Erfindung betreffende Stahldraht kann
aus jeder Stahlart für Stahlfedern hergestellt sein.
Beispiele des Stahles umfassen einfachen Kohlenstoffstahl, Si-
Mn-Stahl, Mn-Cr-Stahl, Cr-V-Stahl, Mn-Cr-B-Stahl, Si-Cr-
Stahl und Cr-Mo-Stahl.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit dem Heißwalzen
eines Stahlbarrens zu einem Walzdraht. Der Walzdraht wird
einem Beizen (zum Entzundern), Glühen und erneutem
Verzundern
unterworfen. Der verzunderte Walzdraht wird durch
Kaltbearbeitung in gezogene Stahldrähte der gewünschten Dicke
gezogen. Der Stahldraht wird einer Ölvergütung unterworfen.
Der ölvergütete Stahldraht wird einem Verzundern durch
mechanische Vorrichtungen oder Beizen unterworfen. Der
verzunderte Stahldraht wird vorzugsweise einer Phosphatbehandlung
in einem aufgerollten Zustand unterworfen, sofern notwendig.
Auf diese Weise wird ein ölvergüteter Stahldraht mit einer
Phosphatbeschichtung von gewünschter Dicke erzielt.
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Das Ölvergüten und das Verzundern kann unter herkömmlichen
Bedingungen durchgeführt werden. Das Beizen in dem
aufgerollten Zustand sollte vorzugsweise nach dem Entfernen der
Biegespannung durchgeführt werden. Die Phosphatbehandlung
kann durch das Eintauchen des Stahldrahtes in eine saure
Phosphatlösung für einen vorherbestimmten Zeitraum
durchgeführt werden. Die durch eine Phosphatbehandlung gebildete
unlösliche Schutzschicht sollte vorzugsweise eine Dicke von
5 bis 10 g/m² aufweisen.
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Nach dem Verzundern oder der Phosphatbehandlung wird der
rohe Stahldraht einer Kaltbearbeitung (wie Ziehen)
unterworfen, um einen geformten Querschnitt, wie gewünscht, zu
bilden. Auf diese Weise wird ein hartgezogener Stahldraht mit
einem nicht rundgeformten Querschnitt erzielt. Der so
erhaltene ölvergütete Stahldraht weist eine höhere Festigkeit als
die herkömmlichen auf.
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Der ölvergütete Stahldraht wird zu einer Feder mit
beliebiger Form aufgerollt, gefolgt von einem Glühen bei niedriger
Temperatur. Auf diese Weise wird eine Feder aus ölvergütetem
und hartgezogenem Stahldraht mit einem nicht rundgeformten
Querschnitt gewonnen. Das Glühen bei niedriger Temperatur
(brünieren) soll die Elastizitätsgrenze und die Streckgrenze
erhöhen, welches wichtige Federeigenschaften sind. Dies kann
unter den herkömmlichen Bedingungen für gängige
Federstahldrähte durchgeführt werden.
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Der so erhaltene ölvergütete und hartgezogene Stahldraht mit
einem nicht rundgeformten Querschnitt (z.B. ovaler
Querschnitt) kann normal aufgerollt werden, wobei die einzelnen
Querschnitte des Drahtes in der gleichen Richtung angeordnet
sind, wie in Fig. 1 dargestellt. Es gibt keine Beispiele wie
in den Fig. 2 und 3 dargestellt, bei welchem die einzelnen
Querschnitte des Drahtes in unterschiedliche Richtungen
angeordnet sind (zufällig gibt die Kettenlinie in Fig. 1 bis 3
die Hauptlinie des geformten Querschnittes an).
Beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden
Beispiele beschrieben.
Beispiel 1
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Ein Stahlstück mit der chemischen Zusammensetzung wie in
Tabelle 1 dargestellt, wurde mittels Heißwalzens zu einem
Stahl mit 9,0 mm Durchmesser geformt. Nach dem Beizen wurde
der Stahl zu einem Draht mit 7,6 mm Durchmesser gezogen. Der
Draht wurde einem Ölvergüten (Härten bei 920ºC für 5 Minuten
und Vergüten bei 450ºC 2 Minuten) unterzogen. Der
ölvergütete Draht wurde zu einer Spule aufgewickelt. Der
ölvergütete Draht wurde in dem aufgewickelten Zustand einem Beizen
unterworfen, durch das Eintauchen in eine 15%ige Salzsäure
für 15 Minuten.
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Der behandelte Draht wurde zu einem Draht mit einem ovalen
Querschnitt gezogen, 6,0 mm x 7,2 mm, wie in Fig. 4
dargestellt. Der Draht wurde zu einer Kompressionsspiralfeder
geformt, welche anschließend einem Glühen bei niedriger
Temperatur (bei 400ºC 20 Minuten) unterworfen wurde.
Tabelle 2 zeigt die mechanischen Eigenschaften des
ölvergüteten Stahldrahtes, des ölvergüteten und hartgezogenenen
Stahldrahtes mit einem nicht rundgeformten Querschnitt, und
des ölvergüteten und hartgezogenen Stahldrahtes nach dem
Glühen bei niedriger Temperatur, erhalten durch die o.g.
Schritte. Aus Tabelle 2 wird deutlich, daß der ölvergütete
und hartgezogene Stahldraht mit einem nicht rundgeformten
Querschnitt, erhalten gemäß des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung, charakteristische Eigenschaften aufweist, die für
Federn geeignet sind.
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Die so erhaltene Feder wurde im Hinblick auf die Anordnung
der Querschnitte untersucht. Man fand heraus, daß alle
Querschnitte im wesentlichen in der gleichen Richtung angeordnet
sind (der in Fig. 2 dargestellte 0 war kleiner als 5 Grad).
Tabelle 1
Chemische Zusammensetzung (wt%)
Tabelle 2
Mechanische Eigenschaften
Eigenschaften
Olvergüteter Stahldraht (7,6 mm)
Ölvergüteter und hartgezogener Stahldraht mit geformtem Querschnitt (6,0 mm, 7,2 mm)
Ölvergüteter und hartgezogener Stahldraht mit nicht rundgeformtem Querschnitt nach dem
Glühen bei niedriger Temperatur
Zugfestigkeit
Elastizitätsgrenze
Streckgrenze
Elastizitätsgrenzenverhältnis
Streckgrenzenverhältnis
Dehnung
Reduktionsfläche
Beispiel 2
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Ein Stahlstück mit der in Tabelle 1 dargestellten chemischen
Zusammensetzung wurde mittels Heißwalzens zu einem Stab mit
9,0 mm Durchmesser geformt. Nach dem Beizen wurde der Stab
zu einem Draht mit 7,6 mm Durchmesser gezogen. Der Draht
wurde einem Ölvergüten (Härten bei 902ºC, 5 Minuten und
Vergüten
bei 450ºC, 2 Minuten) unterworfen. Der ölvergütete
Stahl wurde zu einer Spule aufgewickelt. Der ölvergütete
Draht wurde im aufgewickelten Zustand einem Beizen, durch
das Eintauchen in 15%ige Salzsäure für 15 Minuten, und
anschließend einer Phosphatbehandlung unterworfen, mit einer
Gesamtazidität von 30 Punkten, bei 80ºC für 7 Minuten (das
Beschichtungsgewicht betrug 5 bis 10 g/m²). Der behandelte
Draht wurde zu einem Draht mit einem ovalen Querschnitt
gezogen, 6,0 mm x 7,2 mm, wie in Fig. 4 dargestellt. Der Draht
wurde zu einer Kompressionspiralfeder geformt, welche
nachfolgend einem Glühen bei niedriger Temperatur unterworfen
wurde (bei 400ºC 20 Minuten).
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Tabelle 3 zeigt die mechanischen Eigenschaften des
ölvergüteten Stahldrahtes, des ölvergüteten und hartgezogenen
Stahldrahtes mit einem nicht rundgeformten Querschnitt, und
des ölvergüteten und hartgezogenen Stahldrahtes nach dem
Glühen bei niedriger Temperatur, erhalten durch die o. g.
Schritte. Aus Tabelle 3 wird festgehalten, daß der
ölvergütete und hartgezogene Stahldraht mit einem nicht
rundgeformten Querschnitt, erhalten durch das Verfahren der
vorliegenden Erfindung charakteristische Eigenschaften aufweist, die
für Federn geeignet sind.
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Die so erhaltene Feder wurde bezüglich der Anordnung der
Querschnitte überprüft. Man fand heraus, daß alle
Querschnitte im wesentlichen in der gleichen Pichtung angeordnet
waren (der in Fig. 2 dargestellte Winkel θ war kleiner als 5
Grad).
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Obwohl Silizium-Chromstahl in diesem Beispiel verwendet
wurde, können auch andere Federstähle (JIS G 4801) in der
vorliegenden Erfindung verwendet werden. Der nicht
rundgeformte Querschnitt ist nicht auf eine ovale Form begrenzt,
er kann auch trapezförmig sein oder eine andere Form
aufweisen, um die gleiche Wirkung zu erzeugen.
Tabelle 3
Mechanische Eigenschaften
Eigenschaften
Olvergüteter Stahldraht (7,6 mm)
Ölvergüteter und hartgezogener Stahldraht mit geformtem Querschnitt (6,0 mm, 7,2 mm)
Ölvergüteter und hartgezogener Stahldraht mit nicht rundgeformtem Querschnitt nach dem
Glühen bei niedriger Temperatur
Zugfestigkeit
Elastizitätsgrenze
Streckgrenze
Elastizitätsgrenzenverhältnis
Streckgrenzenverhältnis
Dehnung
Reduktionsfläche
Industrielle Anwendbarkeit
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Wie oben erwähnt, eliminiert die vorliegende Erfindung das
Verdrehen des ölvergüteten Stahldrahtes mit einem nicht
rundgeformten Querschnitt, durch das Durchführen des
Ölvergütens, Verzunderns der Phosphatbehandlung sofern notwendig,
des Kaltbearbeitens und Aufwickelns. Der ölvergütete und
hartgezogene Stahldraht mit nicht rundgeformtem Querschnitt,
hergestellt gemäß der Erfindung weist eine höhere Festigkeit
auf, als herkömmliche, und kann zu Federn mit hoher Qualität
geformt werden, wobei die einzelnen Querschnitte des Drahtes
regelmäßig in der gleichen Richtung angeordnet sind.
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Der ölvergütete Stahldraht, hergestellt durch das Verfahren
der vorliegenden Erfindung, kann einfach zu Federn
hergestellt werden, ohne komplexe schwierige Operationen (wie das
Entfernen von Verdrehungen), unabhängig von dem ovalen,
trapezförmigen oder andersartig geformten Querschnitt. Dies
trägt zur Herstellung von rißfreien Federn, einer
Verbesserung der Produktivität und der hohen Ausbeute, und der
Reduktion der Produktionskosten bei. Daher ermöglicht es die
vorliegende Erfindung Spiralfedern mit hoher Qualität aus
Stahldraht mit einem nicht rundgeformten Querschnitt
wirtschaftlich herzustellen.