DE4233269C2 - Hochfester Federstahl - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen hochfesten Federstahl
für Ventilfedern von inneren Brennkraftmaschinen, Achsfedern und
dergleichen. Es handelt sich dabei insbesondere um einen
Federstahl, welcher eine Zugfestigkeit von 200 kg/mm² und mehr
aufweist, und welcher eine darüber hinaus sehr hohe Ermüdungs
lebensdauer besitzt. Fernerhin weist derselbe eine sehr hohe
Durchhängefestigkeit auf, so wie sie bei Federn erforderlich
ist. Schließlich wird ebenfalls die Korrosionsfestigkeit
verbessert, so daß auf diese Weise eine Korrosionsermüdung nicht
so ohne weiteres stattfinden kann.
Chemische Zusammensetzungen von Federstählen sind in den JIS
G3565 bis 3567, 4801 und dergleichen festgelegt. Bei Einsatz
derartiger Federstähle werden dieselben wie folgt hergestellt:
Zuerst wird das Material auf den gewünschten Drahtdurchmesser
gewalzt. In der Folge erfolgt eine Ölabschreckung des Drahtes
und eine Kaltformung der Feder. Man kann jedoch ebenfalls das
Material walzen, erhitzen, anschließend im heißen Zustand eine
Formung der Feder durchführen und schließlich den
Abschreckungsvorgang vornehmen.
In letzter Zeit wurden hochfeste Stähle für Federn untersucht,
um Kraftfahrzeuge leichterer Bauweise bauen zu können. Dabei
besteht ein Bedarf nach Federstählen, welche eine Zugfestigkeit
von 200 kg/mm² und mehr aufweisen. Dies steht im Gegensatz zu
bekannten Federstählen, deren Zugfestigkeit nach dem
Abschreckvorgang ungefähr bei 160 bis 180 kg/mm² liegt. Bei
derartigen bekannten Federstählen kann natürlich die Zug
festigkeit auf 200 kg/mm² und darüber mit Hilfe einer Wärme
behandlung erhöht werden. In diesem Fall reduziert sich jedoch
die Ermüdungslebensdauer und die Durchhängefestigkeit, so wie
sie bei Federn erforderlich ist. Darüber hinaus ist bekannt, daß
die Korrosionsermüdung von Federstählen mit zunehmender
Zugfestigkeit nach dem Abschrecken bzw. Härten sich verschlechtert.
Ein Grund für die Abnahme der Korrosionser
müdungsfestigkeit ist dabei folgender: Auf der Oberfläche der
Feder ergibt sich während ihrer Verwendung eine Grubenkorrosion
mit einer Tiefe von ungefähr 100 µ, von wo aus wegen der sich
ergebenden Streßkonzentration Ermüdungsrisse ausgehen. Es ist
fernerhin davon auszugehen, daß die Kerbempfindlichkeit linear
mit zunehmender Festigkeit zunimmt. Aus diesem Grunde besteht
die Gefahr, daß innerhalb relativ kurzer Zeitperioden Brüche und
dergleichen auftreten. Wenn derartige Federelemente als Teile
von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, welche wiederum einer
stark korrosiven Umgebung - beispielsweise bei Vorhandensein
von auf Straßen verstreutem Salz, - betrieben werden, so wie
dies beispielsweise im Winter in Nordamerika der Fall ist, dann
ergibt sich bei Federn das Problem des Auftretens einer
Korrosionsermüdung.
Unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen Federstahl für hochfeste
Federn zu schaffen, welcher eine Zugfestigkeit von 200 kg/mm²
oder mehr aufweist, und welcher darüber hinaus eine ausgezeich
nete Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung, Durchhängen und
Korrosionsermüdung aufweist.
Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im Anspruch 1
aufgeführten Merkmale erreicht.
Dabei ist es möglich, die Ermüdungsfestigkeit und die Feder
eigenschaften zu verbessern, indem der Stahl gereinigt wird bzw.
indem die Menge der vorhandenen Verunreinigungen begrenzt wird.
Innerhalb eines vermessenen Bereiches von
160 mm² des betreffenden Stahls wird dabei die Anzahl von nicht
metallischen Oxideinschlüssen wie folgt beschränkt: Einschlüsse
mit mittleren Teilchengrößen von 50 µ oder mehr dürfen nicht
vorhanden sein. Einschlüsse mit mittleren Teilchengrößen von 20
µ oder mehr dürfen hingegen höchstens 10 oder weniger vorhanden
sein. Die unvermeidbaren Verunreinigungen werden fernerhin bei
Sauerstoff innerhalb des Bereiches von 15 ppm oder weniger,
bei 80 ppm Stickstoff oder weniger, bei Phosphor 100 ppm oder
weniger und bei Schwefel 100 ppm oder weniger beschränkt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich an Hand
der Unteransprüche. Zur Verbesserung der Korrosionsfestigkeit
des betreffenden Stahls erscheinen dabei insbesondere die Merk
male des Anspruches 5 von Bedeutung.
Die Erfindung soll nunmehr an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung
Bezug genommen ist. Es zeigt:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der sich ergebenden Resultate
bei einem Dreh-Biege-Ermüdungsversuch unter Verwendung von
Federstählen gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der mittleren Teilchengrößen
von nichtmetallischen Oxideinschlüssen bei der Stahlprobe
Nr. 1 und deren Verteilung,
Fig. 3 eine graphische Darstellung der mittleren Teilchengrößen
der nichtmetallischen Oxideinschlüsse bei der Stahlprobe Nr.
30 und deren Verteilung und
Fig. 4 eine graphische Darstellung der mittleren Teilchengrößen
der nichtmetallischen Oxideinschlüsse bei der Stahlprobe Nr.
31 und deren Verteilung.
In dem folgenden sollen vorteilhafte Ausführungsformen der Er
findung und deren Eigenschaften näher beschrieben werden.
Um die Materialfestigkeit zu verbessern und gleichzeitig die
Ermüdungslebensdauer zu verlängern, muß die Zähigkeit des Mate
rials verbessert werden. Zur Verbesserung der Elastizitätsgrenze
enthalten bekannte Federstähle Kohlenstoff in relativ großen
Mengen. Zur Verbesserung der Zähigkeit erweist es sich jedoch im
Rahmen der Erfindung als zweckmäßig, wenn der Kohlenstoffgehalt
im Vergleich zu bekannten Federstählen erheblich verringert
wird. Vom Standpunkt einer Verbesserung der Zugfestigkeit im
Bereich von 2000 N/mm² und mehr bedingt eine Verringerung des
Kohlenstoffgehalts unter Vermeidung von Legierungselementen eine
Reduzierung der Zugfestigkeit nach dem Abschreck- bzw.
Härtevorgang. Einer Verringerung des Kohlenstoffgehalts sind
demzufolge Grenzen gesetzt. Darüber hinaus ist es erforderlich,
daß die Zugabe von Legierungselementen jeweils in vorliegenden
Bereichen erfolgt.
Im Rahmen der Erfindung wurde die Wirkung der verschiedenen
Legierungselemente auf die Zugfestigkeit und die Zähigkeit nach
dem Abschrecken bzw. Härten untersucht, wobei zur Verbesserung
der Zähigkeit der
Kohlenstoffgehalt im Bereich zwischen 0,3 und
0,5% gehalten wurde. Dabei ergab sich, daß durch die Zugabe von
Legierungselementen in großen Mengen bei gleichzeitiger Reduzie
rung des Kohlenstoffgehalts innerhalb des angegebenen Bereiches
die Zugfestigkeit entsprechend verringert wird. Der Grund dafür
ist, daß nach dem Abschrecken bzw. Härten die verbleibende Menge
von Austenit linear mit den zugesetzten Mengen von Legierungs
elementen ansteigt, was eine entsprechende Reduzierung der Zug
festigkeit zur Folge hat. Von einem derartigen Gesichtspunkt aus
ergibt es sich somit, daß zur Aufrechterhaltung der erforderli
chen Zugfestigkeit und Zähigkeit bei hochfesten Federstählen die
Legierungselemente nicht nur innerhalb geeigneter Bereiche lie
gen müssen, sondern daß dieselben zusätzlich der folgenden
Bedingung (1) genügen müssen:
500 - 333[C] - 34[Mn] - 20[Cr] - 17[Ni] - 11[Mo] 300 (1)
wobei in die [ ] die Gewichtsprozente der Stahlzusätze C, Mn,
Cr, Ni bzw. Mo einzusetzen sind.
So wie dies bereits erwähnt wurde, wird jedoch bei hochfesten
Stählen mit einer Zugfestigkeit von 200 kg/mm² und mehr die
Korrosionsermüdungsfestigkeit ebenfalls verschlechtert. Der
Grund dafür ist eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber Ober
flächendefekten, welche bei Erhöhung der Festigkeit linear
zunehmen. Wenn demzufolge eine aus einem derartigen Stahl
gefertigte Feder einer korrosiven Umgebung ausgesetzt wird,
ergibt sich auf deren Oberfläche eine Grubenkorrosion, von
welcher aus Ermüdungsrisse ausgehen, was schließlich zu Brüchen
und dergleichen führt. Um das Auftreten einer Grubenkorrosion
auf der Oberfläche zu verhindern, wenn eine derartige Feder in
der Folge einer korrosiven Umgebung ausgesetzt wird, erweist es
sich demzufolge als notwendig, die verschiedenen Legierungs
elemente in jeweils geeigneten Mengen zuzusetzen. Der Stahl
gemäß der Erfindung enthält demzufolge Legierungselemente in
vorgegebenen Mengen, um auf diese Weise die Grabenkorrosions
festigkeit zu verbessern. Im Rahmen der Erfindung konnte dabei
festgestellt werden, daß der Zusatz von Cr, Ni, Si und C eine
starke Wirkung auf die Grubenkorrosionsfestigkeit besitzt. Die
Grubenkorrosionsfestigkeit kann dabei wesentlich verbessert
werden, indem die Legierungselemente der folgenden Bedingung (2)
genügen:
50[Si] + 25[Ni] + 40[Cr] - 100[C] 230 (2)
wobei in die [ ] die Gewichtsprozente der Komponenten Si, Ni, Cr
bzw. C einzusetzen sind. Auf diese Weise kann demzufolge ein
Federstahl gewonnen werden, welcher eine ausgezeichnete Kor
rosionsermüdungsfestigkeit besitzt.
Bei den Federstählen gemäß der Erfindung kann die Ermüdungs
festigkeit durch Reinigung des Stahls vergrößert werden, indem
die Mengen der nichtmetallischen Einschlüsse so klein wie
möglich gemacht werden. Dabei hat es sich ergeben, daß die
Teilchengröße der nichtmetallischen Oxideinschlüsse eine starke
Wirkung auf die Ermüdungseigenschaften aufweisen. Durch Ver
hindern der Anwesenheit von Einschlüssen mit einer mittleren
Teilchengröße von 50 µ oder mehr und durch Begrenzung der
vorhandenen Einschlüsse von 20 µm oder mehr auf 10 oder weniger
innerhalb eines Meßbereiches von 160 mm² können bei dem Stahl
ausgezeichnete Ermüdungseigenschaften erreicht werden. Die
mittlere Teilchengröße bedeutet dabei den Mittelwert zwischen
dem großen Durchmesser und dem kleinen Durchmesser derartiger
nichtmetallischer Einschlüsse. Der gemessene Bereich liegt
fernerhin der Bereich einer Oberflächenschicht bis zu einer Tiefe
von 3 mm innerhalb Querschnittsfläche der Stahlprobe.
In dem folgenden sollen die Gründe erläutert werden, gemäß
welchen bei dem Federstahl gemäß der Erfindung die chemischen
Bestandteile begrenzt werden:
C ist ein wichtiges Element zur Festlegung der Zugfestigkeit
nach dem Abschrecken bzw. Härten. Falls der Kohlenstoffgehalt
weniger als 0,3% beträgt, ist die Härte des Martensits nach der
Abschreckung wesentlich verringert, so daß nach dem Abschrecken
bzw. Härten eine sehr geringe Zugfestigkeit zustandekommt. Wenn
jedoch der Kohlenstoffgehalt mehr als 0,5% beträgt, wird die
Zähigkeit nach dem Abschrecken bzw. Härten verschlechtert. Dabei
können ferner die gewünschten Eigenschaften gegenüber Ermüdung-
und Korrosionsermüdung nicht erreicht werden.
Si ist ein wesentliches Element zur Verbesserung der Fest
lösung. Wenn der Siliciumgehalt weniger als 1% beträgt, ist die
Festigkeit der Matrix nicht ausreichend. Wenn jedoch der Sili
ciumgehalt mehr als 4% beträgt, dann ist die Lösung des Carbids
beim Erwärmen für den Abschreckvorgang nicht ausreichend. Wenn
nämlich der Stahl vor dem Abschrecken nicht auf hohe Temperatu
ren erhitzt wird, dann tritt keine zufriedenstellende Austeni
sation auf, so daß auf diese Weise die Zugfestigkeit nach dem
Abschrecken bzw. Härten verringert ist, während gleichzeitig die
Durchhängfestigkeit der Feder verschlechtert wird. Um eine
stabile Zugfestigkeit von 200 kg/mm² zu erhalten, sollte
demzufolge der Siliciumgehalt vorzugsweise innerhalb des Be
reichs von 1,5 und 3,5% liegen.
Magnesium ist ein Element zur Verbesserung der Härtbarkeit. Um
diesen Effekt in zufriedenstellender Weise zu erreichen, muß
Magnesium in Mengen von 0,2% und mehr zugesetzt werden. Mn hat
jedoch die Eigenschaft,
daß die Wasserstoffdurchlässigkeit durch
das Material nach dem Abschrecken und Härten vergrößert wird, so
daß auf diese Weise innerhalb einer korrosiven Umgebung eine
Wasserstoffversprödung eintritt. Demzufolge muß der Mn-Gehalt
auf weniger als 0,5% beschränkt werden, um das Auftreten von
Zwischenkornbrüchen zu verhindern, weil diese Zwischenkornbrüche
durch Wasserstoffversprödung hervorgerufen werden. Eine derar
tige Begrenzung muß jedoch ebenfalls vorgenommen werden, um eine
Verringerung der Ermüdungslebensdauer zu vermeiden.
Nickel hat die Eigenschaft, daß die Zähigkeit des Materials nach
dem Abschrecken bzw. Härten verbessert, die Grabenkorrosions
festigkeit erhöht und die Durchhängfestigkeit vergrößert werden.
Um diese Eigenschaften zu erreichen, muß Nickel in Mengen von
wenigstens 0,5% zugesetzt werden. Wenn jedoch der Nickelgehalt
mehr als 4% beträgt, wird der Ms-Punkt erniedrigt, so daß auf
Grund des verbleibenden Austenits die gewünschte Zugfestigkeit
nicht erreicht werden kann. Zusätzlich ist Nickel relativ teuer,
so daß es aus Wirtschaftlichkeitserwägungen heraus vorteilhaft
erscheint, wenn der Nickel im Bereich zwischen 0,5 und 2% zu
gesetzt wird.
Cr ist wirksam, um ähnlich wie Mn die Härtbarkeit zu verbessern,
während gleichzeitig die Wärmefestigkeit erhöht wird. Auf Grund
verschiedener Untersuchungen ergibt sich, daß mit diesem Zusatz
die als wesentliche Federeigenschaft erscheinende Durchhäng
festigkeit wesentlich verbessert werden kann. Um diesen Effekt
zu erreichen, muß Chrom in Mengen von 0,3% und mehr zugesetzt
werden. Wenn jedoch Chrom zu stark zugesetzt wird, besteht die
Tendenz, daß nach dem Abschrecken bzw. Härten die Zähigkeit ab
nimmt. Die obere Grenze des Cr-Gehaltes beträgt demzufolge 5%.
Um jedoch eine gute Ausgeglichenheit zwischen Festigkeit und
Zähigkeit zu erreichen, sollte der Cr-Gehalt vorzugsweise
innerhalb des Bereiches von 0,3 und 3,5% liegen.
Molybdän ist ein Element zur Erzeugung von Carbid. Dasselbe ist
demzufolge wirksam, um die Durchhängfestigkeit und die Ermü
dungsfestigkeit zu verbessern, indem feine Carbidteilchen beim
Abschrecken zum Niederschlag gelangen, so daß auf diese Weise
eine Sekundärhärtung zustandekommt. Wenn der Molybdängehalt
weniger als 0,1% beträgt, ist die gewünschte Wirkung nicht
ausreichend. Wenn jedoch der Molybdängehalt mehr als 2,0%
beträgt, ergibt sich eine Sättigung der betreffenden Wirkung.
Vanadium ist wirksam, um die Korngröße zu verkleinern, so daß
auf diese Weise das Streßverhältnis und die Durchhängfestigkeit
verbessert werden. Um diese Wirkung zu erzielen, muß Vanadium in
Mengen von 0,1% oder mehr zugesetzt werden. Wenn jedoch der
Vanadiumgehalt mehr als 0,5% beträgt, wird die Menge von nicht
gelöstem Carbid innerhalb der Austenitphase während des Erhit
zens für den Abschreckvorgang erhöht. Diese Carbidteilchen
verbleiben dann als große massive Teilchen, wodurch die Er
müdungslebensdauer verringert wird.
Bei den hochfesten Federstählen gemäß der Erfindung werden die
oben erwähnten Legierungsbestandteile vorgesehen, während der
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Um die sich
ergebenden Eigenschaften zu verbessern, kann je nach Wunsch
zusätzlich Nb und/oder Cu sowie Al und/oder Co vorgesehen sein.
Diese zusätzlichen Bestandteile sind dabei die folgenden:
Nb ist wirksam, um das Kristallisationskorn zu verkleinern und
demzufolge ähnlich wie Vanadium das Belastungsverhältnis sowie
die Durchhängfestigkeit zu verbessern. Um diesen Effekt zu er
reichen, muß Nb in Mengen von 0,05% oder mehr zugesetzt werden.
Wenn jedoch der Nb-Gehalt mehr als 0,5% beträgt, ergibt sich
eine Sättigung der Wirkung bzw. es bilden sich nach dem Erhitzen
vor dem Abschreckvorgang Carbide bzw. Nitride, wodurch die
Ermüdungslebensdauer verringert wird.
Cu ist ein Element, welches im Vergleich zu Eisen elektro
chemisch edler ist. Kupfer hat demzufolge die Funktion, daß die
Grabenkorrosionsfestigkeit verbessert wird, indem innerhalb
einer korrosiven Umgebung eine generelle Korrosion unterstützt
wird. Um diese Funktion zu erreichen, muß Cu in Mengen von 0,1%
oder mehr zugesetzt werden. Wenn jedoch der Cu-Gehalt mehr als
1,0% beträgt, ergibt sich eine Sättigung der Wirkung bzw. es
besteht die Gefahr, daß während des Heißwalzvorgangs eine
Sprödigkeit des Materials zustande kommt.
Cobalt ist wirksam, um eine Verfestigung durch Bildung einer
Festlösung zu erreichen. Fernerhin wird eine Verschlechterung
der Zähigkeit unterdrückt, während gleichzeitig die Korro
sionsfestigkeit verbessert wird. Um diese Wirkung zu erreichen,
muß Co in Mengen von 0,1% oder mehr, vorzugsweise 1,0% oder
mehr zugesetzt werden. Da jedoch Cobald relativ teuer ist,
sollte die obere Grenze des Cobaltgehalts auf 5,0% festgelegt
werden.
O, N, P und S als unvermeidbare Verunreinigungen bilden in
nerhalb des Stahls nicht-metallische Einschlüsse, so daß auf
diese Weise eine Verschlechterung der Zugfestigkeit der Er
müdungseigenschaften oder der Wasserstoffversprödung zustan
dekommt. Demzufolge sollten diese Verunreinigungen so klein wie
möglich gemacht werden. So lange sie jedoch innerhalb der fol
genden angegebenen Grenzen vorhanden sind, ergeben sich keine
erheblichen Nachteile.
Sauerstoff ist ein Element zur Erzeugung nicht-metallischer
Oxideinschlüsse, insbesondere von Al2O3, welche als Ausgangs
punkte für Ermüdungsbrüche wirken und die Zugfestigkeit ver
schlechtern. Zur Erzielung hochfester Stähle sollte der
Sauerstoffgehalt innerhalb des Bereiches von 15 ppm oder we
niger, vorzugsweise 10 ppm oder weniger liegen. Stickstoff ist
ein Element zur Verringerung der Streckbarkeit und der Zähig
keit, so daß der Gehalt innerhalb des Bereiches von 80 ppm oder
weniger liegen sollte.
P ist ein Element zur Erzeugung einer Korngrenzenabtrennung, so
daß auf diese Weise eine Sprödigkeit des Materials zustan
dekommt. Das betreffende Element unterstützt dabei eine Was
serstoffversprödung, welche linear mit dem Phosphorgehalt
ansteigt. Zur Erzielung einer hohen Festigkeit sollte der
Phosphorgehalt vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 100 ppm
oder weniger liegen. Schwefel hingegen ist eine Verunreinigung,
mit welcher nicht-metallische Einschlüsse von MnS erzeugt wer
den, was ebenfalls zu einer Versprödung des Materials führt.
Demzufolge sollte der S-Gehalt vorzugsweise innerhalb des
Bereiches von 100 ppm oder weniger liegen.
Bei der Herstellung von hochfesten Federn unter Verwendung von
Federstählen mit Zusammensetzungen, so wie sie oben beschrieben
sind, welche den erwähnten Bedingungen (1) und (2) genügen, kann
eine Abschreckung bzw. Härtung unter der Bedingung erfolgen, daß
die Endtemperatur beim Abschrecken 50°C oder weniger beträgt.
Auf diese Weise kann eine Feder hergestellt werden, welche die
gewünschte Festigkeit und Zähigkeit besitzt. Beim Abschrecken
der Feder wird vorzugsweise eine Abschreckung in Öl verwendet,
um auf diese Weise das Auftreten von Abschreckrissen zu vermei
den. Die Öltemperatur beim Abschrecken liegt im allgemeinen im
Bereich von 70 bis 80°C, um auf diese Weise eine gewünschte
Viskosität des Öls und ähnliche Eigenschaften zu erreichen. Beim
Abschrecken mit Öl ist es jedoch vielfach schwierig, die Endtem
peratur beim Abschrecken auf 50°C oder weniger zu verringern.
Wenn jedoch im Rahmen eines ersten Schrittes eine Abschreckung in Öl
und unterhalb einer Temperatur von 500°C oder weniger an
schließend eine Abschreckung in Wasser vorgenommen wird, oder
wenn dem Wasser ein wasserlösliches Abschreckmedium zugesetzt
wird, um das Auftreten von Abschreckrissen zu vermeiden, dann
kann auf diese Weise die oben erwähnte Abschreckbedingung
eingehalten werden.
Die Erfindung soll nunmehr unter Bezugnahme auf das folgende
Beispiel erläutert werden.
Stähle mit den Zusammensetzungen entsprechend den Tabellen 1 und
2 und Proben-Nummern 1 bis 31 wurden geschmolzen. Jeder Stahl
wurde dann unter Bildung eines Stabes mit Querschnittsabmessun
gen von 115 mm×115 mm geschmiedet und anschließend in eine
Stange mit einem Durchmesser von 11 mm gewalzt. Diese Stange
wurde einer Wärmebehandlung ausgesetzt und anschließend gezogen.
Der auf diese Weise erzeugte Draht wurde in einem Ölbad abge
schreckt bzw. gehärtet, und zwar derart, daß die Temperatur vor
dem Abschrecken 950°C betrug, während die Temperatur bei der
Härtung auf 400°C gehalten war. Mit Hilfe dieses Drahtes wurden
verschiedene Proben hergestellt, um auf diese Weise Prüfungen
bezüglich der Zugfestigkeit, der verbleibenden Scherfestigkeit,
der Biegefestigkeit und der Korrosionsfestigkeit durchzuführen.
Die Proben wurden dabei den folgenden Bedingungen ausgesetzt:
Daten der Feder
- - Drahtdurchmesser: 9,0 mm
- - mittlerer Windungsdurchmesser der Feder: 85 mm
- - Gesamtwindungszahl: 7
- - effektive Anzahl von Windungen: 5,5
- - freie Höhe der Feder: 320 mm
Einstellbare Belastung
- - maximale Scherbelastung: 400 N/mm²
- - Meßklemmbeanspruchung: 1300 N/mm²
- - Testtemperatur: 80°C
- - Testdauer: 72 Stunden
Berechnungsmethode für die verbleibende Scherbelastung
TΔp = 8 DΔp/πd³ (3)
T = Gγ (4)
Aus Gleichung (3) und (4) ergibt sich
γΔp = TΔp/G×100
wobei
TΔp: die Torsionsbeanspruchung in N/mm² equivalent der Belastungsverlustmenge
d: Drahtdurchmesser (mm)
D: der mittlere Windungsdurchmesser
p: die Belastungsverlustmenge
G: der Modul der Querelastizität in N/mm² (Adoptation bei 80 000 N/mm²)
TΔp: die Torsionsbeanspruchung in N/mm² equivalent der Belastungsverlustmenge
d: Drahtdurchmesser (mm)
D: der mittlere Windungsdurchmesser
p: die Belastungsverlustmenge
G: der Modul der Querelastizität in N/mm² (Adoptation bei 80 000 N/mm²)
Testbedingungen
- - Testtemperatur: Raumtemperatur
- - Oberflächenbedingung: shot peening finish Beurteilung der Ermüdungsgrenze
- - Testbeanspruchung nach zweifachem Durchlauf von 10⁷ Zyklen
- - Material: Längsschnitt des gewalzten Materials mit einem Durchmesser von 11 mm
- - gemessene Fläche: 160 mm² (3 mm unterhalb der Oberflächenschicht)
- - Meßgerät: optisches Mikroskop
- - mittlere Teilchengröße: Mittelwert aus großen und kleinen Durchmesser x 1/2
- - Nach Salzbesprühung während 8 Stunden in 14 Zyklen Beruhigung während 16 Stunden in 65% Luftfeuchtigkeit bei 35°C
- - Messung der Grabtiefe: Beobachtung des Querschnitts nach Wärmebehandlung in einem optischen Mikroskop.
Die sich ergebenden Meßdatendaten sind in den Tabellen 3 und 4
zusammen mit den Werten der Gleichungen (1) und (2) wiederge
geben. Zusätzlich ist die Anzahl der vorhandenen nichtmetal
lischen Metalleinschlüsse angegeben, bei welchen die mittlere
Teilchengröße 20 µm und mehr innerhalb eines Meßbereiches von
160 mm² war.
An Hand der in den Tabellen 3 und 4 angegebenen Resultate
ergibt sich folgendes:
- 1. Wenn der Kohlenstoffgehalt wie im Fall der Probe Nr. 17 weniger als 0,3% beträgt, ist die Zugfestigkeit nicht aus reichend, d. h. dieselbe beträgt weniger als 2000 N/mm². Wenn jedoch der Kohlenstoffgehalt entsprechend Probe Nr. 18 mehr als 0,5% beträgt, beträgt die Zugfestigkeit mehr als 2000 N/mm². Dabei ist jedoch die Flächenreduktion RA erheblich ver schlechtert. Bei allen Stählen, bei welchen gemäß den Proben 19, 20, 22, 24, 25 oder 26 zu geringe Mengen von Si, Mn, Ni, Cr oder Mo vorhanden waren, beträgt die Zugfestigkeit weniger als 2000 N/mm². So wie sich dies an Hand der Testprobe Nr. 28 ergibt, falls die Legierungszusätze zwar innerhalb des festgelegten Bereiche liegen, sie jedoch nicht der Bedingung (1) genügen, ist die Härtung nicht ausreichend, so daß nach der Wärmebehandlung die Zugfestigkeit in nicht ausreichendem Maße erhöht wird.
- 2. An Hand des Vergleichs der Scherfestigkeit und der Durch hängfestigkeit besitzt die betreffende Probe eine ausgezeichnete Durchhängfestigkeit, weil dieselbe gegenüber dem Vergleichs beispiel die höhere Festigkeit aufweist. Wenn gemäß der Probe Nr. 11 Nb in ausreichenden Mengen zugefügt wird, ist die verbleibende Scherbelastung erheblich reduziert, so daß auf diese Weise die Durchhängfestigkeit wirksam verbessert werden kann.
- 3. Die Eigenschaften der Drehbiegeermüdung wird durch grobe nichtmetallische Oxideinschlüsse des Stahls erheblich beein flußt. Während bei Stählen mit Zugfestigkeiten von 2000 N/mm² oder mehr die Ermüdungsfestigkeit linear mit der Materialfestigkeit ansteigt, werden die Ermüdungs eigenschaften entsprechend der Anzahl der vorhandenen nichtmetallischen Oxideinschlüsse mit Teilchengrößen von 20 µm oder mehr wesentlich beeinflußt. Wenn die Anzahl dieser Einschlüsse entsprechend den Proben Nr. 17, 18, 22 bis 27, 30 oder 31 mehr als 10 pro 160 mm² ist, wird die Ermüdungsfestigkeit verschlechtert. Darüber hinaus bilden nichtmetallische Oxideinschlüsse mit Größen von 50 µm oder mehr sehr leicht Ausgangspunkte für Ermüdungsbrüche, so daß auf diese Weise die Ermüdungseigen schaften erheblich verschlechtert werden.
Fig. 1 zeigt in Form einer graphischen Darstellung die Resultate
der Drehbiegeermüdung bei der Probe Nr. 1. Die betreffende Figur
zeigt fernerhin die Resultate bei den Vergleichsstählen Nr. 30
und 31, bei welchen die Anzahl der nichtmetallischen Oxidein
schlüsse mit mittlerer Größe von mehr als 20 µm oder mehr ver
ändert war. Die Fig. 2 bis 4 zeigen ferner Darstellungen der
mittleren Teilchengrößen der nichtmetallischen Oxideinschlüsse
der Proben Nr. 1, 30 und 31 und deren Verteilung. An Hand dieser
Figuren ergibt sich, daß grobe nicht-metallische Oxideinschlüsse
einen negativen Einfluß auf die Ermüdungseigenschaften aufweisen.
Bei den Korrosionstests ergibt sich, daß die Testproben Nr.
2, 9, 12, 13, 14, 15 und 16 den Bedingungen der Gleichung (2)
genügen. Bei diesen Proben tritt eine erhebliche Redu
zierung der Grabenkorrosionstiefe auf, so daß im Vergleich zu den
Vergleichsproben eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit
zustandekommt. Bei der Probe Nr. 17 wurde dem Stahl entsprechend
Probe Nr. 1 in ausreichenden Mengen Kupfer zugefügt, wodurch
sich durch eine entsprechende Reduzierung der Grabenkorrosions
tiefe eine Verbesserung der Korrosionsfestigkeit ergab.
Claims (5)
1. Hochfester Federstahl mit ausgezeichneter Ermüdungs
festigkeit, dadurch gekennzeichnet,
- - daß derselbe folgende Bestandteile enthält: 0,3-0,5% C (Prozent bedeutet generell Gewichtsprozent), 1,0-4,0% Si, 0,2-0,5% Mn, 0,5-4,0% Ni, 0,3-5,0% Cr, 0,1-2,0% Mo und 0,1-0,5% V, während der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind,
- - ferner daß die oben genannten Bestandteile der folgenden Bedingung (1) genügen: 550 - 333[C] - 34[Mn] - 20[Cr] - 17[Ni] - 11[Mo] 300 (1)wobei in den [ ] die entsprechenden Gewichtsprozente der verschiedenen Bestandteile einzusetzen sind, und, daß nichtmetallische Oxideinschlüsse mit mittleren Teil chengrößen von 50 µm oder mehr nicht vorhanden sein dürfen, während mittlere Teilchengrößen von 20 µm oder mehr innerhalb eines Meßbereiches von 160 mm² nur 10 oder weniger sein dürfen.
2. Hochfester Federstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß derselbe zusätzlich 0,05-0,5% Nb und/oder 0,1-1,0%
Cu enthält.
3. Hochfester Federstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß derselbe zusätzlich 0,1-5,0% Co enthält.
4. Hochfester Federstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die unvermeidbaren Verunrei
nigungen bei Sauerstoff im Bereich von 15 ppm oder weniger,
80 ppm oder weniger bei Stickstoff, 100 ppm oder weniger
bei Phosphor und bei Schwefel 100 ppm oder weniger liegen.
5. Hochfester Federstahl nach einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der
Korrosionsfestigkeit der Gehalt von C, Si, Ni und Cr der
folgenden Bedingung (2) genügt:
50[Si] + 25[Ni] + 40[Cr] - 100[C] 230 (2)wobei in die [ ] die Gewichtsprozente der betreffenden
Komponenten einzusetzen sind.
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