DE4440729C2

DE4440729C2 - Relaxationsfeste Stahlfeder

Info

Publication number: DE4440729C2
Application number: DE19944440729
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Ing Heinke; Klaus Dipl Ing Wanke; Otto Dipl Ing Zehendner
Original assignee: Datec Scherdel Datentechnik Forschungs und Entwicklungs GmbH
Current assignee: Datec Scherdel Datentechnik Forschungs und Entwicklungs GmbH
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1994-11-15
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2014-11-16
Also published as: DE4440729A1

Description

Die Erfindung betrifft eine relaxationsfeste Stahlfeder gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 2.

Bekannt sind Federn aus patentiert gezogenen Federstahldrähten bestehend aus unlegierten Kohlenstoffstählen. Solche Federn sind im wesentlichen frei von Zunder und Restschmutzteilchen, sind aber für Betriebstemperaturen von über 80°C nur bedingt einsetzbar. Der Einsatz erfolgt mit stark reduzierten Arbeitsspannungen, deren Kompensation nur über eine höhere Einsatzmasse der Feder erfolgen kann, die bekanntlicher Weise aus wirtschaftlichen aber auch aus konstruktiven Gründen erhebliche Nachteile bringt. Hinsichtlich des Relaxationsverhaltens bei höheren Betriebstemperaturen zeigen Federn aus ölschlußvergüteten unlegierten Federstahl- und Ventilfederdrähten die gleichen Nachteile. Hinzu kommt, daß infolge der Ölschlußvergütung die Oberfläche mit Zunder oder Reste anderer Rückstände behaftet ist, sich bei der Federfunktion lösen und in sensiblen Arbeitsbereichen wie beispielsweise automatischen Getrieben und Kraftstoffeinspritzsystemen in Kraftfahrzeugen zu erheblichen Störungen oder zum gänzlichen Ausfall derartiger Aggregate führen können.

Zur Erhöhung des Relaxationsverhaltens bei höheren Arbeitstemperaturen ist der Einsatz von Federn aus CrV-, SiCr- und SiCrV - legierten Federstahldräh ten bereits praxisbekannt. Hiermit lassen sich Grenztemperaturen von 160°C realisieren. Diese legierten Stähle erfordern ebenfalls eine Ölschlußvergü tung. Es treten also die gleichen Nachteile wie bei Federn aus unlegierten Federstählen auf., d. h., ebenfalls hier haften an der Oberfläche Reste von Zunder, der gelöst, infolge der Federfunktion, zu Ausfällen hochempfindlicher technischer Systeme führen kann. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß das bei der Vergütung entstandene martensitische Gefüge außer ordentlich empfindlich beim Beizen oder einer Oberflächenbehandlung rea giert, die mit einer Wasserstoffdiffusion in den Federwerkstoff verbunden ist. Die sogenannte Wasserstoffversprödung, wie sie beim Beizen oder elektroly tischen Beschichten entsteht, führt zum vorzeitigen Ausfall des Federelemen tes und damit zur Funktionsmüdigkeit komplizierter und teurer Mechanismen. Neben diesen funktionellen Nachteilen haftet den Federn dieser Werkstoff gruppe ein wesentlicher technologischer Nachteil an. Nach dem Umformen müssen derartige Federelemente ohne Zeitverzug einer Entspannungsglü hung (Anlassen) unterzogen werden. Treten hier Verzögerungen ein, bilden sich Eigenspannungsanrisse, die zum vorzeitigen Bruch des oder der Feder elemente führen.

Zur Beseitigung dieser Nachteile sind Federn aus austenitischen nichtrosten den Federdrähten, beispielsweise der Sorte X 12 CrNi 17.7, entwickelt wor den. Infolge des wesentlich höheren Legierungsaufwandes und der technolo gischen Besonderheiten entstehen unvertretbar hohe Materialkosten für die Federelemente.

In der DE 29 17 287 C2 sind im Anspruch 1 und in Zeilen 50 ff. der Seite 1 ein Abschrecken und Anlassen bzw. eine schnelle Abkühlung sowie ein Anlassen und eine schnelle Erwärmung auf beispielsweise 1100 Grad Celsius mit einem anschließenden Abschrecken erwähnt. Das Ergeb nis einer solchen Temperaturbehandlung ist eine marten sitische Härtung.

Ein Kaltziehen des vorbekannten Drahtes zur Anhebung der Zugfestigkeit des Materials ist in der DE 29 17 287 C2 nicht erwähnt und unter den dort erwähnten Vorbedingun gen praktisch auch nicht möglich.

Ein zwischen 300 und 600 Grad Celsius stattfindendes An lassen ist nicht mit einer isothermischen Wärmebahand lung gleichzusetzen. Eine isotherme Umwandlung besteht vielmehr aus dem Austenitisieren und anschließendem Ab kühlen auf eine Temperatur in der Perlitstufe und aus reichendem Halten, so daß der Austenit vollständig in Perlit bzw. Ferrit umgewandelt wird.

Eine besondere Art der isothermischen Wärmebehandlung ist beispielsweise das sogenannte "Patentieren" von Draht gemäß DIN 17014.

Eine Menge von 0,4 bis 1,2 Gewichtsprozenten Chrom wird nach dem Stand der Technik für das "Patentieren" und Kaltziehen als werkstoff- und verfahrensschädigend ange sehen. Es wird eine Versprödungsgefahr befürchtet, die aber tatsächlich nicht gegeben ist, wenn patentgemäß ver fahren wird.

Ausgehend von dem in der Fachwelt vorhandenen Vorurteil ist in der neuesten Norm EN 10016 T.2 ist beispielsweise die Forderung enthalten, den Maximalgehalt an Chrom nicht über 0,2% ansteigen zu lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochfeste und bei erhöhten Betriebstemperaturen relaxationsbestän dige Drahtfeder mit zunder- bzw. restschmutzfreier Ober fläche und relativ geringen Materialkosten zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit durch eine Stahl feder mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprü chen 3 bis 10.

Die Kostenvorteile gegenüber dem martensitisch vergüte ten Si-Cr-Federstahl ähnlicher Zusammensetzung betragen ca. 30%, gegenüber austenitischen Cr-Ni-Federstahl so gar ca. 60%.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert, ohne die Erfindung damit auf diese beiden Ausführungsbeispiele zu beschrän ken.

Beispiel 7

Eine relaxationsfeste und warmfeste Zugfeder mit folgenden Abmessungen:

Drahtdurchmesser	3,6 mm
Federkörperdurchmesser	41,5 mm
Ungespannte Länge L₀	268 mm
AL=L<Gespannte Federlänge
L₁	384 mm
L₂	570 mm

wird hergestellt aus einem Walzstahl mit 8 mm und folgender Zusammen setzung:

0,68 Gewichtsprozente Kohlenstoff
1,48 Gewichtsprozente Silizium
0,52 Gewichtsprozente Chrom
0,65 Gewichtsprozente Mangan und stahltypische Begleitelemente.

Dieser Walzstahl wird bei 900°C austenitisiert, bei 540°C isothermisch um gewandelt und nachfolgend an 3,6 mm kaltgezogen. Dabei wird eine Festig keit R_m von 1900 N/mm² erreicht. Dieser Draht wird vollautomatisch zu einer Zugfeder mit vorstehend genannten Abmessungen umgeformt und an schließend bei 300°C eine Stunde spannungsarm geglüht. Relaxationsverlust nach Prüfung auf L₂ bei 145°C eine Stunde: 4,8

Beispiel 2:

Ein weiteres Beispiel bezieht sich auf die Herstellung einer Schraubendruck feder. Aus einem Walzstahl 5,5 mm mit einer Zusammensetzung wie im Beispiel 1 wird eine analoge Wärme- und Kaltziehbehandlung bei der Zugfe der ausgeführt und eine Druckfeder für eine Kraftstoffeinspritzpumpe mit folgenden Federdaten erzeugt:

Drahtdurchmesser	1,4 mm
Außendurchmesser	7,3 mm
Ungespannte Länge	25,4 mm

Relaxationsprüfung bei L₂ = 15,4 mm und 150°C zwölf Stunden: 3,5

Claims

1. Relaxationsfeste Stahlfeder, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Kohlenstoff 0,45 bis 0,85 Gewichts prozent, der Anteil an Silizium 0,2 bis 1,6 Gewichts prozent, der Anteil an Mangan 0,3 bis 1,5 Gewichts prozent und der Anteil an Chrom 0,4 bis 1,2 Gewichts prozent beträgt, daß der Draht austenitisiert und unmittelbar nachfolgend im Temperaturbereich zwischen 450 und 650 Grad Celsius isothermisch wärmebehandelt ist, anschließend bei einer Brucheinschnürung von min destens 40% auf eine Zugfestigkeit von ca. 1600 bis ca. 2300 N/mm2 gezogen, kalt zur Feder geformt und schließlich im Temperaturbereich von 200 bis 350 Grad Celsius spannungsarm geglüht ist.

2. Relaxationsfeste Stahlfeder, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Kohlenstoff 0,45 bis 0,85 Gewichts prozent, der Anteil an Silizium 0,0 bis 1,6 Gewichts prozent, der Anteil an Mangan 0,3 bis 1,5 Gewichts prozent, der Anteil an Chrom 0,0 bis 1,2 Gewichts prozent und der Anteil an Bor 0,003 bis 0,01 Ge wichtsprozent beträgt, daß der Draht austenitisiert und unmittelbar nachfolgend im Temperaturbereich zwi schen 450 und 650 Grad Celsius isothermisch wärmebe handelt ist, anschließend bei einer Brucheinschnürung von mindestens 40% auf eine Zugfestigkeit von ca. 1600 bis ca. 2300 N/mm2 gezogen, kalt zur Feder ge formt und schließlich im Temperaturbereich von 200 bis 350 Grad Celsius spannungsarm geglüht ist.

3. Stahlfeder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl eine Beimengung von 0,05 bis 0,3 Gewichtsprozenten Vanadium aufweist.

4. Stahlfeder nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß der Stahl zusätzlich 0,005 bis 0,05 Gewichtsprozent Titan, 0,0 bis 0,1 Gewichts prozent Niob, 0,0 bis 0,2 Gewichtsprozent Tantal, 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent Molybdän als Beimengun gen enthält.

5. Stahlfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie schraubenförmig gestaltet ist.

6. Stahlfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Federdurchmesser gleich oder kleiner als das Vierfache des Drahtdurch messers ist.

7. Stahlfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie kugelgestrahlt ist.

8. Stahlfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese durch überelastische Ver formung bei Raumtemperatur vorgesetzt ist.

9. Stahlfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese durch überelastische Ver formung bei Temperaturen bis 400 Grad Celsius vorge gesetzt ist.

10. Stahlfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese durch überelastische Ver formung zunächst bei Raumtemperatur und anschließend bei Temperaturen bis 400 Grad Celsius vorgesetzt ist.