DE69405627T2

DE69405627T2 - Stahlmaterial für gefärbte Federn, Verfahren zur Herstellung von gefärbten Federn, und gefärbte Federn

Info

Publication number: DE69405627T2
Application number: DE69405627T
Authority: DE
Inventors: Keiji Hattori; Takashi Kubo; Hirofumi Ueki; Masao Yamada
Original assignee: Shinko Wire Co Ltd
Current assignee: Kobelco Wire Co Ltd
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 1998-04-30
Anticipated expiration: 2014-04-15
Also published as: EP0620292A3; EP0620292B1; AU669267B2; EP0620292A2; US5455121A; CA2121392A1; ES2108900T3; DE69405627D1; JP3017910B2; JPH06346934A; AU5946394A; CA2121392C; KR0119721B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Stahlmaterial für eine gefärbte Feder, ein Verfahren zur Herstellung einer gefärbten Feder sowie eine gefärbte Feder.
Federn, wie Schraubenfedern und Blattfedern, sind unabdingbare Bestandteile für das Zusammenbauen einer Reihe von Maschinen. Die Stahlmaterialien für eine Feder werden grob in Stahldrähte und Stahlbieche eingeteilt. Die Stahldrähte sind weiter in harte Stahldrähte, Klavierdrähte und rostfreie Stahldrähte, wie in JIS oder "Japanese Industrial Standard" spezifiziert, klassifiziert. Diese Grundstähle weisen einen sehr ähnlichen Oberflächenfarbton auf. insbesondere sind die harten Stahldrähte und die Klavierdrähte nur an Hand des Oberflächenfarbtones nicht unterscheidbar.
Die rostfreien Stahldrähte weisen im Vergleich zu den harten Stahldrähten oder den Klavierdrähten im allgemeinen einen ausgezeichneten Glanz auf, und daher ist es nicht schwierig, die harten Stahldrähte oder die Klavierdrähte von den rostfreien Stahldrähten zu unterscheiden. In dem Fall, daß ein sog. Ölziehen oder Naßziehen, in welchem der Draht durch Anlegen einer Zugkraft gezogen wird, während Öl auf die Oberfläche des Drahtes aufgebracht wird, an den harten Stahldrähte oder der Klavierdrähte durchgeführt wird, zeigen diese Drähte einen erhöhten Glanz. Als ein Ergebnis davon werden die harten Stahldrähte oder die Klavierdrähte von den rostfreien Stahldrähten ununterscheidbar.
Die Tatsache, daß der Federtyp, bezogen auf den Oberflächenton, wie vorgenannt beschrieben, nicht unterscheidbar ist, wirft das Problem auf, daß Federn, welche bezüglich des Typs unterschiedlich sind, aber in der Form ähnlich, im Herstellungsverfahren verschiedener Maschinen versehentlich zusammenverwendet werden. Demgemäß werden die Federn gefärbt, um dieses Problem zu vermeiden.
Figuren 5A und 5B zeigen herkömmliche Färbeverfahren in der Herstellung von Federn. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, können die herkömmlichen Verfahren zum Färben einer Feder grob in die Methode A, wie Fig. 5A gezeigt ist, gemäß derer die Färbung aufgebracht wird, bevor die Federn gebildet werden, und in die Methode B, wie in Fig. 5B gezeigt, gemäß derer die Färbung aufgebracht wird, nachdem die Federn gebildet wurden.
Gemäß dem herkömmlichen Verfahren A wird der Grundstahl zunächst gefärbt. Anschließend wird in dem Fall, daß der Grundstahl ein Stahldraht ist, ein Drahtziehen angewendet, wohingegen in dem Fall, daß der Grundstahl ein Stahlblech ist, ein Rollen angewendet wird. Der Grundstahl, welcher gefärbt und gezogen/gerollt worden ist, wird anschließend unter Verwendung einer bestimmten Formmaschine bzw. Formvorrichtung in Federn geformt. Dadurch kann ein Zwischenprodukt erhalten werden. Diese Zwischenprodukte werden durch ein Sinter- bzw. Glühverfahren der Zwischenprodukte, welche in einen Glühofen einer bestimmten Temperatur gebracht werden, zu Federn verarbeitet. Gemäß diesem Verfahren ist der Grundstahl schon vor dem Formen gefärbt.
Gemäß dem herkömmlichen Verfahren B wird der Grundstahl plattiert oder geschmiert, ist aber vor dem Formen noch nicht gefärbt. Anschließend wird ähnlich zu dem herkömmlichen Verfahren A, nachdem ein Ziehen oder Rollen durchgeführt wird, eine bestimmte Formeinwirkung in einem Formverfahren durchgeführt. Auf diesem Weg können die Zwischenprodukte in der Form von Federn erhalten werden. Diese Zwischenprodukte werden geglüht bzw. gesintert und anschließend gefärbt. Als eine Färbemethode wird entweder eine chemische Umwandlungsbehandlung oder eine Farbplattierungsbehandlung durchgeführt.
In dem herkömmlichen Verfahren A kann insbesondere als ein Färbeverfahren ein Harzbeschichtungsverfahren hinsichtlich des Beschichtens der Oberfläche des Grundstahls mit einem speziellen Harz, ein Backanstrichverfahren hinsichtlich eines Backanstrichs auf der Oberfläche davon verwendet werden. In dem herkömmlichen Verfahren B können eine chemische Umwandlungsbehandlung zum Behandeln des Grundstahls mit Chemikalien und eine Elektroplattierungsbehandlung als Färbeverfahren verwendet werden.
Nebenbei wird Schwarz als Farbton der fertigen Feder in vielen Fällen besonders bevorzugt genommen, um eine Übereinstimmung des Oberflächenfarbtons mit dem schwarzen Grundfarbton zu erzielen oder um eine Nachfrage hinsichtlich des Designs zu erfüllen. Sowohl die Elektroplattierungsbehandlung als auch die chemische Umwandlungsbehandlung sind anwendbar, um die Federn schwarz zu machen. Des weiteren werden eine schwarze Plattierungsbehandlung mit Chrom, eine schwarze Plattierungsbehandlung mit Nickel, eine schwarze Plattierungsbehandlung mit Rhodium und dergleichen als Elektroplattierungsbehandlung verwendet. Ein Verfahren zum Schwarzmachen mit Chromat und ein Verfahren mit einem schwarzen Oxidüberzug bzw. -finish werden als chemische Umwandlungsbehandlung verwendet.
Das Stahlmaterial für Federn wird jedoch einer äußerst großen Abrasion von einer Vielzahl von Formgebungsmaschinenwerkzeugen während des Formverfahrens unterworfen. Demgemäß werden die Beschichtungen und Anstriche oft zerkratzt oder aufgrund der hohen Abrasion abgeschält, wenn der Grundstahl gemäß des herkömmlichen Verfahrens A gefärbt ist, in welchem das Färben durch Beschichten mit einem Harz oder Anstreichen vor dem Formverfahren durchgeführt wird.
Üblicherweise werden die Federn bei einer Temperatur von 250 bis 400ºC zwei bis drei Minuten erwärmt, um die Federeigenschaften (eine Niedertemperaturglühbehandlung) zu verbessern. Auch wenn die durch die Abrasion hervor gerufenen Kratzer in geringem Ausmaß vorliegen, schmelzen daher die Beschichtungen oder Anstriche während der Wärmebehandlungen, was dazu führt, daß die Federn jeweils aneinander festsitzen bzw. aneinanderhaften. Als ein Ergebnis davon werden unerwünschterweise Vertiefungen bzw. Rillen auf der äußeren umfänglichen Oberfläche der Federn durch das Erweichen und Schmelzen der Beschichtungen gebildet.
Des weiteren wird manchmal eine Formgebungsvorrichtung verwendet, welche mit einem Detektor zum Detektieren der Größe einer Feder unter Verwendung eines elektrischen Signais während des Formgebungsverfahrens ausgestattet ist. Um eine solche Formgebungsvorrichtung zu verwenden, muß das Stahlmaterial in einem leitenden Zustand vorliegen. Wenn die Oberfläche des Stahlmaterials mit einer Beschichtung oder einer Anstrichschicht bedeckt ist, wird es in einen isolierenden Zustand bzw. nichtleitenden Zustand gebracht. Deshalb kann die mit dem Detektor ausgestattete Formgebungsvorrichtung nicht verwendet werden.
Aus den vorgenannten Gründen ist es problematisch, die Oberfläche des Grundstahls unter Verwendung des herkömmlichen Verfahrens A zu färben. Andererseits weist das herkömmliche Verfahren B das Problem steigender Herstellungskosten auf, da eine umständliche Behandlung, z.B. eine chemische Umwandlungsbehandlung oder eine Farbplattierungsbehandlung, durchgeführt werden muß, um die Zwischenprodukte zu färben, welche durch das Sinter- bzw. Glühverfahren gebracht wurden.
Ein anderes herkömmliches Verfahren zum Bilden von gefärbten Überzügen umfaßt das Aufbringen von metallischen Auflagen auf Eisen- oder Stahloberflächen.
EP-A-0 269 006 beschreibt ein Verfahren zum Bilden einer gefärbten Beschichtung auf Eisen- oder Stahloberflächen durch Schmeiztauchen in ein heißes Bad oder durch Sprühen einer Zink-Legierung, die im wesentlichen aus 0,1-0,8 Gew.- % Mn und gegebenenfalls aus bis zu 1,0 Gew.-% Cu und bis zu 0,1 Gew.-% Ti besteht, wobei der Rest Zink und unvermeidbare Verunreinigungen sind, und Erwärmen der beschichteten Oberfläche in einer Atmosphäre bei 450 - 550 ºC, um eine olivgraue, goldene, purpurne oder blau gefärbte Beschichtung zu bilden.
EP-A- 0 551 566 beschreibt ein Verfahren unter Verwendung eines eine Farbe entwickelnden Metallproduktes für Federn&sub1; welches das Aufbringen einer Zwei- Schichten-Plattierung einer unteren Schicht von Kupfer und einer oberen Schicht von Zink auf ein Substrat und Erwärmen dieses plattierten Substrats bei 250 - 400ºC umfaßt, um ein gefärbtes Material zu erhalten.
US-A-3 778 315 beschreibt ein Beschichtungsverfahren für die Herstellung von gefärbten Beschichtungen mit Metallen von Zn, Sn oder Sn-Pb, welche legiert damit ein "sauerstoffbegieriges" Additiv aufweisen, welches nach Oxidation einen Oxidfilm mit wahrnehmbaren Lichtinterferenz-Farbeffekten aufweist. Das zusätzliche Metall ist aus Ti, Mn, V, Cb, Zr, Th, Mischmetall, Cd, As, Cu, Pb und Cr ausgewählt.
Jedoch beschreibt keine dieser Druckschriften ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung mit einem schwarzen Farbton oder ein Stahlmaterial zur Herstellung von schwarzgefärbten Federn.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Stahmaterial bereitzustellen, welches die Herstellung von schwarzgefärbten Federn sicherstellen kann, ohne die Probleme im Stand der Technik zu verursachen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stahmaterial bereitzustellen, welches die Herstellung von gefärbten Federn mit einem schönen schwarzen Farbton sicherstellt, ohne ein Färbeverfahren entweder vor einem Formverfahren oder nach einem Glüh- bzw. Sinterverfahren bereitzustellen, sondern nur durch Ausführen der Federherstellung auf herkömmlichem und normalem Weg.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue, gefärbte Feder bereitzustellen, welche einen schönen schwarzen Farbton aufweist und keine hohen Produktionskosten erfordert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Herstellungsverfahren für eine gefärbte Feder bereitzustellen, welches schwarzgefärbte Federn unter verminderten Kosten bereitstellen kann.
Demgemäß betrifft die Erfindung ein Stahmaterial für gefärbte Federn, umfassend einen Grundstahl und eine metallische Auflage, die auf einer Oberfläche des Grundstahls gebildet ist, wobei die metallische Auflage aus 0,2 bis 80 Gew.-% Kupfer und 0,2 bis 10,0 Gew.-% Chrom besteht, wobei der Rest aus Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildet wird. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine neue, schwarzgefärbte Feder, die unter Verwendung des vorgenannten Stahlmaterials erhältlich ist.
Dieses Stahmaterial wird mit einer Auflage eines solchen Metalls auf dessen Oberfläche ausgestattet. Das Stahmaterial wird zu einer Feder geformt und anschließend geglüht bzw. gesintert oder erwärmt, um einen gewünschten, schwarzen Farbton auf der Oberfläche zu erzeugen. Demgemäß kann mit diesem Stahimaterial das Färbeverfahren, welches bezüglich der herkömmlichen Federherstellung erforderlich ist, weggelassen werden.
Die Auflage dient auch als ein Puffer zwischen einer Federformvorrichtung und dem Grundstahl. Die Formbarkeit von Federn kann dadurch verbessert werden. Ferner ist die Auflage leitend, da sie aus Metall ist. Demgemäß kann dieses Stahimaterial die Verwendung eines Detektors zum Detektieren der Größe von Federn und die Anlegen von Elektrizität an die Federn sicherstellen.
Ferner kann es bevorzugt sein, daß die metallische Auflage aus zwei Schichten gebildet ist, wobei eine Schicht aus einem Metall ist, welches entweder Kupfer oder Zink einschließt, und die andere Schicht aus einem Metall ist, welches Chrom einschließt.
Ferner ist es bevorzugt, daß die innere Schicht der zweischichtigen Auflage aus Kupfer und die äußere Schicht aus einer Zinkihrom-Legierung ist, oder alternativ, daß die innere Schicht aus Zink und die äußere Schicht aus einer Kupferichrom-Legierung ist.
Hinsichtlich des Stahlmaterials, das mit der Auflage, die Kupfer, Zink und Chrom enthält, gebildet ist, diffundieren Kupfer und Zink in die Auflage, wodurch ein sog. goldener Farbton erzeugt wird, wenn das Stahmaterial erwärmt wird. Andererseits wird das Chrom oxidiert, wodurch ein Chromoxid gebildet wird.
Das Chromoxid, z.B. Cr&sub2;O&sub3;, zeigt einen dunkelgrauen Farbton. Demgemäß führt die Kombination des goldenen Farbtons von Kupfer und Zink und des dunkelgrauen Farbtons von Chromoxid dazu, daß die Auflage als ein ganzes einen schönen schwarzen Ton zeigt.
Des weiteren diffundieren diese Metalle in der Auflage, die Kupfer, Zink und Chrom enthält, miteinander in der Auflage und das Chromoxid wird während eines Heißglühverfahrens gebildet. Als ein Ergebnis davon zeigt die Auflage einen schönen schwarzen Ton, was dazu führt, daß die erhaltene Feder schön aussieht.
Des weiteren verhindert das Chromoxid, welches als ein Ergebnis des Erwärmens gebildet wird, das Rosten der Feder wirkungsvoll.
Ferner kann die Auflage, die aus zwei Schichten, der inneren Schicht aus Kupfer oder Zink und der äußeren Schicht aus Zink/chrom- oder Kupfer/Chrom-Legierung, gebildet ist, einen schöneren schwarzen Ton zeigen. Dies beruht darauf: 1) daß das Chrom von Zink/Chrom oder Kupfer/Chrom, das auf der äußeren Schicht angeordnet ist, leichter oxidiert wird, um Chromoxid zu bilden; und 2) die Anordnung des dunkelgrauen Farbtons auf der äußeren Schicht und des goldenen Farbtons auf der inneren Schicht zu einem schöneren schwarzen Farbton führt.
Es kann bevorzugt sein, daß die metallische Auflage eine Dicke von 0,1 bis 15 µm aufweist.
Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer gefärbten Feder, welches die Schritte des Bildens an der vorgenannten metallischen Auflage auf einer Oberfläche eines Grundstahls, das Formen des Grundstahls in ein Zwischenprodukt mit einer bestimmten, federartigen Form und das Ausglühen bzw. Tempern des Zwischenprodukts in einem Temperaturbereich von 200 - 500ºC umfaßt, um zu bewirken&sub1; daß die Auflage einen schwarzen Farbton aufweist.
Dieses Verfahren kann eine gefärbte Feder mit einem schönen schwarzen Farbton auf deren Oberfläche liefern, ohne ein zusätzliches Färbeverfahren bereitzustellen.
Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine gefärbte Feder, die durch Formen eines Grundstahls, der mit der vorgenannten metallischen Auflage ausgestattet ist, zu einem Zwischenprodukt mit einer spezifischen, federartigen Form und durch Tempern des Zwischenprodukts in einem Temperaturbereich von 200 - 500ºC, um zu bewirken, daß die Auflage einen schwarzen Farbton aufweist, hergestellt wird.
Diese gefärbte Feder weist einen schönen schwarzen Farbton auf der Oberfläche auf, da die metallische Auflage Kupfer, Zink und Chrom in den vorgenannten Mengen enthält und innerhalb des Temperaturbereichs von 200 - 500ºC erwärmt wird.
Die vorgenannten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher nach Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und Zeichnungen.
Fig. 1 ist ein Flußdiagramm, das exemplarisch das erfindungsgemäße Federherstellungsverfahren zeigt.
Fig. 2 ist eine semilogarithmische, graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Temper- bzw. Sintertemperatur (ºC), Temperzeit (min.) und dem Farbton bezüglich eines Niedertemperaturtemperns zeigt;
Fig. 3 ist eine logarithmische, graphische Darstellung, die einen Bereich zeigt, in welchem ein schwarzer Farbton erhältlich ist, bezogen auf die Beziehung zwischen der Kupfermenge (Gew.-%) und der Chrommenge (Gew.-%) in einer gebildeten Auflage;
Fig. 4 ist eine semilogarithmische, graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Auflagendicke (µm), Temperzeit (min.) und dem Farbton zeigt; und
Figuren 5A und 5B sind Flußdiagramme, welche die herkömmlichen Federherstellungsverfahren A bzw. B zeigen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf den Untersuchungen der Erfinder. Es wurde festgestellt, daß die Plattierung keine Änderung hinsichtlich der Federcharakteristik des Stahlmaterials für Federn hervorruft und daß eine Auflage der spezifischen Legierung, die auf der Oberfläche des Stahlmatenals gebildet ist, einen schwarzen Farbton sicherzustellen beginnt, sofern bei einer niederen Temperatur getempert wird. Die Erfindung wird hauptsächlich dadurch realisiert, daß auf einer Oberfläche eines Grundstahls eine metallische Auflage, die aus 0,2 bis 80 Gew.-% Kupfer und 0,2 bis 10,0 Gew.-% Chrom besteht, wobei der Rest aus Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen ist, gebildet wird.
Ein exemplarisches Federherstellungsverfahren gemäß der Erfindung wird mit Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Zunächst wird der Grundstahl plattiert. Die Plattierungsbehandlung kann an einem Grundstahldraht für Federn, wie ein Hartstahldraht, ein Klavierdraht oder ein rostfreier Stahldraht oder an einer Vielzahl von Stahlplattenfedern durchgeführt werden. Als ein Auflagemetall, das für die Plattierungsbehandlung verwendet wird, wird ein Metall ausgewählt, das befähigt ist, einen spezifischen Farbton nach Erwärmen zu erzeugen.
Die Metallauflage erzeugt einen spezifischen Farbton während der Temperbehandlung, welche danach durchgeführt werden muß. Der Grundstahl, der mit einer solchen metallischen Auflage ausgestattet ist, wird in einen Draht durch Ziehen oder in ein Blech durch Rollen geformt. Dieses Stahmaterial wird in eine spezifische Federform unter Verwendung einer Formvorrichtung in einem nachfolgenden Formverfahren geformt. Obwohl das Stahmaterial einer äußerst großen Abrasion während des Formverfahrens unterworfen ist, fungiert in diesem Fall die auf dessen Oberfläche gebildete Auflage als ein Schmiermittel, so daß das Stahlmaterial in der Formvorrichtung gleichmäßig bzw. milde bearbeitet werden kann. Deshalb ist eine zufriedenstellende Formbarkeit erreichbar, auch ohne irgendein Schmiermittel zu verwenden, im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren B.
Ein Zwischenprodukt, das nach dem Formverfahren erhalten wird, wird bei einer bestimmten Temperatur erwärmt, um in einem nachfolgenden Temperverfahren zu sintern bzw. zu tempern und schließlich eine Feder herzustellen. Die metallische Auflage auf der Oberfläche des Zwischenprodukts liefert unter Erwärmen während des Temperverfahrens einen bestimmten Farbton.
Dadurch werden gefärbte Federn nach dem gleichen Herstellungsweg wie zur Herstellung nichtgefärbter Federn hergestellt, d.h. ohne zusätzliche Verfahren. Demgemäß können gefärbte Federn effektiv und unter verminderten Kosten hergestellt werden.
Ferner beseitigt die Herstellung von Federn unter Verwendung dieses Stahlmaterials das dem herkömmlichen Verfahren A innewohnende Problem, daß die Anstrichbeschichtung, die auf der Oberfläche des Grundstahls während des Färbeverfahrens gebildet wird, während des nachfolgenden Formverfahrens zum Abschälen neigt. Dies führt dazu, daß die Oberfläche der fertigen Feder schön und glatt ist.
Ferner macht die Verwendung dieses Stahlmaterials die Färbebehandlung der Feder unnötig, welche für das herkömmliche Verfahren B notwendig ist, nachdem das Zwischenprodukt getempert wird, wodurch die Herstellungskosten vermindert werden.
In dieser Ausführung ist die metallische Auflage aus zwei Schichten: Der inneren Schicht aus Kupfer und der äußeren Schicht aus der Zink/Chrom-Legierung, oder alternativ, der inneren Schicht aus Zink und der äußeren Schicht aus der Kupfer/Chrom-Legierung.
Jedoch muß festgestellt werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die vorgenannte zweischichtige Auflage beschränkt ist. Es kann auch eine Einzelschichtauflage gebildet werden. Es kann ebenfalls eine zweischichtige Auflage gebildet werden, deren eine Schicht aus Kupfer/Chrom oder Zink/Chrom und deren andere Schicht aus Zink/Chrom oder Kupfer/Chrom ist.
Im folgenden werden geeignete oder bevorzugte Elementanteile, Dicke, Glühtemperatur der Auflage mit Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 4 beschrieben.
Fig. 2 ist eine semilogarithmische, graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Temper- bzw. Sintertemperatur (ºC), der Temperzeit (min.) und dem Farbton, der in einer Niedertemperatur-Glühbehandlung gebildet wird, zeigt.
Diese graphische Darstellung ergab sich wie folgt: Zunächst wurde ein Hartstahldraht mit einer zweischichtigen Auflage gebildet, wobei die innere Schicht aus Kupfer und die äußere Schicht aus der Zinkich rom-Legierung war. Der Hartstahldraht wurde bei einem Reduktionsverhältnis bzw. Verkleinerungsverhältnis von größer als 50% gezogen und anschließend getempert bzw. gesintert bzw. geglüht. Die Auflage wies 65 Gew.-% Kupfer, 5 Gew.-% Chrom und 30 Gew.-% Zink auf. Der gezogene Hartstahldraht wies schließlich eine Auflagendicke von 0,5 µm auf. Eine Anzahl von Teststücken wurde hergestellt. Die Tempertemperatur und Temperzeit wurde für jedes Teststück geändert. Der Farbton jedes Teststückes wurde durch ein digitales Farbmeßgerät "TC-3600" gemessen, welches ein Produkt der Tokyo Denshoku Kabushiki Kaisha, einer japanischen Firma, ist. Wie aus dieser graphischen Darstellung gesehen werden kann, ist die Änderung bezüglich des Farbtons eng mit der Tempertemperatur und der Temperzeit verbunden. Es ist ersichtlich, daß eine gewünschte Änderung zu einem schwarzen Farbton in einem Bereich hinsichtlich der Tempertemperatur von 200 bis 500ºC für eine kurze Temperzeit, d.h. 1,0 bis 30 Minuten, auftrat. Bei einer Tempertemperatur von nicht höher als 200ºC änderte jedoch die Oberfläche des Teststückes nicht besonders ihren Farbton, auch wenn sie für eine besonders lange Zeit getempert wurde. Ferner wurde der schwarze Farbton nicht erreicht, auch wenn sie für eine viel längere Zeit getempert wurde. Eine Tempertemperatur von nicht niedriger als 500ºC verschlechterte ebenfalls die Festigkeit der Feder und daher ist es nicht geeignet, bei solch einer hohen Temperatur zu tempern bzw. zu glühen. Auf der Basis des vorgenannten Testergebnisses ist es demgemäß ersichtlich, daß das Einstellen der Tempertemperatur innerhalb des Bereichs von 200 bis 500ºC geeignet oder bevorzugt ist.
Fig. 3 ist eine logarithmische, graphische Darstellung, die einen Bereich zeigt, in welchem ein schwarzer Farbton erhältlich ist, bezogen auf die Beziehung zwischen der Kupfermenge (Gew.-%) und der Chrommenge (Gew.-%) in einer Auflage. Diese graphische Darstellung zeigt ebenfalls einen Bereich bezüglich der Anteile von Kupfer und Chrom, bei welchen ein schwarzer Farbton in der Glühbehandlung erzeugt wird. Eine horizontale Achse in dieser graphischen Darstellung zeigt die Chrommenge (Gew.-%) und eine vertikale Achse zeigt die Kupfermenge (Gew.-%).
Diese graphische Darstellung ergab sich wie folgt: Eine Anzahl von Grundstahldrähten wurde mit Auflagen, die verschiedene Anteile von Zink, Kupfer und Chrom aufwiesen, gebildet. Der plattierte Stahldraht wurde bei einem Reduktionsverhältnis bzw. Verkleinerungsverhältnis von größer als 50% gezogen, so daß schließlich die Dicke der Auflage 0,5 µm betrug. Der gezogene Draht wurde in eine Feder geformt und anschließend bei einer Temperatur von 350ºC für 10 Minuten getempert.
Wie in dieser graphischen Darstellung gezeigt ist, lieferte die Auflage einen grauen Farbton, wenn die Chrommenge weniger als 0,2 Gew.-% betrug. Ebenfalls konnte keine einheitliche Auflage gebildet werden, wenn die Chrommenge 10 Gew.-% oder mehr betrug.
Die Auflage lieferte einen graugrünen Farbton, wenn die Kupfermenge weniger als 0,2 Gew.-% betrug. Ein rotschwarzer Farbton wurde erhalten, wenn die Kupfermenge 80 Gew.-% oder mehr betrug. Bezüglich beider Farbtöne wies die Feder kein schönes Aussehen auf.
Daraus kann gesehen werden, daß ein schöner schwarzer Farbton erhältlich ist, wenn die Auflage innerhalb des rechteckigen Bereichs ist, der in der graphischen Darstellung angezeigt ist, d.h. die Chrommenge beträgt 0,2 bis 10 Gew.-% und die Kupfermenge beträgt 0,2 bis 80 Gew.-%.
Fig. 4 ist eine semilogarithmische, graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Auflagendicke (µm), der Temperzeit (min.) und dem Farbton, der in einer Niedertemperatur-Temperbehandlung gebildet wird, zeigt.
Diese graphische Darstellung ergab sich wie folgt. Zunächst wurde eine Anzahl von Grundstahldrähten plattiert, um zwei Schichten aufzuweisen, die innere Schicht aus Kupfer und die äußere Schicht aus der Zinkihrom-Legierung. Die 1 5 Anteile von Kupfer, Chrom und Zink in der Auflage betrugen 65, 5 bzw. 30 Gew.-%. Der Stahldraht wurde gezogen, so daß die Auflagendicke 0,05 bis 20 µm betrug. Der Stahldraht wurde in eine Feder geformt, welche anschließend bei 400ºC getempert wurde. Diese graphische Darstellung zeigt ein Ergebnis, das durch Überprüfen des Farbtons der Federn erhalten wurde. Eine horizontale Achse dieser graphischen Darstellung zeigt die Temperzeit und eine vertikale Achse davon zeigt den Farbton.
Wie aus dieser graphischen Darstellung ersehen werden kann, war im Fall der Auflagendicke von weniger als 0,1 µm der gewünschte Farbton nicht realisierbar, auch wenn die Temperzeit irgendwie geändert wurde. Wenn das Tempern länger durchgeführt wurde, als für eine bestimmte Zeit, verblieb im Fall der Auflagendicke von 0,1 µm oder größer die Auflage einheitlich und lieferte einen schönen schwarzen Farbton.
Es kann ebenfalls gesehen werden, daß die Zeit, die erforderlich ist, damit die Auflage schwarz wird, exponentiell ansteigt, wenn die Auflagendicke ansteigt. Beispielsweise dauert es 30 Minuten für die 15 µm-Auflage, um schwarz zu werden, aber es dauert 180 Minuten für die 20 µm-Auflage.
Je höher die Tempertemperatur, desto drastischer ändert sich der Farbton, d.h. desto kürzer ist die Zeit, die benötigt wird, damit die Auflage schwarz wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Eine geeignete Tempertemperatur für Federn ist jedoch 250 bis 400ºC und Federn werden selten bei einer Temperatur von höher als 400ºC getempert.
Demgemäß ist aus den graphischen Darstellungen der Figuren 2 und 4 ersichtlich, daß die Auflagendicke, welche sicherstellt, daß sich der schwarze Farbton bei der praktischerweise höchsten Tempertemperatur von 400ºC für die prakti scherweise längste Temperzeit von 30 Minuten einstellt, 15 µm beträgt. Die graphische Darstellung von Fig. 4 zeigt die Tatsache, daß die Auflagen mit einer Dicke von weniger als 15 µm den schwarzen Farbton in weniger als 30 Minuten erzeugen. Der schwarze Farbton kann erwünschterweise durch Kontrollieren der Temperzeit und der Auflagendicke geeignet verändert werden. Es ist ebenfalls nachteilig, eine Auflage mit einer Dicke von größer als 15 µm zu bilden, da dies zu einem Anstieg in den Herstellungskosten führt.
Demgemäß ist es bevorzugt, eine Auflage mit einer Dicke von 0,1 bis 15 µm zu bilden.
Nachfolgend werden die charakteristischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung durch einen Vergleich zwischen einer Feder (vorliegendes Beispiel 1), welche mit einer erfindungsgemäßen Auflage gebildet ist, und einer Feder (Vergleichsbeispiel 1), welche mit keiner Auflage gebildet ist, beschrieben.
Als ein Grundstahldraht wurde ein Hartstahldraht verwendet, dessen Kohlenstoffgehalt 0,82 Gew.-% und dessen Durchmesser 1,80 mm betrug. Dieser Grundstahldraht wurde Blei-patentiert und mit Säure gewaschen, um den Zunder davon zu beseitigen. Die Elektroplattierungsbehandlung wurde an dem entzunderten Grundstahldraht durchgeführt, um eine zweischichtige Auflage zu bilden: die innere Schicht aus Kupfer und die äußere Schicht aus der Zink/Chrom-Legierung.
Für die Kupferplattierungsbehandlung wurde eine Plattierungslösung von 30ºC verwendet, dessen Zusammensetzung war: CuSO&sub4; 5H&sub2;O:240g/l, H&sub2;SO&sub4;:50g/l. Ein Kupferbech wurde als Anode verwendet und die Stromdichte wurde auf 5 A/dm² eingestellt.
Auf der anderen Seite wurde für die Zink/Chrom-Plattierungsbehandlung eine Plattierungslösung bei 50ºC verwendet, dessen Zusammensetzung war: ZNSO&sub4; 7H&sub2;O: 110g/l, Cr&sub2;(SO&sub4;)&sub3; 3H&sub2;O: 1bis 50 g/l, Na&sub2;SO&sub4;10H&sub2;O: 50g/l, und wurde derart hergestellt, daß der pH-Wert davon 4 betrug. Ein Zinkblech wurde als Anode verwendet und die Stromdichte wurde auf 5 bis 30 A/dm² eingestellt.
Die Präzipitation von Chrom wurde durch Änderung der dreiwertigen Cr-Ionenkonzentration in der Plattierungslösung und der Stromdichte eingestellt, und der Grunddraht wurde mit der Auflage aus Kupfer auf der inneren Schicht und der Zink/Chrom-Legierung auf der äußeren Schicht, welche 5 Gew.-% von Kupfer, 5 Gew.-% von Chrom und 90 Gew.-% von Zink aufwies, gebildet. Die Dicke der Auflage wurde auf 0,5 µm nach dem Drahtziehen eingestellt.
Nach der Bildung der zweischichtigen Auflage wurde der Draht kontinuierlich 8 mal bei einem Ziehverhältnis von 88,9 % in dem Querschnittsbereich gezogen, so daß sein Durchmesser 0,60 mm betrug. Dadurch wurde ein Stahldraht (Stahlmaterial für Federn) erhalten, dessen Festigkeitsausmaß äquivalent zu einem C- Typ-Hartstahldraht, wie in JISG3521 spezifiziert, war.
Als Vergleichsbeispiel 1 wurde ein Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,60 mm durch Ziehen des Grundstahldrahtes mit einem Durchmesser von 1,80 mm erhalten, ähnlich zu dem Fall des vorliegenden Beispiels 1, ohne irgendeine Auflage zu bilden.
Diese Stahldrähte wurden in eine Schraubenfeder (Zwischenprodukte) geformt, deren Außendurchmesser 10 mm, deren Länge 20 mm betrug und deren Anzahl an Windungen 20 betrug. Anschließend wurden diese Federn bei 300ºC für 10 Minuten getempert und die Farbtöne davon wurden nach Abkühlung verglichen.
Um die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen und der Vergleichsbeispiele zu messen, wurde anschließend ein weiterer Stahldraht hergestellt, der gerade gehalten wurde, d.h. nicht in eine Feder geformt wurde, und ähnlich getempert wurde. Diese geraden bzw. gestreckten Stahldrähte wurden bezüglich der Zugfestigkeit, der Torsionseigenschaft und der Ermüdungsfestigkeit gemessen. Die Ermüdungsfestigkeit wurde im Einklang mit "Nakamura Rotary Bending Test" gemessen.
Die nachstehende Tabelle-1 zeigt die Vorbedingungen und die Testergebnisse. Tabelle-1
(A), (B), (C) und (D) bedeuten den Farbton vor Erwärmen, den Farbton nach dem Erwärmen, die Anzahl der Drehbiegungen bzw. den Zustand der Oberfläche.
Wie aus der Tabelle-1 ersichtlich ist, änderte sich die Oberfläche des erfindungsgemäßen Beispiels 1, welche ursprünglich weiß war, in einen schönen schwarzen Farbton, welcher ein unterscheidbarer Farbton ist. Im Gegensatz dazu blieb der Farbton der Feder des Vergleichsbeispiels 1 weiß, welcher ein normaler Farbton oder ein nichtunterscheidbarer Farbton ist.
Kein großer Unterschied kann zwischen diesen Federn hinsichtlich der Zugfestigkeit, der Torsionseigenschaft und der Ermüdungsfestigkeit bzw. Dauerfestigkeit festgestellt werden. Der Vergleich, der hinsichtlich der Leichtigkeit dieser Federn bezüglich des Aufrollens durchgeführt wurde, zeigte, daß die erfindungsgemäße Feder eine bessere Formbarkeit aufwies, da die Plattierungsbehandlung darauf angewendet wurde. Deshalb konnte die Durchführung bezüglich des Formens beständig bzw. dauerhaft durchgeführt werden, was zu einer geringeren Schwankung bezüglich der Schraubensteigungen und einer besseren Leichtigkeit hinsichtlich des Aufrollens führt.
Ferner wurde ein weiterer Vergleich durchgeführt. In diesem Vergleich wurde bezüglich des erfindungsgemäßen Beispiels 2 ein rostfreier Stahifederdraht als Grundstahldraht verwendet. Der rostfreie Stahlfederdraht wurde bei 1150ºC blankgetempert und wies einen Durchmesser von 2,5 mm auf. Die Elektroplattierungsbehandlung wurde an dem Grunddraht durchgeführt, um ähnlich dem erfindungsgemäßen Beispiel eine zweischichtige Auflage zu bilden, welche die innere Schicht aus Zink und die äußere Schicht aus der Kupferlchrom-Legierung enthielt. Die Auflage wies ebenfalls 30 Gew.-% und 5 Gew.-% Chrom auf. Der derart plattierte Draht wurde in einen Stahldraht gezogen, dessen Durchmesser 1,0 mm betrug und dessen Auflagendicke 0,5 µm betrug.
Die Plattierungsbedingungen waren wie folgt. Für die Zink-Plattierungsbehandlung wurde eine Plattierungslösung bei 30ºC verwendet. Dessen Zusammensetzung war: ZnSO&sub4; 7H&sub2;O: 110g/l, H&sub2;SO&sub4;: 50g/l. Ein Zinkblech wurde als Anode verwendet und die Stromdichte wurde auf 5 A/dm² eingestellt.
Andererseits wurde für die Kupfer/Chrom-Plattierungsbehandlung eine Plattierungslösung bei 50ºC verwendet, dessen Zusammensetzung war: CuSO&sub4; 5H&sub2;O: 240 g/l, Cr&sub2;(SO&sub4;)&sub3;3H&sub2;O: 1 bis 50 g/l, Na&sub2;SO&sub4; 10H&sub2;O: 50 g/l, und wurde derart hergestellt, daß der pH-Wert davon 4 betrug. Ein Kupferblech wurde als Anode verwendet und die Stromdichte wurde auf 5 bis 30 A/dm² eingestellt. Die Präzipitation von Chrom wurde durch Änderung der dreiwertigen Cr-Ionenkonzentration in der Plattierungslösung und der Stromdichte eingestellt.
Der Stahldraht wies eine Festigkeit auf, die äquivalent zu einem rostfreien Stahifederdraht WPB, wie in JISG4314 spezifiziert, war. Dieser Stahldraht wurde ähnlich zum erfindungsgemäßen Beispiel 1 in eine Schraubenfeder geformt und anschließend bei 350ºC für 10 Minuten getempert.
Das Vergleichsbeispiel 2 wurde durch Formen des gleichen rostfreien Stahldrahtes in eine Schraubenfeder in der gleichen Weise wie das erfindungsgemäße Beispiel 2 hergestellt, jedoch wurde keine Plattierungsbehandlung angewendet.
Ähnliche Vergleichstests wurden durchgeführt. Die nachstehende Tabelle-2 zeigt die Vorbedingungen und die Testergebnisse. Tabelle-2
(A), (B), (C) und (D) bedeuten den Farbton vor Erwärmen, den Farbton nach dem Erwärmen, die Anzahl der Drehbiegungen bzw. den Zustand der Oberfläche.
Wie aus Tabelle-2 ersichtlich ist, änderte sich ähnlich zu dem vorhergehenden Vergleich die Oberfläche des erfindungsgemäßen Beispiels 2, welche ursprünglich weiß war, in einen schönen schwarzen Farbton, welcher deutlich von den normalen Federn unterscheidbar war. Im Gegensatz dazu blieb der Farbton des Vergleichsbeispiels 2 weiß, und es war deshalb unmöglich, diese Feder von nichtgefärbten Federn zu unterscheiden.
Es wurde kein großer Unterschied zwischen diesen Federn hinsichtlich der Zugfestigkeit, der Torsionseigenschaft und der Ermüdungsfestigkeit festgestellt.

Claims

1. Stahlmaterial für gefärbte Feder, umfassend einen Grundstahl und eine metallische Auflage, die auf einer Oberfläche des Grundstahls gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Auflage aus 0,2 bis 80 Gew.% Kupfer und 0,2 bis 10,0 Gew.% Chrom besteht, wobei der Rest aus Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildet wird.

2. Stahlmaterial nach Anspruch 1, wobei die metallische Auflage aus zwei Schichten gebildet ist, wobei eine Schicht aus einem Metall ist, welches entweder Zink oder Kupfer enthält, und die andere Schicht aus einem Metall ist, welches Chrom enthält.

3. Stahlmaterial nach Anspruch 2, wobei die innere Schicht der zweischichtigen metallischen Auflage aus Kupfer und die äußere Schicht aus einer Zinklchrom-Legierung ist.

4. Stahlmaterial nach Anspruch 2, wobei die innere Schicht der zweischichtigen metallischen Auflage aus Zink und die äußere Schicht aus einer Kupfer/Chrom-Legierung ist.

5. Stahlmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die metallische Auflage eine Dicke von 0,1 bis 15 µm aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung einer gefärbten Feder, umfassend:

- Bilden einer metallischen Auflage auf einer Oberfläche eines Grundstahls;

- Formen des mit einer metallischen Auflage versehenen Grundstahls zu einem Zwischenprodukt&sub1; welches eine bestimmte federförmige Gestalt aufweist; und

- Tempern des Zwischenprodukts; dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Auflage aus 0,2 bis 80, Gew.% Kupfer und 0,2 bis 10,0 Gew.% Chrom besteht, wobei der Rest aus Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildet wird; und daß das Tempern bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500ºC durchgeführt wird, so daß die metallische Auflage einen schwarzen Farbton bildet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin umfassend einen Schritt des Ziehens des mit einer metallischen Auflage versehenen Grundstahls, so daß die metallische Auflage eine Dicke von 0,1 bis 15 µm aufweist.

8. Gefärbte Feder, erhältlich durch:

- Bilden einer metallischen Auflage, bestehend aus 0,2 bis 80,0 Gew.% Kupfer und 0,2 bis 10,0 Gew.% Chrom, wobei der Rest aus Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildet wird, auf einer Oberfläche eines Grundstahls;

- Formen des mit der metallischen Auflage versehenen Grundstahls zu einem Zwischenprodukt, welches eine bestimmte federförmige Gestalt aufweist; und

- Tempern des Zwischenprodukts bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500ºC, so daß die metallische Auflage einen schwarzen Farbton erzeugt.