DE69807155T2

DE69807155T2 - Verfahren zur Herstellung einer Stahlfeder, Stahlfeder und Stahl zur Herstellung der Stahlfeder

Info

Publication number: DE69807155T2
Application number: DE69807155T
Authority: DE
Inventors: Gilles Auclair; Jean-Paul Lebrun; Fabrice Lecouturier
Original assignee: ASCOMETAL PUTEAUX
Current assignee: ASCOMETAL PUTEAUX
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: FR2764219B1; PT884399E; ATE222299T1; ES2182243T3; EP0884399A1; FR2764219A1; DE69807155D1; DK0884399T3; EP0884399B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Stahlfedern für hohe Beanspruchungen.
Eine Vielzahl von Federn, die beispielsweise für die Ventile von Verbrennungsmotoren, Kupplungen oder Federungen von Automobilen verwendet werden, werden im Betrieb stark beansprucht und müssen eine sehr gute Ermüdungsfestigkeit besitzen.
Zur Herstellung solcher Federn ist es bekannt, gezogene Drähte aus Stahl zu verwenden, deren chemische Zusammensetzung, auf das Gewicht bezogen, 0,53% bis 0,6% Kohlenstoff, 1,2% bis 1,6% Silicium, 0,5% bis 0,7% Mangan, 0,5% bis 0,8% Chrom, gegebenenfalls 0,15% bis 0,2% Vanadium und Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest umfaßt. Die Drähte werden in der Wärme oder in der Kälte gezogen zur Herstellung von Federn, die dann bei einer Temperatur von nicht mehr als 400ºC entspannt werden, um die beim Formen aufgetretenen Spannungen zu beseitigen, und die dann sandgestrahlt und mit einer Lackschicht bedeckt werden, um sie gegen Korrosion zu schützen.
Zur Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit von Federn mit guten Eigenschaften ist bereits vorgeschlagen worden, einen Stahl zu verwenden, der etwa 0,6% Kohlenstoff, 1,4% Silicium, 0,7% Mangan, 1,5% Chrom, 0,5% Molybdän und 0,25% Vanadium enthält, und die Federn einer Gas-Nitrierungsbehandlung bei hoher Temperatur zu unterwerfen. Diese Technik besitzt den Vorteil, die Beständigkeit der Federn zu verbessern durch Erzeugung einer harten Schicht in ihrer Oberfläche, welche restliche Druckspannungen umfaßt. Die Nitrierungsbehandlung bei hoher Temperatur erfordert jedoch hohe Gehalte an Legierungselementen zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit im Kern der die Federn bildenden Drähte, was mehrere Nachteile mit sich bringt: Die Schlagzähigkeit des Stahls wird beeinträchtigt, die Verarbeitung wird durch das Risiko der Rißbildung, der Decarburierung an der Oberfläche und der Kornvergrößerung erschwert und die Kosten werden sehr stark erhöht.
In der JP-A-07011422 wird ein Beispiel eines Stahls für die Herstellung einer nitrierten Feder vorgeschlagen, der, auf das Gewicht bezogen, 0,4 bis 0,8% C, 0,8 bis 4% Si, 0,2 bis 2% Mn, 0,4 bis 3% Cr sowie mindestens eines der Elemente V (0,05 bis 0,5%). Nb (0,05 bis 0,50%), Ni (0,2 bis 2%) und Mo (0,1 bis 1%) enthält, während der Rest des Stahls aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildet wird. Die Nitrierschicht besitzt eine Dicke von mindestens 70 um und die Härte im Kern der Feder beträgt mindestens 470 HV (46,9 HRC).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben erwähnten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung von Federn mit guten Eigenschaften anzugeben, welche auf ihrer Oberfläche eine harte Schicht aufweisen, welche erhebliche restliche Druckspannungen enthält, und welche unter zufriedenstellenden Bedingungen hergestellt werden können.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung einer Stahlfeder, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man einen gezogenen Draht aus Stahl der folgenden chemischen Zusammensetzung, auf das Gewicht bezogen, bereitstellt:
0,4% ≤ C ≤ 0,7%
1 ≤ Si ≤ 1,7%
0,4% ≤ Mn ≤ 1%
0,3% ≤ Cr ≤ 1%
0% ≤ Mo ≤ 0,2%
0% ≤ V ≤ 0,2%
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Man unterwirft den gezogenen Draht einer Härtung und einer Vergütung bei einer Temperatur Tr von kleiner oder gleich 500ºC, die so eingestellt ist, daß man eine Zugfestigkeit Rm von größer oder gleich 1900 MPa erreicht.
Mit dem Draht bildet man einen Feder-Rohling und unterwirft den Feder-Rohling einer Oberflächen-Nitrierbehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Vergütungstemperatur Tr, zur Bildung einer Oberflächen-Nitrierschicht, deren Stickstoffgehalt mindestens bei den ersten 20 um größer ist als 0,4%, welche Nitrierschicht frei ist von einer weißen aus &epsi;-Nitrid gebildeten Oberflächenschicht und eine Härte von mehr als 64 HRC und eine Dicke von mehr als 150 um aufweist, wobei die Härte im Kern der Feder größer ist als 50 HRC.
Die Nitrierbehandlung kann beispielsweise eine ionische Nitrierbehandlung sein. Vorzugsweise ist die chemische Zusammensetzung des Stahls die folgende:
0,57% ≤ C ≤ 0,6%
1,5% ≤ Si ≤ 1,6%
0,65% ≤ Mn ≤ 0,7%
0,7% ≤ Cr ≤ 0,8%
0,05% ≤ Mo ≤ 0,08%
0,15 ≤ V ≤ 0,2%
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stahl, dessen chemische Zusammensetzung, auf das Gewicht bezogen, die folgende ist:
0,57% ≤ C ≤ 0,6%
1,5% ≤ Si ≤ 1,6%
0,65% ≤ Mn ≤ 0,7%
0,7% ≤ Cr ≤ 0,8%
0,05% ≤ Mo ≤ 0,08%
0,15 ≤ V ≤ 0,2%
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, und eine Feder aus diesem Stahl, welche auf ihrer Oberfläche eine Nitrierschicht aufweist, deren Dicke größer ist als 150 um und deren Oberflächenhärte mehr als 64 HRC beträgt, und deren Stickstoffgehalt bei mindestens den ersten 20 um größer ist als 0,4%, wobei die Nitrierschicht frei ist von einer aus &epsi;-Nitriden gebildeten weißen Oberflächenschicht und die Härte im Kern der Feder größer ist als 50 HRC.
Die Erfindung sei im folgenden näher anhand der folgenden Beispiele erläutert. Die chemische Zusammensetzung des für die Herstellung der erfindungsgemäßen Federn verwendeten Stahls umfaßt auf das Gewicht bezogen:
- 0,4% bis 0,7%, vorzugsweise 0,57% bis 0,6% Kohlenstoff zur Ausbildung einer ausreichenden Härte, während bei einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,7% die Schlagzähigkeit verringert wird;
- 1% bis 1,7%, vorzugsweise 1,5% bis 1,6% Silicium zur Erzielung einer guten Elastizitätsgrenze und zur Ermöglichung einer starken Ferrit-Härtung unter Verzögerung der Ausscheidung von feinen Carbiden; der Siliciumgehalt ist auf 1,7% begrenzt, um eine exzessive Decarburierung im Verlaufe des Ziehens des Drahtes zu vermeiden;
- 0,4% bis 1%, vorzugsweise 0,65% bis 0,7% Mangan zur Erzielung einer ausreichenden Härtbarkeit; der Maximalgehalt ist auf 1% beschränkt, um eine Verschlechterung der Schlagzähigkeit zu vermeiden;
- 0,3% bis 1%, vorzugsweise 0,7% bis 0,8% Chrom zur Erzielung einer ausreichenden Härte ohne Beeinträchtigung der Schlagzähigkeit; das Chrom, welches dazu in der Lage ist, Carbide und Nitride zu bilden, ermöglicht die Begrenzung des Erweichens bei der Vergütung;
- mindestens 0,2% und vorzugsweise 0,05% bis 0,08% Molybdän; dieses Element steigert die Härtbarkeit des Stahls und verlangsamt das Erweichen bei der Vergütung; wenn der Molybdängehalt weniger als 0,05% beträgt, ist die Verlangsamungswirkung des Erweichens bei der Vergütung vernachlässigbar; wenn der Molybdängehalt höher als 0,2% ist, wird der Stahl spröde; weiterhin ist dieses Element sehr kostspielig;
- mindestens 0,2% und vorzugsweise 0,15% bis 0,2% Vanadium zur Erhöhung der Festigkeit des Stahls und zur Vermeidung eines übermäßigen Kornwachstums im Verlaufe der Austenitbildung; wenn der Vanadiumgehalt höher als 0,2% ist bilden sich zu große Carbide, die sich im Verlaufe der Austenitbildung nicht mehr lösen und den Kohlenstoff in einer Form einfangen, die für eine Steigerung der Festigkeit des Stahls nicht günstig ist;
während der Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen umfaßt.
Mit diesem Stahl bereitet man einen Draht mit einem Durchmesser von weniger als 14 mm. Dieser Stahl wird glattgearbeitet, um Oberflächenfehler zu beseitigen und wird dann auf den gewünschten Durchmesser gezogen. Anschließend wird er beim Abziehen austenitisiert, Abschreck-gehärtet und vergütet, um eine Vergütungs- Martensitstruktur zu erhalten. Die Abschreckhärtung erfolgt nach dem Wiedererhitzen auf eine Temperatur zwischen 800ºC und 950ºC. Die Vergütung erfolgt bei einer Temperatur zwischen 400ºC und 500ºC und wird derart eingestellt, daß die angestrebte Zugfestigkeit Rm erreicht wird, die zwischen 1900 MPa und 2200 MPa liegt.
Der in dieser Weise erhaltene Draht wird anschließend in der Kälte verformt zur Bildung eines Rohlings einer Spiralfeder.
Es ist festzuhalten, daß der Draht auch in der Wärme verformt werden kann, wobei die Abschreckhärtung und Vergütung dann an dem Rohling der Spiralfeder und nicht an dem Draht durchgeführt wird.
Der Rohling der Spiralfeder wird dann einer Nitrierbehandlung unterworfen, die an sich bekannt ist und bei einer Temperatur durchgeführt wird, die geringfügig, beispielsweise 15ºC bis 20ºC, unterhalb der wirksamen Vergütungstemperatur liegt. Die ionische Behandlung erfolgt während einer ausreichenden Zeitdauer, im allgemeinen von 5 bis 20 Stunden, um eine Oberflächen-Nitrierschicht mit einer Oberflächenhärte von mehr als 60 HRC und einer Dicke von mehr als 150 um zu bilden. Der Stickstoffgehalt der Oberflächen-Nitrierschicht beträgt etwa 1,8% an der äußersten Oberfläche und nimmt gleichmäßig mit der Tiefe unterhalb der Oberfläche ab. Bei 50 um oder sogar 100 um unterhalb der Oberfläche beträgt der Stickstoffgehalt noch mehr als 0,4%. Weiterhin zeigt bei diesen Nitrierbedingungen die Nitrierschicht keine aus &epsi;-Nitriden gebildete weiße Oberflächenschicht, was von Vorteil ist, da die üblicherweise anzutreffende weiße Schicht sehr spröde ist und aufgrund dieser Tatsache die Lebensdauer der nitrierten Federn beeinträchtigt. Andererseits besitzt diese Behandlung einerseits den Vorteil, die mechanischen Eigenschaften des Stahls im Kern der Feder nicht zu verschlechtern und insbesondere eine Härte im Kern von mehr als 50 HRC beizubehalten, und andererseits restliche Druckspannungen festzuhalten, die an der Oberfläche 700 MPa überschreiten können und zum Inneren hin abnehmen. Diese Oberflächen-Druckspannungen besitzen den Vorteil, das Risiko der Erzeugung von Oberflächenrissen unter der Einwirkung der Belastungen der Federn zu verringern.
Beispielsweise wurden Spiralfedern ausgehend von einem Draht mit einem Durchmesser von 14 mm aus Stahl hergestellt, dessen chemische Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, die folgende ist:
Der Draht wurde bei 420ºC gehärtet und vergütet in der Weise, daß eine Zugfestigkeit Rm von 2150 MPa erreicht wurde. Die Feder-Rohlinge wurden einer ionischen Nitrierbehandlung bei 400ºC während 11 Stunden unterworfen. Die an der Oberfläche der Federn erhaltene Nitrierschicht ist durch einen Stickstoffgehalt an der Oberfläche von 1,8%, einen Stickstoffgehalt 20 um unterhalb der Oberfläche von 0,4%, einer Dicke der Nitrierschicht von 160 um, einer Oberfächenhärte von mehr als 64 HRC, der Anwesenheit von restlichen Druckspannungen von etwa 900 MPa 20 um unterhalb der Oberfläche und einer Härte im Kern von mehr als 52 HRC gekennzeichnet. Die Nitrierschicht ist frei von einer aus &epsi;-Nitriden gebildeten weißen Schicht.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Stahlfeder, dadurch gekennzeichnet, daß man:

- einen gezogenen Draht aus Stahl der folgenden chemischen Zusammensetzung, auf das Gewicht bezogen, bereitstellt:

0,4% ≤ C ≤ 0,7%

1 ≤ Si ≤ 1,7%

0,4% ≤ Mn ≤ 1%

0,3% ≤ Cr ≤ 1%

0% ≤ Mo ≤ 0,2%

0% ≤ V ≤ 0,2%

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen;

- man den gezogenen Draht einer Härtung und einer Vergütungstemperatur Tr von kleiner oder gleich 500ºC unterwirft, die so eingestellt ist, daß man eine Zugfestigkeit Rm von größer oder gleich 1900 MPa erreicht,

- man einen Feder-Rohling bildet,

- und den Feder-Rohling einer Oberflächen-Nitrierbehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Vergütungstemperatur Tr unterwirft, zur Bildung einer Oberflächen-Nitrierschicht, deren Stickstoffgehalt mindestens bei den ersten 20 um größer ist als 0,4%, welche Nitrierschicht frei ist einer weißen aus &epsi;-Nitrid gebildeten Oberflächenschicht und eine Härte von mehr als 64 HRC und eine Dicke von mehr als 150 um aufweist, wobei die Härte im Kern der Feder größer ist als 50 HRC.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrierbehandlung eine ionische Nitrierbehandlung ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung des Stahls die folgende ist:

0,57% ≤ C ≤ 0,6%

1,5% ≤ Si ≤ 1,6%

0,65% ≤ Mn ≤ 0,7%

0,7% ≤ Cr ≤ 0,8%

0,05% ≤ Mo ≤ 0,08%

0,15 ≤ V ≤ 0,2%

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen;

4. Feder, dadurch gekennzeichnet, daß sie gebildet ist aus einem gezogenen Draht aus Stahl, dessen chemische Zusammensetzung, bezogen auf das Gewicht, die folgende ist:

0,57% ≤ C ≤ 0,6%

1,5% ≤ Si ≤ 1,6%

0,65% ≤ Mn ≤ 0,7%

0,7% ≤ Cr ≤ 0,8%

0,05% ≤ Mo ≤ 0,08%

0,15 ≤ V ≤ 0,2%

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, die bei einer Temperatur von unterhalb 500ºC gehärtet worden ist zur Bildung eines Zugfestigkeitswertes Rm von mindestens 1900 MPa und welche auf ihrer Oberfläche eine Nitrierschicht aufweist, deren Stickstoffgehalt bei mindestens den ersten 20 um größer ist als 0,4%, deren Dicke größer ist als 150 um und deren Oberflächenhärte 64 HRC beträgt, wobei die Härte im Kern der Feder größer ist als 50 HRC und die Nitrierschicht frei ist von einer aus &epsi;-Nitrid gebildeten weißen Oberflächenschicht.

5. Stahl für die Herstellung einer Oberflächen-nitrierten Feder gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine chemische Zusammensetzung die folgende ist:

0,57% ≤ C ≤ 0,6%

1,5% ≤ Si ≤ 1,6%

0,65% ≤ Mn ≤ 0,7%

0,7% ≤ Cr ≤ 0,8%

0,05% ≤ Mo ≤ 0,08%

0,15 ≤ V ≤ 0,2%

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.