EP0906453B1 - Relaxationsfeste stahlfeder - Google Patents

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EP0906453B1
EP0906453B1 EP96919601A EP96919601A EP0906453B1 EP 0906453 B1 EP0906453 B1 EP 0906453B1 EP 96919601 A EP96919601 A EP 96919601A EP 96919601 A EP96919601 A EP 96919601A EP 0906453 B1 EP0906453 B1 EP 0906453B1
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EP
European Patent Office
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weight percent
spring
steel spring
wire
steel
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EP96919601A
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Joachim Heinke
Klaus Wanke
Otto Zehendner
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Datec Scherdel Datentechnik Forschungs und Entwicklungs GmbH
Original Assignee
Datec Scherdel Datentechnik Forschungs und Entwicklungs GmbH
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/02—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for springs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/06—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires

Definitions

  • the invention relates to a steel spring operating at relatively high working temperatures has a good resistance to relaxation.
  • Feathers are known to consist of patented drawn spring steel wires made of unalloyed carbon steels. Such springs are essentially free of scale and residual dirt particles, but are suitable for operating temperatures of Can only be used to a limited extent above 80 ° C. The use is made with greatly reduced Working voltages, their compensation only over a higher application mass the spring can be done, as is known from economic but also brings considerable disadvantages for design reasons. Regarding springs show the relaxation behavior at higher operating temperatures from oil-quenched and tempered unalloyed spring steel and valve spring wires same disadvantages. In addition, as a result of the final oil tariff Surface with scale or residues of other residues release the spring function and in sensitive work areas such as automatic transmissions and fuel injection systems in motor vehicles to significant malfunctions or the complete failure of such units being able to lead.
  • Austenitic springs are used to eliminate these disadvantages stainless spring wires, for example of the grade X 12 CrNi 17.7. As a result of the much higher Alloy expenditure and the technological peculiarities however arise unacceptably high material costs for the Spring elements.
  • a wire is known from JP-A-2057637 which austenitizes and isothermally kept at 250-500 ° C and then deformed into a spring becomes.
  • the holding temperature of 250-500 ° C leads to a so-called Bainite coating with a low ductile bainite structure.
  • a subsequent pulling process as used to increase tensile strength would be desirable in itself, at this level Technology not possible.
  • the invention has for its object a high-strength increased operating temperatures relaxation-resistant wire springs with scale and residual dirt-free surface and relative to create low material costs.
  • a relaxation-proof and heat-resistant tension spring with the following dimensions: Wire diameter 3.6 mm Spring body diameter 41.5 mm Unstretched length L o 268 mm Tensioned spring length L 1 384 mm L2 570 mm is made of 8 mm ⁇ rolled steel with the following composition: 0.68 Weight percent carbon 1.48 Weight percent silicon 0.52 Weight percent chrome 0.65 Weight percent manganese and steel typical accompanying elements.
  • This rolled steel is austenitized at 900 ° C, isothermally converted at 540 ° C and then cold drawn to 3.6 mm. A strength Rm of 1900 N / mm 2 is achieved.
  • This wire is formed fully automatically into a tension spring with the above-mentioned dimensions and then annealed at 300 ° C for one hour with low stress. Relaxation loss after testing for L2 at 145 ° C one hour: 4.8%

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Description

Die Erfindung betrifft eine Stahlfeder, die bei relativ hohen Arbeitstemperaturen eine gute Relaxationsfestigkeit besitzt.
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 Resten 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 Federstahldrähten bereits praxisbekannt. Hiermit lassen sich Grenztemperaturen von 160 °C realisieren. Diese legierten Stähle erfordern ebenfalls eine Ölschlußvergütung. 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 außerordentlich empfindlich beim Beizen oder einer Oberflächenbehandlung reagiert, die mit einer Wasserstoffdiffusion in den Federwerkstoff verbunden ist. Die sogenannte Wasserstoffversprödung, wie sie beim Beizen oder elektrolytischen Beschichten entsteht, führt zum vorzeitigen Ausfall des Federelementes und damit zur Funktionsmüdigkeit komplizierter und teurer Mechanismen. Neben diesen funktionellen Nachteilen haftet den Federn dieser Werkstoffgruppe ein wesentlicher technologischer Nachteil an. Nach dem Umformen müssen derartige Federelemente ohne Zeitverzug einer Entspannungsglühung (Anlassen) unterzogen werden. Treten hier Verzögerungen ein, bilden sich Eigenspannungsanrisse, die zum vorzeitigen Bruch des oder der Federelemente führen.
Zur Beseitigung dieser Nachteile sind Federn aus austenitichen nichtrostenden Federdrähten, beispielsweise der Sorte X 12 CrNi 17.7, entwickelt worden. Infolge des wesentlich höheren Legierungsaufwandes und der technologischen Besonderheiten entstehen jedoch unvertretbar hohe Materialkosten für die Federelemente.
Aus der JP-A-2057637 ist ein Draht bekannt, der austenitisiert und isotherm auf 250-500° C gehalten und dann zur Feder verformt wird. Die Haltetemperatur von 250-500° C führt zu einer sogenannten Bainitvergütung mit einem wenig duktilen Bainitgefüge. Ein nachfolgender Ziehvorgang, wie er zur Erhöhung der Zugfestigkeit an sich wünschenswert wäre, ist bei diesem Stand der Technik nicht möglich.
Aus der GB-A-2210299 und der EP-A-368638 ist es ferner bekannt, Federn aus ölschlußgehärtetem Federstahl, aus vergütetem Stahl zu formen oder aus dem ungehärteten Draht geformte Federn zu vergüten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochfeste, bei erhöhten Betriebstemperaturen relaxationsbeständige Drahtfedern mit zunder- bzw. restschmutzfreier Oberfläche und relativ geringen Materialkosten zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vortailhafte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Beispiel 1:
Eine relaxationsfeste und warmfeste Zugfeder mit folgenden Abmessungen:
Drahtdurchmesser 3,6 mm
Federkörperdurchmesser 41,5 mm
Ungespannte Länge Lo 268 mm
Gespannte Federlänge L1 384 mm
L2 570 mm
wird hergestellt aus einem Walzstahl mit 8 mm Ø und folgender Zusammensetzung:
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 umgewandelt und nachfolgend an 3,6 mm kaltgezogen. Dabei wird eine Festigkeit Rm von 1900 N/mm2 erreicht. Dieser Draht wird vollautomatisch zu einer Zugfeder mit vorstehend genannten Abmessungen umgeformt und anschließend 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 Schraubendruckfeder. Aus einem Walzstahl 5,5 mm Ø mit einer Zusammensetzung wie im Beispiel 1 wird eine analoge Wärme- und Kaltziehbehandlung bei der Zugfeder 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 (5)

  1. Relaxationsfeste Stahlfeder mit hoher Festigkeit, hergestellt aus einem Stahldraht mit der Zusammensetzung von
    a.) 0,45 bis 0,85 Gewichtsprozenten Kohlenstoff,
    0,2 bis 1,60 Gewichtsprozenten Silizium,
    0,3 bis 1,50 Gewichtsprozenten Mangan,
    0,4 bis 1,2 Gewischcsprozenten Chrom,
    sowie wahlweise zusätzlich
    b.) 0,05 bis 0,30 Gewichtsprozenten Vanadiumbeimengung und/oder
    c.) 0,005 bis 0,05 Gewichtsprozenten Titan,
    0,01 bis 0,2 Gewichtsprozenten Niob und/oder Tantal,
    0,05 bis 0,5 Gewichtsprozenten Molybdän
    d.) und/oder mit vollständiger oder teilweiser Ersetzung der Elemente Chrom und Silizium durch 0,003 bis 0,01 Gewichtsprozent Bor,
    e.) sowie im übrigen Eisen und unvermeidliche Beimengungen,
    wobei der erwähnte Stahldraht
    f.) austenitisiert und nachfolgend isothermisch im Temperaturbereich zwischen 450 und 650° C wärmebehandelt,
    g.) anschließend auf eine Zugfestigkeit von 1600 bis 2300 N/mm2 bei einer Brucheinschnürung von mindestens 40 % gezogen,
    h.) zu einer Feder kalt geformt und
    i.) nachfolgend im Temperaturbereich von 200 bis 350° C spannungsarm geglüht worden ist.
  2. Stahlfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie schraubenförmige Gestalt aufweist.
  3. Stahlfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Federkerndurchmesser gleich oder kleiner als das vierfache des Drahtdurchmessers ist.
  4. Stahlfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Erhöhung der Dauerhaltbarkeit kugelgestrahlt worden ist.
  5. Stahlfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch überelastische Verformung wahlweise bei Raumtemperatur und/oder bei Temperaturen von bis zu 400° C vorgesetzt worden ist.
EP96919601A 1996-05-29 1996-05-29 Relaxationsfeste stahlfeder Expired - Lifetime EP0906453B1 (de)

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