EP1301648B1 - Schraubenfedern aus legiertem stahl und verfahren zum herstellen solcher schraubenfedern - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft Schraubenfedern aus Stahl mit nitridbildenden Legierungsbestandteilen und ein Verfahren zum Herstellen insbesondere solcher Schraubenfedern.

Schraubenfedern der genannten Art finden u.a. als Düsenhalterfedern in Dieseleinpritzsystemen Verwendung. Um strengen Auflagen bezüglich eines umweltgerechten Abgasverhaltens und eines geringen Kraftstoffverbrauchs zu genügen, müssen neue Dieseleinspritzsysteme mit Einspritzdrücken zwischen 1000 und 2500 bar betrieben werden. Die dabei verwendeten Düsenhalter müssen den Druck konstant halten. Für Düsenhalter an Dieseleinspritzsystemen werden Düsenhalterfedern, aus einem siliciumchromlegierten Federstahldraht mit einer Dauerfestigkeit von KH > 900 N/mm² und einer maximalen Relaxation von 1% im Dauerbetrieb eingesetzt. Die Düsenhalterfedern haben die Aufgabe, das bei jedem Einspritzvorgang sich öffnende Magnetventil wieder dicht zu schließen. Als Folge hoher Stoß-, Schwingungs- und Rotationsbeanspruchungen treten insbesondere bei hohen Einspritzdrücken an den Stirnflächen der Düsenhalterfedern Verschleißerscheinungen auf, welche die Funktionsfähigkeit des Einspritzsystems durch Druckabfall verschlechtern, d.h. das Magnetventil wird nicht mehr dicht geschlossen. Der Dieselmotor "rußt".

Zur Lösung des Problems wurde schon vorgeschlagen, die Federoberfläche einer Plasmanitrierung mit Verbindungsschichtbildung auszusetzen. Es stellte sich aber heraus, daß die auf der Metalloberfläche sich dabei bildende Nitridverbindungsschicht bei schlagartiger Beanspruchung zum Abplatzen neigt und der dabei entstehende, als Schmirgel wirkende Abrieb den Verschleiß noch beschleunigt.

Aus der EP 884 399 ist eine Feder bekannt, die eine hohe Resistenz gegen Materialermüdung zeigt. Zur Steigerung der Oberflächenhärte wird die gesamte Feder einer Nitrierbehandlung unterzogen. Auf diese Weise wird eine nitridhaltige Diffusionsschicht erzeugt. Aus der EP 694 621 ist eine weitere oberflächenbehandelte Feder bekannt. Diese Feder ist für Ventile in Verbrennungsmaschinen vorgesehen und kann zur Steigerung der Oberflächenhärte u. a. komplett einer Nitrierbehandlung unterzogen werden.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Schraubenfedern mit guter Kernhärte, welche auch unter starker Dauerbelastung einen sehr geringen Verschleiß zeigen, und ein einfaches Verfahren anzugeben, um insbesondere solche Schraubenfedern herzustellen.

Diese Aufgabe wird mit Schraubenfedern der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäßen Schraubenfedern zeigen eine sehr hohe Oberflächenhärte, obwohl die Erfinder auf die Verbindungsschicht verzichtet und sich auf die Diffusionsschicht beschränkt haben, wobei für die ausschließliche Erzeugung der Diffusionsschicht die erste Voraussetzung ist, dass der Federstahl nitridbildende Legierungsbestandteile enthält. Die nitridbildenden Legierungsbestandteile bilden mit Stickstoff Sondernitride in der Diffusionsschicht. Die durch die Diffusionsschicht gehärtete Oberfläche neigt nicht - wie eine aus Eisennitriden bestehende Verbindungsschicht - zum Abplatzen und damit zum Erhöhen des Verschleißes, vielmehr hat sich gezeigt, dass eine gute Verschleißfestigkeit bereits dann erhalten wird, wenn die Diffusionsschicht nur größenordnungsmäßig 100µm dick ist. Weil bereits eine so dünne Diffusionsschicht ausreicht, um die gewünschte Verschleißfestigkeit zu erzielen, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, die Diffusionsschicht mit in einer industriellen Produktion vertretbarem Aufwand unter derartigen Bedingungen herzustellen, dass sich die Kernhärte nicht beachtlich verschlechtert. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich mit Apparaturen durchführen, welche bei der Herstellung dünner Schichten gängig sind. Das Verfahren ist unkompliziert, da, wenn von Schraubenfedern ausgegangen wird, die aus dem richtigen Material (s.o.) bestehen, die auschließliche Bildung der Diffusionsschicht einfach dadurch erreicht wird, daß der N₂-Anteil im Behandlungsgas so niedrig eingestellt wird, daß keine Verbindungsschicht entsteht, wobei der obere Grenzwert leicht durch einfache Versuche ermittelt werden kann.

Um der Schraubenfeder eine ausreichende Verschleißfestigkeit zu verleihen, reicht es aus, wenn die Dicke der Diffusionsschicht mindestens 20 µm bei einer Härte von > 750 HV0,1 in 10 µm Tiefe ist. Eine so definierte Diffusionsschicht von > etwa 150 µm bringt keine weitere Verbesserung der Verschleißfestigkeit.

Es ist vorteilhaft, wenn zu den nitridbildenden Legierungsbestandteilen mindestens ein Metall aus der Gruppe Cr, Mo, V und Al gehört, welche alle gleichzeitig die Eigenschaften von Stahl verbessern können.

Es ist vorteilhaft, wenn es sich bei der erfindungsgemäßen Schraubenfeder um eine Düsenhalterfeder für ein Dieseleinspritzsystem handelt, bei der es besonders auf Verschleißresistenz bei hoher Kernfestigkeit ankommt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Diffusionsschicht durch Plasmanitrieren hergestellt wird. Die Anwendung des Plasmanitrierens ermöglicht nicht nur eine definierte Behandlung hinsichtlich des Aufbaus der Diffusionsschicht, vielmehr kann man das Verfahren auch so durchführen, daß gezielt nur bestimmte Bereiche der Federoberfläche nitriert werden. Es ist dabei vorteilhaft, wenn der N-Anteil im Behandlungsgas auf < etwa 13 Vol.-% eingestellt wird.

Es ist vorteilhaft, wenn bei einer Temperatur < 440°C nitriert wird, weil sich bei dieser Temperatur die Kernhärte nicht verschlechtert, die Bildung der Diffusionsschicht in einer vertretbaren Zeit erfolgt, und das Anlassen während der für das Nitrieren erforderlichen Zeit abgeschlossen werden kann.

Es ist günstig, wenn das Plasma bei einer Spannung (zwischen Anode (Reaktorwand) und Kathode (zu nitrierende Teile)) von etwa 500 bis etwa 580 Volt betrieben wird.

Es ist vorteilhaft, wenn zwischen etwa 20 und etwa 30 Stunden lang nitriert wird.

Es ist vorteilhaft, wenn für die nur teilweise Nitrierung der Federoberfläche die Oberflächenbereiche, die nicht nitriert werden sollen, durch Wände, welche von der Federoberfläche einen geringen Abstand haben, mechanisch abgedeckt werden. Vorteilhafte Vorrichtungen, die diese Voraussetzungen bieten, sind beispielsweise Metallplatten mit Löchern, in welche die Schraubenfedern zum Nitrieren mit der einen Stirnseite voraus in Richtung ihrer Längsachse eingesteckt werden, wobei die Platten etwa so dick sind, wie die Schraubenfedern lang sind, und die Löcher einen Durchmesser haben, der nur wenig größer als der Federaußendurchmesser ist, und wobei die Stirnseiten nicht oder nur unwesentlich aus den Platten herausragen. Mit dieser Vorrichtung kann man in vorteilhafter Weise, wenn die Federn einen Innendurchmesser von < etwa 7mm haben, bei einem Druck im Bereich zwischen etwa 100 und 150 Pa bzw., wenn der Innendurchmesser der Schraubenfedern > etwa 7mm und Stifte mit einem etwas geringeren Außendurchmesser als dem Innendurchmesser der Schraubenfedern in die Schraubenfedern gesteckt werden, bei Drucken bis etwa 300 Pa, die Nitrierung auf die Stirnflächen der Schraubenfedern beschränken.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schraubenfedern und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Zeichnung

Im folgenden wird die Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Schliffbild der Windung an der Stirnseite einer Düsenhalterfeder nach der Plasmanitrierung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 in einem Diagramm den Härte-Tiefe-Verlauf an der erfindungsgemäß behandelten Stirnseite einer Düsenhalterfeder,

Fig. 3 eine Photographie eines Ausführungsbeispiels der Chargierung von Düsenhalterfedern für das erfindungsgemäße Plasmanitrieren,

Fig. 4 eine Photographie eines anderen Ausführungsbeispiels der Chargierung von Düsenhalterfedern für das erfindungsgemäße Plasmanitrieren und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Chargierung von Düsenhalterfedern für das erfindungsgemäße Plasmanitrieren.

Im folgenden wird die Erfindung in erster Linie am Beispiel von erfindungsgemäß hergestellten Düsenhalterfedern für Dieseleinspritzsysteme und dem Verfahren beschrieben, mit dem diese Schraubenfedern hergestellt werden. Es sei aber klargestellt, daß zwar die Erfindung im Zusammenhang mit solchen Düsenhalterfedern besonders vorteilhaft einsetzbar ist und sich besonders anschaulich erläutern läßt, daß aber von diesem Beispiel im Rahmen der Ansprüche mannigfaltige Abweichungen möglich sind.

In der Fig. 3. ist eine Düsenhalterfeder 1 (im folgenden auch kurz als Feder bezeichnet) abgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf solche Federn anwendbar, die aus einem Stahl bestehen, welcher nitridbildende Legierungsbestandteile, wie Cr, enthält. Bevorzugt bestehen solche Federn aus einer Cr-Si-Stahllegierung, wobei das Si die Federeigenschaften verbessert.

Statt Cr bzw. zusätzlich zu Cr kann der Stahl mindestens ein nitridbildendes Metall aus der Gruppe Mo, V und A1 enthalten.

Die Fig. 1 zeigt in einem Schliffbild die Metallstruktur an der stirnseitigen Windung 2 einer Feder, nachdem sie der erfindungsgemäßen Plasmanitrierung unterworfen worden ist. Der Schliff zeigt, daß sich keine Verbindungsschicht aus Eisennitriden auf der Stahloberfläche gebildet hat. Daß sich eine Diffusionsschicht gebildet hat, ist dem Schliffbild nicht zu entnehmen. Die Diffusionsschicht enthält Nitride mit den o.g. nitridbildenden Legierungsbestandteilen. Die Diffusionsschicht kann anhand eines Diagramms, wie es in der Fig. 2 (aufgetragen ist die Härte HV0,1 gegen den Abstand (in mm) von der Oberfläche) gezeigt ist, nachgewiesen werden, welches den auf Messungen der Vickers-Härte beruhenden Härte-Tiefe-Verlauf an der stirnseitigen Windung wiedergibt. Bei der untersuchten Feder ist - wie das Diagramm zeigt - die Diffusionsschichtdicke (Nitrierhärtetiefe) etwa 0,11 mm. Die Nitrierhärtetiefe (Nht gemessen in HV0,1 (Vickers-Härte bei 100 g Belastung)) soll maximal etwa 150µm und minimal etwa 20 µm bei einer Härte von >750 HV0,1 in 10 µm Tiefe betragen. Die untersuchte Feder hat bei der Nht eine Kernhärte von etwa 610 HV0,1, die damit etwa 50 HV0,1 über dem Mittelwert (560 HV0,1) der gemessenen Kernhärten liegt. Das Diagramm zeigt auch, daß die Kernhärte durch die Nitrierung nicht vermindert worden ist.

Die Federn, welche erfindungsgemäß gehärtet werden sollen, kommen im Fertigungsablauf nach den Bearbeitungsschritten Wickeln, Anlassen und stirnseitiges Schleifen zum Nitrieren. Das Anlassen, welches dazu dient, Spannungen abzubauen, die sich beim Wickeln des Federdrahts aufbauen und Spannungsrisse am Innenrand des Drahtes verursachen können, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem bekannten Verfahren (Anlassdauer: 1 Stunde bei 440°C) zu einem Kurzzeitanlassen (bei etwa 440°C 10 Min) verkürzt, das zunächst ausreicht, um Spannungsrisse zu vermeiden. Das endgültige Anlassen erfolgt während des Plasmanitrierens. Durch die Anwendung des Kurzzeitanlassens wird die Gesamtprozessdauer, die durch das Plasmanitrieren verlängert wird, verkürzt, und damit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessert.

Vor dem Plasmanitrieren werden die Federn bevorzugt gereinigt, damit eine fettfreie Oberfläche vorliegt. Die Reinigung kann beispielsweise mit alkalisch-wässrigen Reinigern oder mit Spiritus durchgeführt werden. Wurden die Federn über 24 Stunden gelagert, werden die Federn bevorzugt mit Glasperlen, wie den Ballotini MGL (Handelsname, hergestellt von Eisenwerke Würth GmbH + Co. KG) oder mit Perlen aus einem äqivalenten Material, wie einem Keramikmaterial, gestrahlt (Druck: 4 bar, 10 min).

Die Diffusionsschicht soll einen Verschleiß der Federn verhindern. Ein solcher Verschleiß findet nur an den Stirnseiten der Federn statt. Eine Diffusionsschicht wird deshalb nur an den Stirnseiten benötigt. An sich wäre es unkritisch, wenn die Diffusionsschicht an der gesamten Federnoberfläche vorhanden wäre. Da jedoch die Federn während des Plasmanitrierens gehalten und elektrisch kontaktiert werden müssen, kann die Federoberfläche nicht vollständig sondern nur weitgehend nitriert werden und - was ungünstig ist - die weitgehende Nitrierung wäre nicht definiert. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn man sich bei der Nitrierung auf die Stirnseiten der Federn, bevorzugt auf ihre stirnseitigen Windungen, beschränkt.

Vorrichtungen, um die Federoberfläche soweit abzudecken, daß die Nitrierung auf die Stirnseiten beschränkt wird, sind in den Fig. 3 bis 5 gezeigt.

Bei der in der Fig. 3 gezeigten Vorrichtung werden die Federn 1 in Richtung ihrer Längsachse in die Löcher 3 von Platten 4 eingesteckt. Die Platten bestehen aus einem leitfähigen Material, da über sie die Federn elektrisch kontaktiert werden. Die Platten sind etwa so dick, wie die Federn lang sind. Der Durchmesser der Löcher 3 ist etwa 0,1 mm größer als der Außendurchmesser der Federn.

Bei der in der Fig. 4 gezeigten Vorrichtung sind die Federn zu einem "Bündel" 5 geschnürt, d.h. eine größere Menge von Federn sind parallel (bzgl. der Längsachse) zueinander und mit den Mantelflächen 6 aneinander anliegend angeordnet und mit einem Stahlband 7 umwickelt. Das Bündel wird mit einem Stahldraht 8 zusammengehalten. Eine Stahlschlinge 9 ist vorhanden, um das Bündel im Plasmareaktor aufzuhängen und die elektrische Kontaktierung sicherzustellen. Das Stahlband ist etwa so breit, wie die Federn lang sind, und so angelegt, daß die Federn nicht oder nur unwesentlich über den Rand des Stahlbands hinausragen.

Bei der in der Fig. 5 gezeigten Vorrichtung sind eine größere Menge von Federn parallel (bzgl. der Längsachse) zueinander und mit den Mantelflächen aneinander anliegend in einem Rahmen 10 gestapelt, dessen Abmessung parallel zu den Schraubenachsen etwa so lang wie die Länge der Federn ist. Die Mantelflächen der äußeren Federn liegen am Rahmen an oder fast an, und die Stirnseiten der Schrauben ragen allenfalls unwesentlich über den Rahmen hinaus.

Bei den drei beschriebenen Vorrichtungen sind zum mindesten die Mantelflächen der Federn unter den angewandten Nitrierbedingungen ausreichend gegen die Einwirkung des Plasmas geschützt.

Bestückt mit Federn wird mindestens eine Vorrichtung gemäß einer der beschriebenen Alternativen in den Plasmareaktor gestellt bzw. gehängt.

Während der Plasmabehandlung wird vor dem Nitrieren ein Sputterschritt durchgeführt, bei dem die zugängliche Oberfläche mit einem in einer H₂- oder einer H₂-Ar-Atmosphere erzeugten Plasma feingereinigt wird.

Das Nitrieren dauert zwischen etwa 20 und etwa 30 Stunden und bevorzugt etwa 24 Stunden. Es wird in einer Atmosphäre durchgeführt, die < etwa 13 Volum.-% N₂ und außerdem bevorzugt Argon und H₂ enthält. Bevorzugt liegt der N₂-Anteil zwischen etwa 8 und etwa 12 Vol.-% und ganz bevorzugt bei < etwa 10 Vol.-%. Bei N₂-Gehalten > etwa 13 Vol.-% beginnt bereits die Bildung einer Verbindungsschicht auf der Federoberfläche. Der H₂-Anteil ist unkritisch. Der Ar-Anteil sollte maximal 10 Vol.-% betragen. Die Nitrierung wird bei Substrattemperaturen zwischen etwa 350 und etwa 420°C und bevorzugt bei etwa 420°C durchgeführt. Bei Temperaturen unter etwa 350°C findet keine Nitrierung statt. Bei Temperaturen > etwa 440°C bzw., wenn die Behandlung über viele Stunden geht, > etwa 420°C verschlechtert sich die Kernhärte der Feder und damit erhöht sich die Relaxation. Bei Temperaturen < etwa 420°C bleibt die übliche Kernhärte der Federn von > etwa 550 HV0,1 beim Nitrieren erhalten (maximaler Abfall durch das Nitrieren 40 HV0,1). Die genaue Festlegung der Temperatur erfolgt innerhalb des angegebenen Bereichs in Abhängigkeit von der angestrebten temperatur- und zeitabhängigen Anlasswirkung. Die Spannung zwischen der Anode (Reaktorwand) und den zu nitrierenden Teilen (Kathode), bei der das Plasma betrieben wird, muß so hoch sein, daß eine anomale Glimmentladung gezündet wird. Diese Zündspannung, die auch von der Reaktorgeometrie abhängt, liegt zwischen 380 und 420 Volt. Andererseits darf die Spannung nicht so hoch sein, daß sich eine Bogenentladung ausbildet, welche den Federstahldraht aufschmilzt. Diese Spannung liegt typischerweise oberhalb etwa 600 Volt. Bevorzugt liegt die Spannung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen etwa 500 und etwa 580 Volt. Von der Plasmastromdichte im Reaktor hängt ab, ob überhaupt eine Nitrierung stattfindet. Die Plasmastromdichte hängt von der Spannung, der Gaszusammensetzung und dem Druck ab. Da (s.o.) die anwendbaren Bereiche der Gaszusammensetzung und der Spannung aus anderen Gründen festgelegt sind, sollte der Druck, um eine vernüftige Plasmastromdichte sicherzustellen, nicht bei < etwa 100 Pa liegen. Nach oben ist der Druck begrenzt durch die Vorgabe, daß nur die Oberflächen der Drahtwindungen an den Stirnseiten dem Plasma ausgesetzt werden sollen. Ist der Innendurchmesser der Federn nicht größer als 7 mm, kann der Druck < 150 Pa betragen, ohne daß die Innenseite weiterer Windungen der Nitrierung ausgesetzt werden. Bei größeren Innendurchmessern ist es erforderlich, Stifte, deren Durchmesser nur unwesentlich kleiner ist als der Innendurchmesser der Federn, in die Schrauben einzubringen. Wird diese zusätzliche Maßnahme ergriffen, kann der Druck bis auf etwa 300 Pa erhöht werden, ohne daß das Plasma auf die Federinnenseite wirkt.

Zur Prüfung des erzielten Nitrierung werden die Federn axial getrennt. Von einer der metallographisch präparierten Trennflächen wird ein Härte-Tiefe-Profil in HV0,1 (wegen der geringen Nht wird nur mit einer Belastung von 100 g gemessen) erstellt, wie es in der Fig. 2 gezeigt ist. Außerdem wird die Kernhärte ermittelt und überprüft, ob tatsächlich nur an den Stirnseiten der Federn eine Nitrierung stattgefunden hat.

Das in der Fig. 2 dargestellte Härte-Tiefe-Profil wurde nach einer Nitrierung unter den folgenden Bedingungen erhalten (die Meßwerte, welche das Härte-Tiefe-Profil ergaben, sind Mittelwerte, welche bei den Messungen an einer größeren Anzahl von Proben erhalten wurden):

Druck: 120 Pa

Temperatur: 420°C

Stickstoffgehalt des Behandlungsgases 10 Vol.-%

Spannung: 540 Volt (Puls-:Pausenverhältnis: 1:1,5)

Dauer: 24 Stunden.

Das Diagramm zeigt die etwa 0,11 mm dicke Diffusionsschicht und die konstant gebliebene Kernhärte.

Nach dem Nitrieren werden die Federn mindestens 45 min lang mit kugeligem Korn aus einem speziellen Federdraht gestrahlt (die Verfahrensparameter: Korngröße < etwa 0,4 mm Abwurfgeschwindigkeit maximal etwa 60 m/s). R_z (mittlerer Rauheitskennwert) nach dem Strahlen darf maximal bei etwa 15µm liegen.

Ein Vergleich zwischen den erfindungsgemäß vergüteten Federn und den Federn gemäß dem St.d.T. zeigt, daß bei den letzteren im Einsatz ein flächenmäßiger Verschleiß auftritt, während bei den erfindungsmäßig hergestellten Federn ein Verschleiß nur punkt- oder linienförmig auftrat.

Claims (6)

1. Schraubenfeder aus einem nitridbildende Legierungsbestandteile enthaltenden Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass eine nitridhaltige Diffusionsschicht die Oberfläche der stirnseitigen Windungen der Schraubenfeder bildet.
2. Schraubenfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Legierungsbestandteilen mindestens ein Metall aus der Gruppe Cr, Mo, V, und Al gehört.
3. Schraubenfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl Si enthält.
4. Schraubenfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder eine Düsenhalterfeder für Dieseleinspritzsysteme ist.
5. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht zwischen etwa 20 und etwa 150 µm bei einer Härte von > 750 HV0,1 in 10 µm Tiefe dick ist.
6. Gegenstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht zwischen etwa 50 und etwa 120 µm dick ist.

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