EP2192201B1

EP2192201B1 - Gehärteter Federstahl, Federelement und Verfahren zur Herstellung eines Federelements

Info

Publication number: EP2192201B1
Application number: EP09014562.4A
Authority: EP
Inventors: Jörg Neubrand; Maik Hartwig
Original assignee: Muhr und Bender KG
Current assignee: Muhr und Bender KG
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2029-11-23
Also published as: DE102009011118A1; JP2010133558A; EP2192201A1

Description

Die Erfindung betrifft einen gehärteten Federstahl, ein Federelement, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Federelements.
Die Lebensdauer von Federelementen wird im Wesentlichen durch die von außen aufgeprägten Spannungen, den Werkstoff, die applizierte Wärmebehandlung und gegebenenfalls durch eine Kugelstrahlbehandlung beeinflusst. Ziel ist der Aufbau von möglichst hohen Druckeigenspannungen bis in tiefe Oberflächenbereiche. Bei bekannten Federherstellungsverfahren, insbesondere bei der Kaltformgebung von Schraubendruckfedern, ändern die Eigenspannungen ihr Vorzeichen von lebensdauerverbessernden Druck- zu lebensdauerverschlechternden Zugeigenspannungen in einer Tiefe von ca. 200 µm bis 400 µm unter der Oberfläche. Es bildet sich infolge der durch das Kugelstrahlen erzeugten Hertz'schen Pressung eine Eigenspannungsverteilung aus, bei der das Maximum der Druckeigenspannung je nach angewandtem Verfahren in einer Tiefe von ca. 50 µm bis 150 µm unter der Oberfläche des Federstahls liegt.
Die in einer Feder wirkenden Spannungen sind an der Oberfläche maximal und nehmen zum Kern hin ab. Zudem entstehen an Werkstoffungänzen - wie beispielsweise Rauheiten, Rissen, Zunder, Korrosionsnarben, oberflächennahen Einschlüssen, etc. - Kerbspannungen, welche die makroskopischen Spannungen um ein Vielfaches überschreiten können. Im Allgemeinen gilt, dass die Kerbspannungen umso größer sind, je höher die Härte des Federstahls ist, wobei dies gleichbedeutend mit abnehmender Zähigkeit des Federstahls ist. Hiermit nimmt die Anfälligkeit für Schädigungen zu, insbesondere infolge von Spannungsrisskorrosion aufgrund von Kerbspannungen.
Die Gefahr von Korrosion gewinnt aufgrund von geänderten Umweltbedingungen sowie durch erhöhte Anforderungen an Gewichtsoptimierung, höhere Werkstoffauslastung und Materialfestigkeit zunehmend an Bedeutung. Es besteht nämlich die Bestrebung, Gewichte von Federn zu reduzieren, was durch eine Verbesserung der Materialeigenschaften des Federstahls bewirkt werden kann. Um hierbei der im Betrieb verursachten Ermüdung und dem Setzen der Federstähle entgegenzuwirken, werden diese in der Regel vergütet, d.h. durch Erwärmen austenitisiert, danach abgeschreckt und durch erneutes Erwärmen angelassen.
Aus der JP 62-074027 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stahldrahts für eine hochfeste kaltgeformte Schraubenfeder bekannt. Nach dem Härten des Stahldrahts wird dieser einer Wärmebehandlung mittels induktiver Erwärmung unterzogen, so dass die Oberflächenhärte bis in eine vorbestimmte Tiefe weniger oder gleich 550 HV und die Zugfestigkeit in einem Kernbereich größer oder gleich 200 kgf/mm² beträgt. Zur Randschichtentfestigung wird der Federdraht über dem gesamten Querschnitt erhitzt. Die Härte liegt ausgehend von der Oberfläche des Federdrahts über die gesamte Tiefe, das heißt auch im Kernbereich, bei unter 590 HV.
Aus der JP 61 218 843 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Oberfläche einer Feder durch eine Wärmebehandlung entfestigt wird. Hierdurch weist die Feder im Randbereich eine niedrigere Härte auf als die durchschnittliche Härte. Zum Entfestigen der Randschicht wird hauptsächlich der Oberflächenbereich des Federstahls erwärmt. Damit wird ein Härteverlauf über der Tiefe erreicht, bei dem die Härte bis zu einer Tiefe von nur etwa 0,5 mm zunimmt, wo sie bei etwa 57 HRC liegt.
Die DE 198 52 734 A1 beschreibt eine Feder mit verbesserter Korrosionsermüdungsfestigkeit. Hierbei wird für die Herstellung des Federstahls ein Stahl mit bestimmter Zusammensetzung verwendet, der auf eine Härte von 50,5 bis 55,0 HRC (Härte Rockwell C) gehärtet wird, wobei sich der Härtung eine Kugelstrahlbehandlung bei mäßigen Temperaturen anschließt. Hierbei wird die Temperatur derart gewählt, dass ein Härteabfall im Randbereich vermieden wird.
Die DE 100 32 313 offenbart eine Schraubenfeder aus legiertem Stahl, wobei die Schraubenfeder gehärtet ist und eine Kernhärte von etwa 610 HV 0,1 (Härte Vickers) aufweist. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit ist eine Diffusionsschicht mit einer Dicke von ca. 100 µm vorgesehen, deren Härte in einer Tiefe von 10 µm mehr als 750 HV 0,1 beträgt.
Aus der DE 22 34 891 A ist ein Verfahren zum Herstellen von aus vergütbarem Stahl bestehenden Warmwalzerzeugnissen mit hartem Kern und weicher Schale bekannt. Der Stahl wird erwärmt, warmgewalzt, abgeschreckt und daraufhin angelassen.
Die DE 41 38 991 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zwischen Rand- und Kernbereich eines Stahlkörpers. Der Stahlkörper wird einer Kaltverfestigungsbehandlung unterzogen und dann wird der Rand- und Kernbereich auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt.
Die DD 267 513 A1 offenbart einen hochfesten Stahl für den Einsatz im Spannbetonbau, der im Kernbereich eine höhere Festigkeit als in der Randzone aufweist.
Aus der JP 62 260015 A ist eine Feder und ein Verfahren zur Herstellung bekannt. Das Federmaterial wird auf eine Härte von mehr als 500 HV eingestellt und dann durch eine Wärmebehandlung mittels hochfrequenter elektrischer Energie von größer 10 MHz auf 500 bis 700°C erwärmt. Dabei wird ein Bereich von 10 µm, gemessen von der Oberfläche des Federdrahts, erwärmt, um hier eine reduzierte Härte von kleiner 450 HV zu erhalten. In tieferen Bereichen des Werkstücks von mehr als 100 µm bleibt die Härte bei über 500 HV.
Aus der JP 62 260020 A ist ebenfalls eine Feder bzw. ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt, bei der die Härte in einem Bereich von 10 µm, ausgehend von der Oberfläche, auf eine Härte von weniger als 450 HV eingestellt wird.
Aus der JP 07 188745 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Federdraht bekannt, wobei das Auftreten von Entkohlungserscheinungen in den Oberflächenschichten während des Herstellungsprozesses verhindert werden soll. Dabei wird die oberflächengehärtete Schicht durch eine Wärmebehandlung entfestigt, die bei 450°C bis 750°C durchgeführt wird. Hiermit wird eine entfestigte Randschicht mit einer Tiefe von bis zu etwa 0,1 mm erreicht, die eine Härte von mehr als 520 HV aufweist.
Aus der US 2005/161131 A1 ist ein vergüteter Federdraht bekannt, bei dem durch Hochfrequenzinduktionshärten eine auftretende Entkohlung und der damit verbundene Härteverlust verhindert werden soll.
Aus der US 6 074 496 A ist ein hochfester Federdraht bekannt, der eine entkohlte Oberflächenschicht mit einer reduzierten Härte aufweist. Die entkohlte Schicht erstreckt sich bis in eine Tiefe von maximal 200 µm ab der Drahtoberfläche und hat hier eine Härte von 420 HV bis 50 HV unter der Härte im Drahtinneren.
Aus der US 2003/0168136 A1 sind ein Federstahl und ein Verfahren zur Herstellung eines Federstahls bekannt. Hierfür wird der Federstahl zunächst gehärtet und anschließend angelassen. Es werden der Härteverlauf und die Dauerfestigkeit für verschiedene Federproben angegeben, und zwar für eine geschabte, nicht-geschabte und eine Vergleichsprobe. Die Dauerfestigkeit ist bei der geschabten Federprobe am besten. Der Härteverlauf nimmt bei allen drei Federstählen von außen nach innen bis zu einer Tiefe von etwa 100 Mikrometer zu und verläuft dann konstant oder abnehmend. Ab einer Tiefe von etwa 100 Mikrometer liegt die Härte für alle Federstähle bei über 600 HV.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die negativen Auswirkungen möglicher kritischer Kerbspannungen durch Werkstoffungänzen in einem Randbereich eines Federstahls bzw. eines Federelements zu reduzieren.
Die Erfindung wird durch einen gehärteten Federstahl gelöst, der durch induktives Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur, anschließendes Abschrecken, und induktives Erwärmen auf Anlasstemperatur hergestellt ist und eine außenliegende durch induktives Erwärmen entfestigte Randschicht mit einer Dicke von mindestens 500 µm aufweist, innerhalb der die Härte von innen nach außen abfällt, derart, dass die Härte der Randschicht ausgehend von einer Oberfläche des Federstahls bis in eine Tiefe von mindestens 500 µm mit zunehmender Tiefe zunimmt, wobei die Randschicht bis in eine Tiefe von mindestens 500 µm eine Härte von maximal 590 HV aufweist; und wobei der Federstahl einen nicht entfestigten Kernbereich mit einer Härte von mindestens 600 HV aufweist, der in einer Tiefe von mindestens 500 µm beginnt.
Da die Auswirkung der Kerbspannungen zum Beispiel am Grund eines Oberflächenrisses, das heißt, an einer Rissspitze, von der Härte bzw. der Zähigkeit des Werkstoffs abhängt, wird hierdurch eine Erweiterung des Risses verlangsamt oder sogar vermieden. Durch die dadurch erhöhte Beanspruchbarkeit des Materials, kann die Bauteilmasse eines Federelements reduziert werden und/oder die Lebensdauer des Federelements erhöht werden. Unter einem gehärteten Federstahl wird in diesem Zusammenhang ein Federstahl verstanden, dessen mechanische Widerstandsfähigkeit durch gezielte Änderung und Umwandlung seines Gefüges erhöht ist. Dies wird vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung mit anschließendem schnellem Abkühlen erreicht. Ausdrücklich mitumfaßt sollen solche Federstähle sein, die nach dem Härten noch einer weiteren Behandlung unterzogen werden, beispielsweise angelassen werden. Eine solche Wärmebehandlung aus Härten und anschließendem Anlassen wird auch als Vergüten bezeichnet. Durch das Vergüten wird eine große Festigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit des Werkstoffs erreicht.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass sich durch die Randentfestigung auch Bauteile mit höherer Ausgangsfestigkeit verformen lassen. Dabei wird die Gefahr ungewünschter Drahtbrüche nach dem Härten bzw. dem Vergüten erheblich gesenkt. Dies wird durch eine Erhöhung der Duktilität im Randbereich erreicht. Gemäß der Erfindung wird nämlich, bei gleicher integraler Zugfestigkeit verglichen mit herkömmlichen Bauteilen, die Duktilität erhöht, die bis zu 15 % höher sein kann als bei nicht-entfestigten Bauteilen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Federstahls mit von innen nach außen abnehmender Härte besteht darin, dass die Drahtverformbarkeit gesteigert wird.
Als Federstahl werden Werkstoffe für die Herstellung technischer Federn bezeichnet. Eine technische Feder ist ein Bauteil, das die von außen aufgenommene Krafteinwirkung aufnehmen, speichern und dann auch wieder abgeben kann. Als Werkstoffe für den Federstahl kommen prinzipiell alle härtbaren Stähle in Frage. Die Federeigenschaft wird bei Federstahl durch den Zusatz verschiedener Legierungselemente erreicht. Dabei kommen einzeln oder in Kombination die Elemente Silizium, Mangan, Chrom, Vanadium oder Molybdän in Frage. Besonders gut geeignet für die Anforderungen an Federn sind Silizium-Chrom-Stähle, Silizium-Chrom-Vanadium-Stähle und Chrom-Vanadium-Stähle.
Vorzugsweise ist der Federstahl in seinem gesamten Querschnitt gehärtet bzw. vergütet. Hiermit ist eine Durchhärtung bzw. Durchvergütung des Federstahls gemeint. Nach dem Härten bzw. Vergüten wird die Randschicht durch eine Wärmebehandlung entfestigt. Dies kann vorzugsweise durch ein relativ hochfrequentes induktives Erwärmen geschehen, worunter die Anwendung von Frequenzen über 50 kHz oder 60 kHz verstanden werden soll. Das induktive Erwärmen kann hierbei über eine verhältnismäßig kurze Dauer vorgenommen werden.
Da sich herausgestellt hat, dass für die Lebensdauer eines Federelements kritische Korrosionsnarben eine Tiefe im Größenbereich von 300 - 400 µm aufweisen, weist die Randschicht eine Dicke von mindestens 500 µm, insbesondere von mindestens 800 µm auf. Somit ist gewährleistet, dass an der Rissspitze eines Oberflächenrisses beziehungsweise am Grund einer Korrosionsnarbe eine Erhöhung der Zähigkeit des Werkstoffs und damit eine Reduzierung der negativen Auswirkungen der Kerbspannung erzielt werden. Je nach Dicke des Federelements und nach Wahl der Parameter für das Härten, Anlassen bzw. Entfestigen kann die Randschicht auch bis zu 1/4 des Radius des Federelements betragen. Dabei kann die Randschicht in besonderen Fällen sogar eine Dicke von mehr als 800 µm und bis zu 2000 µm aufweisen.
Die Randschicht weist vorzugsweise bis in eine Tiefe von 500 µm bis 800 µm eine Härte von maximal 590 HV auf. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Härte der Randschicht ausgehend von einer Oberfläche des Federstahls mit zunehmender Tiefe zunimmt. Generell gilt, daß die Härte des Federstahls über der Tiefe von der integralen Zugfestigkeit des Federstahls über dessen Querschnitt abhängt. Je höher die integrale Zugfestigkeit, desto größer ist auch die Tiefe, bis zu der eine Härte von maximal 590 HV vorliegen kann. So kann die Randschicht bei niedriger integraler Zugfestigkeit des Federstahls sogar auch bis in eine Tiefe von bis zu 1000 µm eine Härte von maximal 590 HV aufweisen.
Vorzugsweise ist in der Randschicht ab einer Tiefe von 50 µm eine Härte von mindestens 250 HV, vorzugsweise 450 HV, insbesondere von mindestens 500 HV oder 560 HV, vorgesehen.
Ein sich an die Randschicht innen anschließender Kernbereich beginnt in einer Tiefe von mindestens 500 µm, insbesondere von mindestens 800 µm. In besonderen Fällen kann der Kernbereich sogar erst in einer Tiefe von 2000 µm beginnen. Die Härte des Kernbereichs beträgt mindestens 600 HV. In besonderen Fällen kann die Härte des Kernbereichs sogar über 730 HV betragen, was durch eine geringere Temperatur beim Anlassen erreicht werden kann. Im Zentrum des Kernbereichs kann die Härte infolge von herstellungsbedingten Mikrostrukturänderungen, beispielsweise von Seigerungen reduziert oder gesteigert sein.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Federelement gelöst, das aus einem Federstahl, wie er vorangehend beschrieben ist, gefertigt ist. Der Federstahl ist hierbei vorzugsweise ein Rundmaterial, zum Beispiel ein Federdraht, ein Ovaldraht oder ein Flachmaterial, zum Beispiel ein Federband.
Hierbei kann das Federelement zu einer Schraubenfeder gewunden sein. Der Federstahl kann ausschließlich auf einer Innenseite der Windungen des Rundmaterials der Schraubenfeder eine entfestigte Randschicht aufweisen, um die Auswirkungen der Kerbspannungen zu reduzieren. Über den übrigen Umfang des Rundmaterials im Querschnitt betrachtet kann vorgesehen sein, dass keine enthärtete Randschicht vorgesehen ist, d.h. dass der Kernbereich bis an die Oberfläche reicht. Alternativ zu einer partiellen Entfestigung an der Innenseite der Windungen oder zusätzlich hierzu kann vorgesehen sein, dass der Federstahl auf einer Außenseite der Windungen des Rundmaterials der Schraubenfeder eine entfestigte Randschicht aufweist, wodurch mögliche Wickelbrüche bei der Formgebung der Feder vermieden werden können. Im Regelfall ist jedoch davon auszugehen, dass sich die entfestigte Randschicht im Querschnitt betrachtet über den gesamten Umfang des Rundmaterials erstreckt.
Es wird deutlich, dass, im Querschnitt des Federstahls betrachtet, lediglich teilweise über den Umfang ein oder mehrere Bereiche mit einer entfestigten Randschicht vorgesehen sein können, um in diesen bestimmten Bereichen eine Anpassung der Materialeigenschaften an die Beanspruchung zu ermöglichen.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Federstahls gelöst, wobei der Federstahl durch induktives Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur und anschließendes Abschrecken zunächst gehärtet wird, wobei ein Kernbereich auf eine Härte von über 600 HV gehärtet wird, anschließend durch induktives Erwärmen angelassen wird und anschließend eine Randschicht des Federstahls über eine Dicke von mindestens 500 µm durch eine induktive Wärmebehandlung entfestigt wird, derart, dass die Härte der entfestigten Randschicht ausgehend von einer Oberfläche des Federstahls bis in eine Tiefe von mindestens 500 µm mit zunehmender Tiefe zunimmt und maximal 590 HV beträgt. Das Härten bzw. Vergüten des Federstahls bedeutet, vorzugsweise, dass der gesamte Querschnitt zunächst durchgehärtet wird. Der Zentralbereich des Querschnitts muss jedoch nicht unbedingt durchgehärtet werden. Als Wärmebehandlung für das Entfestigen wird eine induktive Erwärmung durchgeführt. Vor und nach dem Entfestigen ist das Gefüge des Federstahls feinnadelig martensitisch. Dieses martensitische Gefüge wird durch verhältnismäßig schnelles Abkühlen nach dem Härten erreicht. Je nach Abkühlgeschwindigkeit nach dem Härten kann auch eine andere Gefügestruktur des Federstahls erzeug werden. Wird der Federstahl langsamer abgekühlt, kann beispielsweise auch eine Bainit-Gefügestruktur erzeugt werden. Bei noch langsamerer Abkühlung ist auch die Beibehaltung der Ferrit/Perlit-Gefügestruktur des Federstahls denkbar.
Der Federstahl wird gehärtet bzw. vergütet. Hierbei wird der Federstahl zunächst auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt, und zwar induktiv erwärmt, und anschließend abgeschreckt. Die Temperatur liegen hierbei vorzugsweise oberhalb des Ac₃ Punktes, insbesondere bei 800 oder 900 bis 1000°C. Zur Erreichung eines vergüteten Federstahls wird der Federstahl nach dem Härten angelassen, wozu der Federstahl erneut induktiv erwärmt wird. Hierbei wird der Federstahl vorzugsweise auf eine Temperatur von 400°C bis 500°C oder bis 550°C erwärmt. Hiermit liegt ein vergüteter Federstahl vor.
Nach einem anschließenden Abkühlen wird der Federstahl ein weiteres Mal kurzzeitig induktiv erwärmt, um die Randschicht zu entfestigen. Dabei erfolgt das Randentfestigen, in Abhängigkeit von der Dauer der Erwärmung, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 500°C und 750°C, insbesondere zwischen 570°C und 610°C.
Der Kernbereich wird auf eine Härte von über 600 HV, in besonderen Fällen von über 730 HV eingestellt.
Die Randschicht wird über eine Dicke von mindestens 500 µm, insbesondere von mindestens 800 µm entfestigt, wobei die Randschicht vorzugsweise auf eine maximale Härte von 590 HV entfestigt wird. In besonderen Fällen kann die Randschicht, in Abhängigkeit von der integralen Zugfestigkeit des Federstahls, sogar über eine Dicke mehr als 800 µm und bis zu 2000 µm entfestigt werden. Die Randschicht wird vorzugsweise ab einer Tiefe von 50 µm auf eine Härte von nicht unter 250 HV, vorzugsweise nicht unter 450 HV, insbesondere nicht unter 500 HV oder 560 HV entfestigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Federelements aus einem Federstahl vorgeschlagen, wobei der Federstahl nach einem der obengenannten Verfahren hergestellt ist. Um eine Schraubendruckfeder herzustellen, wird der Federstahl zu einem Federelement in Form einer Schraubenfeder gewunden, wobei die Randschicht entweder vor dem Winden des Federstahls oder nach dem Winden des Federstahls entfestigt werden kann.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Hierin zeigt:

Figur 1: einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Federstahls in Form eines Federdrahts;
Figur 2: ein Diagramm eines schematischen Härteverlaufs über den gesamten Durchmesser eines erfindungsgemäßen Federdrahts;
Figur 3: ein Diagramm des Härteverlaufs eines erfindungsgemäßen Federdrahts im Bereich der Randschicht;
Figur 4: ein Diagramm, das die Messwerte des Härteverlaufs eines erfindungsgemäßen Federdrahts wiedergibt;
Figur 5: ein erfindungsgemäßes Federelement in Form einer Schraubenfeder;
Figuren 6 und 6a: einen Querschnitt des Federdrahts der Schraubenfeder gemäß Figur 5;
Figur 7: eine schematische Darstellung der Fertigung eines erfindungsgemäßen Federstahls in Form einer Schraubenfeder;
Figur 8: ein weiteres Diagramm der Härteverlaufe eines erfindungsgemäßen Federdrahts im Bereich der Randschicht bei verschiedenen Temperaturen für die Randentfestigung;
Figur 9: ein Diagramm, das die Messwerte des Härteverlaufs eines erfindungsgemäßen Federdrahts bei einer ersten integralen Zusfestigkeit wiedergibt;
Figur 10: ein Diagramm, das die Messwerte des Härteverlaufs eines erfindungsgemäßen Federdrahts bei einer zweiten integralen Zusfestigkeit wiedergibt.

Figur 1 zeigt einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Federstahls in Form eines Federdrahts 1 mit einem kreisrunden Querschnitt. Grundsätzlich kann der Federstahl mit beliebigen Querschnitten, zum Beispiel auch als Federband gestaltet sein. Der Federdraht 1 erstreckt sich entlang einer Längsachse L. Die Koordinaten des Querschnitts sind mit X (Tiefe von der Oberfläche aus) und Y (Halbmesser über der Tiefe) angegeben. Schematisch ist dargestellt, dass der Federdraht 1 eine Randschicht 2 und einen Kernbereich 3 aufweist, wobei die Randschicht 2 außen die Oberfläche 4 des Federdrahts 1 bildet. Die Randschicht 2 und der Kernbereich 3 sind nicht als separate Elemente zu verstehen, sondern dienen lediglich der Veranschaulichung der unterschiedlichen Härteeigenschaften. Der Federdraht 1 ist ein integrales Element. Wie später anhand von Diagrammen dargstellt wird, weist der Federdraht 1 im Bereich der Randschicht 2 eine geringere Härte auf als im Kernbereich 3. Im vorliegenden Fall ist die entfestigte Randschicht 2 im Querschnitt betrachtet über den gesamten Umfang um die Längsachse L angeordnet. Die entfestigte Randschicht 2 kann jedoch auch nur partiell vorgesehen sein, so dass diese lediglich teilweise über den Umfang verläuft und/oder sich nur teilweise über die Länge erstreckt.
Der Federstahl besteht aus einem härtbaren Stahl. Besonders gut geeignet für die Anforderungen an Federn sind Silizium-Chrom-Stähle, Silizium-Chrom-Vanadium-Stähle und Chrom-Vanadium-Stähle.
Figur 2 zeigt schematisch die Kurve 16 des Härteverlaufs über den gesamten Querschnitt des Federdrahts gemäß Figur 1 entlang der Achse X. Figur 3 zeigt in vergrößerter Ansicht schematisch den Härteverlauf im Bereich der Randschicht entlang der Achse X. Auf der Abszisse ist die Tiefe von der Oberfläche bzw. die Entfernung von der Oberfläche abgetragen. Auf der Ordinate ist die Härte abgetragen. Die Figuren 2 und 3 werden im folgenden zusammen beschrieben.
Es ist zu erkennen, dass die Härte des Federdrahts ausgehend von der Oberfläche (Tiefe 0 mm) weitestgehend kontinuierlich ansteigt, bis ein Maximalwert erreicht ist, der im Kernbereich des Federdrahts in etwa konstant verläuft. Im Zentrum des Federdrahts kann die Härte durch Mikrostruktureinflüsse bei der Herstellung, beispielsweise durch Seigerungen auch abweichend, insbesondere niedriger sein. Der Anstieg der Härte liegt, jeweils von außen nach innen, an allen Punkten der Oberfläche des Drahtes vor.
Im Bereich der Oberfläche wird eine Härte von ca. 500 HV (Härte Vickers) erzielt. Bis zu einer Tiefe von 0,6 mm steigt die Härte weitestgehend kontinuierlich bis zu einem Wert von ca. 580 HV an. Dieser Bereich stellt die entfestigte Randschicht 2 dar, deren Härte geringer ist, als die Härte des Kernbereichs 3. Ab einer Tiefe von 0,6 mm ist der Härteverlauf konstant, bis der gegenüberliegende Oberflächenbereich erreicht wird, wo die Härte zur Oberfläche hin wieder abnimmt. Die Härte sollte durchgehend eine Härteuntergrenze 17 von 450 HV nicht unterschreiten. Im Bereich der entfestigte Randschicht 2, das heißt in demjenigen Bereich, in dem die Härte ausgehend von der Oberfläche ansteigt, sollte die Härte eine Härteobergrenze 18 von 590 HV nicht übersteigen. Die Randschicht 2 kann auch bis zu einer größeren Tiefe von bis zu 0,8 mm reichen, hierbei kann der Kernbereich auch höhere Härten von deutlich über 600 HV aufweisen.
Der Kurvenverlauf gemäß den Figuren 2 und 3 ist lediglich schematisch dargestellt und stellt den gewünschten Härteverlauf dar. Dieser ist in der Realität in der gezeigten gradlinigen Form nicht erzielbar.
Die Figur 4 zeigt Messwerte des Härteverlaufs in einem Bereich nahe der Oberfläche eines Federstahls. In dem Diagramm gemäß Figur 4 sind zwei Kurven dargestellt, zum einen eine erste Kurve 5, die den Härteverlauf des gehärteten bzw. vergüteten Federstahls ohne entfestigten Randbereich wiedergibt. Eine zweite Kurve 6 gibt den Härteverlauf wieder, wie er sich nach der Entfestigung der Randschicht 2 darstellt. Anhand der Kurve 5 ist zu erkennen, dass der gehärtete bzw. vergütete Federstahl ab einer Tiefe von ca. 0,1 mm ein Härte von über 590 HV aufweist und somit über der Obergrenze 18 liegt, wobei dieser Wert im weiteren Verlauf nicht mehr unterschritten wird. Bei Korrosionsnarben mit einer Tiefe von erfahrungsgemäß bis zu 400 µm würden sich somit die hohen Kerbspannungen im Bereich der Rissspitzen der Korrosionsnarben oder Risse negativ auf die Lebensdauer des Federstahls auswirken.
Um die Zähigkeit und damit den Widerstand des Materials gegen die Wirkung der hohen Kerbspannungen zu verbessern, wird die Randschicht des Federstahls durch eine kurzzeitige Erwärmung entfestigt, so dass ein Härteverlauf gemäß der Kurve 6 erzielt wird. Die Randschicht 2 sollte eine Mindestdicke ausgehend von der Oberfläche von 0,3 mm bevorzugt 0,5 mm aufweisen und eine Härte von 450 bis höchstens 590 HV aufweisen. Die Kurve 6 steigt kontinuierlich ausgehend von der Oberfläche in Richtung zum Kernbereich 3 an und nähert sich immer weiter der Kurve 5 des Härteverlaufs des gehärteten bzw. vergüteten Federstahls an und geht in diese im Kernbereich 3 über. Der Kernbereich lässt sich somit als derjenige Bereich des Federstahls definieren, der nicht entfestigt wird. Die entfestigte Randschicht ist im vorliegenden Beispiel definitionsgemäß etwa 0,6 mm dick und soll in diesem Bereich auf eine Härte zwischen 450 und 590 HV entfestigt sein. Zwischen der Randschicht 2 und dem Kernbereich 3 ergibt sich ein Übergangsbereich 19, der ebenfalls entfestigt wurde, jedoch eine Härte von über 590 HV aufweist, wobei die Härte des Übergangsbereichs 19 bis zur Härte des Kernbereichs weiter ansteigt.
In Figur 5 ist beispielhaft ein Federelement in Form einer Schraubenfeder 7 mit einer geometrischen Federmittellinie M dargestellt wobei eine Einzelheit X markiert ist.
Die Figuren 6a und 6b zeigen Querschnitte im Bereich der Einzelheit X gemäß Figur 5 durch zwei Ausführungsbeispiele des Federdrahts, aus dem die Schraubenfeder 7 hergestellt ist.
Figur 6a zeigt einen Kernbereich 8 sowie einen Randschichtbereich 9, der nur über einen Teil des Umfangs verläuft, wobei der Randschichtbereich 9 an einer Außenseite der Schraubenfeder 9 vorgesehen ist. Der entfestigte erste Randschichtbereich 9 soll Brüche beim Umformen des Federdrahts, d.h. beim Winden der Schraubenfeder 7 verhindern.
Figur 6b zeigt einen Kernbereich 8 sowie einen Randschichtbereich 10, der ebenfalls nur über einen Teil des Umfangs verläuft, wobei der Randschichtbereich 10 an einer Innenseite der Schraubenfeder 7 vorgesehen ist. Der entfestigte Randschichtbereich 10 soll die negativen Auswirkungen der Kerbspannung örtlich reduzieren.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, eine vollständig umlaufende entfestigte Randschicht 2 oder beide teilweise umlaufenden Randschichtbereiche 9, 10 am Federdraht vorzusehen. In den Figuren 6a und 6b sind die entfestigten Randschichtbereiche 9,10 zwar sichelförmig dargestellt, diese können jedoch auch andere Formen aufweisen oder über einen größeren oder kleineren Bereich des Umfangs verlaufen. Ferner kann die entfestigte Randschicht über die gesamte Länge des Federdrahts oder nur über einen Teil der Länge des Federdrahts verlaufen.
Figur 7 zeigt schematisch die Fertigung eines Federstahls in Form eines Federdrahts 1, wobei die Entfestigung vor dem Weiterverarbeiten des Federdrahts zum Beispiel zu einer Schraubenfeder stattfindet. Grundsätzlich kann die Entfestigung einer Randschicht auch nach dem Umformen des Federdrahts 1 zu einer Schraubenfeder stattfinden.
Der Federdraht 1 wird zunächst durch eine erste Induktionsspule 11 hindurch geführt und auf Austenitisierungstemperatur erwärmt. Anschließend wird der Federdraht 1 abgeschreckt, was in einer Dusche 12 stattfindet. Anschließend wird der Federdraht 1 durch eine zweite Induktionsspule 13 hindurchgeführt und auf eine Anlasstemperatur erwärmt. Die Anlasstemperatur des Federdrahts 1 liegt vorzugsweise 30°C niedriger als bei konventioneller induktiver Vergütung, insbesondere zwischen 420°C und 490°C. Dabei ist die Anlasstemperatur abhängig von der gewünschten Endfestigkeit des Federdrahts 1, die in günstiger Weise zwischen 1800 N/mm² und 2050 N/mm² liegen soll. Für hochfeste Federdrähte mit einer Zugfestigkeit von Rm zwischen 2050 bis 2200 N/mm² ist die Anlasstemperatur geringer und beträgt vorzugsweise 380°C bis 420°C.
Die Temperatur des Federdrahts wird hinter der zweiten Induktionsspule 13 gemessen, vorzugsweise 50 mm bis 90 mm, insbesondere 70 mm hinter der Induktionsspule 13. Dieses versetzte Messen, mit Abstand zur Induktionsspule 13, ermöglicht das Bestimmen der Kerntemperatur des Federdrahts 1.
Im Anschluss an das Anlassen wird der Federdraht 1 durch eine dritte Induktionsspule 14 hindurchgeführt, in der der Federdraht 1 kurzzeitig induktiv erwärmt wird, um die Randschicht zu entfestigen. Die Randentfestigung durch Erwärmung erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 500°C und 750°C, insbesondere zwischen 570°C und 610°C.. Durch die Wahl einer geeigneten Frequenz werden hierbei nur die oberflächennahen Bereiche erwärmt.
Die Induktionsspulen 11, 13, 14 sind in Figur 7 lediglich schematisch dargestellt und können selbstverständlich in verschiedenen herkömmlichen Formen zum Härten von Federdrähten ausgebildet sein. In den Bereichen 15 und/oder 15' kann eine Abkühleinheit in die Anlage integriert werden, um besondere Materialeigenschaften des Federdrahts gezielt einzustellen. Die Induktionsspule 14 zum Entfestigen (direkt vor oder nach dem Winden) kann insbesondere sichelförmig gestaltet sein, um zu ermöglichen, dass der Federdraht lediglich partiell über seinen Umfang entfestigt wird. Die Erwärmungs- und Entfestigungstemperaturen können von den genannten Temperaturen auch abweichen.
Die Figur 8 zeigt den Zusammenhang zwischen der Randerwärmung und der Härte des Federdrahts 1, d. h. der Rand- bzw. der Kernhärte, und zwar bei unterschiedlichen Randtemperaturen. Es ist erkennbar, dass die Kernfestigkeit von der gewünschten integralen Zugfestigkeit des Federdrahts abhängig ist.
Es sind die Kurvenverläufe der Härte, die mit den Bezugszeichen 20, 21, 22, 23, 24 versehen sind, für verschiedene Entfestigungstemperaturen dargestellt. Die Entfestigung erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 500°C und 750°C, insbesondere zwischen 570°C und 610°C. Auf der Abszisse ist die Tiefe von der Oberfläche bzw. die Entfernung von der Oberfläche, in Millimetern, abgetragen. Auf der Ordinate ist die Härte, in Härte HV1, abgetragen. Es ist zu erkennen, dass die Härte des Federdrahts ausgehend von der Oberfläche (Tiefe 0 mm) kontinuierlich ansteigt, bis ein Maximalwert erreicht ist, der im Kernbereich des Federdrahts in etwa konstant verläuft.
Die Härte im Bereich der Oberfläche und in der Randschicht hängt von der Randtemperatur ab. Bei einer niedrigeren Temperatur von beispielsweise 570°C ist die Härte an der Oberfläche besonders hoch, und beträgt hier etwa 570 HV und steigt kontinuierlich bis in eine Tiefe von etwa 0,8 mm bis auf eine Härte von etwa 620 HV an. Dieser Bereich der ansteigenden Härte stellt die entfestigte Randschicht 2 dar, deren Härte geringer ist, als die Härte des Kernbereichs 3. Ab einer Tiefe von 0,8 mm ist der Härteverlauf konstant, bis der gegenüberliegende Oberflächenbereich erreicht wird, wo die Härte zur Oberfläche hin wieder abnimmt.
Bei höheren Temperaturen, wie sie beispielsweise durch Kurve 23 gekennzeichnet ist, ist die Härte an der Oberfläche etwas niedriger, und beträgt hier etwa 530 HV, und steigt kontinuierlich bis in eine größere Tiefe von etwa 1,0 mm an und hat dort einen Wert von etwa 630 HV an. Das heißt, bei höherer Erwärmungstemperatur zur Erreichung der Randentfestigung nimmt die Härte in der Randschicht stärker ab und es erfolgt eine Entfestigung in größere Tiefe hinein. Besonders deutlich wird dies anhand von Kurve 25, die den Härteverlauf für eine Erwärmung bei 610°C zur Randentfestigung zeigt. Hier beträgt die Härte an der Oberfläche nur etwa 500 HV und steigt kontinuierlich bis in eine Tiefe von etwa 1,25 mm an. Dort hat das Federelement eine Härte von etwa 650 HV.
Die Figuren 9 und 10 zeigen anhand zweier Beispiele tatsächliche Messwerte des Härteverlaufs über den gesamten Querschnitts zweier erfindungsgemäßer Federdrähte 1. Dabei zeigt Figur 9 den Härteverlauf für einen Federdraht mit einer höheren integralen Zugfestigkeit, in Höhe von 2086 N/mm², während Figur 10 den Härteverlauf für einen Federdraht mit einer niedrigeren integralen Zugfestigkeit, in Höhe von 2000 N/mm², zeigt. Der Durchmesser des Federdrahts beträgt 12,05 mm. Die beiden Figuren 9 und 10 werden im folgenden gemeinsam beschrieben.
In den beiden Diagrammen gemäß den Figuren 9 und 10 sind jeweils zwei Kurven dargestellt, von denen eine erste Kurve 26, 26' den Härteverlauf des gehärteten bzw. vergüteten Federstahls in einem Horizontalschnitt durch den Federdraht wiedergibt, während die zweite Kurve 27, 27' den Härteverlauf in einem Vertikalschnitt durch den Federdraht wiedergibt.
Es ist der weitestgehend symmetrische Verlauf der Härte über dem Querschnitt des Federdrahts von der Innenseite 28, 28' des Federdrahts bis zu dessen Außenseite 29, 29' erkennbar. Gewisse Abweichungen von der Symmetrie können durch Meßungenauigkeiten oder Auskohlung entstehend. Weiter ist in allen Kurven 26, 27, 26', 27' der Abfall der Härte im Bereich der Randschicht erkennbar, wie sie nach der Entfestigung der Randschicht 2 vorliegt.
Der Härteverlauf in Figur 9 ist in den Randbereichen etwas steiler und steigt von der Oberfläche, wo eine Härte von etwa 550 HV vorliegt, bis in eine Tiefe von etwa 1,0 mm auf einen Härtewert von etwa 600 HV weitestgehend linear an. Weiter innen, d. h. ab einer Tiefe von etwa 1,0 mm bis zu einer Tiefe von 2,0 mm nimmt die Härte weiter zu, allerdings nicht linear sondern kurvenförmig, bis zu einem maximalen Wert von etwa 630 HV. Zwischen der Tiefe von 2,0 mm bis zum Kern, der bei 6,0 mm liegt fällt die Härte wieder leicht ab und Erreicht ein relatives Minimum von etwa 610 HV bei etwa 4,0 mm. Die maximale Härte mit annähernd 650 HV liegt im Kern des Federdrahts vor. Dieser Punkt ist mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnet.
Der Härteverlauf, welcher in Figur 10 gezeigt ist, ist ähnlich. Auch hier nimmt die Härte im Randbereichen zunächst steiler zu, um dann weiter innen eine flachere Steigung anzunehmen. In einer Tiefe von etwa 2,0 mm ist die Härte maximal und beträgt hier etwa 610 HV. Dieser Punkt ist mit dem Bezugszeigen 31' gekennzeichnet. Weiter innen, d. h. ab einer Tiefe von etwa 2,0 mm bis zum Kern, d. h. bis zu einer Tiefe von 6,0 mm, fällt die Härte wieder leicht ab und Erreicht ein relatives Minimum von etwa 600 HV im Kern 30'.
Insgesamt lässt sich anhand der Figuren 9 und 10 erkennen, dass der Ausgangswerkstoff die Festigkeit bzw. Härte des fertig hergestellten erfindungsgemäßen Federdrahts definiert. Bei Figur 9, wo ein Ausgangswerkstoff mit einer höheren integralen Zugfestigkeit von 2086 N/mm² verwendet wurde, ist auch die Härte des fertigen, randentfestigten Federdrahts mit einer maximalen Härte von an die 650 HV höher. Demgegenüber ist bei der Probe gemäß Figur 10, bei der ein Ausgangswerkstoff mit einer niedrigeren integralen Zugfestigkeit von 2000 N/mm² verwendet wurde, auch die Härte des fertigen, randentfestigten Federdrahts geringer und beträgt etwa 610 HV.
Insgesamt bietet der erfindungsgemäße Federstahl und das erfindungsgemäße Verfahren zu Herstellung eines solchen Federstahls den Vorteil, dass sich durch die Randentfestigung auch Bauteile mit höherer Ausgangsfestigkeit verformen lassen. Dies führt insgesamt zu einer erhöhten Festigkeit bzw. Härte des Bauteils. Dies gilt insbesondere für Federelemente, die aus dem erfindungsgemäßen Federstahl hergestellt sind. Durch die Randentfestigung des Federdrahts wird eine Erhöhung der Duktilität im Randbereich erreicht. Auf diese Weise wird die Gefahr unerwünschter Drahtbrüche nach dem Härten bzw. der Vergütung erheblich gesenkt. Außerdem wird die Drahtverformbarkeit verbessert.

Bezugszeichenliste

1: Federdraht
2: Randschicht
3: Kernbereich
4: Oberfläche
5: Kurve
6: Kurve
7: Schraubenfeder
8: Kernbereich
9: erster Randschichtbereich
10: zweiter Randschichtbereich
11: erste Induktionsspule
12: Dusche
13: zweite Induktionsspule
14: dritte Induktionsspule
15: Abkühleinheit
16: schematische Kurve
17: Untergrenze
18: Obergrenze
19: Übergangsbereich
21-25: Kurven (bei unterschiedlichen Entfestigungstemperaturen)
26, 27: Kurven (des Härteverlaufs über der Tiefe)
28: Innenseite
29: Außenseite
30: Kern
31: Maximum
L: Längsachse
X: Achse
Y: Achse

Claims

Gehärteter Federstahl, hergestellt durch induktives Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur, anschließendes Abschrecken, und induktives Erwärmen auf Anlasstemperatur,
wobei der Federstahl eine durch induktives Erwärmen entfestigte Randschicht mit einer Dicke von mindestens 500 µm aufweist, innerhalb der die Härte von innen nach außen abfällt, derart, dass die Härte der Randschicht ausgehend von einer Oberfläche des Federstahls bis in eine Tiefe von mindestens 500 µm mit zunehmender Tiefe zunimmt, wobei die Randschicht bis in eine Tiefe von mindestens 500 µm eine Härte von maximal 590 HV aufweist;
und wobei der Federstahl einen nicht entfestigten Kernbereich mit einer Härte von mindestens 600 HV aufweist, der in einer Tiefe von mindestens 500 µm beginnt.
Gehärteter Federstahl nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Federstahl in seinem gesamten Querschnitt gehärtet ist.
Gehärteter Federstahl nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Randschicht eine Dicke von mindestens 800 µm aufweist.
Gehärteter Federstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Randschicht bis in eine Tiefe von 500 bis 800 µm eine Härte von maximal 590 HV aufweist.
Gehärteter Federstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Randschicht ab einer Tiefe von 50 µm eine Härte von mindestens 450 HV, insbesondere von mindestens 500 HV aufweist.
Gehärteter Federstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kernbereich in einer Tiefe von mindestens 800 µm beginnt.
Federelement, das aus einem Federstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gefertigt ist, wobei der Federstahl insbesondere ein Rundmaterial, ein Flachmaterial oder ein Ovalmaterial bildet.
Federelement nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Federelement zu einer Schraubenfeder gewunden ist, wobei der Federstahl auf der Innenseite und/oder der Außenseite der Windungen der Schraubenfeder eine entfestigte Randschicht aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Federstahls mit den Schritten:
Härten eines Federstahls durch induktives Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur und anschließendes Abschrecken, wobei ein Kernbereich auf eine Härte von über 600 HV gehärtet wird, anschließendes Anlassen des Federstahls durch induktives Erwärmen auf Anlasstemperatur, und anschließendes Entfestigen einer Randschicht des Federstahls durch eine induktive Wärmebehandlung, wobei die Randschicht über eine Dicke von mindestens 500 µm entfestigt wird, derart, dass die Härte der entfestigten Randschicht ausgehend von einer Oberfläche des Federstahls bis in eine Tiefe von mindestens 500 µm mit zunehmender Tiefe zunimmt und maximal 590 HV beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Randschicht über eine Dicke von mindestens 800 µm entfestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Randschicht bis in eine Tiefe von 500 bis 800 µm auf eine maximale Härte von 590 HV entfestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Randschicht ab einer Tiefe von 50 µm auf eine Härte von nicht unter 450 HV, insbesondere nicht unter 500 HV, entfestigt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Federelements aus einem Federstahl, hergestellt nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Federstahl zu einem Federelement in Form einer Schraubenfeder gewunden wird, wobei die Randschicht insbesondere vor dem Winden des Federstahls entfestigt wird.