WO1997045565A1 - Relaxationsfeste stahlfeder - Google Patents

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Klaus Wanke
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    • 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
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • 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 which has a good resistance to relaxation at relatively high working temperatures.
  • Feathers made from patented drawn spring steel wires consisting of unalloyed carbon steels are known. Such springs are essentially free of scale and residual dirt particles, but can only be used to a limited extent for operating temperatures of over 80 ° C. They are used with greatly reduced working voltages, the compensation of which can only take place via a higher insert mass of the spring, which is known to bring considerable disadvantages for economic as well as for design reasons. With regard to the relaxation behavior at higher operating temperatures, springs made from oil-quenched, unalloyed spring steel and valve spring wires have the same disadvantages.
  • the surface is contaminated with scale or remnants of other residues as a result of the oil finish, the spring function can loosen and, in sensitive work areas such as automatic transmissions and fuel injection systems in motor vehicles, can lead to considerable malfunctions or to the complete failure of such units.
  • the object of the invention is to create a high-strength wire spring which is resistant to relaxation at elevated operating temperatures and has a surface free of scale or residual dirt and relatively low material costs.
  • the object is achieved in that the reiaxation-resistant steel spring with high strength comprises the following features.
  • a steel wire with the composition 0.45 - 0, $ 5 weight percent carbon, 0.2 - 1, 60 weight percent silicon, 0.3 - 1.50 weight percent manganese, 0.4 - 1, 20 weight percent chromium and the rest iron and inevitable Additives are austenitized and then isothermally heat-treated in the temperature range between 450 and 650 ° C, then pulled to a tensile strength of 1600 - 2300 N / mm 2 with a constriction of at least 40%.
  • This wire is cold-formed into a spring, which is subsequently annealed in the temperature range of 200-350 ° C. with low stress.
  • the steel has vanadium additions of 0.05-0.30 percent by weight, that the steel contains other additions such as 0.005-0.05 percent by weight titanium, 0.01-0.2 percent by weight niobium and / or tantalum as well 0.05-0.5% by weight of molybdenum and that the elements chromium and silicon are completely or partially replaced by 0.003-0.01% by weight of boron.
  • the spring has a helical shape and the mean spring diameter is equal to or less than four times the wire diameter to the purpose of increasing the durability takes place a shot blasting and is advanced by means of elastic deformation at either room temperature and / or at temperatures up to 400 C ⁇ .
  • Example 1 The invention is explained in more detail below using two exemplary embodiments, without being limited thereto.
  • Example 1 The invention is explained in more detail below using two exemplary embodiments, without being limited thereto.
  • Example 1
  • a relaxation-proof and heat-resistant tension spring with • the following dimensions:
  • L2 570 mm 85 is produced from a rolled steel with 8 mm 0 and the following composition:
  • This rolled steel is austenitized at 900 ° C., converted isothermally at 95 ° C. and then cold drawn to 3.6 mm. A strength Rm of 1900 N / mm 2 is achieved.
  • This wire is fully automatically formed into a tension spring The above-mentioned dimensions are reshaped and then stress relieved for one hour at 300 ° C. Loss of relaxation after testing for L2 at 145 ° C. 100 one hour: 4.8%
  • Another example relates to the manufacture of a helical compression spring. From a rolled steel 5.5 mm 0 with a composition as in Example 1, an analog heat and cold drawing treatment is carried out at the tension spring and a compression spring for a fuel injection pump with the following spring data is generated: Wire diameter 1, 4 mm outside diameter 7.3 mm

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Abstract

Es wird eine Stahlfeder hoher Festigkeit beschrieben, die eine zunder- bzw. restschmutzfreie Oberfläche aufweist und auch bei erhöhten Betriebstemperaturen relaxationsbeständig ist. Zur Herstellung einer solchen Feder geht man von einem Stahldraht mit folgender Zusammensetzung aus: 0,45-0,85 Gewichtprozente Kohlenstoff; 0,2-1,60 Gewichtprozente Silizium; 0,3-1,50 Gewichtprozente Mangan; 0,4-1,20 Gewichtprozente Chrom; Rest Eisen und unvermeidliche Beimengungen. Der Draht wird austenitisiert und nachfolgend isothermisch im Temperaturbereich zwischen 450 und 650 DEG C wärmebehandelt, anschliessend gezogen auf eine Zugfestigkeit von 1600 bis 2300 N/mm<2> bei einer Brucheinschnürung von mindest 40 %, zu einer Feder kalt geformt und nachfolgend im Temperaturbereich von 200-350 DEG C spannungsarm geglüht.

Description

Relaxationsfeste Stahlfeder
Die Erfindung betrifft eine Stahlfeder, die bei relativ hohen Arbeitstempera¬ turen 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 Reste 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 Federstahldräh¬ ten bereits praxisbekannt. Hiermit lassen sich Grenztemperaturen von 160 CC realisieren. Diese legierten Stähle erfordern ebenfalls eine Ölschlußvergü¬ tung. 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 außer¬ ordentlich empfindlich beim Beizen oder einer Oberflächenbehandlung rea¬ giert, die mit einer Wasserstoffdiffusion in den Federwerkstoff verbunden ist. Die sogenannte Wasserstoffversprödung, wie sie beim Beizen oder elektroly¬ tischen Beschichten entsteht, führt zum vorzeitigen Ausfall des Federelemen- tes und damit zur Funktionsmüdigkeit komplizierter und teurer Mechanismen. Neben diesen funktionellen Nachteilen haftet den Federn dieser Werkstoff¬ gruppe ein wesentlicher technologischer Nachteil an. Nach dem Umformen müssen derartige Federelemente ohne Zeitverzug einer Entspannungsglü- hung (Anlassen) unterzogen werden. Treten hier Verzögerungen ein, bilden sich Eigenspannungsanrisse, die zum vorzeitigen Bruch des oder der Feder¬ elemente führen. Zur Beseitigung dieser Nachteile sind Federn aus austenitischen nichtrosten¬ den Federdrähten, beispielsweise der Sorte X 12 CrNi 17.7, entwickelt wor¬ den. Infolge des wesentlich höheren Legierungsaufwandes und der technolo- gischen Besonderheiten entstehen unvertretbar hohe Materialkosten für die Federelemente.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine hochfeste, bei erhöhten Betriebstempera¬ turen relaxationsbeständige Drahtfeder mit zunder- bzw. restschmutzfreier Oberfläche und relativ geringen Materialkosten zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die reiaxationsfeste Stahlfeder mit hoher Festigkeit folgende Merkmale umfaßt. Ein Stahldraht mit der Zusammensetzung 0,45 - 0,$5 Gewichtsprozente Kohlenstoff, 0,2 - 1 ,60 Gewichtsprozente Silizium, 0,3 - 1,50 Gewichtsprozente Mangan, 0,4 - 1 ,20 Gewichtsprozente Chrom und den Rest Eisen sowie unvermeidliche Bei- mengungenen wird austenitisiert und nachfolgend isothermisch im Tempera¬ turbereich zwischen 450 und 650 °C wärmebehandelt, wird anschließend gezogen auf eine Zugfestigkeit von 1600 - 2300 N/mm2 bei einer Bruchein- schnürung von mindest 40 %. Dieser Draht wird zu einer Feder kaltgeformt, die nachfolgend im Temperaturbereich von 200 - 350 °C spannungsarm ge¬ glüht wird. Weitere kennzeichnende Merkmale der Erfindung sind, daß der Stahl Vanadinbeimengungen von 0,05 - 0,30 Gewichtsprozente hat, daß der Stahl andere Beimengungen wie 0,005 - 0,05 Gewichtsprozente Titan, 0,01 - 0,2 Gewichtsprozente Niob und/oder Tantal sowie 0,05 - 0,5 Gewichts¬ prozente Molybdän besitzt und daß die Elemente Chrom und Silizium ganz oder teilweise durch 0,003 - 0,01 Gewichtsprozente Bor ersetzt werden Die Feder besitzt eine schraubenförmige Gestalt und der mittlere Federdurch¬ messer ist gleich oder kleiner dem Vierfachen des Drahtdurchmessers Zum Zwecke der Erhöhung der Dauerhaltbarkeit erfolgt ein Kugelstrahlen und wird durch überelastische Verformung entweder bei Raumtemperatur und/oder bei Temperaturen bis 400 βC vorgesetzt.
Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausfύhrungsbeispielen naher erläutert, ohne sich darauf zu beschränken. Beispiel 1:
Eine relaxationsfeste und warmfeste Zugfeder mit •folgenden Abmessungen:
80 Drahtdurchmesser 3,6 mm
Federkörperdurchmesser 41,5 mm
Ungespannte Länge Lo 268 mm
Gespannte Federlänge Li 384 mm
L2 570 mm 85 wird hergestellt aus einem Walzstahl mit 8 mm 0 und folgender Zusammen¬ setzung:
0,68 Gewichtsprozente Kohlenstoff 90 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 um- 95 gewandelt und nachfolgend an 3,6 mm kaltgezogen. Dabei wird eine Festig¬ keit Rm von 1900 N/mm2 erreicht. Dieser Draht wird vollautomatisch zu einer Zugfeder mit vorstehend genannten Abmessungen umgeformt und an¬ schließend bei 300 °C eine Stunde spannungsarm geglüht. Relaxationsverlust nach Prüfung auf L2 bei 145 °C 100 eine Stunde: 4,8 %
Beispiel 2:
Ein weiteres Beispiel bezieht sich auf die Herstellung einer Schraubendruck- 105 feder. Aus einem Walzstahl 5,5 mm 0 mit einer Zusammensetzung wie im Beispiel 1 wird eine analoge Wärme- und Kaltziehbehandlung bei der Zugfe¬ der ausgeführt und eine Druckfeder für eine Kraftstoffeinspritzpumpe mit folgenden Federdaten erzeugt: Drahtdurchmesser 1 ,4 mm Außendurchmeεser 7,3 mm
Ungespaπnte Länge 25,4 mm
Reiaxationsprüfung bei L2 = 15,4 mm und 150 °C zwölf Stunden: 3,5 %

Claims

Patentansprüche
1. Relaxationsfeste Stahlfeder mit hoher Festigkeit, gekennzeichnet durch folgende Merkmale
- ein Stahldraht mit der Zusammensetzung von
0,45 - 0,ff5 Gewichtsprozente Kohlenstolff 0,2 - 1 ,60 Gewichtsprozente Silizium
0,3 - 1 ,50 Gewichtsprozente Mangan 0,4 - 1 ,20 Gewichtsprozente Chrom Rest Eisen und unvermeidliche Beimengungen
- der Draht wird austenitisiert und nachfolgend isothermisch im Tempera¬ turbereich zwischen 450 und 650 *C wärmebehandelt,
- anschließend gezogen auf eine Zugfestigkeit von 1600 bis 2300 N/mm2 bei einer Brucheinschnürung von mindest 40 %,
- zu einer Feder kalt geformt und
- nachfolgend im Temperaturbereich von 200 - 350 °C spannungsarm geglüht.
2. Relaxationsfeste Stahlfeder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl eine Vanadinbeimengung von 0,05 - 0,30 Gewichtsprozente hat.
3 Relaxationsfeste Stahlfeder nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Stahl andere Beimengungen, wie
0,005 - 0,05 Gewichtsprozente Titan 0,01 - 0,2 Gewichtsprozente Niob und/oder Tantal 0,05 - 0,5 Gewichtsprozente Molybdän
hat.
4. Relaxationsfeste Stahlfeder nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, daß die Elemente Chrom und Silizium ganz oder teilweise durch
0,003 - 0,01 Gewichtsprozente Bor ersetzt werden.
5. Relaxationsfeste Stahlfeder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeich¬ net, daß sie eine schraubenförmige Gestalt besitzt.
6. Relaxationsfeste Stahlfeder nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeich¬ net, daß der mittlere Federdurchmesser gleich oder kleiner dem Vierfachen des Drahtdurchmessers ist.
7. Relaxationsfeste Stahlfeder nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeich- net, daß sie zum Zwecke der Erhöhung der Dauerhaltbarkeit kugelgestrahlt ist.
8. Relaxationsfeste Stahlfeder nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeich¬ net, daß sie durch überelastische Verformung entweder bei Raumtempera- tur und/oder bei Temperaturen bis 400 °C vorgesetzt ist.
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