WO2011131379A1 - Federdraht, feder damit und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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WO2011131379A1
WO2011131379A1 PCT/EP2011/051562 EP2011051562W WO2011131379A1 WO 2011131379 A1 WO2011131379 A1 WO 2011131379A1 EP 2011051562 W EP2011051562 W EP 2011051562W WO 2011131379 A1 WO2011131379 A1 WO 2011131379A1
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WO
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spring
zinc
base material
layer
spring wire
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/051562
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English (en)
French (fr)
Inventor
Willi-Josef Ferfers
Bernd Fölber
Peter Thoma
Original Assignee
Scherdel Innotec Forschungs- Und Entwicklungs-Gmbh
Roeslau Wire Gmbh & Co. Kg
Westfälische Drahtindustrie GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Scherdel Innotec Forschungs- Und Entwicklungs-Gmbh, Roeslau Wire Gmbh & Co. Kg, Westfälische Drahtindustrie GmbH filed Critical Scherdel Innotec Forschungs- Und Entwicklungs-Gmbh
Publication of WO2011131379A1 publication Critical patent/WO2011131379A1/de

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/34—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the shape of the material to be treated
    • C23C2/36—Elongated material
    • C23C2/38—Wires; Tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas

Definitions

  • the present invention relates to a spring wire and a method of manufacturing the same and a spring with such a spring wire and a method for producing the same.
  • From DE 103 21 259 A1 discloses a method for the surface treatment of dynamically loaded components made of metal, in particular of springs is known in which the component is subjected at least once a hot-dip galvanizing and a surface finish by shot peening before and / or performed after hot-dip galvanizing.
  • a spring wire according to the invention comprises a SiCr-alloyed, in particular oil-cooled, base material and a hard zinc coating applied to the surface of the base material with a layer thickness of 4 to 10 ⁇ m.
  • the alloy may comprise further alloying elements, for example Ni.
  • An inventive spring wire may be formed as any spring wire, in particular, the spring wire according to the invention may also be a valve spring wire.
  • Oil quenching can be carried out via the martensite stage, by quenching in an oil bath and subsequent tempering in the lead bath.
  • the spring wire thus produced has a stress-free, homogeneous structure without deformation texture and a long service life, temperature and relaxation resistance.
  • non-alloyed steel is not used, as is customary in many cases, as the base material, but rather an SiCr-alloyed base material is used.
  • the main component of the base material is preferably steel.
  • the zinc layer applied to the surface of the base material is not a so-called soft pure zinc layer or soft zinc layer, but rather a hard zinc layer with a layer thickness of 4 to 10 ⁇ m.
  • the inventors of the present invention have found that the much thicker soft zinc plating normally required in conventional galvanizing, which forms upon solidification of the liquid zinc and provides beneficial corrosion properties, is disadvantageous to many applications of springs because of the layer thickness of these applications thick and the layer of too low hardness. Furthermore, the inventors have found that there are various problems with spring wires with customary soft pure zinc coatings applied thereto, for example, a considerable abrasion of the zinc material of the soft pure zinc coating results in subsequent shaping processes, leading to contamination of the production machines including their periphery and to health risks of the persons who operate or monitor these production machines. including the risk of zinc dust explosions.
  • the hard zinc layer applied to the surface of the base material is substantially thinner, formed with a layer thickness of 4 to 10 m. Due to the degree of hardness of this hard zinc layer and the much thinner design of the same, the problems in the further processing of this spring wire can be significantly reduced. In particular, the abrasion is significantly reduced in subsequent molding processes, so that hardly any contamination of the production machines including the periphery and a significantly reduced health hazard arise. In addition, cost-intensive protective measures can be omitted at the production machine against health hazards caused by zinc abrasion.
  • the spring wire according to the invention is thus very uniform, temperature-resistant, hard and resistant to abrasion and offers high corrosion protection.
  • a spring wire according to the invention with such a hard zinc coating is suitable for further processing on automatic manufacturing machines for springs, firstly on automatic spring winders with winders and secondly on spring-winding machines.
  • a spring wire according to the invention is suitable for subsequent shaping steps and heat treatment steps, such as, for example, stress relief annealing, which are generally carried out only when the spring is produced.
  • the hard zinc layer remains intact and provides good corrosion protection.
  • An inventive spring wire is also suitable for subsequent shot peening.
  • Shot blasting is a surface treatment in which small abrasive grains are spun against the spring wire surface at high speed by means of blast wheel, compressed air or injector blast machines.
  • errors are artificially introduced into the atomic grid, which cause an increase in volume and thus residual compressive stresses, which has a positive effect on the life of the spring to be produced.
  • the surface treatment of shot peening occurs only after production and lengthening of the spring.
  • the hard zinc layer has a layer thickness of 5 to 9 pm.
  • a hard zinc layer thickness is sufficient to provide reliable corrosion protection, which could be demonstrated in tests with condensate tests.
  • a spring wire is suitable for subsequent further processing methods, in particular shaping methods, and the abrasion is minimized.
  • the corrosion protection provided by the hard zinc coating according to the invention is wear-resistant and offers an advantage over other coating methods and in particular over much softer soft zinc layers or soft zinc coatings, which are frequently rubbed off by wear for many technical applications, for example for long compression springs for motor vehicle flap opening systems.
  • the silicon content of the base material is in the range of 1.2% to 1.65%, and the chromium content of the Base material is in the range of 0.5% to 0.8%.
  • the zinc of the hard zinc layer can combine particularly well with the base material, which further improves the corrosion resistance and the suitability of the spring wire for subsequent processing.
  • the base material additionally contains a proportion of vanadium in order to increase the toughness and resilience of the spring wire.
  • a vanadium content of the base material in the range from 0.05 to 0.35% has proven to be particularly advantageous.
  • the hard zinc layer consists of intermetallic compounds between the base material of the spring wire and the zinc of the hard zinc layer. Ideally, no other chemical compounds or solidified zinc should be present in appreciable amount therein.
  • the intermetallic compounds are in particular diffusion-induced, the hard zinc layer thus forming a diffusion layer in which the base material of the spring wire, in particular the SiCr alloyed or SiCrV-alloyed steel, is bonded to the zinc of the hard zinc layer as the intermetallic phase.
  • the invention also relates to a spring with a spring wire of the type described above.
  • the spring according to the invention can in principle be of any type and design.
  • compression springs for example compression springs for injection pumps or for flap opening systems of a motor vehicle, tension springs and torsion springs have proven to be very advantageous.
  • Such a spring according to the invention has all the advantages described above with respect to the spring wire. Due to the hard zinc layer on the surface of the spring, the spring is corrosion and temperature resistant, hard and abrasion resistant, which makes the spring suitable for a variety of applications.
  • the spring ends are formed without a hard zinc layer. Since the spring according to the invention is produced directly from a spring wire of the type described above and cut to length from it, the spring ends have no hard zinc layer, they are rather bare. At the spring ends, which may possibly still be abraded, or at the Endwindung thus locally no or only a lower corrosion protection is given, but here are in the application also significantly lower voltages than in the spring body, so that a corrosion attack is relatively harmless there and usually does not lead to failure of the spring.
  • the spring is additionally provided with a further surface coating, which may also extend over the spring ends.
  • a further surface coating may in particular be a soft zinc flake coating, a soft zinc-aluminum flake coating or a cathodic dip coating.
  • the invention also relates to a method for producing a spring wire, in which initially a not yet wound SiCr-alloyed base material is oil-finely tempered and then a hard zinc layer with a layer thickness of 4 to 10 ⁇ , in particular from 5 to 9 ⁇ is applied.
  • a spring wire of the type described above can be produced easily and inexpensively.
  • the spring wire provided by the manufacturing method has the advantages described above, which are not repeated here to avoid repetition.
  • the application of the hard zinc layer by hot dip galvanizing takes place in the molten zinc bath.
  • the SiCr-alloyed base material can be drawn in particular through the molten zinc bath in a continuous process and thereby immersed.
  • the zinc of the zinc bath on the surface of the base material reacts with it to form the hard zinc layer.
  • the base material of the spring wire is usually rod-shaped and is produced in a manner known to those skilled in the art and passed into and through the zinc bath.
  • the invention further relates to a method for producing a spring, in particular a compression spring, for example a compression spring for an injection pump or for a flap opening system of a motor vehicle, a tension spring or a torsion spring of the type described above.
  • a compression spring for example a compression spring for an injection pump or for a flap opening system of a motor vehicle, a tension spring or a torsion spring of the type described above.
  • the spring wire is manufactured according to a manufacturing method of the type described above, and then the spring is wound or wound and cut to length.
  • the spring body is first formed while the wire is drawn from the coil. Only the finished spring is cut to length.
  • a corrosion-resistant spring with a favorable spring rate can be produced in a simple and cost-effective manner, and this spring can be subjected to further process steps, for example stress relief annealing or grinding of the spring ends.
  • the surface of the spring is treated with shot peening after winding or winding and cutting of the spring.
  • the surface finishing method of shot peening may slightly reduce the layer thickness of the hard zinc layer. After shot peening with suitable parameters, the hard zinc layer is still sufficiently strong to ensure sufficient corrosion protection in the spring body for many technical applications. This then has a layer thickness of 1 to 10 ⁇ , in particular from 3 to 9 pm.
  • a spring with a SiCr-alloyed, in particular oil-finetuned base material and with an applied to the surface of the base material and treated with shot peening hard zinc layer with a layer thickness of 1 to 10 ⁇ , in particular from 3 to 9 ⁇ , subject of the present invention a spring with a SiCr-alloyed, in particular oil-finetuned base material and with an applied to the surface of the base material and treated with shot peening hard zinc layer with a layer thickness of 1 to 10 ⁇ , in particular from 3 to 9 ⁇ , subject of the present invention
  • a further surface coating in particular a soft zinc flake, zinc aluminum lamella or KTL coating, can be applied to the surface of the spring.
  • Such further surface treatment is usually provided when no rust spots are allowed in the spring application even at the spring ends, such as in the case of long compression springs for flap opening systems.
  • the hard zinc coating is suitable for subsequent shot peening, and thus the residual compressive stresses can be increased and the fatigue strength of the spring increased.
  • Fig. 1 shows a flow chart for producing a spring based on an embodiment of the invention.
  • a particular rod-shaped spring wire made of SiCr-alloyed base material, in particular steel, is initially provided in method step S1.
  • This spring wire is then oil-tempered (step S2) to optimize the wire properties.
  • This ⁇ l gleichvergüten as known in the art, on the martensite carried out by quenching in an oil bath and subsequent tempering in the lead bath.
  • Such an oil-tempered spring wire of SiCr-alloyed base material has a stress-free, homogeneous structure without deformation texture and has a long service life, temperature and relaxation resistance.
  • step S3 the hard zinc layer with a layer thickness of 4 to 10 [im, applied, in particular from 5 to 9 pm on the surface of the spring wire.
  • the ⁇ l gleichvergütete spring wire is passed through a zinc bath with a temperature of 420 ° C to 500 ° C, and the zinc of the zinc bath reacts on the surface of the spring wire with the base material thereof to a hard zinc layer, which is formed as a diffusion layer in which the zinc and the iron are bonded together as an intermetallic phase, and to a soft zinc plating layer deposited on the hard zinc layer.
  • This undesirable soft zinc-zinc layer is then removed. This can be done mechanically by scrapers in a first embodiment, the on Exit of the spring wire from the zinc bath are arranged and strip the still liquid soft pure zinc coating.
  • the spring is either wound or wound and cut to length, depending on the type of production in question for the type of spring (step S4).
  • spring-loaded automatic machines with wind rollers are frequently used, for which the hard zinc coating according to the invention is particularly well suited due to the low abrasion.
  • tension springs the process of winding is often used.
  • the spring is basically finished, it may be followed by further process steps to further improve the properties of the spring.
  • process steps S5 of stress relief annealing, process step S6 of grinding the spring ends, process step S7 of shot peening and process step S8 of applying a soft zinc flake coating or KTL coating are shown as optional further process steps.
  • the method step S8 of applying a further soft coating can then be provided, even if no rust spots are permitted at the spring ends, to which no hard zinc layer is present due to the cutting to length, as is the case, for example, with long compression springs for motor vehicle flap opening systems. These bare spring ends are usually exposed to no wear due to large relative movement to the neighboring component, so that sufficient here such a soft coating. In the spring body, where a significant abrasion can occur due to the buckling of the spring, the hard zinc coating can still provide adequate protection after the soft coating has been scoured off.
  • a spring produced by the method according to the present embodiment is particularly corrosion resistant and suitable for a variety of applications. Impurities of the production machines including the periphery as well as health hazards which are caused by abrasion of zinc from the soft pure zinc layer in conventional springs, arise in the manufacturing method according to the invention Not.
  • the spring obtained by the manufacturing method according to the invention has a very thin and very uniform layer thickness of the hard zinc layer, which makes them suitable for a variety of applications, and it is also temperature and corrosion resistant, hard and abrasion resistant.

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Abstract

Ein erfindungsgemäßer Federdraht umfasst ein SiCr-legiertes, insbesondere ölschlussvergütetes Grundmaterial; und eine auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachte Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4-10 μm.

Description

Federdraht, Feder damit und Herstellungsverfahren dafür
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Federdraht sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben und eine Feder mit einem solchen Federdraht sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von verschiedenen Federn bekannt, beispielsweise Druckfedern, Zugfedern und Drehfedern. Diese Federn sind in vielen Anwendungen großen Belastungen ausgesetzt.
Aus der DE 103 21 259 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von dynamisch belasteten Bauteilen aus Metall, insbesondere von Federn bekannt, bei dem das Bauteil mindestens einmal einer Feuerverzinkung unterworfen wird und eine Oberflächenvergütung durch Kugelstrahlen vor- und/oder nach dem Feuerverzinken durchgeführt wird.
Es hat sich gezeigt, dass solche Federn bei vielen technischen Anwendungen zu großem Verschleiß neigen und daher nachteilig sind. Des Weiteren ist die Weiterbearbeitung solcher Federn problematisch, insbesondere beim Schleifen und Kugelstrahlen. Es ergeben sich Verunreinigungen und Gesundheitsgefährdungen für die bedienenden und überwachenden Personen, einschließlich der Gefahr von Zinkstaubexplosionen. Der Kostenaufwand für Schutzmaßnahmen, um solche Gesundheitsgefährdungen zu reduzieren oder auszuschließen, ist beträchtlich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Federdraht und eine Feder anzugeben, die sich für einen größeren Anwendungsbereich eignen, die eine höhere Verschleißfestigkeit innehaben und die besser weiterverarbeitet, insbesondere durch nachfolgende Formgebungsverfahren weiterverarbeitet werden können. Es sollen auch entsprechende einfach und kostengünstig durchführbare Herstellungsverfahren dafür angegeben werden. Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein erfindungsgemäßer Federdraht umfasst ein SiCr-legiertes, insbesondere öl- schlussvergütetes Grundmaterial und eine auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachte Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 μιτι.
Neben Si und Cr kann die Legierung weitere Legierungselemente umfassen, bspw. Ni.
Ein erfindungsgemäßer Federdraht kann als beliebiger Federdraht ausgebildet sein, insbesondere kann der erfindungsgemäße Federdraht auch ein Ventilfederdraht sein.
Durch das Ölschlussvergüten werden die Drahteigenschaften optimiert. Das Öl- schlussvergüten kann über die Martensitstufe erfolgen, durch Abschrecken im Ölbad und anschließendem Anlassen im Bleibad. Der so hergestellte Federdraht hat ein spannungsfreies, homogenes Gefüge ohne Verformungstextur und eine hohe Lebensdauer, Temperatur- und Relaxationsbeständigkeit.
Bei dem erfindungsgemäßen Federdraht wird nicht, wie vielfach üblich, als Grundmaterial unlegierter Stahl eingesetzt, sondern vielmehr kommt ein SiCr-le- giertes Grundmaterial zum Einsatz. Der Hauptbestandteil des Grundmaterials ist dabei vorzugsweise Stahl.
Des Weiteren handelt es sich bei der auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachten Zinkschicht nicht um eine sogenannte weiche Reinzinkschicht bzw. Weichzinkschicht, sondern vielmehr um eine Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 μιη.
Die Erfinder des vorliegenden Gegenstandes haben herausgefunden, dass die beim üblichen Verzinken normalerweise erwünschte, wesentlich dickere weiche Reinzinkschicht, die sich beim Erstarren des flüssigen Zinks bildet und vorteilhafte Korrosionseigenschaften bedingt, für viele Anwendungsfälle von Federn von Nachteil ist, da die Schichtdicke für diese Anwendungsfälle zu dick ist und die Schicht von zu geringer Härte. Des Weiteren haben die Erfinder herausgefunden, dass sich bei Federdrähten mit darauf aufgebrachten üblichen weichen Reinzinkschichten verschiedene Probleme ergeben, beispielsweise ergibt sich bei nachfolgenden Formgebungsverfahren ein erheblicher Abrieb des Zinkmaterials der weichen Reinzinkschicht, was zu Verunreinigungen der Fertigungsautomaten einschließlich deren Peripherie und zu Gesundheitsgefährdungen der Personen, welche diese Fertigungsautomaten bedienen oder überwachen, einschließlich der Gefahr von Zinkstaubexplosionen führt.
Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ist die auf der Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachte Hartzinkschicht deshalb wesentlich dünner, und zwar mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 m ausgebildet. Durch den Härtegrad dieser Hartzinkschicht sowie durch die deutlich dünnere Ausbildung derselben können die Probleme bei der Weiterverarbeitung dieses Federdrahts deutlich reduziert werden. Insbesondere ist der Abrieb bei späteren Formgebungsverfahren signifikant reduziert, so dass sich kaum Verunreinigungen der Fertigungsautomaten einschließlich der Peripherie und eine deutlich reduzierte Gesundheitsgefährdung ergeben. Zudem können kostenintensive Schutzmaßnahmen an den Fertigungsautomaten gegen eine Gesundheitsgefährdung durch Zinkabrieb entfallen.
Der erfindungsgemäße Federdraht ist somit sehr gleichmäßig, temperaturbeständig, hart und abriebfest und bietet einen hohen Korrosionsschutz.
Bei dem erfindungsgemäßen Federdraht ist auf der Hartzinkschicht, die auf der Oberfläche des Grundmaterials aufgebracht ist, ausdrücklich keine weitere weiche Reinzinkschicht vorhanden. Die Außenfläche der Hartzinkschicht bildet auch die Oberfläche des Federdrahts.
Insbesondere eignet sich ein erfindungsgemäßer Federdraht mit einer solchen Hartzinkschicht problemlos zur Weiterverarbeitung auf Fertigungsautomaten für Federn, zum einen auf Federwindeautomaten mit Winderollen und zum anderen auf Federwickelautomaten.
Die Erfinder des vorliegenden Gegenstands haben herausgefunden, dass diese Hartzinkschicht entgegen dem landläufigen Vorurteil, dass diese beim "normalen Feuerverzinken" eigentlich nicht erwünscht ist, da sie spröde sei, beim weiteren Drahtziehen oft in blockartige Bereiche zerbreche und somit in der Bau-teilober- fläche Kerben darstelle, welche die Dauerschwingfestigkeit deutlich herabsetzen können, auf einem SiCr-legierten, ölschlussvergüteten Federdraht gute Korrosionseigenschaften und eine bei weitem nicht so nachteilige Beeinflussung der Dauerschwingfestigkeit aufweist und sich sehr gut für nachfolgende Bearbeitungsschritte eignet.
Ein erfindungsgemäßer Federdraht ist für nachfolgende Formgebungsschritte und Wärmebehandlungsschritte, wie bspw. das Spannungsarmglühen, die zumeist erst bei Herstellung der Feder durchgeführt werden, geeignet. Die Hartzinkschicht bleibt dabei erhalten und bietet einen guten Korrossionsschutz.
Ein erfindungsgemäßer Federdraht ist auch zum anschließenden Kugelstrahlen geeignet. Das Kugelstrahlen stellt eine Oberflächenbehandlung dar, bei der mittels Schleuderrad-, Druckluft- oder Injektor-Strahlanlagen kleine Strahlmittelkörner mit hoher Geschwindigkeit gegen die Federdrahtoberfläche geschleudert werden. Dadurch werden künstlich Fehler ins Atomgitter eingebracht, die eine Volumenvergrößerung und damit Druckeigenspannungen hervorrufen, was sich positiv auf die Lebensdauer der herzustellenden Feder auswirkt. Üblicherweise erfolgt die Oberflächenbehandlung des Kugelstrahlens erst nach Herstellung und Ablängung der Feder.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung hat die Hartzinkschicht eine Schichtdicke von 5 bis 9 pm. Eine derartige Hartzinkschichtdicke reicht aus, um einen zuverlässigen Korrosionsschutz zu bieten, was bei Versuchen mit Kondenswassertests nachgewiesen werden konnte. Gleichzeitig eignet sich ein solcher Federdraht für nachfolgende Weiterverarbeitungsverfahren, insbesondere Formgebungsverfahren und der Abrieb wird minimiert.
Der durch die erfindungsgemäße Hartzinkschicht bereitgestellte Korrosionsschutz ist verschleißfest und bietet für viele technische Anwendungen, beispielsweise für lange Druckfedern für Kraftfahrzeug-Klappenöffnungssysteme, einen Vorteil gegenüber anderen Beschichtungsverfahren und insbesondere gegenüber wesentlich weicheren Weichzinkschichten bzw. weichen Reinzinkschichten, die häufig durch Verschleiß abgerieben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt der Siliziumanteil des Grundmaterials im Bereich von 1 ,2 % bis 1 ,65 %, und der Chromanteil des Grundmaterials liegt im Bereich von 0,5 % bis 0,8 %. Durch einen solchen Siliziumanteil und einen solchen Chromanteil des Grundmaterials kann sich das Zink der Hartzinkschicht besonders gut mit dem Grundmaterial verbinden, was die Korrosionsbeständigkeit und die Eignung des Federdrahts für die nachfolgende Weiterverarbeitung noch weiter verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Grundmaterial zusätzlich einen Anteil an Vanadium auf, um die Zähigkeit und die Widerstandsfähigkeit des Federdrahts zu erhöhen. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Vanadiumanteil des Grundmaterials im Bereich von 0,05 bis 0,35 % herausgestellt.
Die Hartzinkschicht besteht aus intermetallischen Verbindungen zwischen dem Grundmaterial des Federdrahts und dem Zink der Hartzinkschicht. Idealerweise sollen darin keine weiteren chemischen Verbindungen oder erstarrtes Zink in nennenswerter Menge vorhanden sein. Dabei sind die intermetallischen Verbindungen insbesondere diffusionsinduziert, die Hartzinkschicht bildet somit eine Diffusionsschicht, in der das Grundmaterial des Federdrahts, insbesondere der SiCr-le- gierte bzw. SiCrV-legierte Stahl mit dem Zink der Hartzinkschicht als intermetallische Phase verbunden ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Feder mit einem Federdraht der oben beschriebenen Art. Die erfindungsgemäße Feder kann prinzipiell von beliebiger Art und Bauform sein. In bisherigen Versuchen haben sich insbesondere Druckfedern, beispielsweise Druckfedern für Einspritzpumpen oder für Klappenöffnungssysteme eines Kraftfahrzeugs, Zugfedern und Drehfedern als sehr vorteilhaft herausgestellt.
Eine derartige erfindungsgemäße Feder hat alle oben mit Bezug auf den Federdraht beschriebenen Vorteile inne. Durch die Hartzinkschicht an der Oberfläche der Feder ist die Feder korrosions- und temperaturbeständig, hart und abriebfest, was die Feder für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten geeignet macht.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder, sind die Federenden ohne eine Hartzinkschicht ausgebildet. Da die erfindungsgemäße Feder direkt aus einem Federdraht der oben beschriebenen Art hergestellt und daraus abgelängt wird, haben die Federenden keine Hartzinkschicht, sie sind vielmehr blank. An den Federenden, die ggf. noch abgeschliffen werden können, bzw. an der Endwindung ist somit örtlich kein oder nur ein geringerer Korrosionsschutz gegeben, hier liegen jedoch im Anwendungsfall auch deutlich niedrigere Spannungen als im Federkörper vor, so dass ein Korrosionsangriff dort relativ unschädlich ist und in der Regel nicht zum Ausfall der Feder führt.
Da die Federenden bei der Anwendung der Feder zudem in der Regel keinem Verschleiß durch große Relativbewegungen zum Nachbarteil ausgesetzt sind, braucht auch aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit auf den Federenden normalerweise keine solche Hartzinkschicht vorgesehen zu werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Feder zusätzlich mit einer weiteren Oberflächenbeschichtung versehen, die sich auch über die Federenden erstrecken kann. Bei einer derartigen weiteren Oberflächenbeschichtung kann es sich insbesondere um eine weiche Zinklamellenbeschichtung, um eine weiche Zink-Aluminiumlamellenbeschichtung oder um eine KTL-Beschichtung handeln.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Federdrahts, bei dem zunächst ein noch nicht gewundenes SiCr-legiertes Grundmaterial ölschluss- vergütet wird und anschließend darauf eine Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 μιτι, insbesondere von 5 bis 9 μπι aufgebracht wird. Mit einem derartigen Herstellungsverfahren lässt sich ein Federdraht der oben beschriebenen Art einfach und kostengünstig herstellen. Der durch das Herstellungsverfahren bereitgestellte Federdraht weist die oben beschriebenen Vorteile auf, die hier zur Vermeidung von Wiederholungen nicht noch einmal aufgeführt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Aufbringen der Hartzinkschicht durch Feuerverzinken im schmelzflüssigen Zinkbad. Dabei kann das SiCr-legierte Grundmaterial insbesondere im Durchlaufverfahren durch das schmelzflüssige Zinkbad gezogen und dabei eingetaucht werden. Beim Durchlaufen des Grundmaterials durch das flüssige Zinkbad reagiert das Zink des Zinkbads an der Oberfläche des Grundmaterials mit diesem zu der Hartzinkschicht. Das Grundmaterial des Federdrahts ist üblicherweise stan- genförmig und wird auf dem Fachmann bekannte Weise hergestellt und in sowie durch das Zinkbad hindurch geführt. Dadurch ergibt sich auf dem SiCr-legierten Grundmaterial eine Zinkschicht, die an der Grenzfläche zum Grundmaterial diffusionsinduzierte, intermetallische Verbindungen zwischen dem Eisen des Grundmaterials und dem Zink der Hartzinkschicht umfasst, wobei auf dieser Hartzinkschicht noch eine weiche Reinzinkschicht vorhanden ist, die reines Zink und gegebenenfalls weitere chemische Verbindungen enthält. Diese weiche Reinzinkschicht kann anschließend entfernt werden, und das Entfernen dieser weichen Reinzinkschicht kann dabei auf beliebige Weise erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Entfernen der weichen Reinzinkschicht in noch flüssigem Zustand des Zinks beim Austritt aus dem Zinkbad mechanisch, beispielsweise durch wenigstens einen Abstreifer erfolgt. Dieser Abstreifer kann an oder nach dem Austritt des Federdrahts aus dem Zinkbad angeordnet sein.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Feder, insbesondere einer Druckfeder, beispielsweise einer Druckfeder für eine Einspritzpumpe oder für ein Klappenöffnungssystem eines Kraftfahrzeugs, eine Zugfeder oder eine Drehfeder der oben beschriebenen Art.
Zunächst wird der Federdraht gemäß einem Herstellungsverfahren der oben beschriebenen Art hergestellt und anschließend wird die Feder gewickelt oder gewunden und abgelängt. Bei der Federherstellung wird zunächst der Federkörper geformt und dabei der Draht vom Coil nachgezogen. Erst die fertige Feder wird abgelängt.
Bei der Federfertigung wird nach "Winden" und "Wickeln" unterschieden, je nach Herstellungsart des gewünschten Federtyps. Prinzipiell sind beide Verfahren möglich, insbesondere bei Zugfedern wird oft das Verfahren des Wickeins verwendet.
Mit einem derartigen erfindungsgemäßen Verfahren kann auf einfache und kostengünstige Weise eine korrosionsfeste Feder mit einer günstigen Federrate hergestellt werden, und diese Feder kann weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden, beispielsweise dem Spannungsarmglühen oder dem Schleifen der Federenden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Wickeln oder Winden und Ablängen der Feder die Oberfläche der Feder mit Kugelstrahlen behandelt. Das Oberflächenveredelungsverfahren des Kugelstrahlens kann die Schichtdicke der Hartzinkschicht etwas verringern. Nach Kugelstrahlen mit geeigneten Parametern ist die Hartzinkschicht immer noch ausreichend stark, um für viele technische Anwendungen einen ausreichenden Korrosionsschutz im Federkörper zu gewährleisten. Diese hat danach eine Schichtdicke von 1 bis 10 μπι, insbesondere von 3 bis 9 pm.
Selbstverständlich ist auch eine Feder mit einem SiCr-legierten, insbesondere öl- schlussvergüteten Grundmaterial und mit einer auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachten und mit Kugelstrahlen behandelten Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 1 bis 10 μιη, insbesondere von 3 bis 9 μητι, Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Anschließend kann je nach Anwendungsfall noch eine weitere Oberflächenbe- schichtung, insbesondere eine weiche Zinklamellen-, Zinkaluminiumlamellen- oder KTL-Beschichtung auf die Oberfläche der Feder aufgebracht werden. Eine solche weitere Oberflächenbesch/chtung wird in der Regel dann vorgesehen, wenn bei der Federanwendung auch an den Federenden keine Roststellen zulässig sind, wie beispielsweise bei langen Druckfedern für Klappen-Öffnungssysteme.
Wenn bei dem einen oder anderen Anwendungsfall eine solche zusätzliche Ober- flächenbeschichtung partiell oder großflächiger abgescheuert wird, bietet die darunter vorhandene Hartzinkschicht immer noch einen ausreichenden Korrosionsschutz.
Anders als bei vielen anderen Beschichtungen, insbesondere bei Weichzinkbe- schichtungen, die beim Kugelstrahlen abrasiv entfernt würden, ist die Hartzinkschicht zum nachträglichen Kugelstrahlen geeignet, und somit können die Druckeigenspannungen erhöht und die Dauerfestigkeit der Feder gesteigert werden.
Alle vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und die daraus resultierenden Vorteile ergeben sich auch - in vorrichtungsmäßiger Ausgestaltung - bei dem erfindungsgemäßen Federdraht und bei der er- findungsgemäßen Feder, und diese werden hier zur Vermeidung von Wiederholungen nicht noch einmal aufgeführt.
Durch die erfindungsgemäße Hartzinkschicht können andere nachträgliche galvanische Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise die ZnNi-Beschichtung, die häufig zu einer Wasserstoffversprödung führen, entfallen und eingespart werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegende Figur näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Herstellen einer Feder anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Gemäß dem Ablaufdiagramm 1 wird zunächst im Verfahrensschritt S1 ein insbesondere stangenförmiger Federdraht aus SiCr-legiertem Grundmaterial, insbesondere Stahl bereitgestellt.
Dieser Federdraht wird anschließend ölschlussvergütet (Verfahrensschritt S2), um die Drahteigenschaften zu optimieren. Dieses Ölschlussvergüten kann, wie dem Fachmann bekannt, über die Martensitstufe erfolgen, durch Abschrecken im Ölbad und anschließendes Anlassen im Bleibad.
Ein derart ölschlussvergüteter Federdraht aus SiCr-legiertem Grundmaterial hat ein spannungsfreies, homogenes Gefüge ohne Verformungstextur und weist eine hohe Lebensdauer, Temperatur- und Relaxationsbeständigkeit auf.
Nun wird im Verfahrensschritt S3 die Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 [im, insbesondere von 5 bis 9 pm auf die Oberfläche des Federdrahts aufgebracht. Dabei wird der ölschlussvergütete Federdraht durch ein Zinkbad mit einer Temperatur von 420° C bis 500° C geführt, und das Zink des Zinkbads reagiert an der Oberfläche des Federdrahts mit dem Grundmaterial desselben zu einer Hartzinkschicht, die als Diffusionsschicht ausgebildet ist, in welcher das Zink und das Eisen als intermetallische Phase miteinander verbunden sind, und zu einer sich auf der Hartzinkschicht abscheidenden weichen Reinzinkschicht. Diese unerwünschte weiche Reinzinkschicht wird anschließend entfernt. Dies kann in einem ersten Ausführungsbeispiel mechanisch durch Abstreifer erfolgen, die am Austritt des Federdrahts aus dem Zinkbad angeordnet sind und die noch flüssige weiche Reinzinkschicht abstreifen.
Nun wird die Feder je nach für den Federtyp in Frage kommenden Herstellungsvariante entweder gewickelt oder gewunden und abgelängt (Verfahrensschritt S4). Bei Druckfedern kommen häufig Federwindeautomaten mit Winderollen zum Einsatz, für welche sich die erfindungsgemäße Hartzinkschicht aufgrund des geringen Abriebs besonders gut eignet. Bei Zugfedern wird oft das Verfahren des Wickeins verwendet.
Danach ist die Feder grundsätzlich fertig, es können sich noch weitere Verfahrensschritte anschließen, um die Eigenschaften der Feder noch weiter zu verbessern.
In Fig. 1 sind als optional weiter auszuführende Verfahrensschritte der Verfahrensschritt S5 des Spannungsarmglühens, der Verfahrensschritt S6 des Schleifens der Federenden, der Verfahrensschritt S7 des Kugelstrahlens und der Verfahrensschritt S8 des Aufbringens einer weichen Zinklamellenbeschichtung oder KTL-Beschichtung dargestellt.
Der Verfahrensschritt S8 des Aufbringens einer weiteren weichen Beschichtung kann dann vorgesehen werden, wenn auch an den Federenden, an denen ja bedingt durch das Ablängen keine Hartzinkschicht vorhanden ist, keine Roststellen zulässig sind, wie beispielsweise bei langen Druckfedern für Kraftfahrzeug-Klappenöffnungssysteme. Diese blanken Federenden sind normalerweise keinem Verschleiß durch große Relativbewegung zum Nachbarbauteil ausgesetzt, so dass hier eine solche weiche Beschichtung ausreicht. Im Federkörper, wo durch das Ausknicken der Feder ein nennenswerter Abrieb entstehen kann, kann nach dem Abscheuern der weichen Beschichtung die Hartzinkschicht noch einen ausreichenden Schutz bieten.
Eine durch das Verfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hergestellte Feder ist besonders korrosionsbeständig und eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten. Verunreinigungen der Fertigungsautomaten einschließlich der Peripherie sowie Gesundheitsgefährdungen, welche durch einen Abrieb von Zink aus der weichen Reinzinkschicht bei herkömmlichen Federn verursacht werden, ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren nicht. Die durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erhaltene Feder hat eine sehr dünne und dabei sehr gleichmäßige Schichtdicke der Hartzinkschicht, was sie für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten geeignet macht, und sie ist darüberhinaus temperatur- und korrosionsbeständig, hart und abrieb- fest.

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Federdraht, aufweisend
ein SiCr-legiertes, insbesondere ölschlussvergütetes Grundmaterial; und eine auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgebrachte Hartzinkschicht mit einer Schichtdicke von 4-10 Mm.
2. Federdraht nach Anspruch 1 , wobei die Hartzinkschicht eine Schichtdicke von 5-9 im hat.
3. Federdraht nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Siliziumanteil des Grundmaterials im Bereich von 1 ,2 % bis 1 ,65 % liegt und wobei der Chromanteil des Grundmaterials im Bereich von 0,5 % bis 0,8 % liegt.
4. Federdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Grundmaterial zusätzlich einen Anteil an Vanadium aufweist.
5. Federdraht nach Anspruch 4, wobei der Vanadiumanteil des Grundmaterials im Bereich von 0,05% bis 0,35% liegt.
6. Federdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hartzinkschicht aus intermetallischen Verbindungen zwischen dem Grundmaterial des Federdrahts und dem Zink der Hartzinkschicht besteht.
7. Federdraht nach Anspruch 6, wobei die intermetallischen Verbindungen diffu- sionsinduziert sind.
8. Feder, insbesondere Druckfeder, beispielsweise Druckfeder für eine Einspritzpumpe oder für ein Klappenöffnungssystem eines Kraftfahrzeugs, Zugfeder oder Drehfeder, aufweisend einen Federdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Feder nach Anspruch 8, bei der die Federenden ohne eine Hartzinkschicht ausgebildet sind.
10. Feder nach Anspruch 8 oder 9, die zusätzlich mit einer weiteren Oberflächen- beschichtung, insbesondere einer weichen Zinklamellen- oder KTL-Beschichtung versehen ist, die sich auch über die Federenden erstreckt.
1 1. Verfahren zum Herstellen eines Federdrahts, aufweisend die folgenden Schritte
Ölschlussvergüten eines noch nicht gewundenen SiCr-legierten Grundmaterials; und
Aufbringen einer Hartzinkschicht auf die Oberfläche des Grundmaterials mit einer Schichtdicke von 4-10 μιη, insbesondere von 5-9 μηι.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei das Aufbringen der Hartzinkschicht durch Feuerverzinken im schmelzflüssigen Zinkbad erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Feuerverzinken im Durchlaufverfahren des SiCr-legierten Grundmaterials durch das schmelzflüssige Zinkbad erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei beim Aufbringen der Hartzinkschicht diffusionsinduzierte intermetallische Verbindungen zwischen dem Eisen des Grundmaterials und dem Zink der Hartzinkschicht gebildet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die sich beim Durchlaufen des ölschlussvergüteten Grundmaterials durch das Zinkbad auf der Oberfläche der Hartzinkschicht bildende weiche Reinzinkschicht entfernt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Entfernen der weichen Reinzinkschicht mechanisch durch wenigstens einen Abstreifer erfolgt, der an oder nach dem Austritt des Federdrahts aus dem Zinkbad angeordnet ist.
17. Verfahren zum Herstellen einer Feder, insbesondere Druckfeder, beispielsweise Druckfeder für eine Einspritzpumpe oder für ein Klappenöffnungssystem eines Kraftfahrzeugs, Zugfeder oder Drehfeder, bei dem zuerst ein Verfahren zum Herstellen eines Federdrahts nach einem der Ansprüche 1 1 bis 16 durchgeführt wird und anschließend die Feder gewickelt oder gewunden oder abgelängt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei anschließend die Oberfläche der Feder mit Kugelstrahlen behandelt wird, wobei die verbleibende Schichtdicke der Hartzinkschicht von 1 -10 μητι, insbesondere von 3-9 μηι, einen guten Korrosionsschutz bietet.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei anschließend noch eine weitere Oberflächenbeschichtung, insbesondere eine weiche Zinklamellen- oder KTL-Be- schichtung, auf die Oberfläche der Feder aufgebracht wird.
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