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Dokumentenidentifikation DE4233462A1 14.04.1994
Titel Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften von martensitischen Stahldrähten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Bühler & Co GmbH, 7530 Pforzheim, DE;
Saarstahl AG, 66333 Völklingen, DE
Erfinder Soraya, Sorayapour, Dr., 6630 Saarlouis, DE;
Giessen, Manfred, 6625 Püttlingen, DE;
Bürkle, Horst, 7543 Engelsbrand, DE
DE-Anmeldedatum 05.10.1992
DE-Aktenzeichen 4233462
Offenlegungstag 14.04.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.04.1994
IPC-Hauptklasse C21D 9/02
IPC-Nebenklasse B21B 1/18   B21B 3/00   
Zusammenfassung Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Eigenschaften von martensitischen Stahldrähten für die Fertigung von hochwertigen Federelementen durch niedrige kaltwalztechnische Maßnahmen, mittels denen als Ausgangsmaterial ein martensitischer Stahldraht mit Vergütungsfestigkeiten von 1300 N/mm2 und Durchmessern von > 3 mm signifikant verbessert wird; vgl. Figur 1.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verbesserung der plastomechanischen Eigenschaften, insbesondere der Zugfestigkeit und der Brucheinschnürung von martensitischem Federstahldraht, vorzugsweise für die Fertigung von Federelementen, wie sie beispielsweise als Schraubendruckfedern in der Kfz-Industrie benötigt werden.

Die industrielle Fertigung solcher Schraubendruckfedern erfolgt heute noch immer im wesentlichen über Warmformgebung und Einzelteilvergütung.

Das Vergüten einzelner Schraubendruckfedern erfolgt bekanntlich in der Weise, daß Federstahldrähte in der Regel in Stabform zuerst austenitisiert und dann aus der Warmformgebungshitze des "Warmwickelns" einzeln im Härtebad abgeschreckt, d. h. in Martensit umgewandelt und schließlich noch angelassen werden.

Es ist auch bekannt, zur Verbesserung der Eigenschaften von Schraubendruckfedern diese nach der Formgebung und Vergüten durch besondere Nachbehandlungen in bestimmte Eigenspannungszustände zu versetzen; z. B. wird die Oberfläche solcher Schraubendruckfedern kugelgestrahlt, um Druckspannungen aufzubringen, was zur Erhöhung der Dauerhaltbarkeit der Schraubendruckfedern beiträgt.

Eine andere bekannte Maßnahme besteht darin, die Schraubendruckfedern kalt oder in der Wärme vorzusetzen, d. h. auf kleinstmögliche Federhöhe, nämlich die Ist-Blockhöhe, zu belasten, um das nachteilige Setzen im Einsatz und damit den Kraftabfall zu minimieren.

Alle diese Maßnahmen führen dazu, daß im Federwerkstoff plastische Umformungen und dadurch bedingt richtungsabhängige Kaltverfestigungsspannungen entstehen. Diese Spannungen addieren sich zu den Grundeigenspannungen des Werkstoffes, die nach der Formgebung des Stahldrahtes in eine Schraubendruckfeder und der Einzelvergütung im Werkstoff erreicht worden sind.

Im Falle einer konventionellen Fertigung von Schraubendruckfedern durch Warmformgebung beim "Warmwickeln" und gleichzeitige martensitische Vergütungsbehandlung aus der Umformhitze besitzt eine solche Schraubendruckfeder außer der aus der Vergütungsbehandlung resultierenden Grundfestigkeit keine zusätzlichen Kaltverfestigungsspannungen. Das "Warmwickeln" kann vorteilhaft dadurch ersetzt werden, daß der Federstahldraht - bevorzugt in bereits vorvergütetem Zustand - mittels "Kaltwinden" zur Schraubendruckfeder kalt geformt wird. Im Gegensatz zum Warmwickeln von Stahldraht zu Schraubendruckfedern führt das Kaltwinden immer zu zusätzlichen richtungsgebundenen Kaltverfestigungs-Eigenspannungen, deren Höhe und Richtung durch die Art der Vorbehandlung des Ausgangswerkstoffes "Stahldraht" stark beeinflußbar sind.

Infolge der gesteigerten Anforderungen technischer und wirtschaftlicher Art hat die Entwicklung in den letzten Jahren dazu geführt, daß das "Warmwickeln" zugunsten des "Kaltwindens" von Federn insbesondere von Schraubendruckfedern ständig zurückgeht. Um die Vorteile der Kaltverfestigung durch das Kaltwinden nicht zu verlieren, werden solche Federn nach ihrem Kaltwinden nicht mehr schlußvergütet. Es ist daher notwendig, daß der zum Einsatz gelangende Stahldraht eine hohe Federfestigkeit bereits vor der Formgebung aufweist.

Industriell verfügbar sind Stahldrähte, die entweder patentiert und mehrfach kaltgezogen oder im Durchlaufverfahren ölschlußvergütet worden sind.

Während die ersteren einen sehr hohen Kaltverfestigungsanteil aufweisen, besitzt der ölschlußvergütete Stahldraht lediglich die im Durchlauf eingestellten mechanischen Eigenschaften aufgrund der jeweiligen Vergütungsbehandlung. Beide Stahldrahtarten sind aber mit Nachteilen behaftet, die von ihrer Vorgeschichte herrühren.

So ist der patentierte Stahldraht zwar kaltverfestigt; die Kaltverfestigung ist jedoch nahezu eindimensional in der Drahtachsrichtung orientiert und außerdem anteilmäßig sehr stark im Vergleich zu der Grundfestigkeit der Patentierungsbehandlung von etwa 1100 N/mm2 bis 1200 N/mm2. Für die Verwendung als Schraubendruckfeder ist ein solcher Verfestigungsbeitrag von mehr als 600 N/mm2 in Achsrichtung des Stahldrahtes nicht nützlich, da solche Federn beim Belasten vorrangig auf Torsion beansprucht werden.

Dieser und weitere hier nicht näher zu erläuternde Nachteile des sogenannten kaltgezogenen, patentierten Stahldrahtes sind Gründe, weshalb die Entwicklung von Schraubendruckfedern für Einsatzfälle mit hohen Anforderungen die Anwendung von ölschlußvergütetem Federdraht bevorzugt. Als Beispiele hierfür sind Ventilfedern und die Tragfedern für Fahrzeuge zu nennen. Auch wenn die Anwendung als Ventilfeder anspruchsvoller als die Anwendung als Tragfeder ist, so ist jedoch beiden Anwendungsfällen gemeinsam, daß der Hauptanteil der mechanischen Eigenschaften durch die Durchlaufvergütung bestimmt ist.

Es ist zwar möglich geworden, die Vergütungsfestigkeit für Ventilfedern auf Werte über 2000 N/nm2 zu steigern, da das Durchlaufvergütungsverfahren bei für diese Federn infrage kommenden dünnen Stahlfederdrähten weniger eingeschränkt ist und weil hierbei eine merklich gleichmäßigere Martensitumwandlung beim Austenitisieren und Anlassen während des kurzzeitigen Durchlaufes erlaubt ist, als es bei dickeren Stahlfederdrähten für Fahrzeugtragfedern der Fall ist. Die bekannte Verfahrenstechnik der ölschluß-Durchlaufvergütung ermöglicht aber nicht, gleichzeitig mit der Erhöhung der Festigkeit auch die Zähigkeitseigenschaften des Federdrahtes zu steigern oder zumindest beizubehalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften der bekannten martensitischen Stahldrähte zu verbessern und ein wirtschaftliches und ohne großen Aufwand durchführbares Verfahren sowie die notwendigen Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, um die Einsatzeigenschaften der aus solchen Stahldrähten gefertigten Schraubendruckfedern und ähnlichen Bauteilen aufgrund der durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichbaren Verbesserung hinsichtlich der plastischen und mechanischen Drahteigenschaften signifikant zu steigern.

Diese Aufgabe ist für das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und für die Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 10 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Lösung der vorliegenden Aufgabe nutzt die Erfindung also das plastomechanische Potential des Stahldrahtes in einem bisher unbekannten Ausmaß in der Weise, daß von einem martensitisch möglichst sehr gleichmäßig umgewandelten Stahldraht mit Vergütungsfestigkeiten über 1300 N/mm2 ausgegangen wird und zu dieser Grundfestigkeit, die bis zu 2000 N/mm2 und darüber betragen kann, ein signifikanter Kaltverfestigungsanteil durch eine möglichst mehrachsige Kaltumformung addiert wird.

Wie umfangreiche Versuche gezeigt haben, verursacht die übliche Drahtumformung durch Kaltzug einen Verlust der eingangs erwähnten Vorteile, sobald die Ausgangsfestigkeit des Stahldrahtes die Größenordnung von 1300 N/mm2 übersteigt und der Drahtdurchmesser größer wird als etwa 3 mm. Diese Tendenz ist bei martensitischem Stahldraht noch gravierender als beim patentierten Kohlenstoffstahl. Aus diesen und ähnlichen Erfahrungsfeststellungen konnte nun gefunden werden, daß die Kaltumformbarkeit des martensitischen Stahldrahtes unter bestimmten Bedingungen überraschenderweise höher wird, wenn seine Festigkeit steigt.

Die Grundbedingung für das Vorhandensein hoher Kaltumformbarkeit bei hohen Federdrahtfestigkeiten ist, daß im Gefüge des Stahldrahtes eine äußerst vollständige homogene Latten-Martensit-Umwandlung eingestellt wird; Verfahren die ein solches ermöglichen sind z. B. in der DE 28 30 153 C2 und DE 30 35 032 C1 beschrieben und werden z. T. industriell genutzt.

Bei solchen martensitischen Stahldrähten stehen die plastischen und mechanischen potentiale in einem günstigen Verhältnis, so daß die Basis sowohl für die Kaltumformung bei sehr hoher Festigkeit als auch für das Vorhandensein technologisch notwendiger Materialzähigkeit in der fertig kaltgeformten Feder gegeben ist.

Daher werden, ausgehend von einem solchen martensitischen Draht, durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen vorgeschlagen, hohe dynamische Federbelastungen, extrem kleine Krafttoleranzen bei der Großserienfertigung, maximale Werkstoffausnutzung und Gewichtserleichterung sowie kleinstmögliche Relaxationswerte erreichbar.

Die vorliegende Erfindung geht also von der Erkenntnis aus, daß eine wesentliche Verbesserung der Einsatzeigenschaften von Federn vorrangig durch Erzeugen von nützlichen Eigenspannungen auf dem Wege zweckmäßiger plastischer Kaltumformung des für die Fertigung solcher Federn zum Einsatz gelangenden Stahldrahtes zu erreichen ist in der Weise, daß die geringfügigen Kaltverfestigungseffekte der Nachbehandlungsverfahren nach dem Stande der Technik z. B. Kugelstrahlen und Vorsetzen insbesondere für den jeweils besonderen Einsatzfall einer Feder stark intensiviert und über das bisher nicht erreichbare Maß hinaus auf die Belange des jeweiligen Einsatzfalles angepaßt werden.

Mittels der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als erster Schritt dem zur Anwendung gelangenden martensitischen Federdraht eine hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe 0,2-Dehngrenze (Rp 0,2) aufgeprägt, indem er unter Beibehaltung oder sogar Erhöhung der Zähigkeitseigenschaft (Brucheinschnürung Z) kaltgewalzt wird.

Das bekannte klassische Verfahren des Kaltziehens der Stahldrähte scheidet hierfür aus, was darin begründet ist, daß die Kaltziehtechnologie im Falle martensitischer Stahldrähte ihre Durchführbarkeitsgrenze einer rationalen Fertigung bei einer Drahtfestigkeit von mehr als 1300 N/mm2 und einem Drahtdurchmesser von mehr als 3 mm erreicht. Über diese Grenzen hinaus treten vermehrt Brüche und Risse auf. Unter der vereinfachten Annahme der Gültigkeit des Hookeschen Elastizitätsgesetzes würde die theoretische Zugspannung an einer äußeren Krümmungslinie eines Runddrahtes des Durchmessers 10 mm bei einem Krümmungsradius von 1000 mm bereits 2000 N/mm2 betragen; die Materialfestigkeit ist bei dieser Spannungshöhe in der Regel bereits überschritten. Ob eine Materialtrennung an dieser Mantellinie des Grunddrahtes in einem solchen Fall erfolgt, hängt davon ab, inwieweit der Gefügezustand des Stahldrahtes duktil ist und welcher Eigenspannungszustand im Bereiche der Mantellinie vorherrscht, um der entstandenen Krümmungszugspannung durch plastische Formänderung entgegenzuwirken. Bei steigender Krümmung, größerem Drahtdurchmesser und Auferlegung der Kaltzieh-Zugspannung entsteht ein nicht mehr plastisch entgegenzuwirkender Grenzzustand, der Ziehtechnologisch bedingt auch bei hohen Brucheinschnürungswerten von etwa 40% zu Materialtrennungen von der Drahtoberfläche ausgehend führt. Vor allem resultiert aus der Addition der Ziehspannung zwischen dem Ziehwerkzeug und der Ziehtrommel bzw. der Abzugvorrichtung und der Druckspannungen in der Umformzone des Ziehwerkzeuges sowie der Krümmungszug- und -druckspannung mit und ohne Führungsrollen der unter Zugspannung stehenden Ziehlinie ein inhomogener Gesamtspannungszustand.

Entfällt die Kaltziehspannung der Zugkraft, so entspannt sich der kritische Grenzspannungszustand und man kann den auf hoher Festigkeit stehenden duktilen martensitischen Federdraht bruch- und rißfrei umformen.

Gemäß der Erfindung wird daher der Stahldraht von einer Ringform mit dem üblichen Krümmungsradius von etwa 500 mm ausgehend zuerst elastisch und dann unmittelbar plastisch kaltwalzend gerichtet und weiter unterschiedlich kaltgewalzt.

Die erfindungsgemäße Anwendung der an sich bekannten Kaltwalztechnik auf den hochfesten martensitischen Stahldraht wurde als Mittel gefunden, um die Zugspannungsbeaufschlagung des kalt umzuformenden Runddrahtes bei einem Durchmesser d > 3 mm und Rm > 1300 N/mm2 und dadurch die Entstehung der Spannungsspitzen und der eindimensionalen Kaltverfestigung in der Drahtachsrichtung sicher zu vermeiden.

Der Verfahrensschritt, den sonst getrennt durchzuführenden Richtvorgang des Drahtes in das Kaltwalzverfahren zu integrieren hat den weiteren Vorteil, eine zunächst torsionsfreie Umformung des Federdrahtes zu bewirken, wie es durch das Vorrichten und Kaltziehen mit den unregelmäßigen Biege- und Torsionsbeaufschlagungen und vorwiegend quasi-eindimensionale Verfestigung nicht möglich ist. Beim Kaltwalzen wird die Umformbarkeit nicht mehr durch das "Ziehgut" Draht selbst zur Umformzone, sondern schonend von außen durch die Walzenpaare mit jeweils größeren Druck- und Umformflächen als die eines "Ziehsteines" übertragen. Das Kaltwalzen von hochfestem martensitischen Stahldraht führt - wie Vergleichsversuche mit Drähten, die nach dem Stande der Technik vergütet worden sind, zeigen - zu einer gleichzeitigen Erhöhung von Festigkeit und Zähigkeit, während dies beim Kaltziehen nur dann der Fall ist, wenn unter schonenden industriell nicht haltbaren Bedingungen in Mehrfach- bzw. Folgezug-Arbeitsweise kaltgezogen wird.

Für den Einsatz von martensitischem Stahldraht als Federdraht ist jedoch eine Grundvoraussetzung, daß sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit hohe Werte aufweisen. Erstrebenswert sind z. B. für Hochspannungs- Schraubendruckfedern Werte für Rm um 2000 N/mm2 und Z um 40% und darüber.

Eine andere mechanische Grundgröße, welche durch das Kaltwalzen weit stärker beeinflußt wird als beim Kaltziehen, ist die Streckgrenze, ausgedrückt z. B. durch die 0,2-Dehngrenze Rp 0,2. Diese für die Federeigenschaften sehr wichtige Größe steigt bis zu etwa 99% des Wertes der Zugfestigkeit, ohne daß die ebenso wichtige Brucheinschnürung abnimmt.

Durch die Erfindung läßt sich die nicht mehr - wie beim Kaltziehen - vorrangig axial ausgerichtete Kaltumformstruktur des kaltgewalzten Drahtes martensitischer Gefügebasis hoher Festigkeit besser als bisher dem idealen plastomechanischen Zustand einer maximalen Elastizität und einer hohen Plastizität des jeweiligen Stahldrahtpotentials näher bringen. Dazu sind erfindungsgemäß die Umformparameter beim Kaltwalzen je nach dem Grad der Kombination der Grundvergütungsfestigkeit und der Gesamtkaltverfestigung aufeinander abgestimmt.

Die beim Kaltwalzen mögliche zyklische Kaltumformung in allen räumlichen Richtungen verursacht eine quasi-isotrope Versetzungsstruktur und dadurch günstige Voraussetzungen für den Latten-Martensit, bei dem dann die Gleitmechanismen im Gefüge derart dominieren, daß die die Brucheinschnürung beeinträchtigenden Nachteile der ursprünglichen Eigenkorngröße im Austenit zurückgedrängt werden.

Durch Versuche wurde gefunden, daß dieser Effekt weniger von der Vergütungsfestigkeit als dem Gefügezustand des Stahldrahtes abhängt solange die Festigkeit erfindungsgemäß im Bereich der Federanwendung, also über 1300 N/mm2 liegt. Bei niedrigeren Ausgangsfestigkeiten kommt es zur Abnahme der Brucheinschnürung, da es im Gefüge des Stahls vermehrte Karbidausscheidungen gibt, die beim für die niedrigeren Festigkeiten notwendigen Anlassen mit höherer Temperatur entstehen. Diese Karbide hindern das Gleiten und mindern das plastische Verformungspotential des Stahls. Daraus resultiert ebenfalls die Bedingung für die Martensit-Morphologie eines Latten-Martensits, für den der Kohlenstoffgehalt des Stahldrahtes nicht höher als 0,50% bis 0,55% sein darf.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Kaltumformen in vielen Richtungen hat also das bereits erwähnte Ziel, Eigenspannungen in dem Federstahldraht entstehen zu lassen, die der unter Belastung befindlichen Feder nützlich sind. Damit werden die Widerstandsmomente einer solchen Schraubendruckfeder signifikant erhöht. Da Schraubendruckfedern im wesentlichen auf Torsion beansprucht werden, ist es einleuchtend, daß es in erster Linie darauf ankommt, die Schubspannungs-Festigkeitswerte des zu deren Fertigung benutzten Stahldrahtes zu erhöhen.

Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß der Stahldraht beim Kaltwalzen von Walzgerüst zu Walzgerüst gezielt tordierend kalt umgeformt wird, wobei der Grad und der Drehsinn des Tordierens sich nach der Federkonstruktion und dem Einsatzfall richtet.

Ebenso vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Schritt, daß der aus dem letzten Walzgerüst kommende Stahldraht unmittelbar in eine Durchmesser egalisierende, rotierend gelagerte Druck- und Umformdüse hineingedrückt wird. Diese Druck- und Umformdüse dient dazu, daß die für den Einsatz der Feder erforderlichen Torsions-Eigenspannungen dem Drehsinn und dem Betrage nach entsprechend genau eingestellt werden können.

In gleicher Weise wirkt der anstelle einer Druck- und Umformdüse verwendete rotierende Walzapparat, mittels dem ebenfalls die vorstehend genannte Randschichtumformung durchführbar ist.

Durch die vorstehend genannte Randschichtumformung wird gleichzeitig die Rundheit des Stahldrahtes auf die eines kaltgezogenen Stahldrahtes erhöht.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die plastomechanische Umformung des Stahldrahtes die Möglichkeit vorbereitet, durch eine thermische Niedertemperaturbehandlung um etwa 250°C die Schubelastizitätsgrenze, d. h. damit auch z. B. die Schubfließgrenze τ stark zu erhöhen.

Solche Wärmebehandlungen zur Beseitigung des nach "Bauschinger" benannten Rückverformungs-Erleichterungseffektes sind bekannt und beispielsweise im Zusammenhang mit martensitischem Gefüge in der Zeitschrift "Draht 38" (1987) 8/9, S. 681 bis 684, beschrieben. Im Unterschied zu der bisherigen Möglichkeit und Betrachtungsweise geht es bei der vorliegenden Erfindung nicht vorrangig um Bauschinger-Effekte bei Zugspannungen und für hohe Dehngrenzwerte, sondern darum, das Torsionswiderstandsmoment des Stahldrahtes dank erhöhter Rand- Schubspannungsfestigkeit zur Vermeidung eines vorzeitigen Fließens der Randschichtbereiche der Federoberfläche unter schwingender Belastung zu steigern. Da diese gefährdeten Bereiche aufgrund der Geometrie von Schraubendruckfedern an Innenwindungen der Feder liegen hilft, wie die Erfahrung zeigt, die übliche Maßnahme durch Kugel strahlen zur Druckfestigkeitserhöhung der Oberfläche nur wenig.

Durch den erfindungsgemäßen Verfahrensschritt, zwecks Erhöhung der elastischen Eigenschaften - insbesondere derjenigen der Torsionsbelastung - den Stahldraht einer Wärmenachwirkung während oder unmittelbar nach der Kaltumformung - Kaltwalzen plus Tordieren - zu unterziehen, werden diese Eigenschaften signifikant erhöht.

Die Verbesserung der plastomechanischen Eigenschaften des Federdrahtes setzt jedoch voraus, daß die Beschaffenheit desselben insbesondere im Randzonenbereich und an der Oberfläche möglichst fehlerfrei ist. Materialtrennungen in Form von Rissen - auch Feinrissen unter 40µ Rißtiefe von der Oberfläche - sowie Randab- bzw. auskohlungen werden gemäß dem Stande der Technik dadurch begegnet, daß der Federwalzdraht in vielen Fällen zerspanend einen bis zu 10% des Drahtgewichts betragenden Oberflächenabzug durch "Schälen" erhält. Bei einer kaltgewundenen Schraubendruckfeder bleiben nämlich die umlaufenden Riefen des Drehschälens, auch eines Drehschleifens, erhalten, während dieselben bei warmgeformter Feder durch das Austenitisieren weitgehend an Schärfe verlieren.

Für den gemäß der Erfindung als Ausgangswerkstoff vorgeschlagenen Federstahldraht erfolgt dagegen ein Oberflächenabzug vor dem Kaltwalzen ohne Querriefen in der Weise, daß ein hydrodynamisch wirkendes System einen die Oberfläche abschleifenden Hartstofftransport entgegen der Verarbeitungsrichtung des Stahldrahtes bewirkt.

Durch das erfindungsgemäße Umformen des martensitischen runden Ausgangsdrahtes während des Kaltwalzens zu einem im Querschnitt inkonstanten Kaltwalzdraht mittels programmgesteuerter Walz-Zusatzgerüste an geeigneter Stelle innerhalb der Kaltwalzanlage nach vorgegebenen Längen und Profilen in den Walzablauf eingreifend, ergibt sich der Vorteil einer einfachen jederzeit reproduzierbaren Fertigung, insbesondere auch durch die Maßnahme, daß zur zylindrisch-konischen Kaltumformung mit einem runden Querschnitt die Kaltwalzung rotierend um die Drahtachse durchgeführt wird.

Der erfindungsgemäße Federdraht mit inkonstantem Durchmesser dient zur Fertigung unter Benutzung eines üblichen Windeautomats von Schraubendruckfedern mit kleiner Blockhöhe, also sogenannter konischer Druckfedern, die im Fahrzeug wenig Federraum beanspruchen. Bei dieser Fertigung entfällt nunmehr das bisher übliche Schälen und die damit verbundenen Nachteile des Materialabfalles und es werden das Schneiden der Kaltverfestigungsfaser und eine Beeinträchtigung der Eigenspannungen sowie eines neu entstandenen Martensits, der ohne sofort entspannt zu werden, an der Oberfläche des Federdrahtes zu Feinrissen führt, vermieden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer Produktionslinie mit mehreren in den Fig. 1 bis 7d mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer zur Produktionslinie gehörenden Vorrichtung zum elastischen Biegen und plastischen Massivrichten eines runden Stahldrahtes mittels eines Walzenpaares mit sich anschließenden Geradeführungsrollensätzen,

Fig. 2 eine Ansicht einer Anordnung zweier Walzgerüste zueinander und von Führungsrollen zwischen den beiden als Teil der Produktionslinie zum Tordieren eines runden Stahldrahtes während des Kaltwalzens,

Fig. 3a eine Anordnung für das egalisierende Randschichtumformen eines Stahldrahtes durch eine drehende Druckdüse als Teil eines Fertig-Kaltwalzgerüstes der Produktionslinie,

Fig. 3b eine Anordnung für das egalisierende Randschichtumformen eines Stahldrahtes durch einen drehenden Walzapparat als Teil eines Fertig-Kaltwalzgerüstes der Produktionslinie,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Darstellung einer Durchlauf-Niedertemperatur-Erwärmungsanordnung zwischen dem Endgerüst bzw. der Randumformung nach den Fig. 3a und 3b und dem Aufhaspeln des geformten Stahldrahtes,

Fig. 5 eine Anordnung eines hydrodynamisch transportierenden Hartstoff-Flüssigkeitsgemisch-Systems zum Längszerspannen Oberfläche eines Stahldrahtes zwischen dem Massivrichten nach Fig. 1 und dem Kaltwalzen innerhalb der Produktionslinie,

Fig. 6a eine Anordnung einer programmgesteuerten rotierenden Kaltwalzeinrichtung nach dem letzten Walzgerüst der Produktionslinie zum Walzen eines Stahldrahtes in einen Draht mit inkonstantem Durchmesser,

Fig. 6b ein Teilstück eines mit einer Anordnung nach Fig. 6a behandelten runden Stahldrahtes,

Fig. 7a eine Anordnung einer mehrgerüstigen programmgesteuerten Walzeinrichtung zum Walzen eines Stahldrahtes mit inkonstanten Querschnitten und

Fig. 7b bis 7d Teilstücke von runden Stahldrähten nach ihrer Behandlung in der Anordnung nach Figur 7a, die zu unterschiedlichen inkonstanten Querschnitten geführt hat.

Am Beginn der Produktionslinie läuft, wie in Fig. 1 dargestellt, ein martensitischer Stahldraht 1.2 von einem Drahtring 1.1 elastisch zurückgebogen direkt in ein Walzenpaar 1.3 eines Walzengerüstes ab, in dem der Stahldraht bis zum Kern zügig kaltfließgepreßt und dadurch massivgerichtet wird, sobald er in einer geraden Richtung z. B. durch Führungsrollen 1.4 geführt wird. Diese erfindungsgemäße Art des Richtens unterscheidet sich von den bekannten Methoden dadurch, daß sie keine zyklisch elastisch-plastische Spannungsumkehr ausführt.

In Fig. 2 Ist eine Anordnung zum Tordieren des Stahldrahtes während des Kaltwalzens gezeigt, die Walzgerüste 2.1 und 2.2 sowie Führungsrollen 2.4 und 2.5 umfaßt. Die Achse 2.3 einer der Walzen des Walzgerüstes 2.1 sind in Pfeilrichtung einstellbar und verschwenkbar gelagert während die Walzen des Walzgerüstes 2.2 in Pfeilrichtung in einstellbarer Weise zueinander verschiebbar gelagert angeordnet sind. Ebenso sind die Führungsrollen 2.4 und 2.5 in Richtung des Pfeiles in einstellbarer Weise verstellbar.

Mit Hilfe dieser Anordnung werden dem Stahldraht 1.2 Torsionseigenspannungen bereits vor dem Winden des Stahldrahtes zu einer Schraubendruckfeder aufgeprägt, wobei die gewünschte Drallrichtung sowie die eigentliche Torsion und damit die gewünschte Torsionseigenspannung durch eine definierte Einstellung von Walzen- und Führungsrollen bestimmt wird. Das Tordieren erfolgt hierbei im Walzenspalt, also im plastischen Zustand des martensitischen Drahtes, wodurch jegliche Beschädigungen an der Drahtoberfläche und im Gefüge des Drahtes vermieden werden.

In Fig. 3a ist als Teil der Produktionslinie eine erste Anordnung zur egalisierenden Randschichtumformung des Stahldrahtes 1.2 gezeigt. Hierzu ist dem Endgerüstwalzkaliber 3.3 der Produktionslinie eine drehbar gelagerte Druck- oder Umformdüse 3.1 unmittelbar nachgeschaltet, die rechts- oder linksdrehend betrieben werden kann. Zusätzlich ist auch eine oszillierende Bewegung der Druckdüse möglich. Durch die Rotation der Druckdüse 3.1, unabhängig von der Lineargeschwindigkeit des kaltgewalzten martensitischen Stahldrahtes 1.2 wird die gewollte, durch den Kaltwalzprozeß vorgegebene Torsion dem Einsatzzweck des Stahldrahtes entsprechend eingestellt, wobei sich eine weitere Randschichtverbesserung durch die ebenfalls geschwindigkeitsabhängig einstellbare Oszillationsbewegung der Druckdüse ergibt.

Wie in Fig. 3b dargestellt, kann anstelle der Druckdüse 3.1 die gewünschte Randschichtverbesserung und Torsion des Stahldrahtes auch durch einen rotierenden Schrägwalzenapparat 3.2 herbeigeführt werden. Je nach Einstellwinkel des Walzapparates in Pfeilrichtung und dessen Drehzahl wird die durch den Kaltwalzprozeß vorgegebene Torsion entsprechend eingestellt. Der Walzapparat 3.2 ist um bzw. parallel zur Achse des Drahtes 1.2 oszillierend oder feststehend positioniert, während seine Rotation in Abhängigkeit von der Drahtgeschwindigkeit einstellbar ist.

Der Grad der beschriebenen Kaltwalzumformung bezogen auf den Ausgangsquerschnitt des Stahldrahtes beträgt zwischen 6% und 80% je nach Verwendungszweck und den Eigenschaften des Ausgangsmaterials.

In Fig. 4 ist eine Anordnung einer Durchlauf-Niedertemperatur-Erwärmungseinrichtung in Form einer vor einer Haspelvorrichtung 4.3 angeordneten Erwärmungsstation 4.2 gezeigt, in der eine gezielte Erwärmung des Stahldrahtes 1.2 im Alpha-Gebiet des Werkstoffes unmittelbar nach dem Walzprozeß unter Ausnutzung der bereits vorhandenen Umformwärme erreicht wird. Auf diese Weise wird eine Verbesserung der Rand-Schubspannungsfestigkeit des Stahldrahtes erzielt. Die Erwärmungsstation 4.2 arbeitet geschwindigkeits- und volumenabhängig, so daß mit sehr engen Temperaturbereichen gefahren werden kann. Selbstverständlich kann diese Wärmebehandlung wiederholt werden.

In Fig. 5 ist eine hydrodynamisch arbeitende Längszerspanungseinrichtung dargestellt. Hiermit werden, um Materialtrennungen im Endprodukt, hervorgerufen durch Oberflächenfehler bzw. Feinrisse, zu vermeiden, die martensitischen Stahldrähte 1.2 nach dem Massivrichtvorgang gemäß Fig. 1 in einer nachgeschalteten Gegenstromschleifeinrichtung 5.1 mechanisch bearbeitet. Diese Einrichtung umfaßt ein mit einer Innenspirale versehenes Rohr, durch das mit hohem Druck ein Hartstoffschleifmittel entgegen der Drahtlaufrichtung 1.5 gepreßt wird. Hierdurch wird eine kontinuierliche Oberflächenbearbeitung ohne Querriefen bzw. ohne umlaufende Riefen erzielt, so daß sich für mit solchen Stahldrähten erzeugten Schraubendruck- und ähnlichen Federn eine wesentliche Qualitätsverbesserung bei gleichzeitiger erheblicher Materialeinsparung und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit ergibt. Bei einem üblichen Schälvorgang entsteht bekanntlich bis zu 10% Materialverlust durch Zerspanung.

Sollen Schraubendruckfedern kleiner Blockhöhe und ähnliche Produkte erzeugt werden, so sind martensitische Drähte mit inkonstantem Durchmesser zu verwenden. Eine hierfür geeignete Einrichtung ist in Fig. 6 gezeigt, die eine computergesteuerte um die Achse des Stahldrahtes 1.2 rotierende Walzeinrichtung 6.1 aufweist. Mit Hilfe dieser Walzeinrichtung bleibt, im Unterschied zu bekannten Technologien, z. B. beim Schälen, die Kaltverfestigungsfaser des Stahldrahtes unbeeinträchtigt. Auch jeglicher Materialverlust mit allen seinen Nachteilen und Kosten entfällt. Durch eine sinnvolle Anordnung der Walzeinrichtungen und der hier nicht dargestellten Stützrollen der um die Drahtachse rotierenden Walzeinrichtung wird vermieden, daß der Stahldraht 1.2 auf Torsion belastet wird. Die zylindrischen wie auch konischen bzw. kurvenförmigen Drahtabschnitte können beliebig oft in gleichen oder unterschiedlichen Längen endlos hergestellt werden, wie dies in Fig. 6b beispielsweise dargestellt ist.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform einer Walzeinrichtung zur Herstellung inkonstanter Drahtquerschnitte dargestellt. Solche martensitische Stahldrähte werden, wie bereits erwähnt, zur Fertigung von Schraubendruckfedern mit kleiner Blockhöhe sowie für ähnliche Produkte benötigt.

Wie Fig. 7a zu entnehmen ist, umfaßt die computergesteuerte Walzeinrichtung 6.3 vertikal und horizontal angeordnete Walzgerüste 6.4, durch die gewalzte runde Stahldrähte 1.2 zu Stahldrähten mit inkonstanten Querschnitten 6.5 gemäß Fig. 7b, 6.6 gemäß Fig. 7c und 6.7 gemäß Fig. 7d und ähnlichen Querschnitten umgeformt werden. Auch hier bleibt die Kaltverfestigungsfaser des runden Stahldrahtes 1.2 unbeeinträchtigt und entfällt jeglicher Materialverlust gegenüber bekannten Verfahren mit allen seinen Nachteilen und Kosten.

Die in den Fig. 7b bis 7d und ihren zugeordneten Schnitten A-A dargestellt reduzierten Querschnitte des runden Stahldrahtes 1.2 werden ebenso durch eine sinnvolle Anordnung der vertikalen und horizontalen Walzen 6.4 hergestellt. Die Drahtabschnitte mit inkonstantem Querschnitt können beliebig oft in gleichen oder unterschiedlichen Längen endlos hergestellt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Erhöhung der Zugfestigkeit und der Brucheinschnürung von martensitischem Federstahldraht vorzugsweise für die Fertigung von Federelementen, dadurch gekennzeichnet, daß der martensitischen Federstahldraht mit einer Ausgangszugfestigkeit von mehr als 1300 N/mm2 und einem Durchmesser von mehr als 3 mm durch kaltwalztechnische Maßnahmen umgeformt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Kaltwalzumformung bezogen auf den Ausgangsquerschnitt des Federstahldrahtes zwischen 6% und 80% beträgt.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltwalzumformung in Längsrichtung in vorbestimmten Abständen auf den Querschnitt des Stahldrahtes derart erfolgt, daß inkonstante Widerstandsmomente erzeugt werden.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmenachbehandlung des martensitischen Gefüge des Stahldrahtes im Alpha-Gebiet des Stahls durch eine die Umformwärme der Kaltwalzung unterstützende Wärmezufuhr während des Walzvorganges bewirkt wird.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltwalzprozeß nach einer Wärmebehandlung des martensitischen Stahldrahtes im Alpha- Gebiet wiederholt wird.
  6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kaltwalzen unmittelbar eine nachgeschaltete egalisierende Randschichtumformung des runden Stahldrahtes unter Verwendung einer Druckdüse durchgeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 oder 5 und oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine drehende Umform- oder Druckdüse oder ein rotierender Walzapparat verwendet wird.
  8. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahldraht während des Kaltwalzens tordiert wird.
  9. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Stahldrahtes nach dem ersten Walzgerüst und vor Beginn des Tordiervorganges durch eine hydrodynamische Feststoffschleifeinrichtung beaufschlagt wird.
  10. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von einem Drahtring (1.1) ablaufende martensitische Stahldraht (1.2) plastisch umgerichtet jedoch elastisch gerade gebogen in das erste Walzgerüst (1.3) eingeführt und hier massiv gerichtet wird, indem er umformend zum Kaltfließen gebracht wird, wobei zur Bestimmung der Drahtrichtung (1.5) Führungsrollen (1.4) vorgesehen sind.
  11. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Festhalten und Tordieren des Stahldrahtes (1.2) während des Kaltwalzens die Walzkaliber des jeweiligen Walzgerüstes (2.1, 2.2) zueinander verschiebbar bzw. die Achsen der Walzen eines Gerüstes (2.1) um einstellbare Winkel (2.3) zueinander verschwenkbar gelagert sind und daß zwischen zwei nacheinander folgenden Walzgerüsten (2.1, 2.2) verstellbar gelagerte Führungsrollen (2.4, 2.5) vorgesehen sind, um den Stahldraht (1.2) in die gewünschte Torsionsrichtung (2.6) zu überführen.
  12. 12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Randschichtumformung des Stahldrahtes (1.2) eine egalisierende Umform- bzw. Druckdüse (3.1) oder ein rotierender Walzapparat (3.2) in einsinniger oder alternatierender Weise vorgesehen sind, wobei die Umform- oder Druckdüse (3.1) oder der Walzapparat (3.2) unmittelbar am Endgerüstwalzkaliber (3.3) angebracht und um bzw. parallel zur Achse des Stahldrahtes (1.2) oszillierend oder feststehend positionierbar und gleichzeitig um die Drahtachse im Abhängigkeit von der Drahtgeschwindigkeit wählbar rotierend gelagert sind.
  13. 13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdüse (3.1) mit einer nichtrunden Fassung versehen ist.
  14. 14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks drehsinngemäßer teilplastischer oder nur in elastischer Aufhaspelung des kaltgewalzten und tordierten Stahldrahtes (2.1) vor den Aufhaspelapparat (4.3) eine Erwärmungsstrecke (4.2) vorgesehen ist.
  15. 15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der massivgerichtete Stahldraht (1.2) nach dem ersten Walzgerüst (1.3) durch ein Rohr (5.1) geführt ist, in welchem ein mit Feststoff-Schleifmitteln beladenes Flüssigkeitsmedium im Gegenstromverfahren geführt ist, um auf der Oberfläche des Stahldrahtes einen zerspanenden Vorgang zu bewirken.
  16. 16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Umformung des martensitischen Stahldrahtes (1.2) aufinkonstante Durchmesser (6.2) nach vorgegebenen Längen und damit inkonstanten Widerstandsmomenten eine rotierende, programmgesteuerte Kaltwalzeinrichtung (6.1) vorgesehen ist.
  17. 17. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der martensitische Stahldraht (1.2) in der Teilstrecke (6.3) der Kaltwalzanlage an geeigneter vorbestimmter Stelle durch programmgesteuerte Walzgerüste (6.4) nach vorgegebenen Längen und Profilen mit inkonstantem Querschnitt (6.5, 6.6, 6.7) und damit inkonstantem Widerstandsmoment umgeformt wird.






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