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Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder - Dokument DE69513236T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69513236T2 13.07.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0694621
Titel Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder
Anmelder Togo Seisakusho Corp., Aichi, JP;
Suzuki Metal Industry Co. Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Izawa, Yoshinobu, c/o K.K. Togo Seisakusho, Aichi-gun, Aichi-ken, JP;
Kondo, Satoru, c/o K.K. Togo Seisakusho, Aichi-gun, Aichi-ken, JP;
Yarita, Hiroshi, c/o Suzuki Metal Ind. Co.,LTD, Tokyo, JP
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 85354 Freising
DE-Aktenzeichen 69513236
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 28.07.1995
EP-Aktenzeichen 951119304
EP-Offenlegungsdatum 31.01.1996
EP date of grant 10.11.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2000
IPC-Hauptklasse C21D 9/02
IPC-Nebenklasse C21D 7/06   F16F 1/02   

Beschreibung[de]
Umfeld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder, die eine hohe Festigkeit und eine hohe Dauerfestigkeit besitzt und als Torsionsfeder einer Kupplungsscheibe verwendet wird, oder bei der es sich um eine Ventilfeder eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug, eine Aufhängungs- bzw. Federungsfeder für ein Kraftfahrzeug, oder einen Teil eines Antriebs- bzw. Ansteuersystems handeln kann.

Beschreibung des Standes der Technik

Von einer Schraubenfeder, bei der es sich um eine Ventilfeder eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug, eine Aufhängungs- bzw. Federungsfeder für ein Kraftfahrzeug, oder einen Teil eines Antriebs- bzw. Ansteuersystems handeln kann, wird verlangt, daß sie eine hohe Festigkeit und eine hohe Dauerfestigkeit besitzt, damit eine hohe Leistung eines Kraftfahrzeugmotors erzielt wird und das Gewicht eines Fahrzeugaufbaus verringert wird.

Als das herkömmliche Verfahren zur Herstellung einer Feder mit hoher Festigkeit ist das folgende Verfahren bekannt. Bei dem herkömmlichen Verfahren wurde nach dem Ziehen eines Stahldrahtes für Federn, ölgetemperten Drähten für Federn, die einer Härte- and Temperbehandlung vorgenommen worden waren und die eine hohe Zugfestigkeit besitzen, durchgeführt: Wendelformen; Wärmebehandlung; Schleifen; und Mitteilen einer Restspannung durch Kugelstrahlen; daraufhin wurde eine Polierbehandlung durchgeführt, um ihre maximale Oberflächenrauheit zu verringern.

Beispielsweise offenbart die japanische Offenlegungsschrift (KOKAI) Nr. 4-247824 ein Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Feder wie folgt. Bei diesem Verfahren gemäß der Veröffentlichung werden die ölgetemperten Drähte für Federn aus gehärtetem und getempertem Stahl mit hoher Festigkeit hergestellt, deren Zugfestigkeit nicht unter 1960 N/mm² liegt, und einem Warmformen in einem Temperaturbereich zwischen 100 und 550ºC unterzogen. Die Aufstellung dieser Warmformmaschine, die bei diesem herkömmlichen Verfahren verwendet wird, ist sehr kostspielig. Des weiteren ist es selbst bei Verwendung dieses Warmformens in einigen Fällen sehr schwierig, eine Feder mit D/d ≤ 4 auszubilden.

Auch offenbart die japanische Offenlegungsschrift (KOKAI) Nr. 5-179348 ein Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder mit der gleichen hohen Festigkeit und Dauerfestigkeit wie im Fall des Kaltformens wie folgt. Bei diesem Verfahren gemäß der Veröffentlichung wird das Wendelformen durchgeführt, indem der Draht für das Kaltformen bei einer Temperatur zwischen 900 und 1050ºC warmgeformt und darauffolgend durch Tempern behandelt wird. Die Aufstellung der Warmformmaschine, die für dieses herkömmliche Verfahren erforderlich ist, ist sehr kostspielig.

Des weiteren offenbart die japanische Offenlegungsschrift Nr. 5-339763 das folgende Verfahren. Bei diesem herkömmlichen Verfahren werden ölvergütete Drähte für Federn, die eine Oxidhaut aufweisen, unterzogen: einem Wendelformen; einer Wärmebehandlung; einer Entzunderungsbehandlung zum Erhalt einer maximalen Oberflächenrauheit von nicht mehr als Rmax 5 um; einer Nitrierbehandlung; und einer Behandlung zum Mitteilen einer Restspannung durch Kugelstrahlen. Daher ist bei diesem Verfahren nach dem Vorgang zum Mitteilen einer Restspannung kein Oberflächenpoliervorgang nötig.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bei den herkömmlichen Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder werden unter Verwendung der ölgetemperten Drähte für Federn Wendelformen, Wärmebehandlung, Schleifen, Nitrieren und Kugelstrahlen aufeinanderfolgend durchgeführt. Die ölgetemperten Federdrähte haben eine hohe Zugfestigkeit im Bereich von 1960 bis 2160 (N/mm²), woraus sich bisweilen das Problem ergibt, daß das Kaltformen schwierig durchzuführen ist und in vielen Fällen während des Formens Brüche auftreten können.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die genannten Probleme entwickelt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder zur Verfügung zu stellen, die selbst beim Kaltformen weniger Brüche, eine verbesserte Dauerfestigkeit und eine hohe Festigkeit besitzt.

Die Urheber der vorliegenden Erfindung führten umfassende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für das Verfahren zur Verbesserung der Dauerfestigkeit und der Festigkeit durch. Infolgedessen fanden sie heraus, daß das Kaltformen einfacher durchgeführt werden kann, wenn ein geglühter Draht verwendet wird, der mittels Warmtempern des ölgetemperten Federdrahtes hergestellt wird. Sie fanden des weiteren heraus, daß eine Feder mit hoher Festigkeit und hoher Dauerfestigkeit hergestellt werden kann, wenn das Härten und Tempern, Schleifen, Gasnitrieren, das zweistufige Kugelstrahlen und das autogene Entspannen ("low temperature annealing") aufeinanderfolgend durchgeführt werden. Sie fanden heraus, daß eine Feder mit hoher Festigkeit und hoher Dauerfestigkeit hergestellt werden kann, wenn die genannten Verfahrensschritte aufeinanderfolgend durchgeführt werden, insbesondere unter Verwendung einer Legierung mit einer bestimmten Zusammensetzung. Dies resultierte in der vorliegenden Erfindung.

Insbesondere umfaßt das Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder die folgenden Schritte:

Bilden eines Drahtes mit:

C in einer Menge von 0,55 bis 0,75 Gew.-%;

Si in einer Menge von 1,00 bis 2,50 Gew.-%;

mindestens zwei Primärmetallen, ausgewählt aus der Gruppe von Primärmetallen bestehend aus:

Mn in einer Menge von 0,30 bis 1,5 Gew.-%;

Ni in einer Menge von 1,00 bis 4,00 Gew.-%;

Cr in einer Menge von 0,50 bis 2,50 Gew.-%;

Mo in einer Menge von 0,10 bis 1,00 Gew.-%;

mindestens einem Sekundärmetall, ausgewählt aus der Gruppe von Sekundärmetallen bestehend aus:

V in einer Menge von 0,05 bis 0,60 Gew.-%;

Nb in einer Menge von 0,05 bis 0,60 Gew.-%; und

dem Rest von im wesentlichen Fe;

Ölvergüten des durch Kaltdrahtziehen hergestellten Drahtes;

Warmtempern des Drahtes, wodurch ein geglühter Draht hergestellt wird, dessen Zugfestigkeit ab in den Bereich von 1370 bis 1670 N/mm² fällt;

Kaltformen; Härten und Tempern; Schleifen; Gasnitrieren; zweistufiges Hochfestigkeits-Kugelstrahlen; und autogenes Entspannen des Drahtes.

Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Federdraht weist auf: C; Si; mindestens zwei Primärmetalle, ausgewählt aus der Gruppe von Primärmetallen bestehend aus: Mn, Ni, Cr und Mo; mindestens ein Sekundärmetall, ausgewählt aus der Gruppe von Sekundärmetallen bestehend aus: V und Nb; und dem Rest im wesentlichen Fe.

Kohlenstoff (C) beeinflußt die Festigkeit (Härte) des gehärteten und getempterten Stahldrahtes. Falls der Kohlenstoff weniger als 0,55% beträgt, kann der Stahldraht keine genügende Festigkeit erlangen. Falls mehr als 0,75% Kohlenstoff hinzugefügt wird, ergibt sich kein weiterer Vorteil für die Festigkeit. Daher wurde 0,75% als die obere Grenze für die Zugabe von Kohlenstoff zum Draht festgelegt. Silizium (Si) ist in der Ferritmatrix gelöst und ist nötig, um die Festigkeit zu verbessern und die Dauerfestigkeit sicherzustellen. Demzufolge ist Silizium (Si) zu nicht mehr als 1,00% nötig. Falls das Silizium jedoch mehr als 2,5% beträgt, ergeben sich einige Probleme insofern, als die Zähigkeit reduziert wird und gleichzeitig während der Produktion eine beachtliche Entkohlung stattfindet.

Mangan (Mn), das zu der Primärmetallgruppe gehört, verbessert die Härtung und sichert die Festigkeit und Zähigkeit nach der Wärmebehandlung. Des weiteren verbessern Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo), welche zur Primärmetallgrugpe gehören, die Härtung, verbessern die Temper- und Erweichungsbeständigkeit, oder lagern feines Carbid ab, so daß sie die Festigkeit und Zähigkeit der Feder verbessern. Von diesen zur Primärmetallgruppe gehörenden Metallen ist es nötig, mindestens zwei Arten von Primärmetallen zusammenzusetzen und zu mischen.

Mn wird zu nicht weniger als 0,30% benötigt. Falls Mn jedoch zu mehr als 1,50% hinzugefügt wird, verschlechtert sich die Zähigkeit, weshalb dies zu vermeiden ist. Eine Ni- Zugabe in einer Menge von 1,00 bis 4,00% ist nötig. Falls Ni weniger als 1,00% beträgt, kann damit keine gute Wirkung erzielt werden, und falls Ni zu mehr als 4,00% zugegeben wird, ergibt sich keine Wirkung mehr. Eine Cr-Zugabe von nicht weniger als 0,50% ist nötig. Falls Cr zu mehr als 2,50% zugegeben wird, verschlechtert sich die plastische Verformung durch Ermüdung, was vermieden werden muß. Mo verbessert die Temper- und Erweichungsbeständigkeit und lagert feines Carbid ab, was zur Wirkung hat, daß die Festigkeit und Zähigkeit der Feder verbessert wird. Demzufolge wird Cr in einer Menge zugegeben, die in einem Bereich zwischen 0,10 und 1,00% liegt. Falls weniger Cr als 0,01% zugegeben wird, ist keine Wirkung von Cr bemerkbar, und falls mehr als 1,00% Cr zugegeben wird, ist seine Wirkung gesättigt, was nicht bevorzugt ist.

Vanadium (V) und Niob (Nb), die zur Sekundärmetallgruppe gehören, werden zugegeben, um die Festigkeit und die plastische Verformung durch Ermüdung mittels Veredlung und Ausscheidungshärten des Kristallkorns zu verbessern. V oder Nb oder V und Nb werden in einer Menge von 0,05 bis 0,60% zugesetzt und gemischt. Falls die zugesetzte Menge einer jeden Komponente weniger als 0,05% beträgt, ergibt sich keine Wirkung, und falls die zugesetzte Menge mehr als 0,60% beträgt, ist die Wirkung gesättigt.

Der Eisen- und Stahldraht der vorliegenden Erfindung für das Kaltdrahtmaterial zum Herstellen einer Schraubenfeder kann erhalten werden, indem er aufeinanderfolgend einer Behandlung zur Beseitigung von Oberflächendefekten, Warmwalzen, Schälen, Glühen und Kaltdrahtziehen unterzogen wird.

Der durch das herkömmliche Kaltdrahtziehen erhaltene, hartgezogene Draht besitzt eine Zugfestigkeit σb, die in einem Bereich zwischen 1080 und 1320 N/mm² liegt. Auf der Oberfläche dieses hartgezogenen Drahtes mit 3,2 mm und einer prozentualen Oberflächenreduzierung von ca. 38% befindet sich aufgrund des Drahtziehens und der Phosphatbeschichtung restliches Pulver. Wenn dieser gezogene Draht einer Formbearbeitung unterzogen wird, ist die Schmierung auf der Oberfläche des gezogenen Drahtes gering, so daß Defekte auf der Außenfläche der Wendel erzeugt werden, und des weiteren ist die Zugfestigkeit reduziert, so daß eine Verformung durch das Zusammendrücken des Drahtes erzeugt wird. Infolgedessen ist es nicht vorzuziehen, diesen hartgezogenen Draht als solchen zu verwenden. Es ist erforderlich, die Wärmebehandlung mittels Härten und Tempern durchzuführen, nachdem an diesem Draht die Formbearbeitung vorgenommen wurde.

Des weiteren besitzt der durch die Öltemperbehandlung des kaltgezogenen Drahtes hergestellte Draht eine Zugfestigkeit σb in einem Bereich zwischen 1960 und 2160 N/mm². Darüber hinaus weist der gezogene Draht mit 3,2 mm eine prozentuale Oberflächenreduzierung von ca. 40% auf. Auf der Oberfläche dieser ölgetemperten Drähte für Federn befindet sich oxidischer Zunder. Infolgedessen ist die Schmierung der Oberfläche verbessert, und kein Defekt und Zusammendrücken des Drahtes wird beim Wendelformen erzeugt. Es werden jedoch leicht Brüche hervorgerufen. Infolgedessen weist der Draht mit 3,2 mm bei D/d = 5 eine ziemlich hohe Prozentzahl von Brüchen von ca. 5% auf. Des weiteren beträgt die Härte nicht weniger als HV 580, so daß die Wärmebehandlung bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der kaltgezogene Draht einer Ölhärtungs- und -temperbehandlung und des weiteren einem Glühen unterzogen, um einen geglühten Draht zu erhalten. Dieser geglühte Draht, dessen Zugfestigkeit σb in einem Bereich zwischen 1370 und 1670 N/mm² liegt und dessen 3,2 mm beträgt, weist eine prozentuale Oberflächenreduzierung von ca. 50% auf. Auf der Oberfläche dieses Drahtes befindet sich oxidischer Zunder, und dieser Draht weist im Vergleich mit dem ölgehärteten und getemperten Draht verbesserte Wendelformungseigenschaften auf.

Dieser getemperte Draht wird dem Kaltformen und daraufhin einer Härtungs- und Temperbehandlung unterzogen, damit eine hohe Festigkeit erzielt wird und gleichzeitig Restspannungen und verbleibende Deformationen, die an der Feder erzeugt werden, beseitigt werden, und danach wird dieser Draht einem Schleifen der Auflagefläche unterzogen.

Beim nächsten Verfahrensschritt wird die Schraubenfeder dem Nitrieren unterzogen. Diese Nitrierbehandlung ist die gleiche Behandlung wie bei dem herkömmlichen Verfahren. Beispielsweise kann die vorgegebene Nitrierschicht ausgebildet werden, indem die Behandlung in einer Ammoniakatmosphäre bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 420 und 550ºC ca. 24 h lang durchgeführt wird. Die Oberfläche der erhaltenen nitrierten Schicht ist härter als diejenige des herkömmlichen SWOSC-V Stahlproduktes. Des weiteren wird durch das Nitrieren eine höhere restliche Druckspannung nicht nur auf ihrer Oberfläche, sondern infolge des darauffolgenden Kugelstrahlvorgangs auch in ihrem Inneren leichter gebildet. Infolgedessen wird gemäß der Erfindung die Dauerfestigkeit verbessert. Bei der vorliegenden Erfindung wird in dem legierten Stahl eine tiefere und stärkere restliche Druckspannung als in demjenigen des herkömmlichen SWOSC-V-Stahlprodukts gebildet.

Es ist bevorzugt, wenn der Kugelstrahlvorgang in einem zweistufigen Hochfestigkeitsverfahren durchgeführt wird, welches einen ersten Kugelstrahlvorgang und einen zweiten Kugelstrahlvorgang umfaßt. Durch diesen Kugelstrahlvorgang wird die restliche Druckspannung infolge des Nitrierens gehärtete Oberfläche der Schraubenfeder und in ihr Inneres eingeführt.

Bei der ersten Stufe des Kugelstrahlvorgangs wird im wesentlichen ein Strahlmedium mit einem Durchmesser in einem Bereich zwischen 0,6 und 1,0 mm und einer HV-Härte von 600 bis 800 bei einem Impellerabschleudern verwendet, dessen Geschwindigkeit in einem Bereich zwischen 70 und 100 m/s liegt. Infolge dieses Vorgangs kann die restliche Druckspannung an einer weiter im Inneren befindlichen Position ausgebildet werden. Wenn die restliche Druckspannung an einer weiter innen liegenden Position ausgebildet wird, besteht eine Tendenz, daß eine unzureichende restliche Druckspannung zur Verfügung gestellt wird. Es ist ein Zweck des zweiten Kugelstrahlvorgangs, die erwähnte restliche Druckspannung in der Nähe der Oberfläche zur Verfügung zu stellen.

Bei dem zweiten Kugelstrahlvorgang wird ein Strahlmedium mit einem Durchmesser in einem Bereich zwischen 0,15 und 0,3 mm und einer HV-Härte in einem Bereich von 700 bis 900 bei einem pneumatischen Abschleudern verwendet, dessen Druck in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,7 MPa liegt. Mittels dieses Strahlmediums kann die restliche Druckspannung wirksam ausgebildet werden.

Nach dem Kugelstrahlen wird das autogene Entspannen durchgeführt, um Spannungsspitzen abzubauen und die restliche Druckspannung zu stabilisieren, so daß die Schraubenfeder mit einer verbesserten Dauerfestigkeit und einer höheren Festigkeit hergestellt werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder wird kaltgezogener Draht mit der angegebenen Legierungszusammensetzung der Ölvergütungsbehandlung unterzogen; daraufhin wird der bei hoher Temperatur getemperte, geglühte Draht dem Kaltformen unterzogen; dann Härten und Tempern unterzogen; und nach der Durchführung des Gasnitrierens dem zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlen und autogenem Entspannen unterzogen.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die Legierungszusammensetzung des Drahtes vorgegeben; als Draht, der einem Kaltformen unterzogen wird, wird geglühter Draht verwendet, der einer Ölvergütungsbehandlung und Warmtempern unterzogen wurde; des weiteren umfaßt der Kugelstrahlvorgang ein zweistufiges Hochfestigkeits-Kugelstrahlen, bei dem Härte, Durchmesser und Abschleuderbedingungen in den zwei Stufen variiert werden. Daher treten bei der vorliegenden Erfindung wenige Brüche auf, und die vorliegende Erfindung ist in der Lage, einen Draht herzustellen, dessen Härte-, Restspannungs- und Dauerfestigkeitscharakteristiken gegenüber denjenigen einer herkömmlichen Schraubenfeder, die durch das herkömmliche Verfahren hergestellt wurde, verbessert sind.

Bei dem vorliegenden Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder wird ein hochfester, ölvergüteter Draht verwendet, bei dem es sich um geglühten Draht handelt, der bei hoher Temperatur getempert wurde. Daher treten bei dem vorliegenden Verfahren während des Kaltformens wenig Brüche auf. Des weiteren ist bei der vorliegenden Erfindung das Material des Legierungsstahls spezifiziert; Härten und Tempern wird nach dem Kaltformen durchgeführt; daraufhin wird Nitrieren durchgeführt; und anschließend wird ein zweistufiges Hochfestigkeits-Kugelstrahlen durchgeführt. Demzufolge wird dem obersten Oberflächenabschnitt der Schraubenfeder ein hoher Betrag an restlicher Druckspannung mitgeteilt, und auch dem tieferliegenden Abschnitt des Inneren wird eine restliche Druckspannung mitgeteilt. Somit kann unter Verwendung des vorliegenden Verfahrens zur Herstellung einer Schraubenfeder mit hoher Festigkeit eine Schrau benfeder mit verbesserter Dauerfestigkeit und Zeitfestigkeit hergestellt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und vieler ihrer Vorteile ergibt sich durch ein besseres Verständnis unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung und die detaillierte Beschreibung, die sämtlich Teil des Offenlegungsgehalts sind:

Fig. 1 ist eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Abschleudergeschwindigkeit und dem Spitzenwert beim zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlen;

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Abschleudergeschwindigkeit und dem Übergangspunkt beim zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlen;

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Abschleudergeschwindigkeit und der Oberflächenrauheit beim zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlen;

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Impeller-Abschleudergeschwindigkeit und dem Spitzenwert beim zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlen;

Fig. 5 ist eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen der pneumatischen Abschleudergeschwindigkeit und dem Spitzenwert beim zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlen;

Fig. 6 ist eine grafische Darstellung der Federhärte bei der bevorzugten Ausführungsform und den Vergleichsbeispielen;

Fig. 7 ist eine grafische Darstellung der Verteilung der Restspannung bei der bevorzugten Ausführungsform und den Vergleichsbeispielen;

Fig. 8 ist eine grafische Darstellung des Ergebnisses des Dauerversuchs für das Vergleichsbeispiel 1; und

Fig. 9 ist eine grafische Darstellung des Ergebnisses des Dauerversuchs für die bevorzugte Ausführungsform und Vergleichsbeispiel 2.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Nach diesem Abriß der vorliegenden Erfindung kann nun ein tieferes Verständnis unter Bezugnahme auf die konkrete bevorzugte Ausführungsform erlangt werden, die hier nur zu Veranschaulichungszwecken gegeben sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der beigefügten Ansprüche einzuschränken.

Bevorzugte Ausführungsform

Der bei der vorliegenden Ausführungsform verwendete Federdraht (SWACX-V) ist ein legierter Stahl, der Kohlenstoff in einer Menge von 0,64 Gew.-% aufweist (falls nicht anders angegeben, bedeutet % im nachfolgenden Gew.-%), Silizium in einer Menge von 1,43%, Mangan in einer Menge von 0,67%, Phosphor in einer Menge von 0,015%, Schwefel in einer Menge von 0,006%, Chrom in einer Menge von 1,57%, Molybdän in einer Menge von 0,57%, Vanadium in einer Menge von 0,26%, und den Rest Eisen. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde der legierte Stahl, nachdem er einer Behandlung zur Beseitigung von Oberflächendefekten, Warmwalzen, Schälen und Glühen unterzogen wurde, Kaltziehen, Ölvergütung und Warmtempern unterzogen, um den geglühten Draht zu erhalten. Dieser geglühte Draht hat eine Zugfestigkeit σB von 1,570 N/mm², und die Oberfläche des Drahtes ist mit oxidischem Zunder bedeckt.

Dieser geglühte Draht wurde einem Kaltformen unterzogen, um eine Schraubenfeder mit einem Durchmesser von 3,2 mm; mit einem durchschnittlichen Windungsdurchmesser von 21,2 mm; einer Gesamtwindungszahl von 6,5 Windungen; einer effektiven Windungszahl von 4,5 Windungen; einer freien Länge von 52 mm; und einer Federkonstante von 23,54 N/mm² auszubilden. Daraufhin wurde der Draht bei der Temperatur von 880ºC 30 min lang gehärtet und 60 min lang bei der Temperatur von 435ºC mit erwärmtem Gas getempert. Als nächstes wurde an der Auflagefläche Schleifen durchgeführt. Diese Wendel mit einer geschliffenen Auflagefläche wurde 24 h lang der Gasnitrierbehandlung unter Ammoniakgasatmosphäre bei der Temperatur von 435ºC unterzogen. Hierdurch wurde auf der Schraubenoberfläche eine Nitrieroberfläche gebildet.

Daraufhin wurde der Draht dem zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlen unterzogen. Bei der ersten Stufe des Kugelstrahlens wurde ein Strahlmedium mit 0,8 mm (RCW) und HV 720 verwendet, und Kugelstrahlen durch Impellerabschleudern wurde (30 min lang) unter der Bedingung von 70 m/s durchgeführt. Als nächstes wurde die zweite Stufe des Kugelstrahlens durchgeführt. Bei der zweiten Stufe des Kugelstrahlens wurde ein Strahlmedium mit 0,25 mm (RCW) und HV 800 verwendet, und dieses Kugelstrahlen wurde (30 min lang) unter der Bedingung eines pneumatischen Abschleuderdrucks von 0,5 MPa durchgeführt.

Als nächstes wurde der Draht 30 min lang dem autogenen Entspannen bei der Temperatur von 225ºC unterzogen, die außerordentlich hohe innere Verwindung wurde beseitigt, und die restliche Druckspannung wurde an der Wendeloberfläche mitgeteilt, wodurch die Schraubenfeder gemäß dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel erhalten wurde.

Vergleichsbeispiel 1

Bei diesem Vergleichsbeispiel wurde anstatt des bei der bevorzugten Ausführungsform verwendeten legierten Stahls SWOSC-V-Stahl nach JIS-Standard verwendet. Der SWOSC-V enthält in Gew.-% Kohlenstoff in einer Menge von 0,56%, Silizium in einer Menge von 1,42%, Mangan in einer Menge von 0,65%, Phosphor in einer Menge von 0,008%, Schwefel in einer Menge von 0,009%, Chrom in einer Menge von 0,65%, und den Rest Eisen. Der SWOSC-V-Stahl wurde kaltgezogen und daraufhin gehärtet und getempert, so daß ein ölgehärteter und getemperter Draht aus legiertem Stahl mit einer Zugfestigkeit σB von 1,950 N/mm² verwendet wurde. Sodann wurde nach dem Durchlaufen des nächsten Arbeitsganges die Schraubenfeder fertiggestellt.

Zuerst wurde dieser ölgehärtete und getemperte Draht als Ersatz für das Härten und Tempern bei der oben genannten, bevorzugten Ausführungsform 30 min lang einem Kaltglühen ("cold annealing") bei der Temperatur von 425ºC unterzogen. Daraufhin wurde an der Auflagefläche Schleifen durchgeführt. Sodann wurde ohne eine Nitrierbehandlung das Kugelstrahlen unter Verwendung eines Strahlmediums mit 0,8 mm und HV 550 durch Impellerabschleudern bei einer Geschwindigkeit von 70 m/s durchgeführt. Daraufhin wurde das Kaltglühen 30 min lang bei einer Temperatur von 225ºC durchgeführt.

Vergleichsbeispiel 2

Dieses Vergleichsbeispiel 2 verwendet den gleichen legierten Stahl wie den der bevorzugten Ausführungsform. Bei Vergleichsbeispiel 2 wurde der legierte Stahl einem Kaltziehen; der Härtungs- und Temperbehandlung; und dem autogenen Entspannen unterzogen, so daß ein Draht verwendet wurde, dessen Zugfestigkeit σB 1,570 N/mm² beträgt, welche die gleiche wie bei der bevorzugten Ausführungsform ist.

Die gleiche Bearbeitung wie bei der bevorzugten Ausführungsform wurde durchgeführt, mit der Ausnahme, daß ein einstufiges Kugelstrahlen anstatt des zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlens durchgeführt wurde.

Das Kugelstrahlen wurde unter Verwendung eines Strahlmediums mit 0,8 mm (RCW) und HV 550 unter Impellerabschleudern mit der Geschwindigkeit von 70 m/s durchgeführt.

Bewertung des Kugelstrahlens

Um die Wirkung des zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlens aufzuzeigen, wurde die Schraubenfeder mittels des gleichen Verfahrens wie desjenigen der bevorzugten Ausführungsform hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Bedingung des Kugelstrahlens geändert war. Bei der hierdurch erhaltenen Schraubenfeder wurden der Spitzenwert und der Übergangspunkt der Restspannung und die Oberflächenrauheit der Schraubenfeder ermittelt. Als Bezugswert wurde der Wert einer Schraubenfeder verwendet, die nicht dem Kugelstrahlen, sondern nur dem Nitrieren unterzogen worden war.

In Fig. 1 bis 3 wurden die Abschleuderbedingungen der ersten Stufe des zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlens geändert. Als Ergebnis zeigen Fig. 1 bis 3 die Auswirkung der Härte des Strahlmediums und der Abschleudergeschwindigkeit auf der Grundlage der Untersuchung von Spitzenwert, Übergangspunkt und Oberflächenrauheit.

Wenn in Fig. 1 die Abschleudergeschwindigkeit durch 70 m/s, 100 m/s bis 130 m/s erhöht wurde, erwiesen sich die Spitzenwerte des Strahlmediums mit der Härte HV 720 als fast konstant -1050, -1030 und -1150 MPa. Somit sind die Spitzenwerte ohne Bezug auf die Abschleudergeschwindigkeit fast konstant, und die Spitzenwerte sind im Vergleich mit den Fällen, in denen nur Nitrieren durchgeführt wurde, verbessert. Bei einer Härte des Strahlmediums von HV 500 jedoch ist der Spitzenwert -880 Pa für eine Abschleudergeschwindigkeit von 70 m/s, und der Spitzenwert ist - 780 MPa, wenn nur Nitrieren durchgeführt wird. Demzufolge ist die Wirkung in diesem Fall gering.

Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen dem Übergangspunkt und der Abschleudergeschwindigkeit des Strahlmediums. Bei einer Härte HV des Strahlmediums von 550 wird der Übergangspunkt nicht tiefer als der von 720, was innerhalb des Bereichs von 650 bis 850 der vorliegenden Erfindung liegt, selbst wenn die Abschleudergeschwindigkeit erhöht wird, so daß die Wirkung in diesem Fall gering ist.

Fig. 3 zeigt das Verhältnis zwischen der Oberflächenrauheit und der Abschleudergeschwindigkeit. Bei einer Abschleudergeschwindigkeit des Strahlmediums von 130 m/s wird die Oberfläche des bearbeiteten Materials zu rauh. Bis zu einer Abschleudergeschwindigkeit von 120 m/s ist die Rauheit Rz jedoch fast konstant.

Fig. 4 und 5 zeigen das Verhältnis zwischen der Abschleudergeschwindigkeit des Strahlmediums in der zweiten Stufe und dem Spitzenwert der Restspannung bzw. das Verhältnis zwischen der Abschleuderbedingung des Strahlmediums in der zweiten Stufe und dem Spitzenwert der Restspannung.

Bei Verwendung des Impellerabschleuderns erhöht sich der Spitzenwert nicht, wenn die Geschwindigkeit nicht weniger als 100 m/s beträgt. Falls die Geschwindigkeit nicht weniger als 100 m/s beträgt, ist es in gerätetechnischer Hinsicht schwierig, einen kontinuierlichen Betrieb durchzuführen. Das pneumatische Abschleudern ist wirkungsvoll, weil die Veränderung im Spitzenwert als Reaktion auf die Drückänderung gering ist.

Härte der Schraubenfeder

Drei Arten von Schraubenfedern, die als die oben erwähnte bevorzugte Ausführungsform und die Vergleichsbeispiele 1 und 2 erhalten wurden, wurden bezüglich der Vickers-Härte jeweils ab der Oberfläche bis zu dem tiefer gelegenen Abschnitt gemessen. Jede der Schraubenfedern wurde durchgeschnitten und die Vickers-Härte jeweils von ihrer Oberfläche bis in die tiefergelegenen Abschnitte am Querschnitt gemessen. Das Ergebnis der Messungen ist in Fig. 6 gezeigt. Das Verhältnis zwischen der Vickers-Härte (HV) und der Tiefe ab der Oberfläche der Schraubenfeder in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist durch Δ und eine durchgehende Linie angegeben. Auf ähnliche Weise wurde das Verhältnis zwischen der Vickers-Härte (HV) und der Tiefe ab der Oberfläche der Schraubenfeder in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 durch bzw. O und eine durchgehende Linie angegeben. Bei einer Tiefe von 1 mm zeigt die bevorzugte Ausführungsform eine Härte HV 572, und Vergleichsbeispiel 1 zeigt HV 548. Bei einer Tiefe von 1,6 mm zeigt die bevorzugte Ausführungsform eine Härte HV 572, Vergleichsbeispiel 1 zeigt HV 527, und Vergleichsbeispiel 2 zeigt HV 580.

Im Vergleich mit der nicht-nitrierten Feder von Vergleichsbeispiel 1 aus dem SWOSC-V-Stahl zeigen Vergleichsbeispiel 2 und die bevorzugte Ausführungsform aus dem SXACX-V-Stahl eine stark verbesserte Härte in der Nähe ihrer Oberfläche.

Verteilung der Restspannung der Schraubenfeder

Drei Arten von Schraubenfedern, die als die oben erwähnte bevorzugte Ausführungsform, Vergleichsbeispiel 1 und 2 erhalten wurden, wurden im Hinblick auf die Verteilung der Restspannung ab ihrer Oberfläche in der Tiefenrichtung gemessen. Das Ergebnis der Messung ist in Fig. 7 gezeigt. In Fig. 7 ist das Verhältnis zwischen der Restspannung (MPa) der Schraubenfeder bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform und die Tiefe ab ihrer Oberfläche durch Δ und eine durchgehende Linie angegeben. Das Verhältnis zwischen der Restspannung (MPa) der Schraubenfedern von Vergleichsbeispiel 1 und 2 und die Tiefe ab ihrer Oberfläche sind durch bzw. O und durchgehende eine Linie angegeben.

Wie aus Fig. 7 deutlich hervorgeht, zeigt die Schraubenfeder der bevorzugten Ausführungsform, die dem zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlen unterzogen wurde, einen höheren Betrag an Restspannung an der Oberfläche im Vergleich mit derjenigen der Schraubenfedern in den Vergleichsbeispielen.

Zeitfestigkeit der Schraubenfeder

Drei Arten von Schraubenfedern, die als die erwähnte bevorzugte Ausführungsform und Vergleichsbeispiele 1 und 2 erhalten wurden, wurden im Hinblick auf die Zeitfestigkeit unter Verwendung eines Ermüdungsprüfstands vom Sterntyp gemessen. Bei der Untersuchung wurden die Schraubenfedern der bevorzugten Ausführungsform und das Vergleichsbeispiel 2 der Prüfung mit einer durchschnittlichen Belastung am von 687 MPa unterzogen, und die Prüfung wurde abgebrochen, wenn die Prüfzahl N 5 · 10&sup7; erreichte. Die Schraubenfeder von Vergleichsbeispiel 1 wurde der Prüfung mit einer durchschnittlichen Belastung am von 589 MPa unterzogen, und die Prüfung wurde abgebrochen, wenn die Prüfzahl N 5 · 10&sup7; erreichte. Die Prüfung wurde vorgenommen, um die Anzahl von Brüchen bezüglich jeder Belastungsamplitude zu untersuchen, und die Zeitfestigkeit wurde bei der maximalen Belastungsamplitude gemessen, bei der acht von neun Schraubenfedern nicht brachen. Die Ergebnisse dieser Ermüdungsprüfung sind in Fig. 8 und 9 gezeigt.

Die Zeitfestigkeit τm der Schraubenfeder, die mit der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform erzielt wurde, ist 687 (durchschnittliche Belastung) ±560 MPa (Fig. 9). Die Zeitfestigkeit τm der Schraubenfeder, die mit dem Vergleichsbeispiel 1 erzielt wurde, ist 589 (durchschnittliche Belastung) ±415 MPa (Fig. 8), und die Zeitfestigkeit τm der Schraubenfeder, die mit dem Vergleichsbeispiel 2 erzielt wurde, ist 687 (durchschnittliche Belastung) ±505 MPa (Fig. 9).

Somit ist die Zeitfestigkeit der Schraubenfeder der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform um +55 MPa (durchschnittliche Belastung σm = 687 MPa) höher als diejenige der Schraubenfeder von Vergleichsbeispiel 2.

Es wird angenommen, daß der große Unterschied zwischen der Zeitfestigkeit der Schraubenfeder von Vergleichsbeispiel 1 und der Zeitfestigkeit der Schraubenfeder von Vergleichsbeispiel 2 darin begründet ist, daß ein Unterschied in der Zusammensetzung des legierten Stahls besteht, und daß die Nitrierbehandlung durchgeführt wurde bzw. nicht durchgeführt wurde. Es wird angenommen, daß der Unterschied in der Zeitfestigkeit zwischen der Schraubenfeder der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform und der Schraubenfeder von Vergleichsbeispiel 2 in der Wirkung begründet ist, die dadurch hervorgerufen wird, daß die Schraubenfeder der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform dem zweistufigen Hochfestigkeits-Kugelstrahlen unterzogen wird.

Nach erfolgter Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist es für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen daran durchgeführt werden können, ohne vom Bereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder mit den aufeinanderfolgenden Schritten:

Bilden eines Drahtes mit:

C in einer Menge von 0,55 bis 0,75 Gew.-%;

Si in einer Menge von 1,00 bis 2,50 Gew.-%;

mindestens zwei Primärmetallen, ausgewählt aus der Gruppe von Primärmetallen bestehend aus:

Mn in einer Menge von 0,30 bis 1,5 Gew.-%;

Ni in einer Menge von 1,00 bis 4,00 Gew.-%;

Cr in einer Menge von 0,50 bis 2,50 Gew.-%;

Mo in einer Menge von 0,10 bis 1,00 Gew.-%;

mindestens einem Sekundärmetall, ausgewählt aus der Gruppe von Sekundärmetallen bestehend aus:

V in einer Menge von 0,05 bis 0.50 Gew.-%;

Nb in einer Menge von 0,05 bis 0.60 Gew.-%; und

dem Rest von im wesentlichen Fe;

Ölvergüten des durch Kaltdrahtziehen hergestellten Drahtes;

gekennzeichnet durch Warmtempern des Drahtes, wodurch ein geglühter Draht hergestellt wird, dessen Zugfestigkeit σb in den Bereich von 1370 bis 1670 N/mm² fällt; Kaltformen; Härten und Tempern; Schleifen der Auflagefläche; Gasnitrieren; zweistufiges Hochfestigkeits- Kugelstrahlen; und autogenes Entspannen des Drahtes.

2. Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder gemäß Anspruch 1,

bei dem das zweistufige Hochfestigkeits-Kugelstrahlen aufweist:

ein erstes Kugelstrahlen, das ein Impellerabschleudern durchführt, dessen Geschwindigkeit in den Bereich von 70 bis 100 m/s fällt, unter Verwendung eines Strahlmediums, dessen Härte in den Bereich von HV 650 bis HV 850 fällt und dessen Durchmesser in den Bereich von 0,6 bis 1,0 mm fällt; und

ein zweites Kugelstrahlen, das ein pneumatisches Abschleudern durchführt, dessen Luftdruck in den Bereich von 0,3 bis 0,7 MPa fällt, unter Verwendung eines Strahlmediums, dessen Härte in den Bereich von HV 700 bis HV 900 fällt und dessen Durchmesser 0 in den Bereich von 0,15 bis 0,3 mm fällt, oder SB.

3. Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder gemäß Anspruch 1, bei dem das Gasnitrieren bei Temperaturen von 420 bis 550ºC durchgeführt wird.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

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