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Dokumentenidentifikation DE60219693T2 27.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001472383
Titel AUSSCHEIDUNGSHÄRTBARER AUSTENITISCHER STAHL
Anmelder Sandvik Intellectual Property AB, Sandviken, SE
Erfinder ZETTERHOLM, Gustaf, S-811-39 Sandviken, SE;
HOLMBERG, Hakan, S-802 69 Gävle, SE
Vertreter Dr. Weber, Dipl.-Phys. Seiffert, Dr. Lieke, 65183 Wiesbaden
DE-Aktenzeichen 60219693
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.12.2002
EP-Aktenzeichen 027921378
WO-Anmeldetag 11.12.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/SE02/02300
WO-Veröffentlichungsnummer 2003056053
WO-Veröffentlichungsdatum 10.07.2003
EP-Offenlegungsdatum 03.11.2004
EP date of grant 18.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse C22C 38/42(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine austenitische rostfreie Stahllegierung, genauer gesagt eine hochfeste ausscheidungshärtbare austenitische rostfreie Stahllegierung, welche einen gut ausgeglichenen Aluminiumgehalt und einen hohen Siliciumgehalt aufweist, ein Produkt, welches durch Kaltverformung, insbesondere Ziehen, ohne zwischengeschaltete Hitzebehandlung reduziert wird, dessen Festigkeit durch abschließende Hitzebehandlung bei 300°C bis 500°C um nicht weniger als 14% zunimmt, welches einen Md30-Wert von zwischen –55 und –100 hat, einen Kraftverlust von weniger als 3,0% bei 1400 N während 24 Stunden zeigt und welches für die Verwendung in Federanwendungen, wie Federn aus rundem Draht und Bandstahl, und in medizinischen Anwendungen, wie chirurgischen und zahnmedizinischen Instrumenten, sehr gut geeignet ist.

Hintergrund der Erfindung

Auf dem Markt für rostfreien Federstahl nehmen die kaltverformten austenitischen rostfreien Federstähle des Typs AISI 302 eine dominierende Position ein. Dies ist auf eine Kombination aus relativ guter Korrosionsbeständigkeit und der Möglichkeit des Kaltverormens des Materials zu einer beträchtlichen Festigkeit zurückzuführen, was eine Voraussetzung für ein gutes Federmaterial ist. Ausgehend von dem kaltverformten Zustand können die mechanischen Eigenschaften zusätzlich mittels einer einfachen Hitzebehandlung verbessert werden. Stahl des Typs AISI 631 ist mit Aluminium legiert, um die Steigerung der Festigkeit bei Hitzebehandlung noch weiter zu verbessern. Während der Kaltverformung findet eine Umwandlung von dem austenitischen Hauptbestandteil der geglühten Struktur zu Verformungsmartensit statt, welcher härter ist als die Phase, aus der er gebildet wurde. Dieses rasche Verformungshärten reduziert gleichzeitig die Duktilität des Materials, und aus diesem Grund muß das Weichglühen in einer oder mehreren Stufen in der Produktionskette durchgeführt werden. Dies verteuert den Herstellungsvorgang und erhöht gleichzeitig das Risiko, daß in dem Material Oberflächendefekte entstehen. Für Stahl des Typs AISI 631 bringt es die Zugabe von Aluminium mit sich, daß das Material während der Verfestigung nach dem Gießen in der Struktur tendenziell Ferrit bildet. Die resultierende austenitisch-ferritische Struktur und der relativ niedrige Legierungsgehalt führen zu einem raschen Verformungshärten, was bedeutet, daß nur moderate Reduktionen möglich sind, um Rißbildung während des Herstellungsvorgangs zu vermeiden. Alternativ werden Stähle der Typen AISI 304 und AISI 316 als Federstähle verwendet. Diese Stähle sind höher legiert und weisen einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt auf als Stähle der Typen AISI 302 und AISI 631. Dies führt dazu, daß bei diesem Stahltyp eine höhere Reduktionsrate ermöglicht werden kann. Der Nachteil bei diesen Stählen besteht darin, daß die Eigenschaften des resultierenden Produkts, die für eine gute Federfunktion wesentlich sind, häufig schlechter sind als für die Stähle der Typen AISI 302 und AISI 631. Ein Beispiel einer solchen Eigenschaft ist die Beständigkeit gegen Entspannung, was die Fähigkeit einer Feder beschreibt, ihre Federstärke im zeitlichen Verlauf beizubehalten.

Die US-A-6 106 639 beschreibt einen Cr-Ni-Cu-Stahl, der zwischen den Glühvorgängen stark reduziert werden kann. In der beispielhaften Ausführung wird eine Festigkeit von 1856 MPa bei einer Reduktion von &egr; = 3,41 (5,5 bis 1 mm) angegeben. Diese wird mit einer spezifizierten Festigkeit gemäß dem Standard von 2050 MPa verglichen. Laut der US-A-6 106 639 muß eine Hitzebehandlung durchgeführt werden, um zu ermöglichen, daß die Legierung Festigkeitswerte gemäß diesem Standard erreicht. Die Legierung gemäß der US-A-6 106 639 enthält Kupfer als die Festigkeit steigerndes Element bei Hitzebehandlung.

In der US-A 6 048 416 wird ein Cr-Ni-Cu-Stahl beschrieben, der Fahrzeugreifen in der Form von hochfestem Stahldraht verstärken soll. Um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen, muß die Legierung gemäß der US-A-6 048 416 hinsichtlich ihrer Zusammensetzung innerhalb eines Stabilitätsintervalls liegen, der durch einen sogenannten JM-Wert (JM = 551 – 462 × (C% + N%) – 9,2 × Si% – 20 × Mn% – 13,7 × Cr% – 29 × (Ni% + Cu%) – 18,5 × Mo%) ausgedrückt wird und welcher größer als –55, aber kleiner als –30 sein sollte. In der erfindungsgemäßen Legierung ist die kumulative logarithmische (&egr; = 2·In(S0/Sf)) Reduktionsrate auf einen maximalen Wert von 4 beschränkt. Dies entspricht einer maximalen Flächenreduzierung beim Drahtziehen von 98%. Neben Kupfer enthält die Legierung gemäß der US-A-6 048 416 kein ausscheidungshärtbares Element.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine hochfeste, ausscheidungshärtbare, austenitische rostfreie Stahllegierung bereitzustellen, die eine gut ausgeglichene Menge an Aluminium enthält und einen hohen Siliciumgehalt hat, ein Produkt, welches durch Kaltverformung, insbesondere Ziehen, ohne zwischengeschaltete Hitzebehandlung reduziert wird, dessen Festigkeit durch abschließende Hitzebehandlung bei 300°C bis 500°C um nicht weniger als 14% zunimmt, welches einen Md30-Wert von zwischen –55 und –100 zeigt, einen Kraftverlust von weniger als 3,0% bei 1400 N während 24 Stunden aufweist und welches zur Verwendung in Federanwendungen, wie Federn aus rundem Draht und Bandstahl, und medizinischen Anwendungen, wie chirurgischen und zahnmedizinischen Instrumenten, sehr gut geeignet ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele durch eine hochfeste, ausscheidungshärtbare, austenitische rostfreie Stahllegierung erreicht, die die folgende Zusammensetzung hat (in Gewichts-%): C mehr als 0 bis 0,07 Si 0,5 bis 3,0 N max. 0,1 Cr 15,0 bis 20,0 Ni 9,0 bis 10,0 Al 0,25 bis 1,5 Cu 2,4 bis 3,0 Mn > 0 bis 3,0 Mo 1,0 Ti > 0 bis 1,0

Rest Fe und üblicherweise auftretende Verunreinigungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt den Kraftverlust der Federn nach 24 Stunden mit erfindungsgemäßen Materialien im Vergleich zu AISI 302 und Charge Nr. 150725.

2 zeigt die abschließende Zugfestigkeit von erfindungsgemäßen Materialien im Vergleich zu AISI 302* (* – mit zwischengeschalteter Hitzebehandlung) und Charge Nr. 150725.

3 zeigt die abschließende Zugfestigkeit als eine logarithmische Funktion der kumulativen Reduktionsrate von erfindungsgemäßen Materialien im Vergleich zu Charge Nr. 150725.

4 zeigt schematisch ein Segment einer möglichen Ausführungsform eines Spreizrings in Seitenansicht.

5 zeigt in 5a den Ring in einer Draufsicht von oben. Die Enden werden durch die Kraft F aneinandergedrückt. In 5b ist der Ring in Seitenansicht gezeigt, und die Enden werden durch die Kraft F aneinandergedrückt. In 5c ist ein Teil des Spreizrings gezeigt, der ein flaches Federelement darstellt, und wie dieses durch die Kraft F beeinflußt wird.

6 zeigt verschiedene Ausführungsformen für Bandfedern.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Bedeutung der Legierungselemente für die vorliegende Legierung ist wie folgt:

  • Kohlenstoff (C) hat eine starke Neigung, sich mit Chrom zu vereinigen, was bedeutet, daß Chromcarbid in den Kristallkorngrenzen präzipitiert, wodurch die Umgebung der Masse an Chrom verarmt. So verschlechtern sich bei hohen Kohlenstoffgehalten die Korrosionseigenschaften des Materials und es kommt auch zu Problemen aufgrund von Versprödung, was insbesondere dann problematisch ist, wenn der Draht zu Federn geformt wird. Daher sollte der Kohlenstoffgehalt so gering wie möglich, auf mehr als 0,0 Gewichts-%, jedoch auf maximal 0,07 Gewichts-%, bevorzugt 0,05 Gewichts-% und am meisten bevorzugt auf maximal 0,035 Gewichts-%, gehalten werden.
  • Silicium (Si) hat eine Ferrit-stabilisierende Wirkung, was dazu führt, daß ein zu hoher Siliciumgehalt eine Zwei-Phasen-Struktur erzeugt. Daher sollte der Siliciumgehalt 3,0 Gewichts-% nicht übersteigen. Silicium ist jedoch auch dahingehend vorteilhaft, daß es bei Hitzebehandlung zu einer stärkeren Zunahme der Festigkeit des kaltverformten Produkts führt. Daher sollte der Siliciumgehalt nicht weniger als 0,5 Gewichts-% betragen und sollte im Bereich von 0,5 bis 3,0 Gewichts-%, bevorzugt zwischen 0,5 und 2,5 Gewichts-% liegen und am meisten bevorzugt 0,5 bis 1,5 Gewichts-% betragen.
  • Stickstoff (N) ist ein Legierungselement, welches zusammen mit Aluminium unerwünschte spröde Schlacken in Form von Aluminiumnitriden bildet. Weiterhin steigert Stickstoff das Verformungshärten bei der Kaltverformung, was in der vorliegenden Erfindung einen Nachteil darstellt. Daher ist es von größter Wichtigkeit, den Stickstoffgehalt so gering wie möglich zu halten, und zwar maximal auf 0,1 Gewichts-%, bevorzugt 0,05 Gewichts-%.
  • Chrom (Cr) ist hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit des Materials ein sehr wichtiges Legierungselement. Dies ist auf die Fähigkeit von Chrom zurückzuführen, eine passive Schicht aus Cr2O3 auf der Oberfläche des Stahls auszubilden. Damit sich diese passive Schicht bildet, ist es erforderlich, daß der Chromgehalt ungefähr 12,0 Gewichts-% überschreitet. Zusätzlich nimmt die Korrosionsbeständigkeit mit höherem Chromgehalt zu. Ein weiterer Vorteil von Chrom besteht darin, daß die austenitische Struktur des Materials gegen einen Übergang zu Martensit bei der Kaltverformung stabilisiert wird. Chrom wirkt jedoch Ferrit-stabilisierend, und somit sollte der Gehalt nicht zu hoch sein. Daher sollte in der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung der Chromgehalt nicht weniger als 15,0 Gewichts-% und nicht mehr als 20,0 Gewichts-% betragen und vorzugsweise im Bereich von 16,0 bis 19,0 Gewichts-% liegen.
  • Nickel (Ni) ist ein Legierungselement, welches, wenn es in ausreichender Menge vorliegt, sicherstellt, daß das Material bei Raumtemperatur eine austenitische Struktur bekommt. Des weiteren verbessert sich die Duktilität mit einem gesteigerten Nickelgehalt. Nickel ist jedoch ein teures Legierungselement, und hohe Gehalte bringen eine langsame Verformungshärtung mit sich, was wiederum zu Schwierigkeiten führt, eine ausreichende Festigkeit zu erzielen. Demnach sollte der Nickelgehalt im Bereich von 7,0 bis 12,0 Gewichts-%, bevorzugt zwischen 8,0 und 11,0 Gewichts-% und am meisten bevorzugt im Bereich von 9,0 bis 10,0 Gewichts-% liegen.
  • Aluminium (Al) ist in der vorliegenden Erfindung ein zentrales Legierungselement. Aluminium wird als ausscheidungshärtbares Element zugegeben, um die Festigkeit zu erhöhen, was wiederum die Beständigkeit gegen Entspannung beeinflußt. Während des Ausscheidungshärtens des kaltverformten Drahts bei 350–500°C bilden sich Präzipitate in Form von &bgr;-NiAl, was die mechanischen Eigenschaften anders als bei bislang bekannten Materialien verbessert. Dieser Effekt ist von größter Bedeutung, wenn der Draht in Form von Federn verwendet werden soll, deren Entspannungsbeständigkeit sehr hohen Anforderungen genügen muß. Ein Nachteil von Aluminium besteht darin, daß es Ferrit stabilisiert, und aus diesem Grund sollte der Aluminiumgehalt auf maximal 1,5 Gewichts-% beschränkt sein. Im Hinblick auf die obigen Ausführungen sollte der Aluminiumgehalt jedoch wenigstens 0,25 Gewichts-% betragen und vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 1,0 Gewichts-% liegen.
  • Kupfer (Cu) ist ein Legierungselement mit zwei wichtigen Eigenschaften. Erstens ist Kupfer ein austenitstabilisierendes Element, und zweitens verringert Kupfer das Verformungshärten des Materials und bringt eine verbesserte Duktilität mit sich. Da das Material ohne zwischengeschaltetes Glühen extremen Reduzierungen standhalten muß, sollte der Kupfergehalt möglichst hoch sein. Mit steigendem Kupfergehalt nimmt jedoch auch das Risiko unerwünschter Präzipitationen zu, wodurch die Duktilität des Materials abnimmt. Daher sollte der Kupfergehalt im Bereich von 0 ≤ Cu ≤ 4,0 Gewichts-%, bevorzugt zwischen 2,0 und 3,5 Gewichts-%, am meisten bevorzugt zwischen 2,4 und 3,0 Gewichts-%, liegen.
  • Mangan (Mn) hat eine ähnliche Wirkung wie Nickel, sowohl im Hinblick auf die Bildung von Austenit beim Härten als auch im Hinblick auf die Stabilisierung desselben gegen eine Umwandlung in Martensit beim Kaltverformen. Mangan steigert jedoch das Verformungshärten, was bei Nickel nicht der Fall ist. Dies führt zu einem schnelleren Verformungshärten und reduziert die größtmögliche Reduktionsrate zwischen den Glühvorgängen. Daher sollte der Mangangehalt mehr als 0,0 Gewichts-% betragen, jedoch auf maximal 3,0 Gewichts-%, bevorzugt auf maximal 1,0 Gewichts-%, beschränkt sein.
  • Molybdän (Mo) ist ein Ferrit-stabilisierendes Element mit einer sehr vorteilhaften Auswirkung auf die Korrosionsbeständigkeit in Chloridumgebungen. Etablierte PRE-(Lochfraß-Beständigkeits-Äquivalent) Formeln weisen Molybdän im Vergleich zu der Auswirkung von Chrom einen Faktor von ~3 zu. Ein hoher Molybdängehalt stabilisiert die Ferritphase in dem Stahl. Weiterhin besteht ein erhöhtes Risiko einer Präzipitation von intermetallischen Phasen, wie Sigmaphase. Daher sollte der Molybdängehalt mehr als 0,0 Gewichts-% betragen, jedoch nach oben auf 2,0 Gewichts-% beschränkt sein.
  • Titan (Ti) ist wie Aluminium ein ausscheidungshärtbares Element, welches zugegeben wird, um die Festigkeit zu erhöhen, was wiederum die Entspannungsbeständigkeit beeinflußt. Weiterhin ergibt Titan zusammen mit Silicium bereits bei niedrigen Titangehalten eine starke Hitzebehandlungswirkung. Titan wirkt jedoch stark Ferrit-stabilisierend, weshalb der Gehalt nicht zu hoch sein sollte. So sollte der Titangehalt mehr als 0,0 Gewichts-% betragen, jedoch nach oben auf 1,0 Gewichts-%, bevorzugt auf maximal 0,75 Gewichts-%, beschränkt sein.

Beschreibung des Testverfahrens

Die Testmaterialien wurden durch Schmelzen in einem Hochfrequenzofen hergestellt. Danach wurden alle Testblöcke vollständig gemahlen, ehe sie geschmiedet wurden. Die Blöcke wurden auf 103 × 103 mm Länge an Material geschmiedet. Die Heiztemperatur lag im Bereich zwischen 1240°C und 1260°C. Die Haltezeit bei voller Temperatur betrug 1 h. Bei der anschließenden Behandlung der Rohteile wurden die Rohteile vollständig gemahlen und mit Ultraschall getestet.

Drahtstäbe im Dimensionsbereich von ø 5,50 mm–ø 5,60 mm wurden hergestellt, indem die Rohteile auf 1200°C–1240°C erhitzt wurden, woraufhin sie zu ihrer endgültigen Dimension gewalzt und dann durch Abschrecken mit Wasser gekühlt wurden. Die heißgewalzten Drähte wurden dann durch Ziehen in einer konventionellen Ziehmaschine kaltverformt.

Die chemische Zusammensetzung der Legierungen in dem Testprogramm und der Referenzmaterialien in Gewichts-% ist in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1. Chemische Zusammensetzung (in Gewichts-%)

Die Festigkeit der Legierungen in kaltverformtem Zustand und nach der Hitzebehandlung bei uniaxialem Testen der Zugfestigkeit ist in Tabelle 2 gezeigt, wo die endgültige Zugfestigkeit dem maximalen Wert der Belastung im Länge-Belastungs-Diagramm entspricht. Alle Legierungen wurden mit einem logarithmischen kumulativen Reduktionsgrad von &egr; = 3,95 (was einer Flächenreduzierung von 98% entspricht) ohne zwischengeschaltete Glühvorgänge hergestellt. AISI 302 konnte nicht ohne Rißbildung auf &egr; = 3,95 kaltverformt werden; aufgrund der Rißbildung mußte vor dem Ziehen auf die endgültige Dimension ein Glühvorgang durchgeführt werden. Alle Legierungen haben jedoch den gleichen Drahtdurchmesser.

Die Hitzebehandlung wurde zu demselben Zweck durchgeführt wie bei Federstahl des Typs AISI 302, wodurch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erhalten wird. Dadurch werden mehrere wichtige Federeigenschaften, wie beispielsweise die Entspannungsbeständigkeit, beeinflußt, jedoch stärker als bislang bekannt.

Tabelle 2. Endgültige Zugfestigkeit vor und nach Hitzebehandlung
  • *Hitzebehandlungszeit = 1,5 h, Hitzebehandlungstemperatur = 350°C
  • **Hitzebehandlungszeit = 1,0 h, Hitzebehandlungstemperatur = 480°C

Zur Bewertung der Entspannungsbeständigkeit wurden Federn des zylindrisch-spiralförmigen Typs ohne abgeglichene Windungen hergestellt. Die Testergebnisse sind in Tabelle 3 zu sehen.

Tabelle 3. Federabmessungen

Die Federkraft (F) und die gesamte Abfederung (ft) wurden bei Raumtemperatur mittels einer Kraft-gegen-Belastung-Kurve bestimmt. Anschließend wurden die Federkonstante (C) und das Schermodul (G) unter Verwendung von Gleichung 1 und 2 berechnet. C = (F·Nv)/ftGleichung 1. G = (8·F·Nv·D3M/(ft·D4l)Gleichung 2.

Der Entspannungstest wurde durch Belasten von gebläuten Federn mit einer konstanten Belastung durchgeführt. Die Belastung wurde während der ersten fünf Minuten jede Minute abgelesen, und dann wurde die Anzahl an Ablesevorgängen reduziert. Jeder Test wurde nach vierundzwanzig Stunden gestoppt. Federn aus der jeweiligen Charge wurden zuerst auf vier verschiedenen Niveaus belastet. Die Entspannung wurde unter Verwendung von Gleichung 3 berechnet, und die Ergebnisse sind in 1 zusammengefaßt. R = ((F1 – F2)/F1)·100Gleichung 3. wobei

R
= Entspannung
F1
= anfängliche Belastung
F2
= Belastung zu gegebenem Zeitpunkt

In 1 ist zu erkennen, daß die Legierung mit einem sehr geringen Aluminiumgehalt, d.h. Charge Nr. 150725, sich weitaus stärker entspannt als die Legierungen in dem Testprogramm, die allesamt Aluminium als aktives Legierungselement aufweisen. Weiterhin haben alle Legierungen in dem Testprogramm eine äquivalente oder eine bessere Entspannungsbeständigkeit als AISI 302.

Md30/Nohara zeigt die Temperatur, bei der bei einer Kaltreduktionsrate von 30% 50% des Austenits in dem Stahl in Umwandlungs-Martensit umgewandelt werden. Ein höherer Wert für die Temperatur zeigt an, daß die Struktur stabiler ist (geneigter zur Bildung von Martensit) und zu einer höheren Rate der Kaltverformung in dem Stahl führt.

Der Md30-Wert nach Nohara wird durch die folgende Formel berechnet: Md30/Nohara = 551 – 462 × (C + N) – 9,2 × Si – 8,1 × Mn – 13,7 × Cr – 20 × (Ni + Cu) – 18,5 × Mo – 68 × Nb – 1,42 × (ASTM-Korngröße – 8).

Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse für die Testchargen 1 bis 7. Es wurde überraschend gezeigt, daß ein Stahl mit einer Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung die beste Hitzebehandlungswirkung bei Md30-Werten von zwischen –55 und –100 und die größte Zunahme der endgültigen Zugfestigkeit nach lediglich Kaltverformung ohne zwischengeschaltete Hitzebehandlung erzielt.

Tabelle 4: Md30/Nohara

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Im folgenden werden einige Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Diese sollen die Erfindung veranschaulichen, jedoch nicht beschränken.

Der Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung wird einer starken Kaltverformung unterzogen. Er kann zu Geometrien mit unterschiedlichem Querschnitt, beispielsweise rundem oder ovalem Draht, Profilen mit unterschiedlichem Querschnitt, beispielsweise rechteckigen, dreieckigen oder komplexeren Ausführungsformen und Geometrien, geformt werden. Runder Draht kann auch flachgewalzt sein.

Beispiel 1: Federn aus rundem Draht

Wie oben beschrieben, sind Federn aus Draht, die aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt sind, gewunden. Diese Federn haben gute Federeigenschaften hinsichtlich Entspannung, d.h. die Federkraft bleibt über einen langen Zeitraum erhalten, und werden in vorteilhafter Weise in typischen Federanwendungen, wie beispielsweise Federn in Schließanwendungen, d.h. mechanische Teile in der Schließvorrichtung, Federn in Aerosolbehältern, Stiften, insbesondere Kugelschreibern, Pumpfedern, Federn in Industriewebstühlen, Federn in der Fahrzeugindustrie, in der Elektronik, in Computern und in der Feinmechanik, verwendet.

Beispiel 2: Federn aus Bandstahl

Für flache Torsionsfedern ist das Drehmoment eine entscheidende Größe. Das Drehmoment kann wie folgt ausgedrückt werden

wobei:
M
= das Drehmoment der Feder
I
= Moment der Biegeträgheit (b·t3/12)
B
= Federbandbreite
T
= Federbanddicke
L
= ausgezogene Federlänge
n0
= Anzahl der Windungen in der freien Feder (unmontiert)
n
= Anzahl der wirksamen Windungen

Um das Drehmoment bei einer gegebenen Federgeometrie zu steigern, kann eine sogenannte Rückwindung verwendet werden. Bei einer sogenannten "elastischen" Windung wird die Feder dadurch vorgeformt, daß sie in einer Richtung entgegengesetzt zur Arbeitsrichtung gewunden wird. Dann findet eine Hitzebehandlung der Feder statt, wonach sie im Federgehäuse in die entgegengesetzte Richtung eingedreht wird. Bei einer sogenannten "Cross-curve"-Windung wird das Band auf einem Stift ausgebildet, woraufhin eine Hitzebehandlung stattfindet. Dann wird die Feder in die entgegengesetzte Richtung in das Federgehäuse eingewunden. Durch dieses Verfahren kann ein im Vergleich zu einer einfach gewundenen Feder kleinerer und manchmal sogar ein negativer Wert für n0 erhalten werden, siehe 6. Aufgrund der sehr guten Zunahme der Festigkeit bei Hitzebehandlung ist die Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Verwendung in Form von Torsionsfedern, wo ein sehr hohes Drehmoment und eine gute Entspannungsbeständigkeit erforderlich sind, sehr gut geeignet.

Beispiel 3: Expanderdraht

Ein Expander ist ein Stück Draht, welcher gewellt und zu einer flachen Feder geformt ist, die in Reihen angeordnet ist. Diese Feder wird beispielsweise verwendet, um den Druck der Ölabstreifringe auf die Zylinderwand in einem Verbrennungsmotor zu regulieren. Ein typischer Expander für Automotoren wird als der geschrumpfte Draht zwischen zwei Kolbenringen betrachtet. Eine mögliche Ausführungsform eines solchen geschrumpften Rings ist schematisch in 4 gezeigt.

Ein Nachteil motorbetriebener Fahrzeuge besteht heutzutage darin, daß ein großer Energieverbrauch erforderlich ist, um dem Fahrzeug die gewünschte Leistungsfähigkeit zu verleihen. Die einfachste Möglichkeit, einen reduzierten Energieverbrauch zu erzielen, besteht unter anderem darin, die innere Reibung des Antriebs zu verringern und die Gesamtmasse des Fahrzeugs zu reduzieren. Der Kolbenkern macht mehr als die Hälfte der Reibung eines Motors aus. Daher besteht nach wie vor ein Ziel darin, das Material und die Präzision der Ringe, Kolben und Zylinderwände zu verbessern, mit dem Zweck, das Leergewicht und den Lagerdruck zu verringern. Der Expander ist die Feder, die den Druck der Ölabstreifringe auf die Zylinderwand reguliert und so auch den Ölverbrauch und einen Teil der inneren Reibung eines Motors reguliert. Die Last des Expanderdrahts besteht aus der Kraft F, wie es in den 5a bis 5c gezeigt ist.

Für eine flache Feder, bei der die Last in einem Winkel von 90° zu der maximal belasteten Rückwand aufgebracht wird, läßt sich folgendes Verhältnis anwenden:

Gleichung (3) zeigt, daß die Drahtdicke, die für eine gegebene Eigenschaft erforderlich ist, von der Ausgestaltung des Expanders abhängig ist. Wenn die zulässige Dehnung des Materials erhöht wird, kann ein kleinerer Krümmungsradius zugelassen werden, was von großem Interesse ist, da Ringe kleinerer Typen hergestellt werden können. Die Möglichkeit, kleinere Ringe herzustellen, wird zunehmend wichtiger, da die Nachfrage nach kleinen Motoren mit wachsenden Umwelterfordernissen steigt.

Eine weitere Möglichkeit, den Vorteil einer größeren Festigkeit in dem Spreizring zu erzielen, besteht darin, eine Energiebetrachtung wie folgt durchzuführen.

Gleichung (4) zeigt, daß eine bestimmte elastische Energie für ein gegebenes Elastizitätsmodul eine Funktion des spezifischen Volumens, der Materialabnutzung und der zulässigen maximalen Spannung ist. Eine erhöhte zulässige maximale Spannung erhöht in der Regel die Material-Abnutzungs-Konstante, was in Kombination einen großen Einfluß auf das erforderliche spezifische Volumen hat. So ist es möglich, die durch das Materialvolumen erhöhte zulässige Spannung für ein anhaltendes Niveau elastischer Energie zu verringern.

Das Formen eines Spreizrings zu der komplexen Form ist nur mit weichen Materialien möglich. Die Bearbeitbarkeit ist der Hauptgrund für die Verwendung von rostfreiem Stahl. Für die Funktionsfähigkeit des Expanders sind die Dehngrenze und die endgültige Zugfestigkeit jedoch mindestens ebenso wichtig wie in allen Federanwendungen. Dies war früher ein Widerspruch, der schwierig zu handhaben war. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Stahls kann das Material in einem relativ weichen Zustand geformt werden, so daß es später in der endgültigen Form hitzebehandelt werden kann, woraufhin die gewünschten Federeigenschaften durch Ausscheidungshärten erzielt werden.

Beispiel 4: Flacher Draht

Diese Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird insbesondere in Anwendungsfällen verwendet, bei denen hohe Anforderungen an die Entspannungseigenschaften des Stahls gestellt werden, da er einer Kraft widerstehen sollte, ohne sich zu verformen. Dies macht den Stahl besonders geeignet für eine Verwendung z.B. als Draht für Scheibenwischer, wo eine gute Lochbarkeit des Ausgangsmaterials sich mit einer guten Entspannungsbeständigkeit des Endprodukts kombinieren sollte.

Beispiel 5: Runder und flacher Draht sowie Bandstahl für medizinische Anwendungen

Draht, der aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt ist, kann auch in medizinischen Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise in der Form von zahnmedizinischen Instrumenten, wie Feilen, wie z.B. Wurzelkanalfeilen, Nervenextraktoren und dergleichen, sowie chirurgischen Nadeln. Flachgewalzte Drähte aus dem erfindungsgemäßen Stahl können in vorteilhafter Weise für die Herstellung von zahnmedizinischen und chirurgischen Instrumenten verwendet werden.

All diese Anwendungsformen haben gemeinsam, daß sie komplexe Geometrien aufweisen, die in vorteilhafter Weise vor der letzten Hitzebehandlung durch Mahlen, Krümmen und/oder Torsion hergestellt werden und bei denen sich dann die mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise eine hohe Bruchfestigkeit in Kombination mit einer guten Duktilität, sehr verbessern.


Anspruch[de]
Hochfeste, austenitische, rostfreie Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie ausscheidungshärtbar ist und die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) hat: C mehr als 0 bis 0,07 Si 0,5 bis 3,0 N max. 0,1 Cr 15,0 bis 20,0 Ni 9,0 bis 10,0 Al 0,25 bis 1,5 Cu 2,4 bis 3,0 Mn max. 1,0 Mo max. 2,0 Ti max. 1,0
und Rest Fe zusammen mit üblicherweise auftretenden Verunreinigungen, wobei die Legierung durch Kaltverformung reduzierbar ist.
Hochfeste, austenitische, rostfreie Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Chrom in einem Gehalt zwischen 16,0 und 19,0 Gew.-% enthält. Hochfeste, austenitische, rostfreie Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Aluminium in einem Gehalt von 0,4 bis 1,0 Gew.-% enthält. Hochfeste, austenitische, rostfreie Legierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Silizium in einem Gehalt von 0,5 bis 2,5 Gew.-% enthält. Hochfeste, austenitische, rostfreie Legierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Silizium in einem Gehalt von 0,5 bis 1,5 Gew.-% enthält. Hochfeste, austenitische, rostfreie Legierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Md30-Wert zwischen –55 und –100 aufweist. Hochfeste, austenitische, rostfreie Legierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kraftverlust aufweist, der bei 1400 N während 24 h geringer als 3,0% ist. Hochfeste, austenitische, rostfreie Legierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in der Form von Draht, eines Profils und/oder eines Bandes vorliegt. Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer Legierung, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 8 angegeben ist, gekennzeichnet durch Reduzieren der Legierung durch Kaltverformung bei einer Reduktionsrate von mehr als 99% ohne zwischenzeitliche Wärmebehandlung. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung Ziehen ist. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung einer abschließenden Wärmebehandlung bei 300°C bis 500°C unterzieht, wobei eine Erhöhung der Festigkeit um wenigstens 14% erzielt wird. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Federanwendungen. Feder, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält. Feder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Feder aus rundem Draht ist. Feder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Feder aus Bandstahl ist. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in medizinischen Anwendungen. Chirurgisches Instrument, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält. Zahnmedizinisches Instrument, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält.






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