DE4233269A1

DE4233269A1 - Hochfester federstahl

Info

Publication number: DE4233269A1
Application number: DE4233269A
Authority: DE
Inventors: Masataka Shimotsusa; Masao Toyama; Sinichi Ohnishi; Takahiko Nagamatsu; Takenori Nakayama
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-10-02
Filing date: 1992-10-02
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2012-10-03
Also published as: CA2079734A1; FR2682124B1; DE4233269C2; CA2079734C; JP2842579B2; FR2682124A1; JPH05195153A; US5286312A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hochfesten Federstahl für Ventilfedern von inneren Brennkraftmaschinen, Achsfedern und dergleichen. Es handelt sich dabei insbesondere um einen Federstahl, welcher eine Zugfestigkeit von 200 kg/mm² und mehr aufweist, und welcher eine darüber hinaus sehr hohe Ermüdungs lebensdauer besitzt. Fernerhin weist derselbe eine sehr hohe Durchhängefestigkeit auf, so wie sie bei Federn erforderlich ist. Schließlich wird ebenfalls die Korrosionsfestigkeit verbessert, so daß auf diese Weise eine Korrosionsermüdung nicht so ohne weiteres stattfinden kann.

Chemische Zusammensetzungen von Federstählen sind in den JIS G3565 bis 3567, 4801 und dergleichen festgelegt. Bei Einsatz derartiger Federstähle werden dieselben wie folgt hergestellt: Zuerst wird das Material auf den gewünschten Drahtdurchmesser gewalzt. In der Folge erfolgt eine Ölabschreckung des Drahtes und eine Kaltformung der Feder. Man kann jedoch ebenfalls das Material walzen, erhitzen, anschließend im heißen Zustand eine Formung der Feder durchführen und schließlich den Abschreckungsvorgang vornehmen.

In letzter Zeit wurden hochfeste Stähle für Federn untersucht, um Kraftfahrzeuge leichterer Bauweise bauen zu können. Dabei besteht ein Bedarf nach Federstählen, welche eine Zugfestigkeit von 200 kg/mm² und mehr aufweisen. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Federstählen, deren Zugfestigkeit nach dem Abschreckvorgang ungefähr bei 160 bis 180 kg/mm² liegt. Bei derartigen bekannten Federstählen kann natürlich die Zug festigkeit auf 200 kg/mm² und darüber mit Hilfe einer Wärme behandlung erhöht werden. In diesem Fall reduziert sich jedoch die Ermüdungslebensdauer und die Durchhängefestigkeit, so wie sie bei Federn erforderlich ist. Darüber hinaus ist bekannt, daß die Korrosionsermüdung von Federstählen mit zunehmender Zugfestigkeit nach dem Abschrecken bzw. Härten sich verschlechtert. Ein Grund für die Abnahme der Korrosionser müdungsfestigkeit ist dabei folgender: Auf der Oberfläche der Feder ergibt sich während ihrer Verwendung eine Grubenkorrosion mit einer Tiefe von ungefähr 100 µ, von wo aus wegen der sich ergebenden Streßkonzentration Ermüdungsrisse ausgehen. Es ist fernerhin davon auszugehen, daß die Kerbempfindlichkeit linear mit zunehmender Festigkeit zunimmt. Aus diesem Grunde besteht die Gefahr, daß innerhalb relativ kurzer Zeitperioden Brüche und dergleichen auftreten. Wenn derartige Federelemente als Teile von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, welche wiederum einer stark korrosiven Umgebung - beispielsweise bei Vorhandensein von auf Straßen verstreutem Salz, - betrieben werden, so wie dies beispielsweise im Winter in Nordamerika der Fall ist, dann ergibt sich bei Federn das Problem des Auftretens einer Korrosionsermudung.

Unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Federstahl für hochfeste Federn zu schaffen, welcher eine Zugfestigkeit von 200 kg/mm² oder mehr aufweist, und welcher darüber hinaus eine ausgezeich nete Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung, Durchhängen und Korrosionsermüdung aufweist.

Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale erreicht.

Dabei ist es möglich, die Ermüdungsfestigkeit und die Feder eigenschaften zu verbessern, indem der Stahl gereinigt wird bzw. indem die Menge der vorhandenen Verunreinigungen begrenzt wird. Innerhalb eines vermessenen Bereiches von 160 mm² des betreffenden Stahls wird dabei die Anzahl von nicht metallischen Oxideinschlüssen wie folgt beschränkt: Einschlüsse mit mittleren Teilchengrößen von 50 µ oder mehr dürfen nicht vorhanden sein. Einschlüsse mit mittleren Teilchengrößen von 20 µ oder mehr dürfen hingegen höchstens 10 oder weniger vorhanden sein. Die unvermeidbaren Verunreinigungen werden fernerhin bei Sauerstoff innerhalb des Bereiches von 15 ppm oder weniger, bei 100 ppm Stickstoff oder weniger, bei Phosphor 100 ppm oder weniger und bei Schwefel 100 ppm oder weniger beschränkt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich an Hand der Unteransprüche. Zur Verbesserung der Korrosionsfestigkeit des betreffenden Stahls erscheinen dabei insbesondere die Merk male des Anspruches 5 von Bedeutung.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der sich ergebenden Resultate bei einem Dreh-Biege-Ermüdungsversuch unter Verwendung von Federstählen gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der mittleren Teilchengrößen von nichtmetallischen Oxideinschlüssen bei der Stahlprobe Nr. 1 und deren Verteilung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der mittleren Teilchengrößen der nichtmetallischen Oxideinschlüsse bei der Stahlprobe Nr. 30 und deren Verteilung und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der mittleren Teilchengrößen der nichtmetallischen Oxideinschlüsse bei der Stahlprobe Nr. 31 und deren Verteilung.

In dem folgenden sollen vorteilhafte Ausführungsformen der Er findung und deren Eigenschaften näher beschrieben werden.

Um die Materialfestigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Ermüdungslebensdauer zu verlängern, muß die Zähigkeit des Mate rials verbessert werden. Zur Verbesserung der Elastizitätsgrenze enthalten bekannte Federstähle Kohlenstoff in relativ großen Mengen. Zur Verbesserung der Zähigkeit erweist es sich jedoch im Rahmen der Erfindung als zweckmäßig, wenn der Kohlenstoffgehalt im Vergleich zu bekannten Federstählen erheblich verringert wird. Vom Standpunkt einer Verbesserung der Zugfestigkeit im Bereich von 200 kg/mm² und mehr bedingt eine Verringerung des Kohlenstoffgehalts unter Vermeidung von Legierungselementen eine Reduzierung der Zugfestigkeit nach dem Abschreck- bzw. Härtevorgang. Einer Verringerung des Kohlenstoffgehalts sind demzufolge Grenzen gesetzt. Darüber hinaus ist es erforderlich, daß die Zugabe von Legierungselementen jeweils in vorliegenden Bereichen erfolgt.

Im Rahmen der Erfindung wurde die Wirkung der verschiedenen Legierungselemente auf die Zugfestigkeit und die Zähigkeit nach dem Abschrecken bzw. Härten untersucht, wobei zur Verbesserung der Zähigkeit der Kohlenstoffgehalt im Bereich zwischen 0,3 und 0,5% gehalten wurde. Dabei ergab sich, daß durch die Zugabe von Legierungselementen in großen Mengen bei gleichzeitiger Reduzie rung des Kohlenstoffgehalts innerhalb des angegebenen Bereiches die Zugfestigkeit entsprechend verringert wird. Der Grund dafür ist, daß nach dem Abschrecken bzw. Härten die verbleibende Menge von Austenit linear mit den zugesetzten Mengen von Legierungs elementen ansteigt, was eine entsprechende Reduzierung der Zug festigkeit zur Folge hat. Von einem derartigen Gesichtspunkt aus ergibt es sich somit, daß zur Aufrechterhaltung der erforderli chen Zugfestigkeit und Zähigkeit bei hochfesten Federstählen die Legierungselemente nicht nur innerhalb geeigneter Bereiche lie gen müssen, sondern daß dieselben zusätzlich der folgenden Bedingung (1) genügen müssen:

500 - 333[C] - 34[Mn] - 20[Cr] - 17[Ni] - 11[Mo] 300 (1)

wobei in die [ ] die Gewichtsprozente der Stahlzusätze C, Mn, Cr, Ni bzw. Mo einzusetzen sind.

So wie dies bereits erwähnt wurde, wird jedoch bei hochfesten Stählen mit einer Zugfestigkeit von 200 kg/mm² und mehr die Korrosionsermüdungsfestigkeit ebenfalls verschlechtert. Der Grund dafür ist eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber Ober flächendefekten, welche bei Erhöhung der Festigkeit linear zunehmen. Wenn demzufolge eine aus einem derartigen Stahl gefertigte Feder einer korrosiven Umgebung ausgesetzt wird, ergibt sich auf deren Oberfläche eine Grubenkorrosion, von welcher aus Ermüdungsrisse ausgehen, was schließlich zu Brüchen und dergleichen führt. Um das Auftreten einer Grubenkorrosion auf der Oberfläche zu verhindern, wenn eine derartige Feder in der Folge einer korrosiven Umgebung ausgesetzt wird, erweist es sich demzufolge als notwendig, die verschiedenen Legierungs elemente in jeweils geeigneten Mengen zuzusetzen. Der Stahl gemäß der Erfindung enthält demzufolge Legierungselemente in vorgegebenen Mengen, um auf diese Weise die Grabenkorrosions festigkeit zu verbessern. Im Rahmen der Erfindung konnte dabei festgestellt werden, daß der Zusatz von Cr, Ni, Si und C eine starke Wirkung auf die Grubenkorrosionsfestigkeit besitzt. Die Grubenkorrosionsfestigkeit kann dabei wesentlich verbessert werden, indem die Legierungselemente der folgenden Bedingung (2) genügen:

50[Si] + 25[Ni] + 40[Cr] - 100[C] 230 (2)

wobei in die [] die Gewichtsprozente der Komponenten Si, Ni, Cr bzw. C einzusetzen sind. Auf diese Weise kann demzufolge ein Federstahl gewonnen werden, welcher eine ausgezeichnete Kor rosionsermüdungsfestigkeit besitzt.

Bei den Federstählen gemäß der Erfindung kann die Ermüdungs festigkeit durch Reinigung des Stahls vergrößert werden, indem die Mengen der nichtmetallischen Einschlüsse so klein wie möglich gemacht werden. Dabei hat es sich ergeben, daß die Teilchengröße der nichtmetallischen Oxideinschlüsse eine starke Wirkung auf die Ermüdungseigenschaften aufweisen. Durch Ver hindern der Anwesenheit von Einschlüssen mit einer mittleren Teilchengröße von 50 µ oder mehr und durch Begrenzung der vorhandenen Einschlüsse von 20 µm oder mehr auf 10 oder weniger innerhalb eines Meßbereiches von 160 mm² können bei dem Stahl ausgezeichnete Ermüdungseigenschaften erreicht werden. Die mittlere Teilchengröße bedeutet dabei den Mittelwert zwischen dem großen Durchmesser und dem kleinen Durchmesser derartiger nichtmetallischer Einschlüsse. Der gemessene Bereich liegt fernerhin der Bereich einer Oerflächenschicht bis zu einer Tiefe von 3 mm innerhalb Querschnittsfläche der Stahlprobe.

In dem folgenden sollen die Gründe erläutert werden, gemäß welchen bei dem Federstahl gemäß der Erfindung die chemischen Bestandteile begrenzt werden:

C: 0,3 bis 0,5%

C ist ein wichtiges Element zur Festlegung der Zugfestigkeit nach dem Abschrecken bzw. Härten. Falls der Kohlenstoffgehalt weniger als 0,3% beträgt, ist die Härte des Martensits nach der Abschreckung wesentlich verringert, so daß nach dem Abschrecken bzw. Härten eine sehr geringe Zugfestigkeit zustandekommt. Wenn jedoch der Kohlenstoffgehalt mehr als 0,5% beträgt, wird die Zähigkeit nach dem Abschrecken bzw. Härten verschlechtert. Dabei können ferner die gewünschten Eigenschaften gegenüber Ermüdung- und Korrosionsermüdung nicht erreicht werden.

Si: 1 bis 4%

Si ist ein wesentliches Element zur Verbesserung der Fest lösung. Wenn der Siliciumgehalt weniger als 1% beträgt, ist die Festigkeit der Matrix nicht ausreichend. Wenn jedoch der Sili ciumgehalt mehr als 4% beträgt, dann ist die Lösung des Carbids beim Erwärmen für den Abschreckvorgang nicht ausreichend. Wenn nämlich der Stahl vor dem Abschrecken nicht auf hohe Temperatu ren erhitzt wird, dann tritt keine zufriedenstellende Austeni sation auf, so daß auf diese Weise die Zugfestigkeit nach dem Abschrecken bzw. Härten verringert ist, während gleichzeitig die Durchhängfestigkeit der Feder verschlechtert wird. Um eine stabile Zugfestigkeit von 200 kg/mm² zu erhalten, sollte demzufolge der Siliciumgehalt vorzugsweise innerhalb des Be reichs von 1,5 und 3,5% liegen.

Mn: 0,2 bis 0,5%

Magnesium ist ein Element zur Verbesserung der Härtbarkeit. Um diesen Effekt in zufriedenstellender Weise zu erreichen, muß Magnesium in Mengen von 0,2% und mehr zugesetzt werden. Mn hat jedoch die Eigenschaft, daß die Wasserstoffdurchlässigkeit durch das Material nach dem Abschrecken und Härten vergrößert wird, so daß auf diese Weise innerhalb einer korrosiven Umgebung eine Wasserstoffversprödung eintritt. Demzufolge muß der Mn-Gehalt auf weniger als 0,5% beschränkt werden, um das Auftreten von Zwischenkornbrüchen zu verhindern, weil diese Zwischenkornbrüche durch Wassserstoffversprödung hervorgerufen werden. Eine derar tige Begrenzung muß jedoch ebenfalls vorgenommen werden, um eine Verringerung der Ermüdungslebensdauer zu vermeiden.

Ni: 0,5 bis 4.0%

Nickel hat die Eigenschaft, daß die Zähigkeit des Materials nach dem Abschrecken bzw. Härten verbessert, die Grabenkorrosions festigkeit erhöht und die Durchhängfestigkeit vergrößert werden. Um diese Eigenschaften zu erreichen, muß Nickel in Mengen von wenigstens 0,5% zugesetzt werden. Wenn jedoch der Nickelgehalt mehr als 4% beträgt, wird der Ms-Punkt erniedrigt, so daß auf Grund des verbleibenden Austenits die gewünschte Zugfestigkeit nicht erreicht werden kann. Zusätzlich ist Nickel relativ teuer, so daß es aus Wirtschaftlichkeitserwägungen heraus vorteilhaft erscheint, wenn der Nickel im Bereich zwischen 0,5 und 2% zu gesetzt wird.

Cr: 0,3 bis 5,0

Cr ist wirksam, um ähnlich wie Mn die Härtbarkeit zu verbessern, während gleichzeitig die Wärmefestigkeit erhöht wird. Auf Grund verschiedener Untersuchungen ergibt sich, daß mit diesem Zusatz die als wesentliche Federeigenschaft erscheinende Durchhäng festigkeit wesentlich verbessert werden kann. Um diesen Effekt zu erreichen, muß Chrom in Mengen von 0,3% und mehr zugesetzt werden. Wenn jedoch Chrom zu stark zugesetzt wird, besteht die Tendenz, daß nach dem Abschrecken bzw. Härten die Zähigkeit ab nimmt. Die obere Grenze des Cr-Gehaltes beträgt demzufolge 5%. Um jedoch eine gute Ausgeglichenheit zwischen Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen, sollte der Cr-Gehalt vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 0,3 und 3,5% liegen.

Mo: 0,1 bis 2,0%

Molybdän ist ein Element zur Erzeugung von Carbid. Dasselbe ist demzufolge wirksam, um die Durchhängfestigkeit und die Ermü dungsfestigkeit zu verbessern, indem feine Carbidteilchen beim Abschrecken zum Niederschlag gelangen, so daß auf diese Weise eine Sekundärhärtung zustandekommt. Wenn der Molybdängehalt weniger als 0,1% beträgt, ist die gewünschte Wirkung nicht ausreichend. Wenn jedoch der Molybdängehalt mehr als 2,0% beträgt, ergibt sich eine Sättigung der betreffenden Wirkung.

V: 0,1 bis 0,5%

Vanadium ist wirksam, um die Korngröße zu verkleinern, so daß auf diese Weise das Streßverhältnis und die Durchhängfestigkeit verbessert werden. Um diese Wirkung zu erzielen, muß Vanadium in Mengen von 0,1% oder mehr zugesetzt werden. Wenn jedoch der Vanadiumgehalt mehr als 0,5% beträgt, wird die Menge von nicht gelöstem Carbid innerhalb der Austenitphase während des Erhit zens für den Abschreckvorgang erhöht. Diese Carbidteilchen verbleiben dann als große massive Teilchen, wodurch die Er müdungslebensdauer verringert wird.

Bei den hochfesten Federstählen gemäß der Erfindung werden die oben erwähnten Legierungsbestandteile vorgesehen, während der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Um die sich ergebenden Eigenschaften zu verbessern, kann je nach Wunsch zusätzlich Nb und/oder Cu sowie Al und/oder Co vorgesehen sein. Diese zusätzlichen Bestandteile sind dabei die folgenden:

Nb: 0,05 bis 0,5%

Nb ist wirksam, um das Kristallisationskorn zu verkleinern und demzufolge ähnlich wie Vanadium das Belastungsverhältnis sowie die Durchhängfestigkeit zu verbessern. Um diesen Effekt zu er reichen, muß Nb in Mengen von 0,05% oder mehr zugesetzt werden. Wenn jedoch der Nb-Gehalt mehr als 0,5% beträgt, ergibt sich eine Sättigung der Wirkung bzw. es bilden sich nach dem Erhitzen vor dem Abschreckvorgang Carbide bzw. Nitride, wodurch die Ermüdungslebensdauer verringert wird.

Cu: 0,1 bis 1,0%

Cu ist ein Element, welches im Vergleich zu Eisen elektro chemisch edler ist. Kupfer hat demzufolge die Funktion, daß die Grabenkorrosionsfestigkeit verbessert wird, indem innerhalb einer korrosiven Umgebung eine generelle Korrosion unterstützt wird. Um diese Funktion zu erreichen, muß Cu in Mengen von 0,1% oder mehr zugesetzt werden. Wenn jedoch der Cu-Gehalt mehr als 1,0% beträgt, ergibt sich eine Sättigung der Wirkung bzw. es besteht die Gefahr, daß während des Heißwalzvorgangs eine Sprödigkeit des Materials zustandekommt.

Al: 0,01 bis 0,1%

Aluminium ist ein Element, mit welchem eine Entoxidation erleichtert wird. Um diesen Effekt zu erreichen, muß Al in Mengen von 0,01% oder mehr zugesetzt werden. Wenn jedoch der Aluminiumgehalt mehr als 0,1% beträgt, werden grobe nicht metallische Einschlüsse von Al₂O₃ gebildet, was zu einer Ver ringerung der Ermüdungsfestigkeit führt.

Co: 0,1 bis 5,0%

Cobalt ist wirksam, um eine Verfestigung durch Bildung einer Festlösung zu erreichen. Fernerhin wird eine Verschlechterung der Zähigkeit unterdrückt, während gleichzeitig die Korro sionsfestigkeit verbessert wird. Um diese Wirkung zu erreichen, muß Co in Mengen von 0,1% oder mehr, vorzugsweise 1,0% oder mehr zugesetzt werden. Da jedoch Cobald relativ teuer ist, sollte die obere Grenze des Cobaltgehalts auf 5,0% festgelegt werden.

O, N, P und S als unvermeidbare Verunreinigungen bilden in nerhalb des Stahls nicht-metallische Einschlüsse, so daß auf diese Weise eine Verschlechterung der Zugfestigkeit der Er müdungseigenschaften oder der Wasserstoffversprödung zustan dekommt. Demzufolge sollten diese Verunreinigungen so klein wie möglich gemacht werden. So lange sie jedoch innerhalb der fol genden angegebenen Grenzen vorhanden sind, ergeben sich keine erheblichen Nachteile.

O: 15 pm oder weniger - N: 100 ppm oder weniger

Sauerstoff ist ein Element zur Erzeugung nicht-metallischer Oxideinschlüsse, insbesondere von Al₂O₃, welche als Ausgangs punkte für Ermüdungsbrüche wirken und die Zugfestigkeit ver schlechtern. Zur Erzielung hochfester Stähle sollte der Sauerstoffgehalt innerhalb des Bereiches von 15 ppm oder we niger, vorzugsweise 10 ppm oder weniger liegen. Stickstoff ist ein Element zur Verringerung der Streckbarkeit und der Zähig keit, so daß der Gehalt innerhalb des Bereiches von 100 ppm oder weniger liegen sollte.

P: 100 ppm oder weniger - S: 100 ppm oder weniger

P ist ein Element zur Erzeugung einer Korngrenzenabtrennung, so daß auf diese Weise eine Sprödigkeit des Materials zustan dekommt. Das betreffende Element unterstützt dabei eine Was serstoffversprödung, welche linear mit dem Phosphorgehalt ansteigt. Zur Erzielung einer hohen Festigkeit sollte der Phosphorgehalt vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 100 ppm oder weniger liegen. Schwefel hingegen ist eine Verunreinigung, mit welcher nicht-metallische Einschlüsse von MnS erzeugt wer den, was ebenfalls zu einer Versprödung des Materials führt. Demzufolge sollte der S-Gehalt vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 100 ppm oder weniger liegen.

Bei der Herstellung von hochfesten Federn unter Verwendung von Federstählen mit Zusammensetzungen, so wie sie oben beschrieben sind, welche den erwähnten Bedingungen (1) und (2) genügen, kann eine Abschreckung bzw. Härtung unter der Bedingung erfolgen, daß die Endtemperatur beim Abschrecken 50°C oder weniger beträgt. Auf diese Weise kann eine Feder hergestellt werden, welche die gewünschte Festigkeit und Zähigkeit besitzt. Beim Abschrecken der Feder wird vorzugsweise eine Abschreckung in Öl verwendet, um auf diese Weise das Auftreten von Abschreckrissen zu vermei den. Die Öltemperatur beim Abschrecken liegt im allgemeinen im Bereich von 70 bis 80°C, um auf diese Weise eine gewünschte Viskosität des Öls und ähnliche Eigenschaften zu erreichen. Beim Abschrecken mit Öl ist es jedoch vielfach schwierig, die Endtem peratur beim Abschrecken auf 50°C oder weniger zu verringern. Wenn jedoch im Rahmen eines ersten Schrittes eine Abschreckung in Öl und unterhalb einer Temperatur von 500°C oder weniger an schließend eine Abschreckung in Wasser vorgenommen wird, oder wenn dem Wasser ein wasserlösliches Abschreckmedium zugesetzt wird, um das Auftreten von Abschreckrissen zu vermeiden, dann kann auf diese Weise die oben erwähnte Abschreckbedingung eingehalten werden.

Die Erfindung soll nunmehr unter Bezugnahme auf das folgende Beispiel erläutert werden.

Beispiel

Stähle mit den Zusammensetzungen entsprechend den Tabellen 1 und 2 und Proben-Nummern 1 bis 31 wurden geschmolzen. Jeder Stahl wurde dann unter Bildung eines Stabes mit Querschnittsabmessun gen von 115 mm×115 mm geschmiedet und anschließend in eine Stange mit einem Durchmesser von 11 mm gewalzt. Diese Stange wurde einer Wärmebehandlung ausgesetzt und anschließend gezogen. Der auf diese Weise erzeugte Draht wurde in einem Ölbad abge schreckt bzw. gehärtet, und zwar derart, daß die Temperatur vor dem Abschrecken 950°C betrug, während die Temperatur bei der Härtung auf 400°C gehalten war. Mit Hilfe dieses Drahtes wurden verschiedene Proben hergestellt, um auf diese Weise Prüfungen bezüglich der Zugfestigkeit, der verbleibenden Scherfestigkeit, der Biegefestigkeit und der Korrosionsfestigkeit durchzuführen. Die Proben wurden dabei den folgenden Bedingungen ausgesetzt:

Messung der verbleibenen Scherfestigkeit

Daten der Feder

- Drahtdurchmesser: 9,0 mm
- mittlerer Windungsdurchmesser der Feder: 85 mm
- Gesamtwindungszahl: 7
- effektive Anzahl von Windungen: 5,5
- freie Höhe der Feder: 320 mm

Einstellbare Belastung

- maximale Scherbelastung: 40 kg/mm²
- Meßklemmbeanspruchung: 130 kg/mm²
- Testtemperatur: 80°C
- Testdauer: 72 Stunden

Berechnungsmethode für die verbleibende Scherbelastung

TΔp = 8DΔp/πd³ (2)

T = Gγ (3)

Aus Gleichung (2) und (3) ergibt sich

γΔp = TΔp/G × 100

wobei
TΔp: die Torsionsbeanspruchung in kg/mm² equivalent der Belastungsverlustmenge
d: Drahtdurchmesser (mm)
D: der mittlere Windungsdurchmesser
p: die Belastungsverlustmenge
G: der Modul der Querelastizität in kg/mm² (Adoptation bei 8000 kg/mm²)

Test der Dreh-Biegeermüdung

Testbedingungen

- Testtemperatur: Raumtemperatur
- Oberflächenbedingung: shot peening finish Beurteilung der Ermüdungsgrenze
- Testbeanspruchung nach zweifachem Durchlauf von 10⁷ Zyklen

Messung der nicht-metallischen Oxideinschlüsse

- Material: Längsschnitt des gewalzten Materials mit einem Durchmesser von 11 mm
- gemessene Fläche: 160 mm² (3 mm unterhalb der Oberflächen schicht)
- Meßgerät: optisches Mikroskop
- mittlere Teilchengröße: Mittelwert aus großen und kleinen Durchmesser x 1/2

Korrosionstest

- Nach Salzbesprühung während 8 Stunden in 14 Zyklen Beruhigung während 16 Stunden in 65% Luftfeuchtigkeit bei 35°C
- Messung der Grabtiefe: Beobachtung des Querschnitts nach Wärmebehandlung in einem optischen Mikroskop.

Die sich ergebenden Meßdatendaten sind in den Tabellen 3 und 4 zusammen mit den Werten der Gleichungen (1) und (2) wiederge geben. Zusätzlich ist die Anzahl der vorhandenen nichtmetal lischen Metalleinschlüsse angegeben, bei welchen die mittlere Teilchengröße 20 µm und mehr innerhalb eines Meßbereiches von 160 mm² war.

An Hand der in den Tabellen 3 und 4 angegebenen Resultate ergibt sich folgendes:

1. Wenn der Kohlenstoffgehalt wie im Fall der Probe Nr. 17 weniger als 0,3% beträgt, ist die Zugfestigkeit nicht aus reichend, d. h. dieselbe beträgt weniger als 200 kg/mm². Wenn jedoch der Kohlenstoffgehalt entsprechend Probe Nr. 18 mehr als 0,5% beträgt, beträgt die Zugfestigkeit mehr als 200 kg/mm². Dabei ist jedoch die Flächenreduktion RA erheblich ver schlechtert. Bei allen Stählen, bei welchen gemäß den Proben 19, 20, 22, 24, 25 oder 26 zu geringe Mengen von Si, Mn, Ni, Cr oder Mo vorhanden waren, beträgt die Zugfestigkeit weniger als 200 kg/mm². So wie sich dies an Hand der Testprobe Nr. 28 ergibt, falls die Legierungszusätze zwar innerhalb des festgelegten Bereiche liegen, sie jedoch nicht der Bedingung (1) genügen, ist die Härtung nicht ausreichend, so daß nach der Wärmebehandlung die Zugfestigkeit in nicht ausreichendem Maße erhöht wird.

2. An Hand des Vergleichs der Scherfestigkeit und der Durch hängfestigkeit besitzt die betreffende Probe eine ausgezeichnete Durchhängfestigkeit, weil dieselbe gegenüber dem Vergleichs beispiel die höhere Festigkeit aufweist. Wenn gemäß der Probe Nr. 11 Nb in ausreichenden Mengen zugefügt wird, ist die verbleibende Scherbelastung erheblich reduziert, so daß auf diese Weise die Durchhängfestigkeit wirksam verbessert werden kann.

3. Die Eigenschaften der Drehbiegeermüdung wird durch grobe nichtmetallische Oxideinschlüsse des Stahls erheblich beein flußt. Während bei Stählen mit Zugfestigkeiten von 200 kg/mm² oder mehr die Ermüdungsfestigkeit linear mit der Materialfe stigkeit ansteigt, werden die Ermüdungseigenschaften ent sprechend der Anzahl der vorhandenen nichtmetallischen Oxidein schlüsse mit Teilchengrößen von 20 µm oder mehr wesentlich beeinflußt. Wenn die Anzahl dieser Einschlüsse entsprechend den Proben Nr. 17, 18, 22 bis 27, 30 oder 31 mehr als 10 pro 160 mm² ist, wird die Ermüdungsfestigkeit verschlechtert. Darüber hinaus bilden nichtmetallische Oxideinschlüsse mit Größen von 50 µm oder mehr sehr leicht Ausgangspunkte für Ermüdungsbrüche, so daß auf diese Weise die Ermüdungseigen schaften erheblich verschlechtert werden.

Fig. 1 zeigt in Form einer graphischen Darstellung die Resultate der Drehbiegeermüdung bei der Probe Nr. 1. Die betreffende Figur zeigt fernerhin die Resultate bei den Vergleichsstählen Nr. 30 und 31, bei welchen die Anzahl der nichtmetallischen Oxidein schlüsse mit mittlerer Größe von mehr als 20 µm oder mehr ver ändert war. Die Fig. 2 bis 4 zeigen ferner Darstellungen der mittleren Teilchengrößen der nichtmetallischen Oxideinschlüsse der Proben Nr. 1, 30 und 31 und deren Verteilung. An Hand dieser Figuren ergibt sich, daß grobe nicht-metallische Oxideinschlüsse einen negativen Einfluß auf die Ermüdungseigenschaften aufwei sen.

Bei den Korrosionstests ergibt sich, daß die Testproben Nr. 2, 9, 12, 13, 14, 15 und 16 den Bedingungen der Gleichung (2) genügen. Bei diesen Proben tritt eine erhebliche Redu zierung der Grabenkorrosionstiefe auf, so daß im Vergleich zu den Vergleichsproben eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit zustandekommt. Bei der Probe Nr. 17 wurde dem Stahl entsprechend Probe Nr. 1 in ausreichenden Mengen Kupfer zugefügt, wodurch sich durch eine entsprechende Reduzierung der Grabenkorrosions tiefe eine Verbesserung der Korrosionsfestigkeit ergab.

Tabelle 3

Erfindungsgemäße Stähle

Tabelle 4

Vergleichsproben

Claims

1. Hochfester Federstahl mit ausgezeichneter Ermüdungsfe stigkeit, dadurch gekennzeichnet,

- daß derselbe folgende Bestandteile enthält: 0,3-0,5% C (Prozent bedeutet generell Gewichtsprozent), 1,0-4,0% Si, 0,2-0,5% Mn, 0,5-4,0% Ni, 0,3-5,0% Cr, 0,1-2,0% Mo und 0,1-0,5% V, während der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind,
- ferner daß die oben genannten Bestandteile der folgenden Bedingung (1) genügen: 550 - 333[C] - 34[Mn] - 20[Cr] - 17[Ni] - 11[Mo] 300 (1)wobei in den [ ] die entsprechenden Gewichtsprozente der verschiedenen Bestandteile einzusetzen sind, und, daß nichtmetallische Oxideinschlüsse mit mittleren Teil chengrößen von 50 µm oder mehr nicht vorhanden sein dürfen, während mittlere Teilchengrößen von 20 µm oder mehr innerhalb eines Meßbereiches von 160 mm² nur 10 oder weniger sein dürfen.

2. Hochfester Federstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß derselbe zusätzlich 0,05-0,5% Nb und/oder 0,1-1,0% Cu enthält.

3. Hochfester Federstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe zusätzlich 0,01-0,1% Al und/oder 0,1-5,0% Co enthält.

4. Hochfester Federstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unvermeidbaren Verunrei nigungen bei Sauerstoff im Bereich von 15 ppm oder weniger, 100 ppm oder weniger bei Stickstoff, 100 ppm oder weniger bei Phosphor und bei Schwefel 100 ppm oder weniger liegen.

5. Hochfester Federstahl nach einem der vorangegangenen Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Korrosionsfestigkeit der Gehalt von C, Si, Ni und Cr der folgenden Bedingung (2) genügt: 50[Si] + 25[Ni] + 40[Cr] - 100[C] 230 (2)wobei in die [ ] die Gewichtsprozente der betreffenden Komponenten einzusetzen sind.