DE69220608T2

DE69220608T2 - Verfahren zum Herstellen ölgehärteten, hochfesten und hochzähen Stahldrähten für Federn, mittels einer Durchlaufwärmebehandlung

Info

Publication number: DE69220608T2
Application number: DE69220608T
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Nitta; Hiroharu Sawada; Heiji Sugita; Masao Toyama
Original assignee: Sugita Wire Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sugita Wire Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1991-04-10
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 1997-10-16
Anticipated expiration: 2012-04-10
Also published as: CA2065641A1; EP0509407B1; TW208719B; KR0180748B1; US5302216A; EP0509407A1; CA2065641C; KR920019949A; DE69220608D1; JPH04311529A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Bereich der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von ölangelassenen Stahldrähten für Federn. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von ölangelassenen Stahldrähten für hochfeste und hochzähe Federn (wie beispielsweise Schraubenfedern) mittels Durchlaufwärmebehandlung.

2. Beschreibung des Standes der Technik:

Die Herstellung von Federn aus ölangelassenem Stahldraht umfaßt eine Serie vom Durchlaufwärmebehandlungen (einschließlich Ölhärten und Ölanlassen in einem Salzbad) von Stahldrähten und nachfolgendes Umformen (Sekundäre Bearbeitung) von angelassenen Stahldrähten zu Federn. Bei einem alternativen Herstellungsverfahren wird mit der Warmumformung von Stahldraht zu Federn begonnen, dem Durchlaufwärmebehandlungen folgen, die Ölhärten und Ölanlassen beinhalten.
Die FR-A-2461009 offenbart ein zweischrittiges Härten eines Stahldrahtmaterials mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,40%, bei dem die erste Phase in Öl bewirkt wird und die nachfolgende Phase in Wasser bewirkt wird. Aufgrund der chemischen Zusammensetzung kann bei dem Stahldrahtmaterial ausschließlich beim Ölhärten ohne weiteres eine martensitische Umwandlung durchgeführt werden.
Der Grund für die Verwendung des Ölhärtens liegt darin, daß Stahldrähte für Federn aus der Gruppe SUP6, SUP7 (Si-Stahldrähte: 0,56-0,64%C) sowie SUP12 (Si-Cr-Stahldrähte: 0,51- 0,59%C) gemäß der JIS 4801 ausgewählt werden, die beim Wasserhärten anfällig für Härterisse sind. Außerdem wird das Ölhärten und das Ölanlassen für eine verbesserte Produktivität nacheinander durchgeführt.
Grundsätzlich bedeutet Härten eine Serie von Schritten, bei denen ein Stahl auf eine Temperatur höher als der AC&sub3;-Umformungspunkt gehalten wird, wodurch sich Carbide im dem Stahl in Form von fester Lösung ausformen und sich das austenitische Gefüge ausbildet und Abschrecken des Stahls in einem Kühlmedium, wodurch das martensitische Gefüge ausgebildet wird. Das Abschrecken führt oftmals zu Problemen, wie beispielsweise Abschreckdehnungen und Härterisse, und zwar abhängig von dem verwendeten Kühlmedium. Eine Vielzahl von Gegenmaßnahmen, die nachstehend angegeben werden, sind vorgeschlagen worden.
(1) Verwendung eines Mineralöls als Abschreckmedium, welchem verschiedene Zusätze zugegeben worden sind, so daß ein angemessenes Verhältnis zwischen der Kühltemperatur und der Kühlzeit für die bestimmten Anforderungen beim Abschrecken aufgestellt wird. Das Abschrecköl sollte in Anbetracht seiner Viskosität und anderen Faktoren bei ungefähr 80ºC verwendet werden.
(2) Verwendung eines kürzlich entwickelten Abschreckmediums, das eine wäßrige Ölemulsion ist. Dieses weist ein Verhalten auf, das ähnlich demjenigen des Abschrecköls ist. Jedoch führt es im Fall einer starken Abkühlung von einer hohen Temperatur auf eine normale Temperatur zu einem Ungleichgewicht zwischen der Schrumpfverformung aufgrund der Kühlung und einer Ausdehnungsverformung aufgrund der martensitischen Umwandlung. Bei einer ällgemeinen Maßnahme zur Überwindung dieses Nachteils wird der Stahl aus dem Bad entfernt, wenn das Abschreckmedium heißer als die normale Temperatur ist bzw. wenn der Stahl immer noch eine höhere Temperatur hat.
(3) Die Verwendung eines neuen Abschreckverfahrens, welches zur Verbesserung der Tieftemperaturfestigkeit eines hochfesten Stahls in Form eines Grobblechs (nicht in Form von Drähten für Federn) führt. Dieses besteht aus zwei Schritten zum Abschrekken unter Verwendung desselben Abschreckmediums (Wasser), um den kontrollierten Abschreckeffekt zu erzeugen. Es kann als "zweischrittiges langsames Abschreckverfahren" bezeichnet werden.
Zwischenzeitlich haben Versuche zur Verringerung des Gewichtes von Automobilen zu der Entwicklung von hochfesten Federn geführt. Diese benötigen einen hochfesten Stahldraht, der die Eigenschaft aufweist, das er sich nicht deutlich hinsichtlich seiner Zähigkeit verschlechtert, wenn ihm eine hohe Festigkeit gegeben wird. Üblicherweise ergibt sich bei einer höheren Festigkeit eine verminderte Zähigkeit. Eine Möglichkeit, um diese beiden Eigenschaften aneinander anzugleichen, besteht darin, den Kohlenstoffgehalt zu verringern und dem Stahl für die benötigte Härtbarkeit eine Vielzahl von Legierungselementen zuzugeben.
Konventionell angelassene Stahldrähte für Federn werden über eine Durchlaufwärmebehandlung hergestellt, die ein Ölhärten und ein Anlassen umfaßt. Im Falle eines stark kohlenstoffhaltigen Stahls mit einer geringen Menge an Legierungselementen ist ausschließlich Ölhärten ausreichend und selbst ein mitunter unvollendetes Ölhärten führt zu einer Erhöhung auf die gewünschte Zähigkeit. Jedoch bewahrheitet sich dies nicht bei einem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, der eine große Menge an Legierungselementen enthält und der -wie oben beschrieben worden ist- durch Härten hochzäh und hochfest werden soll. In diesem Fall führt ausschließlich das Ölhärten nicht zu der gewünschten Härtewirkung, was dazu führt, das die angelassenen Federn weder die hohe Zähigkeit noch die hohe Festigkeit (2000 N/mm² und mehr) aufweisen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um den oben beschriebenen Anforderungen für Stahldrähte gerecht zu werden. Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von ölangelassenen Stahldrähten für Federn mit sowohl einer hohen Zähigkeit als auch einer hohen Festigkeit unter Verwendung von Durchlaufwärmebehandlung (Ölanlassen) bereitzustellen.
Der jüngste Trend zur Gewichtsverringerung führte zu einer Nachfrage nach hochfesten Federstählen. Bei Versuchen, diesen Anforderungen zu genügen, wurde die Menge an Legierungselementen erhöht bzw. neue Legierungselemente hinzugefügt. Jedoch waren diese Versuche nicht erfolgreich, da derartige neue Stähle nicht zu einer Erhöhung auf ein ausreichendes martensitisches Gefüge führten, wenn diese durch konventionelles Ölhärten behandelt wurden.
Auf Grundlage der voranstehend genannten Erkenntnisse haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Serie von Versuchen an dem Verfahren zur Durchführung von Durchlaufwärmebehandlungen durchgeführt, um eine zufriedenstellende Abschreckwirkung ohne Härterisse bei der Herstellung von ölangelassenen Stahldrähten für Federn mit sowohl hoher Festigkeit als auch hoher Zähigkeit zu schaffen, wobei der Stahl ein Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt war, der eine verbesserte Härtbarkeit aufwies.
Als Ergebnis hat sich herausgestellt, daß ein derartiger neuer Stahl eine hohe Festigkeit aufweist, sofern er in einem zweischrittigen Härten, welches aus einem ersten Schritt zum Ölhärten (in herkömmlicher Weise) und einem zweiten Schritt zum Kühlen bei einer geringen Temperatur (unterhalb der normalen Temperatur) besteht, behandelt wird. In dem ersten Schritt soll eine starke Abkühlung für die kritische Zone und eine geringe Abkühlung für die gefährliche Zone durchgeführt werden, so daß sich ein kleinstmöglicher Temperaturunterschied (und somit eine entsprechende Verformung) zwischen der Innenseite und der Außenseite ergibt. Der zweite Schritt fördert die Umformung des Restaustenits in Martensit. Als Ergebnis ergibt sich ein angelassener Stahl, der ein stabiles martensitisches Gefüge mit einem minimalen Verformungsunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite aufweist.
Kurz gesagt, wird die vorliegende Erfindung in einem Verfahren zum Herstellen von ölangelassenen Stahldrähten für Federn mit hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit unter Verwendung von Durchlaufhärten und -anlassen aus einem niedriglegierten Federstahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, der ausschließlich beim Ölhärten im wesentlichen keine martensitische Umwandlung durchläuft, verkörpert, wobei die Verbesserung ein zweischrittiges beschleunigtes Härten umfaßt, das aus einem Ölhärten und direkt nachfolgendem Wasserhärten und nachfolgend durchgeführtem Anlassen besteht. Die Erfindung wird in Anspruch 1 angegeben, wobei bevorzugte Ausführungsbeispiele in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei einem bestimmten Stahl angewendet, aus dem ölangelassene Stahldrähte für Federn hergestellt werden. Der Stahl ist ein niedriglegierter Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, der ausschließlich beim Ölhärten im wesentlichen keine martensitische Umwandlung durchläuft.
Wie oben beschrieben worden ist, ist das übliche Abschreckmedium für das Ölhärten derart ausgestaltet, daß es aufgrund seiner Viskosität und anderen beschränkenden Faktoren bei ungefähr 80ºC eingesetzt wird. Mit einem derartigen Abschreckmedium ist es möglich, eine vollständige martensitische Umformung in dem Fall zu erhalten, bei dem der Stahl eine chemische Zusammensetzung aufweist, die einem Mf-Punkt (die Temperatur, bei der die martensitische Umformung beendet ist) von weniger als 80ºC entspricht. Der niedriglegierte Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, der ausschließlich beim Ölhärten keine vollständige martensitische Umwandlung durchläuft, kann als Stahl definiert werden, der einen Mf-Punkt von weniger als 80ºC (genauer gesagt zwischen 10ºC und 70ºC) aufweist.
Der niedriglegierte Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, aus dem hochfeste, hochzähe Federn hergestellt werden können, umfaßt derartige Stähle, die eine mittlere Kohlenstoffmenge (0,40 - 0,65 %), Si und Mn als wesentliche Bestandteile und wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Cr, Ni, Mo und V, enthält.
Der Mf-Punkt von Stahl kann anhand der bekannten unten angegebenen Formel berechnet werden:
Mf = 285 - 333 x C(%) - 34 x Mn(%) - 35 x V(%) - 20 x Cr(%) - 17 x Ni(%) - 11 x Mo(%) - 10 x Cu(%) - 5 x W(%) + 15 Co(%) + 30 x Al(%).
Sofern der oben beschriebene Federstahl eine konventionelle Durchlaufwärmebehandlung durchläuft, die aus einem Ölhärten und Anlassen besteht, setzt sich dieser hauptsächlich aus Martensit und teilweise aus Restaustenit zusammen. Beim Anlassen wandelt sich das Martensit in Sorbit um, wobei jedoch das Restaustenit teilweise unverändert bleibt und sich teilweise in Bainit umformt. Der sich ergebende Stahl weist keine ausreichende Zähigkeit und keinen ausreichenden Ermüdungswiderstand auf, so daß ihm zwangsläufig die hohe Festigkeit fehlt.
Das voranstehend Ausgeführte bewahrheitet sich jedoch nicht bei der Durchlaufwärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung, da das zweischrittige Härten lediglich zu einer beschränkten Menge (weniger als 10 %) an Restaustenit führt, wobei der Rest stabiles Martensit ist, und sich beim nachfolgenden Anlassen das Martensit in stabiles Sorbit umwandelt, in dem die Carbide vollständig ausgeschieden sind. Daraus folgt, daß der sich ergebende Stahl sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Zähigkeit aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Härten in zwei Schritten bewirkt. Der erste Schritt ist das konventionelle Ölhärten, der zur martensitischen Umwandlung mit einigem unverändert bleibenden Austenit führt. Das für dieses Härten verwendete Kühlmedium umfaßt eine Vielzahl von konventionellen Härteölen sowie gleichfalls wäßrige Ölemulsionen. Die bestmögliche Härtetemperatur liegt in einem Bereich um 80ºC, was höher als die AC&sub3;-Umformungstemperatur des Stahls ist. Der Stahl wird von dem Öl durch Bürsten im Anschluß an das Ölhärten gereinigt. Das auf der Oberfläche des Stahldrahtes verbleibende Öl kann eine nachteilige Wirkung auf das nachfolgende Wasserhärten haben.
Dem Ölhärten (als erster Schritt) folgt sofort das Wasserhärten (als zweiter Schritt), bei dem der Stahl auf unterhalb des Mf- Punkt bei einer angemessenen Wassertemperatur (Kühlrate) abgekühlt werden soll. Dieses Wasserhärten führt zu einem hinreichend stabilen Martensit (mit einer geringen Menge an verbleibendem Austenit). Die bestmögliche Menge an Martensit für die individuellen Stähle (mit unterschiedlichen Mf-Punkt) kann über die Härtewassertemperatur eingestellt werden.
Dem Wasserhärten (als zweiter Schritt) folgt unmittelbar ein Anlassen bei 300-500ºC gemäß einem konventionellen Verfahren. Das Anlassen führt zu Sorbit, welches sich sehr gut für hochfeste, hochzähe Federn eignet.
Die Durchlaufwärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei Stählen in Form von Drähten (nicht Federn) sowie in Form von warmgeformten Federn angewendet werden. Im erstgenannten Fall durchlaufen die Stahldrähte das zweischrittige Härten und das nachfolgende Anlassen und die angelassenen Stahldrähte werden zu Federn ausgeformt. Im letzteren Fall durchlaufen die Federn das zweischrittige Härten und das nachfolgende Anlassen.

BESTE ART ZUM DURCHFÜHREN DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele verdeutlicht, wobei diese nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken sollen.

BEISPIELE

Ein Stahl mit einer chemischen Zusammensetzung und einem Mf- Punkt gemäß der Darstellung in Tabelle 1 wurde zu einem Stahldraht (11,0 mm Durchmesser) für Federn durch Schmelzen, Gießen und Ziehen in vorbekannter Weise geformt. Der Stahldraht durchlief das Härten und Anlassen im Durchlaufverfahren bei den in Tabelle 2 genannten Bedingungen. Der wärmebehandelte Stahldraht wurde hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
Wie der Tabelle 3 zu entnehmen ist, führt das erfindungsgemäße zweischrittige beschleunigte Härten zu einem ausreichenden Martensit, insbesondere für den Fall eines legierten Stahls mit einem geringen Mf-Punkt, der nach dem Anlassen eine hohe Zähigkeit (dargestellt durch eine Querschnittsverminderung von ungefähr 20 %) und eine hohe Festigkeit (dargestellt durch eine Zugfestigkeit von ungefähr 2000 N/mm²) aufweist. Es wurde bestätigt, daß der derart geschaffene Stahldraht zu Federn verarbeitet werden kann, die sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Zähigkeit aufweisen. Es sollte herausgestellt werden, daß das übliche Verfahren (bei dem das Härten ausschließlich durch Ölhärten durchgeführt wird) nicht zu einer ausreichenden Festigkeit nicht nur für den Fall eines Kohlenstoffstahls, sondem auch für den Fall eines Stahls mit einem geringen Mf-Punkt führt.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT

Wie oben beschrieben worden ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren, welches aus einem zweischrittigen, beschleunigten Härten und Anlassen besteht, vorzugsweise bei einem niedriglegierten Stahldraht mit mittlerem Kohlenstoffgehalt für Federn angewandt werden. Der sich ergebende angelassene Stahldraht kann zu Federn verarbeitet werden, die sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Zähigkeit aufweisen.
Mithin trägt die vorliegende Erfindung erheblich zur Steigerung der Festigkeit von Federn bei, was dem Bedürfnis nach Gewichtsverringerung entspricht. Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 3

Claims

1. Verfahren zum Durchlaufhärten und -anlassen von ölangelassenen Stahldrähten für hochfeste und hochzähe Federn, bei dem ein niedriglegierter Stahldraht mit mittlerem Kohlenstoffgehalt mit einer einem Mf-Punkt von weniger als 80ºC entsprechenden chemischen Zusammensetzung, die Kohlenstoff mit einer Menge von 0,40 - 0,65 Gew.-%, Si, Mn und wenigstens einer Art, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Cr, Ni, Mo und V, enthält und der ausschließlich beim Ölhärten im wesentlichen keine martensitische Umwandlung durchläuft, auf eine erhöhte Temperatur erwärmt wird, ein zweischrittiges beschleunigtes Härten durchgeführt wird, bei dem der erwärmte Stahldraht einer Ölhärtung unterzogen wird, Öl von dem Stahldraht abgewischt wird, unmittelbar gefolgt von einem Wasserhärten zur Herstellung eines gehärteten Stahldrahtes und nachfolgend ein Anlassen des gehärteten Stahldrahts zur Herstellung eines angelassenen Stahldrahtes durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der niedriglegierte Stahldraht mit mittlerem Kohlenstoffgehalt eine einem Mf-Punkt von 10ºC bis 70ºC entsprechende chemische Zusammensetzung aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweischrittige beschleunigte Härten derart durchgeführt wird, daß der gehärtete Stahl größtenteils aus stabilem Martensit zusammengesetzt ist, wobei der Rest weniger als 10% Restaustenit ist, und daß das Anlassen derart durchgeführt wird, daß der angelassene Stahl aus angelassenem Martensit zusammengesetzt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlassen bei einer Temperatur in einem Bereich von 300ºC bis 500ºC durchgeführt wird.