DE2345882C2

DE2345882C2 - Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs mit guten Federeigenschaften

Info

Publication number: DE2345882C2
Application number: DE2345882A
Authority: DE
Inventors: Berthold Dr.Phil. 5990 Altena Wenderott
Original assignee: Vereinigte Deutsche Metallwerke AG
Current assignee: Vereinigte Deutsche Metallwerke AG
Priority date: 1973-09-12
Filing date: 1973-09-12
Publication date: 1975-06-26
Also published as: SE7411480L; AT336903B; DE2345882B1; ATA584574A; GB1477182A; US3915760A; CH597357A5

Description

a) vor der lernen, noch wenigstens m% Quer-

b) nach dieser Kaltumformung wenigstens 1,5 Minuten bei 350 bis 600⁰C anlaßgeglüht wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Federwerkstoffs mit hohem Elastizitätsmodul, hoher Federbiegegrenze, einer Konstanz der Federcharakteristik bei hohen Temperaturen sowie einer guten Korrosionsbeständigkeit.

Als Federwerkstoffe werden bisher hochchromhaltige Stähle und Nickel-Legierungen sowie die sehr teuren Kupfer-Beryllium- und Kupfer-Kobalt-Beryllium-Werkstoffe benutzt. Mit diesen können jedoch die vielfach sehr hohen Anforderungen nicht immer

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ao zeichnet, daß in der Nickel-Legierung Nickel bis tu 10% durch Kobalt und/oder bis zu 6% durch Eisen ersetzt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß in der Nickel-Legierung Titan »5 befriedigend erfüllt werden. Die ebenfalls häufig verganz oder teilweise durch Zirkonium und/oder wendete Kupfer-Zinn-Legierung CuSn8 hat beispiels-Niob ersetzt ist. weise einen Elastizitätsmodul von 11 700 kp/mm² und

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, eine Federbiegegrenze vcn 40 kp/mm^s. Die sehr teuren dadurch gekennzeichnet, daß der Nickel-Legierung und daher nur in wenigen Sonderfällen einsetzbaren noch bis zu 2 % Chrom und/oder Molybdän züge- 30 Kupfer-Beryllium-Werkstoffe haben einen Elastizitätssetzt sind. modul von 13 500 kp/mm* und eine Federbiegegrenze

zwischen 80 und 105 kp/mm*. Diese für Raumtemperatur geltenden Werte sind in vielen Fällen noch ausreichend. In zunehmendem Maße werden jedoch Werk-Konstanz der Federcharakteristik bis über 3 80° C 35 stoff e benötigt, deren Konstanz der Federcharakteristik sowie guter Korrosionsbeständigkeit und Weiter- bis zu verhältnirmäßig hohen Temperaturen reicht.

Die üblichen Federwerkstoffe auf Kupferbasis, wie die Kupfer-Zink- und Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen, sind nur bis zu Temperaturen von 150 bis 200⁰C zu gebrauchen. Die nicht rostenden und hitzebeständigen Stähle sowie die hochchromhaltigen Nickel-Legierungen weisen eine befriedigende Konstanz der Federeigenschaften bis etwa 300⁰C auf. Nur die sehr teuren Kupfer-Beryllium-Werkstoffe sind bis zu Temperatüren von 350 bis 375°C im Dauerbetrieb einsetzbar, ohne daß ihre Federcharakteristik sich wesentlich ändert.

Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit sind die bekannten Federwerkstoffe alle mehr oder weniger

stanz der Federcharakteristik bis über 400° C sowie 50 unbefriedigend. So neigen beispielsweise die chromguter Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekenn- legierten Stähle und Legierungen bei Anwesenheit von

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung eines Federwerkstoffes mit einem Elastizitätsmodul von über 15 000 kp/mm¹¹, einer

verarbeitbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel-Legierung

a) bei über 900° C lösungsgeglüht,

b) anschließend in Wasser abgeschreckt,

c) mit wenigstens 40% Querschnittsminderung kaltverformt und

d) wenigstens 1,5 Minuten bei 350 bis 500°C, vorzugsweise bei 400 bis 450° C, anlaßgeglüht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung eines Federwerkstoffs mit einem Elastizitätsmodul von über 18 000 kp/mm*, einer Federbiegegrenze von über 90 kp/mm*, einer Konzeichnet, daß die Nickel-Legierung

a) bei über 900⁰C lösungsgeglüht,

b) anschließend mit weniger als 15°C/Stunde auf unter 35O⁰C abgekühlt,

c) nach weiterer Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Querschnittsabnahme von wenigstens 60 bis 80% kaltverformt wird und

d) wenigstens 1,5 Minuten bei 450 bis 600° C, vor-

Chlorionen zur Spannungsrißkorrosion, die sich auf die Dauerschwingfestigkeit einer Feder verheerend auswirken kann.

Bekannt sind als Federwerkstoffe auch aushärtbare Nickel-Kupfer-Aluminium-Legierungen, die neben 50 bis 85% Nickel und 45 bis 10% Kupfer noch 2 bis 4% Aluminium sowie wenigstens 0,25% und weniger als 1 % Titan und von 0,05 bis 0,3 % Kohlenstoff ent-

zugswdse"bei"500'bTs750"°C, anläßgeglÜhTwird ^{6o halten}· ^Außerdem können diese Legierungen noch eins

oder mehrere der Elemente Silizium, Mangan und

7. Verfahren nach Anspruch 6 zur Herstellung Eisen in folgenden Mengen enthalten: Si 0,05 bis 1%; von Gegenständen aus einem Federwerkstoff mit Mn 0,05 bis 2%; Fe 0,05 bis 10%.

höchsten Federkennwerten, dadurch gekennzeich- Diese Legierungen besitzen zwar eine vergleichs-

net, daß ein wenigstens 60 Minuten dauerndes An- 65 weise gute Korrosionsbeständigkeit, haben aber wegen

laßglühen angewendet wird. der hohen Al-Gehalte den Nachteil schlechter Lötbar-

8. Verfahren nach einem der Ansprüche It bis 6 keit. Sie erfordern wegen des träge ablaufenden Auszur Herstellung von Gegenständen aus Federwerk- härtungsvorgangs eine aufwendige und komplizierte

Wännebehandlung. Die daraus resultierende Unsicherheit hinsichtlich der Einstellung bestimmter Materiallcennwene macht es verständlich, daß beispielsweise Angaben über den Ε-Modul und die Federbiegegrenze dieser Legierungen in der Literatur nicht oder nur mit großen Schwankungsbreiten angegeben werden. Derartige Kennwerte bzw. deren sichere Einstellung müssen für ein als Federwerkstoff angewendetes Material aber unbedingt vorliegen und mit Sicherheit zu erreichen sein. Anderenfalls ist ein solcher Werkstoff zur Herstellung von Präzisionsfedern nicht geeignet.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde,
einen Federwerkstoff zu schaffen, der besonders hohe
Werte im Elastizitätsmodul und in der Federbiegegrenze aufweist, dessen Konstanz der Federcharakte- 15 federn für die chemische Verfahrenstechnik wurde ein ristik auch bei höheren Temperaturen gewährleistet ist Federband miit den Abmessungen 100 · 0,8 mm und und der darüber hinaus eine gute Korrosionsbeständigkeit und Lötbarkeit besitzt Außerdem sollen der Aushärtungsmechanismus unkompliziert und die Federkennwerte reproduzierbar sein. 10

Überraschenderweise wurde gefunden, daß diese Aufgabe gelöst werden kann, wenn man von einer Nickel-Legierung mit 25 bis 35% Kupfer, 3 bis 6% Mangan, 0,1 bis 3% Titan, 0,1 bis 1,0% Aluminium, 0,3 bis 2,5% Eisen, Rest Nickel einschließlich her- »5 stellungsbedingter Verunreinigungen ausgeht und diese vor der letzten Kaltumformung, die mindestens 40% betragen soll, bei über 900⁰C lösungsglüht und nach der genannten Kaltumformung wenigstens 1,5 Minuten bei 350 bis 600⁰C anlaßglüht.

Unter den gleichen Bedingungen lassen sich auch Nickel-Legierungen zu Federwerkstoffen verarbeiten, bei denen gegenüber der erstgenannten Legierung Nickel bis zu 10% durch Kobalt und/oder bis zu 6% .......

durch Eisen ersetzt ist. Ferner kann in der Nickel- 35 danach unkontrolliert an Luft abgekühlt. Das 4 mm Legierung Titan ganz oder teilweise durch Zirkonium dicke Band wurde danach überschliffen und mit nor-

weise ein wenigstens 60 Minuten dauerndes Anlaßglühen angewendet. Kommt es hingegen diarauf an, daf I die Gegenstände, vorzugsweise Bänder aus Federwerkstoff, absolut plan sind, so wird vcrteilhafterweise im Durchlaufglühverfahren mit effektiven Verweii-Zfchen von 1,5 bis 5 Minuten anlaßgeglüht, Elei Gegenständen, bei denen es vornehmlich auf höchste Federkennwerte ankommt, wird hingegen zweckmäßigerweise 60 bis 180 Minuten im Einsatzofen anlaßgeglüht. Die Erfindung wird aß Hand der folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1 Für die Herstellung von hochbeanspruchten Teller-

folgenden Eigenschaften benötigt:

Elastizitätsmodul mind. 18 000 kp/mm*; Federbiegegrenze mind. 100 kp/mm*;

Temperaturkonstanz der Federcharakteristik bis 450⁰C im Dauerbetrieb;

Chemische Beständigkeit gegen Medien mit Ätznatrongehalten bis 20%.

Für die Herstellung des Federbandes wurde die als Schweißzusatz-Legierung bekannte Mickel-Legierung folgender Zusammensetzung gewählt: Nickel 64,73%, Mangan 3,43%, Titan 2,42%,

Kupfer 29,00%, Aluminium 0,17%.

Die Gußblöcke wurden bei Temperaturen von 1150 bis 1000⁰C auf 4 mm Dicke warmgewalzt und von der Walzendtemperatur in einer wärmeisolierten Grube langsam mit 10 bis 12°C/Minute auf 3:50° C und

und/oder Niob ersetzt sein. Schließlich ist es auch möglich, der Nickel-Legierung noch bis zu 2 % Chrom «nd/oder Molybdän zuzusetzen.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht man zur Herstellung eines Federwerkstoffs mit einem Elastizitätsmodul von über 15 000 kp/mm*, einer Federbiegegrenze von über 80 kp/mm¹, einer Konstanz der Federcharakteristik bis über 380° C sowie guter Korrosionsbeständigkeit und Weiterverarbeitbarkeit am zweckmäßigsten so vor, daß die Nickel-Legierung bei über 90O⁰C lösungsgeglüht, anschließend in Wasser abgeschreckt, mit wenigstens 40% Querschnittsminderung kaltverformt und wenigstens 1,5 Minuten bei 350 bis 500⁰C, vorzugsweise bei 400 bis 450° C, anlaßgeglüht wird.

Zur Herstellung eines Federwerkstoffs mit einem Elastizitätsmodul von über 18 000 kp/mm*, einer Federbiegegrenze von über 90 kp/mm*, einer Konstanz malen Stichabnahmen auf die Fertigabmessung von 0,8 mm Dicke kaltgewalzt. Da hinsichtlich der Planheit des Bandes keine besonderen Anforderungen bestanden, wurde es im Coil bei 550°C 2 Stunden im Einsatzofen anlaßgeglüht. Folgende Werte wurden erreicht:

Elastizitätsmodul 18 900 kp/mm*, F'ederbiegegreuze 125 kp/mm*, Federcharakteristik nach 500 Stunden Dauerbetrieb bei 420 bis 450⁰C unverändert.

Während dieser Zeit kein merklicher Verschleiß durch Korrosion.

Beispiel 2

Für Miniatur-Schaltrelais wurde ein Federband mit den Abmessungen 20 · 0,20 mm benötigt, das einen Elastizitätsmodul von mindestens 18 000 kp/mm*, eine

der Federcharakteristik bis über 400⁰C sowie guter 55 Federbiegegrenze von über 90 kp/mm*, eine Tempe-Korrosionsbeständigkeii wird vorzugsweise so vor- raturbeständigkeit der Federcharakteristik bis mind.

so vorgegangen, daß die Nickel-Legierung bei über 900⁰C lösungsgeglüht, anschließend mit weniger als 15°C pro Stunde auf unter 35O⁰C abgekühlt, nach weiterer Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Querschnittsabnahme von wenigstens 60 bis 80% kaltverformt und wenigstens 1,5 Minuten bei 450 bis 600⁰C, vorzugsweise bei 500 bis 550⁰C, anlaßgeglüht wird.

400⁰C im Dauerbetrieb und eine Biegezahl von mind. 5 aufweisen sollte (Biegekante senkrecht zur Walzrichtung).

Ausgehend von der gleichen Legierung wie im Beispiel 1 wurde diesmal das Warmwalzband aus der Walzhitze (über 900° C) zur Einstellung des lösungsgeglühten Zustandes in Wasser abgeschreckt. Nach dem Schleifen und Kaltwalzen auf 1 mm Dicke, was

Kommt es bei den aus dem Federwerkstoff herzu- 65 dem 5fachen Wert der Endabmessung entspricht,

stellenden Gegenständen auf optimale Federkennwerte wurde das Band bei 900⁰C im Durchlaufverfahren

und weniger auf höchste Formtreue an, so wird bei unter Spaltgas zwischengeglüht und anschließend auf

der letztgenannten Verfahrensvariante zweckmäßiger- ein*; Dicke von 0,2 mm kaltgewalzt. Die Anlaßglüh-

behandlung erfolgte im Durchlauf bei 400⁰C und einer
Verweilzeit im Ofen von 2,5 Minuten.

ABe geforderten Federeigenschaften wurden erreicht. Auch die Verarbeitbarkeit beim Endverbraucher
warsinwandfreLAus diesemFederwerkstoff aufgebaute 5
Relais zeigten auch nach 1000 Stunden Funktionsprüfung keinerlei Unstetigketten.

Der erfindungsgemäß hergeste'He Federwerkstoff
erweist sich somit in fast jeder Beziehung den herkömmlichen Federwerkstoffen überlegen. Lediglich io
bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit, an die jedoch
nur bei stromführenden Federn Anforderungen gestellt werden, ist der erfindungsgemäß hergestellte
Werkstoff den herkömmlichen Werkstoff en aus Kupfer-

basislegierungen unterlegen. Er erreicht nur Werte, die in der Größenordnung von 0,8 bis 1,2 m/Qmm* liegen und damit den Weiten für nichtrostende Stähle bzw. hochchromhaltige Nickel-Legierungen entsprechen. In Sonderfällen, in denen neben besonders guten Federeigenschaften auch eine gute elektrische Leitfähigkeit gefordert wiro, können die erfmdungsgemäß hergestellten Werkstoffe entweder auf galvanischem Wege oder durch Walzplattieren mit Kupfer oder Silber beschichtet werden. Auf diese Weise wird der erfindungsgemäß hergestellte Federwerkstoff auch hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit den herkömmlichen Federwerkütoffen auf Kupferbasis angeglichen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Federwerkstoffs mit hohem Elastizitätsmodul, hoher Federbiegegrenze. guter Konstanz und Federcharakteristik bei hohen Temperaturen sowie hervorragender Korrosionsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nickel-Legierung mit 25 bis 35% Kupfer, 3 bis 6% Mangan, 0,1 bis 3% Titan, 0,1 bis 1,0% Aluminium, 0,3 bis 2,5% Eisen, Rest Nickel einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen

stoff, die absolut eben sein müssen, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlaßglühen im Durchlaufglühverfahren mit Verweilzeiten von 1,5 bis 5 Minuten durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 zur Herstellung von Gegenständen aus Federwerkstoffen, bei denen vornehmlich nur höchste Federkennwerte gefordert werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Einsatzofen 60 bis 180 Minuten anlaßgeglüht wird.