DE69220026T2 - Verfahren zur Herstellung von beschichteten Federn - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Farbe entwickelnden galvanisch beschichteten Federdraht und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben, und spezieller auf einen Farbe entwickelnden galvanisch beschichteten Federdraht, der in geeigneter Weise durch Größe, Material und dgl. gekennzeichnet ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.
- Ein aus Federdraht geformtes Produkt (d.h. eine Feder) wie z.B. eine Spiralfeder oder eine Blattfeder wird bei verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z.B. in Maschinenteilen, offiziellen Materialien und Bedarfsgegenständen des täglichen Lebens. Der Federstahl als Material für die oben genannte Feder umfaßt einen Federstahldraht undein Federstahlblech. Als Federstahldraht sind ein harter gezogener Stahldraht, ein Saitendraht und ein Stainless Steel-Draht, die im Japanese Industrial Standard (im folgenden JIS genannt) spezifiziert sind, bekannt.
- Diese Stahldrähte sind sich in ihrem Oberflächenfarbton ähnlich, und insbesondere der harte gezogene Stahldraht kann hinsichtlich seines Farbtons nicht vom Saitendraht unterschieden werden. Was den Stainless Steel-Draht angeht, so ist dieser im Vergleich zum harten gezogenen Stahldraht und zum Saitendraht glänzender; wenn er allerdings durch Ziehen in Öl (Naßziehen) endbearbeitet ist, kann er durch den Farbton nicht unterschieden werden. Diese Stahldrähte litten dementsprechend, wenn sie zu Federn ähnlicher Größe geformt waren, oft unter den Problemen, daß Federn, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt waren, vermischt wurden. Folglich wurden die Federprodukte leicht irrtümlich in einem mechanischen Aufbau eingebaut.
- Aus dem US-Patent Nr. 4 304 113 ist ein Stahlseil zur Verstärkung eines Gürtelreifens für Kraftfahrzeuge bekannt, das aus fünf Elementardrähten, die jeweils einen Durchmesser von z.B. 0,25 mm haben, besteht und bei dem der verdrehte Draht zu einem Band gestrickt ist, das um den Umfang des Reifens angeordnet ist. Somit erreicht das Stahlseil eine Verstärkung des Gürtelreifens als Kautschuk-Metallseil- Verbundmaterial. Der oben genannte Elementardraht wird durch die folgenden Schritte hergestellt: Auftragen einer galvanischen Cu-Beschichtung als untere Schicht und einer galvanischen Zn-Beschichtung als obere Schicht auf die Oberfläche eines Rohdrahtes, der einen Durchmesser von 1,3 mm hat, in einem Verhältnis der Dicken der galvanischen Beschichtungen von Cu:Zn = 7:3; Erhitzen des galvanisch beschichteten Drahtes bei etwa 400ºC für einen Zeitraum von einigen Minuten bis zu einigen zehn Minuten, um die galvanischen Schicht zu einer Cu-30 % Zn-Legierung zu legieren; und starken Ziehen des Drahtes mit einem Reduktionsgrad von 96,3 % auf einen Durchmesser von 0,25 mm. Während solcher Verfahren ändert sich die Farbe der Oberfläche der galvanischen Beschichtung von Weiß in Gold, das einen sehr schönen Farbton hat.
- Bei der Herstellung des oben erwähnten Stahldrahtes ist die Tatsache, daß der Oberflächenfarbton des Seils sich in goldfarben verändert, wertlos; das Ziel besteht in der Verbesserung der Ziehbarkeit und der Haftfähigkejt zwischen Kautschuk und Metall durch Legieren der galvanischen Beschichtung zu einer Cu-30 % Zn-Legierung. Dementsprechend wurde noch nie offenbart, der erzeugten Färbung einen Funktion zukommen zu lassen, indem das Material mit zwei verschiedenen Metallen galvanisch beschichtet wird, und thermische Diffusion angewendet wird.
- Außerdem hat der Stahl, der nur mit einer galvanischen Schicht aus Cu-30 % Zn-Legierung überzogen ist, kein Problem bezüglich der Korrosionsbeständigkeit, wenn er in Kautschuk eingebettet ist, wie dies bei dem Stahlseil der Fall ist, und wenn er somit von der Außenluft abgeschirmt ist. Im Fall einer Verwendung des obigen Stahls ohne daß er von der Außenluft abgeschirmt ist, ist seine Korrosionsbeständigkeit unzureichend und verursacht Probleme.
- Um ein versehentliches Vermischen der oben genannten Produkte, die aus unterschiedlichen Federdrahtmaterialien geformt sind, zu verhindern und auch um das gute Aussehen zu verbessern, wurden die folgenden Beschichtungen an Federstahldraht vorgenommen. Verschiedene Überzüge aus Hazfilm; getrocknete Beschichtungen aus Anstrichfarbe; Ionenplattieren durch PVD oder CVD und TiN-Beschichtung.
- Allerdings wird der Federstahldraht bei der Federformung einem starken Abrieb, fast einem Abscheuern, unterworfen, wenn er durch das Formwerkzeug geht, und wird noch nach der Federformung zur Verbesserung der Federcharakteristika einer Hitzebehandlung (Niedrigtemperaturglühen) bei 250ºC bis 400ºC für 2 bis 10 min unterworfen. Die Folge davon ist, daß Federstahldrähte, die mit einem Harzfilm oder einem trocknenden Anstrichmittel versehen sind, während der Federformung leicht an ihrer Oberfläche beschädigt werden, d.h. der Film löst sich ab und der Film wird während des Niedrigtemperaturglühens weich, was Schwächen in dem Film und wechselseitige Haftung der Federn verursacht. Der Federstahldraht, der mit einer Ionenplattierung versehen ist, leidet nicht unter den oben genannten Problemen, hat aber den Nachteil erhöhter Kosten. Daher sind die vorhandenen Techniken noch unbefriedigend.
- In Anbetracht der oben genannten Probleme wurde die vorliegende Erfindung gemacht, um die Unterscheidung zwischen Federstahlprodukten zu erleichtern, um ihr Oberflächenaussehen zu verbessern und um ihre Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, wobei das herkömmliche Herstellungsverfahren für Stahlseile, das oben angeführt wurde, ausgenützt wird.
- Zur Lösung der oben genannte Aufgabe haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ernsthafte Untersuchungen durchgeführt und festgestellt, daß die galvanische Beschichtung die Federcharakteristika des Federstahlmaterials nicht merklich verschlechtert, die Korrosionsbeständigkeit verbessert und außerdem bewirkt, daß die galvanische Beschichtung während des Niedrigtemperaturglühens nach der Federformung gefärbt wird. Daher ist es durch Auswahl geeigneter Farbtöne für das Federstahlprodukt möglich, ein derartiges Produkt in Größe und Material zu unterscheiden.
- In der vorliegenden Erfindung wird eine Metallbeschichtung für Federdraht bereitgestellt, die abwechselnde galvanische Beschichtungen aus Cu und Zn an der Oberfläche desselben aufweist, welche in einer thermischen Niedrigtemperaturdiffusion nach der Federformung legiert werden.
- Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung des galvanisch beschichteten Metalls für eine Feder bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfaßt: Aufbringen einer galvanischen Beschichtung aus abwechselnden Schichten von Cu und Zn in einem Dickeverhältnis der Zn-Schicht zu der Gesamtdicke der Schichten der galvanischen Beschichtung von 5 bis 45 % auf die Oberfläche eines Federstahldrahtes; Regulieren der endgültigen Dicke der galvanischen Beschichtung auf 2 bis 25 µm; Formen des Drahtes zu einer Feder; Erhitzen des geformten Produktes auf 250 bis 400ºC (Niedrigtemperaturglühen) und dadurch Färben der Beschichtung.
- In der vorliegenden Erfindung wird ferner eine galvanische Metallbeschichtung für eine Feder bereitgestellt, die eine galvanische Ni-Schicht an der Oberfläche derselben und nachfolgend abwechselnde Schichten aus Cu und Zn aufweist, die nach der Federformung in einer thermischen Niedrigtemperaturdiffusion legiert werden.
- In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Feder aus diesem beschichteten Material für eine Feder bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfaßt: Aufbringen einer dreischichtigen galvanischen Beschichtung aus Ni als untere Schicht, Cu als Zwischenschicht und Zn als obere Schicht, Regulieren des Verhältnisses der Dicke der Zn- Schicht zu der Gesamtdicke aus Cu-Schicht und Zn-Schicht auf 5 bis 45 %, Regulieren der Dicke der Ni-Schicht und der Gesamtdicke aus Cu-Schicht und Zn-Schicht auf 2 bis 30 µm bzw. 2 bis 25 µm; Formen einer Feder und Erhitzen des geformten Produktes auf 250 bis 400ºC (Niedrigtemperaturglühen), wodurch die galvanische Beschichtung gefärbt wird.
- Vor der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen soll die Funktion der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
- Eine galvanische Beschichtungsschicht aus Cu-Zn-Legierung, die durch Erhitzen einer zweischichtigen galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn legiert wurde, kann entsprechend der Erhitzungsbedingungen und dem Gehalt an Zn verschiedene Farbtöne aufweisen und gestattet auf diese Weise eine einfache Unterscheidung.
- Bei einer dreischichtigen galvanischen Beschichtung mit einer unteren Ni-Schicht, einer Cu-Zwischenschicht und einer oberen Zn-Schicht werden bei Erhitzen auf eine relativ niedrige Temperatur, damit keine wechselseitige Diffusion zwischen der unteren Ni-Schicht und der Cu-Zwischenschicht stattfindet, die Zwischenschicht und die Cu-Schicht und die obere Zn- Schicht durch wechselseitige Diffusion legiert, wobei eine galvanische Beschichtungsschicht aus Cu-Zn-Legierung gebildet wird. Diese kann in Abhängigkeit von den Erhitzungsbedingungen und dem Zn-Gehalt verschiedene Farbtöne aufweisen, was eine einfache Unterscheidung gestattet.
- Die vorliegende Erfindung bezweckt die Verhinderung des Vermischens von Produkten, die aus Federstahldrähten, die in Größe und Material unterschiedlich sind, gebildet sind, indem der Unterschied im Farbton der Farbe entwickelnden galvanischen Beschichtungsschicht ausgenützt wird; ferner bezweckt sie die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durch die Beschichtung aus Cu-Zn-Legierung und die galvanische Beschichtung aus Ni als untere Schicht. Wenn allerdings das Merkmal des aus Federstahl geformten Produktes im Gebrauch durch das Vorliegen der galvanischen Farbe entwickelnden Beschichtung zur Unterscheidung merklich verschlechtert wird, kann es nicht in Gebrauch genommen werden. Entsprechend wird die galvanische Farbe entwickelnde Beschichtung natürlich durch die besten Bedingungen festgelegt. Auch die galvanische Ni-Beschichtung als untere Schicht wird durch optimale Bedingungen festgelegt. Die vorliegende Erfindung wurde als Ergebnis genauer Untersuchungen der optimalen Bedingungen hinsichtlich der Unterscheidung der Produkte, der Federcharakteristika und der Korrosionsbeständigkeit vollendet. Im Nachfolgenden wird sie anhand der beigefügten Zeichnungen genau beschrieben werden.
- Ein harter, gezogener Stahldraht wurde mit einer zweischichtigen galvanischen Beschichtung (untere Schicht: Cu, obere Schicht: Zn) in einem Verhältnis der Dicke der oberen Zn-Schicht zu der gesamten Dicke der galvanischen Beschichtung von 30 % versehen. Er wurde gezogen und zu einer Spiralfeder geformt. Der geformte harte gezogene Stahldraht wurde unter verschiedenen Bedingungen der Temperaturen und der Zeit erhitzt und dann auf Veränderungen im Farbton der Oberfläche der galvanischen Beschichtung untersucht. Die Resultate sind in Figur 1 dargestellt.
- Außerdem wurde ein harter gezogener Stahldraht mit einer dreischichtigen Beschichtung (untere Schicht: Ni, Zwischenschicht: Cu, obere Schicht: Zn) versehen, und zwar in einem Verhältnis der Dicke der Zn-Schicht zu der Gesamtdicke der galvanischen Beschichtung aus Cu-Schicht und Zn-Schicht von 30 %. Er wurde gezogen und zu einer Spiralfeder geformt. der geformte harte gezogene Stahldraht wurden unter denselben Bedingungen wie im obigen Fall (zweischichtige galvanische Beschichtung) erhitzt und dann auf Veränderungen im Farbton der Oberfläche der galvanischen Beschichtung untersucht. Die Resultate waren die selben wie die im obigen Fall (Figur 1).
- Die Änderung im Farbton steht in enger Abhängigkeit zu der Erhitzungstemperatur und der Erhitzungszeit. Es tritt fast sofort eine Farbänderung von Weiß nach Gold auf, die mit dem bloßen Auge erkannt werden kann. Diese Veränderung erfolgt unter den folgenden Bedingungen im Temperaturbereich des praktischen Niedrigtemperaturglühens (250 bis 400ºC): bei 250ºC ist die Erhitzungszeit 4 min oder mehr und bei 400ºC ist die Erhitzungszeit 2 min oder mehr. Als Ergebnis dieser Untersuchungen kann die zur Erzeugung der obigen Farbänderung bei einer Temperatur T (ºC) im Bereich von 250 bis 400ºC erforderliche Erhitzungszeit < t> durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden:
- log t ≥ 1,193 - 2,386 x 10&supmin;³T (1)
- Außerdem wurde der harte gezogene Stahldraht mit derselben zweischichtigen Beschichtung wie in den obigen Experimenten versehen und ferner wurde die Dicke der Beschichtung verändert. Er wurde in der oben beschriebenen Art und Weise gezogen und zu einer Feder geformt. Dann wurde der resultierende harte gezogene Stahldraht für 5 min oder mehr auf 400ºC erhitzt, um so eine Beschichtungsschicht aus Cu-Zn- Legierung zu bilden; damit wurde die Beziehung zwischen dem Zn-Gehalt (%) in der Legierung und dem Farbton, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, beobachtet.
- Der harte gezogene Stahldraht wurde mit der obigen dreischichtigen Beschichtung versehen und die Dicke der galvanischen Beschichtung wurde verändert. Der Draht wurde in der obigen Weise gezogen und zu einer Feder geformt. Dann wurde der resultierende harte gezogene Stahldraht für 5 min oder mehr auf 400ºC erhitzt, um Cu in der Zwischenschicht und Zn in der oberen Schicht durch gegenseitige Diffusion unter Bildung einer galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn-Legierung zu legieren, wobei diese galvanische Beschichtung dieselbe Beziehung zeigte, wie im Fall der zweischichtigen galvanischen Beschichtung.
- In Figur 2 betrachtet man im Zn-Bereich von 10 bis 45 % einen schönen Goldton, der geeignet ist, die Funktion der Unterscheidung verschiedener Materialien zu übernehmen und der auch das Oberflächenaussehen merklich verbessert. Ferner beobachtet man im Zn-Bereich von 5 bis 10 % einen Farbton, der stark durch die Farbe von Cu (rote Kupferfarbe) beeinträchtigt ist und der sich klar von der weißen Farbe (Farbe von Zn) der galvanisch beschichteten Oberfläche unterscheidet; folglich wird die auf diese Weise behandelte Feder von der normalen Feder, die eine weiße Oberfläche (Metallfarbe) hat, unterschieden und kann der praktischen Verwendung zugeführt werden.
- Übrigens liegt eine der wichtigsten Eigenschaften des aus Federstahl geformten Produktes in der Korrosionsbeständigkeit. Unter diesem Gesichtspunkt wurde die Feder, die mit derselben zweischichtigen galvanischen Beschichtung wie in Figur 2 dargestellt versehen war, hinsichtlich der Beziehung zwischen dem Zn (%) in einer galvanischen Beschichtungsschicht aus Cu-Zn-Legierung und der Zeit, bis zu der in einem Salzspraytest unter Verwendung einer Lösung, die 3 % Salz enthielt, Rost auftritt, untersucht. Die Resultate sind in Figur 3 dargestellt. Diese Figur zeigt, daß bei einer Schichtdicke der galvanischen Beschichtung von 2 µm oder mehr die Korrosionsbeständigkeit mit einem Anstieg im Zn-Gehalt (%) verbessert wird und daß bei einem Zn-Gehalt von 5 bis 45 % die Zeit bis zum Auftreten von Rost im Vergleich zu einem nicht galvanisch beschichteten harten gezogenen Stahldraht verlängert ist. Es ist offensichtlich, daß das Vorhandensein der galvanischen Beschichtungsschicht die Charakteristika des Federmaterials nicht verschlechtert, sondern sie vorzugsweise verbessert. Bei einer Schichtdicke der galvanischen Beschichtung von 1 µm wird die galvanische Beschichtung durch Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche des Federmaterials beeinträchtigt, wodurch keine verbesserte Wirkung auf die Korrosionsbeständigkeit erzielt wird. Im Fall der Verwendung eines SUS 304-Stainless Steel-Drahtes anstelle des harten gezogenen Stahldrahtes als Federdraht wird die Zeit bis zum Auftreten von Rost durch Addieren des in Figur 3 dargestellten Wertes zu der Zeit bis zum Auftreten von Rost (185 h) für die SUS 304 Stainless Steel-Feder selbst erhalten.
- Ferner wurde die Feder, die mit derselben dreischichtigen galvanischen Beschichtung wie oben überzogen war, hinsichtlich einer Beziehung zwischen dem Zn (%) in einer Schicht der Beschichtung aus Cu-Zn-Legierung und der Zeit bis zum Auftreten von Rost (Zeit, bis die Korrosion das Material erreicht) und den unterschiedlichen Dicken der galvanischen Legierungsbeschichtung und der unteren Ni-Schicht in einem Salzspraytest, der eine Lösung verwendet, die 3 % Salz enthält, untersucht. Die Resultate sind in Figur 3 dargestellt. Diese Figur zeigt, daß die Korrosionsbeständigkeit durch das Vorliegen der galvanischen Beschichtungsschicht aus Cu-Zn-Legierung und durch die untere galvanische Ni-Beschichtung verbessert wird. Wie für die galvanische Beschichtung aus Cu-Zn ist die Zeit bis zum Auftreten von Rost bei einem Anstieg des Zn-Gehaltes länger und somit die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Insbesondere bei einem Zn-Gehalt von 10 % oder mehr ist die Korrosionsbeständigkeit in vorteilhafterweise verbessert; die Dicke von 2 µm oder mehr ist vorteilhaft. Bei der unteren galvanischen Ni-Beschichtungsschicht ist eine Dicke von 2 µm oder mehr vorteilhaft. Für den Fall, daß die Schicht der galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn-Legierung eine Dicke von 1 µm hat und die untere Schicht der galvanischen Ni- Beschichtung eine Dicke von 1 µm hat, wird die galvanische Beschichtung durch die Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche des Federmaterials beinträchtigt, was den Effekt einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit vermindert. Vorzugsweise ist die Dicke der Beschichtung aus Cu-Zn- Legierung und die der unteren Ni-Schicht jeweils 2 µm oder mehr. Die Korrosionsbeständigkeit wird mit einem Anstieg der Dicke jeder Schicht vergrößert. Wenn allerdings die Dicke der galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn-Legierung und die der galvanischen Ni-Beschichtung 25 µm bzw. 30 µm übersteigt, wird die Korrosionsbeständigkeit nicht entsprechend dem Anstieg der Dicken erhöht. Dementsprechend sind die Dicken der galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn-Legierung und die der galvanischen Ni-Beschichtung unter wirtschaftlichen Gesichtpunkten 25 µm oder weniger bzw. 30 µm oder weniger.
- Als nächstes wurde ein hartes gezogenes Stahldrahtmaterial mit 3,5 mm mit einer zweischichtigen galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn versehen und nachdem er 5 min auf 400ºC erhitzt worden war, um so eine Legierung herzustellen, wurde er mit einem Reduktionsverhältnis von 91,7 % auf einen Durchmesser von 1 mm² gezogen.
- Entsprechend wurde ein Stainless Steel-Drahtmaterial mit einem Durchmesser von 2,5 mm mit einer zweischichtigen galvanischen Beschichtung versehen, und nachdem es unter denselben Bedingungen wie oben erhitzt worden war, um eine Legierung herzustellen, wurde es bei einem Reduktionsverhältnis von 84 % auf einen Durchmesser von 1 mm gezogen. Figur 4 zeigt die Beziehung zwischen der Hunters- Rotationsbiege-Dauerfestigkeit und dem Zn-Gehalt (%) für die oben genannten Drahtmaterialien. Der harte gezogene Stahldraht und der Stainless Steel-Draht zeigten bei einer Dicke der galvanischen Beschichtung von 25 µm oder weniger keine Reduktion der Dauerfestigkeit; allerdings wiesen sie bei einer Dicke der galvanischen Beschichtung von 30 µm offensichtlich eine reduzierte Dauerfestigkeit auf. Im praktischen Gebrauch ist die Dicke der galvanischen Beschichtung demnach vorzugsweise weniger als 30 µm. Dasselbe gilt für die Spiralfeder (Federstahlprodukt)
- Die obigen Daten werden für Federstahlmaterial in Form eines Drahtes erhalten; das aus Federstahl geformte Produkt ist eine Spiralfeder. Allerdings entsprechen die Daten denen, die erhalten werden, wenn das Federstahlmaterial in Blechform vorliegt; das aus Federstahl geformte Produkt ist dann eine Blattfeder.
- Insgesamt sind für die zweischichtige galvanische Beschichtung aus Cu-Zn für Produkt aus Federstahl die folgenden Bedingungen günstig: im Hinblick auf den Farbtoneffekt hat die Cu-Zn-Legierungszusammensetzung einen Zn-Gehalt im Bereich von 5 bis 45 %; im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit ist die Dicke der galvanischen Beschichtung 2 µm oder mehr und beträgt im Hinblick auf eine Verhinderung der Reduktion der Dauerfestigkeit 25 um oder weniger; zur Farbbildung sind die Bedingungen des Niedrigtemperaturglühens 250ºC x 4 min oder mehr bis 400ºC x 2 min oder mehr.
- Bei der dreischichtigen galvanischen Beschichtung des aus Federstahl gebildeten Produktes (untere Schicht: Ni, Zwischenschicht: Cu, obere Schicht: Zn) ist eine Dicke der unteren Ni-Schicht 2 µm oder mehr im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit und 30 µm oder weniger im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit günstig. Für die Färbung der galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn sind die folgenden Bedingungen günstig: im Hinblick auf den Farbtoneffekt liegt der Zn-Gehalt der Cu-Zn-Legierungszusammensetzung im Bereich von 10 bis 45 %; im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit ist die Dicke der galvanischen Beschichtung 2 µm oder mehr; im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit ist sie 25 µm oder weniger; zur Farbbildung sind die Bedingungen des Niedrigtemperaturglühens 250ºC x 4 min oder mehr bis 400ºC x 2 min oder mehr.
- Das Farbe entwickelnde aufgetragene Metall für Federprodukte und das Verfahren der Verwendung desselben gemäß der vorliegenden Erfindung sind unter Berücksichtigung der oben genannten Bedingungen entwickelt worden. Danach ist es möglich, den Farbtoneffekt der galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn-Legierung zu erzielen, ohne dadurch die Federcharakteristika zu verschlechtern; außerdem ist es möglich, die Unterscheidung zwischen verschiedenen Federstahlprodukten zu erleichtern und auch das Oberflächenaussehen zu verbessern. Ferner ist es möglich, durch die galvanische Beschichtung aus Cu-Zn-Legierung und die untere galvanische Ni-Schicht die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
- Außerdem entspricht das Verfahren der Verwendung des beschichteten Federmetalls gemäß der vorliegenden Erfindung den obigen Bedingungen und umfaßt die folgenden Schritte: Aufbringen einer zweischichtigen galvanischen Beschichtung (untere Schicht: Cu, obere Schicht: Zn) oder einer dreischichtigen galvanischen Beschichtung (untere Schicht: Ni, Zwischenschicht: Cu, obere Schicht: Zn) auf die Oberfläche des Federstahlmaterials; Formen einer Feder daraus; Erhitzen des geformten Stahls auf 250 bis 400ºC (Niedrigtemperaturglühen), wodurch die galvanische Beschichtungsschicht gefärbt wird; auf diese Weise wird das gefärbte überzogene Federmetallprodukt gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten. Allerdings kann das gefärbte überzogene Metall für Federn auch nach anderen Verfahren erhalten werden. Es kommt beispielsweise ein Verfahren in Betracht, das die folgenden Schritte umfaßt: Erhitzen des oben genannten Federmaterials auf 250 bis 400ºC zur Färbung der galvanischen Beschichtung und danach Formen zu einer Feder, anschließendes Glühen. Allerdings macht dieses Verfahren die Herstellungsverfahren wegen des zusätzlichen Schrittes komplex, d.h. wegen des Erhitzungsschrittes. Im vorliegenden Verfahren wird die galvanische Beschichtung durch das Niedrigtemperaturglühen, das billig ist, nach dem Schritt der Bildung der Feder gefärbt; demnach ist die vorliegende Erfindung ein einfaches Herstellungsverfahren und folglich auch wirtschaftlich hervorragend.
- Figur 1 zeigt die Beziehung zwischen Erhitzungszeit, Temperatur und Farbtonänderung in einer galvanischen Cu-Zn- Beschichtung eines zu einer Feder geformten Produktes;
- Figur 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Zn-Gehalt und dem Farbton in einer galvanischen Cu-Zn-Beschichtung eines zu einer Feder geformten Produktes;
- Figur 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Zn-Gehalt und der Zeit, bis ein Rosten auftritt, in einer galvanischen Cu-Zn- Beschichtung eines zu einer Feder geformten Produktes für verschiedene Dicken der galvanischen Beschichtung; und
- Figur 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Zn-Gehalt und der Hunters-Rotations-Dauerfestigkeit in einer galvanischen Cu- Zn-Beschichtung eines zu einer Feder geformten Produktes für verschiedene Dicken der galvanischen Beschichtung.
- Im folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
- Ein harter gezogener Stahldraht, der 0,82 % C enthielt, wurde einem patentierten Ziehen, einem Dekapieren und einem Enzundern unterworfen, wobei ein Rohdraht mit einem Durchmesser von 3,5 mm gebildet wurde. Der Rohdraht wurde mit einer zweischichtigen galvanischen Beschichtung aus einer unteren Cu-Schicht und einer oberen Zn-Schicht, wobei ein kontinuierliches Galvanisierbad mit 2 Behältern verwendet wurde, versehen. In diesem Fall wurde das galvanische Cu- Beschichten unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Badzusammensetzung = CuSO&sub4;: 130 g/l und 62 % H&sub2;SO&sub4;: 33 cm³/l- Lösung; pH = 1,5; Temperatur = 30ºC; Stromdichte beim Galvanisieren = 5 A/dm²; die Anode war eine Cu-Platte. Das galvanische Beschichten mit Zn wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Badzusammensetzung = ZnSO&sub4; 7H&sub2;O: 410 g/l, AlCl&sub3; H&sub2;O: 20 g/l und Na&sub2;SO&sub4;: 75 g/l Lösung; pH = 4; Stromdichte = 5 A/dm²; die Anode war eine Zn-Platte. Die Galvanisiervorgänge wurden entsprechend dem Verhältnis der Zn-Dicke zur Gesamtdicke, nämlich 0, 5, 30, 45 und 50 % geändert. Gleichzeitig wurde die Gesamtdicke der galvanischen Beschichtung auf 2 µm, 25 µm und 30 µm nach dem Ziehen reguliert.
- Nachdem er mit einer zweischichtigen galvanischen Beschichtung versehen worden war, wurde der Rohdraht 8-mal in üblicherweise mit einem Reduktionsverhältnis von 91,7 % zu einem Durchmesser von 1 mm gezogen, wobei ein Grunddraht mit einem Festigkeitsgrad erhalten wurde, der gemäß JIS 3521 dem von hartem gezogenem Stahldraht SWC mit 1 mm Durchmesser entsprach. Der Grunddraht mit einem Durchmesser von 1 mm wurde zu Spannfedern geformt, die einen Außendurchmesser von 10 mm, eine Länge von 20 mm und 20 Windungen hatten. Jede Spannfeder wurde unter den Bedingungen 150ºC x 7 min, 200ºC x 5 min, 250ºC x 4 min, 300ºC x 3,5 min bzw. 400ºC x 2 min erhitzt und dann auf ihre Farbe untersucht. Jede Spannfeder wurde nach dem Erhitzen abgekühlt und dann durch einen Salzspraytest hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit untersucht. Auch der Grunddraht mit einem Durchmesser mit 1 mm wurde der obigen Hitzebehandlung unterzogen und seine Zugfestigkeit, sein Torsionswert und seine Dauerfestigkeit gemessen. Die Resultate sind in Tabelle 1 aufgeführt.
- Als Vergleichsbeispiel wurden ein Blankdraht mit einem Durchmesser von 1 mm, der durch Ziehen des obigen Rohdrahtes mit einem Durchmesser von 3,5 mm gebildet worden war, und ein mit Polyester beschichteter Grunddraht (Farbton: rot) in der oben beschriebenen Art und Weise getestet. Der mit Polyester beschichtete Runddraht wurde durch Ziehen des patentierten Stahldrahtes mit einem Durchmesser von 3,5 mm auf einen Durchmesser von 1 mm und Eintauchen in eine Lösung, die durch Verdünnen von Polyesteranstrichmittel mit einem Verdünnungsmittel gebildet worden war, und anschließendes Trocknen eines zweimal Trocknen/ zweimal Auftragen-Systems geformt. Die Resultate sind in Tabelle 1 aufgeführt.
- Ein Stainless Steel-Draht für eine Feder wurde zur Erweichung einem Blankglühen unterzogen, um so einen Rohdraht mit einem Durchmesser von 2,5 mm zu bilden. Der Rohdraht wurde mit einer zweischichtigen galvanischen Beschichtung versehen und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gezogen, um so einen Grunddraht mit einer Festigkeit zu erhalten, die gemäß JIS 3521 einem harten gezogenen Stahldraht SWC mit einem Durchmesser von 1 mm entsprach. Der Grunddraht mit einem Durchmesser von 1 mm wurde zu einer Spiralfeder geformt und erhitzt und diese dann derselben Untersuchung wie in Beispiel 1 unterworfen.
- Als Vergleichsbeispiel wurde der blanke Grunddraht mit einem Durchmesser von 1 mm, der durch Ziehen des Rohdrahtes mit einem Durchmesser von 2,5 mm gebildet worden war, untersucht. Die Resultate sind in Tabelle 2 angegeben.
- Wie aus den Tabellen 1 und 2 klar wird, sind die Zugfestigkeit, der Torsionswert, die Dauerfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit bei einer Dicke der galvanischen Beschichtung zwischen 2 und 25 µm für einen Grunddraht für eine Feder hervorragend. Dagegen ist bei einer Dicke der galvanischen Beschichtung von 30 µm die Dauerfestigkeit merklich vermindert; dies ist für den praktischen Gebrauch nicht geeignet. Der mit Polyester beschichtete Grunddraht hat eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit.
- Für den Elementardraht gemäß Beispiel 1 wurde die Gesamtdicke der galvanischen Beschichtung nach dem Ziehen auf 5 µm anstatt 2 µm reguliert. Der Draht wurde zu einer Spiralfeder geformt, anschließend erhitzt und hinsichtlich seiner Farbe untersucht. Ähnlich wie in Beispiel 1 wurde das Dickeverhältnis für Zn in der galvanischen Legierungsbeschichtung auf 0,5, 30, 45 und 50 % reguliert. Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, daß, wenn der Anteil der Zn- Schicht an der Dicke der zweischichtigen galvanischen Beschichtung so ist, daß der Zn-Gehalt in der galvanischen Legierungsbeschichtung im Bereich von 5 bis 45 % liegt, der Farbton durch die Hitzebehandlung merklich verändert wird; folglich ist es durch Ausnützung dieser Farbveränderung möglich, verschiedene zu Spiralfedern geformte Produkte zu unterscheiden. Die vorliegende Erfindung ist auch den Produkten mit Harzbeschichtung überlegen, da die Harzbeschichtung unter einer Oberflächenverschlechterung wie z.B. Reiben während des Formens wie auch Verfärbung und Schmelzen leidet. Im Fall der Spiralfeder von Beispiel 2 (Grunddraht: Stainless Steel-Draht), wo der Anteil der Zn- Schicht an der Dicke der zweischichtigen galvanischen Beschichtung so reguliert wurde, daß der Zn-Gehalt im Bereich von 2 bis 45 % lag, änderte sich wie oben der Farbton.
- Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Spirafeder beschränkt, sondern kann auf ein Federmaterial, das ein Niedrigtemperaturglühen nach dem Formen (Formungsmaterial, Torsionsfeder und Blattfeder und dgl.) erfordert, oder auf entsprechende Materialien angewendet werden.
- Ein harter gezogener Stahldraht, der 0,82 % C enthielt, wurde einem patentierten Ziehen, einem Dekapieren und einem Entzundern unterzogen, wobei ein Rohdraht mit einem Durchmesser von 3,5 mm erhalten wurde. Der Rohdraht wurde mit einer dreischichtigen galvanischen Beschichtung aus einer unteren Ni-Schicht, einer Cu-Zwischenschicht und einer oberen Zn-Schicht versehen, wobei ein kontinuierliches Galvanisierbad mit 3 Behältern verwendet wurde. In diesem Fall wurde die galvanische Ni-Beschichtung unter den folgenden Bedingungen aufgebracht: Badzusammensetzung: Nickelsulfaminsäure: 450 g/l, Nickelchlorid: 15 g/l und Borsäure 30 g/l; pH = 4; Temperatur = 50ºC; Stromdichte bei der galvanischen Beschichtung = 8 A/dm².
- Die galvanische Cu-Beschichtung wurde unter den folgenden Bedingungen aufgebracht: Badzusammensetzung: CuSO&sub4;: 130 g/l und 62 % H&sub2;SO&sub4;: 33 cm³/l-Lösung; pH = 1,5; Temperatur = 30ºC; Stromdichte bei der galvanischen Beschichtung = 5 A/dm²; die Anode war eine Cu-Platte.
- Die galvanische Zn-Beschichtung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Bad-Zusammensetzung: ZNSO&sub4; 7H&sub2;O: 410 g/l, AlCl&sub3; H&sub2;O: 20 g/l und Na&sub2;SO&sub4;: 75 gil-Lösung; pH = 4; Stromdichte = 5 A/dm²; die Anode war eine Zn-Platte. Die Anzahl der galvanischen Beschichtungsvorgänge wurde so eingestellt, daß das Verhältnis der Dicke der Zn-Schicht zur der Gesamtdicke aus Cu-Schicht und Zn-Schicht wie folgt geändert wurde, nämlich in 0, 5, 10, 45 und 50 %. Gleichzeitig wurde die Gesamtdicke der galvanischen Ni- Beschichtung, der Cu-Beschichtung und der Zn-Beschichtung so eingestellt, daß sie nach dem Ziehen 0, 1, 2, 5, 25 und 30 µm war.
- Nachdem der Rohdraht mit einer dreischichtigen galvanischen Beschichtung versehen war, wurde er in herkömmlicher Weise 8- mal bei einem Reduktionsverhältnis von 91,7 % zu einem Durchmesser von 1 mm gezogen, wobei ein Elementardraht mit einer Festigkeit erhalten wurde, die gemäß JIS 3521 einem harten, gezogenen Stahldraht SWC mit einem Durchmesser von 1 mm entspricht. Der Elementardraht mit einem Durchmesser von 1 mm wurde zur Spannfedern mit einem Außendurchmesser von 12 mm, einer Länge von 20 mm und 20 Windungen geformt. Jede Spannfeder wurde unter den Bedingungen 150ºC x 7 min, 200ºC x 5 min, 250ºC x 4 min, 300ºC x 3,5 min und 400ºC x 2 min erhitzt und hinsichtlich ihrer Verfärbung untersucht. Jede Spannfeder wurde nach dem Erhitzen abgekühlt und durch einen Salzspraytest hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit geprüft. Der Elementardraht mit einem Durchmesser von 1 mm wurde ebenfalls der oben genannten Hitzebehandlung unterzogen, seine Zugfestigkeit, sein Torosionswert und seine Dauerfestigkeit gemessen. Die Resultate sind in den Tabellen 4 bis 6 angegeben.
- Als Vergleichsbeispiel wurde der Blankdraht mit einem Durchmesser von 1 mm, der durch Ziehen des obigen Rohdrahtes mit einem Durchmesser vom 3,5 mm gebildet worden war, und der Grunddraht mit Polyesterbeschichtung (Farbton: rot) in der gleichen Weise wie oben beschrieben, untersucht. Der Elementardraht mit Polyesterbeschichtung wurde durch Ziehen des patentierten Stahldrahtes mit einem Durchmesser von 3,5 mm zu einem Durchmesser von 1 mm und Eintauchen in eine Lösung, die durch Verdünnen von Polyesteranstrichmittel durch Verdünnungsmittel hergestellt wurde, und anschließendes Trocknen in einem zweimal Trocknen/zweimal Beschichten-System gebildet. Die Resultate sind in Tabelle 3 angegeben.
- Wie aus den Tabellen 4 und 6 ersichtlich ist, sind Zugfestigkeit, Torosionswert, Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei einem Grunddraht für eine Feder in der Sprungfeder nach Erhitzen hervorragend, wenn die Dicke einer unteren Ni-Schicht 2 µm oder mehr und die Dicke der Schicht aus Cu-Zn-Legierung 2 µm oder mehr ist. Diese Spannfeder weist auch bei einer geringeren Dicke der galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn verglichen mit einer galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn-Legierung ohne die untere galvanische Ni-Beschichtung hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf. Wenn dagegen die Dicke der unteren galvanischen Ni-Beschichtung 30 µm übersteigt und die Dicke der galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn-Legierung 25 µm übersteigt, wird die Korrosionsbeständigkeit im Verhältnis zum Anstieg der Dicke nicht verbessert.
- In dem Elementardraht mit einem Durchmesser von 1 mm, wie er in Beispiel 4 dargestellt ist, wurden die Gesamtdicke der galvanischen Beschichtung nach dem Ziehen auf 4 µm festgesetzt, das Dickeverhältnis der Zn-Schicht zu der Gesamtdicke aus Cu-Schicht und Zn-Schicht wurde in 0, 5, 10, 45 und 50 % geändert. Jeder Draht wurde zu einer Spiralfeder geformt, anschließend erhitzt und auf seine Farbe untersucht. Die Resultate sind in Tabelle 7, zusammen mit den Herstellungsbedingungen wie z.B. die Dicke der galvanischen Beschichtung und die Erhitzungsbedingungen, angegeben. Wie aus Tabelle 7 ersichtlich ist, wird der Zn-Gehalt in der galvanischen Beschichtung aus Cu-Zn nach der Hitzebehandlung 10 bis 45 %, wenn der Anteil der Zn-Schicht an der Dicke als 10 bis 45 % ausgewählt wird. Durch die Hitzebehandlung unter den Bedingungen 250ºC x 4 min oder mehr bis 400ºC x 2 min oder mehr wird damit der Farbton in goldfarben geändert, was es ermöglicht, die als Federstahl geformten Produkte sicher zu unterscheiden. Ferner ist die vorliegende Erfindung gegenüber den Produkten mit Harzbeschichtung überlegen, da die Harzbeschichtung an einer Oberflächenverschlechterung wie z.B. Reiben beim Formen, Verfärben und Schmelzen leidet.
- Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Spiralfeder beschränkt, sondern kann auf ein Federmaterial, das ein Niedrigtemperaturglühen nach dem Formen erfordert (Formungsmaterial, Torsionsfeder und Blattfeder und dgl.) oder auf das entsprechende Material angewendet werden. TABELLE 1 TABELLE 1 (Fortsetzung) TABELLE 2 TABELLE 2 (Fortsetzung) TABELLE 3 TABELLE 3 (Fortsetzung)
- (Anmerkung) *1: Vergleichspiel (Polyesterüberzug)
- *2: Oberflächenbeschädigung, Verfärbung, Schmelzen: aufgetreten TABELLE 4 TABELLE 5 TABELLE 6
- (Anmerkung): *1: Draht mit Polyesterüberzug, *2: nach 300 h kein Rost TABELLE 7 TABELLE 7 (Fortsetzung)
- (Anmerkung) *1: Polyesterüberzug
- *2: Oberflächenbeschädigung, Verfärbung, Schmelzen: aufgetreten
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von galvanisch beschichteten
Federn, das die Schritte
(a) Abscheiden einer Kupferschicht auf dem Federdraht,
(b) Abscheiden einer Zinkschicht auf der Kupferschicht
mit einem Dickeverhältnis der Zinkschicht zu der
Gesamtdicke der Schichten der galvanischen
Beschichtung von 5 bis 45 %;
(c) Regulieren der endgültigen Dicke der galvanischen
Beschichtung auf 2 bis 25 µm;
(d) Formen des Drahts zu einer Feder, und
(e) Glühen der galvanisch beschichteten Feder bei einer
Temperatur von 250 bis 400ºC
umfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Glühzeit (t), in
min, der folgenden Gleichung genügt:
log t ≥ 1,193 - 2,386 x 10&supmin;³T (1)
wobei T die Glühtemperatur (ºC) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in dem der Federdraht
unter hartem gezogenen Stahldraht, Saitendraht und
Stainless Steel-Draht ausgewählt ist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem
der Federdraht galvanisch vernickelt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, in dem das Glühen
durchgeführt wird, bis die galvanische Beschichtung
einen goldenen Farbton annimmt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, in dem das Zink 10 bis 45 %
der kombinierten Dicke aus Kupferschicht und Zinkschicht
ausmacht.
7. Verfahren nach Anspruch 4, in dem die Zinkschicht 5 bis
10 % der kombinierten Dicke aus Kupferschicht und
Zinkschicht ausmacht und das Glühen durchgeführt wird,
bis die galvanische Beschichtung einen roten
Kupferfarbton annimmt.
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