Wärmebehandlung von SiCr-legiertem, ölschlussvergütetem Federstahldraht

Lux, Rüdiger GND

Diese Arbeit befasst sich mit der Frage, inwieweit durch die Kombination der Wärmebehandlungsschritte der Draht- und Federnfertigung die mechanische Auslastbarkeit und die Lebensdauer von Schraubendruckfedern gesteigert werden können. Es wird ein analytisches Modell vorgestellt, welches die Berechnung von Temperatur – Zeit – Verläufen der Drahtvergütung ermöglicht. Anhand von Laborversuchen werden für jeden Teilprozess der Wärmbehandlung optimale Regime bestimmt, die Kenngrößen für die analytische Berechnung ermittelt sowie das Berechnungsmodell validiert. Verschiedene Einflussfaktoren auf die Gefügeausbildung des Drahtmaterials sowie die Auswirkungen aller Prozessabschnitte auf die mechanischen Eigenschaften des vergüteten Feder-stahldrahtes werden diskutiert. Es wird dargelegt, dass torsionsbelastete Federn aus optimiert hergestelltem Material einen deutlich gesenkten Setzbetrag sowie im Rahmen von Dauerschwingversuchen eine gesteigerte Lebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich aufweisen.

Is it possible to increase the mechanical loadability and the fatigue resistance of helical com-pression springs by combining the heat treatment steps of wire and spring manufacture? This is the question this papar deals with. In this context, an analytical model is presented, which allows the calculation of temperature – time – profiles for all process steps involved in the wire oil quenching and hardening. On its basis, a transfer strategy of heat treatment regimes from the laboratory to the industrial process is presented. In order to handle large numbers of experiments the extremely complex industrial process of the continuous heat-treatment of spring steel wire is transferred to the laboratory scale. Therefore, a specially designed experimental hardening plant for wire rods is presented. Based on laboratory tests, optimized temperature - time regimes are determined for each partial process of the heat treatment, the parameters for the analytical calculations are determined and the calculation model for each respective section is validated. Various influencing factors on the microstructure of the wire material as well as the effects of all process sections on the mechanical properties of the tempered spring steel wire are discussed. The extensive experimental results are used to suggest a ratio of the yield and torsional yield point as a substitute for the tt0.04* / Rm ratio which is used today. Known methods that describe the relations between heat treatment and mechanical properties are discussed and a fur-ther approach is presented. As a result of this research it is shown that the torsional yield point can be increased by ap-prox. 10% by optimal design and a combination of the heat treatment regimes from the wire hardening and the spring annealing. Based on rotating bending tests it is shown that this in-crease of tt0,04* increases the characteristic fatigue life of the material in the range of N <107 load cycles. It is demonstrated that torsion-loaded springs made from optimally produced material have a significantly lower presetting amount, as well as an increased fatigue resistance in the low cycle fatigue range in the context of dynamic tests.

Diese Arbeit befasst sich mit der Frage, inwieweit durch die Kombination der Wärmebehand-lungsschritte der Draht- und Federnfertigung die mechanische Auslastbarkeit und die Lebens-dauer von Schraubendruckfedern gesteigert werden können. In diesem Zusammenhang wird ein analytisches Modell vorgestellt, welches die Berechnung von Temperatur – Zeit – Verläu-fen aller Prozessschritte der Drahtvergütung ermöglicht. Es bildet die Basis der vorgestellten Übertragungsstrategie von Wärmebehandlungsregimen aus dem Labor auf den industriellen Prozess. Als Grundlage umfangreicher experimenteller Arbeiten wird zunächst der industriell äußerst aufwändige Prozess der Durchlaufvergütung von Federstahldraht auf den Labormaßstab über-tragen. Die eigens hierfür konstruierte Laborvergüteanlage für Drahtstäbe wird vorgestellt. Anhand von Laborversuchen werden für jeden Teilprozess der Wärmbehandlung optimale Temperatur – Zeit – Regime bestimmt, die Kenngrößen für die analytische Berechnung ermit-telt sowie das Berechnungsmodell für den jeweiligen Abschnitt validiert. Verschiedene Einflussfaktoren auf die Gefügeausbildung des Drahtmaterials sowie die Aus-wirkungen aller Prozessabschnitte auf die mechanischen Eigenschaften des vergüteten Feder-stahldrahtes werden diskutiert. Die umfangreichen experimentellen Ergebnisse werden verwendet, um ein Verhältnis der Fließgrenzen aus Zug- und Torsionsversuch als Ersatz für das bisher verwendete tt0,04* / Rm – Verhältnis vorzuschlagen. Bekannte Methoden, welche Zusammenhänge zwischen Wärmebe-handlung und Festigkeitskennwerten beschreiben, werden diskutiert und ein weiterer Ansatz vorgestellt. Als Ergebnis dieser Arbeit wird aufgezeigt, dass durch optimale Auslegung und Kombination der Wärmebehandlungsregime von der Drahtvergütung und des Federanlassens die fiktive technische Torsionsfließgrenze um ca. 10% erhöht werden kann. Auf Basis von Umlaufbiege-versuchen wird nachgewiesen, dass dieser Zuwachs von tt0,04* die charakteristische Lebens-dauer des Materials im Bereich N < 107 Schwingspiele erhöht. Es wird dargelegt, dass torsionsbelastete Federn aus optimiert hergestelltem Material einen deutlich gesenkten Setzbetrag sowie im Rahmen von Dauerschwingversuchen eine gesteigerte Lebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich aufweisen.

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Lux, Rüdiger: Wärmebehandlung von SiCr-legiertem, ölschlussvergütetem Federstahldraht. Ilmenau 2018.

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