Draht und Band im Blick
Federstahl-Draht verändert seine Eigenschaften durch die Wärmebehandlung nach dem Federwinden, durch das Kugelstrahlen sowie das Vorsetzen. Bei Federband wirkt sich die Walzrichtung massiv auf die Zugfestigkeit, den E-Modul und damit auf die Funktion von Flach-Biegeteilen aus. Eine webbasierte Datenbank enthält nun all diese Daten.
Materialkennwerte von Federstahl-Drähten und -Bändern sind in der Literatur schwer zu finden. Noch rarer sind Aussagen zur Veränderung dieser Kennwerte durch die Arbeitsgänge der Federherstellung wie Wärmebehandlung, Kugelstrahlen mit nachfolgender Wärmebehandlung und Vorsetzen. Die Forschungsgruppe „Draht und Federn“ an der TU Ilmenau untersuchte deshalb zwei Jahre lang Drähte verschiedener Materialien: patentiert gezogene, ölschlussvergütete und nicht rostende Federstähle und Federbänder aus 1.4310. Ziele dabei waren:
– die Zug- und Torsionseigenschaften an Drähten mit 4,5 x d x 10 mm zu bestimmen (Parameter: d, Material, Wärmebehandlung, Vorsetzen),
– das Relaxations-Verhalten an Drähten unter Torsionsbelastung zu bestimmen und mit der Relaxation an Druckfedern aus diesen Drähten zu vergleichen (Parameter: d, Material, Wärmebehandlung, Vorsetzen, Kugelstrahlen),
– die Auswirkungen des Kugelstrahlens mit nachfolgender Wärmebehandlung auf die Zug- und Torsionseigenschaften bei ölschlussvergüteten Drähten zu bestimmen,
– das Biegeverhalten an Drähten zu untersuchen (Parameter: d, Material, Wärmebehandlung)
– das Zug- und Biegeverhalten an Bändern zu untersuchen (Parameter: Banddicke, Wärmebehandlung, Festigkeit, Probe längs/quer zur Walzrichtung),
– eine Datenbank mit den Kennlinien von Federdraht- und -band sowie -kennwerten bei Zug-, Torsions- und Biegebeanspruchung zu erstellen, die über das Internet abrufbar ist,
– die Berechnungsgrundlagen zur Dimensionierung von Federn so weiter zu entwickeln, dass das nichtlinear-elastische Werkstoffverhalten von Federstahl-Draht und dessen Veränderungen während der Federherstellung berücksichtigt werden kann,
– die theoretischen Grundlagen zur Auswertung von Biegeversuchen zur Bestimmung des E-Moduls an vorgekrümmten Drähten und zur Bestimmung der Feder-Biegegrenze unter Verwendung der nichtlinearen Biegetheorie zu entwickeln.
Zug- und Torsionsversuche
Die Torsionsversuche an den Drähten bis d = 10 mm wurden an einem neu entwickelten Torsionsprüfstand (Bild 1) durchgeführt. Dieser Versuchsstand ermöglicht Torsionsversuche bis zu einem maximalen Moment von 500 Nm. Um auch Fließgrenzen und den Anstieg der elastischen Geraden bestimmen zu können, wurde ein selbstentwickelter Feinschiebungs-Aufnehmer (Pendant zum Feindehnungs-Aufnehmer im Zugversuch) verwendet.
Die heute von der Industrie zur Verfügung gestellten modernen Materialien im Bereich der Federstahl-Drähte und -Bänder gestatten sehr große elastische Verformungen. Die Berechnung der großen Verformungen und das Berücksichtigen der Vorkrümmung der Drähte/Bänder sind erst mit der nichtlinearen Biegetheorie möglich. Für einen neu entwickelten Stand für DreiPunktBiegeversuche wurde die exakte nichtlineare Differentialgleichung für Biegung numerisch gelöst (Maple). Mit der Lösung konnte erstmals aus Versuchsdaten sowohl der Biege-Elastizitätsmodul Eb (auch für vorgekrümmte Drähte) als auch die Feder-Biegegrenze exakt ermittelt werden. Untersucht wurden Federdrähte verschiedener Materialien mit 1 mm x d x 6 mm und Federbänder mit h = 0,5 mm nach verschiedenen Wärmebehandlungen und im Zustand ab Drahtwerk.
Die Werkszeugnisse der Drahtlieferanten enthalten in der Regel nur die Zugfestigkeit und die Brucheinschnürung, die am Draht im Lieferzustand gemessen wurden. Torsionskennwerte fehlen gänzlich. Bild 3 zeigt beispielhaft die Veränderung der Zugfestigkeit Rm und der Zugdehngrenze Rp 0,2 durch eine 30-minütige Wärmebehandlung bei verschiedenen Temperaturen (entspricht der Wärmebehandlung nach dem Federwinden) an patentiert gezogenen Drähten verschiedener Drahtdurchmesser.
An den Drähten wurden die Torsionsfließgrenzen bestimmt. Die genaue Untersuchung des elastisch-plastischen Übergangsbereichs im Torsionsversuch ermöglicht Rückschlüsse auf den bei vorgegebener Spannung zu erwartenden Setzbetrag von Schraubendruckfedern aus diesem Material. Für diese Untersuchung ist der Torsionsversuch mit Be- und Entlasten geeignet. Das Pendant für die plastische Schiebung am Draht ist der Setzbetrag an der Feder. Der Vergleich der beiden Drähte im Bild 4 zum Beispiel bei einer Spannung von 1200 N/mm² zeigt, dass die Drähte nach einer Wärmebehandlung von 350 °C/30 min (viereckige Symbole) eine geringere plastische Schiebung aufweisen als die bei rund 420 °C/30 min wärmebehandelten. Deshalb ist auch bei so wärmebehandelten Federn ein geringerer Setzbetrag zu erwarten, was auch an Federn aus diesen beiden Drähten nachgewiesen wurde. Weiterhin haben die Federn aus Draht 2 (rot) einen geringeren Setzbetrag beim Vorsetzen als die Federn aus Draht 1 (grün), was ebenso den Untersuchungsergebnissen an den Drähten im Bild 4 entspricht. Der nach der Wärmebehandlung kugelgestrahlte Draht 1 führt ohne eine weitere Wärmebehandlung bereits bei geringen Vorsetzspannungen zum Erreichen der plastischen Schiebung von 0,04 % (technische Torsionsfließgrenze).
Relaxation untersucht
Die Auswirkungen des Kugelstrahlens werden beispielhaft am Draht VDSiCr, d = 4,5 mm durchgeführt. Für die Zug- und Torsionsversuche wurde der Draht wie folgt präpariert:
– Anlieferungszustand [A]
– Wärmebehandelt 350 °C/30 min [B]
– Wärmebehandelt 350 °C/30 min, kugelgestrahlt [C]
– Wärmebehandelt 350 °C/30 min, vortordiert bis »tau« = 1200 N/mm², kugelgestrahlt [D]
– Wärmebehandelt 350 °C/30 min, kugelgestrahlt, wärmebehandelt 240 °C/30 min [E]
– Wärmebehandelt 350 °C/30 min, vortordiert »tau« = 1200 N/mm², kugelgestrahlt, wärmebehandelt 240 °C/30 min [F]
– Wärmebehandelt 350 °C/30 min, kugelgestrahlt, vortordiert »tau« = 1200 N/mm², [G]
Die Zugdehngrenze Rp0,2 verändert sich durch die Drahtvorbehandlungen um rund 50 N/mm², die Zugfestigkeitswerte Rm verändern sich nahezu nicht, im Gegensatz zur Torsionsfließgrenze »tau« t*0,04. Durch die erste Wärmebehandlung wird »tau« t*0,04 leicht erhöht. Das Kugelstrahlen führt zu einer deutlichen Verringerung von »tau« t*0,04, die durch eine nachfolgende Wärmebehandlung vollständig aufgehoben wird. Das Vortordieren bis 1200 N/mm² als letztem Arbeitsgang [F] bewirkt, dass der Draht bis fast zu dieser Spannung elastisch beansprucht werden kann.
Es wurden Berechnungsmethoden entwickelt, die die Spannungs-Dehnungskennlinie des Materials nach allen Behandlungsschritten in der fertigen Feder in Auslegung und Nachrechnung berücksichtigen können. Relaxations-Untersuchungen wurden bisher ausschließlich an Bauteilen durchgeführt. Aus dem Draht einer Charge und Abmessung werden Federn mit verschiedener Geometrie hergestellt, für die jeweils zeitaufwendige Relaxations-Untersuchungen notwendig sind. Deswegen sollte geklärt werden, ob Relaxations-Untersuchungen an Drähten unter Torsionsbelastung Rückschlüsse auf die Relaxation von, aus diesen Drähten hergestellten, Federn zulassen. Relaxations-Untersuchungen an präparierten Drähten gestatten auch, den Einfluss des Drahtmaterials und der verschiedenen Arbeitsgänge der Federfertigung auf den Relaxations-Verlust der Feder abzuschätzen. Zahlreiche Relaxations-Untersuchungen an verschieden präparierten Federstahl-Drähten und an daraus gefertigten Druckfedern zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen beiden Versuchen. Die Relaxations-Versuche an den Drähten ermöglichen vergleichende Untersuchungen zwischen verschiedenen Materialien oder Verarbeitungsschritten. Für diese Versuche standen Bänder aus 1.4310 mit Banddicken 0,1 mm und 0,5 mm und variierter Festigkeit zur Verfügung. Die Proben wurden jeweils längs und quer zur Walzrichtung entnommen.
Internet-basierte Datenbank
Sowohl bei den Zugversuchen als auch bei den DreiPunktBiegeversuchen überraschte der deutliche Unterschied im ermittelten Anstieg der elastischen Geraden (E-Modul) zwischen den längs zur Walzrichtung und den quer zur Walzrichtung geschnittenen Proben. Bei den NSBändern liegt der E-Modul der quer geschnittenen Probe um 15 GPa, bei HSBändern sogar um 30 GPaüber den der längs zur Walzrichtung geschnittenen Proben. Untersuchungen an Biegefedern aus den entsprechenden Materialien haben das bestätigt. Es wurden auch deutliche Veränderungen der Zugkennwerte mit der Wärmebehandlungstemperatur festgestellt.
Die im Vorgängerprojekt [1] erstellte Datenbank, die bereits die Parameter von Zug- und Torsionsversuchen an Drähten mit 1,0 x d x 4,5mm enthält, wurde nicht nur durch die neuen Daten, sondern auch in der Bedienerführung erweitert. Die Datenbank enthält sowohl die Kennwerte der Zug- und Torsionsversuche an den patentiert gezogenen, ölschlussvergüteten und nicht rostenden Drähten mit 1 x d x 10 mm, als auch die kompletten Kennlinien, die zum Beispiel zur Materialbeschreibung in FEM-Simulationen verwendet werden können. Die Kennwerte und -linien wurden an Drähten ab Werk, an wärmebehandelten, vorgesetzten und kugelgestrahlten Drähten ermittelt. Der Nutzer der Datenbank kann damit die Veränderung eines ihn interessierenden Parameters durch die verschiedenen Arbeitsschritte der Federfertigung verfolgen. Damit können Rückschlüsse zum einen auf die Dimensionierung der Federn aus Draht und Bandmaterial und zum anderen auch auf die Parameter der Federfertigung gezogen werden. Die Datenbank enthält auch erste Ergebnisse von Untersuchungen an Bändern aus 1.4310. Parameter sind die Lage der Probe zur Walzrichtung, die Wärmebehandlung und die Festigkeit.
Die Autoren Veronika Geinitz, Ulf Kletzin und Mathias Weiß gehören zur Forschungsgruppe „Draht und Federn“ an der TU Ilmenau.
[1] Weiß, M.; Geinitz, V. und andere: Ermittlung von funktions- und fertigungsrelevanten Federdraht-Kennwerten.
Abschlussbericht Forschungsthema: AiF 14306 BR (2007)
Das IGF-Vorhaben 16217 BR der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V. wurde über die AiF im Rahmen des 'Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Langfassung des Abschlussberichtes kann bei der FSV, Goldene Pforte 1, 58093 Hagen, angefordert werden. Ein herzliches Dankeschön an den projektbegleitenden Ausschuss unter Leitung von Herrn Freitag.
Der vorliegende Beitrag ist redaktionell gekürzt. Die komplette Fassung erscheint in der Meisenbach-Publikation UTFscience IV/2011 unter www.utfscience.de
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