DE102007021449A1

DE102007021449A1 - Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils, Fahrwerksbauteil und Fahrwerk

Info

Publication number: DE102007021449A1
Application number: DE102007021449A
Authority: DE
Inventors: Gerd Monien; Patrick Reinhold; Stephan Eisenberg
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-27

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils, insbesondere einer Fahrwerksfeder und/oder eines Stabilisators (10), aufweisend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Stabes aus hoch-/höchstfestem Stahl, insbesondere Federstahl, zumindest bereichsweise Kaltumformen des Stabes aus Federstahl zur Herstellung der Fahrwerksbauteilgestalt, insbesondere Fahrwerksfedergestalt und/oder Stabilisatorgestalt, Strahlen der Oberfläche, Aufbringen einer Korrosionsschutzschicht mit den Bestandteilen Nickel und Zink zumindest bereichsweise (20, 22, 24, 26) auf eine Oberfläche des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators (10).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils, insbesondere einer Fahrwerksfeder und/oder eines Stabilisators, ein Fahrwerksbauteil, insbesondere eine Fahrwerksfeder und/oder einen Stabilisator, und ein Fahrwerk gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Am Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, insbesondere im Bereich der Räder, sind Fahrwerksfedern und Stabilisatoren angeordnet. Die Fahrwerksfedern und die Stabilisatoren sind durch korrosiven Angriff und dynamische Beanspruchung belastet. Bekannt ist das Problem der Spannungsrisskorrosion und Schwingungsrisskorrosion an besonders belasteten Stellen, beispielsweise Befestigungsstellen der Fahrwerksfeder und des Stabilisators. Zum Schutz gegen den korrosiven Angriff werden die Fahrwerksfedern und Stabilisatoren in der Regel mittels Korrosionsschutzschichten geschützt. Als Korrosionsschutzschichten werden Beschichtung mit Lacken und anderen Kunststoffen, Phospatieren und Beschichtung mit Zinküberzügen eingesetzt.
Ein Verfahren zur Herstellung der Fahrwerksfeder umfasst in der Regel das Warmwickeln eines Stahlstabes-/drahtes mit anschließendem Abschrecken, meist in Öl. Anschließend wird die Korrosionsschutzschicht aufgebracht. Aus der EP 878 637 A2 ist beispielsweise eine Korrosionsschutzschicht bekannt, die mittels Pulverbeschichtung aufgebracht wird.
Aus Gründen der Gewichtseinsparung ist es wünschenswert die Fahrwerksfedern und Stabilisatoren aus weniger Material zu fertigen, wobei der Werkstoff des Materials dann eine höhere Festigkeit bei möglichst hoher Zähigkeit aufweisen muss.
Die DE 100 26 044 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugtragfeder aus einem hochfesten Stahl. Bei dem Verfahren zur Herstellung werden Stahl-Stäbe aus Federstahl, beispielsweise 60SiCrV7, erwärmt, zu Federn gewickelt und in Öl abgeschreckt. Nach verschiedenen Temperaturbehandlungen erfolgt eine Oberflächenvergütung durch Kugelstrahlen und ein anschließendes Flammspritzen zum Aufbringen einer Korrosionsschutzschicht, beispielsweise mit einer Zinkschicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Fahrwerksbauteilen, insbesondere Fahrwerksfedern und/oder Stabilisatoren, aus ultrahoch- /höchstfestem Stahl mit verbessertem Korrosionsschutz bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils, insbesondere einer Fahrwerksfeder und/oder eines Stabilisators, weist die Schritte auf: Bereitstellen eines Stabes aus hoch-/höchstfestem Stahl, insbesondere Federstahl, zumindest bereichsweise Kaltumformen, insbesondere Kaltwickeln, des Stabes zur Herstellung der Gestalt des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfedergestalt und/oder Stabilisatorgestalt, Aufbringen einer Korrosionsschutzschicht mit den Bestandteilen Nickel und Zink, zumindest bereichsweise, auf eine Oberfläche des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators. Eine derartige Zink und Nickel enthaltende Korrosionsschutzschicht fungiert als Opferanode, d. h. sie verhält sich unter Korrosionsbedingungen auf Stahl, einem Eisenwerkstoffen, anodisch. Die Korrosionsschutzschicht weist die Elemente Zink und Nickel vorzugsweise als eine Zn/Ni-Legierung auf, die in der Regel verschiedene Phasen mit unterschiedlichen Zink und Nickelgehalten aufweist. Die Zn/Ni-Schicht weist außerdem durch die Anwesenheit von Ni eine höhere Härte und damit eine bessere Abriebsfestigkeit auf als eine reine Zn-Schicht. Es ist auch möglich andere Zinkverbindungen, beispielsweise Zn/Fe und/oder Zn/CO als Korrosionsschutzschichten zu verwenden, da auch diese gegenüber dem Fahrwerksbauteilwerkstoff eine elektrochemisch kathodische Schutzfunktion darstellen. Es ist sowohl ein Verschleißschutz gegeben, da die Schicht hart ist, als auch ein Schutz gegen korrosiven Angriff. Hierdurch wird die Korrosion am Fahrwerksbauteil, insbesondere an der Fahrwerksfeder und/oder dem Stabilisator deutlich verlangsamt und das Auftreten von Brüchen auf Grund von Spannungsrisskorrosion kann verhindert werden. Ferner ist vorteilhaft, dass sich bei Verbau mit Aluminium, das im modernen Fahrzeugbau aus Gewichtsgründen oft verwendet wird, keine Kontaktkorrosion ausbildet.
Dadurch, dass die Korrosionsschutzschicht bereichsweise aufgebracht wird, das heißt lokal definierten Bereichen des Fahrwerksbauteils mit der Korrosionsschutzschicht abgedeckt werden können, können lokal begrenzte, besonders gefährdete, Bereich des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators, gezielt geschützt werden. Dies sind beispielsweise solche Bereiche die den Umwelteinflüssen stark ausgesetzt sind oder Bereich, die im Kontakt mit Befestigungselementen stehen, die dadurch einem korrosivem Angriff ausgesetzt sind, oder solche die auf Grund von Abrieb einem starken Verschleiß ausgesetzt sind.
Der Stahlstab wird ggf. direkt aus dem Umformwerkzeug geliefert. Hierbei weist er eine hohe Maßgenauigkeit, insbesondere von typischerweise 0.05 mm, aber über den gesamten Bereich von kleiner als 0.08 mm auf. Durch das zumindest bereichsweise Kaltumformen, insbesondere Kaltwickeln, d. h. Rundbiegens um 360°, wird eine Herstellung der Gestalt des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators, ohne zusätzliche Erwärmung realisiert
Deshalb kann ein Fahrwerksbauteil, insbesondere eine Fahrwerksfeder und/oder ein Stabilisator, mit hoher Festigkeit bei geringer Materialstärke, und somit unter Verwendung von weniger Material gewichtsoptimiert, hergestellt werden. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Gewichtseinsparung des Bauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators. Durch den verbesserten Korrosionsschutz kann die Lebensdauer der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators erhöht und eine Qualitätsverbesserung der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators, insbesondere eine Schwingungsrisskorrosionsbeständigkeit, realisiert werden. Durch das optimierte Verfahren können ebenfalls die Herstellungskosten gesenkt werden, da durch das bereichsweise Auftragen, Beschichtungsmaterial eingespart werden kann.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens weist der Federstahl ein bainitisches oder vergütetes Gefüge mit einer Festigkeit von bis zu 2500 N/mm² auf. Stähle mit derartig hohen Festigkeiten werden auch als ultrahochfeste Stähle bezeichnet. Ein Beispiel ist der niedriglegierte ultrahochfeste AISI 4340. Ein bainitisches Gefüge weist eine ferritische Matrix mit parallel angeordneten Ausscheidungen auf. Ein vergütetes Gefüge weist ein martensitisch-bainitisches Gefüge auf. Derartige Gefüge weisen in der Regel durch Zulegieren von Mikrolegierungselementen eine gute Feinkörnigkeit, typischerweise ASTM 8 und feiner, auf. Der Vorteil liegt in einer verbesserten Zähigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der Federstahl vor dem Kaltumformen in einer Randzone abgeschliffen. Hierdurch können Zunderpartikel, die eingezogen worden sein können, entfernt werden und eine Zunderpartikelfreie Randzone geschaffen werden. Dadurch wird die Kerbempfindlichkeit verringert und vorteilhafterweise eine Verlängerung der Lebensdauer realisiert.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die Fahrwerksbauteiloberfläche, insbesondere die Fahrwerksfeder- und/oder Stabilisatoroberfläche vor dem Aufbringen der Korrosionsschutzschicht festkörpergestrahlt. Dies kann Kugelstrahlen zur Erhöhung der Oberflächenhärte sein. Durch das Kugelstrahlen werden zusätzliche Eigenspannungen in die Oberfläche eingebracht, die durch Verdichtung der Oberfläche die Dauerbruchfestigkeit erhöhen. Zusätzlich kann beispielsweise durch Sandstrahlen die Oberflächenrauigkeit erhöht werden. Dadurch haftet die Korrosionsschutzschicht besser auf der Fahrwerksbauteiloberfläche, insbesondere der Fahrwerksfeder- bzw. Stabilisatoroberfläche.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens weist die Korrosionsschutzschicht eine erste Schicht mit den Bestandteilen Nickel und Zink und eine zweite Schicht auf, wobei die erste Schicht zwischen der Fahrwerksbauteiloberfläche, insbesondere der Fahrwerksfeder- und/oder Stabilisatoroberfläche, und der zweiten Schicht angeordnet ist. Die zweite Schicht bewirkt eine Versiegelung der Oberfläche, indem Risse oder Poren oder ähnliche Lücken in der ersten Schicht, die herstellungsbedingt in dieser auftreten können, durch die zweite Schicht abgedeckt werden. Dadurch kann das korrosiv angreifende Medium, beispielsweise Salzwasser nicht durch die Risse direkt an die Fahrwerksbauteiloberfläche, insbesondere die Fahrwerksfeder- und/oder Stabilisatoroberfläche gelangen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens weist die zweite Schicht eine Passivierungsschicht und/oder eine Lackschicht und/oder eine Wachsschicht und/oder eine Polyamidbeschichtung auf. Als Polyamidschicht kann beispielsweise Rilsan vorgesehen sein. Derartige Schichten haben eine gute Fließeigenschaft und dringen auch in kleinste Risse ein.
Das erfindungsgemäße Fahrwerksbauteil, insbesondere die Fahrwerksfeder und/oder der Stabilisator, zeichnen sich dadurch aus, dass der Federstahl ein hoch-/höchstfester Stahl, insbesondere Federstahl, ist und die Korrosionsschutzschicht Nickel und Zink aufweist. Der hochfeste Federstahl ermöglicht ein Fahrwerksbauteil mit reduziertem Gewicht auf Grund der Materialeinsparungen. Die Korrosionsschutzschicht schützt die Oberfläche des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators gegen korrosiven Angriff. Die Korrosionsschutzschicht kann bevorzugt an den besonders gefährdeten Bereichen, beispielsweise Verschraubungsstellen des Fahrwerksbauteils, aufgebracht werden.
In einer Ausgestaltung des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators, weist der Federstahl ein bainitisches oder vergütetes Gefüge auf. Ein vergütetes Gefüge ist ein martensitisch-bainitisches Gefüge mit hoher Festigkeit und feiner Körnung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators, weist die Korrosionsschutzschicht eine erste Schicht mit Nickel und Zink und eine zweite Schicht auf, wobei die erste Schicht zwischen der Fahrwerksbauteiloberfläche und der zweiten Schicht angeordnet ist. Durch die zweite Schicht können Risse und Poren in der ersten Schicht abgedeckt werden, sodass eine dichte Korrosionsschutzschicht auf der Fahrwerksbauteiloberfläche aufgebracht ist. Ein effektiverer Korrosionsschutz ist realisiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators, ist die zweite Schicht eine Passivierungsschicht und/oder eine Lackschicht und/oder eine Wachsschicht und/oder eine Polyamidschicht. Die Polyamidschicht weist bevorzugt eine Rilsanschicht auf. Lacke, Wachsschichten und Polyamidschichten weisen organische Komponenten auf und sind folglich leicht, das bedeutet, sie tragen nur unwesentlich zu dem Gesamtgewicht des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder oder des Stabilisators bei.
Das erfindungsgemäße Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs weist mindestens ein Fahrwerksbauteil, insbesondere eine Fahrwerksfeder und/oder einen Stabilisator, auf, wobei das mindestens eine Fahrwerksbauteil aus einem ultrahoch-/höchstfesten Federstahl mit bainitischem oder vergütetem Gefüge mit einer hohen Festigkeit und einer großen Zähigkeit gefertigt ist. Ferner weist die Oberfläche des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators, eine Korrosionsschutzschicht auf, die Zink und Nickel und vorzugsweise eine zweite, die erste Schicht abdeckende Schicht aus Lack und/oder Wachs und/oder Polyamid enthält.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher beschrieben, aus der sich auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
Die Figur zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform eines Stabilisators 10. Der Stabilisator 10 weist einen Grundkörper 12 auf, an den als Metallringe ausgebildete Befestigungselemente 14 zur axialen Stabilisierung angebracht sind. Der Stabilisator 10 ist jeweils an Einspannstellen 16 und 18 mit dem Fahrwerk (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs verbunden.
Der Stabilisator 10 ist aus einem Stahl, insbesondere Federstahl, gefertigt, der ein bainitisches oder vergütetes Gefüge und eine Festigkeit von bis zu 2500 N/mm² aufweist. Derartige Stähle werden als ultrafeste oder höchstfeste Stähle bezeichent. Ein derartiger Stahl ist beispielsweise AISI 4340. Die Maßgenauigkeiten betragen typischerweise 0.050 mm, bzw. im Bereich ≤ 0.08 mm. Der Federstahl weist eine Feinkörnigkeit von typischerweise ASTM 8 und feiner auf, wobei diese durch die Prozessführung und/oder die Legierung des Federstahls eingestellt werden kann.
An den Stellen 20 und 22 im Bereich der Metallringe 14 ist eine Beschichtung, die Nickel und Zink aufweist aufgebracht, die einen verbesserten Korrosionsschutz gewährleistet. An den Bereichen 24 und 26 kann diese Korrosionsschutzschicht ebenfalls angebracht werden.
Die Korrosionsschutzschicht weist neben der ersten, Zink und Nickel enthaltenden Schicht eine zweite Schicht auf, die eine Versiegelung enthält. Die Versiegelung kann beispielsweise eine Passivierungsschicht, und/oder einen Lack und/oder ein Wachs aufweisen. Sie kann aber auch eine Polyamidbeschichtung, die vorzugsweise Rilsan enthält, aufweisen.
Das Verfahren zur Herstellung des Stabilisators 10 stellt einen gewichtsoptimierten ultrahoch-/höchstfesten Stabilisator 10 mit verbessertem Korrosionsschutz bereit. Es umfasst die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines Federstahls mit bainitischem oder vergütetem Gefüge und einer Festigkeit von bis zu 2500 N/mm², vorzugsweise eines Stabes aus Federstahl.
– Richten und Abschleifen der Randzone;
– Zumindest bereichsweise Kaltumformen des Stabilisators mit anschließendem Festkörperstrahlen und Setzen;
– Aufbringen einer Korrosionsschutzschicht, die Zink und Nickel enthält; zumindest bereichsweise auf die Oberfläche des Stabilisators;
– optionales Aufbringen einer Versiegelungsschicht.

Der Federstahl wird bevorzugt direkt aus dem Umformwerkzeug in Form von Stäben, die dann kalt umgeformt, insbesondere kalt gewickelt werden, bereitgestellt. Das Abschleifen der Randzone befreit diese von möglicherweise in diese eingezogene Zunderpartikel. Dadurch wird die Kerbempfindlichkeit verringert und die Lebensdauer der Fahrwerksfeder erhöht.
Der Verfahrensschritt Festkörperstrahlen kann Kugelstrahlen zur weiteren Verfestigung der Oberfläche des Stabilisators 10 aufweisen und Sandstrahl zur Aufrauung der Oberfläche. Letzteres erhöht die Haftung der Korrosionsschutzschicht an der Oberfläche des Stabilisators 10.
Die Korrosionsschutzschicht, die Zink und Nickel enthält, wird galvanisch zumindest lokal aufgebracht werden, sodass zumindest gezielt die Bereiche 20, 22, 24 und 26 mit einer verbesserten Korrosionsschutzschicht versehen werden. Streichungen in diesem Satz vorgenommen.
Auf diese Weise können Schwachstellen des Stabilisators 10, die durch Anbringen der Metallringe 12 und 14 und/oder der Einspannstellen 16 und 18 erzeugt wurden, durch die verbesserte Korrosionsschutzschicht gezielt geschützt werden.
Das Verfahren wird ebenso zur Herstellung eines anderen Fahrwerksbauteils, insbesondere einer Fahrwerksfeder, eingesetzt.

10: Stabilisator
12: Befestigungselement
14: Befestigungselement
16: Einspannstelle
18: Einspannstelle
20, 22, 24, 26: Bereich mit Korrosionsschutzschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 878637 A2 [0003]
- DE 10026044 C1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils, insbesondere einer Fahrwerksfeder und/oder eines Stabilisators (10) aufweisend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Stabes aus hoch-/höchstfestem Stahl, insbesondere Federstahl, – zumindest bereichsweise Kaltumformen des Stabes zur Herstellung der Gestalt des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfedergestalt und/oder der Stabilisatorgestalt (10), – Aufbringen einer kathodischen Korrosionsschutzschicht, zum Beispiel Nickel und Zink, zumindest bereichsweise (20, 22, 24, 26), auf eine Oberfläche des Fahrwerksbauteils, insbesondere der Fahrwerksfeder und/oder des Stabilisators (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hoch-/höchstfeste Stahl ein bainitisches oder vergütetes Gefüge aufweist mit einer Festigkeit von bis zu 2500 N/mm².
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl vor dem Kaltumformen in einer Randzone abgeschliffen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrwerksbauteiloberfläche, insbesondere die Fahrwerksfederoberfläche und/oder die Stabilisatoroberfläche vor dem Aufbringen der Korrosionsschutzschicht festkörpergestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht eine erste metallsiche Schicht vorzugsweise mit den Bestandteilen Nickel und Zink und mindestens eine zweite Schicht aufweist, wobei die erste Schicht zwischen der Fahrwerksbauteiloberfläche, insbesondere der Fahrwerksfederoberfläche und/oder der Stabilisatoroberfläche und der zweiten Schicht angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine Passivierungsschicht und/oder eine Lackschicht und/oder eine Wachsschicht und/oder eine Polyamidbeschichtung aufweist.
Fahrwerksbauteil, insbesondere Fahrwerksfeder und/oder Stabilisator (10), aufweisend einen Grundkörper aus einem Stahl und eine Korrosionsschutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein hoch/höchstfester Federstahl, insbesondere Federstahl, ist und die erste Schicht kathodisch schützend wirkt und vorzugsweise Korrosionsschutzschicht Nickel und Zink aufweist.
Fahrwerksbauteil, insbesondere Fahrwerksfeder und/oder Stabilisator (10), nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein bainitisches oder vergütetes Gefüge aufweist.
Fahrwerksbauteil, insbesondere Fahrwerksfeder und/oder Stabilisator (10), nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht eine erste Schicht vorzugsweise enthaltend Nickel und Zink und eine zweite Schicht aufweist, wobei die erste kathodische Korrosionsschutzschicht zwischen der Fahrwerksbauteiloberfläche und der zweiten Schicht angeordnet ist.
Fahrwerksbauteil, insbesondere Fahrwerksfeder und/oder Stabilisator (10), nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine Passivierungsschicht und/oder eine Lackschicht und/oder eine Wachsschicht und/oder eine Polyamidschicht aufweist.
Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem Fahrwerksbauteil, insbesondere einer Fahrwerksfeder und/oder einem Stabilisator (10), nach einem der Ansprüche 7 bis 10.