DE19637968A1 - Production of a leaf of a parabolic spring used in the car industry - Google Patents
Production of a leaf of a parabolic spring used in the car industryInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochtemperatur-ther momechanischen Herstellung eines Blattes einer Parabelfeder aus mikrolegiertem Federstahlvormaterial.The invention relates to a method for high-temperature ther momechanical manufacture of a leaf of a parabolic spring made of microalloyed spring steel raw material.
Die Möglichkeiten einer Steigerung der Dauerfestigkeit von Fahrzeugtragfedern durch Erhöhung der Zugfestigkeit des Werk stoffs sind durch dessen bei hoher Festigkeit stark abfallende Zähigkeit begrenzt. Eine weitere Erhöhung der Zugfestigkeit über diese Grenze führt zum Absinken der Dauerfestigkeit durch Sprödbruch.The possibilities of increasing the fatigue strength of Vehicle suspension springs by increasing the tensile strength of the factory Because of its high strength, the fabric is very sloping Toughness limited. Another increase in tensile strength beyond this limit the fatigue strength drops Brittle fracture.
Es ist bekannt, daß durch die Anwendung einer "Thermomechani schen Behandlung" (TMB) welche in der Literatur häufig als "Thermomechanische Behandlung bei hoher Temperatur" (HTMB) oder "Modified Ausforming" (MAF) bezeichnet wird, die Festig keit von Stählen ohne Zähigkeitsverlust deutlich gesteigert werden kann [Straßburger, C. Entwicklungen zur Festigkeits steigerung der Stähle, Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1981; Dahl, W., u. a.: Werkstoffkunde Stahl, Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1984]. Aus werkstofftechnischer Sicht ist dabei die Vergütung aus der Umformwärme, d. h. aus einem warmverfestig ten, nicht rekristallisierten Austenit von zentraler Bedeu tung.It is known that by the use of a "Thermomechani treatment "(TMB) which is often referred to in the literature as "Thermomechanical treatment at high temperature" (HTMB) or "Modified Forming" (MAF), the Festig of steels without loss of toughness significantly increased can become [Straßburger, C. Developments in strength steels increased, Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1981; Dahl, W., u. a .: Material Science Steel, Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1984]. From a material technology perspective, this is Compensation from the forming heat, d. H. from a heat setting austenite, not recrystallized, of central importance tung.
Die Anwendung der TMB auf die Blattfedernfertigung aus konven tionellen (nicht mikrolegierten) Stählen wird in der Literatur bereits von Böhme [Dissertation, Bergakademie Freiberg 1983] und Takase u. a. [European Patent Specification EP 0431 224B1 (21.2.1996)] beschrieben. Die TMB mit 1-stufiger Temperatur- Umformgrad-Führung erfolgt dabei im Temperaturbereich von 800 bis 900°C, welcher in der Blattfedernfertigung schon seit vielen Jahren Stand der Technik ist. Die für die Erzielung der positiven TMB-Effekte notwendige Vergütung aus einem warmver festigten Austenitzustand heraus, ist unter den Randbedingun gen der Blattfedernherstellung mit diesen Verfahren nicht zu realisieren, da während der Durchführung weiterer Warmbear beitungsschritte nach dem Auswalzen der Feder (z. B. Zuschnei den, Mittelloch stanzen, Augenanrollen) die Rekristallisation über mehrere Minuten unterdrückt werden muß. Diese bereits 1981 von Hensger [Dissertation B, Bergakademie Freiberg 1981] getroffene Feststellung, wurde jetzt durch die von Peters an Laborproben durchgeführten Grundlagenuntersuchungen erneut bestätigt [Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben AIF 8979, MPI für Eisenforschung, Düsseldorf 1995; steel research 7/96, S. 291 ff.; steel research 10/96, S. 412 ff.].The application of the TMB to the manufacture of leaf springs from convents tional (non-microalloyed) steels is used in the literature already by Böhme [dissertation, Bergakademie Freiberg 1983] and Takase et al. a. [European Patent Specification EP 0431 224B1 (February 21, 1996)]. The TMB with 1-stage temperature Forming degree guidance takes place in the temperature range of 800 up to 900 ° C, which has been in the manufacture of leaf springs state of the art for many years. The for achieving the positive TMB effects necessary compensation from a warmver strengthened austenite state is under the boundary conditions leaf spring production with these processes Realize, because during the execution of further warmbear processing steps after rolling out the spring (e.g. trimming punching the middle hole, rolling eyes) the recrystallization must be suppressed for several minutes. This already 1981 by Hensger [Dissertation B, Bergakademie Freiberg 1981] determination made, was now made by that of Peters Laboratory tests performed basic examinations again confirmed [final report on research project AIF 8979, MPI for Iron Research, Düsseldorf 1995; steel research 7/96, P. 291 ff .; steel research 10/96, p. 412 ff.].
Peters schlägt auch für Federstähle eine Mikrolegierung und eine 2-stufige TMB mit deutlich erhöhten Austenitisierungs temperaturen, wie sie prinzipiell bei der Herstellung von Halbzeug aus Stahl schon seit einiger Zeit Stand der Technik ist, vor.Peters also proposes a micro alloy for spring steels and a 2-stage TMB with significantly increased austenitization temperatures as they are principally used in the production of Semi-finished steel products have been state of the art for some time is before.
Das Problem der Übertragung einer solchen 2-stufigen TMB auf
die Fertigung des Bauteils Blattfeder konnte aufgrund einiger
blattfederspezifischer Anforderungen bisher nicht gelöst wer
den:
Eine solche Anforderung ist die Empfindlichkeit der Blattfeder
gegen Randentkohlung, wodurch die Anwendung hoher Austeniti
sierungstemperaturen bisher nicht möglich ist.The problem of transferring such a 2-stage TMB to the manufacture of the leaf spring component has so far not been solved due to some leaf spring-specific requirements:
One such requirement is the sensitivity of the leaf spring to decarburization, which means that the use of high austenitizing temperatures has so far not been possible.
Ein weiteres Problem bei der Herstellung einer thermomecha nisch behandelten Blattfeder liegt in der heute üblichen Para belgeometrie, welche beim Auswalzen des Vormaterials zur Feder eine ungleichmäßige Abnahme über die Länge erfordert, wobei die im späteren Betrieb mit dem höchsten Biegemoment bean spruchte Mitte des Federblattes gar nicht umgeformt wird. Ohne Umformung kann jedoch keine Warmverfestigung aufgebracht wer den und daraus folgend können die positiven TMB-Effekte nicht erreicht werden.Another problem in making a thermomecha niche treated leaf spring is in the Para common today Belgeometrie, which when rolling the primary material to the spring requires an uneven decrease in length, with the bean with the highest bending moment in later operation said middle of the spring leaf is not reshaped. Without Forming, however, cannot be applied by hot working and consequently the positive TMB effects cannot can be achieved.
An den Enden der Feder wird dagegen eine so hohe Formänderung (ca. 60%) aufgebracht, daß es hier auch bei Verwendung von mikrolegiertem Stahl zur Rekristallisation kommt. Daraus re sultierend liegt beim Härten auch an den Enden der Feder kein warmverfestigtes Gefüge vor, was dazu führt, daß auch dort keine TMB-Effekte erhalten werden können.On the other hand, there is such a large change in shape at the ends of the spring (about 60%) applied that it is also here when using microalloyed steel comes to recrystallization. From it right There is no resultant hardening at the ends of the spring heat-hardened structure before, which also leads there no TMB effects can be obtained.
Technische Aufgabe der Erfindung ist es, die Anwendung einer 2-stufigen TMB auf die Herstellung von Parabelfedern aus mikrolegiertem Federstahl durch ein Verfahren zu ermöglichen, welches die beschriebenen Probleme der verstärkten Randentkoh lung und des über die Länge der Parabelfeder stark schwanken den Umformgrades nicht aufweist und dadurch die Herstellung einer Feder mit erheblich höherer dynamischer Belastbarkeit ermöglicht.Technical object of the invention is the application of a 2-stage TMB on the manufacture of parabolic springs microalloyed spring steel through a process to enable which described the problems of reinforced marginal decarburization and fluctuate strongly over the length of the parabolic spring does not have the degree of deformation and thus the production a spring with significantly higher dynamic resilience enables.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer 2-stufigen
thermomechanischen Parabelfederherstellung. Es beinhaltet
gemäß Abb. 1 die Prozeßschritte
The method according to the invention is based on a two-stage thermomechanical parabolic spring production. According to Fig. 1, it contains the process steps
- - Erwärmen des mikrolegierten Ausgangsmaterials auf Austeniti sierungstemperatur- Heating the microalloyed raw material on austenite temperature
- - Halten des Materials auf dieser Temperatur- Keep the material at this temperature
- - Abkühlen auf die Temperatur der 1. Walzstufe- Cooling down to the temperature of the 1st rolling stage
- - Vorwalzen in der 1. Walzstufe- Pre-rolling in the 1st rolling stage
- - Abkühlen auf die Temperatur der 2. Walzstufe- cooling to the temperature of the second rolling stage
- - Fertigwalzen in der 2. Walzstufe- Finishing rolling in the 2nd rolling stage
- - Durchführen der weiteren Warmbearbeitungsschritte in der Walzhitze, wobei mehrere Zwischenerwärmungen durchgeführt werden- Carrying out the further hot working steps in the Rolling heat, whereby several intermediate heating operations were carried out will
- - Härten der so hergestellten Feder aus der Walzhitze- Hardening the spring thus produced from the rolling heat
- - Anlassen der Feder.- start the spring.
Da die positiven Effekte einer Mikrolegierung nur dann voll ständig genutzt werden können, wenn ein größerer Anteil der Mikrolegierungselemente im Austenit gelöst wird, muß gemäß Abb. 2 eine Austenitisierungstemperatur zwischen 1000°C und 1200°C angewendet werden, was zum Problem der verstärkten Randentkohlung führt. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ausgangsmaterial durch Anwendung einer Schnellerwärmungstechnologie (z. B. induktiv oder konduktiv) stark beschleunigt mit einer Aufheizgeschwindigkeit zwischen 4°C/s und 30°C/s auf Austenitisierungstemperatur gebracht und nach einer kurzen Haltezeit von dieser beschleunigt mit Ab kühlgeschwindigkeiten zwischen 10°C/s und 30°C/s auf die Temperatur der 1. Walzstufe und von dort ebenfalls beschleu nigt auf die Temperatur der 2. Walzstufe abgekühlt wird. Diese Abkühlung kann z. B. in einem kühlenden Gasstrom erfolgen. Insgesamt wird die Zeit, die der Federstahl den hohen Tempera turen ausgesetzt ist, deutlich verkürzt und folglich die zu sätzliche Randentkohlung stark verringert.Since the positive effects of a microalloy can only be fully used if a larger proportion of the microalloying elements are dissolved in austenite, an austenitizing temperature between 1000 ° C and 1200 ° C must be used as shown in Fig. 2, which leads to the problem of increased edge decarburization . This problem is solved according to the invention in that the starting material is accelerated to the austenitizing temperature using a rapid heating technology (e.g. inductive or conductive) at a heating rate between 4 ° C./s and 30 ° C./s and after a short holding time therefrom accelerates with cooling speeds between 10 ° C / s and 30 ° C / s to the temperature of the 1st rolling stage and from there is also accelerated to the temperature of the 2nd rolling stage. This cooling can, for. B. done in a cooling gas stream. Overall, the time that the spring steel is exposed to the high temperatures is significantly reduced and consequently the additional decarburization is greatly reduced.
Das beschriebene Problem des über die Länge des Federblattes stark unterschiedlichen Umformgrades beim Auswalzen der Para belform wird entsprechend Abb. 3 und 4 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst in einer 1. Walzstufe im Bereich des rekristallisierenden Austenits die Parabelform mit einer über die Länge der Feder unterschiedlichen Formänderung zwi schen 15% und 80% aufgebracht wird, wobei die zur Rekristal lisation notwendige Mindestumformung an keiner Stelle des Federblattes unterschritten wird. Nachfolgend wird nach be schleunigter Abkühlung auf die Temperatur der 2. Walzstufe, welche im Bereich des nicht rekristallisierenden Austenits liegt, diese Parabelvorform mit einer über die Länge der Feder konstanten Formänderung, welche zwischen 15% und 45% be trägt, auf die Endabmessung gewalzt. Dabei werden unter Last anstellbare Walzen eingesetzt.The described problem of the greatly different degrees of deformation over the length of the spring leaf when rolling out the Para belform is solved according to Figs. 3 and 4 according to the invention in that first in a 1st rolling stage in the area of recrystallizing austenite, the parabolic shape with a different over the length of the spring Shape change between 15% and 80% is applied, whereby the minimum deformation necessary for recrystallization is never undercut at any point on the spring leaf. Subsequently, after accelerated cooling to the temperature of the second rolling stage, which is in the region of the non-recrystallizing austenite, this parabolic preform is rolled to the final dimension with a constant change in shape over the length of the spring, which is between 15% and 45%. Rollers that can be adjusted under load are used.
Die beschleunigte Abkühlung führt darüber hinaus während der Umformung in der ersten und zweiten Walzstufe zu einer Über sättigung des Austenits an Mikrolegierungselementen, welche nachfolgend zu einer besonders feinen verformungsinduzierten Ausscheidung der Mikrolegierungselemente und damit zu beson ders guten Eigenschaften der Feder führt.The accelerated cooling also leads during the Forming in the first and second rolling stages to an over saturation of the austenite on microalloying elements, which subsequently to a particularly fine deformation-induced Elimination of the microalloying elements and therefore too special leads the good properties of the spring.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt erstmals die Anwendung einer 2-stufigen TMB auf die Blattfedernfertigung. Dies ermög licht die Herstellung von Federn, die gegenüber konventionell hergestellten Federn wesentlich höhere Zeit- und Dauerfestig keiten aufweisen. Dadurch können die Auslegungsspannungen deutlich erhöht werden, was eine kompaktere Bauweise und eine Verringerung des Fahrzeugeigengewichtes ermöglicht. The method according to the invention allows the application for the first time a 2-stage TMB on the leaf spring production. This enables light the manufacture of springs compared to conventional produced springs much higher durability and durability have features. This allows the design stresses be significantly increased, which is a more compact design and a Reduction of the vehicle's own weight enables.
Darüber hinaus werden durch die Fertigung der Feder in einer Wärme sowie die Anwendung von Schnellerwärmungs- und Schnell abkühltechnologien die Voraussetzungen für eine Konti-Ferti gung mit höchster Produktivität geschaffen.In addition, by manufacturing the spring in one Warmth as well as the application of quick heating and quick cooling technologies are the prerequisites for a continuous production created with maximum productivity.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.
-
1) Erwärmung des Ausgangsmaterials:
Das Ausgangsmaterial aus mikrolegiertem Federstahl wird kon duktiv mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 25°C/s auf eine Austenitisierungstemperatur von 1200°C erwärmt.1) Warming the raw material:
The raw material made of microalloyed spring steel is heated to an austenitizing temperature of 1200 ° C at a heating rate of 25 ° C / s. -
2) Haltezeit:
Das Material wird 5 Minuten auf Austenitisierungstemperatur gehalten.2) Holding time:
The material is held at the austenitizing temperature for 5 minutes. -
3) Beschleunigte Abkühlung:
Das Material wird in einem Innertgasstrom mit einer Abkühlge schwindigkeit von 20°C/s von der Austenitisierungstemperatur auf eine Vorwalztemperatur von 1100°C abgekühlt.3) Accelerated cooling:
The material is cooled in an inert gas stream with a cooling speed of 20 ° C / s from the austenitizing temperature to a roughing temperature of 1100 ° C. -
4) 1. Walzstufe:
Bei einer Temperatur von 1100°C wird durch Verwendung von unter Last anstellbaren Walzen die Parabelvorform ausgewalzt, wobei die Mitte des Federblattes gemäß Abb. 4 eine Form änderung von 25% erfährt und die Enden des Federblattes mit einer Formänderung von 60% umgeformt werden. 4) 1st rolling stage:
At a temperature of 1100 ° C, the parabolic preform is rolled out using rolls that can be adjusted under load, the center of the spring leaf undergoing a shape change of 25% as shown in Fig. 4 and the ends of the spring leaf being deformed with a shape change of 60%. -
5) Beschleunigte Abkühlung:
Die Parabelvorform wird in einem Innertgasstrom mit einer Ab kühlgeschwindigkeit von 20°C/s auf eine Fertigwalztemperatur von 880°C abgekühlt.5) Accelerated cooling:
The parabola preform is cooled in an inert gas stream with a cooling rate of 20 ° C / s to a finish rolling temperature of 880 ° C. -
6) 2. Walzstufe:
Bei einer Temperatur von 880°C wird mit unter Last anstell baren Walzen die Parabelvorform gemäß Abb. 4 auf den Endquerschnitt gewalzt, wobei auf der gesamten Federblattlänge eine Formänderung von 25% aufgebracht wird.6) 2nd rolling stage:
At a temperature of 880 ° C, the parabolic preform according to Fig. 4 is rolled onto the final cross-section using rolls that can be adjusted under load, whereby a change in shape of 25% is applied to the entire length of the spring leaf. -
7) Weitere Warmbearbeitungsschritte:
Im Temperaturbereich zwischen 750°C und 850°C werden die wei teren Warmbearbeitungsschritte (Zuschneiden der Enden, Augen anrollen, Mittelloch stanzen, Ausbiegen der Feder) durchge führt, wobei das Federblatt mehrfach zwischenerwärmt wird.7) Further hot processing steps:
In the temperature range between 750 ° C and 850 ° C, the further heat processing steps (cutting the ends, rolling eyes, punching the center hole, bending out the spring) are carried out, with the spring leaf being reheated several times. -
8) Vergüten der Feder:
Die wie beschrieben hergestellte Feder wird aus der Umform wärme in Öl abgeschreckt und nachfolgend gemäß der gewünschten Festigkeit angelassen.8) Remuneration of the spring:
The spring produced as described is quenched from the forming heat in oil and subsequently tempered according to the desired strength.
Bei bauteilnahen Proben, die erfindungsgemäß hergestellt und nachfolgend gesetzt und spannungsgestrahlt wurden, ergaben dynamische Tests eine um 30% erhöhte Dauerfestigkeit gegen über Proben, die nach dem heutigen Stand der Technik herge stellt wurden.For samples close to the component, which are produced according to the invention and subsequently placed and stress-blasted, resulted dynamic tests against a 30% increase in fatigue strength about samples produced according to the current state of the art were put.
Claims (2)
- - das mikrolegierte Ausgangsmaterial auf Austenitisierungs temperatur erwärmt wird,
- - das Material kurzzeitig auf Austenitisierungstemperatur gehalten wird,
- - das Material auf die Endabmessung gewalzt wird,
- - weitere Warmbearbeitungsschritte, wie Endenzuschneiden, Augenanrollen, Mittellochstanzen, Federausbiegen durch geführt werden,
- - die nach vorbeschriebenen Verfahrensschritten hergestell te Feder aus der Walzhitze in einem geeigneten Medium gehärtet wird und
- - die Feder angelassen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß- a) das Ausgangsmaterial mit einer Aufheizgeschwindigkeit zwischen 4°C/s und 30°C/s auf Austenitisierungstempe ratur angewärmt wird,
- b) die Austenitisierungstemperatur 1100°C ± 100°C beträgt,
- c) das Material von der Austenitisierungstemperatur auf die Temperatur der 1. Walzstufe mit einer Abkühlgeschwindig keit zwischen 10°C/s und 30°C/s abgekühlt wird,
- d) zunächst in der 1. Walzstufe bei einer Temperatur von 1050°C ± 100°C mit einer über die Länge des Federblattes nicht konstanten Formänderung zwischen 15% und 80% in einem oder in mehreren Stichen vorgewalzt wird,
- e) von der Temperatur der 1. Walzstufe auf die Temperatur der 2. Walzstufe mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwi schen 10°C/s und 30°C/s abgekühlt wird und
- f) in der 2. Walzstufe bei einer Temperatur von 880°C ± 30°C mit einer über die Länge des Federblattes konstan ten Formänderung zwischen 15% und 45% in einem oder in mehreren Stichen mit unter Last anstellbaren Walzen fertiggewalzt wird.
- - the microalloyed starting material is heated to the austenitizing temperature,
- - the material is briefly kept at the austenitizing temperature,
- - the material is rolled to the final dimensions,
- - Further hot processing steps such as end cutting, eye rolling, center hole punching, spring bending are carried out,
- - The spring manufactured according to the above-described process steps is hardened from the rolling heat in a suitable medium and
- - the spring is started,
characterized in that- a) the starting material is heated to austenitizing temperature at a heating rate between 4 ° C / s and 30 ° C / s,
- b) the austenitizing temperature is 1100 ° C ± 100 ° C,
- c) the material is cooled from the austenitizing temperature to the temperature of the first rolling stage with a cooling speed between 10 ° C / s and 30 ° C / s,
- d) first rolled in one or more passes in the first rolling stage at a temperature of 1050 ° C ± 100 ° C with a shape change between 15% and 80% which is not constant over the length of the spring leaf,
- e) is cooled from the temperature of the 1st rolling stage to the temperature of the 2nd rolling stage with a cooling rate between 10 ° C / s and 30 ° C / s and
- f) in the second rolling stage at a temperature of 880 ° C ± 30 ° C with a constant change in shape over the length of the spring leaf between 15% and 45% in one or more passes with load-adjustable rollers.
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