DE19637968C2 - Process for the high-temperature thermomechanical production of spring leaves for leaf springs and / or leaf spring links - Google Patents
Process for the high-temperature thermomechanical production of spring leaves for leaf springs and / or leaf spring linksInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochtemperatur-thermomechanischen Herstellung von Federblättern für Blattfedern und/oder Blattfederlenkern aus mikrolegiertem Federstahlvormaterial gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a method for high-temperature thermomechanical production of spring leaves for leaf springs and / or leaf spring links made of micro-alloyed Spring steel raw material according to the features in the preamble of claim 1.
Die Möglichkeiten einer Steigerung der Dauerfestigkeit von Fahrzeugtragfedern durch Erhöhung der Zugfestigkeit des Werkstoffs 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 through Increasing the tensile strength of the material are strong due to its high strength declining toughness limited. A further increase in tensile strength above this limit leads to a decrease in fatigue strength due to brittle fracture.
Es ist bekannt, daß durch die Anwendung einer "Thermomechanischen Behandlung" (TMB), welche in der Literatur häufig als "Thermomechanische Behandlung bei hoher Temperatur" (HTMB) oder "Modified Ausforming" (MAF) bezeichnet wird, die Festigkeit von Stählen ohne Zähigkeitsverlust deutlich gesteigert werden kann [Straßburger, C.: Entwicklungen zur Festigkeitssteigerung 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 warmverfestigten, nicht rekristallisierten Austenit von zentraler Bedeutung.It is known that by using "thermomechanical treatment" (TMB), which is often referred to in the literature as "thermomechanical treatment at high Temperature "(HTMB) or" Modified Forming "(MAF) is called the strength of steels can be significantly increased without loss of toughness [Straßburger, C .: Developments to increase the strength of steels, Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1981; Dahl, W., u. a .: Material science steel, publishing house Stahleisen, Düsseldorf 1984]. Out From a material technology point of view, the remuneration from the forming heat, d. H. from a hot-strengthened, non-recrystallized austenite of central importance.
Die Anwendung der TMB auf die Blattfedernfertigung aus konventionellen (nicht mikrolegierten) Stählen wird in der Literatur bereits von Böhme [Dissertation, Bergakademie Freiberg 1983] und Takase u. a. [European Patent Specification EP 0431 224 B1 (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. Eine erste wichtige Voraussetzung für die Erzielung der positiven TMB-Effekte ist, daß das Federblatt zwischen der Umformung und der Vergütung (Abschrecken auf Raumtemperatur und Anlassen) die A3-Temperatur über eine Zeit von mehreren Minuten nicht unterschreitet [Hensger, K. E. u. a.: Patentschrift DD 228 567 A1 (16.10.85)]. Während dieser Zeit werden weitere Warmbearbeitungsschritte durchgeführt (z. B. Zuschneiden, Mittelloch stanzen, Augenanrollen). Die zweite wichtige Voraussetzung ist, daß die Rekristallisation des Austenits während dieser Zeit unterdrückt wird. Das wurde bereits 1981 von Hensger [Dissertation B, Bergakademie Freiberg 1981] festgestellt. Diese für den Erfolg der TMB wichtige Voraussetzung konnte allerdings mit keiner der zitierten Technologien erfüllt werden. Das ist ein Grund dafür, daß die TMB bis heute nicht in der industriellen Federnfertigung eingesetzt wird.The application of the TMB to the manufacture of leaf springs from conventional (non-microalloyed) steels is already described in the literature by Böhme [dissertation, Bergakademie Freiberg 1983] and Takase et al. [European Patent Specification EP 0431 224 B1 (21.2.1996)]. The TMB with 1-stage temperature forming degree guidance takes place in the temperature range from 800 to 900 ° C, which has been the state of the art in leaf spring production for many years. A first important prerequisite for achieving the positive TMB effects is that the spring leaf between the forming and the tempering (quenching to room temperature and tempering) does not fall below the A 3 temperature over a period of several minutes [Hensger, KE et al.: Patent specification DD 228 567 A1 (10/16/85)]. During this time, further hot processing steps are carried out (e.g. cutting, punching the center hole, rolling on the eyes). The second important requirement is that recrystallization of the austenite is suppressed during this time. This was already established in 1981 by Hensger [Dissertation B, Bergakademie Freiberg 1981]. However, none of the technologies cited could meet this important requirement for the success of TMB. This is one reason why the TMB has not yet been used in industrial spring production.
Peters schlägt in neueren Veröffentlichungen vor, auch für Federstähle eine Mikrolegierung
und eine 2-stufige TMB mit deutlich erhöhten Austenitisierungstemperaturen anzuwenden,
wie sie prinzipiell bei der Herstellung von Halbzeug aus Stahl schon seit einiger Zeit Stand
der Technik ist [Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben AIF 8979, MPI für Eisen
forschung, Düsseldorf 1995; steel research 7/96, S. 291ff.; steel research 10/96, S. 412ff.].
Das Problem der Übertragung einer solchen 2-stufigen TMB auf die Fertigung des Bauteils
Blattfeder konnte aufgrund einiger blattfederspezifischer Anforderungen bisher allerdings
nicht gelöst werden:
Eine solche Anforderung resultiert aus der Empfindlichkeit der Blattfeder gegen
Randentkohlung, wodurch die Anwendung hoher Austenitisierungstemperaturen bisher nicht
möglich ist. Dieses Problem kann prinzipiell durch eine beschleunigte Erwärmung auf
Austenitisierungstemperatur gemindert werden, wie sie in der Literatur in Zusammenhang
mit einer Begrenzung des Kornwachstums beschrieben wird [z. B. Hilgers, H. H. u. a.:
Verfahren zum Verfestigen von Stahl, Offenlegungsschrift DE 27 16 791 A1, (20.10.77)]. Die
Anforderungen an die Heizraten sind bei dem extrem oberflächensensiblen Teil Blattfeder
allerdings höher. Darüber hinaus kann die beschleunigte Anwärmung bei der TMB-Fertigung
der Blattfeder nur wirken, wenn sie Teil einer federspezifischen komplexen
Temperatur-Umformgrad-Zeit-Folge ist, worauf im folgenden näher eingegangen wird.Peters suggests in more recent publications that a micro-alloy and a 2-stage TMB with significantly increased austenitizing temperatures should also be used for spring steels, as has been the state of the art for some time in the manufacture of steel semi-finished products [final report on research project AIF 8979, MPI for iron research, Düsseldorf 1995; steel research 7/96, p. 291ff .; steel research 10/96, p. 412ff.]. However, the problem of transferring such a 2-stage TMB to the manufacture of the leaf spring component has not yet been solved due to some leaf spring-specific requirements:
Such a requirement results from the sensitivity of the leaf spring to decarburization, which means that the use of high austenitizing temperatures has not been possible until now. In principle, this problem can be reduced by accelerated heating to the austenitizing temperature, as described in the literature in connection with a limitation of grain growth [e.g. B. Hilgers, HH and others: Process for strengthening steel, published application DE 27 16 791 A1, (20.10.77)]. However, the requirements for heating rates are higher for the extremely surface-sensitive part of the leaf spring. In addition, the accelerated heating during TMB manufacture of the leaf spring can only be effective if it is part of a spring-specific complex temperature-forming degree-time sequence, which will be discussed in more detail below.
Bei der Herstellung einer thermomechanisch behandelten Blattfeder liegt ein Problem in der heute üblichen Parabelgeometrie, welche beim Auswalzen des Vormaterials zur Feder eine ungleichmäßige Abnahme über die Länge erfordert, wobei die im späteren Betrieb mit dem höchsten Biegemoment beanspruchte Mitte des Federblattes gar nicht umgeformt wird. Ohne Umformung kann jedoch keine Warmverfestigung aufgebracht werden und daraus folgend können die positiven TMB-Effekte nicht erreicht werden. There is a problem with the manufacture of a thermomechanically treated leaf spring Today's parabolic geometry, which a when rolling out the primary material to the spring uneven decrease over the length required, which in later operation with the maximum bending moment stressed center of the spring leaf is not deformed at all. Without Forming, however, cannot be applied by hot working and consequently the positive TMB effects cannot 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 resultierend 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, such a large change in shape (approx. 60%) is applied to the ends of the spring, that recrystallization also occurs here when using microalloyed steel. As a result, there is no heat-hardened bond at the ends of the spring during hardening Structure, which means that no TMB effects can be obtained there either.
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 Randentkohlung und des über die Länge der Parabelfeder stark schwankenden Umformgrades nicht aufweist und dadurch die Herstellung einer Feder mit erheblich höherer dynamischer Belastbarkeit ermöglicht.The technical object of the invention is to apply a 2-stage TMB to the Manufacture of parabolic springs from microalloyed spring steel by a process enable, which the described problems of the increased decarburization and the does not have a strongly fluctuating degree of deformation over the length of the parabolic spring and thereby the production of a spring with a significantly higher dynamic load capacity allows.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer 2-stufigen thermomechanischen
Parabelfederherstellung gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1. Eine
erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich aus dem Patentanspruch 2. Das
Verfahren beinhaltet gemäß Abb. 1 die Prozeßschritte
The method according to the invention is based on a 2-stage thermomechanical parabolic spring production according to the features of claim 1. An embodiment of the method according to the invention results from claim 2. The method includes the process steps according to Fig. 1
- - Erwärmen des mikrolegierten Ausgangsmaterials auf Austenitisierungstemperatur- Heating the microalloyed starting material to austenitizing 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, wherein several intermediate heating operations are carried out
- - 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 vollständig 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 Abkühlgeschwindig keiten zwischen 10°C/s und 30°C/s auf die Temperatur der 1. Walzstufe und von dort ebenfalls beschleunigt 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 Temperaturen ausgesetzt ist, deutlich verkürzt und folglich die zusätzliche Randentkohlung stark verringert.Since the positive effects of a microalloy can only be fully utilized 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 edge decarburization is greatly reduced.
Das beschriebene Problem des über die Länge des Federblattes stark unterschiedlichen Umformgrades beim Auswalzen der Parabelform 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 unter schiedlichen Formänderung zwischen 15% und 80% aufgebracht wird, wobei die zur Rekristallisation notwendige Mindestumformung an keiner Stelle des Federblattes unterschritten wird. Nachfolgend wird nach beschleunigter 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% beträgt, auf die Endabmessung gewalzt. Dabei werden unter Last anstellbare Walzen eingesetzt.The described problem of the greatly different degrees of deformation during the rolling of the parabolic shape over the length of the spring leaf is solved according to FIGS. 3 and 4 according to the invention in that first in a first 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, with the minimum deformation required for recrystallization is not fallen below at any point of 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 parabola preform is rolled to the final dimension with a shape change that is constant over the length of the spring and is between 15% and 45%. Rollers that can be adjusted under load are used.
Die beschriebene beschleunigte Abkühlung führt darüber hinaus während der Umformung in der ersten und zweiten Walzstufe zu einer Übersättigung des Austenits an Mikrolegierungs elementen, welche nachfolgend zu einer besonders feinen verformungsinduzierten Ausscheidung der Mikrolegierungselemente und damit zu besonders guten Eigenschaften der Feder führt.The accelerated cooling described also leads during the forming in the first and second rolling stages to supersaturate the austenite in microalloy elements which subsequently result in a particularly fine deformation-induced Elimination of the microalloying elements and thus particularly good properties the pen leads.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt erstmals die Anwendung einer 2-stufigen TMB auf die Blattfedernfertigung. Dies ermöglicht die Herstellung von Federn, die gegenüber konventionell hergestellten Federn wesentlich höhere Zeit- und Dauerfestigkeiten aufweisen. Dadurch können die Auslegungsspannungen deutlich erhöht werden, was eine kompaktere Bauweise und eine erhebliche Verringerung des Fahrzeuggewichtes ermöglicht. Darüber hinaus werden durch die Fertigung der Feder in einer Wärme sowie die Anwendung von Schnellerwärmungs- und Schnellabkühltechnologien die Voraussetzungen für eine Konti- Fertigung mit höchster Produktivität geschaffen.The method according to the invention allows the use of a 2-stage TMB for the first time the manufacture of leaf springs. This enables the production of springs that are opposite conventionally manufactured springs have significantly higher fatigue and fatigue strengths. This allows the design voltages to be increased significantly, making it a more compact one Construction and a significant reduction in vehicle weight. About that In addition, the manufacture of the spring in a heat as well as the application of Rapid heating and rapid cooling technologies are the prerequisites for continuous Manufacturing created with the highest productivity.
Das Ausgangsmaterial aus mikrolegiertem Federstahl wird konduktiv mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 25°C/s auf eine Austenitisierungstemperatur von 1200°C erwärmt.The base material made of microalloyed spring steel is conductive with a Heating rate of 25 ° C / s to an austenitizing temperature of 1200 ° C heated.
Das Material wird 5 Minuten auf Austenitisierungstemperatur gehaltenThe material is held at the austenitizing temperature for 5 minutes
Das Material wird in einem Innertgasstrom mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 20°C/s von der Austenitisierungstemperatur auf eine Vorwalztemperatur von 1100°C abgekühltThe material is in an inert gas stream with a cooling rate of 20 ° C / s cooled from the austenitizing temperature to a roughing temperature of 1100 ° C
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 Formänderung von 25% erfährt und die Enden des Federblattes mit einer Formänderung von 60% umgeformt werden.At a temperature of 1100 ° C, the parabolic preform is rolled out by using rollers 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%.
Die Parabelvorform wird in einem Innertgasstrom mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 20°C/s auf eine Fertigwalztemperatur von 880°C abgekühlt.The parabola preform is in an inert gas stream with a cooling rate of Cooled 20 ° C / s to a finish rolling temperature of 880 ° C.
Bei einer Temperatur von 880°C wird mit unter Last anstellbaren Walzen die Parabelvorform gemäß Abb. 4 auf den Endquerschnitt gewalzt, wobei auf der gesamten Federblattlänge eine Formänderung von 25% aufgebracht wird.At a temperature of 880 ° C, the parabolic preform according to Fig. 4 is rolled onto the final cross-section using rollers that can be adjusted under load, whereby a change in shape of 25% is applied to the entire length of the spring leaf.
Im Temperaturbereich zwischen 750°C und 850°C werden die weiteren Warmbearbeitungsschritte (Zuschneiden der Enden, Augenanrollen, Mittelloch stanzen, Ausbiegen der Feder) durchgeführt, wobei das Federblatt mehrfach zwischenerwärmt wirdThe others are in the temperature range between 750 ° C and 850 ° C Hot processing steps (cutting the ends, rolling on the eyes, punching the center hole, Bending the spring) performed, the spring leaf is reheated several times
Die wie beschrieben hergestellte Feder wird aus der Umformwärme in Öl abgeschreckt und nachfolgend gemäß der gewünschten Festigkeit angelassen.The spring produced as described is quenched from the heat of deformation 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 gegenüber Proben, die nach dem heutigen Stand der Technik hergestellt wurden.In the case of samples close to the component, which are produced according to the invention and subsequently placed and were stress-blasted, dynamic tests showed a 30% increase Fatigue strength compared to samples manufactured according to the current state of the art were.
Claims (2)
- - das mikrolegierte Ausgangsmaterial auf Austenitisierungstemperatur erwärmt wird,
- - das Material kurzzeitig auf Austenitisierungstemperatur gehalten wird,
- - das Material auf die Endabmessung gewalzt wird,
- - weitere Warmbearbeitungsschritte wie Endenzuschneiden, Augenanrollen, Mittelloch stanzen, Federausbiegen durchgeführt werden
- - die nach vorbeschriebenen Verfahrensschritten hergestellte Feder aus der Walzhitze in einem geeigneten Medium gehärtet wird
- - die Feder angelassen wird,
- a) das Ausgangsmaterial mit einer Aufheizgeschwindigkeit zwischen 4°C/s und 30°C/s auf Austenitisierungstemperatur angewärmt wird,
- b) die Austenitisierungstemperatur 1100 ± 100°C beträgt,
- c) das Material von der Austenitisierungstemperatur auf die Temperatur der 1. Walzstufe mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 10°C/s und 30°C/s abgekühlt wird,
- d) zunächst in der 1. Walzstufe bei einer Temperatur von 1050 ± 100°C mit einer über die Länge des Federblattes nicht konstanten Formänderung zwischen 15% und 80% in einem oder mehreren Stichen vorgewalzt wird,
- e) von der Temperatur der 1. Walzstufe auf die Temperatur der 2. Walzstufe mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 10°C/s und 30°C/s abgekühlt wird,
- f) in der 2. Walzstufe bei einer Temperatur von 880 ± 30°C mit einer über die Länge des Federblattes konstanten Formänderung zwischen 15% und 45% in einem oder 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, punching the center hole, spring bending are carried out
- - The spring produced according to the method steps described above is hardened from the rolling heat in a suitable medium
- - the spring is started,
- a) the starting material is heated to the austenitizing temperature at a heating rate between 4 ° C / s and 30 ° C / s,
- b) the austenitizing temperature is 1100 ± 100 ° C,
- c) the material is cooled from the austenitizing temperature to the temperature of the first rolling stage with a cooling rate between 10 ° C / s and 30 ° C / s,
- d) first rolled in one or more passes in the 1st rolling stage at a temperature of 1050 ± 100 ° C with a shape change between 15% and 80% which is not constant over the length of the spring leaf,
- e) cooling 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,
- f) in the second rolling stage at a temperature of 880 ± 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 rollers that can be adjusted under load.
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