Welche Methoden können verwendet werden, um Eigenspannungen in Edelstahlfedern während der Konstruktion und Herstellung zu reduzieren oder zu beseitigen

Restspannung ist ein häufiges und kritisches Problem im Herstellungsprozess von Edelstahlfedern . Sie entsteht vor allem durch den ungleichmäßigen Fluss des Materials bei plastischer Verformung. Wenn der Edelstahldraht gebogen und in die Federform gewickelt wird, wird das Außenmaterial gedehnt, während das Innenmaterial komprimiert wird. Diese ungleichmäßige Verformung führt zur Ansammlung innerer Spannungen, die auch nach dem Entfernen der äußeren Kraft bestehen bleiben.

Restspannungen wirken sich direkt und erheblich negativ auf die Leistung von Edelstahlfedern aus. Erstens verringert es die Elastizitätsgrenze der Feder und verursacht eine bleibende Verformung, bevor die Auslegungslast erreicht wird. Zweitens verringert die Eigenspannung die Ermüdungslebensdauer erheblich, was dazu führt, dass die Feder nach wiederholten Belastungszyklen vorzeitig versagt. Noch schwerwiegender ist, dass in bestimmten korrosiven Umgebungen Eigenspannungen zu einem Auslöser für Spannungsrisskorrosion (SCC) werden können, die zu plötzlichen Sprödbrüchen führt. Daher ist die wirksame Reduzierung oder Beseitigung von Eigenspannungen von entscheidender Bedeutung, um die hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer von Edelstahlfedern sicherzustellen.

Wärmebehandlung: Die Kerntechnologie zur Beseitigung von Eigenspannungen

Die Wärmebehandlung ist die gebräuchlichste und wirksamste Methode zur Reduzierung oder Beseitigung von Eigenspannungen in Edelstahlfedern. Das Grundprinzip besteht darin, die Feder auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen und dort zu halten, sodass die Atome im Material ausreichend Energie gewinnen, um sich neu anzuordnen und so die durch Kaltbearbeitung verursachte Spannung freizusetzen und neu zu verteilen.

1. Niedertemperierung (Stressabbau):

Dies ist die gebräuchlichste Wärmebehandlungsmethode zur Stresslinderung. Bei martensitischen rostfreien Stählen (wie 420 und 440°C) und austenitischen rostfreien Stählen (wie 302 und 304) wird dies typischerweise bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt.

Austenitische rostfreie Stähle (302, 304 und 316): Die ideale Anlasstemperatur zur Spannungsentlastung liegt typischerweise zwischen 340 ° °C und 450 ° °C. Innerhalb dieses Temperaturbereichs durchläuft das Material keine Phasenumwandlung, aber die thermische Bewegung der Atome reicht aus, um die meisten inneren Spannungen freizusetzen. Hohe Temperaturen können dazu führen, dass sich Karbide an Korngrenzen absetzen, was die Korrosionsbeständigkeit verringert. Daher ist eine strenge Temperaturkontrolle unerlässlich.

Martensitische rostfreie Stähle (410, 420 und 431): Diese Federn werden typischerweise nach dem Abschrecken angelassen und die Temperaturkontrolle ist entscheidend. Die Anlasstemperaturen zur Spannungsentlastung liegen typischerweise zwischen 250-400°C, wodurch die Eigenspannung effektiv reduziert und gleichzeitig die erforderliche Härte und Festigkeit beibehalten wird.

2. Lösungsbehandlung und Alterung:

Bei ausscheidungshärtenden rostfreien Stählen (wie 17-7PH und 15-5PH) hängt ihre Endfestigkeit von der Alterungsbehandlung ab. Vor der Formgebung liegt der Draht typischerweise in Lösung vor, was zu einer guten Duktilität führt. Nach der Umformung ermöglicht die Alterung nicht nur eine Festigkeitssteigerung der Niederschlagsphase, sondern beseitigt auch effektiv Restspannungen. Dieser Vorgang findet gleichzeitig statt.

Mechanische Behandlung: Verbesserung der Oberflächeneigenschaften und Spannungsverteilung

Neben der Wärmebehandlung können bestimmte mechanische Methoden auch den Spannungszustand von Federn, insbesondere die Oberflächeneigenspannung, wirksam verbessern.

1. Kugelstrahlen:

Beim Kugelstrahlen werden Hochgeschwindigkeitsstrahlen aus winzigen Stahl- oder Keramikperlen verwendet, um auf die Federoberfläche zu treffen und so eine Druckspannungsschicht zu erzeugen.

Prinzip: Die durch Kugelstrahlen erzeugte Druckspannung kann die Zugeigenspannung an der Oberfläche ausgleichen. Da Ermüdungsrisse typischerweise von der Oberfläche ausgehen, kann diese Druckspannungsschicht die Rissausbreitung wirksam behindern und so die Ermüdungslebensdauer der Feder erheblich verbessern.

Anwendung: Kugelstrahlen eignet sich besonders für Federn, die hohen zyklischen Belastungen oder extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, wie z. B. Ventilfedern für Automotoren und kritische Federn in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

2. Vorspannung:

Vorspannung, auch "Verdichten" oder "Einstellen" genannt, ist eine Methode zur aktiven Beseitigung von Eigenspannungen.

Prinzip: Nach der Herstellung der Feder wird eine Druck- oder Torsionskraft auf sie ausgeübt, die ihre Auslegungslast übersteigt, was zu einer leichten dauerhaften plastischen Verformung führt. Dieser Vorgang verteilt die Spannung innerhalb der Feder neu und erzeugt nach dem Entfernen der Last eine Restspannung in die entgegengesetzte Richtung der Arbeitslast.

Wirkung: Diese umgekehrte Eigenspannung kann einen Teil der Arbeitsspannung ausgleichen und so das Spannungsniveau im tatsächlichen Gebrauch verringern, wodurch die Tragfähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit der Feder verbessert wird.

Prozesskontrolle und Materialauswahl

Entscheidend ist auch die Kontrolle der Eigenspannungserzeugung an der Quelle.

Auswahl des richtigen Drahtes: Die Auswahl eines hochwertigen, gleichmäßigen Edelstahldrahtes ist unerlässlich. Unsachgemäße Kaltzieh- oder Kaltwalzprozesse können zu übermäßiger innerer Belastung führen.

Optimierung des Umformprozesses: Durch Anpassen der Wickelmaschinenparameter wie Wickelgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit kann eine gleichmäßigere Materialverformung erreicht werden. Fortschrittliche CNC-Geräte können den Umformprozess präziser steuern und so ungleichmäßige Verformungen reduzieren.

Präzise Prozesssteuerung: Vom Drahteintritt in die Fabrik bis zur abschließenden Wärmebehandlung ist in jeder Phase eine strenge Prozessparameterkontrolle erforderlich. Beispielsweise müssen die Temperaturgleichmäßigkeit, die Hoch- und Herunterfahrraten sowie die Haltezeit des Wärmebehandlungsofens genau überwacht werden.