Gradientenstahl für Achsfedern

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1 Gradientenstahl für Achsfedern Dipl.-Ing. Alexander Tump; Prof. Dr. rer. nat. Robert Brandt; Dipl.-Ing. Steffen Klapprott Ilmenau, 26. September 2013

2 Mass per Unit in g ,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 Level of Strain Danksagung Förderung durch: Den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und den Europäischen Sozialfonds (ESF) Projektdaten: Name: Innovative Achsfeder Laufzeit: bis Ende 2014 Schwerpunkt: Randschichtmodifikation von Silizium-Chrom-Stählen am Beispiel einer Tragfeder 2

3 Gliederung 1 Einleitung 2 Prozesstechnologie der Mubea Drahtfertigung 3 Beanspruchbarkeit einer Achsfeder und Methoden zur Erhöhung der Beanspruchbarkeit 4 Konzept der Surface Layer-Modification (SLM) 5 Achsfederoptimierung mit SLM 6 Erhöhung der Korrosionsresistenz mit SLM 7 Zusammenfassung

4 Mass per Unit in g ,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 Level of Strain Zielsetzung Entwicklung der Mubea Technologie : Hochfestes Material : Spannungskugelsstrahlen : High Performance Process () Steigerung der Beanspruchbarkeit Steigerung der Robustheit Ziele - Gewichtsreduktion um 10% - erhöhte Robustheit - verbesserter intrinsischer Korrosionsschutz Umsetzung - Prozessoptimierung SLM + 2 Um bei erhöhter Robustheit weitere Gewichtsreduktion zu erreichen, hat Mubea die Surface Layer Modification (SLM) Technologie für Achsfederdraht entwickelt. 4

5 Mubea Drahtfertigung Inductive Tempered Wire (ITW) : Inhouse Fertigung - induktiv vorvergüteter Federdraht für höchstbeanspruchte Leichtbaufedern - homogene, feinkörnige Gefüge - Zugfestigkeiten bis R m = 2100 MPa. High Performance Process 2 (2) : Schleifen der Oberfläche - Entfernen von Oberflächenfehlern - Eliminierung von Randentkohlung - Erhöhung der Beanspruchbarkeit Schleifen (2) Surface Layer Modification (SLM) : innovativer Gradientenwerkstoff - weitere Erhöhung der Beanspruchbarkeit SLM ist eine modifizierte und innovative Prozesstechnologie für die Inductive Tempered Wire (ITW) Produktion. 5

6 Druck Eigenspannung s Zug Beanspruchbarkeit 30 µm Draht ungeschliffen Drahtquerschnitt III Tiefe I Beanspruchbarkeit einer Feder - Druckeigenspannungen an der Oberfläche durch - Risse und Randentkohlung an der Oberfläche (I) - nichtmetallische Einschlüsse (III) - Korrosion, ausgehend von der Oberfläche (I) Korrosionsnarbe Nichtmetallischer Einschluss 500 µm 500 µm 6

7 Druck Eigenspannung s Zug Beanspruchbarkeit Beanspruchbarkeit einer Feder Tiefe 2 2 Draht geschliffen III I II - Druckeigenspannungen an der Oberfläche durch - Risse und Randentkohlung an der Oberfläche (I) - nichtmetallische Einschlüsse (III) - Korrosion, ausgehend von der Oberfläche (I) Erhöhung der Beanspruchbarkeit SLM - Entfernung randschichtnaher Risse und Randentkohlung in (I) - Vermeidung von Rissbildung (I) - Reduktion der Rissausbreitungsgeschwindigkeit (II) - optimierte Druckeigenspannung (III) 2 SLM SLM ermöglicht erhöhte Beanspruchbarkeit der Feder durch Optimierung der Randschicht des Federdrahtes. 7

8 Härte in HV1 Beanspruchbarkeit Bruchzähigkeit K Ic in MNm -3/ SiCr Mittlere Härte in HV Erhöhung der Beanspruchbarkeit - Vermeidung von Rissbildung (I) - Reduktion der Rissausbreitungsgeschwindigkeit (II) - optimierte Druckeigenspannung (III) SLM Konzept SLM I - III SLM 2100 MPa Serie 2000 MPa - Erhöhung der Bruchzähigkeit K Ic durch Absenkung der Festigkeit in der Randschicht - Erhöhung der Setzfestigkeit durch Anhebung der Härte im Kern - Härtegradient an der Oberfläche liefert ein optimiertes Eigenspannungsprofil Abstand zur Oberfläche in mm SLM bewirkt eine erhöhte Bruchzähigkeit in der Randschicht, ein verbessertes Setzverhalten sowie ein optimiertes Druckeigenspannungsprofil. 8

9 Härte in HV1 Umsetzung in der Produktion Anlassspulen SLM Kühlstation T 1 T 2 H 2 O Darstellung des Festigkeitsgradienten - Einstellung der Kernhärte analog zum ITW-Verfahren - Einstellung der Randhärte mittels zusätzlicher Erwärmeinheit für eine geänderte Temperaturführung Festigkeitsdefinition für SLM-Draht - Randschichtfestigkeit = 1700 MPa - Kernfestigkeit = 2100 MPa - resultierende, integrale Festigkeit 2050 MPa SLM basiert auf der Absenkung der Härte in der Randschicht des Federdrahts sowie der Anhebung der Härte im Kernbereich. 9

10 Bezogenes Gewicht Schubspannung in MPa Erhöhung der Beanspruchbarkeit Auslegungsgrenze Schubspannung % SLM Maximale Schubspannung t k,max in MPa SLM Schubspannungserhöhung Gewichtsreduktion - - 5% 10% 1,1 1,0-10% Gewichtsreduktion 0,9 - SLM and 2: bis zu 10% - unabhängig vom Federtyp 0,8 2 + SLM SLM bietet ein Gewichtsreduktionspotential für alle Federtypen von 10% durch den Einsatz von SLM und 2. 10

11 Schubspannungen in MPa Surface Layer Modification (SLM) Gewichtsreduktion für SL Federn 44 mm 50 mm Optimierung - Basis ist die Mubea SL-Feder mit - 1. Optimierung mit New Generation - 2. Optimierung mit 2 und SLM 1600 SL SL NG SL NG; 2 + SLM SL SL NG SL NG 2 SLM 1200 Max. Spannung t k,max in MPa SL SL NG SL NG 2 + SLM Anzahl der Windungen n t Reduzierung Bauhöhen in mm 5,8-4,6 44 4, Masse in kg 2,07 1,82 (-12%) 1,62 (- 22%) Windungsort SLM bietet ein Gewichtsreduktionspotential von mehr als 20% durch den Einsatz von SLM und 2 sowie der Achsfeder New Generation Technologie. 11

12 Tage bis zum Bruch Zyklen bis zum Bruch Substitution von korrosionsresistenten Stählen KRSt 54SiCr6 54SiCr6 + SLM Schwingungsrisskorrosion - systematische Vorschädigung der Beschichtung - 24 h: Salzsprühnebel, Heißtrocknen, Tauchen im Salzbad und Trocknen LW mit Prüfhub - Prüfung bis zum Bruch - Auswertung der Anzahl der Zyklen Spannungsrisskorrosion - unbeschichtete Federn - vorgespannt in verdünnte Schwefelsäure - Prüfung bis zum Bruch - Auswertung der Zeitdauer in Tagen 0 KRSt 54SiCr6 54SiCr6 + SLM SLM erlaubt die Substitution von teuren, korrosionsresistenten Stählen durch Federstahl 54SiCr6. 12

13 Zusammenfassung SLM bewirkt... - eine erhöhte Bruchzähigkeit in der Randschicht. - ein verbessertes Setzverhalten. - optimierte Druckeigenspannungen an der Oberfläche. SLM basiert auf... - der Absenkung der Härte in der Randschicht des Federdrahts. - der Anhebung der Härte im Kernbereich. SLM bietet... - Kompatibilität mit dem High Performance Process (). - ein Gewichtsreduktionspotential von 10% in Verbindung mit Schleifen ( 2). - Kompatibilität mit der Achsfeder New Generation Technologie. - Robustheit und damit die Möglichkeit zur Substitution von teuren, korrosionsresistenten tählen durch Federstahl 54SiCr6. SLM ist prozesssicher, reif und in Anwendung. Um bei erhöhter Robustheit eine weitere Gewichtsreduktion zu erreichen, hat Mubea die innovative Prozesstechnologie SLM für Achsfederdraht entwickelt. 13