Federstähle

Federstähle zeichnen sich durch eine hohe Dehngrenze (Streckgrenze) aus und damit können sie in einem großen Spannungsbereich rein elastisch beansprucht werden. Diese Anforderung wird durch ein hohes Streckgrenzenverhältnis (Quotient aus Streckgrenze und Zugfestigkeit) gekennzeichnet, das für Federstähle charakteristisch ist. Das sehen wir deutlich, wenn wir die Kennwerte des Baustahls S235JR mit denen des Federstahls 46Si7 vergleichen:

Kurzname Werkstoff-Nr. Streckgrenze
in MPa
Zugfestigkeit
in MPa
Streckgrenzen-
verhältnis
 S235JR 1.0037 235 400 0,58
 46Si7 1.5024 1150 1350 0,85

Um das hohe Streckgrenzenverhältnis zu erreichen, werden Federstähle vergütet oder kaltverformt, ggf. auch kugelgestrahlt und in diesem Zustand geliefert.

Federstähle werden, dem Gruppennamen entsprechend, bevorzugt zur Herstellung verschiedener Feder verwendet. In Abb. 1 sind drei, jedoch ziemlich ungewöhnliche, Beispiele zu sehen.

                                                 

 

 

 

 

 

Abb. 1 Anwendungsbeispiele für Federstähle

Neben der hohen Dehngrenze ist bei Federstählen auch eine hohe Dauerfestigkeit erwünscht, um eine ausreichende Lebensdauer der Federn zu erzielen. Eine gute Zähigkeit wird benötigt als Sicherheit gegen Überbeanspruchung und Bruch. Hinzu kommen besondere Anforderungen, die durch die Anwendung der Federn gegeben sind, beispielsweise Warmfestigkeit bzw. Kaltzähigkeit und chemische Beständigkeit.

Federstähle werden nach ihrer chemischen Zusammensetzung gekennzeichnet. Es stehen unlegierte und legierte Sorten zur Verfügung. Als Legierungselement wird oft Silizium (1,2 bis 2 %) zulegiert. Sortenbeispiele: C42D, 38Si7, 80CrV2.
Legierungstechnisch gesehen sind die Federstähle, welche die vorgenannten Anforderungen erfüllen, Stähle mit höheren Gehalten an Kohlenstoff (etwa 0,35 bis 0,75%). Dazu kommen im Bedarfsfall Legierungselemente wie Silizium, Mangan, Chrom, Molybdän, und Vanadium. Silizium war lange ein bevorzugtes Legierungselement für Federstähle, weil es die Dehngrenze stark erhöht. Es verstärkt anderseits beim Warmwalzen die Randentkohlung, die bei Federstahl absolut unerwünscht ist. Denn es kommt auf eine gute Härteannahme über den ganzen Querschnitt an. Daher ist die Verwendung Si-legierter Stähle rückläufig. Etwa 14 Stahlsorten werden als Federstähle angeboten. Entsprechend der Federarten werden die Stähle in Form von Draht, Stabstahl (warmgewalzt oder gezogen) oder Bandstahl geliefert.

Eine große Menge – insbesondere Drahtfedern – wird aus patentiert-gezogenem Federdraht aus unlegierten Stählen oder aus ölschlussvergütetem Federstahldraht hergestellt. Das Patentieren ist eine spezielle Wärmebehandlung für Draht (meist im Durchlaufverfahren), bei der das Material austenitisiert und in der Perlitstufe rasch abgekühlt wird. Dadurch erhält es dein Gefüge, das hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Ziehfähigkeit verspricht. Durch das Ziehen findet eine hohe Kaltverfestigung statt. Beim Ölschlussvergüten wird das Material ebenfalls im Durchlaufverfahren austenitisiert, jedoch in Öl abgeschreckt und unmittelbar anschließend angelassen.

Federdraht und Federband aus nichtrostenden Stählen enthalten alle über 16% Chrom und mindestens 6% Nickel. Ihr Federungsvermögen erhalten sie vorwiegend durch Kaltverfestigung, die jedoch durch geeignete Wärmebehandlung und Warm- bzw. Kaltauslagern noch zusätzlich verstärkt werden kann.

Bei Federn, die so hohen Belastungen unterliegen, werden auch sehr hohe Anforderungen an die Stahlqualität gestellt. Deshalb werden hohe Reinheitsgrade gefordert. Federstähle für höchste Beanspruchungen werden in Sonderverfahren erschmolzen, um Seigerungen, nichtmetallische Einschlüsse und andere Innenfehler auszuschließen.
Ebenso werden an die Oberfläche der Federstähle hohe Ansprüche gestellt. Bei sehr hohen Ansprüchen wird deshalb der Federstahl geschält, evtl. auch vorgeschält und/oder geschliffen. Der patentiert-gezogene Draht kann in unterschiedlichen Oberflächenausführungen hergestellt und geliefert werden.