Federn Hochfeste Federwerkstoffe eröffnen neue Einsatz-Möglichkeiten

Durch die steigenden Anforderungen an Federelemente werden an die Federwerkstoffe erhöhte Ansprüche in Bezug auf die mechanische Festigkeit gestellt. Insbesondere die weichmagnetischen Werkstoffe auf Nickel-Eisen- oder Kobalt-Eisen-Basis ermöglichen technische Lösungen, die mit Standardlegierungen (Reineisen, Silizium-Eisen) nicht realisierbar sind.

Anbieter zum Thema

Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG

Gutekunst Federn

GWJ Technology GmbH

Vacuumschmelze GmbH & Co. KG

Nicht aushärtbare Werkstoffe wie z.B. Federstähle erreichen ihre höchsten Festigkeitswerte nach starker Kaltverformung. Ihre Umformbarkeit und Verarbeitbarkeit ist dann allerdings eingeengt, so dass zugunsten der anwendungsbedingt erforderlichen Formgebung oftmals auf höchste Festigkeitswerte verzichtet werden muss.

Im Gegenzug dazu zeichnen sich aushärtbare Federlegierungen dadurch aus, dass sie im noch nicht ausgehärteten Zustand duktil sind und sich daher leicht verformen und bearbeiten lassen. Insbesondere vor dem Hintergrund der zunehmenden Miniaturisierung von Federelementen gewinnt diese Eigenschaft an Bedeutung. Die erforderlichen mechanischen Eigenschaften werden durch eine nachgelagerte Wärmebehandlung, der sogenannten Aushärtung, eingestellt. Dazu bieten die aushärtbaren Federlegierungen der VACUUMSCHMELZE höchste Festigkeitswerte.

Die Möglichkeit der Aushärtung wird im Allgemeinen durch eine vorangegangene Lösungsglühung sichergestellt. Typischerweise werden dabei ausscheidungshärtende Elemente wie z.B. Titan, Aluminium oder Niob in einer Mischkristallmatrix homogen gelöst. Durch eine schnelle Abkühlung wird dieses Hochtemperaturgleichgewicht eingefroren; es ergibt sich der Lieferzustand „weich“.

Eine anschließende Kaltverformung resultiert in einer erhöhten Versetzungsdichte und deutlichen Steigerungen von Zugfestigkeit, Streckgrenze und Härte (Bild 1). Dem steht eine Verringerung der Duktilität und damit der Biegbarkeit gegenüber. Abhängig vom Anforderungsprofil des Kunden ergibt sich eine optimale Wahl des Kaltverformungsgrades.

Die VACUUMSCHMELZE bietet neben den Standard-Lieferzuständen „weich“, „halbhart“ und „hart“ auch kundenspezifische Lieferzustände, die für die jeweiligen Anwendungen optimiert sind.

Dazu zählen z.T. auch „werksvergütete“ bzw. „wärmebehandelte“ Werkstoffe, die ohne abschließende Aushärtung eingesetzt werden können. Bei den beiden letztgenannten Lieferzuständen werden nicht die maximalen mechanischen Eigenschaften erreicht, die Verarbeitbarkeit und Formgebung bleiben jedoch bestmöglich erhalten.

Federwerkstoffe der VACUUMSCHMELZE: Neben Standard- gibt es auch Kundenspezifische Lösungen

Nach der Formgebung der Federelemente lassen sich die mechanischen Eigenschaften mittels einer Wärmebehandlung weiter verbessern. Dies erfolgt im Allgemeinen durch eine Ausscheidungshärtung, wobei sich die zunächst in der Matrix gelösten Ausscheidungselemente in feine Partikel ausscheiden und damit die Versetzungsbewegungen behindern.

Dem stetigen Anstieg der Festigkeit und Härte – der so genannten Anvergütung – folgt ein Maximum und anschließend ein langsamer Rückgang (Übervergütung).

Die nachfolgenden Beispiele sind exemplarisch, zeigen aber die enorme Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten in verschiedensten Branchen.

1. NIVAFLEX 45/5 und NIVAFLEX 45/18: Neben 45% Kobalt und 21% Nickel enthalten die NIVAFLEX-Legierungen 45/5 und 45/18 noch 18% Chrom, je 4% Wolfram und Molybdän sowie 1% Titan. Durch die Nutzung unterschiedlichster Härtungsmechanismen erreicht man mit diesen hochkomplexen Werkstoffen extrem hohe Festigkeiten und Härtewerte. Im Falle der Legierungsvariante X 45/5 ermöglicht ein geringer Beryllium-Anteil eine Zugfestigkeit von bis zu 3000 MPa. Teile aus NIVAFLEX sind sehr abriebfest und äußerst korrosionsbeständig. Bei vielen Anwendungen ist auch das antimagnetische Verhalten beider Legierungen von Vorteil.

Die besondere Leistungsfähigkeit von NIVAFLEX zeigt sich u.a. darin, dass nahezu alle Aufzugsfedern für hochwertige schweizer mechanische Uhren aus diesem Werkstoff gefertigt werden. Weitere Anwendungsbeispiele sind Lagerspitzen für Wasserzähler oder Elektromotoren sowie Knochensägen in der Chirurgie (Bild 2).

Einsatzmöglichkeiten aushärtbarer Federlegierungen im Dental-, Implantat- und Chirugiebereich

2. DURATHERM 418 und DURATHERM 600: Die Ausführung 418 ist bezogen auf die Eigenschaften identisch mit NIVAFLEX 45/18. Wegen der höheren Reinheit erfüllt sie aber zusätzlich die Anforderungen an einen biokompatiblen Werkstoff gemäß DIN ISO 5832-8. Damit ergeben sich Anwendungen im Dental-, Implantat- und Chirurgiebereich. Das antimagnetische Verhalten verhindert Probleme bei Magnetresonanz (MR)- Untersuchungen.

DURATHERM 600 ist legierungstechnisch ebenfalls eng verwandt mit NIVAFLEX (42% Kobalt, 26% Nickel, 12% Chrom, je 4% Wolfram und Molybdän sowie 2% Titan und 1% Aluminium). Auch diese Legierung ist antimagnetisch und extrem korrosionsbeständig.

Bei leicht reduzierter Festigkeit und Härte ist aber die Temperaturbeständigkeit deutlich verbessert. Dies qualifiziert den Typ 600 insbesondere für Hochtemperaturanwendungen bis 600 °C in aggressiven Medien. Beispielhaft sind hier korrosionsbeständige Membranen in Druckmessgeräten sowie Federelemente in der chemischen Industrie genannt

3. THERMELAST 4002: Standard-Federlegierungen weisen üblicherweise eine mehr oder weniger starke Abhängigkeit der Federeigenschaften von der Temperatur auf. Die Nickel (43%)- Chrom (5%)- Eisenlegierung THERMELAST 4002 erweist sich hier in einem Temperaturbereich von -30 bis +70 °C in Bezug auf den Elastizitäts- und Schubmodul als äußerst unempfindlich.

Typische Anwendungen sind Federelemente für mechanische Waagen sowie Dichte- und Druckaufnehmer. Für Positionierungsanwendungen wie z.B. Längenmesssysteme wird Draht aus THERMELAST 4002 als mechanisch stabiler Träger für Schallimpulse eingesetzt.

4. MARVAC 125: Für kleine, komplexe oder schwierig herzustellende Federelemente ist die Verformbarkeit des Werkstoffes ein wesentlicher Parameter. Hier bieten sich martensitaushärtende (Maraging-) Stähle an, denn die Martensitbildung führt zu einer Härtesteigerung, die durch gezieltes Zulegieren bestimmter Elemente noch weiter gesteigert werden kann. Im geglühten Zustand sind solche Stähle isotrop und haben sehr gute Verformungseigenschaften. Die hohen Festigkeiten stellen sich erst nach dem Ausscheidungshärten ein.

Die Standard-Maragingstähle auf der Basis von Fe-Ni-Co-Mo haben jedoch schlechte Korrosionsbeständigkeit, rostfreie Stähle mit Zusätzen von Molybdän, Aluminium, Titan, Kupfer und Niob dagegen zeigen einen geringeren Aushärtehub.

MARVAC 125 kombiniert hohe Festigkeiten (maximale Zugfestigkeit 2100 MPa) mit gutem Korrosionsverhalten. Letzteres wird durch eine geeignete Wärmebehandlung sichergestellt. Federelemente aus MARVAC 125 werden u.a. als Federelemente in Piezo-Dieseleinspritzsystemen eingesetzt.

5. DURACON 17A und DURACON 45ª: Dies ist eine neue Familie von Eisen-Kobalt-Nickel-Legierungen, die hohe Festigkeiten und gute elektrische Leitfähigkeiten mit herausragendem Biegeverhalten kombiniert. Weitere bemerkenswerte Eigenschaften sind seine exzellente Biegewechselfestigkeiten und eine Legierungszusammensetzung, die auf umweltkritische Bestandteile wie beispielsweise Beryllium verzichtet.

Eine spezielle Wärmebehandlung des Bandes markiert den neuesten Entwicklungsstand von DURACON. Sie führt zu einem signifikant verbesserten Relaxationsverhalten, das Einsatztemperaturen bis 200 °C ohne Teileaushärtung ermöglicht. Die anderen positiven Eigenschaften des Werkstoffes bleiben dabei vollständig erhalten. Dies gilt insbesondere für das ausgezeichnete Biegeverhalten trotz einer Zugfestigkeit von über 1000 MPa. Damit kann eine Kombination aus hoher Festigkeit und hervorragenden Relaxationseigenschaften erreicht werden, die bisher nur mit Werkstoffen im ausgehärteten Zustand möglich war.

Federwerkstoff für Telekommunikation- und Kfz-Anwendungen

Für höhere Applikationstemperaturen bis 250 °C und einer weiteren Steigerung der Zugfestigkeit bis zu 1800 MPa besteht die Option, DURACON auszuhärten.

Die zwei unterschiedlichen Qualitäten DURACON 17A und DURACON 45A unterscheiden sich im Wesentlichen in der elektrischen Leitfähigkeit (6 bzw. 11-13 MS/m), während die mechanischen Eigenschaften nahezu identisch sind.

DURACON eignet sich insbesondere für Kontaktschnittstellen in Telekommunikations- und Kfz-Anwendungen im Niedrigstrombereich mit höchsten Anforderungen an Miniaturisierung und/oder Temperaturverhalten.

VACUUMSCHMELZE

Tel. +49(0)6181 380

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