Was ist der Unterschied zwischen Spiralspannstiften aus Legierungsstahl und aus Kohlenstoffstahl?

Theoretisch gesehen ist das Ziel der Wärmebehandlung von Federstiften, eine 100%ige martensitische Mikrostruktur zu erzielen. Obwohl dies in der Praxis nicht machbar ist, optimiert ein effektiver Wärmebehandlungsprozess die martensitische Zusammensetzung innerhalb des Materials. Martensit wird gebildet, wenn das Material schnell genug abgeschreckt wird, um die Diffusion von Kohlenstoff zu verhindern. Wenn der Abschreckprozess zu langsam ist, entweichen die Kohlenstoffatome aus der gewünschten atomaren Geometrie, und es bilden sich weniger erwünschte Gefüge (Perlit, Bainit).

Der letzte Schritt bei der Wärmebehandlung ist das Anlassen. Dies wird durchgeführt, nachdem die Stifte auf Umgebungstemperatur abgeschreckt wurden. Das Anlassen erfolgt bei Temperaturen unter 540 ºC (unterhalb der kritischen Eutektoidtemperatur). Das Anlassen verbessert die Duktilität und Zähigkeit des Martensits, da die Stifte unmittelbar nach dem Abschrecken spröde sind. Der Anlaßvorgang muß unterhalb der Temperatur erfolgen, bei der sich das Metall in Austenit umwandelt. Diese niedrigere Anlasstemperatur baut innere Spannungen ab, verringert die Sprödigkeit und sorgt für eine hohe Härte. Federn (z.B. Spiralspannstifte), die bei höheren Temperaturen angelassen werden, haben einen größeren Verlust an Härte und Festigkeit zur Folge, weisen aber eine bessere Elastizität auf. Daher ist das Verfahren zur Wärmebehandlung ein wesentlicher Bestandteil des Herstellungsprozesses von Spiralspannstiften.

Die Wärmebehandlung ist einer der kritischsten Prozesse bei der Herstellung von Federstiften, da sie sich direkt auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Baugruppe auswirkt, für die der Stift verwendet wird. Scheinbar geringfügige Schwankungen in Zeit (Minuten) und Temperatur (± 10°F (± -12ºC)) können einen drastischen Einfluss auf die Qualität eines Federstifts haben. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, dass Hersteller von Verbindungselementen über effektive Kontrollmaßnahmen verfügen.

Spiralspannstifte aus Kohlenstoffstahl müssen innerhalb weniger Sekunden auf Umgebungstemperatur abgeschreckt werden, um eine hohe martensitische Zusammensetzung zu erreichen. Im Gegensatz dazu erlaubt der Legierungsstahl eine viel längere Abschreckzeit (~1 Minute), um eine hohe martensitische Struktur zu erreichen. Die Abschreckzeit wird nachteilig davon beeinflusst, wenn der Federstift größer ist und mehr Masse hat. Insbesondere die Außenfläche der Stifte wird eine hohe martensitische Struktur erreichen, aber die Innenfläche der Stifte nicht. Spiralspannstifte mit Durchmessern von Ø 0.500” / Ø12mm (oder weniger) können schnell genug abgeschreckt werden, um einen Kohlenstoffstahl zu verwenden. Spiralspannstifte mit größeren Durchmessern erfordern jedoch die Verwendung von Legierungsstahl, damit die Gesamtheit des Stifts die Möglichkeit hat, eine optimale martensitische Struktur zu erreichen.

Konstrukteure sollten Spiralspannstifte aus Kohlenstoffstahl und Legierungsstahl als ungefähr gleichwertig betrachten, wenn sie den Katalog eines Herstellers von Federstiften durchsehen. Vorsicht ist jedoch bei Federstiften mit großem Durchmesser (>Ø 0.500” / Ø12mm) aus Kohlenstoffstahl geboten, da diese mechanische Risiken mit sich bringen. Die Wärmebehandlung ist einer der kritischsten Schritte bei der Herstellung von Federstiften, daher wird empfohlen, dass die Hersteller von Verbindungselementen die Wärmebehandlung im eigenen Haus durchführen, um die volle Kontrolle zu haben. Obwohl dieser Artikel allgemeine Konstruktionsrichtlinien beinhaltet, wird empfohlen, Anwendungsingenieure zu konsultieren, die auf die Konstruktion und Herstellung von Spiralspannstiften spezialisiert sind, um sicherzustellen, dass das richtige Material für jede bestimmte Baugruppe ausgewählt wird.