Thermische Materialveränderungen

Federwerkstoffe erfahren bei hohen Temperaturen Veränderungen auf mikrostruktureller Ebene, die ihre mechanischen Eigenschaften nachhaltig beeinflussen. Die zwei wichtigsten Auswirkungen in diesem Zusammenhang sind Kriechen und Relaxation.

Kriechen tritt auf, wenn eine Feder unter einer konstanten Spannung oder Last steht und sich dabei über die Zeit hinweg allmählich verformt. Bei Druckfedern führt dieser Prozess zu einer Verkürzung der ungespannten Länge, auch wenn die aufgebrachte Last konstant bleibt. Dieser Effekt ist in erster Linie von der Zeit abhängig, jedoch verstärken höhere Temperaturen die Verformung zusätzlich.

Bild: Setzbetrag aufgrund von Kriechen

Relaxation hingegen zeigt sich, wenn eine Feder bei konstanter Verformung gehalten wird, was zu einem allmählichen Verlust der Federkraft führt. Diese Kraftreduzierung tritt auf, wenn die Feder in einer fixierten Position verbleibt, was bei Druckfedern ebenfalls zu einer Verkürzung der ungespannten Länge führen kann. Im Vergleich zum Kriechen spielt die Temperatur bei der Relaxation eine bedeutendere Rolle, da der Effekt exponentiell mit steigender Temperatur oberhalb eines Drittel (> 0,3 Tm) der Schmelztemperatur des Federwerkstoffs zunimmt. Ein Beispiel hierfür ist eine vorgespannte Druckfeder, die in einer fixierten Position allmählich ihre Vorspannkraft verliert.

Bild: Relaxationsschaubild

Werkstoffabhängige Grenzwerte

Um Metallfedern dauerhaft bei erhöhten Temperaturen einsetzen zu können, müssen werkstoffspezifische Grenztemperaturen und Materialzusammensetzungen eingehalten werden. Normaler Federstahl EN 10270-1DH/-SH kann nur bis maximal 80 °C genutzt werden, rostfreier Federstahl 1.4310 bis maximal 160 °C. Darüber hinaus müssen austenitische und hochlegierte Chrom-Nickel-Legierungen mit Zusätzen von Kobalt, Molybdän, Aluminium oder Titan verwendet werden. Hier eine Übersicht relevanter Federwerkstoffe mit maximalen Grenztemperaturen:

Federstahl | maximale Grenztemperatur

• EN 10270-1-DH/-SH | 80 °C
• 1.4310 | 160 °C
• 1.4568 | 200 °C
• 1.4401 | 300 °C
• 2.4610 Hastelloy C4 | 450 °C
• 2.4632 Nimonic 90 | 500 °C
• Inconel X-750 | 550 °C

Betriebsbedingte Einflüsse

Neben der reinen Temperaturbelastung spielen auch die Spannungsverhältnisse und zyklische Beanspruchungen eine wichtige Rolle für die Lebensdauer. Bei Belastungen nahe der Streckgrenze (Übergang von der elastischen zur plastischen Verformung) beschleunigen erhöhte Temperaturen das Versagen durch Spannungsrisskorrosion oder Ermüdung deutlich. Eine Reduzierung der Spannungsamplitude ist daher in solchen Fällen zwingend notwendig.

Bild: Schwingungsschaubild Druckfeder dynamisch

Außerdem ist zu beachten, dass bei thermisch wechselnder Belastung zusätzliche Beanspruchung durch thermische Ermüdung auftreten kann. Die ständigen Dehnungswechsel führen zu frühzeitiger Rissbildung und Materialermüdung.

Gegenmaßnahmen

Um die Lebensdauer von Metallfedern bei erhöhter Temperatur zu verlängern, stehen verschiedene Ansatzpunkte zur Verfügung:

1. Materialauswahl: Hochtemperaturfeste Nickelbasislegierungen mit Titan- und Aluminiumzusatz wie Inconel X-750 oder Nimonic 90 erhöhen die Kriech- und Relaxationsbeständigkeit signifikant.
2. Wärmebehandlung: Durch Lösungsglühen bei hohen Temperaturen und anschließendes Auslagern lässt sich ein feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge mit kontrollierten Ausscheidungen einstellen. Dies optimiert Festigkeit und Duktilität (Fähigkeit zur plastischen Verformung) und verringert die Kriechneigung.
3. Konstruktion: Die Hubspannung (Spannungsdifferenz zwischen Oberspannung und Unterspannung) sollte möglichst auf unter 35 % der Streckgrenze (Rp) begrenzt werden, insbesondere bei Temperaturen über 100 °C. Mehrstufige Federanordnungen (Parallel- und Reihenschaltung) verringern die Einzelbelastung. Durch Kugelstrahlen verfestigte Randschichten der Oberfläche erhöhen zudem die Druckeigenspannung der Metallfeder und lassen die Dauerhaltbarkeit deutlich verbessern.

Bild: Elastische Verformungsgrenze (Streckgrenze Rp)

Praktische Empfehlungen

Zur bestmöglichen Auslegung von Federn für den Hochtemperatureinsatz empfiehlt sich folgendes Vorgehen:

1. Auswahl eines Werkstoffs mit passender Grenztemperatur und guten Kriecheigenschaften. Bei Temperaturen über 300 °C kommen so nur Chrom-Nickelbasislegierungen in Frage, wie Nimonic 90 oder Inconel X-750.
2. Durchführung von Langzeit-Relaxationstests bei 120 % der erwarteten Maximaltemperatur, um die bleibenden Verformungen und Vorspannungsverluste zu ermitteln. Dies ermöglicht eine Abschätzung der Lebenserwartung.
3. Konstruktive Begrenzung der Hubspannung auf maximal 35 % der Streckgrenze. Gegebenenfalls auf eine Mehrfachfederlösung auszuweichen, wie Federsysteme aus Parallelschaltungen, Mischschaltungen oder Reihenschaltungen, um die Einzelbelastung zu verringern.
4. Optimierung der Federgeometrie hinsichtlich der Spannungsverteilung. So werden durch eine konische Federbauform (ein- oder doppelseitig) die dynamischen Eigenschaften durch die reduzierte bewegte Masse am konischen Federende reduziert.
5. Verkürzung der Wartungs- und Inspektionsintervalle, um beginnende Schädigungen oder Setzungserscheinungen frühzeitig zu erkennen und die Federn rechtzeitig auszutauschen.

Zusammenfassung

Mathematisch gesehen halbiert sich die Lebensdauer grob alle 50 C° oberhalb der spezifischen Grenztemperatur eines Werkstoffs. Die Lebensdauer von Federn bei erhöhter Einsatztemperatur kann durch gezielte Werkstoffauswahl, angepasste Wärmebehandlung und durchdachte Konstruktion erheblich verlängert werden. Für die optimale Dimensionierung und Auslegung von Metallfedern, wie Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern, für anspruchsvolle Hochtemperaturanwendungen wenden Sie sich bitte an die Technikabteilung von Gutekunst Federn unter Telefon (+49) 035877 2270 oder technik@gutekunst-co.com. Hilfreiches Wissen gibt es unter www.blog.federnshop.com.