Federwerkstoffe - auf die richtige Auswahl kommt es an

Den passenden Federwerkstoff für eine Federanwendung zu finden, hängt von verschiedenen Faktoren ab: der Belastungsart, dem Umgebungsmedium, der Umgebungstemperatur, der benötigten elektrischen Leitfähigkeit, der erforderlichen Korrosions­beständigkeit, der Hygieneanforderung, den dynamischen Belastungen und letztlich auch vom Preis: Die Kosten für eine hochwertige Titanlegierung (TiAI6V4) liegen um das 130-fache höher als ein Standard-Federstahldraht nach DIN EN 12070-1.

Federstahldraht besitzt im Vergleich zu anderen Stählen eine höhere Festigkeit und kann bis zu einer bestimmten Spannung (Elastizitätsgrenze „Rp“) verformt werden. Mit dieser Eigenschaft kehrt der Federstahldraht nach Entlastung wieder in die Ausgangsstellung zurück, ohne dauerhaft verformt zu werden. Federstahldraht EN 10270-3 1.4310 hat zum Beispiel eine Zugfestigkeit von 1.250 bis 2.200 N/mm², verglichen mit 360 N/mm² beim Baustahl S235JR. Hier ist der maßgebliche Unterschied das Streckgrenzenverhältnis, also das Verhältnis von Elastizitätsgrenze zu Zugfestigkeit des Werkstoffs, welches bei Federstählen bei > 85 % liegt.

Federstahl muss ein großes elastisches und ein ausreichendes plastisches Formänderungsvermögen aufweisen. Er muss eine hohe Elastizitätsgrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung besitzen sowie eine günstige Zeitstand- und Dauerschwingfestigkeit. Die Elastizität als Hauptmerkmal eines Federstahls wird beim Herstellungsprozess durch eine spezielle Legierung durch Zugabe von Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Vanadium (V), Molybdän (Mo) oder Nickel (Ni) erreicht.

Nachfolgend werden die wichtigsten Eigenschaften der gängigsten Federstahldrähte für die Herstellung von Druckfedern, Zugfeder, Schenkelfedern und Sicherungselementen bei Gutekunst Federn aufgeführt. Über den Preisfaktor (Preisbasis „1“ = Standard-Federstahl 1.1200) wird das Preisverhältnis der vorgestellten Federwerkstoffe aufgezeigt.

DIN EN 10270-1-SH oder -DH / 1.1200 (Preisbasis 1)

1.1200 ist ein kohlenstoffbasierter Federstahl, der in korrosiven oder extremen Umgebungen nicht ohne zusätzliche Oberflächenbehandlung eingesetzt werden kann. Der Federstahl EN 10270-1 wird häufig für statisch stark beanspruchte Zug-, Druck- und Schenkelfedern mit geringen bis mittleren dynamischen Beanspruchungen ab einer Drahtstärke von 1,8 mm gewählt. Die Arbeitstemperatur sollte 80 °C nicht übersteigen. Die Dauerhaltbarkeit kann durch Kugelstrahlen gesteigert werden.

Anwendungsbereiche / Branchen : Mit und ohne Oberflächenbehandlung für die gängigsten Druckfedern, Zugfedern, Schenkelfedern und Drahtbiegeteile in nahezu allen Branchen.

DIN EN 10270-3 / 1.4310 (X10CrNi18-8) (Preisfaktor 2,5)

Der 1.4310 (X10CrNi18-8) ist ein austenitischer Chrom-Nickel-Federstahl für korrosionsbeständige Federn mit mittlerer und hoher spezifischer Beanspruchung.  Aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften wird dieser Werkstoff häufig in der Fertigung von korrosionsbeständigen Metallfedern verwendet. Da bei diesem rostfreien Federstahl durch die Kaltverformung eine leichte Magnetisierbarkeit entsteht, ist er nicht für völlig unmagnetische Federn geeignet.

Anwendungsbereich / Branchen: Im Maschinenbau, der Automobilindustrie, Chemie und Petrochemie, Lebensmittelindustrie, Medizintechnik, Möbelindustrie, Antriebstechnik, Offshore-Industrie und für elektronische Ausrüstungen.

DIN EN 10270-3 / 1.4568 (X7CrNiAl17-7) (Preisfaktor 6)

Der 1.4568 (X7CrNiAl17-7) ist ein rostfreier ausscheidungshärtbarer Chrom-Nickel-Aluminium-legierter Federstahl. Er besitzt gute Langzeiteigenschaften und eine große Korrosionsbeständigkeit bei einem minimalen Verzug nach der Wärmebehandlung. Im ausgehärteten Zustand verfügt der Federstahl 1.4568 über mechanische Eigenschaften bis 200 °C.

Anwendungsbereiche / Branchen: In der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Rennsport sowie bei sonstigen hochfesten korrosionsbeständigen Anwendungen.

DIN EN 10270-3 / 1.4401 (X5CrNiMo17-12-2) (Preisfaktor 4)

Der 1.4401 (X5CrNiMo17-12-2) ist ein austenitischer Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl mit einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit gegenüber nicht oxidierenden Säuren und chlorhaltigen Medien. Er eignet sich für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie sowie zum Teil in der Medizintechnik. Federstahl aus 1.4401 weist eine geringere Festigkeit auf als 1.4310 und 1.4568. Dafür ist die Korrosionsbeständigkeit deutlich höher, die Magnetisierbarkeit geringer.

Anwendungsbereiche / Branchen: In der Lebensmittel-, Textil- und Chemieindustrie, zum Teil in der Medizintechnik sowie im Umfeld von Ölen und Seifen.

DIN EN 10270-2 / VDSiCR (Oteva 70) (Preisfaktor 3)

Der VDSiCr / Oteva 70 ist ein gehärteter Chrom-Silizium-legierter Federstahl für kaltgeformte und hoch dynamisch beanspruchte Federn. Der ölschlussvergütete Ventilfederstahl erreicht mit einer durch Kugelstrahlen verfestigten Oberfläche beste Dauerhub­festigkeitswerte. Die Betriebstemperatur sollte jedoch 120 °C nicht übersteigen.

Anwendungsbereiche / Branchen: Für hoch dynamisch beanspruchte Federn, wie z. B. für Ventilfedern und Kupplungsfedern in der Automobilindustrie und im Rennsport.

Die folgenden Kupferlegierungen CuSn6 und CuBe2 sind unmagnetisch und besitzen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

DIN EN 12166 / CuSn6 / 2.1020 (CM452K) (Preisfaktor 4)

Die Federbronze CuSn6 ist mit ca. 6 % Zinnanteil eine häufig verwendete Kupferlegierung. Der Federstahl CuSn6 erhält seine Federeigenschaften durch die Kaltverformung. Die Festigkeitswerte und damit die Federkräfte sind viel niedriger als bei den Standard-Federstahlsorten 10270-1-SH, -DH und 1.4310. Mit seiner hohen Korrosionsbeständigkeit und Lötbarkeit wird dieser Federstahl für Steckverbinder, Kontaktstifte sowie bei Stanzbiegeteilen und Metallfedern eingesetzt, die eine gute elektrische Leitfähigkeit benötigen. Mit der Kupferlegierung CuSn6 kann im Gegensatz zu Messing auch in der Vakuumtechnik gearbeitet werden. Bei höherer mechanischer Belastung oder elektrischer Leitfähigkeit ist Kupfer-Beryllium (CuBe2) besser geeignet.

Anwendungsbereiche / Branchen: Häufig in der Elektro-, Papier-, Zellstoff-, Textil- und Chemieindustrie sowie im Schiff-, Maschinen- und Apparatebau .

DIN EN 12166 / CuBe2 / 2.1247 (CW101C) (Preisfaktor 18)

Der CuBe2 ist ein niedriglegierter Kupfer-Beryllium-Federstahl mit einer höheren Festigkeit, einer hohen Leitfähigkeit und guten mechanischen Eigenschaften. Der Federstahl aus Kupferberyllium CuBe2 hat außerdem eine gute Kälteunempfindlichkeit und eignet sich so für extrem tiefe Temperaturen bis in die Nähe des absoluten Nullpunktes.

Anwendungsbereiche / Branchen: In der Elektro- und Ölindustrie, Luft- und Raumfahrt, Meerestechnik, im Rennsport, im Aluminium-Druckguss und im Formenbau.

Die Nickel-Basis-Legierungen haben aufgrund ihrer Zusammensetzung eine hohe Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Nimonic 90 / 2.4632 (NiCr20Co18Ti) (Preisfaktor 60)

Der Federwerkstoff Nimonic 90 (NiCr20Co18Ti) ist eine Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung. Nimonic 90 Federstahl hat eine sehr gute Zeitstand- und Warmfestigkeit sowie eine gute Beständigkeit gegenüber Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen. Dazu eignet sich dieser Federstahl für dynamische Hochtemperaturanwendungen.

Anwendungsbereiche / Branchen: In der Luft- und Raumfahrtindustrie, für Hochtemperaturfedern und bei thermischen Verfahren.

Inconel X-750 / 2.4669 (NiCr15Fe7TiAl) (Preisfaktor 30)

Der Federstahl Inconel X-750 (NiCr15Fe7TiAl) ist eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit Aluminium und Titanzusatz. Inconel X750 Federstahl hat eine hohe Zeitstand- und Warmfestigkeit bei hohen Temperaturen bis 600 °C. Er ist korrosions- und oxidationsbeständig, aber nicht so fest wie Nimonic 90. Da diese Nickel-Chrom-Legierung praktisch kobaltfrei ist, wird sie oft in der Reaktortechnik verwendet.

Anwendungsbereiche / Branchen: In der Luft- und Raumfahrtindustrie, Reaktortechnik, Ölindustrie, bei Hochtemperaturfedern, Komponenten in Gasturbinen und bei thermischen Verfahren.

Hastelloy C4 / 2.4610 (NiMo16Cr15Fe6W4) (Preisfaktor 41)

Der Federstahl Hastelloy (NiMo16Cr15Fe6W4) ist eine Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung und erhält durch die Kombination von Chrom mit hohem Molybdängehalt eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen eine Vielzahl von chemischen Medien wie z. B verunreinigte, reduzierende Mineralsäuren, Chloride und organische sowie anorganische chlorid-verunreinigte Medien. Durch die besondere chemische Zusammensetzung von Hastelloy C4 hat die Legierung eine gute Gefügestabilität und eine hohe Beständigkeit gegenüber Sensibilisierung.

Anwendungsbereiche / Branchen: Für Federkomponenten bei anorganischen Chemikalien, in der Düngemittelindustrie, in Müllverbrennungsanlagen, in Chlorierungsanlagen und bei der Essigsäureproduktion.

Druckfedern, teilweise auch Zugfedern, Schenkelfedern und Drahtbiegeteile erhalten zu den Federstahl-Eigenschaften durch eine nachträgliche Behandlung ihrer Oberflächen ergänzende Eigenschaften – sie werden je nach Anwendungsfall beispielsweise härter, leitfähiger, rost- oder wärmebeständiger. Für seine Katalog- und individuellen Metallfedern kommen bei Gutekunst klassischen Verfahren wie Kugelstrahlen, Glanzverzinken, Brünieren, Elektropolieren, Beizen, Phosphatieren, Passivieren, Verchromen, Vernickeln und Verzinken auch spezielle Oberflächenbehandlungen zum Einsatz. Dazu zählen Dickschicht-Passivierungen, Pulverbeschichtungen, Delta-Tone und Delta-Seal Korrosionsschutzsysteme, Glasperlenstrahlen, PTFE-Teflonbeschichtungen, Versilbern, Vergolden und Verkupfern.