Metallfedern, wie Druckfedern, Zugfedern, Schenkelfedern, Formfedern und Flachfedern sind zentrale Bauteile in vielen technischen Systemen. Ihre Zuverlässigkeit und Langlebigkeit werden stark von den Betriebsbedingungen beeinflusst, insbesondere von der Einsatztemperatur. In diesem Artikel wird beschrieben, wie thermische Einflüsse die Lebensdauer von Metallfedern beeinträchtigen und welche Maßnahmen ergriffen werden können, um ihre Haltbarkeit zu verbessern.
Table of Contents
1. Thermische Materialveränderung
Relaxation: Bei erhöhten Temperaturen über 80 °C verlieren Federwerkstoffe durch Kriechen und Relaxation einen Teil ihrer Vorspannung. Dieser Verlust kann bis zu 15 % betragen. Beispielsweise sollte Federstahl EN 10270-1-DH maximal 80 °C ausgesetzt werden, während Inconel X-750 Temperaturen bis zu 550 °C standhält.
Kriechen: Ab etwa 30 % der Schmelztemperatur des Materials beginnt eine plastische Verformung(, selbst bei konstanter Last). Dieser Effekt führt zu einer dauerhaften Deformation der Feder und beeinträchtigt ihre Funktionalität.
2. Werkstoffabhängige Grenzwerte
Die maximale Einsatztemperatur und der Relaxationsverlust variieren je nach Material:
| Material | Max. Einsatztemperatur | Relaxationsverlust (50 h bei 50 °C) |
|---|---|---|
| Federstahl EN 10270-1 (1.1200) | 80 °C | 5–10 % |
| Edelstahl X7CrNiAl17-7 (1.4568) | 250 °C | 3–5 % |
| Inconel X-750 | 550 °C | < 2 % |
| Nimonic 90 | 500 °C | 1–3 % |
Hochtemperaturlegierungen wie Inconel X-750 behalten bei 550 °C noch 79 % ihrer ursprünglichen Federkraft, während Metallfedern aus Standardmaterialien, wie EN 10270-1, bereits bei 50 °C bis zu 10 % ihrer Federkraft einbüßen können.
3. Betriebsbedingte Einflüsse
Kombinationseffekte:
- Korrosion und Hitze: Die gleichzeitige Einwirkung von Korrosion und hohen Temperaturen kann die Entstehung von Ermüdungsrissen um bis zu 70 % beschleunigen.
- Schwingungsbelastung: Bei einer Betriebstemperatur von 200 °C kann die Lebensdauer einer Feder auf 10 % des Standardwerts sinken, wenn sie zusätzlichen Schwingungsbelastungen ausgesetzt ist.
4. Gegenmaßnahmen
Materialauswahl:
- Für Temperaturen über 400 °C eignen sich Inconel- oder Nimonic-Legierungen.
- Keramikfedern aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) können sogar bis zu 1000 °C eingesetzt werden.
Wärmebehandlung:
- Das nachträgliche Anlassen bei 270–400 °C, abhängig vom Werkstoff und Drahtdurchmesser, stabilisiert die Mikrostruktur der Metallfeder.
- Nach dem Kugelstrahlen, zur Verfestigung der Randschichten, erhöht sich die Relaxationsbeständigkeit um bis zu 30 %.
Konstruktion:
- Reduzieren Sie die Hubspannung auf weniger als 35 % der Streckgrenze bei Temperaturen über 100 °C.
5. Praktische Empfehlungen
- Wartungsintervalle: Verkürzen Sie Inspektionszyklen bei wechselnden Temperaturen um 50 %, um frühzeitig Verschleißerscheinungen zu erkennen.
- Testprotokolle: Führen Sie Langzeitrelaxationstests bei 120 % der maximalen Einsatztemperatur durch, um die Belastungsgrenzen der Feder zu bestimmen.
Die Lebensdauer einer Metallfeder halbiert sich grob alle 50 °C über der werkstoffspezifischen Grenztemperatur. Durch gezielte Materialauswahl, geeignete Wärmebehandlung und durchdachte Konstruktion können diese Effekte jedoch deutlich reduziert und die Lebensdauer der Federn verlängert werden.
Für die optimale Auslegung einer passenden Druckfeder, Zugfeder oder Schenkelfeder wenden Sie sich bitte direkt an unsere Technikabteilung unter Telefon (+49) 035877 227-13 oder cunewalde@gutekunst-co.com.
Weitere Informationen:
Maximale Arbeitstemperatur Federwerkstoffe
Federberechnungsprogramm WinFSB