Konstruktionselemente Federwerkstoffe: So gelingt die optimale Auswahl

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Den optimalen Federwerkstoff für den gewünschten Einsatzzweck einer Metallfeder auszuwählen, ist nicht immer einfach. Der Federnspezialist Gutekunst erklärt, welche Parameter bei der Auswahl der Federwerkstoffe eine wichtige Rolle spielen.

Die Auswahl des richtigen Federwerkstoffs für eine Federanwendung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise der Belastungsart, dem Umgebungsmedium, der Umgebungstemperatur, der benötigten elektrischen Leitfähigkeit, der erforderlichen Korrosionsbeständigkeit, der Hygieneanforderung, den dynamischen Belastungen und letztlich natürlich auch vom Preis.

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 dabei 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 Unterschied das Streckgrenzenverhältnis, d.h. das Verhältnis von Elastizitätsgrenze zu Zugfestigkeit des Werkstoffs, das bei Federstählen normalerweise 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 Federwerkstoffe für die Herstellung von Druckfedern, Zugfeder, Schenkelfedern und Sicherungselementen bei Gutekunst Federn aufgeführt. Neben dem Standard-Federstahl EN 10270-1 SH und DH, dem dynamisch anspruchsvollen Ventilfederdraht VDSiCr (Oteva 70) und den korrosionsbeständigen Edelstahlsorten 1.4310, 1.4401 und 1.4568 werden hier auch die unmagnetische Federbronze CuSn6 und der Kupfer-Beryllium-Federstahls CuB2 beschrieben, außerdem die warmfesten Federstahlsorten Nimonic 90, Inconel X-750 und Hastelloy C4. Über den Preisfaktor (Preisbasis „1“ = Standard-Federstahl 1.1200) wird zudem das Preisverhältnis der Federwerkstoffe aufgezeigt.

Standard-Federstahl

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 und gerne für statisch hochbeanspruchte 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:

EN 100270-1 / 1.1200 eignet sich mit und ohne Oberflächenbehandlung für die gängigsten Druckfedern, Zugfedern, Schenkelfedern und Drahtbiegeteile in nahezu allen Branchen.

Korrosionsbeständige Federwerkstoffe

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 besonderen mechanischen Eigenschaften ist dieser Werkstoff 1.4310 der Klassiker unter den rostfreien Federstählen und wird häufig in der Fertigung von korrosionsbeständigen Metallfedern verwendet. Da bei diesem rostfreien Federstahl 1.4310 durch die Kaltverformung eine leichte Magnetisierbarkeit entsteht, ist dieser Werkstoff nicht für völlig unmagnetische Federn geeignet.

Anwendungsbereiche / Branchen:

Der 1.4310 wird sehr häufig im Maschinenbau, der Automobilindustrie, Chemie und Petrochemie, Lebensmittelindustrie, Medizintechnik, Möbelindustrie, Antriebstechnik, Offshore-Industrie und für Elektronische Ausrüstungen verwendet.

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

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

Anwendungsbereiche / Branchen:

Der 1.4568 wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie, dem Rennsport sowie bei sonstigen hochfesten korrosionsbeständigen Anwendungen eingesetzt.

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 höher, die Magnetisierbarkeit geringer.

Anwendungsbereiche / Branchen:

Der 1.4401 wird gerne in der Lebensmittel-, Textil- und Chemieindustrie, teilsl in der Medizintechnik sowie im Umfeld von Ölen und Seifen eingesetzt.

Dynamisch hochbeanspruchter Ventilfederstahldraht

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

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

Anwendungsbereiche / Branchen:

Der VDSiCr wird für hoch dynamisch beanspruchte Federn, wie z. B. für Ventilfedern und Kupplungsfedern in der Automobilindustrie und im Rennsport eingesetzt.

Unmagnetische und korrosionsbeständige Federwerkstoffe

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

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

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

Anwendungsbereiche / Branchen:

Der CuSn6 wird häufig in der Elektro-, Papier-, Zellstoff-, Textil- und Chemieindustrie sowie im Schiff-, Maschinen- und Apparatebau eingesetzt.

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:

Der CuBe2 wird gerne in der Elektro- und Ölindustrie, Luft- und Raumfahrt, Meerestechnik, im Rennsport, im Aluminium-Druckguss und im Formenbau eingesetzt.

Warmfeste Federstahlsorten mit sehr guter Korrosionsbeständigkeit

Die Nickel-Basis-Legierungen haben aufgrund ihrer Zusammensetzung eine sehr 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:

Nimonic 90 wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie, für Hochtemperaturfedern und bei thermischen Verfahren eingesetzt.

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 verfügt über eine hohe Zeitstand- und Warmfestigkeit bei Temperaturen bis 600 °C. Er ist korrosions- und oxidationsbeständig, aber nicht so fest wie Nimonic 90. Da die Nickel-Chrom-Legierung praktisch kobaltfrei ist, wird sie oft in der Reaktortechnik verwendet.

Anwendungsbereiche / Branchen:

Inconel X-750 wird in Luft- und Raumfahrt, Reaktortechnik, Ölindus­trie, bei hohen Temperaturen, Gasturbinen und thermischen Lösungen eingesetzt.

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 zum Beispiel verunreinigte, reduzierende Mineralsäuren, Chloride und organische sowie anorganische chlorid-verunreinigte Medien.

Durch die besondere chemische Zusammensetzung von Hastelloy C4 verfügt die Legierung über eine gute Gefügestabilität sowie eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber Sensibilisierung.

Anwendungsbereiche / Branchen:

Hastelloy C4 wird gerne für Federkomponenten bei anorganischen Chemikalien, in der Düngemittelindustrie, in Müllverbrennungsanlagen, in Chlorierungsanlagen und bei der Essigsäureproduktion eingesetzt.

Ergänzende Oberflächenbehandlungen für alle Federwerkstoffe

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. Wissen zu Oberflächenbehandlungen für Metallfedern gibt es hier.