Federn werden aus einem geeigneten Werk­stoff her­gestellt und so aus­gelegt, dass diese bei einer Kraft­entlas­tung wieder in ihre ursprüng­liche Gestalt zurück­kehren. Maß­geblich ist hier­für der Elasti­zitäts­modul bzw. der Schub­modul (Gleit­modul). Diese Werk­stoff­kenngrößen beschreiben das Verhält­nis zwischen Spannung und Dehnung. Je höher der Wert, desto größer können die entspre­chenden Spannungen aus­fallen, und desto höhere Tempe­raturen erträgt der Werk­stoff, ohne dass es zu größeren Kraft­verlusten kommt.

Die meisten Federn werden aus Feder­stahl­draht nach EN 10270-1 gefer­tigt. Unter „Paten­tieren” ver­steht man eine Wärme­behandlung, die aus Austeni­tisieren und schnellem Abkühlen auf eine Tempe­ratur ober­halb des Martensit­punktes besteht. Ein weiteres Herstel­lungs­ver­fahren ist das Kalt­ziehen aus unle­gierten Stählen.

Je nach gefor­derter Beanspru­chung erfolgt, wie bereits ein­gangs erwähnt, die Ein­teilung in die fünf Draht­sorten SL, SM, SH, DM und DH. Soweit Federn statischen oder gelegent­lich dyna­mischen Beanspru­chungen aus­gesetzt sind, wird eine Draht­sorte für statische Beanspru­chung (S) ver­wendet. In den anderen Fällen mit häufiger oder vor­wiegend dynamischer Belas­tung und bei kleinen Wickel­verhält­nissen oder engem Biege­radius wird eine Draht­sorte für dynamische Beanspru­chung (D) ver­wendet.

In Abhängig­keit von der Höhe der Spannung wird Feder­draht in 3 Zug­festig­keits­klassen her­gestellt: niedrig (SL), mittel (SM, DM) und hoch (SH, DH). Auf­grund der hohen Anforde­rungen in der Industrie und insbe­sondere im Maschinen­bau werden in der Praxis vor allem die Sorten SH und DH ver­wendet.

Für hohe Dauer­schwing­beanspru­chungen sollte Ventil­feder­draht (VD) nach EN 10270-2 ver­wendet werden. Bewährt haben sich vor allem die SiCr-legier­ten Ventil­feder­drähte. Diese Draht­sorte ver­fügt sowohl über hohe Dauer­festig­keit als auch über hohe Zug­festig­keit. Zudem kann diese Sorte bei Betriebs­tempe­raturen von bis zu 160°C ein­gesetzt werden.

Hergestellt wird der Draht durch Ziehen und nach­folgendem Ölschluss­härten, wodurch eine hohe Festig­keit erreicht wird.

Ist eine besondere Korrosions­bestän­dig­keit gefordert, ist nich­trostender Feder­stahl vor­zusehen. Austeni­tische Chrom-Nickel-Stähle weisen eine hohe chemische Bestän­dig­keit gegen feuchte Luft und Wasser auf. Außer­dem sind sie in kalten oder verdünnten Mineral­säuren beständig, wie zum Beispiel Phosphor­säure, Salpeter­säure und Chrom­säure. Der Zusatz von Molybdän oder Nickel erhöht die Bestän­dig­keit in nicht oxidie­renden Säuren, wie Schwefel­säure.

Nitrite, Nitrate, Sulfite, Sulfate, Karbonate wirken sich nicht korrosions­fördernd auf diese Stähle aus. Die hoch­legierten nich­trostenden Stähle finden eben­falls für Hoch- oder Tief­temperatur­bereich Ver­wendung.

Kupferknet­legie­rungen werden nur dort ein­gesetzt, wo gute elek­trische Eigen­schaften gefor­dert sind. Kupfer­knet­legie­rungen sind unmag­netisch und bestän­dig gegen See­wasser.

Nickel­legierungen haben eine hohe Wärme- und Korrosions­bestän­digkeit. Außer­dem ver­fügen sie über einen hohen elek­trischen Wider­stand. Die Festig­keits­werte sind zwar etwas geringer, als bei den Stählen, dafür bewähren sie sich bei hohen Tempe­raturen um so mehr.

Titan­verbin­dungen weisen ein günstiges Verhältnis zwischen Festig­keit und Masse auf. Daher finden diese Werk­stoffe in der Luft­fahrt­technik Ver­wendung. Sie zeichnen sich außer­dem durch Kälte­unempfind­lichkeit, Warm­festig­keit und Korrosions­beständig­keit aus.

Stahl, Edelstahl, NE-Metalle

Werkstoff	E-Modul N/mm²	G-Modul N/mm²
Patentiert gezogener   Federstahldraht   nach EN 10270-1	206000	81500
Ölschlussvergüteter   Ventilfederdraht   nach EN 10270-2	206000	81500
Warmgewalzter Stahl   nach EN10089	206000	78500
Kaltband nach EN 10132	206000	78500
X10 CrNi 18 8  (1.4310)	185000	70000
X7 CrNiAl 17 7  (1.4568)	195000	73000
X5 CrNiMo 17-12-2  (1.4401)	180000	68000
CuSn6 R950   nach EN 12166	115000	42000
CuZn36 R700   nach EN 12166	110000	39000
CuBe2  nach EN 12166	120000	47000
CuNi18Zn20   nach EN 12166	135000	45000
CuCo2Be   nach EN 12166	130000	48000
Inconel X750	213000	76000
Nimonic 90	213000	83000
Hastelloy C4	210000	76000
Titanlegierung TiAl6V4	104000	39000

Wie bereits erwähnt, kann die Funktion einer Feder durch eine hohe Arbeits­tempe­ratur erheb­lich beein­flusst werden. Mit stei­gender Tempe­ratur nimmt die Relaxation tenden­ziell zu.

Daher nehmen die für die Feder­funktion wichtigen Werk­stoff­eigen­schaften wie Elastizi­täts­modul und Schub­modul ab. Beide Moduln werden bei höheren Tempe­raturen nach folgender Formel bei Raum­temperatur (20°C) ermittelt:

Auch niedrige Betriebs­tempera­turen von teil­weise bis zu −200°C wirken sich nach­teilig auf die Feder­werk­stoffe aus. Die Zug­festig­keit nimmt zwar zu, aber die Zähig­keit der Werk­stoffe nimmt ab, wodurch es zu Sprödbrüchen kommen kann. Für den Tief­tempera­turbereich werden nicht­rostende Feder­stähle sowie Kupfer- und Nickel­legie­rungen empfohlen.

Daraus ergeben sich die nach­folgend aufge­führten Grenz­tempe­raturen für die verschie­denen Werk­stoffe:

Jeweils „Höchste” Betriebstemperatur.

Werkstoff	Hohe Belastung °C	Niedrige Belastung °C
Patentiert gezogener   Federstahldraht   nach EN 10270-1	60-80	80-150
Ölschlussvergüteter   Ventilfederdraht   nach EN 10270-2	80-160	120-160
X10 CrNi 18 8 (1.4310)	160	250
X7 CrNiAl 17 7 (1.4568)	200	350
X5 CrNiMo 17-12-2 (1.4401)	160	300
CuSn6 R950 nach EN 12166	80	100
CuZn36 R700 nach EN 12166	40	60
CuBe2 nach EN 12166	80	120
CuNi18Zn20 nach EN 12166	80	120
Inconel X750	475	550

Jeweils „Niedrigste” Betriebstemperatur.

Werkstoff	°C
Patentiert gezogener   Federstahldraht   nach EN 10270-1	-60
Ölschlussvergüteter   Ventilfederdraht   nach EN 10270-2	-60
X10 CrNi 18 8 (1.4310)	-200
X7 CrNiAl 17 7 (1.4568)	-200
X5 CrNiMo 17-12-2 (1.4401)	-200
CuSn6 R950 nach EN 12166	-200
CuZn36 R700 nach EN 12166	-200
CuBe2 nach EN 12166	-200
CuNi18Zn20 nach EN 12166	-200
Inconel X750	-100
Nimonic 90	-100

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