Vilka metoder som kan användas för att minska eller eliminera restspänningar i fjädrar av rostfritt stål under konstruktion och tillverkning

Restspänning är en vanlig och kritisk fråga i tillverkningsprocessen av fjädrar av rostfritt stål . Det härrör främst från det ojämna flödet av materialet under plastisk deformation. När den rostfria ståltråden böjs och lindas till fjäderformen sträcks det yttre materialet medan det inre materialet komprimeras. Denna ojämna deformation leder till ackumulering av inre spänningar som kvarstår även efter att den yttre kraften har avlägsnats.

Restspänningar har en direkt och betydande negativ inverkan på prestandan hos fjädrar av rostfritt stål. För det första minskar den fjäderns elasticitetsgräns, vilket orsakar permanent deformation innan den når designbelastningen. För det andra minskar kvarvarande spänning avsevärt utmattningslivslängden, vilket gör att fjädern går sönder i förtid efter upprepade belastningscykler. Mer allvarligt, i vissa frätande miljöer kan kvarvarande spänningar bli en utlösande faktor för spänningskorrosionssprickor (SCC), vilket leder till plötsliga spröda brott. Därför är det avgörande att effektivt minska eller eliminera kvarvarande spänningar för att säkerställa hög tillförlitlighet och lång livslängd för fjädrar av rostfritt stål.

Värmebehandling: Kärntekniken för eliminering av restspänning

Värmebehandling är den vanligaste och mest effektiva metoden för att minska eller eliminera restspänningar i fjädrar av rostfritt stål. Grundprincipen är att värma fjädern till en specifik temperatur och hålla den där, vilket gör att atomerna i materialet kan få tillräcklig energi för att omarrangera, och därigenom frigöra och omfördela spänningen som orsakas av kallbearbetning.

1. Lågtempering (stresslindrande):

Detta är den vanligaste stresslindrande värmebehandlingsmetoden. För martensitiska rostfria stål (som 420 och 440°C) och austenitiska rostfria stål (som 302 och 304) utförs detta vanligtvis vid en lägre temperatur.

Austenitiska rostfria stål (302, 304 och 316): Den ideala spänningsavlastningstemperaturen är vanligtvis mellan 340°C och 450°C. Inom detta temperaturområde genomgår materialet inte fasomvandling, men atomernas termiska rörelse är tillräcklig för att frigöra de flesta inre spänningar. Höga temperaturer kan få karbider att fällas ut vid korngränserna, vilket minskar korrosionsbeständigheten, så strikt temperaturkontroll är avgörande.

Martensitiska rostfria stål (410, 420 och 431): Dessa fjädrar är vanligtvis härdade efter härdning, och temperaturkontroll är avgörande. Spänningslindrande anlöpningstemperaturer är vanligtvis mellan 250-400°C, vilket effektivt minskar kvarvarande spänning samtidigt som den erforderliga hårdheten och styrkan bibehålls.

2. Lösningsbehandling och åldrande:

För nederbördshärdande rostfria stål (som 17-7PH och 15-5PH) beror deras slutliga hållfasthet på åldringsbehandlingen. Innan tråden formas är tråden vanligtvis i lösning, vilket resulterar i god duktilitet. Efter formning tillåter åldring inte bara utfällningsfasen att öka styrkan utan eliminerar också effektivt kvarvarande stress. Denna process sker samtidigt.

Mekanisk behandling: Förbättring av ytegenskaper och spänningsfördelning

Förutom värmebehandling kan vissa mekaniska metoder också effektivt förbättra fjädrarnas spänningstillstånd, särskilt ytrestspänningar.

1. Skottblästring:

Skottblästring innebär användning av höghastighetsstrålar av små stål- eller keramiska pärlor för att träffa fjäderytan, vilket skapar ett tryckspänningsskikt.

Princip: Tryckspänningen som genereras av kulblästring kan kompensera för dragrestspänningen på ytan. Eftersom utmattningssprickor vanligtvis initieras från ytan, kan detta tryckspänningsskikt effektivt hindra sprickutbredning, vilket avsevärt förbättrar fjäderns utmattningslivslängd.

Användning: Skottblästring är särskilt lämplig för fjädrar som utsätts för höga cykliska belastningar eller extrema driftsförhållanden, såsom motorventilfjädrar för bilar och kritiska fjädrar inom flygindustrin.

2. Förspänning:

Förspänning, även känd som "komprimering" eller "inställning", är en metod för att aktivt eliminera kvarvarande stress.

Princip: Efter att fjädern har tillverkats appliceras en tryck- eller vridkraft som överstiger dess konstruktionsbelastning på den, vilket orsakar en lätt permanent plastisk deformation. Denna process omfördelar spänningen inom fjädern, vilket genererar en restspänning i motsatt riktning av arbetsbelastningen efter att belastningen har avlägsnats.

Effekt: Denna omvända restspänning kan kompensera en del av arbetsspänningen, vilket minskar spänningsnivån vid faktisk användning och därigenom förbättra fjäderns bärförmåga och utmattningsmotstånd.

Processkontroll och materialval

Att kontrollera genereringen av kvarvarande stress vid källan är också avgörande.

Att välja rätt tråd: Att välja högkvalitativ, enhetlig tråd av rostfritt stål är viktigt. Felaktiga kalldragnings- eller kallvalsningsprocesser kan införa överdriven inre stress.

Optimering av formningsprocessen: Justering av lindningsmaskinens parametrar, såsom lindningshastighet och matningshastighet, kan uppnå mer enhetlig materialdeformation. Avancerad CNC-utrustning kan mer exakt styra formningsprocessen, vilket minskar ojämn deformation.

Exakt processkontroll: Från tråd som kommer in i fabriken till slutlig värmebehandling krävs strikt processparameterkontroll i varje steg. Till exempel måste värmebehandlingsugnens temperaturlikformighet, upp- och nedrampningshastigheter och hålltid övervakas exakt.