Hvilke metoder kan bruges til at reducere eller eliminere restspænding i fjedre i rustfrit stål under design og fremstilling

Restspænding er et almindeligt og kritisk spørgsmål i fremstillingsprocessen af fjedre i rustfrit stål . Det stammer primært fra materialets ujævne strømning under plastisk deformation. Når tråden af rustfrit stål bøjes og vikles til fjederformen, strækkes det ydre materiale, mens det indre materiale komprimeres. Denne ujævne deformation fører til akkumulering af indre spændinger, der fortsætter, selv efter at den ydre kraft er fjernet.

Restspænding har en direkte og betydelig negativ indvirkning på ydeevnen af fjedre i rustfrit stål. For det første reducerer den fjederens elastiske grænse, hvilket forårsager permanent deformation, før den når designbelastningen. For det andet reducerer resterende stress betydeligt udmattelseslevetiden, hvilket får fjederen til at svigte for tidligt efter gentagne belastningscyklusser. Mere alvorligt, i visse ætsende miljøer, kan restspænding blive en udløser for spændingskorrosionsrevner (SCC), hvilket fører til pludselige sprøde brud. Derfor er effektiv reduktion eller eliminering af restspænding afgørende for at sikre den høje pålidelighed og lange levetid af fjedre i rustfrit stål.

Varmebehandling: Kerneteknologien til eliminering af restspænding

Varmebehandling er den mest almindelige og effektive metode til at reducere eller eliminere restspænding i fjedre i rustfrit stål. Det grundlæggende princip er at opvarme fjederen til en bestemt temperatur og holde den der, så atomerne i materialet kan få tilstrækkelig energi til at omarrangere, og derved frigive og omfordele spændingen forårsaget af koldbearbejdning.

1. Lavtempering (Stressaflastende):

Dette er den mest almindelige stress relief varmebehandling metode. For martensitisk rustfrit stål (såsom 420 og 440°C) og austenitisk rustfrit stål (såsom 302 og 304) udføres dette typisk ved en lavere temperatur.

Austenitisk rustfrit stål (302, 304 og 316): Den ideelle tempereringstemperatur for spændingsaflastning er typisk mellem 340°C og 450°C. Inden for dette temperaturområde gennemgår materialet ikke fasetransformation, men atomernes termiske bevægelse er tilstrækkelig til at frigive de fleste indre spændinger. Høje temperaturer kan få karbider til at udfælde ved korngrænser, hvilket reducerer korrosionsbestandigheden, så streng temperaturkontrol er afgørende.

Martensitisk rustfrit stål (410, 420 og 431): Disse fjedre hærdes typisk efter bratkøling, og temperaturkontrol er afgørende. Spændingsaflastende tempereringstemperaturer er typisk mellem 250-400°C, hvilket effektivt reducerer resterende stress, samtidig med at den nødvendige hårdhed og styrke opretholdes.

2. Løsningsbehandling og aldring:

Til udfældningshærdende rustfrit stål (såsom 17-7PH og 15-5PH) afhænger deres ultimative styrke af ældningsbehandlingen. Før formning er tråden typisk i opløsning, hvilket resulterer i god duktilitet. Efter formning tillader ældning ikke kun udfældningsfasen at øge styrken, men eliminerer også effektivt resterende stress. Denne proces sker samtidigt.

Mekanisk behandling: Forbedring af overfladeegenskaber og stressfordeling

Ud over varmebehandling kan visse mekaniske metoder også effektivt forbedre fjedrenes spændingstilstand, især overfladerestspænding.

1. Skud Peening:

Shot peening involverer brugen af højhastighedsstråler af bittesmå stål- eller keramiske perler til at påvirke fjederoverfladen, hvilket skaber et trykspændingslag.

Princip: Den trykspænding, der genereres af skudpudsning, kan opveje trækrestspændingen på overfladen. Da udmattelsesrevner typisk starter fra overfladen, kan dette trykspændingslag effektivt hindre revneudbredelse, hvilket væsentligt forbedrer fjederens udmattelseslevetid.

Anvendelse: Sprøjteblæsning er særligt velegnet til fjedre, der udsættes for høje cykliske belastninger eller ekstreme driftsforhold, såsom ventilfjedre til bilmotorer og kritiske fjedre i rumfartsindustrien.

2. Forspænding:

Forspænding, også kendt som "komprimering" eller "indstilling", er en metode til aktivt at eliminere resterende stress.

Princip: Efter at fjederen er fremstillet, påføres den en tryk- eller vridningskraft, der overstiger dens designbelastning, hvilket forårsager en let permanent plastisk deformation. Denne proces omfordeler spændingen inden i fjederen, hvilket genererer en restspænding i den modsatte retning af arbejdsbelastningen, efter at belastningen er fjernet.

Effekt: Denne omvendte restspænding kan udligne noget af arbejdsspændingen, reducere spændingsniveauet ved faktisk brug og derved forbedre fjederens bæreevne og udmattelsesmodstand.

Proceskontrol og materialevalg

Styring af genereringen af restspænding ved kilden er også afgørende.

Valg af den rigtige ledning: Valg af højkvalitets, ensartet rustfrit ståltråd er afgørende. Forkert koldtrækning eller koldvalsningsprocesser kan indføre overdreven indre belastning.

Optimering af formningsprocessen: Justering af viklemaskineparametre, såsom viklingshastighed og fremføringshastighed, kan opnå mere ensartet materialedeformation. Avanceret CNC-udstyr kan mere præcist styre formningsprocessen, hvilket reducerer ujævn deformation.

Præcis proceskontrol: Fra ledning, der kommer ind på fabrikken til endelig varmebehandling, kræves streng procesparameterkontrol på hvert trin. For eksempel skal varmebehandlingsovnens temperaturensartethed, op- og nedtrapningshastigheder og holdetid overvåges præcist.