Jakie metody można zastosować w celu zmniejszenia lub wyeliminowania naprężeń szczątkowych w sprężynach ze stali nierdzewnej podczas projektowania i produkcji

Stres resztkowy jest częstym i krytycznym problemem w procesie produkcyjnym sprężyny ze stali nierdzewnej . Wynika to przede wszystkim z nierównomiernego przepływu materiału podczas odkształcenia plastycznego. Kiedy drut ze stali nierdzewnej jest wyginany i nawijany w kształt sprężyny, materiał zewnętrzny jest rozciągany, podczas gdy materiał wewnętrzny jest ściskany. To nierównomierne odkształcenie prowadzi do kumulacji naprężeń wewnętrznych, które utrzymują się nawet po usunięciu siły zewnętrznej.

Naprężenia resztkowe mają bezpośredni i znaczący negatywny wpływ na wydajność sprężyn ze stali nierdzewnej. Po pierwsze, zmniejsza granicę sprężystości sprężyny, powodując trwałe odkształcenie przed osiągnięciem obciążenia projektowego. Po drugie, naprężenia szczątkowe znacznie skracają trwałość zmęczeniową, powodując przedwczesne uszkodzenie sprężyny po powtarzających się cyklach obciążenia. Co poważniejsze, w niektórych środowiskach korozyjnych naprężenia szczątkowe mogą stać się czynnikiem wywołującym pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC), prowadzące do nagłego kruchego pękania. Dlatego skuteczne zmniejszenie lub wyeliminowanie naprężeń szczątkowych ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia wysokiej niezawodności i długiej żywotności sprężyn ze stali nierdzewnej.

Obróbka cieplna: podstawowa technologia eliminacji naprężeń szczątkowych

Obróbka cieplna jest najpowszechniejszą i najskuteczniejszą metodą redukcji lub eliminacji naprężeń szczątkowych w sprężynach ze stali nierdzewnej. Podstawową zasadą jest podgrzanie sprężyny do określonej temperatury i utrzymanie jej w tej temperaturze, co pozwala atomom w materiale uzyskać energię wystarczającą do przegrupowania się, uwalniając i redystrybuując w ten sposób naprężenia wywołane obróbką na zimno.

1. Niskie temperatury (łagodzenie stresu):

Jest to najpowszechniejsza metoda obróbki cieplnej odprężającej. W przypadku stali nierdzewnych martenzytycznych (takich jak 420 i 440°C) oraz stali nierdzewnych austenitycznych (takich jak 302 i 304) czynność tę wykonuje się zazwyczaj w niższej temperaturze.

Stale nierdzewne austenityczne (302, 304 i 316): Idealna temperatura odpuszczania odprężającego wynosi zazwyczaj od 340°C do 450°C. W tym zakresie temperatur materiał nie ulega przemianie fazowej, ale ruch termiczny atomów jest wystarczający, aby uwolnić większość naprężeń wewnętrznych. Wysokie temperatury mogą powodować wytrącanie się węglików na granicach ziaren, zmniejszając odporność na korozję, dlatego niezbędna jest ścisła kontrola temperatury.

Stale nierdzewne martenzytyczne (410, 420 i 431): Sprężyny te są zazwyczaj hartowane po hartowaniu, a kontrola temperatury ma kluczowe znaczenie. Temperatury odpuszczania odprężającego wynoszą zazwyczaj od 250 do 400°C, co skutecznie redukuje naprężenia szczątkowe przy jednoczesnym zachowaniu wymaganej twardości i wytrzymałości.

2. Leczenie roztworem i starzenie:

W przypadku stali nierdzewnych utwardzanych wydzieleniowo (takich jak 17-7PH i 15-5PH) ich ostateczna wytrzymałość zależy od procesu starzenia. Przed formowaniem drut jest zazwyczaj w roztworze, co zapewnia dobrą ciągliwość. Po uformowaniu starzenie nie tylko pozwala fazie wytrącania zwiększyć wytrzymałość, ale także skutecznie eliminuje naprężenia szczątkowe. Proces ten zachodzi jednocześnie.

Obróbka mechaniczna: poprawa właściwości powierzchni i rozkładu naprężeń

Oprócz obróbki cieplnej niektóre metody mechaniczne mogą również skutecznie poprawić stan naprężeń sprężyn, zwłaszcza powierzchniowe naprężenia szczątkowe.

1. Śrutowanie:

Śrutowanie polega na użyciu strumieni o dużej prędkości z maleńkich stalowych lub ceramicznych kulek, które uderzają w powierzchnię sprężyny, tworząc warstwę naprężeń ściskających.

Zasada: Naprężenie ściskające powstające w wyniku śrutowania może zrównoważyć rozciągające naprężenie szczątkowe na powierzchni. Ponieważ pęknięcia zmęczeniowe zazwyczaj powstają z powierzchni, ta warstwa naprężeń ściskających może skutecznie utrudniać rozprzestrzenianie się pęknięć, znacznie poprawiając trwałość zmęczeniową sprężyny.

Zastosowanie: Strzały strzałowe są szczególnie przydatne w przypadku sprężyn poddawanych dużym obciążeniom cyklicznym lub ekstremalnym warunkom pracy, takich jak sprężyny zaworów silników samochodowych i sprężyny krytyczne w przemyśle lotniczym.

2. Prestiż:

Naprężanie wstępne, znane również jako „zagęszczanie” lub „ustawianie”, to metoda aktywnej eliminacji naprężeń szczątkowych.

Zasada: Po wytworzeniu sprężyny przykładana jest do niej siła ściskająca lub skręcająca przekraczająca jej obciążenie projektowe, powodując niewielkie trwałe odkształcenie plastyczne. Proces ten powoduje redystrybucję naprężeń w sprężynie, generując naprężenia szczątkowe w kierunku przeciwnym do obciążenia roboczego po jego usunięciu.

Efekt: To odwrócone naprężenie szczątkowe może zrównoważyć część naprężenia roboczego, zmniejszając poziom naprężenia podczas rzeczywistego użytkowania, poprawiając w ten sposób nośność sprężyny i odporność zmęczeniową.

Kontrola procesów i dobór materiałów

Kluczowe znaczenie ma również kontrolowanie powstawania naprężeń szczątkowych u źródła.

Wybór odpowiedniego drutu: Wybór wysokiej jakości, jednolitego drutu ze stali nierdzewnej jest niezbędny. Nieprawidłowe procesy ciągnienia na zimno lub walcowania na zimno mogą powodować nadmierne naprężenia wewnętrzne.

Optymalizacja procesu formowania: Regulacja parametrów maszyny nawijającej, takich jak prędkość nawijania i szybkość podawania, może zapewnić bardziej równomierne odkształcenie materiału. Zaawansowany sprzęt CNC pozwala na dokładniejszą kontrolę procesu formowania, redukując nierównomierne odkształcenia.

Precyzyjna kontrola procesu: Od wprowadzenia drutu do fabryki po końcową obróbkę cieplną, na każdym etapie wymagana jest ścisła kontrola parametrów procesu. Na przykład należy precyzyjnie monitorować jednorodność temperatury pieca do obróbki cieplnej, szybkość narastania i opadania oraz czas przetrzymywania.