Какие методы можно использовать для снижения или устранения остаточных напряжений в пружинах из нержавеющей стали при проектировании и производстве

Остаточное напряжение является распространенной и критической проблемой в производственном процессе пружины из нержавеющей стали . В первую очередь это связано с неравномерным течением материала при пластической деформации. Когда проволока из нержавеющей стали сгибается и наматывается в форму пружины, внешний материал растягивается, а внутренний материал сжимается. Эта неравномерная деформация приводит к накоплению внутренних напряжений, которые сохраняются даже после снятия внешней силы.

Остаточное напряжение оказывает прямое и существенное негативное влияние на эксплуатационные характеристики пружин из нержавеющей стали. Во-первых, он снижает предел упругости пружины, вызывая остаточную деформацию до достижения расчетной нагрузки. Во-вторых, остаточное напряжение значительно снижает усталостную долговечность, в результате чего пружина преждевременно выходит из строя после повторных циклов нагрузки. Что еще более серьезно, в некоторых коррозионных средах остаточное напряжение может стать причиной коррозионного растрескивания под напряжением (SCC), что приведет к внезапному хрупкому разрушению. Поэтому эффективное снижение или устранение остаточных напряжений имеет решающее значение для обеспечения высокой надежности и длительного срока службы пружин из нержавеющей стали.

Термическая обработка: основная технология устранения остаточных напряжений

Термическая обработка является наиболее распространенным и эффективным методом снижения или устранения остаточных напряжений в пружинах из нержавеющей стали. Основной принцип заключается в нагревании пружины до определенной температуры и удержании ее там, что позволяет атомам внутри материала получить достаточно энергии для перестройки, тем самым снимая и перераспределяя напряжение, вызванное холодной обработкой.

1. Низкотемпературный (снимающий стресс):

Это наиболее распространенный метод термообработки для снятия напряжений. Для мартенситных нержавеющих сталей (таких как 420 и 440°C) и аустенитных нержавеющих сталей (таких как 302 и 304) это обычно выполняется при более низкой температуре.

Аустенитные нержавеющие стали (302, 304 и 316): Идеальная температура отпуска для снятия напряжений обычно составляет от 340°C до 450°C. В этом диапазоне температур материал не претерпевает фазовых превращений, но теплового движения атомов достаточно для снятия большинства внутренних напряжений. Высокие температуры могут привести к осаждению карбидов на границах зерен, что снижает коррозионную стойкость, поэтому необходим строгий контроль температуры.

Мартенситные нержавеющие стали (410, 420 и 431): эти пружины обычно отпускаются после закалки, и контроль температуры имеет решающее значение. Температуры отпуска для снятия напряжений обычно составляют 250–400°C, что эффективно снижает остаточные напряжения, сохраняя при этом необходимую твердость и прочность.

2. Лечение раствором и старение:

Для дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей (таких как 17-7PH и 15-5PH) их предельная прочность зависит от обработки старением. Перед формованием проволока обычно находится в растворе, что обеспечивает хорошую пластичность. После формования старение не только позволяет фазе осаждения повысить прочность, но и эффективно устраняет остаточные напряжения. Этот процесс происходит одновременно.

Механическая обработка: улучшение свойств поверхности и распределения напряжений

Помимо термической обработки, некоторые механические методы также могут эффективно улучшить напряженное состояние пружин, особенно остаточное поверхностное напряжение.

1. Дробеструйная обработка:

Дробеструйная обработка подразумевает использование высокоскоростных струй мелких стальных или керамических шариков для воздействия на поверхность пружины, создавая слой сжимающего напряжения.

Принцип: Сжимающее напряжение, возникающее при дробеструйной обработке, может компенсировать остаточное растягивающее напряжение на поверхности. Поскольку усталостные трещины обычно возникают на поверхности, этот слой сжимающего напряжения может эффективно препятствовать распространению трещин, значительно улучшая усталостную долговечность пружины.

Применение: Дробеструйная обработка особенно подходит для пружин, подвергающихся высоким циклическим нагрузкам или экстремальным условиям эксплуатации, таких как пружины клапанов автомобильных двигателей и критические пружины в аэрокосмической промышленности.

2. Предварительное напряжение:

Предварительное напряжение, также известное как «уплотнение» или «установка», представляет собой метод активного устранения остаточных напряжений.

Принцип: После изготовления пружины к ней прикладывается сжимающее или крутильное усилие, превышающее ее расчетную нагрузку, что вызывает небольшую остаточную пластическую деформацию. Этот процесс перераспределяет напряжение внутри пружины, создавая остаточное напряжение в направлении, противоположном рабочей нагрузке после снятия нагрузки.

Эффект: Это обратное остаточное напряжение может компенсировать часть рабочего напряжения, снижая уровень напряжения при фактическом использовании, тем самым улучшая несущую способность пружины и ее усталостную прочность.

Контроль процесса и выбор материала

Контроль образования остаточного напряжения в источнике также имеет решающее значение.

Выбор правильного провода: выбор высококачественного, однородного провода из нержавеющей стали имеет решающее значение. Неправильные процессы холодного волочения или холодной прокатки могут привести к чрезмерному внутреннему напряжению.

Оптимизация процесса формования: регулировка параметров намоточной машины, таких как скорость намотки и скорость подачи, позволяет добиться более равномерной деформации материала. Усовершенствованное оборудование с ЧПУ позволяет более точно контролировать процесс формования, уменьшая неравномерную деформацию.

Точный контроль процесса: от поступления проволоки на завод до окончательной термообработки на каждом этапе требуется строгий контроль параметров процесса. Например, необходимо точно контролировать равномерность температуры печи термообработки, скорость нарастания и спада, а также время выдержки.