Koje se metode mogu koristiti za smanjenje ili uklanjanje zaostalog naprezanja u oprugama od nehrđajućeg čelika tijekom projektiranja i proizvodnje

Preostali stres čest je i kritičan problem u procesu proizvodnje opruge od nehrđajućeg čelika . Prvenstveno proizlazi iz neravnomjernog strujanja materijala tijekom plastične deformacije. Kada se žica od nehrđajućeg čelika savije i namota u oblik opruge, vanjski materijal se rasteže dok se unutarnji materijal sabija. Ova neravnomjerna deformacija dovodi do nakupljanja unutarnjih naprezanja koja traju čak i nakon uklanjanja vanjske sile.

Preostalo naprezanje ima izravan i značajan negativan utjecaj na performanse opruga od nehrđajućeg čelika. Prvo, smanjuje granicu elastičnosti opruge, uzrokujući trajnu deformaciju prije postizanja projektiranog opterećenja. Drugo, zaostalo naprezanje značajno smanjuje vijek trajanja od zamora, uzrokujući prerano otkazivanje opruge nakon ponovljenih ciklusa opterećenja. Još ozbiljnije, u određenim korozivnim okruženjima, zaostalo naprezanje može postati okidač za pucanje uslijed korozije (SCC), što dovodi do iznenadnog krhkog loma. Stoga je učinkovito smanjenje ili uklanjanje zaostalog naprezanja ključno za osiguranje visoke pouzdanosti i dugog vijeka trajanja opruga od nehrđajućeg čelika.

Toplinska obrada: Osnovna tehnologija za uklanjanje zaostalog naprezanja

Toplinska obrada je najčešća i najučinkovitija metoda za smanjenje ili uklanjanje zaostalog naprezanja u oprugama od nehrđajućeg čelika. Osnovno načelo je zagrijati oprugu na određenu temperaturu i držati je tamo, dopuštajući atomima unutar materijala da dobiju dovoljno energije za preuređenje, čime se oslobađa i redistribuira naprezanje uzrokovano hladnim radom.

1. Niska temperatura (ublažavanje stresa):

Ovo je najčešća metoda toplinske obrade za ublažavanje stresa. Za martenzitne nehrđajuće čelike (kao što su 420 i 440°C) i austenitne nehrđajuće čelike (kao što su 302 i 304), to se obično izvodi na nižoj temperaturi.

Austenitni nehrđajući čelici (302, 304 i 316): Idealna temperatura kaljenja za smanjenje naprezanja obično je između 340°C i 450°C. Unutar ovog temperaturnog raspona, materijal ne prolazi faznu transformaciju, ali je toplinsko gibanje atoma dovoljno za oslobađanje većine unutarnjih naprezanja. Visoke temperature mogu uzrokovati taloženje karbida na granicama zrna, smanjujući otpornost na koroziju, stoga je neophodna stroga kontrola temperature.

Martenzitni nehrđajući čelici (410, 420 i 431): Ove se opruge obično kale nakon kaljenja, a kontrola temperature je ključna. Temperature popuštanja naprezanja obično su između 250-400°C, učinkovito smanjujući zaostalo naprezanje uz zadržavanje potrebne tvrdoće i čvrstoće.

2. Liječenje otopinom i starenje:

Za nehrđajuće čelike koji otvrdnjavaju taloženjem (kao što su 17-7PH i 15-5PH), njihova krajnja čvrstoća ovisi o tretmanu starenja. Prije oblikovanja, žica je obično u otopini, što rezultira dobrom duktilnošću. Nakon formiranja, starenje ne samo da omogućuje fazi taloženja da poveća čvrstoću, već i učinkovito eliminira zaostalo naprezanje. Ovaj proces se odvija istovremeno.

Mehanička obrada: Poboljšanje površinskih svojstava i raspodjele naprezanja

Osim toplinske obrade, određene mehaničke metode također mogu učinkovito poboljšati stanje naprezanja opruga, posebice površinsko zaostalo naprezanje.

1. Shot Peening:

Sačmarenje uključuje upotrebu mlaznica velike brzine od sićušnih čeličnih ili keramičkih kuglica za udar u površinu opruge, stvarajući sloj tlačnog naprezanja.

Načelo: Tlačno naprezanje generirano sačmarenjem može neutralizirati vlačno zaostalo naprezanje na površini. Budući da pukotine uslijed zamora obično počinju s površine, ovaj sloj tlačnog naprezanja može učinkovito spriječiti širenje pukotine, značajno poboljšavajući vijek trajanja opruge od zamora.

Primjena: pjeskarenje je posebno prikladno za opruge izložene visokim cikličkim opterećenjima ili ekstremnim radnim uvjetima, kao što su opruge ventila motora automobila i kritične opruge u zrakoplovnoj industriji.

2. Prednaprezanje:

Prednaprezanje, također poznato kao "zbijanje" ili "postavljanje", metoda je za aktivno uklanjanje zaostalog naprezanja.

Načelo: Nakon što je opruga proizvedena, na nju se primjenjuje tlačna ili torzijska sila koja premašuje projektirano opterećenje, uzrokujući blagu trajnu plastičnu deformaciju. Ovaj proces redistribuira naprezanje unutar opruge, generirajući zaostalo naprezanje u suprotnom smjeru od radnog opterećenja nakon uklanjanja opterećenja.

Učinak: Ovo obrnuto zaostalo naprezanje može nadoknaditi dio radnog naprezanja, smanjujući razinu naprezanja u stvarnoj uporabi, čime se poboljšava nosivost opruge i otpornost na zamor.

Kontrola procesa i odabir materijala

Kontrola stvaranja zaostalog naprezanja na izvoru također je ključna.

Odabir prave žice: Neophodan je odabir visokokvalitetne, ujednačene žice od nehrđajućeg čelika. Nepravilno hladno izvlačenje ili procesi hladnog valjanja mogu dovesti do prekomjernog unutarnjeg naprezanja.

Optimiziranje procesa oblikovanja: Podešavanjem parametara stroja za namatanje, kao što su brzina namotavanja i brzina dodavanja, može se postići ujednačenija deformacija materijala. Napredna CNC oprema može preciznije kontrolirati proces oblikovanja, smanjujući neravnomjernu deformaciju.

Precizna kontrola procesa: Od žice koja ulazi u tvornicu do završne toplinske obrade, potrebna je stroga kontrola parametara procesa u svakoj fazi. Na primjer, mora se precizno pratiti ujednačenost temperature peći za toplinsku obradu, stope povećanja i smanjenja te vrijeme zadržavanja.