در میان گریدهای فولاد ضد زنگ مورد استفاده در تولید فنر دقیق، نوار فولادی ضد زنگ نورد سرد 301 از جایگاه ویژه ای برخوردار است. توانایی آن در ایجاد استحکام کششی بسیار بالا از طریق کار سرد - بدون نیاز به عملیات حرارتی - همراه با مقاومت در برابر خوردگی خوب، شکلپذیری عالی در شرایط بازپخت، و رفتار قابل اعتماد پشت فنری پس از شکلگیری، آن را به ماده اول انتخاب برای طیف گستردهای از فنرهای تخت، فنرهای سیم پیچ، اجزای ضربهگیر، گیرههای نگهدارنده موتور، و سایر قطعات الکترونیکی موتور، و سایر قطعات الکترونیکی، تبدیل میکند. صنایع این مقاله به بررسی علم مواد در پشت مناسب بودن فولاد ضد زنگ 301 برای کاربردهای فنر، درجه حرارت موجود برای سازندگان فنر، مشخصات کلیدی مکانیکی و ابعادی، و ملاحظات عملی میپردازد که تعیین میکنند آیا 301 ماده مناسبی برای طراحی فنر خاص است یا خیر.
فولاد ضد زنگ 301 چیست و چرا برای فنرها خوب کار می کند؟
گرید 301 یک فولاد ضد زنگ آستنیتی کروم نیکل با ترکیب اسمی 16-18٪ کروم و 6-8٪ نیکل، همراه با محتوای کربن نسبتاً بالا (تا 0.15٪) در مقایسه با سایر گریدهای آستنیتی مانند 304 (حداکثر 0.08٪ کربن (حداکثر 0.08٪ یا حداکثر 0.08٪ کربن) است. این محتوای کربن بالاتر، همراه با مقدار نیکل کمتر از 304، به 301 یک ساختار آستنیتی ناپایدار می دهد که تا حدی تحت تأثیر تغییر شکل سرد به مارتنزیت تبدیل می شود - پدیده ای که به نام تشکیل مارتنزیت ناشی از کرنش شناخته می شود.
این تبدیل مارتنزیت ناشی از کرنش است که 301 را برای کاربردهای فنری منحصر به فرد ارزشمند می کند. هنگامی که نوار 301 نورد سرد می شود تا ضخامت به تدریج کاهش یابد، فاز آستنیت به تدریج به مارتنزیت تبدیل می شود و استحکام کششی به طور چشمگیری افزایش می یابد - از تقریباً 620 مگاپاسکال در شرایط آنیل شده به 1400-1800 مگاپاسکال یا بیشتر در شرایط کاملاً سخت شده. هیچ عملیات حرارتی کوره برای دستیابی به این استحکام لازم نیست. فرآیند نورد سرد خود مکانیزم سخت شدن است. این بدان معنی است که نوار 301 را می توان در شرایط از پیش سخت شده با خواص مکانیکی دقیق تعریف شده برای تولید کنندگان فنر عرضه کرد و آماده شکل گیری در هندسه فنر بدون هیچ گونه چرخه عملیات حرارتی پس از شکل دهی است.
رفتار ارتجاعی نوار سخت شده 301 با نسبت تسلیم به استحکام کششی بالا و برگشت فنر ثابت پس از انحراف مشخص می شود - دقیقاً خواص مورد نیاز برای عملکرد فنر قابل اعتماد و مقاوم در برابر خستگی. ویژگی مغناطیسی معرفی شده توسط تشکیل مارتنزیت (سخت شده 301 بر خلاف حالت آستنیتی بازپخت شده نسبتاً مغناطیسی است) یک اثر ثانویه است که برای اکثر کاربردهای فنری بی اهمیت است، اما باید در کاربردهای الکترونیکی که میدان های مغناطیسی می توانند با عملکرد اجزا تداخل داشته باشند در نظر گرفته شود.
درجات سرد نورد: معنی آنها برای طراحی فنری
نوار فولادی ضد زنگ 301 نورد سرد برای کاربردهای فنری در طیفی از درجه های حرارتی عرضه می شود که با سطوح مختلف کار سرد و در نتیجه ترکیبات متفاوتی از استحکام کششی، استحکام تسلیم و شکل پذیری باقیمانده مطابقت دارد. شناخت سیستم تمپر و انتخاب درجه مناسب برای کاربرد فنر یکی از مهمترین تصمیمات در تعیین مشخصات مواد است.
نامگذاریهای مزاج مورد استفاده در آمریکای شمالی از ASTM A666 پیروی میکنند، در حالی که تامینکنندگان اروپایی معمولاً از نامگذاریهای EN 10151 استفاده میکنند. درجه حرارت اصلی برای کاربردهای فنری عبارتند از:
- آنیل شده (نرم): حداکثر شکل پذیری، حداقل استحکام. استحکام کششی معمولاً 620-820 مگاپاسکال است. زمانی استفاده می شود که نوار باید به طور گسترده قبل از ایجاد هندسه فنر شکل گیرد، با این درک که سخت شدن کار در حین شکل دهی مقداری استحکام را در بخش های شکل گرفته افزایش می دهد.
- کوارتر هارد (1/4 ساعت): احیای سرد سبک افزایش متوسطی در استحکام با شکل پذیری باقی مانده خوب ایجاد می کند. استحکام کششی معمولاً 860-1030 مگاپاسکال است. برای فنرهایی با الزامات شکل دهی متوسط و نیازهای تحمل بار متوسط استفاده می شود.
- نیمه سخت (1/2 ساعت): کاهش سرمای متوسط استحکام کششی معمولاً 1030-1200 مگاپاسکال است. یک حالت پرکاربرد برای فنرهای صاف، فنرهای گیره ای و عناصر تماسی که در آن تعادل بین استحکام و شکل پذیری مورد نیاز است. این متداولترین حالتی است که برای کاربردهای عمومی فنر مشخص میشود.
- سه چهارم هارد (3/4 ساعت): کاهش سرماخوردگی شدید استحکام کششی معمولاً 1200-1380 مگاپاسکال است. برای کاربردهایی که نیاز به نیروی فنر بالاتر از ضخامت بخش معین دارند، با فرم دهی محدود در طول ساخت فنر استفاده می شود.
- فول هارد (FH): حداکثر کاهش سرما استحکام کششی معمولاً 1380-1650 مگاپاسکال (و در برخی مشخصات بالاتر). حداقل شکل پذیری - خم شدن در شعاع های تنگ بدون ترک امکان پذیر نیست. برای فنرهای تخت که فقط به خمش ساده یا بدون خمش نیاز دارند و برای کاربردهایی که به حداکثر انحراف الاستیک در واحد سطح مقطع مواد نیاز دارند استفاده می شود.
ویژگیهای مکانیکی کلیدی در درجههای دما
| درجه مزاج | مقاومت کششی (MPa) | 0.2٪ استرس اثباتی (MPa) | ازدیاد طول (%) | سختی معمولی (HV) |
| آنیل شده | 620 - 820 | ≥ 275 | ≥ 40% | 170 - 220 |
| ربع هارد | 860 - 1030 | ≥ 515 | ≥ 25% | 250 - 300 |
| نیمه سخت | 1,030 - 1,200 | ≥ 760 | ≥ 18٪ | 300 - 360 |
| سه ربع سخت | 1200 – 1380 | ≥ 965 | ≥ 12% | 360 - 410 |
| کامل سخت | 1,380 - 1,650 | ≥ 1170 | ≥ 8٪ | 410 - 480 |
مقادیر تنش 0.2% (مقاومت تسلیم) به ویژه برای طراحی فنر مهم هستند، زیرا محدوده انحراف الاستیک فنر با استحکام تسلیم ماده محدود میشود - بارگذاری فنر فراتر از نقطهای که تنش در بخش با بیشترین بارگذاری به تنش تسلیم میرسد باعث گیرش دائمی و از دست دادن نیروی فنر طراحیشده میشود. نمرات با درجه حرارت بالاتر تنش تسلیم بالاتری را ارائه می دهند و به یک هندسه فنر داده شده اجازه می دهد قبل از تسلیم انحراف کشسانی بیشتری داشته باشد، که مستقیماً به ظرفیت ذخیره انرژی بیشتر فنر در واحد حجم مواد ترجمه می شود.
مشخصات ابعادی: ضخامت، عرض و الزامات تحمل
برای کاربردهای فنری دقیق، دقت ابعادی نوار 301 به اندازه خواص مکانیکی آن مهم است. نیروی فنر متناسب با مکعب ضخامت (در محاسبات فنر مسطح) و مستقیماً متناسب با عرض است، به این معنی که انحرافات کوچک از ضخامت اسمی تأثیر نامتناسبی بر نرخ فنر قطعه تمام شده دارد. تغییر ضخامت 5±٪ در فنر تخت به تغییر نیروی فنر تقریباً 15٪ ترجمه می شود - که در هر برنامه ای که به عملکرد ثابت فنر نیاز دارد غیرقابل قبول است.
نوار ضد زنگ نورد سرد 301 برای کاربردهای فنری دقیق برای تلورانس های ضخامت تنگ عرضه می شود که به طور قابل توجهی محکم تر از نورد گرم یا نورد سرد استاندارد است. نوار فنری نورد دقیق معمولاً 0.005 ± میلی متر یا بهتر برای سنج های نازک (زیر 0.5 میلی متر) و ± 0.01-0.025 میلی متر برای سنج های ضخیم تر تا 3 میلی متر تعیین می شود. تحمل عرض برای نوار شکاف معمولاً 0.05 ± میلی متر برای مواد شکاف دقیق و ± 0.1-0.2 میلی متر برای مواد شکاف استاندارد است. شرایط لبه - چه نوار لبه آسیاب، لبه شکاف یا لبه بریده شده/گرد داشته باشد - بر توانایی نوار برای تشکیل بدون ترک در لبه تأثیر می گذارد و باید بر اساس عملیات شکل دهی که نوار متحمل می شود مشخص شود.
صافی و کامبر (انحنای جانبی نوار در طول آن) پارامترهای بعدی اضافی هستند که بر حمل و نقل مواد اولیه در عملیات مهر زنی و شکل دهی تأثیر می گذارند. نوار با کامبر بیش از حد از طریق ابزارهای قالب پیشرونده به طور متناقض ردیابی می شود که منجر به ثبت اشتباه و تغییرات ابعادی در فنر تشکیل شده می شود. تامین کنندگان نوار فنری ممتاز، مواد را پس از بریدگی تراز می کنند تا خمیدگی را اصلاح کنند و به صافی مورد نیاز برای تغذیه خودکار پرس با سرعت بالا دست یابند.
پایان سطح و نقش آن در عملکرد خستگی بهاره
وضعیت سطح نوار نورد سرد 301 تأثیر مستقیمی بر عمر خستگی فنرهای تولید شده از آن دارد. ترکهای خستگی در فنرها تقریباً همیشه از نقصهای سطحی شروع میشوند - خراشها، گودالها، قرار گرفتن در معرض درگیری یا قلههای ناهمواری سطح که به عنوان متمرکزکننده تنش تحت بارگذاری چرخهای عمل میکنند. در کاربردهایی که فنر میلیونها چرخه انحراف را پشت سر میگذارد - فنرهای تماسی در رابطها، فنرها در محرکهای سوپاپ، فنرهای نگهدارنده در مکانیسمهایی که در معرض ارتعاش مداوم هستند - کیفیت سطح استوک نوار یک عامل تعیینکننده اولیه عمر مفید است.
نوار فنری 301 نورد سرد در چندین درجه پرداخت سطحی موجود است. روکش روشن آنیل شده (BA)، که با بازپخت در اتمسفر هیدروژن یا نیتروژن به جای هوا تولید میشود، سطحی صاف و بسیار بازتابنده با حداقل مقیاس اکسید و آزادی خوبی از عیوب سطحی فراهم میکند. روکش 2B - نورد سرد، بازپخت شده و به آرامی با پوست عبور داده شده است - رایج ترین پرداخت تجاری است و سطحی صاف و کمی بازتابنده مناسب برای اکثر کاربردهای فنری فراهم می کند. برای سختترین کاربردهای خستگی، نوار صیقلی آینهای یا آسیاب دقیق، کمترین زبری سطح و بیشترین آزادی را از عیوب سطحی با هزینه قابل توجهی فراهم میکند.
وجود آخالهای سطحی - ذرات اکسیدها، سولفیدها یا سایر فازهای غیرفلزی که در طول فولادسازی یا نورد به سطح اضافه میشوند - یک نگرانی کیفی خاص برای کاربردهای فنری درجه یک است. گریدهای نوار 301 بدون گنجاندن یا کم گنجاندن توسط فولادسازان با استفاده از گاز زدایی خلاء و روشهای فولاد تمیز تولید میشوند و این گریدها دارای قیمت عالی هستند اما عملکرد خستگی بهتری را در کاربردهای سخت ارائه میدهند. مشخص کردن مواد با گواهی بازرسی اولتراسونیک یا جریان گردابی اطمینان بیشتری از رهایی از عیوب زیرسطحی را فراهم می کند که می تواند باعث شکست زودرس خستگی شود.
ملاحظات مقاومت در برابر خوردگی برای نوار فنری 301
در حالی که فولاد ضد زنگ 301 مقاومت خوبی در برابر خوردگی برای اکثر کاربردهای فنری ارائه می دهد، عملکرد خوردگی آن به دلیل محتوای کروم و نیکل کمتر و وجود مارتنزیت در شرایط سخت شده، کمتر از گریدهای 304 یا 316 است. مارتنزیت مقاومت به خوردگی کمی کمتر از آستنیت دارد و مارتنزیت ناشی از کرنش در نوار سخت شده 301 می تواند آن را نسبت به گریدهای کاملا آستنیتی در برابر خوردگی حفره ای در محیط های حاوی کلرید حساس تر کند.
برای محیطهای داخلی، خشک یا با خورندگی خفیف - که بیشتر وسایل الکترونیکی، تجهیزات اداری، داخلی خودرو و کاربردهای مهندسی عمومی را توصیف میکنند - مقاومت در برابر خوردگی نوار سختشده 301 کاملاً کافی است و نیازی به عملیات محافظتی اضافی نیست. برای محیطهای شیمیایی در فضای باز، دریایی یا نسبتاً تهاجمی، عملکرد خوردگی 301 باید بر اساس نیازهای خدماتی ارزیابی شود و در صورت ناکافی بودن مقاومت به خوردگی 301، درجات جایگزین (304، 316، یا درجههای سختکننده بارش مانند PH 17-7) باید در نظر گرفته شوند. خبر خوب این است که لایه اکسید غیرفعال روی فولاد ضد زنگ 301 در حضور اکسیژن به خودی خود ترمیم می شود - اگر سطح خراشیده یا آسیب ببیند، لایه اکسید کروم به طور خود به خود اصلاح می شود و بدون هیچ گونه عملیاتی محافظت در برابر خوردگی مداوم را فراهم می کند.
انتخاب گرید نواری 301 مناسب برای برنامه Spring
هنگام مشخص کردن نوار فولادی ضد زنگ 301 نورد سرد برای فنر کاربرد، توالی تصمیم زیر پارامترهای کلیدی را که باید در مشخصات مواد تعریف شوند را پوشش می دهد:
- نیروی فنر و محدوده انحراف مورد نیاز را تعریف کنید: از محاسبات طراحی فنر، حداقل استحکام تسلیم و مدول الاستیک مورد نیاز برای دستیابی به نرخ فنر هدف و حداکثر انحراف الاستیک بدون تنظیم دائمی را تعیین کنید. این حداقل درجه حرارت را تعیین می کند - اگر طراحی فنر به حداقل استحکام تسلیم 900 مگاپاسکال نیاز دارد، نیم سخت یا بیشتر مورد نیاز است.
- ارزیابی شدت شکل گیری: سختترین شعاع خمش نسبت به ضخامت مواد، پیچیدهترین تغییر شکل، شدیدترین عملیات کشش یا خالی کردن را ارزیابی کنید. برای خم های با شعاع محکم (R/t زیر 1)، ممکن است به مواد آنیل شده یا یک چهارم سخت نیاز باشد. برای خم شدن ساده یا خالی کردن بدون خمش، می توان از مواد کاملا سخت بدون مشکل شکل گیری استفاده کرد.
- تلورانس های ابعادی را بر اساس حساسیت نیروی فنر مشخص کنید: تأثیر تحمل ضخامت و عرض بر تغییرات نیروی فنر را برای هندسه فنر خود محاسبه کنید. برای فنرهایی که قوام نیرو در آنها حیاتی است، تلورانس های نورد دقیق را مشخص کنید و برای هر محموله به گواهی ابعاد نیاز دارید.
- پرداخت سطح را بر اساس نیازهای خستگی مشخص کنید: برای فنرهایی که الزامات بارگذاری چرخه ای دارند، حداقل سطح پرداخت (مقدار Ra) را مشخص کنید و نیاز به گواهی عدم وجود نقص سطح توسط جریان گردابی یا بازرسی بصری دارید. برای فنرهای آرایشی یا فنرهایی با الزامات بارگیری با چرخه پایین، پرداخت استاندارد 2B به طور کلی کافی است.
- کفایت مقاومت در برابر خوردگی را برای محیط سرویس تأیید کنید: اگر فنر در معرض کلریدها، اسیدها یا رطوبت بالا قرار می گیرد، ارزیابی کنید که آیا 301 مقاومت خوردگی کافی را ارائه می دهد یا اینکه درجه مقاوم در برابر خوردگی بیشتری لازم است. اگر محیط سرویس تهاجمی است، داده های تست خوردگی را از تامین کننده درخواست کنید.
Previous
