Welke methoden kunnen worden gebruikt om restspanning in roestvrijstalen veren tijdens ontwerp en productie te verminderen of te elimineren

Restspanning is een veel voorkomend en cruciaal probleem in het productieproces van roestvrij stalen veren . Het komt voornamelijk voort uit de ongelijkmatige stroming van het materiaal tijdens plastische vervorming. Wanneer de roestvrij staaldraad wordt gebogen en in de veervorm wordt gewikkeld, wordt het buitenmateriaal uitgerekt terwijl het binnenmateriaal wordt samengedrukt. Deze ongelijkmatige vervorming leidt tot de ophoping van interne spanningen die aanhouden, zelfs nadat de externe kracht is opgeheven.

Restspanning heeft een directe en significante negatieve invloed op de prestaties van roestvrijstalen veren. Ten eerste vermindert het de elastische limiet van de veer, waardoor permanente vervorming ontstaat voordat de ontwerpbelasting wordt bereikt. Ten tweede vermindert restspanning de levensduur van vermoeiing aanzienlijk, waardoor de veer voortijdig bezwijkt na herhaalde laadcycli. Ernstiger is dat in bepaalde corrosieve omgevingen restspanning een trigger kan worden voor spanningscorrosiescheuren (SCC), wat kan leiden tot plotselinge brosse breuken. Daarom is het effectief verminderen of elimineren van restspanning van cruciaal belang om de hoge betrouwbaarheid en lange levensduur van roestvrijstalen veren te garanderen.

Warmtebehandeling: De kerntechnologie voor het elimineren van restspanning

Warmtebehandeling is de meest gebruikelijke en effectieve methode voor het verminderen of elimineren van restspanning in roestvrijstalen veren. Het basisprincipe is om de veer tot een specifieke temperatuur te verwarmen en daar vast te houden, waardoor de atomen in het materiaal voldoende energie kunnen winnen om te herschikken, waardoor de spanning veroorzaakt door koud bewerken wordt opgeheven en herverdeeld.

1. Lage temperatuur (stressverlichting):

Dit is de meest voorkomende warmtebehandelingsmethode voor stressverlichting. Voor martensitisch roestvast staal (zoals 420 en 440°C) en austenitisch roestvast staal (zoals 302 en 304) wordt dit doorgaans bij een lagere temperatuur uitgevoerd.

Austenitisch roestvrij staal (302, 304 en 316): De ideale temperatuur voor het temperen van spanningsverlichting ligt doorgaans tussen 340°C en 450°C. Binnen dit temperatuurbereik ondergaat het materiaal geen fasetransformatie, maar is de thermische beweging van atomen voldoende om de meeste interne spanningen vrij te geven. Hoge temperaturen kunnen ervoor zorgen dat carbiden neerslaan bij korrelgrenzen, waardoor de corrosieweerstand wordt verminderd, dus strikte temperatuurcontrole is essentieel.

Martensitisch roestvrij staal (410, 420 en 431): Deze veren worden doorgaans getemperd na het afschrikken, en temperatuurregeling is cruciaal. De temperatuur van de spanningsontlasting ligt doorgaans tussen 250 en 400°C, waardoor de restspanning effectief wordt verminderd terwijl de vereiste hardheid en sterkte behouden blijven.

2. Oplossingsbehandeling en veroudering:

Voor precipitatiehardende roestvaste staalsoorten (zoals 17-7PH en 15-5PH) hangt hun uiteindelijke sterkte af van de verouderingsbehandeling. Vóór het vormen is de draad doorgaans in oplossing, wat resulteert in een goede ductiliteit. Na het vormen zorgt veroudering er niet alleen voor dat de precipitatiefase de sterkte vergroot, maar elimineert het ook effectief restspanning. Dit proces vindt gelijktijdig plaats.

Mechanische behandeling: Verbetering van oppervlakte-eigenschappen en spanningsverdeling

Naast warmtebehandeling kunnen bepaalde mechanische methoden ook effectief de spanningstoestand van veren verbeteren, met name de restspanning van het oppervlak.

1. Shotpeening:

Shotpeening omvat het gebruik van jets met hoge snelheid van kleine stalen of keramische kralen om het veeroppervlak te beïnvloeden, waardoor een drukspanningslaag ontstaat.

Principe: De drukspanning die wordt gegenereerd door kogelstralen kan de restspanning van de trek op het oppervlak compenseren. Omdat vermoeiingsscheuren doorgaans vanaf het oppervlak ontstaan, kan deze drukspanningslaag de voortplanting van scheuren effectief belemmeren, waardoor de levensduur van de veer aanzienlijk wordt verbeterd.

Toepassing: Schotstralen is bijzonder geschikt voor veren die worden blootgesteld aan hoge cyclische belastingen of extreme bedrijfsomstandigheden, zoals klepveren van automotoren en kritische veren in de lucht- en ruimtevaartindustrie.

2. Voorspanning:

Voorspannen, ook wel "compacteren" of "zetten" genoemd, is een methode om restspanning actief te elimineren.

Principe: Nadat de veer is vervaardigd, wordt er een druk- of torsiekracht op uitgeoefend die de ontwerpbelasting overschrijdt, waardoor een lichte permanente plastische vervorming ontstaat. Dit proces herverdeelt de spanning binnen de veer, waardoor een restspanning ontstaat in de tegenovergestelde richting van de werkbelasting nadat de belasting is verwijderd.

Effect: Deze omgekeerde restspanning kan een deel van de werkspanning compenseren, waardoor het spanningsniveau bij feitelijk gebruik wordt verminderd, waardoor het draagvermogen en de weerstand tegen vermoeiing van de veer worden verbeterd.

Procescontrole en materiaalselectie

Het beheersen van het ontstaan van restspanning aan de bron is ook van cruciaal belang.

De juiste draad kiezen: Het selecteren van hoogwaardige, uniforme roestvrijstalen draad is essentieel. Onjuiste koudtrek- of koudwalsprocessen kunnen overmatige interne spanning veroorzaken.

Optimaliseren van het vormproces: Het aanpassen van de parameters van de wikkelmachine, zoals wikkelsnelheid en toevoersnelheid, kan een meer uniforme materiaalvervorming bereiken. Geavanceerde CNC-apparatuur kan het vormingsproces nauwkeuriger controleren, waardoor ongelijkmatige vervorming wordt verminderd.

Nauwkeurige procescontrole: Van draad die de fabriek binnenkomt tot de uiteindelijke warmtebehandeling, strikte procesparametercontrole is vereist in elke fase. De uniformiteit van de temperatuur, de op- en afvoersnelheden en de houdtijd van de warmtebehandelingsoven moeten bijvoorbeeld nauwkeurig worden bewaakt.