Релаксация крутящего момента пружины кручения: выбор марки выше 150 C

Пружина кручения, которая отлично работает при комнатной температуре, может потерять пятую часть своего крутящего момента через несколько месяцев на горячей сборке. Это не усталость и не коррозия. Это релаксация напряжений: под действием постоянной нагрузки при повышенной температуре материал медленно преобразует упругую деформацию в остаточную деформацию, и крутящий момент, удерживающий деталь на месте, тихо исчезает.

В этой статье объясняется, где релаксация становится значительной в пружинах кручения из нержавеющей стали, как выбор марки изменяет скорость, и как рассчитать пружину так, чтобы крутящий момент оставался на месте к концу срока службы.

Релаксация — это время при температуре, а не циклы нагрузки

Усталость вызывается циклами. Релаксация вызывается временем и температурой при фиксированном прогибе. Пружина, сжатая на полке, не релаксирует; пружина, удерживаемая под рабочим углом при 180 C в течение 2000 часов, релаксирует. Для деталей бытовой техники и автомобилей, которые остаются деформированными годами, релаксация обычно является ограничивающим фактором проектирования, а не срок службы по циклам.

Скорость зависит от трех переменных: абсолютной температуры, начального уровня напряжения как доли от предела текучести и времени. Удвоение абсолютной температуры может увеличить скорость релаксации на порядок, поэтому практический порог для пружин из холоднотянутой нержавеющей стали составляет около 150 C.

Сколько крутящего момента теряется

Порядок величины для холоднотянутой 302 и 304 при умеренном напряжении, выдержке в течение 1000 часов:

• До 100 C: примерно 3-5% потери крутящего момента, часто в пределах нормального разброса измерений
• 150 C: примерно 6-10%
• 200 C: примерно 10-15%
• 250-300 C: примерно 15-25%, и геометрия может начать ползти

Выше 300 C холоднотянутая аустенитная проволока больше не является правильным выбором для пружины, которая должна удерживать крутящий момент. Либо конструкция переходит на жаропрочную марку, либо пружина заменяется другим механизмом.

Три рычага для уменьшения релаксации

1. Снижение начального напряжения

Самый эффективный рычаг. Пружина, рассчитанная на 40% от предела текучести, релаксирует гораздо меньше, чем та же пружина при 70%. Если в сборке есть место для еще одной витки или диаметра проволоки на 0,1 мм больше, используйте его: дополнительный материал обеспечивает стабильность крутящего момента, а не пиковый крутящий момент.

2. Стабилизирующая обработка после навивки

Термообработка для снятия напряжений при 200-300 C удаляет напряжения навивки, а стабилизирующая обработка при более высокой температуре под предварительным натягом идет дальше, расслабляя пружину перед вводом в эксплуатацию. Пружина предварительно натягивается на немного больший крутящий момент, обрабатывается, а затем обеспечивает стабильный крутящий момент с первого цикла.

3. Выбор марки

302 и 304 ведут себя одинаково примерно до 250 C. 316 добавляет молибден для коррозионной стойкости в горячих влажных условиях эксплуатации, но не прочнее при температуре. 430 устойчив к окалине при более высокой температуре, но имеет более низкую прочность при повышенных температурах, поэтому подходит для пружин позиционирования, не требующих высокой точности, а не для удержания нагрузки. Холоднотянутая проволока сохраняет больше своей холодной деформации, чем отожженная проволока, и поэтому релаксирует медленнее, но также теряет это преимущество, если рабочая температура приближается к диапазону отжига.

Окно спецификации

Применения, где это важно

• Петли и демпферные пружины дверцы духовки
• Механизмы защелок плиты и гриля
• Зажимы для интерьера и подкапотного пространства автомобилей
• Промышленные демпферные и возвратные пружины заслонок
• Пружины привода нагревателя и систем ОВК

Как указать пружину для горячей эксплуатации

Укажите непрерывную рабочую температуру, пиковую температуру и продолжительность пика, рабочий угол прогиба, требуемый крутящий момент к концу срока службы, а не при поставке, и ожидаемое количество часов эксплуатации. С этими пятью показателями можно проверить конструкцию на релаксацию, а не подтверждать ее методом проб и ошибок в полевых условиях.

TOPONE производит проволоку из нержавеющей стали с 1993 года и поставляет пружины кручения из проволоки диаметром от 0,15 мм до 12 мм, поэтому марка, состояние проволоки и термообработка пружины указываются вместе, и гарантия крутящего момента действует при температуре, которую деталь фактически видит.