ما هي الطرق التي يمكن استخدامها لتقليل أو القضاء على الإجهاد المتبقي في نوابض الفولاذ المقاوم للصدأ أثناء التصميم والتصنيع

يعد الإجهاد المتبقي مشكلة شائعة وحاسمة في عملية التصنيع نوابض من الفولاذ المقاوم للصدأ . وينبع في المقام الأول من التدفق غير المتساوي للمادة أثناء تشوه البلاستيك. عندما يتم ثني سلك الفولاذ المقاوم للصدأ ولفه على شكل زنبرك، يتم تمديد المادة الخارجية بينما يتم ضغط المادة الداخلية. ويؤدي هذا التشوه غير المتساوي إلى تراكم الضغوط الداخلية التي تستمر حتى بعد إزالة القوة الخارجية.

الإجهاد المتبقي له تأثير سلبي مباشر وكبير على أداء النوابض المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. أولاً، يقلل من حد مرونة الزنبرك، مما يسبب تشوهًا دائمًا قبل الوصول إلى الحمل التصميمي. ثانيًا، يؤدي الإجهاد المتبقي إلى تقليل عمر التعب بشكل كبير، مما يتسبب في فشل الزنبرك قبل الأوان بعد دورات التحميل المتكررة. الأمر الأكثر خطورة هو أنه في بعض البيئات المسببة للتآكل، يمكن أن يصبح الإجهاد المتبقي محفزًا للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي (SCC)، مما يؤدي إلى كسر هش مفاجئ. لذلك، يعد تقليل الضغط المتبقي أو القضاء عليه بشكل فعال أمرًا بالغ الأهمية لضمان الموثوقية العالية والعمر الطويل لنوابض الفولاذ المقاوم للصدأ.

المعالجة الحرارية: التكنولوجيا الأساسية للقضاء على الإجهاد المتبقي

المعالجة الحرارية هي الطريقة الأكثر شيوعًا وفعالية لتقليل أو القضاء على الإجهاد المتبقي في نوابض الفولاذ المقاوم للصدأ. المبدأ الأساسي هو تسخين الزنبرك إلى درجة حرارة معينة وإبقائه هناك، مما يسمح للذرات الموجودة داخل المادة باكتساب طاقة كافية لإعادة ترتيبها، وبالتالي تحرير وإعادة توزيع الضغط الناتج عن العمل البارد.

1. تخفيف التوتر (التهدئة):

هذه هي طريقة المعالجة الحرارية لتخفيف التوتر الأكثر شيوعًا. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي (مثل 420 و440°C) والفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (مثل 302 و304)، يتم إجراء ذلك عادةً عند درجة حرارة أقل.

الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (302، 304، و316): تتراوح درجة حرارة التقسية المثالية لتخفيف الضغط عادةً بين 340°C و450°C. ضمن نطاق درجة الحرارة هذا، لا تخضع المادة لتحول الطور، لكن الحركة الحرارية للذرات كافية لتحرير معظم الضغوط الداخلية. يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى ترسب الكربيدات عند حدود الحبوب، مما يقلل من مقاومة التآكل، لذا فإن التحكم الصارم في درجة الحرارة أمر ضروري.

الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي (410، 420، و431): يتم عادةً تقسية هذه النوابض بعد التبريد، ويعد التحكم في درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية. تتراوح درجات حرارة تخفيف الإجهاد عادةً بين 250-400°C، مما يقلل بشكل فعال من الإجهاد المتبقي مع الحفاظ على الصلابة والقوة المطلوبة.

2. العلاج الحل والشيخوخة:

بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ المتصلب بالترسيب (مثل 17-7PH و15-5PH)، تعتمد قوته النهائية على معالجة الشيخوخة. قبل التشكيل، يكون السلك عادةً في محلول، مما يؤدي إلى ليونة جيدة. بعد التشكيل، لا يسمح الشيخوخة لمرحلة الترسيب بتعزيز القوة فحسب، بل يزيل أيضًا الضغط المتبقي بشكل فعال. تحدث هذه العملية في وقت واحد.

المعالجة الميكانيكية: تحسين خصائص السطح وتوزيع الإجهاد

بالإضافة إلى المعالجة الحرارية، يمكن لبعض الطرق الميكانيكية أيضًا تحسين حالة إجهاد النوابض بشكل فعال، وخاصة الإجهاد المتبقي على السطح.

1. طلقة التقشير:

يتضمن التقطيع بالخردق استخدام نفاثات عالية السرعة من الخرز الفولاذي أو الخزفي الصغير للتأثير على سطح الزنبرك، مما يؤدي إلى إنشاء طبقة ضغط ضاغطة.

المبدأ: يمكن لإجهاد الضغط الناتج عن التقطيع بالخردق أن يعوض إجهاد الشد المتبقي على السطح. نظرًا لأن شقوق التعب تبدأ عادةً من السطح، فإن طبقة الضغط هذه يمكن أن تعيق انتشار الشقوق بشكل فعال، مما يحسن بشكل كبير من عمر تعب الزنبرك.

التطبيق: التفجير بالخردق مناسب بشكل خاص للينابيع المعرضة لأحمال دورية عالية أو ظروف تشغيل قاسية، مثل نوابض صمامات محركات السيارات والينابيع الحرجة في صناعة الطيران.

2. الإجهاد المسبق:

الإجهاد المسبق، المعروف أيضًا باسم "الضغط" أو "الإعداد"، هو طريقة للتخلص بشكل فعال من الإجهاد المتبقي.

المبدأ: بعد تصنيع الزنبرك، يتم تطبيق قوة ضغط أو التوائية عليه تتجاوز حمله التصميمي، مما يسبب تشوهًا بلاستيكيًا دائمًا طفيفًا. تعمل هذه العملية على إعادة توزيع الضغط داخل الزنبرك، مما يؤدي إلى توليد ضغط متبقي في الاتجاه المعاكس للحمل العامل بعد إزالة الحمل.

التأثير: يمكن لهذا الإجهاد المتبقي المعكوس أن يعوض بعض إجهاد العمل، مما يقلل من مستوى الإجهاد في الاستخدام الفعلي، وبالتالي تحسين قدرة الزنبرك على تحمل الأحمال ومقاومة التعب.

التحكم في العمليات واختيار المواد

يعد التحكم في توليد الإجهاد المتبقي عند المصدر أمرًا بالغ الأهمية أيضًا.

اختيار السلك المناسب: يعد اختيار سلك الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الجودة والموحد أمرًا ضروريًا. يمكن أن تؤدي عمليات السحب البارد أو الدرفلة الباردة غير الصحيحة إلى إحداث ضغط داخلي مفرط.

تحسين عملية التشكيل: يمكن أن يؤدي ضبط معلمات آلة اللف، مثل سرعة اللف ومعدل التغذية، إلى تحقيق تشوه أكثر اتساقًا للمواد. يمكن لمعدات CNC المتقدمة التحكم بشكل أكثر دقة في عملية التشكيل، مما يقلل من التشوه غير المتساوي.

التحكم الدقيق في العملية: بدءًا من دخول الأسلاك إلى المصنع وحتى المعالجة الحرارية النهائية، يلزم التحكم الصارم في معلمات العملية في كل مرحلة. على سبيل المثال، يجب مراقبة اتساق درجة حرارة فرن المعالجة الحرارية، ومعدلات الرفع والخفض، ووقت الانتظار بدقة.