Thép lò xo là gì? Lớp, tính chất & rèn thép

Thép lò xo là nhóm hợp kim thép cacbon từ trung bình đến cao được thiết kế đặc biệt để trở lại hình dạng ban đầu sau khi bị lệch, uốn cong hoặc xoắn dưới tải trọng. Đặc điểm xác định là trạng thái đàn hồi - thép lò xo có thể hấp thụ năng lượng cơ học khổng lồ mà không bị biến dạng vĩnh viễn. Đặc tính này đạt được thông qua thành phần hợp kim chính xác và quy trình xử lý nhiệt chuyên dụng, thường liên quan đến rèn thép tiếp theo là làm nguội và ủ có kiểm soát. Các loại phổ biến bao gồm 1074, 1075, 5160 và 9255, mỗi loại được hiệu chỉnh cho các môi trường tải và chu kỳ mỏi khác nhau.

Nói một cách rõ ràng: nếu bạn cần một vật liệu có thể uốn cong và đàn hồi một cách đáng tin cậy - hàng nghìn hoặc thậm chí hàng triệu lần - thép lò xo được thiết kế chính xác cho mục đích đó. Nó không phải là một hợp kim đơn lẻ mà là cả một nhóm thép được thống nhất bởi một nhu cầu cơ học: khả năng phục hồi dưới áp lực chu kỳ .

Hóa học cốt lõi đằng sau thép lò xo

Thép lò xo có được độ bền đàn hồi nhờ thành phần hóa học được cân bằng cẩn thận. Hàm lượng carbon thường rơi vào khoảng 0,60% và 1,00% , giúp thép có đủ độ cứng để chống lại sự đông cứng vĩnh viễn trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai. Ngoài carbon, một số nguyên tố hợp kim xác định đặc tính hiệu suất của từng loại.

Các yếu tố hợp kim chính và vai trò của chúng

Silicon xứng đáng được đề cập đặc biệt. Ở các loại như 9255 (thép Si-Mn), hàm lượng silicon lên tới 2,00% làm tăng đáng kể giới hạn đàn hồi - điểm tại đó ứng suất gây ra biến dạng vĩnh viễn - mà không làm giảm độ dẻo mạnh như chỉ riêng carbon. Đây là lý do tại sao 9255 là lựa chọn ưu tiên trong các ứng dụng lò xo lá chịu tải nặng, nơi đồng thời có cả độ bền dẻo và khả năng hấp thụ sốc.

Các loại crom-vanadi như 6150 thường được xử lý thông qua các hoạt động rèn thép để tạo ra lò xo cuộn có tính toàn vẹn cao cho hệ thống treo ô tô. Sự kết hợp giữa crom để làm cứng và vanadi để sàng lọc hạt làm cho 6150 có khả năng chống nứt do mỏi đặc biệt - một dạng hư hỏng nghiêm trọng trong bất kỳ bộ phận nào chịu tải theo chu kỳ.

Thép lò xo được sản xuất như thế nào - Từ phôi thô đến thành phẩm

Việc sản xuất các bộ phận thép lò xo bao gồm một số bước sản xuất được kiểm soát chặt chẽ. Việc hiểu rõ trình tự sẽ làm rõ lý do tại sao thép lò xo hoạt động theo cách nó hoạt động trong quá trình sử dụng - và tại sao các đường tắt trong bất kỳ giai đoạn nào cũng dẫn đến thất bại.

Rèn thép: Nền tảng của tính toàn vẹn cơ khí

Rèn thép là phương pháp tạo hình chính cho các bộ phận thép lò xo hiệu suất cao. Trong quá trình rèn nóng, phôi được nung nóng đến nhiệt độ giữa 900°C và 1150°C và làm việc dưới lực nén. Hoạt động cơ học này sẽ đóng các khoảng trống bên trong, tinh chỉnh cấu trúc hạt và căn chỉnh các đường dòng tinh thể của kim loại với hình dạng bộ phận - tạo ra một bộ phận có khả năng chống mỏi tốt hơn đáng kể so với bộ phận tương đương được gia công hoặc đúc.

Ví dụ, phôi lò xo lá rèn dành cho xe thương mại hạng nặng sẽ có cấu trúc vi mô hạt mịn, đồng nhất trên toàn bộ mặt cắt ngang của nó. Một vật đúc tương đương có cùng hình dạng sẽ có sự phân chia đuôi gai và độ xốp làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi trong các chu kỳ uốn lặp đi lặp lại. Đây là lý do tại sao hầu như tất cả các bộ phận lò xo quan trọng về mặt an toàn - thanh xoắn ô tô, lò xo bánh đáp máy bay, bộ phận treo của máy móc hạng nặng - đều được sản xuất thông qua rèn thép thay vì đúc hoặc cắt từ tấm.

Trong quá trình rèn khuôn kín bằng thép lò xo, vật liệu được ép giữa các khuôn được gia công chính xác để xác định hình dạng gần như lưới của bộ phận. Cách tiếp cận này giảm thiểu gia công sau rèn, duy trì dòng hạt thuận lợi và đạt được dung sai kích thước chặt chẽ hơn so với phương pháp khuôn mở. Flash - vật liệu dư thừa được vắt ra ở dây chuyền chia khuôn - được cắt bớt sau đó, để lại một khoảng trống sẵn sàng để xử lý nhiệt.

Xử lý nhiệt: Chuyển đổi cấu trúc vi mô

Sau khi rèn thép hoặc tạo hình nguội, xử lý nhiệt sẽ chuyển đổi cấu trúc vi mô của thép thành các pha martensitic hoặc bainitic cần thiết để có hiệu suất đàn hồi cao. Trình tự là:

1. Austenit hóa - đun nóng đến 820–870°C để hòa tan đồng đều cacbon thành austenit
2. Làm nguội - làm nguội nhanh trong dầu hoặc polyme để tạo thành martensite cứng
3. ủ - hâm nóng đến 400–500°C để giảm bớt ứng suất làm nguội và khôi phục độ dẻo dai

Độ cứng cuối cùng sau khi ủ thường nhắm tới 44–52 HRC cho hầu hết các loại thép lò xo, tùy thuộc vào ứng dụng. Độ cứng cao hơn mang lại giới hạn đàn hồi cao hơn nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng chống va đập, do đó nhiệt độ ủ được điều chỉnh chính xác cho mỗi lần sử dụng cuối.

Bắn peening thường được áp dụng sau khi xử lý nhiệt. Việc bắn phá bề mặt bằng viên thép nhỏ sẽ tạo ra lớp ứng suất dư nén - thường sâu 0,1 đến 0,3 mm - giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ mỏi bằng cách chống lại ứng suất kéo gây ra vết nứt bề mặt. Lò xo cuộn được gia công đúng cách có thể cải thiện tuổi thọ mỏi của 50% trở lên so với một sản phẩm tương đương chưa được xử lý trong cùng một chu kỳ tải.

Các loại thép lò xo phổ biến và nơi chúng được sử dụng

Các ứng dụng khác nhau áp đặt các yêu cầu cơ học rất khác nhau. Loại thép lò xo được chọn phải phù hợp với biên độ ứng suất, môi trường, nhiệt độ và tuổi thọ mỏi cần thiết của ứng dụng cụ thể.

1074 và 1075 - Lò xo phẳng có hàm lượng carbon cao

Các loại có hàm lượng carbon cao trơn này được sử dụng rộng rãi cho lò xo phẳng, lò xo đồng hồ, kẹp giữ và lò xo dụng cụ chính xác. Chúng chứa khoảng 0,70–0,80% cacbon và thường được cung cấp ở dạng cán nguội, được làm cứng trước. Điều này có nghĩa là nhà sản xuất nhận được dải hoặc tấm đã có độ cứng mong muốn và có thể được tạo hình trực tiếp mà không cần xử lý nhiệt thêm - một lợi thế xử lý đáng kể đối với các thành phần nhỏ, mỏng mà việc đông cứng sau tạo hình là không thực tế.

Hạn chế chính là khả năng chống ăn mòn thấp. Trong môi trường ẩm ướt hoặc có tác động mạnh về mặt hóa học, việc bảo vệ bề mặt thông qua mạ, phủ hoặc sử dụng các loại không gỉ trở nên cần thiết.

5160 — Tiêu chuẩn lò xo lá ô tô

Lớp 5160 là hợp kim crom-silicon với khoảng 0,56–0,64% carbon và 0,70–0,90% crom . Nó là vật liệu chủ yếu trong hệ thống treo lò xo lá ô tô và xe tải hạng nặng ở Bắc Mỹ, nơi sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền, khả năng chống mỏi và khả năng rèn khiến nó trở nên lý tưởng. Hàm lượng crom cho phép làm cứng sâu hơn ở các phần dày hơn - rất quan trọng khi thép rèn các phôi lò xo lá có thể dày 15–25 mm trên khu vực kẹp giữa.

5160 cũng thể hiện khả năng chống giòn hydro tuyệt vời trong quá trình mạ, điều này có liên quan khi lò xo nhận được lớp phủ chống ăn mòn. Khả năng rèn của nó có nghĩa là các hoạt động rèn thép diễn ra suôn sẻ mà khuôn không bị mài mòn quá mức hoặc có khuyết tật bề mặt, khiến nó trở thành sự lựa chọn tiết kiệm chi phí cho sản xuất ô tô số lượng lớn.

9255 — Hệ thống treo hạng nặng và ứng dụng địa hình

Loại 9255 (Thép Si-Mn có khoảng 0,50–0,60% C, 1,80–2,20% Si, 0,70–1,00% Mn ) được sử dụng cho lò xo lá chịu tải nặng trong xe thương mại, thiết bị địa hình và hệ thống treo ô tô đường sắt. Silicon ở mức gần 2% làm tăng đáng kể giới hạn đàn hồi, cho phép lò xo lưu trữ nhiều năng lượng hơn trên một đơn vị thể tích mà không cần phải cố định. Điều này làm cho 9255 trở nên lý tưởng khi mục tiêu là giảm trọng lượng — lò xo mỏng hơn, nhẹ hơn có thể chịu được cùng tải trọng nếu khả năng đàn hồi của vật liệu cao hơn.

Sự đánh đổi là độ dẻo giảm so với 5160. Việc rèn thép 9255 yêu cầu kiểm soát nhiệt độ cẩn thận; việc rèn dưới phạm vi khuyến nghị có nguy cơ bị nứt và nhiệt độ rèn quá cao gây ra hiện tượng thô hạt làm suy yếu các ưu điểm của hạt mịn mà hợp kim đã được chọn.

Thép lò xo chống ăn mòn 301 và 17-7 PH

Trong trường hợp khả năng chống ăn mòn là không thể thương lượng - thiết bị y tế, thiết bị chế biến thực phẩm, ứng dụng hàng hải - các loại không gỉ austenit như 301 hoặc các loại làm cứng kết tủa như 17-7 PH được chỉ định. Đây không phải là thép lò xo carbon truyền thống; chúng có được đặc tính đàn hồi từ quá trình gia công nguội (301) hoặc làm cứng kết tủa (17-7 PH) thay vì hình thành martensite. Độ bền kéo ở điều kiện 301 cứng hoàn toàn đạt 1275 MPa , đủ cho nhiều ứng dụng mùa xuân. Tuy nhiên, mô đun đàn hồi và cường độ chảy của chúng thường thấp hơn thép lò xo cacbon hợp kim, vì vậy thiết kế phải tính đến điều này.

Tính chất cơ học xác định hiệu suất của thép lò xo

Ba đặc tính cơ học là trọng tâm để đánh giá bất kỳ loại thép lò xo nào cho một nhiệm vụ cụ thể:

Sức mạnh năng suất và giới hạn đàn hồi

Giới hạn đàn hồi là ứng suất lớn nhất mà lò xo có thể chịu được mà vẫn trở về hình dạng ban đầu. Đối với thép lò xo được xử lý nhiệt đúng cách, giới hạn chảy thường dao động từ 1200 đến 1900 MPa tùy thuộc vào lớp và kích thước phần. Tỷ lệ cường độ năng suất và độ bền kéo (tỷ lệ năng suất) là một thông số thiết kế quan trọng - tỷ lệ năng suất cao có nghĩa là khả năng chịu kéo của vật liệu nhiều hơn sẽ chuyển thành khả năng lưu trữ đàn hồi hữu ích.

Sức mạnh mệt mỏi và giới hạn sức bền

Theo định nghĩa, lò xo chịu tải theo chu kỳ. Độ bền mỏi - biên độ ứng suất mà vật liệu có thể duy trì trong một số chu kỳ xác định mà không bị gãy - cũng quan trọng như độ bền tĩnh. Đối với hầu hết các loại thép lò xo, giới hạn độ bền (ứng suất dưới mức đó không xảy ra hiện tượng mỏi ở các chu kỳ vô hạn) là xấp xỉ 40–50% độ bền kéo . Tình trạng bề mặt có ảnh hưởng rất lớn: các vết nứt bề mặt, các vết rỗ, quá trình khử cacbon do xử lý nhiệt không đúng cách hoặc các vòng rèn đều đóng vai trò là bộ tập trung ứng suất gây ra các vết nứt mỏi dưới giới hạn độ bền danh nghĩa.

Đây là lý do tại sao quá trình khử cacbon - sự mất cacbon từ bề mặt thép trong quá trình xử lý nhiệt - được kiểm soát chặt chẽ. Một lớp được khử cacbon mỏng như 0,1mm có thể giảm tuổi thọ mỏi từ 30–50% khi lò xo hoạt động ở biên độ ứng suất cao. Môi trường bảo vệ trong quá trình xử lý nhiệt, kiểm soát thời gian ở nhiệt độ chính xác và kiểm tra sau xử lý là những thông lệ tiêu chuẩn trong sản xuất lò xo chất lượng.

Sức đề kháng thư giãn (Sức đề kháng để thiết lập)

Lò xo mất tải dần dần - được gọi là "bộ" - bị hỏng về mặt chức năng ngay cả khi không xảy ra hiện tượng gãy xương. Sự thư giãn được điều khiển bởi cơ chế leo và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Đối với thép lò xo cacbon và hợp kim tiêu chuẩn, nhiệt độ sử dụng trên 120–150°C tăng tốc độ thư giãn đáng kể. Các loại thép hợp kim silicon vượt trội hơn các loại carbon trơn về khả năng chống giãn, đó là lý do tại sao thép chứa Si được ưa thích trong hệ thống ống xả ô tô, lò xo van động cơ và các ứng dụng lò xo nhiệt độ cao khác.

Thép lò xo so với thép cường độ cao khác - Sự khác biệt chính

Thép lò xo đôi khi bị nhầm lẫn với thép công cụ hoặc thép kết cấu cường độ cao. Mặc dù các dòng vật liệu này có độ bền cao nhưng ưu tiên thiết kế của chúng khác nhau đáng kể.

Thép công cụ được thiết kế để có độ cứng và khả năng chống mài mòn tối đa, đòi hỏi hàm lượng carbon cao đến mức độ dẻo và độ bền giảm mạnh - khiến chúng hoàn toàn không phù hợp cho các ứng dụng uốn hoặc xoắn theo chu kỳ. Thép kết cấu ưu tiên khả năng hàn và độ bền tĩnh hơn hiệu suất đàn hồi. Thép lò xo chiếm vị trí trung gian có chủ ý: đủ cứng để chống biến dạng vĩnh viễn dưới áp lực cao, đủ cứng để hấp thụ tác động mà không bị gãy và đủ đàn hồi để thực hiện hàng triệu chu kỳ tải một cách đáng tin cậy.

Quy trình rèn thép được sử dụng cho các thành phần thép lò xo

Các phương pháp rèn thép áp dụng cho thép lò xo khác nhau tùy theo hình dạng thành phần, tính chất cơ học cần thiết và khối lượng sản xuất. Mỗi quy trình tạo ra sự kết hợp khác nhau giữa độ chính xác về kích thước, chất lượng cấu trúc vi mô và chi phí dụng cụ.

Rèn khuôn mở

Rèn khuôn mở - trong đó phôi bị biến dạng giữa các khuôn phẳng hoặc có đường viền đơn giản không có khoang kín - được sử dụng cho các phôi lò xo lá lớn, phôi thanh xoắn và các bộ phận lò xo cồng kềnh khác. Quá trình này cho phép giảm đáng kể mặt cắt ngang, giúp tối đa hóa quá trình sàng lọc hạt và đồng nhất hóa hợp kim. Đối với thanh xoắn xe hạng nặng dài tới 1,5 mét, việc rèn khuôn hở từ thanh tròn thường là lựa chọn tạo hình thực tế duy nhất trước khi gia công lần cuối. Giảm công việc từ 4:1 đến 6:1 là phổ biến và cải thiện đáng kể hiệu suất mỏi của chi tiết hoàn thiện so với thanh nguyên liệu được kéo hoặc cán.

Rèn khuôn kín

Rèn thép khuôn kín (khuôn dập) là quy trình chủ yếu để sản xuất khối lượng lớn phôi lò xo cuộn ô tô, phôi lò xo van và các bộ phận lò xo phẳng được định hình chính xác. Phôi thép được đặt trong khoang khuôn xác định hình dạng ba chiều của bộ phận và lực rèn làm cho vật liệu lấp đầy khoang. Quá trình này đạt được dung sai kích thước từ ± 0,5 đến ± 1,5 mm ở các kích thước quan trọng, giảm thiểu quá trình gia công sau này.

Đối với thép lò xo có hàm lượng silicon hoặc crom cao, việc quản lý nhiệt độ khuôn là đặc biệt quan trọng. Thời gian tiếp xúc giữa thép nóng và khuôn làm mát phải được giảm thiểu để tránh làm mát bề mặt sớm có thể làm giảm dòng chảy kim loại, gây ra các phần không được hàn hoặc yêu cầu lực rèn quá mức. Máy ép rèn khuôn kín hiện đại cho thép lò xo hoạt động với trọng tải ép từ 2.500 đến 16.000 tấn tùy theo kích cỡ bộ phận.

rèn cuộn

Rèn cuộn sử dụng các cuộn có đường viền để kéo dài và định hình thanh hoặc phôi được gia nhiệt, giảm tiết diện dần dần dọc theo chiều dài của nó. Quá trình này đặc biệt phù hợp với các phôi lò xo lá có độ dày giảm dần - dày hơn ở kẹp giữa và mỏng dần về phía mắt. Các lá thon phân bổ ứng suất đồng đều hơn dọc theo chiều dài lò xo, cải thiện tuổi thọ mỏi so với các lá có độ dày không đổi. Việc rèn cuộn đạt được độ côn này một cách hiệu quả trong một hoặc hai lần đi qua các cuộn, với chi phí dụng cụ thấp hơn nhiều so với các hoạt động khuôn đóng tương đương.

Rèn ấm thép lò xo

Rèn ấm - được thực hiện ở nhiệt độ giữa rèn nguội và rèn nóng hoàn toàn, thường 650–900°C đối với thép lò xo - đưa ra một sự thỏa hiệp hữu ích. Sự hình thành cặn giảm so với rèn nóng, độ chính xác về kích thước được cải thiện và các tính chất cơ học thường vượt trội so với tạo hình nguội do phục hồi một phần quá trình đông cứng của sản phẩm. Đối với dây lò xo cuộn cỡ trung bình sẽ được cuộn trong điều kiện ấm và sau đó được làm nguội trực tiếp từ nhiệt tạo hình, việc rèn ấm hoặc cuộn ấm sẽ rút ngắn chu trình quy trình tổng thể và giảm mức tiêu thụ năng lượng so với các bước tạo hình và hâm nóng riêng biệt.

Các ứng dụng chính của thép lò xo trong các ngành công nghiệp

Cấu hình cơ học độc đáo của thép lò xo khiến nó không thể thiếu trong hàng chục ngành công nghiệp. Các lĩnh vực sau đây dựa vào nó cho các ứng dụng cụ thể, quan trọng về hiệu suất.

Hệ thống treo ô tô và xe thương mại

Ngành công nghiệp ô tô là ngành tiêu thụ thép lò xo lớn nhất trên toàn cầu. Một ô tô chở khách điển hình có chứa 4 lò xo cuộn và 2 thanh ổn định , tất cả đều được sản xuất từ thép lò xo - thường là 5160 hoặc 54SiCr6. Xe tải thương mại hạng nặng sử dụng gói lò xo nhiều lá được làm từ 9255 hoặc loại Si-Mn tương tự, có thể chịu tải trọng trục lên tới 13 tấn mỗi trục trong khi chịu đựng hàng triệu chu kỳ tải trọng do đường gây ra trong vòng đời sử dụng dự kiến ​​là 1 triệu km của xe.

Lò xo lá hình parabol - trong đó mỗi lá là một phần tử côn đơn chứ không phải là một dải có độ dày đồng đều - là một cải tiến kỹ thuật được thực hiện bằng cách rèn cuộn chính xác và chất lượng thép lò xo hiện đại. Bằng cách thuôn nhọn lá để tuân theo đặc điểm phân bố ứng suất, vật liệu được tập trung ở những nơi cần thiết và loại bỏ ở những nơi không cần thiết, giảm trọng lượng lò xo xuống một lượng nhỏ. 30–50% so với các gói nhiều lá thông thường mang cùng tải trọng.

Hàng không vũ trụ và quốc phòng

Lò xo bánh đáp máy bay, lò xo hồi vị bề mặt điều khiển và cơ cấu ghế phóng sử dụng thép lò xo hợp kim cao được xử lý thông qua trình tự rèn thép và xử lý nhiệt nghiêm ngặt. Thông số kỹ thuật quân sự cho các bộ phận này áp đặt các quy trình kiểm tra 100% bao gồm kiểm tra siêu âm, kiểm tra hạt từ tính và xác minh kích thước nghiêm ngặt hơn nhiều so với các tiêu chuẩn ô tô thương mại. Lớp 300M (4340 đã được sửa đổi có bổ sung silicon) được sử dụng trong một số ứng dụng lò xo của thiết bị hạ cánh hiệu suất cực cao, mang lại độ bền kéo trên 1900 MPa có đủ độ dẻo dai để chịu tải va đập.

Máy móc và dụng cụ công nghiệp

Lò xo khuôn, vòng đệm Belleville, lò xo kẹp trong máy công cụ và lò xo khớp nối truyền động đều sử dụng thép lò xo. Trong khuôn dập, cụm lò xo khí nitơ đã thay thế phần lớn lò xo cuộn cơ học trong các ứng dụng tốc độ cao, nhưng lò xo hồi vị và lò xo đẩy trong các dụng cụ nhỏ hơn vẫn chủ yếu là thép lò xo. Khả năng cung cấp các lò xo này ở dạng thanh và dải được làm cứng trước — sẵn sàng để gia công hoặc tạo hình mà không cần xử lý nhiệt thêm — là một lợi thế sản xuất quan trọng đối với các nhà chế tạo công cụ.

Đường sắt và vận tải công cộng

Giá chuyển hướng đường sắt (cụm xe tải bánh lốp) sử dụng lò xo cuộn xếp chồng lên nhau và lò xo bánh sandwich bằng kim loại cao su để cách ly thân xe khỏi những bất thường trên đường ray. Các lò xo cuộn trong giá chuyển hướng đường ray chở khách thông thường phải chịu tải trọng tĩnh 15–25 kN mỗi mùa xuân đồng thời hấp thụ đầu vào động ở tần số lên tới 50 Hz trong khoảng thời gian bảo dưỡng giữa các lần thay thế từ 2–5 triệu km. Các yêu cầu về độ mỏi cực cao này thúc đẩy đặc điểm kỹ thuật của các loại thép lò xo Si-Cr cao cấp được xử lý thông qua quy trình rèn thép và xử lý nhiệt được chứng nhận với đầy đủ tài liệu truy xuất nguồn gốc.

Các dạng hư hỏng thường gặp ở thép lò xo và cách phòng ngừa chúng

Hiểu được thép lò xo không hoạt động như thế nào trong quá trình sử dụng sẽ trực tiếp đưa ra lựa chọn vật liệu, lựa chọn xử lý và thực hành bảo trì. Hầu hết các thất bại rơi vào một trong năm loại.

• Gãy xương do mỏi - dạng hư hỏng phổ biến nhất, bắt nguồn từ các khuyết tật bề mặt, các vùng được cacbon hóa hoặc các tạp chất dưới bề mặt. Phòng ngừa: kiểm soát chất lượng bề mặt nghiêm ngặt, tạo ra môi trường bảo vệ trong quá trình xử lý nhiệt, mài mòn và vận hành ở biên độ ứng suất thấp hơn nhiều so với giới hạn độ bền.
• Mệt mỏi do ăn mòn - các hố ăn mòn hoạt động như các bộ tập trung ứng suất gây ra các vết nứt do mỏi ở các ứng suất thấp hơn nhiều so với giới hạn độ bền của môi trường không khí. Phòng ngừa: lớp phủ bảo vệ, lớp thép lò xo không gỉ hoặc thiết kế tránh tiếp xúc với độ ẩm.
• Độ giòn hydro - Sự hấp thụ hydro trong quá trình mạ điện hoặc tẩy axit gây ra hiện tượng gãy giòn chậm. Phòng ngừa: nướng ở nhiệt độ 190–220°C trong vòng 4 giờ sau khi mạ để loại bỏ lượng hydro hấp thụ; xác định quá trình mạ hydro thấp.
• Bộ vĩnh viễn (thư giãn leo) - sự mất dần tải trọng lò xo ở nhiệt độ cao hoặc chịu tải trọng tĩnh cao kéo dài. Phòng ngừa: sử dụng các loại hợp kim Si cho các ứng dụng nhiệt độ cao; xác minh ứng suất vận hành nằm dưới giới hạn độ giãn của vật liệu.
• Rèn khiếm khuyết - vòng, đóng nguội hoặc nổ rèn do kiểm soát nhiệt độ rèn thép không đủ sẽ tạo ra các vết nứt tồn tại từ trước làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi. Phòng ngừa: các quy trình gia nhiệt phôi nghiêm ngặt, thiết kế khuôn tránh tập trung ứng suất bán kính sắc nét và kiểm tra siêu âm 100% các vật rèn thành phẩm trong các ứng dụng quan trọng.

Lựa chọn loại thép lò xo phù hợp - Khung quyết định thực tế

Việc lựa chọn lớp không bao giờ là tùy tiện. Việc xem xét những cân nhắc này một cách có hệ thống sẽ tránh được kịch bản tốn kém về một lò xo đúng về mặt hình học nhưng lại sai về mặt luyện kim đối với ứng dụng của nó.

1. Phạm vi nhiệt độ hoạt động là gì? Dưới 120°C, hầu hết các loại thép lò xo cacbon hoặc hợp kim đều hoạt động đáng tin cậy. Trong khoảng từ 120°C đến 250°C, các loại hợp kim silicon (Si-Mn, Si-Cr) được ưu tiên. Trên 250°C, cần có vật liệu lò xo hợp kim cao hoặc siêu hợp kim.
2. Môi trường ăn mòn là gì? Nếu dự kiến ​​sẽ tiếp xúc với độ ẩm, muối hoặc hóa chất, hãy chỉ định thép lò xo không gỉ hoặc lớp bảo vệ bề mặt được thiết kế sẵn cho các loại carbon ngay từ đầu.
3. Các yêu cầu về chu kỳ mệt mỏi là gì? Đối với các ứng dụng yêu cầu nhiều hơn 10⁷ chu kỳ (về cơ bản là tuổi thọ vô hạn trong hầu hết các mã thiết kế), biên độ ứng suất phải được giữ dưới giới hạn độ bền và chất lượng bề mặt phải được kiểm soát chặt chẽ. Lớp và quá trình xử lý phải được chỉ định cùng nhau chứ không phải độc lập.
4. Kích thước phần là gì? Các mặt cắt dày yêu cầu các loại có độ cứng cao (bổ sung Cr hoặc Mn) để đạt được độ cứng đồng đều trên mặt cắt sau khi tôi. Thép cacbon trơn sẽ mềm ở lõi ở các phần có đường kính trên khoảng 15 mm.
5. Việc rèn thép có được sử dụng để tạo hình không? Nếu vậy, khả năng rèn ở nhiệt độ dự định phải được xác nhận. Các loại silicon cao yêu cầu cửa sổ nhiệt độ rèn hẹp hơn và có thể cần trình tự ép được sửa đổi so với các loại carbon thông thường.
6. Những hạn chế về chi phí và tính sẵn có là gì? Các loại tiêu chuẩn như 5160 và 9255 có sẵn từ nhiều nhà cung cấp trên toàn cầu. Các loại hợp kim cao hoặc đặc biệt có thể có thời gian sản xuất dài hơn và chi phí vật liệu cao hơn, ảnh hưởng đến lựa chọn thiết kế cho các ứng dụng nhạy cảm về chi phí.

Quá trình quyết định này, được áp dụng một cách có hệ thống, dẫn đến thông số kỹ thuật về vật liệu và quy trình mang lại tuổi thọ sử dụng đáng tin cậy mà không cần thiết kế quá mức - và không có sai sót tại hiện trường do không chú ý đầy đủ đến sự tương tác giữa cấp thép, xử lý nhiệt, điều kiện bề mặt và môi trường vận hành.