Hva er fjærstål? - En veiledning for kvaliteter, maskinering og design

Mange mekaniske systemer rundt oss er tvunget til å absorbere støt og utilsiktet energi. For eksempel må fjæringssystemet i en bil absorbere støt fra et hull i veien under kjøring. Ellers vil passasjerene oppleve en uønsket kjøreopplevelse. Fjærstål gir nettopp det! Det har evnen til å absorbere en høy mengde energi uten permanent deformasjon. Det er bare et lite eksempel. Det finnes en rekke bruksområder for dette utrolige materialet.

Hva er fjærstål?

Fjærstål er en spesiell type stål som har evnen til å beholde formen uten permanent deformasjon selv under høy belastning. Fjærstål har høy flytegrense og høy elastisitet. Disse egenskapene gjør fjærstål spesielt egnet for bruksområder som krever støtdemping.

Definisjon av fjærstål

• Hvordan lagde smeder fjærstål?

Tradisjonelt utviklet smeder teknikker gjennom prøvelser for å produsere fjærstål. De laget høykarbonstål som skulle gjennomgå en oppvarmings-, bråkjølings- og anløpingssekvens. På den måten ble det produsert et slitesterkt og tøft stål for avansert bruk på den tiden.

Hvordan fjærstål skiller seg fra vanlig karbonstål

La oss sjekke ut: «Hva er forskjellen mellom fjærstål og vanlig stål?». Sammenlignet med karbonstål har fjærstål høy flytegrense, høy elastisitet, god seighet og utmattingsmotstand. Den kjemiske sammensetningen og varmebehandlingen er litt annerledes. Som et resultat utvikler fjærstål en evne til å bøye seg dypt og gå tilbake til formen sin.

Er fjærstål hardt eller mykt?

Fjærstål er hardere enn vanlig karbonstål. Det høye karboninnholdet sammen med legeringstilsetninger som Si, Mn, V, Cr osv. gjør det hardere. Varmebehandlingen øker hardheten ytterligere.

Fjærstål vs. rustfritt stål

Mens fjærstål hovedsakelig brukes på grunn av sin høye elastisitet, brukes rustfritt stål først og fremst på grunn av sin korrosjonsbestandighet. For applikasjoner som krever høy styrke, er fjærstål alltid det ideelle valget for maskinering av materiale.

Viktige kvaliteter av fjærstål

Fjærstål kalles ofte det fordi det ofte brukes til å lage fjærer; funksjonelt sett klassifiseres følgende metaller som sådan på grunn av deres overlegne fjæregenskaper. For eksempel blir 17-7PH rustfritt stål, som klassifiseres som et semi-austenittisk utfellingsherdende rustfritt stål fra et materialvitenskapelig perspektiv, også ofte referert til som "fjærstål" etter varmebehandling. Så grovt sett kan fjærstål klassifiseres i fire kategorier:

1. Karbonfjærstål: 1075, 1095, 5160

Kulfjærstål av vanlig karbon er de billigste. Karbonstål gir høy flytegrense og høy elastisitet på grunn av et høyt karboninnhold. Normalt varierer karboninnholdet fra 0.6–1.0 %.

Hvilket er bedre, 5160 eller 1095 stål?

Fjærstål i klasse 5160 har en høyere seighet enn fjærstål i klasse 1095. Dette er fordi styrken til fjærstål i klasse 5160 er avhengig av karbon og en liten tilsetning av Cr. På den annen side er styrken i fjærstål i klasse 1095 utelukkende avhengig av det høye karboninnholdet, noe som gjør fasene svært harde og sprø.

• 5160 og 50CrV4

Fjærstål av klasse 5160 og fjærstål av klasse 50CrV4 har svært like sammensetning og mekaniske egenskaper. Den eneste forskjellen er mikrolegeringen med vanadium i fjærstål av klasse 50CrV4. Tilsetningen av V forfiner kornstrukturen, noe som resulterer i økt styrke og seighet.

2. Fjærstål av legering: 60Si2Mn, 55CrSi

Legeringstilsetninger som Si, Cr og Mn øker styrken og seigheten enormt. Silisium er et av de viktigste legeringselementene i fjærstål. Det modifiserer mikrostrukturen på en måte som øker flytegrensen, noe som forbedrer flytegrensen og elastisiteten betraktelig. Mn og Cr forbedrer herdbarhet og styrke. 60Si2Mn og 55CrSi er vanlige legerte fjærstålkvaliteter.

3. Rustfritt fjærstål: 301, 302, 17-7PH

Rustfritt fjærstål er dyrere enn andre fjærstålkvaliteter. Alt rustfritt fjærstål har et høyt krominnhold som skaper et korrosjonsbeskyttende lag over overflaten. 301-kvalitet har et litt høyere karboninnhold og et lavere nikkelinnhold enn 302-kvalitet. Til sammenligning er 301-kvalitet litt sterkere enn 302-kvalitet. På den annen side er 302-kvalitet mer korrosjonsbestandig.

17-7 PH rustfritt stål er et annet materiale som brukes i fjærer. 17 og 7 angir prosentandelen av Cr og Ni. «PH» indikerer at det er en utskillingsherdende legering. Det betyr at den dannes i en mykere tilstand, mens styrken øker under aldring.

4. Musikktråd (ASTM A228)

Musikktråd er laget av et materiale av svært god kvalitet. Siden disse trådene er kaldtrukket, forbedres elastisiteten deres under kaldbearbeiding. Normalt kan de lages av høykarbonstål. Legeringstilsetninger forbedrer fjærens egenskaper.

Sammensetning og mekaniske egenskaper

Den kjemiske sammensetningen av fjærstål spiller en viktig rolle i modifiseringen av mikrostrukturen. Denne modifiseringen fører til endringer i mekaniske egenskaper. Hvert legeringselement har sin egen spesifikke funksjon i forbedringen av responser på syklisk belastning, bøying, torsjon og støt.

Rollene til C, Si, Cr og V

Karbon og silisium er de viktigste legeringselementene i fjærstål. Karbon styrker stål gjennom interstitiell herding og karbiddannelse. Silisium bidrar til mikrostrukturell raffinering. Det undertrykker sementittdannelse og favoriserer dannelsen av martensitt. Krom danner harde karbider. Vanadium er et mikrolegeringselement. Selv en liten prosentandel av V forfiner mikrostrukturen betraktelig.

Mekaniske egenskaper til fjærstål

1075 Mekaniske egenskaper

1095 Mekaniske egenskaper

5160 Mekaniske egenskaper

60Si2Mn mekaniske egenskaper

17-7PH Mekaniske egenskaper

Varmebehandling før maskinering

Varmebehandling er et nødvendig trinn for justering av hardhet, maskinbarhet og elastisitet i fjærstål. En lavere hardhet er ønskelig for maskinering, og en høy elastisitet er nødvendig etterpå. Normalt glødes fjærstål før maskinering og bråkjøles og anløpes etterpå.

Hvordan varmebehandle fjærstål?

• Gløding: Austenittisering ved 760^OC og deretter avkjøl i ovnen til 550–600^O Deretter luftkjøles.
• Herding: Austenitt over 800^OC og hold deretter en stund i henhold til snitttykkelsen. Deretter bråkjøles i olje.
• Herding: Varm opp til 300-500^OC og hold den en stund. Avkjøl deretter sakte.

Hvorfor varmebehandling er nødvendig for fjærstål

Ettersom valset eller glødet fjærstål ikke har høy elastisitet, gjennomgår de en bråkjølings- og anløpingssekvens for å gi de ønskede egenskapene.

CNC-maskinering av fjærstål og maskinbarhet

CNC-maskinering av fjærstål gjør det mulig å lage komplekse deler med høy presisjon. Men det kreves et erfarent maskineringsoppsett og riktige innstillinger for å oppnå gode resultater.

• Er fjærstål maskinbearbeidbart?

Fjærstål er et vanskelig materiale å bearbeide. Det har høy hardhet som gir problemer ved skjæring. Ved bruk av riktige innstillinger og varmebehandling kan deler av høy kvalitet lages av fjærstål.

Maskin i glødet tilstand vs. etter varmebehandling

Maskinering i glødet tilstand er alltid enkelt. Hardhetsverdien er lavere, noe som gjør skjæring enkel. På den annen side blir overflaten på fjærstålet svært hard for maskinering etter varmekjøling og/eller herding.

CNC-maskinering av fjærstålprosess

CNC-dreiing av fjærstål

Ved CNC-dreiing roterer arbeidsstykket mens verktøyet står stille. Dette brukes ofte til aksesymmetriske former.

CNC-fresing av fjærstål

Ved CNC-fresing beveger verktøyet seg, men arbeidsstykket forblir stasjonært. Det brukes til store objekter med mange funksjoner. Som et tips fungerer klatrefresestrategien best for fjærstål.

5-akset maskinering av fjærstål

5-akset maskinering gjør det mulig å skjære ut svært komplekse elementer fra emner. Verktøyet har fleksibiliteten til å bevege seg i ulike retninger. Arbeidsstykket må fikseres én gang. CNC-maskinen tar seg av alle rotasjoner.

Sliping av fjærstål

Slipeoperasjonen utføres for å finjustere fjærståldeler. Slipingen reduserer overflateruheten og finjusterer dimensjonene.

Tilpasset maskinering av fjærståldeler

Selv om alle deler kan lages av fjærstål, er noen vanlige deler listet opp nedenfor:

• Bladfjærer
• Spiralfjærseter
• Klemmer og klips
• Høyfaste aksler
• Slitasjebestandige pinner
• Knivemner og verktøy
• Opphengsdeler
• Tilpassede fjærmekanismer

Fordeler med å velge CNC-maskinering av fjærstål

CNC-maskinering veier mer enn andre maskineringsprosesser. Selv med tøffe kvaliteter som SAE 1095, 17-7 PH, 5160 osv., gir CNC-maskinering lovende resultater. Deler som klips, verktøy, spesialfjærer, flate deler eller mekaniske elementer med høy styrke kan lages med letthet.

Tette toleranser og repeterbarhet

Siden CNC ikke er veldig avhengig av manuelle innstillinger, elimineres menneskelige feil. CNC følger CAD og CAM, og lager dermed de samme dimensjonene hver gang. CNC-maskinering er ideell for fjærståldeler som krever nøyaktig nedbøyning eller tilpasning. Eksempler inkluderer fjærholdere, shims, flate fjærer, låsemekanismer og slitesterke blader.

Høy kvalitet på finishen

Siden innstillingene i CNC er faste for hver duplikatdel, viser den svært sjelden maskineringsfeil. Toleransene for etterbehandlingsoperasjoner som sliping og polering er faste hver gang. Dermed produserer den en konsekvent utmerket overflatefinish.

Designfrihet

CNC-maskinering gir bred fleksibilitet i forming. Det utfyller plassbegrensninger for fjærdeler. Funksjoner som lommer, spor, koner og tynne seksjoner kan gjøres enkelt. Eventuelle revisjoner i design kan enkelt innlemmes i CAD- og CAM-filer. Så det er ikke behov for manuelle justeringer hver gang.

Tips for å designe delene dine

God design er grunnsteinen i produksjon av høy kvalitet. Ekspertdesignere vurderer alle aspekter ved designen. Riktig materialvalg, definering av toleranser og inkludering av nødvendige funksjoner er viktig i en robust design.

Velg riktig stålkvalitet

Fjærstål finnes i forskjellige kvaliteter og klasser. Hver fjærstålkvalitet har sin egen anvendelighet. For eksempel passer høykarbonkvaliteter som 1095 best for bruksområder som krever høy hardhet og lav kostnad. Legeringskvaliteter som 5160 prioriterer seighet, og rustfrie stålkvaliteter tilbyr korrosjonsbestandighet. Det er alltid best å konsultere ekspertprodusenter som TUOFA for råd.

Tillegg for springback

Fjærstål viser tilbakefjæringseffekt i bøyeoperasjoner. Så bøyevinkler bør inkludere toleranser for tilbakefjæring.

Funksjoner og funksjoner

Fjærstålkomponenter bør ha egenskaper som minimerer spenningskonsentrasjon. I den forstand er egenskaper som radiusavrundinger, unngåelse av skarpe hjørner og spenningsavlastningsspor avgjørende.

Anvendelser av fjærstål

Fjærstål er mye brukt i applikasjoner som fjæringssystemer, clutcher, ventilfjærer, festeklips og diverse dempingskomponenter. Disse applikasjonene utnytter fjærstålets høye elastisitet og høye flytegrense.

Bildeler

• Suspensjonssystemer
• Clutcher
• Ventilfjærer
• Holde klipp

Industrimaskiner og robotikk

• Spiralfjærer
• Flat Springs
• Lås skiver
• Styrestriper
• Robotiske mekanismer

Medisinsk utstyr og instrumenter

• Kirurgiske verktøy
• Ortodontiske enheter
• Presisjonsklemmer
• Mekaniske sammenstillinger

tilpassede løsninger

Fjærstål brukes i applikasjoner som krever høy elastisitet og styrke. Mange produsenter foretrekker fjærstål til spesiallagde deler på grunn av høy holdbarhet.

Er fjærstål bra for å lage kniver?

Spirstål er svært relevant i knivproduksjon på grunn av sin utmerkede seighet, eggbestandighet og høye hardhet. Høyt karbon- og silisiuminnhold muliggjør hardhetsforbedring under varmebehandling. Korrosjonsbeskyttelse er imidlertid fortsatt et problem for ikke-rustfrie stålklasser.

Hva er det aller beste stålet for kniver?

Det finnes ingen enkeltkvalitet som kan regnes som den beste. CPM S90V/S110V er imidlertid en av de beste når det gjelder hardhet og eggfasthet.

Konklusjon

Fjærstål er et svært allsidig materiale som brukes i mange bruksområder. Fjærstål beholder formen selv etter for mye bøying. De har høy elastisitet, høy styrke, høy seighet og høy utmattingsmotstand. Normalt brukes fjærstål mye i fjæringssystemer og mekaniske sammenstillinger på grunn av støtdempende evne.

Spørsmål og svar

Er D2 eller 1095 bedre?

D2 gir bedre slitestyrke for maskindeler, mens 1095 er bedre for hardhet og seighet.

Ruster fjærstål?

Generelt sett kan mange typer fjærstål ruste. Men rustfritt stål som 301 eller 302 gir god korrosjonsbeskyttelse.

Er fjærstål bra for verktøy?

Ja. Verktøy laget av fjærstål gir svært god dimensjonsstabilitet og slitestyrke.

Er 5160 fjærstål bra for kniver?

5160 fjærstål er veldig bra for kniver. Korrosjonsbeskyttelse er fortsatt et problem.

Er fjærstål sterkere enn rustfritt stål?

Fjærstål er sterkere enn mange ståltyper. Fjærstål kan være en underklasse av rustfritt stål. Så rustfrie stålkvaliteter som 17-7PH er også veldig sterke.