مواد فنر – Spring materials

مواد فنر – Spring materials

مواد بهینه برای ساخت فنرها، همان گونه که از نام آن پیداست، بایستی دارای خاصیت ارتجاعی بسیار بالایی باشند، بگونه ای که بعد بارگذاری، بدون شکست یا اعوجاج به شکل اولیه خود برگردند. برای مواد فنر ویژگی های و خواص مهمی لازم است که در ادامه بررسی می شوند.

خواص مغناطیسی مواد فنر

در برخی کاربردها، حتی جزئی ترین رفتار مغناطیس می تواند مضر و خسارت آور باشد. نفوذپذیری مغناطیسی(magnetic permeability) با کارسرد (cold work) تغییر می کند، لذا برخی تغییرات مورد انتظار است. برخی مواد مانند برنج ها، برنزها و آلیاژهای تیتانیم غیر مغناطیسی هستند. برخی دیگر مانند آلیاژهای نیکل (گرید اینکونل ها) نفوذپذیری مغناطیسی اندکی دارند. حال آنکه فولادها دارای خواص مغناطیسی قوی بوده و نفوذپذیری مغناطیسی بالایی دارند.

مدول الاستیک

مدول الاستیک در کشش و برش، برای طراحی فنرها بسیار ضروری است. برای بسیاری از فولادها و آلیاژهای پیرسخت شونده، مدول الاستیک تابعی از ترکیب شیمیایی، کارسرد و درجه پیرسختی (aging grade) است. معمولا این تغییرات کوچک است و می تواند، توسط تنظیم پارامترهای اصلی طراحی فنر، جبران شود (مثلا با تنظیم تعداد سیم پیچ های فعال و قطر سیم پیچ).

برای بیشتر مواد، مدول الاستیک به دما وابسته است و تقریبا در ازای هر ۵۵ درجه سانتیگراد افزایش دما، ۲% کاهش می یابد. بهترین معیار طراحی برای دمای اتاق است، بعد از اینکه ضریب مناسبی برای دما لحاظ شد. آلیاژهای نیکل-کروم-آهن، به      گونه ای طراحی شده اند که در بازه دماییC  ° ۵- تا C  ° ۶۵ دارای مدول ثابتی هستند و این البته یک استثنا است. برای مواد کاملا همسانگرد (isotropic) مدول الاستیک در کشش (E) و برش (G) توسط ضریب پواسان (µ) به یکدیگر وابسته بوده و معادله ذیل رابطه بین آنها را ارائه می دهد.

با استفاده از این رابطه، برای بیشتر مواد فنر، هر یک از این پارامترها را می توان توسط دو پارامتر دیگر تقریب زد.

شرایط محیطی

شرایط محیطی که فنرها در آن محیط استفاده می شوند یک پارامتر مهم است. مواد مورد استفاده برای فنرها باید با شرایط محیط موردنظر سازگاری داشته باشند و توانایی مقابله با دما و خوردگی (corrosion) را داشته باشند بدون اینکه در عملکرد آنها خللی ایجاد شود. دماهای بالا و خوردگی می توانند قابلیت اطمینان (reliability) را کاهش دهند. البته همان گونه که در ابتدای مبحث گفته شد، اثرات دما قابل پیش بینی است.

دما: در کاربردهای دما بالا، پدیده آزادسازی تنش (relaxation stress) مورد اهمیت است که سبب می شود، قدرت تحمل بار برای فنر کاهش یابد یا سبب شکست فنر شود، هنگامی که فنر زیر بار است یا در یک چرخه بارگذاری سیکلی قرار دارد. دما همچنین، مدول یانگ، استحکام کششی (tensile strength) و استحکام خستگی (fatigue strength) را نیز تحت تاثیر قرار می دهد. رابطه تنش و دما با نرخ آزادسازی، به صورت نمایی (exponentially) است. شکل ۱ تاثیر دما را بر منحنی های آزادسازی تنش، در آلیاژ اینکونل X750 و فولاد ضد زنگ ۳۰۲ نشان می دهد.

بقیه فاکتورهایی که می توانند نرخ آزادسازی را تحت تاثیر قرار دهند، عبارت هستند از : نوع آلیاژ، تنش باقیمانده، ویزگی های گرمایی و اندازه دانه.

شکل ۱ تاثیر دما را بر منحنی های آزادسازی تنش، در آلیاژ اینکونل X750 و فولاد ضد زنگ ۳۰۲ نشان می دهد.

خوردگی: فنرها در معرض انواع خوردگی عمومی و خاص هستند که چرخه عمر و توانایی حمل بار آنها را تحت تاثیر قرار خواهد داد. دو روش متداول برای مقابله با خوردگی به شرح ذیل هستند.

1. استفاده از یک ماده فنر ویژه که همراه با تجهیز، در محیط مورد استفاده قرار دارد (حفاظت کاتدیک). این روش مطمئن ترین روش حفاظت است، ولو اینکه پر هزینه باشد.
2. استفاده از پوشش های حفاظت کننده (protective) مانند پوشش های فلزی که با روش های آبکاری الکتریکی و مکانیکی اعمال می شوند. مانند روی، کادمیوم و آلومینیم.

پوشش هایی به عنوان مانع (barrier) نیز استفاده می شوند، مانند رنگ ها، روغن ها، موم، گریس ها و فسفاتها.

فولاد فنر – Spring steel

فولاد فنر نامی است که به بازه وسیعی از فولادهایی داده شده است که در ساخت فنرها استفاده می شوند و عمدتا در صنایع خودروسازی و سیتم های تعلیق کاربرد دارند. این فولادها عموما، از دسته های فولاد کم آلیاژ منگنزدار، فولاد کربن متوسط و فولاد پر کربن هستند و استحکام تسلیم (yield strength) بسیار بالایی دارند که به آنها اجازه می دهد دارای خاصیت ارتجاعی باشند و بعد بارگذاری به شکل اولیه خود برگردند، بدون اینک ه دچار شکست یا اعوجاج شوند.

مهم ترین عناصر آلیاژی در فولادهای فنر، سیلسیم، منگنز، کروم، وانادیم و مولیبدن هستند. سیلسیم برای افزایش کشسانی و کروم برای افزایش مقاومت به خوردگی کاربرد دارند. فولادهای پر کربن CK60 و CK75 از فولادهای فنر غیر آلیاژی هستند که کاربرد زیادی در صنعت دارند.

گریدهای زیادی از فولادها، بعد عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر برای ساخت فنر مناسب هستند. هر چند که برخی از فولادها طی عملیات حرارتی، ویژگی های مطلوب تری برای کاربرد به عنوان فنر، نشان می دهند. جدول ۱، برخی از گریدهای مرسوم که در ساخت فنر استفاده می شوند را نشان می دهد.

جدول۱- گریدهای مرسوم فولاد فنر

در جدول ۲ نیز خصوصیات برخی مواد مرسوم در ساخت فنرها، ارائه شده است.

جدول۲-خواص مواد مرسوم در ساخت فنر

همچنین پیشنهاد می شود مطلب “استاندارد ISO برای فنرها ۲۰۱۸” را در این +لینک مشاهده نمایید.

منابع:

1. mrspring.com