مشخصات فنی و کاربرد انواع فولاد فنر
دسترسی سریع به محتوای مقاله
شاید اولین برخورد با انواع فنرهای فولادی، در کتاب‌های درسی و خصوصاً فیزیک باشد. همان جایی که این شیء به همراه یک سری وزنه که به آن متصل هستند، با قانون دوم نیوتون دست‌به‌یکی کرده و دمار از روزگار دانش آموزان نگون‌بخت درمی‌آورند. اما آیا فنرها آفریده‌شده‌اند تا تنها مایه رنجش فکر و ذهن دانشجوها باشند؟ در پاسخ باید گفت که فنرها یکی از پرکاربردترین ابزارهای مورداستفاده در انواع وسایل و تجهیزات از اتومبیل گرفته تا انواع ترازوها و ابزارهای اندازه‌گیری دیگر هستند که در ظاهر مشاهده نمی‌شوند. بنابراین، فولاد فنر که در ساخت این وسیله به کار برده میشود باید از قابلیت‌های منحصربه‌فردی برخوردار باشد تا چنین دامنه گسترده‌ای از کاربردها را پوشش دهد.
فولاد فنر به چه نوع فولادی گفته میشود؟
فولاد فنر محبوب‌ترین ماده‌ای است که برای ساخت انواع فنر استفاده میشود. اصطلاح فولاد فنر به گروهی از فولادهای کربن متوسط تا پرکربن و کم آلیاژ اشاره دارد که از استحکام تسلیم بسیار خوبی برخوردار هستند. این استحکام کششی بر قابلیت خم شدن یا کشیدگی فولاد تحت نیروی معین اشاره دارد که در صورت حذف نیرو، امکان بازگشت فولاد به حالت اولیه آن بدون ایجاد تغییر فرم پلاستیک وجود دارد. ازاین‌رو، هر محصولی که از این ماده ساخته شده باشد، می‌تواند فشار، خمش و پیچش مداوم زیادی را بدون از دست دادن شکل اولیه خود تحمل کند. این خواص شگفت‌انگیز فولاد فنر از ترکیب خاص آن و نیز فرآیند سخت شدن فولاد ناشی می‌شوند.
انواع گریدهای فولاد فنر
استاندارد آهن آلات انواع فولادهای فنر را طبقه بندی می کند که برخی از مهم‌ترین گریدهای آن بر اساس میزان کربن و مطابق با استانداردهای AISI و DIN عبارت‌اند از:
- AISI 1050: کمترین میزان کربن را دارد و به‌راحتی شکل می‌گیرد. همچنین می‌توان آن را به‌منظور افزایش سختی عملیات حرارتی کرد.
- AISI 1074 و 1075AISI: دارای محتوای کربن متوسطی هستند که برای افزایش شکل‌پذیری، عملیات کروی کردن است و می‌توان آن را عملیات حرارتی کرد.
- AISI 1095: دارای بالاترین میزان کربن در بین فولادهای فنری است که ما استفاده می‌کنیم. می‌توان آن را عملیات حرارتی کرد و همچنین دارای بالاترین میزان قابلیت ارتجاعی و استحکام خستگی است.
- CK67: فولاد Ck67 به‌عنوان نوار فولادی نورد سرد برای فنرها با دقت ابعادی بالا و شرایط سطحی خوب تا ضخامت 2.5 میلی‌متر استفاده میشود.
- CK75: فولاد Ck75 به‌عنوان نوار فولادی نورد سرد برای فنرها با دقت ابعادی بالا و شرایط سطحی مناسب تا ضخامت 2 میلی‌متر استفاده میشود.
خواص و مشخصات فولاد فنر
فولادهای فنر با محتوای کربن متوسط تا زیاد، معمولاً از 0.5 تا 1.0 درصد کربن تشکیل‌شده‌اند. آلیاژهای دیگر موجود در ترکیب شیمیایی فولاد فنر عبارت‌اند از منیزیم، کروم، وانادیم، مولیبدن، نیکل و سیلیکون که این سیلیسیم نقش بسزایی در ارائه استحکام تسلیم بالا در این نوع فولاد دارد. تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد را در این صفحه مطالعه نمایید.
فولادهای فنر پس از ریخته‌گری برای حفظ و بهبود مقادیر استحکام تسلیم کارسرد می‌شوند، زیرا حرارت دادن آن‌ها پس از تولید ممکن است بر انعطاف‌پذیری آلیاژ تأثیر منفی بگذارد. این بدان معنی است که اجزای فولادی معمولاً نمی‌توانند به‌طور متعارف جوش داده شوند مگر اینکه پس‌ازآن مجدداً حرارت داده شوند. محصولات فولاد فنر عموماً به‌صورت سرد کشیده می‌شوند یا به شکل ورق‌های مسطح یا سیم نورد می‌شوند و تا مقادیر حدود 42 تا 60 راکول سی سخت می‌شوند.
شرایط تولید و عملیات حرارتی فولادهای فنر
اکثر فولادهای فنر با عملیات حرارتی از فولادهای کربن متوسط تا پرکربن و فولادهای کربنی آلیاژی تولید می‌شوند. باوجوداینکه حداقل میزان کربن به‌اندازه 0.25 درصد هم برای تولید فولادهای فنر کفایت می‌کند اما این فولادها معمولاً 0.50 تا 1.25 درصد کربن دارند. عناصر آلیاژی ازجمله سیلیکون، منگنز و کروم نیز در پاسخ فولادهای فنر به عملیات حرارتی تأثیر دارند. درحالی‌که اساساً سخت‌کاری فولادها از طریق حرارت دهی و سپس کوئنچ کردن حاصل میشود، اما این فرآیند باعث میشود که فولاد شکننده شده و نیازمند انجام عملیات تمپر باشد. تمپرینگ فولاد بخش کلیدی فرآیند تولید فولاد فنر است که پس از کوئنچ کردن انجام میشود و برای کاهش تنش‌ها و دستیابی به استحکام کششی کنترل‌شده ضروری است. فولاد فنر در حالت سخت و تمپر شده عمدتاً برای تولید فنرهای مسطح، تیغه‌ها و اره‌ها استفاده میشود و فرم دهی آن بسیار مشکل است.
اگر فولادهای فنر برای کاهش تنش عملیات حرارتی نشوند، بعید است فنر عملکرد مطلوبی داشته باشد و ممکن است فنر در حین استفاده ترک بخورد. برخلاف سایر فرآیندهای تولید، این فرآیند بر ساختار اکثریت قریب به‌اتفاق مواد تأثیر نمی‌گذارد. عملیات حرارتی فلزات را در شرایط مناسبی برای فرآیندهای ساخت بعدی قرار می‌دهد که شامل افزایش استحکام و حد الاستیسیته آن‌ها میشود. این امر سبب شکل‌دهی و سخت شدن بهتر مواد میشود و خطر ترک‌خوردگی یا اعوجاج را کاهش می‌دهد. به‌عنوان‌مثال، اگر فنرهای کروم سیلیکونی پس از سیم‌پیچی تحت عملیات حرارتی قرار نگیرند، بیشتر در معرض ترک خوردن هستند. با عملیات حرارتی فولاد به طور کامل در این صفحه آشنا شوید.
علاوه بر این، این فرآیند ابعاد فنر را تثبیت می‌کند و انحراف از قطر خارجی اصلی را کاهش می‌دهد. این امر می‌تواند از طریق استفاده منظم در یک دوره زمانی قابل‌توجه رخ دهد. بااین‌حال، در طول ساخت فنر، در نظر بگیرید که این میزان حرارت می‌تواند قطر خارجی اصلی، سرعت فنر، کشش اولیه و حد الاستیک را تغییر دهد.
کاربرد فولاد فنر چیست؟
فولاد فنر به دلیل مجموعه‌ای از ویژگی‌های عالی، به‌عنوان فولاد مصرف عمومی نیز شناخته میشود. از این نوع فولاد عمدتاً برای تولید انواع فنرها، کمکفنر اتومبیل، تیغههای اره با کیفیت بالا، قفلها، آنتنها و ابزارهای سایش استفاده میشود. فولاد فنر در شرایط سخت شده و تمپر شده، در تولید فنرهای مسطح که شکل‌دهی آن‌ها بسیار دشوار است، فوق‌العاده خوب عمل می‌کند. برای فنرهای کوچک، فولاد اغلب به شکلی در اختیار سازندگان فنر قرار می‌گیرد که یا به هیچ نوع عملیات حرارتی نیاز ندارد یا فقط به آنیل در دمای پایین نیاز دارد تا فشارهای شکل‌دهی کاهش یابد. حتی برای فنرهای مارپیچ و تخت، فولاد به‌صورت آنیل شده عرضه میشود.
فولاد کربن متوسط گزینه خوبی برای ساخت فنرهای کوچک است، درحالی‌که برای فنرهای بزرگ، استفاده از فولادهای آلیاژی مانند کروم وانادیوم یا فولاد سیلیکون منگنز ضروری است تا ساختاری یکنواخت در سراسر مقطع داشته باشد. اگر سطح فنرها دارای هر نوع کربن‌زدایی یا نامنظمی باشد، استحکام خستگی تحت تأثیر آن‌ها قرار گرفته و افت می‌کند. بنابراین، سازندگان باید اطمینان حاصل کنند که سطح فنرها برای کارایی و عملکرد بهینه کاملاً صاف است.
سؤالات متداول
1- فولاد فنر چیست؟
فولادهایی با استحکام تسلیم و حد الاستیک بالا که قابلیت خم شدن و کشیدگی را دارند و دوباره به فرم اول برمی‌گردند به فولاد فنر معروف هستند.
2- مهم‌ترین گریدهای فولاد فنر کدام اند؟
فولادهای AISI 1050، AISI 1074، AISI 1075، AISI 1095، CK67 و CK75 مهم‌ترین گریدهای این نوع فولاد هستند.
3- کاربردهای فولادهای فنر شامل چه مواردی میشود؟
از این نوع فولاد عمدتاً برای تولید انواع فنرها، کمکفنر اتومبیل، تیغههای اره با کیفیت بالا، قفلها، آنتنها و ابزارهای سایش استفاده میشود.