葉 隆，葉超超，余海燕

（1.永嘉縣三和彈簧有限公司，浙江 溫州 325105；2.浙江伯特利科技有限公司，浙江 溫州 325105）

隨著高溫彈簧應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和使用的常規(guī)化，越來(lái)越多的高溫彈簧被應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。高溫下服役的彈簧除會(huì)發(fā)生通常的蠕變和松弛等現(xiàn)象外，還由于分子熱運(yùn)動(dòng)的加劇而導(dǎo)致原子間的結(jié)合力下降。其中，工業(yè)閥門中的彈簧決定著安全閥、止回閥和其它各種閥門的正常運(yùn)行[1]，彈簧的穩(wěn)定性和使用壽命對(duì)閥門質(zhì)量影響非常大。在高溫工況下，很多閥門的工作溫度可達(dá)600℃以上，對(duì)彈簧抗高溫氧化性、抗高溫應(yīng)力松弛及疲勞壽命等性能有非常高的要求，彈簧經(jīng)常出現(xiàn)斷裂、較大的永久變形或損失承載能力而失效[2]。

GH4145是Ni-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金，該合金同時(shí)具備高溫合金的三種強(qiáng)化特征，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。合金能生產(chǎn)具有中等或較低應(yīng)力要求抗松弛的平面波形彈簧、螺旋彈簧、彈簧卡圈和碟形彈簧等產(chǎn)品，在980℃以下具有良好的耐腐蝕和抗氧化性能，800℃以下具有較高的強(qiáng)度，700℃以下具有良好的抗蠕變性能，540℃以下具有較好的抗松弛性能[3]。該合金已在國(guó)內(nèi)外各種關(guān)鍵零部件上得到廣泛應(yīng)用[4-6]。

文章采用熱物理試驗(yàn)研究GH4145合金彈簧的最佳適宜溫度，對(duì)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，為合理應(yīng)用GH4145彈簧提供理論依據(jù)，并為研究GH4145合金熱加工工藝提供參考。

1 材料性能

試驗(yàn)彈簧材料為GH4145合金，所測(cè)彈簧試樣均為從公司合格產(chǎn)品的樣品中隨機(jī)選取，彈簧材料主要的化學(xué)成分如表1所示。

表1 GH4145合金材料主要化學(xué)成分

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在彈簧檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，影響彈簧耐溫性能的因素很多，例如材料的溫度—?jiǎng)偠忍匦?、原材料冶煉和冷加工工藝、材料的抗拉?qiáng)度、熱處理工藝、高溫強(qiáng)壓工藝以及高溫壓縮量和保壓時(shí)間、彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)等對(duì)其都有影響。

2.1 抗拉強(qiáng)度對(duì)彈簧耐溫性能影響

在常溫情況下，為提高彈簧抗疲勞破壞和抗松弛的能力，彈簧材料應(yīng)具有高的屈服強(qiáng)度與彈性極限。由于材料的彈簧極限與屈服強(qiáng)度成正比，因此在材料選用時(shí)，優(yōu)先選用高屈服強(qiáng)度材料。高溫強(qiáng)壓工藝[7]除了可以顯著提高抗永久變形外，還可以提高疲勞壽命，主要應(yīng)用在抗永久變形量要求高的螺旋彈簧上，是作為防永久變形的穩(wěn)定化處理工藝之一。

為測(cè)試抗拉強(qiáng)度對(duì)耐溫性能影響，選用3種不同型號(hào)的GH4145彈簧熱處理前后進(jìn)行測(cè)試比較。

測(cè)試對(duì)象尺寸：鋼絲3.2mm，外徑30mm，自由高度60mm，總?cè)?shù)9。

熱處理工藝：溫度730℃，保溫8小時(shí)，以爐冷55℃/h冷卻至615℃，保溫18小時(shí)后空冷，3種彈簧在熱處理前后的抗拉強(qiáng)度對(duì)照如表2所示。

表2熱處理前后抗拉強(qiáng)度對(duì)照表

分別在500℃、600℃、700℃高溫時(shí)，采用微機(jī)控制高溫壓力試驗(yàn)機(jī)（圖1）對(duì)彈簧①②③進(jìn)行三次21mm下壓，測(cè)量第三次強(qiáng)壓后的自由高度，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

圖1微機(jī)控制高溫壓力試驗(yàn)機(jī)

表3不同抗拉強(qiáng)度彈簧的自由高度

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在高溫強(qiáng)壓處理后，抗拉強(qiáng)度越高，彈簧的耐溫性更好，在700℃時(shí)所有彈簧失效。

2.2 壓縮量和保壓時(shí)間對(duì)耐溫性能影響

壓縮量的大小一般直接影響到彈簧的疲勞壽命，壓縮量越大，材料所受的應(yīng)力就大，彈簧容易變形。壓縮保壓時(shí)間長(zhǎng)，所受的應(yīng)力持久性就長(zhǎng)，彈簧就容易變形失效。在不同溫度下采用微機(jī)控制高溫壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)某一GH4145彈簧進(jìn)行不同壓縮量和保壓時(shí)間下的自由高度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試其彈性性能。

彈簧尺寸:鋼絲3.0mm，外徑29mm，自由高度45mm，總?cè)?shù) 8。

測(cè)試方法：

彈簧①：彈簧壓縮6mm，壓到指定高度不保持時(shí)間，連續(xù)壓3次，測(cè)量第三次高度；

彈簧②：彈簧壓縮14mm，壓到指定高度不保持時(shí)間，連續(xù)壓3次，測(cè)量第三次高度；

彈簧③：彈簧壓縮6mm，壓到指定高度保持時(shí)間為30分鐘，測(cè)量30分鐘后的高度；

彈簧④：彈簧壓縮14mm，壓到指定高度保持時(shí)間為30分，測(cè)量30分鐘后的高度。

不同壓縮量和不同保壓時(shí)間后的彈簧自由高度數(shù)據(jù)如表4所示，檢測(cè)結(jié)果表明，不同壓縮量和不同保壓時(shí)間能獲得不同的彈簧高度，隨著溫度的升高、壓縮量加大及保壓時(shí)間加長(zhǎng)，彈簧壓縮后的自由高度逐漸降低。溫度在500℃左右時(shí)彈簧性能相對(duì)穩(wěn)定，升高至600℃彈簧產(chǎn)生微量變形但對(duì)使用無(wú)影響，當(dāng)升溫至700℃時(shí)，彈簧的變形量超過10%，造成彈簧失效。

表4不同壓縮量和保壓時(shí)間后的自由高度

2.3 有效圈數(shù)對(duì)耐溫性能影響

很多彈簧在常溫下做立定強(qiáng)壓不會(huì)變形，但隨著使用溫度的升高，切變模量和抗拉強(qiáng)度的降低，彈簧就會(huì)產(chǎn)生變形，嚴(yán)重變形時(shí)可能直接報(bào)廢。通過前期試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)增加彈簧有效圈數(shù)，調(diào)小螺旋角能使彈簧在其材料可耐溫范圍內(nèi)不容易出現(xiàn)變形，具體實(shí)驗(yàn)過程如下。

測(cè)試對(duì)象：鋼絲4mm，外徑44mm，自由高度70mm，總?cè)?shù)8。

檢測(cè)方法：采用微機(jī)控制高溫壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)彈簧①②進(jìn)行立定強(qiáng)壓測(cè)試和疲勞測(cè)試。

彈簧①：常規(guī)設(shè)計(jì)下的尺寸。

彈簧②：其它參數(shù)不變，有效圈數(shù)增加2圈。

（1）立定強(qiáng)壓

檢測(cè)溫度：500～700℃。

檢測(cè)方式：在相應(yīng)的溫度下將彈簧壓縮至50mm，保持10分鐘，重復(fù)3次，壓縮第四次后，測(cè)量彈簧的剩余高度，如表5所示。

表5不同有效圈數(shù)的彈簧高溫立定強(qiáng)壓處理后的自由高度

（2）疲勞壽命

檢測(cè)溫度：500～700℃。

檢測(cè)方式：將彈簧最低點(diǎn)壓縮至50mm，用高溫疲勞測(cè)試機(jī)（圖2）壓縮5萬(wàn)次，測(cè)量彈簧的剩余高度，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

圖2彈簧高溫疲勞試驗(yàn)機(jī)

表6不同已行權(quán)時(shí)的彈簧高溫疲勞試驗(yàn)后的自由高度

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，隨著溫度的升高，彈簧的切變模量和抗拉強(qiáng)度降低，無(wú)論是常規(guī)設(shè)計(jì)下的彈簧還是增加有效圈數(shù)的彈簧，剩余高度（即自由高度）都會(huì)變短，但由于彈簧②通過增加有效圈數(shù)，降低彈簧螺距，使彈簧耐溫增強(qiáng)，變形程度減小，從而增加了彈簧的使用壽命。另外，GH4145材料彈簧在600℃以下時(shí)性能相對(duì)穩(wěn)定，700℃時(shí)彈簧基本都會(huì)失效。

3 結(jié) 論

研究了高溫強(qiáng)壓處理工藝、壓縮量、保壓時(shí)間和有效圈數(shù)對(duì)GH4145合金彈簧的耐溫特性影響，GH4145合金生產(chǎn)的彈簧最高穩(wěn)定使用溫度在600℃左右，在升至700℃時(shí)彈簧基本失效。