Опыт применения титановых пружин при повышенных температурах. Заневоливания.

Статья в журнале “Бизнес-Гид”, №1-2007.

Как известно, титановые сплавы благодаря комплексу высоких физикомеханических свойств являются уникальным пружинным материалом [1] и, обладая достаточно высокой жаропрочностью могут применяться как материал для пружин, работающих при повышенных температурах.

Одним из таких материалов является титановый сплав ВТ16, который имеет высокие прочностные характеристики при температурах до 500°С (sв350°=800 МПа, (sв500°=700 МПа) и рекомендуется для длительной работы при температурах до 350°С, кратковременно до 500°С [2].

В процессе эксплуатации пружина подвержена высокому уровню напряжений, в результате чего она релаксирует. При повышенной температуре явление ползучести и релаксации напряжений выражены в значительно большей степени т.е. пружины оказываются склонными более быстро осаживаться с одновременным падением силовых характеристик.

В некоторых случаях для повышения работоспособности, пружины подвергают операции горячего заневоливания, заключающейся в нагружении пружины при несколько большей температуре, чем температура эксплуатации. Посредством операции заневоливания в результате взаимодействия упругой сердцевины и пластически деформируемых наружных слоёв сечения витка пружины возникают отрицательные остаточные напряжения, которые, складываясь с положительными напряжениями от рабочего нагружения, уменьшают последние, что позволяет повысить нагрузочную способность пружин в эксплуатации. (рис.1) [3]

Заневоливание позволяет применять более высокие рабочие напряжения, но одновременно обязывает вводить дополнительную операцию в технологический процесс.

Эти явления были учтены при проектировании и изготовлении пружин из титанового сплава ВТ16 для шиберного затвора плавильной печи (рис.2), температура эксплуатации которого 250-300°С. Пружины из сплава ВТ16 были рекомендованы взамен пружин из стали 51ХФА, которые не обеспечивали заданной стойкости.

Отработку технологического процесса проводили на винтовых пружинах сжатия, изготовленных из прутка 10,0 мм титанового сплава ВТ16. Наружный диаметр пружины D1=45,0 мм, индекс с =3,5, число полных и рабочих витков n1=8, n=6 соответственно. Рабочая нагрузка F1=7630Н. Расчётные максимальные касательные напряжения при первом нагружении составляют 1300-1500 МПа, рабочие – 950 МПа.

Для увеличения несущей способности пружин при повышенной температуре их подвергали операции горячего заневоливания при 320°С.(максимальная температура экс-плуатации 300°С).

Эта операция заключалась в навивке пружины с шагом большим, чем указано в чертеже и в последующем сжатии пружины до положения Н3, что соответствовало напряжениям выше предела упругости.

В результате заневоливания пружины осаживались на 25-30% и соответственно уменьшались максимальные касательные напряжения (рис.3). Наиболее интенсивно релаксация напряжений проходит в первые часы. После трёх часов заневоливания релаксация практически прекращается и потеря силы пружины в дальнейшем составляет 0,2-1%.

Расчёты пружин строились таким образом, чтобы после заневоливания высота пружины в свободном состоянии и силовая характеристика соответствовали номиналу, что подтвердило правильность выбранной методики изготовления титановых пружин для работы при повышенных температурах.

Пружины из титанового сплава ВТ16, установленные на шиберном затворе, отработали 150 плавок, что в 15 раз больше по сравнению с пружинами из стали 51ХФА.

По результатам опытной проверки пружины из титанового сплава ВТ16 были рекомендованы для работы при температурах до 300°С на оборудовании ОАО «Петросталь».

 

ЛИТЕРАТУРА
1. В.П. Белогур, А.Н. Трещевский, С.Ю. Конев «Пружины из титановых сплавов»; Титан №1(14), 2004
2. С.Г. Глазунов, В.Н. Моисеев «Конструкционные тита-новые сплавы» М. «Металлургия», 1974
3. Ю.А. Лавриненко, Е.Г. Белков, В.В. Фадеев «Упрочне-ние пружин», Уфа 2002
Авторы: Белогур В.П., Конев С.Ю., Трещевский А.Н.

 
Учредитель "Ассоциации производителей пружин"
Яндекс.Метрика Google+