在高温下工作的弹簧材料,要求强度有较好的热稳定性、抗松弛或蠕变能力、抗氧化能力、耐一定介质腐蚀能力。
弹簧的工作温度升高,弹簧材料的弹性模量下降,导致刚度下降,承载能力变小。因此,在高温下工作的弹簧必须了解弹性模量的变化率(值),计算弹簧承载能力下降对使用性能的影响。按照GB1239规定,普通螺旋弹簧工作温度超过60℃时,应对切变模量进行修正,其公式为:Gt=KtG 式中G——常温下的弹性模量;Gt——工作温度t下的切变模量;Kt——温度修正系数按表2—98选取。
在低温下使用的弹簧材料,应具有良好的低温韧性。碳素弹簧钢丝、琴钢丝和1Cr18Ni9等奥氏体不锈钢弹簧钢丝、铜合金、镍合金有较好的低温韧性和强度。
在低温下,材料的脆性对表面缺陷十分敏感,因此,对材料表面质量应严格要求。
在低温下,环境介质对材料腐蚀程度比在温室下小得多,而镀镉和镀锌易引起冷脆。
在低温下,材料的弹性模量和膨胀系数变化不大,在设计中可以不考虑。
金属保护层种类很多,就弹簧而言,一般是用电镀的方法以获得金属保护层。电镀保护层不但可以保护不受腐蚀,同时能改善弹簧的外观。有些电镀金属还能改善弹簧的工作性能,例如提高表面硬度,增加抗磨损能力,提高热稳定性,防止射线腐蚀等。但如果单纯为了弹簧的腐蚀,一般应选用电镀锌层与电镀镉层。
锌在干燥的空气中较安定,几乎不发生变化,不易变色。在潮湿的空气中会生成一层氧化锌或碳式碳酸锌的白色薄膜。这层致密的薄膜可阻止继续遭受腐蚀。因此镀锌层用于弹簧在一般大气条件下防腐蚀保护层。凡与硫酸、盐酸、苛性钠等溶液相接触,以及在三氧化硫等气氛的潮湿空气中工作的弹簧,均不宜用锌镀层。镀锌弹簧
一般镀锌层镀后经钝化处理,钝化可提高镀层的保护性能和增加表面美观。
在海洋性或高温的大气中,以及与海水接触的弹簧,在70℃热水中使用的弹簧,镉比较安定,耐腐蚀性能较强。镉镀层比锌镀层光亮美观、质软、可塑性比锌好,镀层氢脆性小,最适宜于弹簧作保护层。但镉稀少、价昂贵、且镉盐毒性大,对环境污染很厉害。因此,在使用上受到限制。故大多数只在航空、航海及电子工业所用的弹簧才使用镉镀层作保护层。
为了提高镉镀层的防蚀性能,可在镀后进行钝化处理。
锌与镉镀层的厚度决定着保护能力的高低。厚度的大小一般应根据使用时工作环境来选择,镀锌层厚度推荐在6~24/μm范围内选取;镀镉层厚度推荐在6~12μm范围内选取。
弹簧的镀锌和镀镉是在化学反应电解液中进行的。在电镀过程中,除镀上锌或镉外,还有一部分还原的氢渗入到镀层和基体金属的晶格中去.造成内应力,使弹簧上的镀层和弹簧变脆,也叫氢脆。由于弹簧材料的强度很高,再加上弹簧成形时的变形很大,因此,对氢脆特别敏感,如不及时去氢,往往会造成弹簧的断裂,为了消除电镀过程中产生的一些缺陷,改善弹簧的物理化学性能,延长弹簧的使用寿命,提高镀层的抗蚀能力,必须进行镀后处理,即除氢处理。除氢处理是在电镀后.立即或者在几小时之内进行。将电镀后的弹簧在200~215℃的温度中,加热1~2h(或2h以上),即可达到除氢的目的。
除氢一般在烘箱中进行。除氢效果与温度、时间、电镀后的停留时间等有关。一般来说,温度高、加热时间长,镀后停顿时间短,其除氢效果就好。故对弹簧除氢温度选择可高一些。
金属保护层,除上述的镀锌和镀镉外,还有镀铜、镀铬、镀镍、镀锡、镀银、镀锌钛合金等,弹簧设计者可根据弹簧工作的场合选择镀层。
板弹簧(blade spring) :由不少于1片的弹簧钢叠加组合而成的板状弹簧。板弹簧按外形可分为以下几类:
①椭圆形板弹簧
②半椭圆形板弹簧
③四分之一椭圆形板弹簧
④片弹簧。
其中椭圆形板弹簧、半椭圆形板弹簧及四分之一椭圆形板弹簧均为组合型式的板弹簧,依靠板与板之间的摩擦力而具有较高的缓冲和减振性能,广泛应用于汽车、拖拉机和铁道车辆的悬架系统;片弹簧为单片弹簧钢,多用于机械设备和仪器仪表中压紧工作部件。