Tepelné procesy – pružiny

Při kalení pružin vyrobených ze speciálních jakostí legovaných ocelí, jako je například ocel s vysokým obsahem manganu, které jsou velmi citlivé na náhlé změny teplot, je nutné je před vložením do pece předehřát na 450–500 °C, aby nedocházelo ke vzniku trhlin v důsledku prudkého nárůstu ohřevu na teplotu kalení.

V praxi se pružinové otužování provádí následujícím způsobem. Dávka pružin se vloží do pece vyhřáté na danou teplotu a tam se udržuje po určitou dobu v závislosti na velikosti pružin. Doba, po kterou se prameny udrží v troubě, je obvykle 10–45 minut. Před vložením do pece je nutné vnější nepracovní závity pružiny přivázat drátem k sousedním pracovním závitům, aby nedošlo k narušení kolmosti koncových rovin vnějších závitů k ose pružiny, aby během procesu kalení nevznikaly mezery mezi nimi a sousedními pracovními závity.

Aby se zabránilo ohýbání a deformaci pružin během procesu kalení, používají se různá zařízení. Nejzákladnější a nejjednodušší z nich jsou žlabové nosníky, které jsou rovnoměrně rozmístěny po dně pece, na kterých jsou umístěny pružiny pro ohřev. Na obr. 29 je znázorněno další zařízení, které slouží k zabránění deformace pružin pracujících pod tlakem, ale nevyvolává významný účinek. Skládá se z válcové tyče, jejíž průměr je o něco menší než vnitřní průměr pružin, s hlavicí, na které je před vložením do pece umístěna pružina, na druhé straně přidržovaná ve volném stavu podložkou a čepem zasunutým do otvoru v tyči. Toto zařízení se také používá pro dlouhodobé zatěžování pružin kalených obvyklým způsobem, pracujících v náročných provozních podmínkách, například při vysokých teplotách. V tomto případě jsou pružiny umístěné na tyči stlačeny, dokud se cívky nedotknou, zajištěny kolíkem a poté vloženy do pece k zahřátí. Pramen je ohříván na teplotu přibližně 350 °C.

Rýže. 1. Zařízení používané pro kalení a vyvíjení velkých tlačných pružin

Zařízení používané v tovární praxi pro kalení tlačných pružin je na obr. 2. Jedná se o ocelovou misku, jejíž průměr je o 0,3-0,4 mm větší než vnější průměr pružiny a výška je o 10-12 mm větší než volná výška pružiny. Pružina je umístěna ve volném stavu ve sklenici a jeden konec je přitlačen k jejímu dnu, načež je vložen do trouby k ohřevu. K vytlačení tvrzené pružiny ze sklenice slouží otvor ve dně sklenice, rovný střednímu průměru pružiny.

Po uchování v peci na dané kalicí teplotě se z ní pružiny vyjmou a ve vodorovné poloze se rychle ponoří do kalící nádrže s chladicí kapalinou; Zároveň se pomocí speciálních závěsů pružiny plynule houpou. To je nutné, aby se zabránilo nerovnoměrnému vytvrzení z usazování plynových bublin. Kalicí nádrž musí být dostatečně pevná, s výškou nad podlahou dílny maximálně 600 mm, aby se usnadnila práce pracovníků při spouštění velkých a těžkých pružin do ní.

Mezi chladicí kapaliny používané pro jarní otužování patří rostlinné a minerální oleje, emulze a velmi zřídka voda.

Kalení pramenů ve vodě může být doprovázeno tvorbou trhlin. Toto nebezpečí se zvláště zvyšuje, když kalená ocel obsahuje současně velké množství křemíku a manganu. Aby se na pramenech netvořily praskliny, přidává se do vody vápno, mýdlo, křída, arabská guma atd.

Výhodnější je kalit pružiny v oleji. Při kalení pramenů ve vodě nejsou zapotřebí žádné speciální vodní chladicí jednotky, zatímco při kalení pramenů v oleji má velký význam teplota oleje. Při teplotě oleje asi 60 °C dochází k neúplnému vytvrzení; Dobré výsledky se dosahují při teplotě oleje cca 30°C, proto se při kalení pružin v oleji používají speciální zařízení k jejich chlazení. Pro výrobu pružin v malém měřítku lze olej chladit v nádržích s vnějším vodním pláštěm nebo spouštěním spirály do oleje, kterým voda cirkuluje. Vzhledem ke špatné tepelné vodivosti oleje však tyto metody nejsou použitelné pro intenzivní chlazení v sériové nebo hromadné výrobě, proto se pro rychlé chlazení oleje v těchto odvětvích používají speciální chladiče se sacími a výtlačnými čerpadly a filtračními přijímači. Dobré výsledky se také dosahují smícháním oleje v kalicí nádrži profukováním stlačeného vzduchu pod tlakem 3-4 atm.

Rýže. 2. Zařízení používané pro kalení tlačných pružin

Po kalení jsou pružiny vyrobené z nepatentovaného drátu temperovány, aby se uvolnilo pnutí při kalení a zvýšila se plasticita a houževnatost oceli. K ohřevu pramenů při temperování slouží plamenové, muflové a elektrické pece a také solné lázně. Schéma jedné takové elektrické popouštěcí pece, která má vysokou produktivitu a výborné podmínky ohřevu, je na obr. 3. Obr.

Nahřáté pružiny jsou na otočný stůl trouby nakládány horním otvorem, který je pomocí páky uzavřen víkem. Pec je vytápěna pomocí elektrických ohřívačů instalovaných na válečkových izolátorech. Pískové těsnění slouží k utěsnění při sklopeném víku. Stůl se při ohřevu otáčí elektromotorem přes kuželová kola.

Rýže. 3. Schéma elektrické temperovací pece

Trouba je vybavena ventilátorem, uloženým na ose pomocí kuličkových ložisek a poháněným stejným elektromotorem přes řemenový pohon. Ventilátor slouží k přívodu vzduchu do pracovní komory pece.

Otáčení stolu a nucená cirkulace horkého vzduchu zajišťují rychlé a rovnoměrné zahřátí pružiny po celé její délce a ve všech úsecích závitů.

Na obr. 4 je znázorněna elektrická topná pec s ventilátorem. Jeho zvláštností je automatické zapnutí ventilátoru při zasunutí pohyblivého topeniště pece.

Solné koupele slouží také k vypouštění pramenů. Teplota popouštění se nastavuje v závislosti na chemickém složení oceli, požadovaných mechanických vlastnostech a provedení pružin. V praxi se teplota popouštění pramene zřídka pohybuje pod 400 °C a obvykle se pohybuje v rozmezí 400–550 °C. Doba výdrže pružin v peci je závislá na jejich velikosti a při ohřevu v solných lázních není delší než 80 minut, při ohřevu v muflových pecích 2-3x delší.

Pružiny se do solné lázně nakládají ve vodorovné poloze. Úplného ponoření pramenů do vany lze dosáhnout pomocí speciálního zařízení připevněného k víku vany.

Po zahřátí lze prameny chladit buď na vzduchu, nebo ochlazením ve vodě či oleji. Po tepelném ošetření k odstranění vodního kamene jsou pružiny otryskány hydropískováním a někdy jsou podrobeny brokování ve speciálních brokových tryskacích strojích pro zvýšení únavové pevnosti.

Výše bylo uvedeno, že pružiny vyrobené z patentovaného drátu podléhají pouze temperování, které spočívá v zahřátí pružin na 175-250 °C a jejich udržení na této teplotě po dobu 15-20 minut v závislosti na průměru drátu. Při správné volbě režimu nízkoteplotního temperování je dosaženo snížení zbytkové deformace na prakticky možnou minimální hodnotu a tím je zajištěna dobrá stabilita pružin jak z hlediska geometrických rozměrů, tak z hlediska výkonových charakteristik.

Rýže. 4. Elektrická temperovací pec s ventilátorem

Tyto změny je třeba vzít v úvahu při seřizování strojů nebo při volbě trnů a stoupání vinutí.

Níže je uveden další příklad ilustrující pozitivní účinky nízkoteplotního temperování.

Rýže. 5. Snížení volné výšky v závislosti na době držení stlačené pružiny:
1 – před dovolenou; 2 – po dovolené

Pružiny s vnitřním průměrem 8 + 0,58 mm, s volnou výškou 41 ± 1,6 mm, s celkovým počtem závitů 13 ± 0,5 a jmenovitým napětím 77 kgf/mm1, vinuté z patentovaného pružinového drátu 0 0,7 mm o chemickém složení: 0,90% C,0,22%,0,17%0,09% Si. 0,06 % S a 0,011 % P, byly temperovány při teplotě 0,010 °C po dobu 180 minut, poté následovalo chlazení vzduchem. Uvolněné pružiny a tytéž pružiny bez tepelného zpracování byly stlačeny, dokud se cívky ve speciálním zařízení nedostaly do úplného kontaktu, a poté byly ponechány ve vroucí vodě po dobu 30 až 10 minut, poté byly vyjmuty a vyloženy. Výsledky tohoto experimentu jsou uvedeny na obr. 60. Z údajů na obrázku vyplývá, že uvolněním pružin se výrazně sníží zbytková deformace. Křivky redukce volné výšky tepelně zpracovaných pružin, uvedené v diagramu (obr. 33), jsou podobné křivkám uvedeným v předchozím experimentu.

Výsledky experimentů následně naznačují, že popouštění výrazně zvyšuje stabilní vlastnosti pružin jak z hlediska geometrických rozměrů, tak z hlediska výkonových charakteristik v důsledku odstranění vnitřních pnutí vznikajících při navíjení a v důsledku zvýšení elastických vlastností drátu.

Pružiny navinuté z kvalitního patentovaného uhlíkového drátu libovolného průřezu až po antikorozní nátěry, po navinutí musí projít nízkoteplotním temperováním jako povinnou technologickou operací.

Porušení stanoveného režimu tepelného zpracování u pružin vede k defektům v důsledku přehřívání, přepalování, nedostatečnému temperování, oduhličení a vzniku trhlin.

1. Při přehřátí vlivem změn mikrostruktury pružinové oceli pružiny křehnou.

2. K vyhoření dochází při zahřátí pružin na teplotu blízkou počátku tavení pružinové oceli s pronikáním vzdušného kyslíku do kovu, v důsledku čehož se zrna oceli zvětšují při jejich současné oxidaci.

3. Nedostatečně temperované pružiny se získávají při nízké teplotě popouštění nebo s nedostatečnou dobou výdrže. Nedostatečně temperované pružiny se vyznačují zvýšenou tvrdostí, tuhostí a křehkostí v důsledku tvorby austeniticko-martenzitické struktury.

4. K povrchovému oduhličení může dojít při zvýšené (proti stanovené) teplotě ohřevu nebo v případě velmi dlouhé výdrže, při které vytvořená feritová zrna v závislosti na stupni oduhličení pronikají do kovu do různých hloubek.

5. Vznik trhlin při tepelném zpracování pružin je důsledkem extrémně prudkého ochlazování nebo velmi rychlého ohřevu. Praskliny vzniklé při chlazení jsou zcela čiré a mají světlou barvu. Naopak praskliny, které se objevují během procesu ohřevu, oxidují, když jsou pružiny v troubě, a získávají tmavou barvu. Aby se předešlo defektům pružin a sledoval zavedený režim ohřevu pružin v peci, provádí se systematická regulace teploty pomocí automatických termoelektrických zařízení různých systémů.

Rýže. 6. Snížení volné výšky v závislosti na době držení stlačené pružiny:
1 – k neuvolněné pružině A; 2 – k pružině A, uvolněná při 250 °C po dobu 15 min; 3 – k pružině B neuvolněná; 4 – do pružiny B, uvolněna při 250 °C na 15 min.