Qué métodos se pueden utilizar para reducir o eliminar la tensión residual en resortes de acero inoxidable durante el diseño y la fabricación

El estrés residual es un problema común y crítico en el proceso de fabricación de resortes de acero inoxidable . Se debe principalmente al flujo desigual del material durante la deformación plástica. Cuando el alambre de acero inoxidable se dobla y se enrolla en forma de resorte, el material exterior se estira mientras que el material interior se comprime. Esta deformación desigual conduce a la acumulación de tensiones internas que persisten incluso después de eliminar la fuerza externa.

La tensión residual tiene un impacto negativo directo y significativo en el rendimiento de los resortes de acero inoxidable. En primer lugar, reduce el límite elástico del resorte, provocando una deformación permanente antes de alcanzar la carga de diseño. En segundo lugar, la tensión residual reduce significativamente la vida útil por fatiga, provocando que el resorte falle prematuramente después de ciclos de carga repetidos. Más grave aún, en ciertos entornos corrosivos, la tensión residual puede convertirse en un desencadenante del agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC), lo que provoca una fractura frágil repentina. Por lo tanto, reducir o eliminar eficazmente la tensión residual es fundamental para garantizar la alta confiabilidad y la larga vida útil de los resortes de acero inoxidable.

Tratamiento térmico: la tecnología central para eliminar el estrés residual

El tratamiento térmico es el método más común y eficaz para reducir o eliminar la tensión residual en resortes de acero inoxidable. El principio básico es calentar el resorte a una temperatura específica y mantenerlo allí, permitiendo que los átomos dentro del material ganen suficiente energía para reorganizarse, liberando y redistribuyendo así la tensión causada por el trabajo en frío.

1. Baja temperatura (alivio del estrés):

Este es el método de tratamiento térmico para aliviar el estrés más común. Para los aceros inoxidables martensíticos (como 420 y 440°C) y los aceros inoxidables austeníticos (como 302 y 304), esto normalmente se realiza a una temperatura más baja.

Aceros inoxidables austeníticos (302, 304 y 316): la temperatura ideal de templado para aliviar tensiones suele estar entre 340°C y 450°C. Dentro de este rango de temperatura, el material no sufre transformación de fase, pero el movimiento térmico de los átomos es suficiente para liberar la mayoría de las tensiones internas. Las altas temperaturas pueden provocar que los carburos precipiten en los límites de los granos, lo que reduce la resistencia a la corrosión, por lo que es esencial un control estricto de la temperatura.

Aceros inoxidables martensíticos (410, 420 y 431): estos resortes generalmente se templan después del enfriamiento y el control de la temperatura es crucial. Las temperaturas de templado para aliviar tensiones suelen estar entre 250 y 400°C, lo que reduce eficazmente la tensión residual manteniendo al mismo tiempo la dureza y resistencia requeridas.

2. Tratamiento de la solución y envejecimiento:

En el caso de los aceros inoxidables endurecibles por precipitación (como 17-7PH y 15-5PH), su resistencia máxima depende del tratamiento de envejecimiento. Antes de formarse, el alambre normalmente está en solución, lo que da como resultado una buena ductilidad. Después de la formación, el envejecimiento no sólo permite que la fase de precipitación mejore la resistencia sino que también elimina eficazmente la tensión residual. Este proceso ocurre simultáneamente.

Tratamiento mecánico: mejora de las propiedades de la superficie y la distribución de tensiones

Además del tratamiento térmico, ciertos métodos mecánicos también pueden mejorar eficazmente el estado de tensión de los resortes, particularmente la tensión residual superficial.

1. Pelado de perdigones:

El granallado implica el uso de chorros de alta velocidad de pequeñas perlas de acero o cerámica para impactar la superficie del resorte, creando una capa de tensión de compresión.

Principio: La tensión de compresión generada por el granallado puede compensar la tensión residual de tracción en la superficie. Dado que las grietas por fatiga generalmente se inician desde la superficie, esta capa de tensión de compresión puede obstaculizar eficazmente la propagación de grietas, mejorando significativamente la vida útil por fatiga del resorte.

Aplicación: El granallado es especialmente adecuado para resortes sometidos a altas cargas cíclicas o condiciones de funcionamiento extremas, como resortes de válvulas de motores de automóviles y resortes críticos en la industria aeroespacial.

2. Prestressing:

El preesfuerzo, también conocido como "compactación" o "fijación", es un método para eliminar activamente la tensión residual.

Principio: Una vez fabricado el resorte, se le aplica una fuerza de compresión o torsión que excede su carga de diseño, provocando una ligera deformación plástica permanente. Este proceso redistribuye la tensión dentro del resorte, generando una tensión residual en la dirección opuesta a la carga de trabajo después de retirar la carga.

Efecto: Esta tensión residual invertida puede compensar parte de la tensión de trabajo, reduciendo el nivel de tensión en el uso real, mejorando así la capacidad de carga y la resistencia a la fatiga del resorte.

Control de procesos y selección de materiales

Controlar la generación de tensión residual en la fuente también es crucial.

Elegir el alambre adecuado: es esencial seleccionar alambre de acero inoxidable uniforme y de alta calidad. Los procesos inadecuados de estirado o laminado en frío pueden introducir una tensión interna excesiva.

Optimización del proceso de formación: ajustar los parámetros de la máquina bobinadora, como la velocidad de bobinado y la velocidad de alimentación, puede lograr una deformación del material más uniforme. Los equipos CNC avanzados pueden controlar con mayor precisión el proceso de formación, reduciendo la deformación desigual.

Control preciso del proceso: desde el cable que ingresa a la fábrica hasta el tratamiento térmico final, se requiere un estricto control de los parámetros del proceso en cada etapa. Por ejemplo, se deben controlar con precisión la uniformidad de temperatura del horno de tratamiento térmico, las tasas de aumento y disminución y el tiempo de mantenimiento.