Quali metodi possono essere utilizzati per ridurre o eliminare lo stress residuo nelle molle in acciaio inossidabile durante la progettazione e la produzione

Lo stress residuo è un problema comune e critico nel processo di produzione di molle in acciaio inossidabile . Deriva principalmente dal flusso irregolare del materiale durante la deformazione plastica. Quando il filo di acciaio inossidabile viene piegato e avvolto a forma di molla, il materiale esterno viene allungato mentre quello interno viene compresso. Questa deformazione irregolare porta all'accumulo di sollecitazioni interne che persistono anche dopo la rimozione della forza esterna.

Le sollecitazioni residue hanno un impatto negativo diretto e significativo sulle prestazioni delle molle in acciaio inossidabile. Innanzitutto riduce il limite elastico della molla, provocando una deformazione permanente prima di raggiungere il carico di progetto. In secondo luogo, lo stress residuo riduce significativamente la durata a fatica, causando il cedimento prematuro della molla dopo ripetuti cicli di carico. Ancora più grave, in alcuni ambienti corrosivi, lo stress residuo può diventare un fattore scatenante della tensocorrosione (SCC), provocando fratture improvvise e fragili. Pertanto, ridurre o eliminare efficacemente le sollecitazioni residue è fondamentale per garantire l'elevata affidabilità e la lunga durata delle molle in acciaio inossidabile.

Trattamento termico: la tecnologia di base per eliminare lo stress residuo

Il trattamento termico è il metodo più comune ed efficace per ridurre o eliminare lo stress residuo nelle molle in acciaio inossidabile. Il principio di base è quello di riscaldare la molla ad una temperatura specifica e mantenerla lì, consentendo agli atomi all'interno del materiale di acquisire energia sufficiente per riorganizzarsi, rilasciando e ridistribuendo così lo stress causato dalla lavorazione a freddo.

1. Bassa temperatura (antistress):

Questo è il metodo di trattamento termico antistress più comune. Per gli acciai inossidabili martensitici (come 420 e 440°C) e gli acciai inossidabili austenitici (come 302 e 304), questa operazione viene solitamente eseguita a una temperatura più bassa.

Acciai inossidabili austenitici (302, 304 e 316): la temperatura ideale di rinvenimento antistress è in genere compresa tra 340°C e 450°C. All'interno di questo intervallo di temperatura, il materiale non subisce trasformazione di fase, ma il movimento termico degli atomi è sufficiente a rilasciare la maggior parte delle sollecitazioni interne. Le alte temperature possono causare la precipitazione dei carburi ai bordi dei grani, riducendo la resistenza alla corrosione, pertanto è essenziale un rigoroso controllo della temperatura.

Acciai inossidabili martensitici (410, 420 e 431): queste molle vengono solitamente temperate dopo la tempra e il controllo della temperatura è fondamentale. Le temperature di rinvenimento antistress sono in genere comprese tra 250 e 400°C, riducendo efficacemente lo stress residuo pur mantenendo la durezza e la resistenza richieste.

2. Trattamento della soluzione e invecchiamento:

Per gli acciai inossidabili indurenti per precipitazione (come 17-7PH e 15-5PH), la loro resistenza finale dipende dal trattamento di invecchiamento. Prima della formatura, il filo è solitamente in soluzione, il che garantisce una buona duttilità. Dopo la formatura, l'invecchiamento non solo consente alla fase di precipitazione di aumentare la resistenza, ma elimina anche efficacemente lo stress residuo. Questo processo avviene simultaneamente.

Trattamento meccanico: miglioramento delle proprietà superficiali e della distribuzione delle sollecitazioni

Oltre al trattamento termico, alcuni metodi meccanici possono anche migliorare efficacemente lo stato tensionale delle molle, in particolare lo stress residuo superficiale.

1. Pallinatura:

La pallinatura prevede l'uso di getti ad alta velocità di minuscole perle di acciaio o ceramica per colpire la superficie della molla, creando uno strato di sollecitazione compressiva.

Principio: la sollecitazione di compressione generata dalla pallinatura può compensare la sollecitazione residua di trazione sulla superficie. Poiché le cricche da fatica solitamente partono dalla superficie, questo strato di sollecitazione compressiva può ostacolare efficacemente la propagazione delle cricche, migliorando significativamente la durata a fatica della molla.

Applicazione: la granigliatura è particolarmente adatta per molle sottoposte a carichi ciclici elevati o condizioni operative estreme, come molle per valvole di motori automobilistici e molle critiche nell'industria aerospaziale.

2. Precompressione:

La precompressione, nota anche come "compattazione" o "impostazione", è un metodo per eliminare attivamente lo stress residuo.

Principio: Dopo la fabbricazione della molla, ad essa viene applicata una forza di compressione o torsione superiore al suo carico di progetto, provocando una leggera deformazione plastica permanente. Questo processo ridistribuisce lo stress all'interno della molla, generando uno stress residuo nella direzione opposta al carico di lavoro dopo che il carico è stato rimosso.

Effetto: questa sollecitazione residua invertita può compensare parte della sollecitazione di lavoro, riducendo il livello di sollecitazione nell'uso effettivo, migliorando così la capacità portante e la resistenza alla fatica della molla.

Controllo di processo e selezione dei materiali

Fondamentale è anche il controllo della generazione di stress residuo alla fonte.

Scegliere il filo giusto: è essenziale scegliere filo di acciaio inossidabile uniforme e di alta qualità. Processi impropri di trafilatura a freddo o laminazione a freddo possono introdurre sollecitazioni interne eccessive.

Ottimizzazione del processo di formatura: la regolazione dei parametri della macchina avvolgitrice, come la velocità di avvolgimento e la velocità di avanzamento, può ottenere una deformazione del materiale più uniforme. Le apparecchiature CNC avanzate possono controllare con maggiore precisione il processo di formatura, riducendo le deformazioni irregolari.

Controllo preciso del processo: dall'ingresso del filo in fabbrica al trattamento termico finale, è richiesto un rigoroso controllo dei parametri di processo in ogni fase. Ad esempio, è necessario monitorare con precisione l'uniformità della temperatura, le velocità di aumento e diminuzione della temperatura e il tempo di mantenimento del forno per il trattamento termico.