Wat is Spring Materialen?
De selectie van materialen voor het ontwerp en de fabricage van veren is afhankelijk van een begrip van de trek- en vervormingssterktes van de verschillende legeringen. Deze materialen omvatten hoog-koolstof veerstaal, legering veerstaal, roestvrij staal voor veren, kopergebaseerde veerlegeringen en nikkelgebaseerde veerlegeringen. In de onderstaande paragrafen presenteren we informatie over de veermaterialen, hun mechanische eigenschappen, typische toepassingen, evenals toepassingen om te vermijden.
Diverse metalen veren
Deze veerstaal is de meest gebruikte van alle veermaterialen omdat ze het goedkoopst zijn, gemakkelijk bewerkt kunnen worden en snel verkrijgbaar zijn. Ze zijn echter niet geschikt voor veren die werken bij hoge of lage temperaturen of voor schok- of impactbelastingen. De volgende draadvormen zijn beschikbaar:
Muziekdraad, ASTM A228 (0,80-0,95 procent koolstof): Dit is het meest gebruikte van alle veermaterialen voor kleine veren die werken bij temperaturen tot ongeveer 120°C. Het is taai, heeft een hoge treksterkte en kan hoge spanningen weerstaan onder herhaalde belasting. Het materiaal is gemakkelijk verkrijgbaar in ronde vorm met diameters variërend van 0,13 mm tot 3,18 mm en in enkele grotere maten tot 4,76 mm. Het is niet beschikbaar met hoge treksterktes in vierkante of rechthoekige secties. Muziekdraad kan gemakkelijk worden gecoat en is verkrijgbaar met een voorzinklaag of voorgeplateerd met cadmium, maar na het vervaardigen van de veer wordt platering meestal de voorkeur gegeven voor maximale corrosiebestendigheid.
Olie-gehard staal MB-klasse, ASTM A229 (0,60-0,70 procent koolstof): Dit algemeen gebruikte veerstaal wordt vaak gebruikt voor veel soorten spoelveren waar de kosten van muziekstaal te hoog zijn en in maten groter dan die beschikbaar zijn in muziekstaal. Het is gemakkelijk verkrijgbaar in diameters variërend van 3,18 mm tot 12,70 mm, maar zowel kleinere als grotere maten kunnen worden verkregen. Het materiaal mag niet worden gebruikt onder schok- en impactbelastingsomstandigheden, bij temperaturen boven 180 °C, of bij temperaturen in het sub-zero bereik. Vierkante en rechthoekige draadsecties zijn verkrijgbaar in fractiematen. Gegloeid materiaal kan ook worden verkregen voor harden en temperen na het spiraalvormig maken. Dit materiaal heeft een warmtebehandelingsschaal die vóór het galvaniseren moet worden verwijderd.
Olie-geharde HB-klasse, SAE 1080 (0,75-0,85 procent koolstof): Dit materiaal is vergelijkbaar met de MB-klasse, behalve dat het een hoger koolstofgehalte en een hogere treksterkte heeft. Het is verkrijgbaar in dezelfde maten en wordt gebruikt voor nauwkeurigere eisen dan de MB-klasse, maar is niet zo gemakkelijk verkrijgbaar. In plaats van dit materiaal te gebruiken, kan het beter zijn om een legering veerstaal te gebruiken, vooral als een lange vermoeiingslevensduur of hoge uithoudingsvermogen-eigenschappen nodig zijn. Ronde en vierkante secties zijn verkrijgbaar in de olie-geharde of geharde toestand.
Hardgetrokken MB-klasse, ASTM A227 (0,60-0,70 procent koolstof): Deze kwaliteit wordt gebruikt voor algemene veerdoeleinden waar kosten het belangrijkste zijn. Hoewel het gebruik in de afgelopen jaren is toegenomen en de kwaliteit is verbeterd, is het het beste om deze kwaliteit niet te gebruiken waar een lange levensduur en nauwkeurigheid van lasten en vervormingen belangrijk zijn. Het is verkrijgbaar in diameters variërend van 0,031 tot 0,500 inch en in enkele kleinere en grotere maten. Het materiaal is verkrijgbaar in vierkante secties, maar met verlaagde treksterktes. Het is gemakkelijk te galvaniseren. Toepassingen moeten beperkt blijven tot het temperatuurbereik van 0 tot 250 °F.
Hoog-koolstof lente-stalen in vlakke strookvorm
Twee soorten dunne, platte, hoog-koolstof veerstaalband worden het meest gebruikt, hoewel er verschillende andere types verkrijgbaar zijn voor specifieke toepassingen in horloges, klokken en bepaalde instrumenten. Deze twee samenstellingen worden voor meer dan 95 procent van alle dergelijke toepassingen gebruikt. Dunne secties van deze materialen onder 0,015 inch met een koolstofgehalte van meer dan 0,85 procent en een hardheid van meer dan 47 op de Rockwell C-schaal zijn gevoelig voor waterstof-embrittlement, zelfs wanneer speciale plating- en verwarmingsbewerkingen worden toegepast. De twee types worden als volgt beschreven:
Koudgewalst veerspijkerstaal, blauw-temper of gloeibestendig, SAE 1074, ook 1064, en 1070 (0,60 tot 0,80 procent koolstof): Dit zeer populaire veerspijkerstaal is verkrijgbaar in diktes variërend van 0,005 tot 0,062 inch en in enkele dunnere en dikkere secties. Het materiaal is verkrijgbaar in de gloeibestendige toestand voor vormgeving in 4-slide machines en persen, en kan na vormgeving gemakkelijk worden gehard en getemperd. Het is ook beschikbaar in de warmtebehandelde of blauw-temper toestand. Het staal is verkrijgbaar in verschillende afwerkingen zoals stro-kleur, blauw-kleur, zwart of gewoon. Hardheden variërend van 42 tot 46 Rockwell C worden aanbevolen voor veertoepassingen. Toepassingen omvatten veerklemmen, platte veren, klokveren en motor-, kracht- en spiraalveren.
Koudgewalst veerspiraalstaal, blauw-temperstaal, SAE 1095 (0,90 tot 1,05 procent koolstof): Dit populaire type moet hoofdzakelijk worden gebruikt in de blauw-temper toestand. Hoewel het verkrijgbaar is in de geharde toestand, hardt het niet altijd goed tijdens het warmtebehandelingsproces omdat het een “oppervlakte” hardende soort is. Het wordt hoofdzakelijk gebruikt in klokken en motorveren. Eindsecties van veren gemaakt van dit staal worden gehard voor buig- of doorstikoperaties. Hardheden variëren gewoonlijk van 47 tot 51 Rockwell C. Andere materialen die in strookvorm beschikbaar zijn en worden gebruikt voor platte veren, zijn messing, fosforbrons, beryllium-koper, roestvrij staal en nikkel legeringen.
Legeringsveerstalen
Deze veertijzeren staalsoorten worden gebruikt onder omstandigheden van hoge belasting, schok- of impactbelastingen. Ze kunnen zowel hogere als lagere temperaturen weerstaan dan de hoog-koolstofstalen en zijn verkrijgbaar in zowel de geharde als de voor-getemperde toestand.
Chroom-vanadium, ASTM A231: Dit zeer populaire veerstaal wordt gebruikt onder omstandigheden waarbij hogere spanningen voorkomen dan waarvoor de hoog-koolstof veerstaal wordt aanbevolen, en wordt ook gebruikt waar goede vermoeiingssterkte en duurzaamheid nodig zijn. Het gedraagt zich goed onder schok- en impactbelastingen. Het materiaal is verkrijgbaar in diameters variërend van 0,8 mm tot 12,7 mm en in sommige grotere maten ook. In vierkante secties is het verkrijgbaar in fractie-gewijze maten. Zowel de geharde als de voor-geharde types zijn verkrijgbaar in ronde, vierkante en rechthoekige secties. Het wordt veel gebruikt in klepzittingen van vliegtuigmotoren en voor veren die werken bij temperaturen tot 220 °C.
Silicium Mangaan: Dit legeringstaal is vrij populair in Nederland. Het is minder duur dan chroom-vanadium staal en is verkrijgbaar in ronde, vierkante en rechthoekige secties, zowel in gloeibare als voorgehardde toestand, in maten variërend van 0,031 tot 0,500 inch. Het werd vroeger gebruikt voor knie-actie veren in auto's. Het wordt gebruikt in platte bladveren voor vrachtwagens en als vervanging voor duurdere veerstaal.
Chroomsilicium, ASTM A401: Deze legering wordt gebruikt voor sterk belaste veren die een lange levensduur vereisen en onderhevig zijn aan schokbelasting. Het kan worden gehard tot hogere hardheden dan andere verenstaalsoorten, zodat hoge treksterktes haalbaar zijn. De meest populaire maten variëren van 0,031 tot 0,500 inch in diameter. Zeer zelden worden vierkante, platte of rechthoekige secties gebruikt. Hardheden variërend van 50 tot 53 Rockwell C zijn vrij gebruikelijk, en de legering kan worden gebruikt bij temperaturen tot 475°F. Dit materiaal wordt meestal speciaal per opdracht besteld.
Roestvrij verenstaal
Het gebruik van roestvrijstalen veerstaal is toegenomen en er zijn verschillende samenstellingen beschikbaar, die allemaal kunnen worden gebruikt bij temperaturen tot 550 °F. Ze zijn allemaal corrosiebestendig. Alleen de roestvrijstalen 18-8 samenstellingen moeten worden gebruikt bij temperaturen onder nul.
Roestvrij staal Type 302, ASTM A313 (18 procent chroom, 8 procent nikkel): Dit roestvrij verenstaal is zeer populair omdat het de hoogste treksterkte heeft en vrij uniforme eigenschappen. Het wordt koudgetrokken om zijn mechanische eigenschappen te verkrijgen en kan niet worden gehard door warmtebehandeling. Dit materiaal is niet-magnetisch alleen wanneer het volledig gegaard is en wordt licht magnetisch door het koudbewerken dat wordt uitgevoerd om veren eigenschappen te produceren. Het is geschikt voor gebruik bij temperaturen tot 550 °F en voor temperaturen onder nul. Het is zeer corrosiebestendig. Het materiaal toont zijn gewenste mechanische eigenschappen het beste in diameters variërend van 0,005 tot 0,1875 inch, hoewel sommige grotere diameters beschikbaar zijn. Het is ook verkrijgbaar als hardgewalste platte strip. Vierkante en rechthoekige secties zijn beschikbaar maar worden zelden gebruikt.
Roestvrij staal type 304, ASTM A313 (18 procent chroom, 8 procent nikkel): Dit materiaal lijkt sterk op type 302, maar heeft betere buig-eigenschappen en ongeveer 5 procent lagere treksterkte. Het is iets gemakkelijker te trekken, vanwege het iets lagere koolstofgehalte.
Roestvrij staal type 316, ASTM A313 (18 procent chroom, 12 procent nikkel, 2 procent molybdeen): Dit materiaal lijkt sterk op type 302, maar is iets beter bestand tegen corrosie vanwege het hogere nikkelgehalte. De treksterkte is 10 tot 15 procent lager dan die van type 302. Het wordt gebruikt voor vliegtuigveren.
Roestvrij staal type 17-7 PH ASTM A313 (17 procent chroom, 7 procent nikkel): Dit legering, dat ook kleine hoeveelheden aluminium en titanium bevat, wordt gevormd in een matig harde toestand en vervolgens precipitatiehard gemaakt bij relatief lage temperaturen gedurende enkele uren om treksterktes te bereiken die bijna vergelijkbaar zijn met muzieksnoer. Dit materiaal is niet gemakkelijk verkrijgbaar in alle maten en heeft beperkte toepassingen vanwege de hoge fabricagekosten.
Roestvrij staal type 414, SAE 51414 (12 procent chroom, 2 procent nikkel): Dit legering heeft treksterktes die ongeveer 15 procent lager zijn dan type 302 en kan worden gehard door warmtebehandeling. Voor de beste corrosiebestendigheid moet het hoogglans gepolijst worden of schoon gehouden worden. Het kan hard getrokken worden in diameters tot 0,1875 inch en wordt vaak gebruikt in vlakke koudgewalste stroken voor stanswerk. Het materiaal is niet geschikt voor gebruik bij lage temperaturen.
Roestvrij staal type 420, SAE 51420 (13 procent chroom): Dit is het beste roestvrij staal voor gebruik in grote diameters boven 0,1875 inch en wordt vaak gebruikt in kleinere maten. Het wordt gevormd in de gloeibestandige toestand en vervolgens gehard en getemperd. Het vertoont zijn roestvrij-eigenschappen pas nadat het is gehard. Schone, glanzende oppervlakken bieden de beste corrosiebestendigheid, daarom moet de hittebehandelingsschaal worden verwijderd. Glanzende hardingsmethoden worden aanbevolen.
Roestvrij staal type 431, SAE 51431 (16 procent chroom, 2 procent nikkel): Deze veerlegering krijgt hoge treksterkte-eigenschappen (bijna hetzelfde als muzieksnoer) door een combinatie van warmtebehandeling om de draad te verharden en koudtrekken na de warmtebehandeling. De corrosiebestendigheid is niet gelijk aan type 302.
Koperbasis veerlegeringen
Koperlegeringen zijn belangrijke veermaterialen vanwege hun goede elektrische eigenschappen in combinatie met hun goede weerstand tegen corrosie. Hoewel deze materialen duurder zijn dan hoog-koolstof- en legeringen staal, worden ze toch vaak gebruikt in elektrische componenten en bij temperaturen onder nul.
Vormspiraal messing, ASTM B 134 (70 procent koper, 30 procent zink): Dit materiaal is het goedkoopste en heeft de hoogste elektrische geleidbaarheid van de koperlegeringen. Het heeft een lage treksterkte en slechte veereigenschappen, maar wordt veel gebruikt in vlakke stempels en waar scherpe bochten nodig zijn. Het kan niet worden gehard door warmtebehandeling en mag niet worden gebruikt bij temperaturen boven de 150 °F, maar is vooral geschikt bij vrieskou. Verkrijgbaar in ronde secties en platte stroken, dit hardgetrokken materiaal wordt meestal gebruikt in de “veerscherpe” harding.
Fosforbrons, ASTM B 159 (95 procent koper, 5 procent tin): Deze legering is de populairste uit deze groep omdat het de beste eigenschappen van treksterkte, hardheid, elektrische geleidbaarheid en corrosiebestendigheid combineert tegen de laagste kosten. Het is duurder dan messing, maar kan spanningen tot 50 procent hoger weerstaan. Het materiaal kan niet worden gehard door warmtebehandeling. Het kan worden gebruikt bij temperaturen tot 212 °F en bij temperaturen onder nul. Het is verkrijgbaar in ronde secties en platte strip, meestal in de “extra-hard” of “veerhard” hardheden. Het wordt vaak gebruikt voor contactvingers in schakelaars vanwege de lage vonkvormingseigenschappen. Een samenstelling met 8 procent tin wordt gebruikt voor platte veren en een superfijne korrelstructuur genaamd “Duraflex” heeft goede duurzaamheidseigenschappen.
Berylliumkoper, ASTM B 197 (98 procent koper, 2 procent beryllium): Dit legering kan worden gevormd in de geharde toestand en daarna precipitatiehard worden gemaakt na het vormen bij temperaturen rond de 600 °F, gedurende 2 tot 3 uur. Deze behandeling produceert een hoge hardheid in combinatie met een hoge treksterkte. Na harden wordt het materiaal vrij bros en kan het nauwelijks of niet worden gevormd. Het is de duurste legering in de groep en warmtebehandeling is kostbaar vanwege de noodzaak om de onderdelen in bevestigingen te houden om vervorming te voorkomen. Het belangrijkste gebruik van deze legering is voor het geleiden van elektrische stroom in schakelaars en in elektrische componenten. Platte stroken worden vaak gebruikt voor contactvingers.
Nikkelbasis veerlegeringen
Nikkelbasislegeringen zijn corrosiebestendig, bestand tegen zowel hoge als onder nul temperaturen, en hun niet-magnetische eigenschap maakt ze nuttig voor toepassingen zoals gyroscopen, chronoscopen en aanwijzende instrumenten. Deze materialen hebben een hoge elektrische weerstand en mogen daarom niet worden gebruikt als geleiders van elektrische stroom.
Monel* (67 procent nikkel, 30 procent koper): Dit materiaal is het goedkoopste van de nikkelbasislegeringen. Het heeft ook de laagste treksterkte, maar is nuttig vanwege zijn weerstand tegen de corrosieve effecten van zeewater en omdat het bijna niet-magnetisch is. Het legering kan worden blootgesteld aan spanningen die iets hoger zijn dan fosforbrons en bijna zo hoog als berylliumkoper. De hoge treksterkte en hardheid worden verkregen door alleen koudtrekken en koudrollen, omdat het niet door warmtebehandeling kan worden gehard. Het kan worden gebruikt bij temperaturen van −100 tot +425 °F bij normale bedrijfsspanningen en is verkrijgbaar in ronde draden tot 3/16 inch in diameter met vrij hoge treksterktes. Grotere diameters en platte stroken zijn verkrijgbaar met lagere treksterktes.
“K” Monel * (66 procent nikkel, 29 procent koper, 3 procent aluminium): Dit materiaal lijkt sterk op Monel, behalve dat de toevoeging van aluminium het een precipitatieharde legering maakt. Het kan in de zachte of vrij harde toestand worden gevormd en vervolgens worden gehard door een langdurige ouderdoms-Hoogtemperatuurbehandeling om een treksterkte en hardheid te verkrijgen die hoger zijn dan die van Monel en bijna zo hoog als roestvrij staal. Het wordt gebruikt in maten groter dan die meestal gebruikt met Monel, is niet-magnetisch en kan worden gebruikt bij temperaturen variërend van −100 tot +450 °F bij normale werkbelastingen onder 45.000 pond per vierkante inch.
Inconel* (78 procent nikkel, 14 procent chroom, 7 procent ijzer): Dit is een van de meest populaire niet-magnetische nikkelbasislegeringen vanwege de corrosiebestendigheid en omdat het gebruikt kan worden bij temperaturen tot 700 °F. Het is duurder dan roestvrij staal maar goedkoper dan berylliumkoper. De hardheid en treksterkte zijn hoger dan die van “K” Monel en worden alleen verkregen door koudtrekken en koudwalsen. Het kan niet worden gehard door warmtebehandeling. Draaddiameters tot 1/4 inch hebben de beste trek eigenschappen. Het wordt vaak gebruikt in stoomkleppen, regelkleppen en voor veren in ketels, compressoren, turbines en straalmotoren.
Inconel “X”* (70 procent nikkel, 16 procent chroom, 7 procent ijzer): Dit materiaal lijkt sterk op Inconel, maar de kleine hoeveelheden titanium, columbium en aluminium in de samenstelling maken het tot een precipitatieharde legering. Het kan gevormd worden in de zachte of gedeeltelijk harde toestand en vervolgens gehard worden door het 4 uur te houden op 1200 °F. Het is niet-magnetisch en wordt in grotere secties gebruikt dan Inconel. Deze legering wordt gebruikt bij temperaturen tot 850 °F en bij spanningen tot 55.000 pond per vierkante inch.
Duranickel* (“Z” Nikkel) (98 procent nikkel): Deze legering is niet-magnetisch, corrosiebestendig, heeft een hoge treksterkte en is hard te maken door precipitatieharding bij 900 °F gedurende 6 uur. Het kan onder dezelfde spanningen worden gebruikt als Inconel, maar mag niet worden gebruikt bij temperaturen boven de 500 °F.
Nikkelbasis veerlegeringen met constante elasticiteitsmoduli
Sommige speciale nikkellegeringen hebben een constante elasticiteitsmodulus over een breed temperatuurbereik. Deze materialen zijn vooral nuttig waar veren onder temperatuurveranderingen staan en uniforme veereigenschappen moeten vertonen. Deze materialen hebben een lage of nul thermo-elastische coëfficiënt en ondergaan daarom geen variaties in veerkracht door modulusveranderingen vanwege temperatuurverschillen. Ze hebben ook lage hysterese- en kruipwaarden, waardoor ze de voorkeur genieten voor gebruik in voedselweegschalen, precisie-instrumenten, gyroscopen, meetapparatuur, registratie-instrumenten en rekenweegschalen waar de temperatuur varieert van −50 tot +150 °F. Deze materialen zijn duur, en geen van hen wordt regelmatig op voorraad gehouden in een breed scala aan maten. Ze moeten niet worden gespecificeerd zonder voorafgaand overleg met veerfabrikanten, omdat sommige leveranciers mogelijk geen veren van deze legeringen maken vanwege de speciale fabricageprocessen die vereist zijn. Al deze legeringen worden alleen gebruikt in kleine draaddiameters en dunne stroken en zijn gedekt door Amerikaanse patenten. Ze worden meer specifiek als volgt beschreven:
Elinvar (nikkel, ijzer, chroom): Deze legering, de eerste constante-modulus legering die werd gebruikt voor haarveren in horloges, is een austenitische legering die alleen wordt gehard door koudtrekken en koudrollen. Toevoegingen van titanium, wolfraam, molybdeen en andere legeringselementen hebben geleid tot verbeterde eigenschappen en precipitatieve hardingsmogelijkheden. Deze verbeterde legeringen staan bekend onder de volgende handelsnamen: Elinvar Extra, Durinval, Modulvar en Nivarox.
Ni-Span C (nikkel, ijzer, chroom, titanium): Deze zeer populaire constante-modulus legering wordt meestal gevormd in de 50 procent koudvervormde toestand en precipitatieve gehard bij 900 °F gedurende 8 uur, hoewel verwarming tot 1250 °F voor 3 uur hardheden van 40 tot 44 Rockwell C oplevert, wat veilige torsieveelden van 60.000 tot 80.000 pond per vierkante inch mogelijk maakt. Dit materiaal is ferromagnetisch tot 400 °F; daarboven wordt het niet-magnetisch.
Iso-Elastic† (nikkel, ijzer, chroom, molybdeen): Deze populaire legering is relatief gemakkelijk te fabriceren en wordt gebruikt bij veilige torsieveelden van 40.000 tot 60.000 pond per vierkante inch en hardheden van 30 tot 36 Rockwell C. Het wordt vooral gebruikt in dynamometers, instrumenten en voedselweegschalen.
Elgiloy‡ (nikkel, ijzer, chroom, kobalt): Deze legering, ook bekend onder de handelsnamen 8J Alloy, Durapower en Cobenium, is een niet-magnetische legering die geschikt is voor temperaturen onder nul en temperaturen tot ongeveer 1000 °F, mits de torsieveelden onder de 75.000 pond per vierkante inch blijven. Het wordt precipitatief gehard bij 900 °F gedurende 8 uur om hardheden van 48 tot 50 Rockwell C te bereiken. De legering wordt gebruikt in horloge- en instrumentenveren.
Dynavar*** (nikkel, ijzer, chroom, kobalt): Deze legering is een niet-magnetisch, corrosiebestendig materiaal dat geschikt is voor temperaturen onder nul en temperaturen tot ongeveer 750 °F, mits de torsieveelden onder de 75.000 pond per vierkante inch blijven. Het wordt precipitatief gehard om hardheden van 48 tot 50 Rockwell C te bereiken en wordt gebruikt in horloge- en instrumentenveren.
Samenvatting
Dit artikel gaf een overzicht van de soorten veermaterialen, hun mechanische eigenschappen, typische toepassingen, evenals toepassingen die vermeden moeten worden.
XTJ is een toonaangevende OEM-fabrikant die zich toelegt op het bieden van one-stop productieoplossingen voor Machining 6061 Aluminum van prototype tot productie. We zijn trots op ons ISO 9001 gecertificeerde systeem voor kwaliteitsbeheer en vastbesloten om waarde te creëren in elke klantrelatie. We doen dat door samenwerking, innovatie, procesverbeteringen en uitzonderlijk vakmanschap.
