Stal nierdzewna czy stopy metali kolorowych? Dobieramy materiał na elementy sprężyste z taśmy.

Krótki skok, pewne "klik", stabilny docisk. Tak działają elementy sprężyste z taśmy w zamkach, złączach i mechanizmach. O ich pracy decyduje materiał, a nie tylko kształt.

Dlaczego wybór materiału ma znaczenie dla elementu sprężystego?

Poniżej opisano, jakie właściwości materiału - siła, odporność na zmęczenie i korozję, stabilność wymiarowa oraz koszty w cyklu życia - wpływają na funkcję elementu sprężystego.

Materiał decyduje o module sprężystości, granicy plastyczności i możliwym ugięciu. Wpływa na żywotność pod obciążeniem cyklicznym oraz na wrażliwość krawędzi na pęknięcia. Odporność na chemikalia, temperaturę i wilgoć jest różna dla stali nierdzewnych i stopów kolorowych. Wybór materiału kształtuje proces wytwarzania, tolerancje, sprężynowanie po gięciu i potrzebę obróbek cieplnych. Dobrze dobrany materiał zmniejsza ryzyko awarii i ogranicza serwis.

Kiedy lepsza jest stal nierdzewna, a kiedy stopy kolorowe?

Stal nierdzewna sprawdza się przy wysokich naprężeniach i agresywnej atmosferze, stopy kolorowe przy wymaganej przewodności, niemagnetyczności lub specjalnych warunkach pracy.

Stale nierdzewne do sprężyn z taśmy, zwłaszcza austenityczne utwardzone na zimno, łączą wysoką wytrzymałość ze stabilnością i odpornością na korozję. Dobrze znoszą podwyższoną temperaturę i są niemagnetyczne w wielu stanach. Stopy miedzi, jak brąz fosforowy czy mosiądz sprężynowy, oferują przewodność i stabilny kontakt elektryczny. Beryl miedziowy wykazuje bardzo wysoką wytrzymałość po starzeniu; przy stosowaniu stopów zawierających beryl należy uwzględnić obowiązujące wymagania BHP i ograniczenia prawne dotyczące ekspozycji. Tytan obniża masę i zapewnia odporność na korozję, ale ma niższy moduł sprężystości. Stopy niklu utrzymują własności w wysokiej temperaturze. Wybór zależy od środowiska, wymaganej siły, przewodnictwa, magnetyzmu i przestrzeni montażowej.

Jak wytrzymałość na zmęczenie różni się między stopami?

Różni się znacząco między rodzinami materiałów i zależy też od obróbki, geometrii i wykończenia krawędzi.

Stale nierdzewne utwardzone na zimno oferują wysoką wytrzymałość zmęczeniową przy odpowiedniej obróbce krawędzi i odprężaniu. Beryl miedziowy ma jedną z wyższych odporności zmęczeniowych wśród stopów kolorowych po właściwym starzeniu. Brąz fosforowy daje trwałość wystarczającą dla sprężyn kontaktowych i zapadkowych. Aluminium ma niski moduł i niższą odporność zmęczeniową, dlatego wymaga większych przekrojów. Tytan ma umiarkowaną odporność zmęczeniową, ale zyskuje dzięki niskiej gęstości. Chropowatość, grat i ostre krawędzie oraz miejscowe koncentracje naprężeń znacząco obniżają odporność zmęczeniową, dlatego kontrolować procesy cięcia i wykrawania oraz stosować zaokrąglenia krawędzi.

Jak gięcie i odkształcanie taśmy wpływa na właściwości sprężyste?

Gięcie podnosi wytrzymałość przez umocnienie, ale wprowadza naprężenia własne i zwiększa sprężynowanie.

Podczas gięcia rośnie granica plastyczności, co zwiększa nośność elementu. Jednocześnie maleje plastyczność i rośnie ryzyko pęknięć przy zbyt małym promieniu gięcia. Minimalny promień zależy od grubości, stanu utwardzenia i kierunku walcowania. Po gięciu występuje sprężynowanie, które jest większe w stopach o wyższej granicy plastyczności i niższym module. Często potrzebne jest wyżarzanie odprężające, aby ustabilizować kształt i ograniczyć relaksację naprężeń w eksploatacji.

Czy ochrona antykorozyjna zastąpi wybór odpowiedniego metalu?

Powłoka pomaga, ale nie zastąpi materiału dobranego do środowiska i temperatury.

Cynkowanie, niklowanie, lakier czy powłoki PVD poprawiają odporność powierzchniową, ale w sprężynach z taśmy mogą zmieniać tarcie i charakterystykę pracy. Elektrolityczne powłoki na stalach mogą wprowadzać wodór i obniżyć trwałość zmęczeniową. Stale nierdzewne tworzą warstwę pasywną, jednak w chlorkach wymagają bardziej odpornych gatunków. Stopy miedzi często cynuje się dla kontaktów elektrycznych, co zabezpiecza przed utlenianiem. Zamiast polegać wyłącznie na powłoce, lepiej dopasować materiał do środowiska, a powłokę potraktować jako wsparcie.

Jaką rolę odgrywa podatność na obróbkę i spawalność taśmy?

Decydują o możliwej geometrii, powtarzalności i ryzyku uszkodzeń w procesie.

Stale nierdzewne austenityczne dobrze znoszą gięcie na zimno, ale silnie sprężynują i wymagają ostrych narzędzi. Brąz fosforowy ma dobrą podatność na wykrawanie i gięcie w małych promieniach. Beryl miedziowy kształtuje się w stanie miękkim, a następnie utwardza starzeniem. Wysoka przewodność stopów miedzi utrudnia spawanie punktowe i sprzyja lutowaniu. Spoiny oraz strefy wpływu ciepła mogą osłabiać element, dlatego połączenia mechaniczne lub lut miewają przewagę w cienkich taśmach. Dobór procesu tnącego i wykończenia krawędzi ma bezpośredni wpływ na żywotność.

Jak dobierać grubość i szerokość taśmy do funkcji sprężystej?

Sztywność rośnie silnie z grubością i liniowo z szerokością, a długość ramienia decyduje o ugięciu.

Dla sprężyn z taśmy kluczowa jest kontrola naprężeń przy maksymalnym ugięciu. Niewielki wzrost grubości mocno zwiększa siłę. Zmiana szerokości działa łagodniej i pomaga kontrolować przestrzeń. Dłuższe ramię pozwala uzyskać większe ugięcie przy tych samych naprężeniach. Moduł sprężystości materiału wpływa na ugięcie i sprężynowanie po gięciu. W praktyce warto:

Jakie testy i normy potwierdzą przydatność do sprężystych elementów?

Normy materiałowe i badania mechaniczne potwierdzają jakość i powtarzalność.

Dla taśm ze stali nierdzewnej do sprężyn stosuje się EN 10151. Dla taśm ze stopów miedzi do sprężyn i złączy stosuje się EN 1654. Wybrane badania to rozciąganie według ISO 6892-1 oraz twardość według ISO 6507 lub ISO 6508. Trwałość w środowisku ocenia się testem mgły solnej według ISO 9227 oraz klasyfikacją korozyjności według ISO 9223. Zmęczenie można badać metodami osiowymi lub zginania według właściwych norm. W branży sprężyn liczy się także zgodność z systemem jakości ISO 9001 i ścisła kontrola wymiarów. GREMET Springs używa atestowanych materiałów od wiodących europejskich dostawców i realizuje kontrolę jakości w ramach systemu ISO 9001, z dokumentacją potwierdzającą zgodność materiałów z wymaganiami.

Od czego zacząć wybór materiału dla twojego projektu?

Wybierając materiał, zacznij od analizy warunków pracy, geometrii i wymagań funkcjonalnych.

Zbierz podstawowe dane: