發(fā)條生產(chǎn)制造工藝的試驗驗證分析

齊孟雷

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，遼寧 丹東 118009）

0 引言

由于發(fā)條具有工作可靠、維護(hù)簡單、防潮、防爆等特點，當(dāng)儀器儀表在惡劣環(huán)境氣候下工作時，用發(fā)條作為能源，其優(yōu)勢明顯［1］。因此本文以儀器儀表中定時器所用發(fā)條為研究對象，以試驗為手段，分析發(fā)條的物理性能，以確定發(fā)條的最佳生產(chǎn)方案。

1 試驗方法

試驗材料：2Cr19Ni9Mo，Φ10mm棒料。

試驗方法：對發(fā)條物理性能的影響因素較多，主要包括原材料化學(xué)成分、固溶溫度及時間、鹽浴尺寸（變形量）、定性溫度及時間，因此試驗時，觀察每個因素的影響都是把其他各因素加以固定，以觀察該因素影響的效果。

2 結(jié)果分析

2.1 原材料化學(xué)成分的影響

試驗條件：固溶1 180℃＋8min，固溶尺寸為3.7 mm，時效處理490℃＋2h，試驗結(jié)果見表1。文中成分均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 原材料的化學(xué)成分對發(fā)條性能的影響

表1中，HRB為洛氏硬度測量法（HR）中的B級標(biāo)尺，HV為維氏硬度，σb為抗拉強(qiáng)度，M2為滿弦后退兩圈力矩，M1為滿弦后退120°力矩，△M為力矩差。

由表1可知，在其他成分大致相同的情況下，含碳量高者其強(qiáng)度及力矩均較高，但軋制效果較差，軋出的條硬度高、易裂，軋制困難，成品易斷，脆性較大；含碳量低者其性能略低于含碳量高者，但塑性好，合格率高；而在原材料中加氮，則性能較低碳量有所提高。材料中碳含量高，經(jīng)固溶后，其中的碳化物完全溶解，均勻化，故表現(xiàn)出固溶后硬度值較高、強(qiáng)度高，同時碳含量高，易造成晶界腐蝕，使塑性下降，脆性增大，造成工藝難度較大，成品出現(xiàn)脆斷。組織中加氮，在固溶時，同樣以固溶狀態(tài)溶入到組織中，材料塑性很好，經(jīng)過90%形變量軋制后，金屬組織中的位錯密度增大，形成加工硬化，而當(dāng)時效處理時，有些位錯被恢復(fù)，而大量的位錯織構(gòu)被碳、氮所形成的柯氏氣團(tuán)釘扎住，提高了材料強(qiáng)度。故加氮是可行的，但量不可過高，過高將使脆性增大。

綜上所述，含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以0.21%～0.25%為宜，加氮量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.1%～0.13%，含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）0.24%以上時，不宜加氮。

2.2 原材料固溶尺寸對發(fā)條的影響

試驗條件：固溶1 180℃＋8min，時效處理490℃＋2h，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%。試驗結(jié)果見表2。

表2 原材料固溶尺寸對發(fā)條性能影響

由表2可知，固溶尺寸越大，形變量越大，位錯密度就越高。即加工硬化效果就越大，在時效強(qiáng)化后發(fā)條的抗拉強(qiáng)度也隨之提高，但當(dāng)形變量過大時位錯密度高到一定程度，便形成微裂紋，使成品脆性增大，廢品率提高。另外當(dāng)形變量大到一定程度時，其力矩提高幅度并不高，如圖1所示。但形變低時，其強(qiáng)化效果不佳。在固溶尺寸為4.2mm左右時，其強(qiáng)化效果和軋制效果均較好，變形量對力矩的落差影響不大，故應(yīng)采用4.2mm左右的固溶尺寸。

圖1 變形量與M的關(guān)系

2.3 固溶溫度的影響

試驗條件：固溶尺寸3.7mm，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%，時效處理490℃＋2h，固溶時間8min。試驗結(jié)果見表3。

表3 固溶溫度對發(fā)條性能影響

由表3可知，固溶溫度變化對成品的硬度、抗拉強(qiáng)度影響很小，對力矩影響也不明顯，溫度高能使材料固溶達(dá)到較好的程度，碳化物溶解得較多。在1 250℃時處理的材料軋制效果較差，可能是金屬組織中的晶粒變大，或是由于溫度過高組織中產(chǎn)生過燒現(xiàn)象，故固溶溫度在1 180℃左右為宜。

2.4 固溶時間的影響

試驗條件：固溶1 180℃，尺寸3.7mm，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%，時效處理490℃＋2h。試驗結(jié)果見表4。

由表4可知，固溶時間長的效果好，1 180℃時，材料達(dá)不到過熱和過燒，固溶時間長，則材料中的碳化物溶解較多，均勻化程度較好，故表現(xiàn)出固溶后的硬度較低，軋制效果也好。碳原子的均勻化對后續(xù)的時效強(qiáng)化是極有好處的，這樣的時效使其柯氏氣團(tuán)的碳化物微粒更均勻、彌散，大粒的硬化物較少，使發(fā)條的力矩也有所提高。均勻化是需要較長時間的，因此從經(jīng)濟(jì)效果考慮，取固溶時間為8min時合適，時間太短其碳化物的溶解度擴(kuò)散極不充分，對材料的性能無好處。

表4 固溶時間對發(fā)條性能影響

2.5 時效溫度的影響

試驗條件：固溶1 180℃＋8min，尺寸3.7mm，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%，時效時間為2h。試驗結(jié)果見表5。

由表5可知，時效強(qiáng)化存在一個最佳溫度區(qū)，在該溫度時，其硬度及抗拉強(qiáng)度都能達(dá)到最大值，同樣發(fā)條的力矩輸出也是符合這個規(guī)律的，它們的變化規(guī)律由圖2可清楚地反映出來。在520℃時，其組織中的碳化物析出較為均勻、彌散，是較理想的碳化物氣團(tuán)，對位錯的移動阻力最大，因此效果最好；而過高的溫度，金屬組織中的碳化物聚集長大，破壞柯氏氣團(tuán)的作用，同時，高溫時效使位錯被恢復(fù)，或被再結(jié)晶，因而發(fā)條的強(qiáng)度及力矩下降；若溫度低，將造成碳化物形核量不足或形成不了柯氏氣團(tuán)，故強(qiáng)化效果不佳，因此時效溫度以520℃為宜。

表5 時效溫度對發(fā)條性能影響

圖2 時效溫度對發(fā)條輸出力矩的影響

2.6 時效時間的影響

試驗條件：固溶1 180℃＋8min，尺寸3.7mm，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%，時效溫度為490℃。試驗結(jié)果見表6。

表6 時效時間對發(fā)條性能影響

由表6可知，在溫度一定的條件下，時效時間是一個主要參數(shù)，此試驗所取的溫度是較低的，非理想溫度。但從表6可以找出一些規(guī)律性的東西，在該溫度條件下，時間長一點較有利于時效強(qiáng)化，但不可過長，過長了同樣會使強(qiáng)度下降。這是由于碳原子及金屬原子的擴(kuò)散速度較慢，故在低溫時時間應(yīng)長一點，而在高溫時時間應(yīng)短一點。因為高溫時效的效果不好，易過時效，故在目前的裝爐量及加熱條件下時效工藝為490℃＋2.00h為宜。

3 結(jié)論

根據(jù)試驗驗證及實踐的考驗，編制出了定時器發(fā)條的生產(chǎn)工藝，按該工藝生產(chǎn)出的發(fā)條其性能及幾何尺寸是可以得到保證的。

［1］付雄剛.儀表發(fā)條的設(shè)計和計算［J］.儀表技術(shù)與傳感器，1978（3）：23-27.