GH4145耐高溫彈簧有效工作溫度實驗與分析

葉 隆，葉超超，余海燕

（1.永嘉縣三和彈簧有限公司，浙江 溫州 325105；2.浙江伯特利科技有限公司，浙江 溫州 325105）

隨著高溫彈簧應(yīng)用領(lǐng)域的擴大和使用的常規(guī)化，越來越多的高溫彈簧被應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域。高溫下服役的彈簧除會發(fā)生通常的蠕變和松弛等現(xiàn)象外，還由于分子熱運動的加劇而導(dǎo)致原子間的結(jié)合力下降。其中，工業(yè)閥門中的彈簧決定著安全閥、止回閥和其它各種閥門的正常運行[1]，彈簧的穩(wěn)定性和使用壽命對閥門質(zhì)量影響非常大。在高溫工況下，很多閥門的工作溫度可達600℃以上，對彈簧抗高溫氧化性、抗高溫應(yīng)力松弛及疲勞壽命等性能有非常高的要求，彈簧經(jīng)常出現(xiàn)斷裂、較大的永久變形或損失承載能力而失效[2]。

GH4145是Ni-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金，該合金同時具備高溫合金的三種強化特征，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。合金能生產(chǎn)具有中等或較低應(yīng)力要求抗松弛的平面波形彈簧、螺旋彈簧、彈簧卡圈和碟形彈簧等產(chǎn)品，在980℃以下具有良好的耐腐蝕和抗氧化性能，800℃以下具有較高的強度，700℃以下具有良好的抗蠕變性能，540℃以下具有較好的抗松弛性能[3]。該合金已在國內(nèi)外各種關(guān)鍵零部件上得到廣泛應(yīng)用[4-6]。

文章采用熱物理試驗研究GH4145合金彈簧的最佳適宜溫度，對實際檢測數(shù)據(jù)進行了分析，為合理應(yīng)用GH4145彈簧提供理論依據(jù)，并為研究GH4145合金熱加工工藝提供參考。

1 材料性能

試驗彈簧材料為GH4145合金，所測彈簧試樣均為從公司合格產(chǎn)品的樣品中隨機選取，彈簧材料主要的化學(xué)成分如表1所示。

表1 GH4145合金材料主要化學(xué)成分

2 實驗結(jié)果與討論

在彈簧檢測過程中發(fā)現(xiàn)，影響彈簧耐溫性能的因素很多，例如材料的溫度—剛度特性、原材料冶煉和冷加工工藝、材料的抗拉強度、熱處理工藝、高溫強壓工藝以及高溫壓縮量和保壓時間、彈簧的設(shè)計參數(shù)等對其都有影響。

2.1 抗拉強度對彈簧耐溫性能影響

在常溫情況下，為提高彈簧抗疲勞破壞和抗松弛的能力，彈簧材料應(yīng)具有高的屈服強度與彈性極限。由于材料的彈簧極限與屈服強度成正比，因此在材料選用時，優(yōu)先選用高屈服強度材料。高溫強壓工藝[7]除了可以顯著提高抗永久變形外，還可以提高疲勞壽命，主要應(yīng)用在抗永久變形量要求高的螺旋彈簧上，是作為防永久變形的穩(wěn)定化處理工藝之一。

為測試抗拉強度對耐溫性能影響，選用3種不同型號的GH4145彈簧熱處理前后進行測試比較。

測試對象尺寸：鋼絲3.2mm，外徑30mm，自由高度60mm，總?cè)?shù)9。

熱處理工藝：溫度730℃，保溫8小時，以爐冷55℃/h冷卻至615℃，保溫18小時后空冷，3種彈簧在熱處理前后的抗拉強度對照如表2所示。

表2熱處理前后抗拉強度對照表

分別在500℃、600℃、700℃高溫時，采用微機控制高溫壓力試驗機（圖1）對彈簧①②③進行三次21mm下壓，測量第三次強壓后的自由高度，具體測試數(shù)據(jù)如表3所示。

圖1微機控制高溫壓力試驗機

表3不同抗拉強度彈簧的自由高度

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，在高溫強壓處理后，抗拉強度越高，彈簧的耐溫性更好，在700℃時所有彈簧失效。

2.2 壓縮量和保壓時間對耐溫性能影響

壓縮量的大小一般直接影響到彈簧的疲勞壽命，壓縮量越大，材料所受的應(yīng)力就大，彈簧容易變形。壓縮保壓時間長，所受的應(yīng)力持久性就長，彈簧就容易變形失效。在不同溫度下采用微機控制高溫壓力試驗機對某一GH4145彈簧進行不同壓縮量和保壓時間下的自由高度進行檢測，測試其彈性性能。

彈簧尺寸:鋼絲3.0mm，外徑29mm，自由高度45mm，總?cè)?shù) 8。

測試方法：

彈簧①：彈簧壓縮6mm，壓到指定高度不保持時間，連續(xù)壓3次，測量第三次高度；

彈簧②：彈簧壓縮14mm，壓到指定高度不保持時間，連續(xù)壓3次，測量第三次高度；

彈簧③：彈簧壓縮6mm，壓到指定高度保持時間為30分鐘，測量30分鐘后的高度；

彈簧④：彈簧壓縮14mm，壓到指定高度保持時間為30分，測量30分鐘后的高度。

不同壓縮量和不同保壓時間后的彈簧自由高度數(shù)據(jù)如表4所示，檢測結(jié)果表明，不同壓縮量和不同保壓時間能獲得不同的彈簧高度，隨著溫度的升高、壓縮量加大及保壓時間加長，彈簧壓縮后的自由高度逐漸降低。溫度在500℃左右時彈簧性能相對穩(wěn)定，升高至600℃彈簧產(chǎn)生微量變形但對使用無影響，當升溫至700℃時，彈簧的變形量超過10%，造成彈簧失效。

表4不同壓縮量和保壓時間后的自由高度

2.3 有效圈數(shù)對耐溫性能影響

很多彈簧在常溫下做立定強壓不會變形，但隨著使用溫度的升高，切變模量和抗拉強度的降低，彈簧就會產(chǎn)生變形，嚴重變形時可能直接報廢。通過前期試驗，發(fā)現(xiàn)增加彈簧有效圈數(shù)，調(diào)小螺旋角能使彈簧在其材料可耐溫范圍內(nèi)不容易出現(xiàn)變形，具體實驗過程如下。

測試對象：鋼絲4mm，外徑44mm，自由高度70mm，總?cè)?shù)8。

檢測方法：采用微機控制高溫壓力試驗機對彈簧①②進行立定強壓測試和疲勞測試。

彈簧①：常規(guī)設(shè)計下的尺寸。

彈簧②：其它參數(shù)不變，有效圈數(shù)增加2圈。

（1）立定強壓

檢測溫度：500～700℃。

檢測方式：在相應(yīng)的溫度下將彈簧壓縮至50mm，保持10分鐘，重復(fù)3次，壓縮第四次后，測量彈簧的剩余高度，如表5所示。

表5不同有效圈數(shù)的彈簧高溫立定強壓處理后的自由高度

（2）疲勞壽命

檢測溫度：500～700℃。

檢測方式：將彈簧最低點壓縮至50mm，用高溫疲勞測試機（圖2）壓縮5萬次，測量彈簧的剩余高度，檢測結(jié)果如表6所示。

圖2彈簧高溫疲勞試驗機

表6不同已行權(quán)時的彈簧高溫疲勞試驗后的自由高度

根據(jù)測試結(jié)果，隨著溫度的升高，彈簧的切變模量和抗拉強度降低，無論是常規(guī)設(shè)計下的彈簧還是增加有效圈數(shù)的彈簧，剩余高度（即自由高度）都會變短，但由于彈簧②通過增加有效圈數(shù)，降低彈簧螺距，使彈簧耐溫增強，變形程度減小，從而增加了彈簧的使用壽命。另外，GH4145材料彈簧在600℃以下時性能相對穩(wěn)定，700℃時彈簧基本都會失效。

3 結(jié) 論

研究了高溫強壓處理工藝、壓縮量、保壓時間和有效圈數(shù)對GH4145合金彈簧的耐溫特性影響，GH4145合金生產(chǎn)的彈簧最高穩(wěn)定使用溫度在600℃左右，在升至700℃時彈簧基本失效。