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波纹管弹性元件的材料要求

    对波纹管弹性元件材料的要求 
    1.弹性材料的基本要求 
    一般情况下,波纹管弹性元件的制造材料应满足下列条件: 
    有良好的塑性,便于波纹管类弹性元件的加工成形,且能通过随后的处理工艺(冷作硬化、热处理等),获得足够的弹性和强度高的弹性极限、抗拉强度和疲劳强度,保证弹性元件的正常工作有好的焊接性能,满足波纹管类组件制造过程中的焊接工艺要求材料的弹性性能稳定,受时间和温度的影响小,低的滞后、应力弛豫与蠕变较好的耐腐蚀稳定性 
    2. 弹性材料的选用原则 
    弹性元件的使用范围很广,工作条件和特性要求不一。因此,对材料提出了各种各样的要求。对于一些性能要求不太高的弹性元件,材料的选择就比较简便。如作为补偿用的波纹节(波纹膨胀节),要求在较高的温度和压力下工作,对弹性特性的要求不高。这类弹性元件可选用不锈钢材料制造。仪器仪表中的弹性元件有的要求导磁,而大多数要求用非磁性材料制成。在很多场合,要求材料具有高的(或低的)导电性。有些弹性元件要求在高温、高压条件下工作,这时材料必须具备耐热性和抗蠕变性能;当弹性元件与腐蚀性介质相接触,它应当有足够的耐腐蚀稳定性。 
    对于弹性元件的材料来说,要满足各种各样的,有时往往是相互矛盾的全部综合性能要求是相当困难的。选择弹性材料时,应着重考虑满足元件的主要性能要求,然后再兼顾其他。譬如,某些仪器仪表中使用的弹性元件,对耐热性和导电性都提出了要求。但两者兼备的要求是相互矛盾的。元件的耐热性可以采用高合金化材料解决,而这会降低它的导电性;纯金属或低合金材料具有高的导电率,但是耐热性很低。在许多情况下,高的耐热性要求更为重要,因为提高电导率还可以通过其他途径实现。所以在这种情况下应该选用高合金化的耐热材料,虽然它的电导率不够高。 
    3. 许用应力和安全系数 
    要能保证弹性元件长期正常地工作,在设计时,必须使弹性元件上的工作应力满足一定条件。 
    弹性元件使用的工作条件不尽相同,因此极限应力可以有不同的取法.一般情况下,弹性元件均在弹性范围内工作,因而极限应力可认为是材料的弹性极限;在交变载荷作用下的弹性元件,极限应力应选取材料的疲劳强度;高温条件下工作的弹性元件,极限应力可选取材料的蠕变极限;在容易失稳状态下使用的弹性元件,极限应力应认为是刚产生失稳时的临界应力。 
    安全系数的大小由如下因素决定:弹性元件的使用场合及必须具备的可靠性,元件的工作条件和耐久性;材料力学性能参数测试的准确性等。 
    安全系数值又决定于极限应力的选取类型(拉伸强度、弹性极限、屈服强度、疲劳强度或蠕变极限等)。大多数弹性元件是在弹性范围内工作,极限应力取作材料的弹性极限,这时安金系数可取得接近于1;但多数材料的弹性极限不易查到,通常只能采用屈服强度来计算,这时安全系数应取得大些。如果某种材料只知道拉伸强度如按拉伸强度计算的安全系数,应该选取得更大一些。具体选多大,要按照它们之间的关系确定。 
    有些情况下,弹性元件没有所需要的计算方法(如压力计用弹性元件的疲劳寿命和耐久性、波纹管及膜片膜盒的稳定性等),另外材料的某些力学性能(如弹性极限、疲劳强度、蠕变极限等)均不知道。这时,弹性元件不能正常工作的极限应力,要用实验方法确定。 
    弹性元件常用材料 
    1.金属弹性材料 
    弹性元件的制造材料要求具有良好的塑性,并通过随后的处理得到高的弹性和强度。按照获得弹性途径的不同,弹性材料可分为如下三类: 
    (1)冷作硬化型材料 
    这类材料在退火状态具有高的塑性,在制作弹性元件时经过塑性变形,导致材料的加工硬化,从而显著提高了自身的弹性。黄铜、锡青铜、不锈钢如(1Cr18Ni9Ti)等都属于这类材料。用这些材料制造弹性元件的工艺比较简单,在成形后一般不需要进行专门的热处理。但这类材料的弹性不高,而且元件制造过程中存在较大的残余应力,造成其弹性特性随时间和温度而变化的不稳定性。 
    (2)淬火硬化型材料 
    这类材料在退火状态时塑性较高,通过淬火与随后回火的方法得到所需要的弹性。各种弹簧钢均属于此类材料。它们具有很高的弹性和强度,但经热处理强化后材料的塑性很低。一般情况下,不用来制作复杂形状的弹性元件,而常用于制造各种螺旋弹簧和片簧等。 
    (3)弥散硬化型材料 
    这类材料在淬火状态下塑性很好,时效热处理(回火)可以显著提高它们的弹性。属于弥散硬化型的材料有被青铜和各种精密弹性合金。淬火状态的弥散硬化型材料具有高的塑性,可以制作复杂形状的波纹管及其它弹性元件。在元件加工成形过程中没有明显的弹性回跳,可以得到符合要求的元件形状与尺寸。经时效热处理后,弹性元件能获得高的强度和弹性,它们的强度性能优于淬火硬化型材料。此外,在弹性元件时效强化过程中残余应力基本上得到完全消除,元件的弹性滞后非常小。因此,弥散硬化型材料具有良好的工艺性和使用性能。 
    金属弹性材料的种类很多,下面主要介绍弹簧钢、铜合金、不锈耐酸钢和精密弹性合金四类常用的弹性材料。 
    弹簧钢 
    这类材料主要用于制造各种螺旋弹簧、板弹簧和片簧等,它们在冷加工后要经过淬火和回火处理,才能得到较高的弹性。其主要品种有碳素钢65 和75、锰钢(65Mn)、硅锰钢(60Si2Mn和60Si2MnA)、铬钒钢(50CrVA)等。碳素钢65和75在退火状态有良好的韧性和塑性,经热处理后可得到较高的弹性和强度,用来制造螺旋弹簧与片簧。一般常采用铅浴淬火和随后强烈冷拔的高碳弹簧钢丝制做小尺寸的螺旋弹簧。但其缺点是屈强比比较低,经不起较大的过负载,而且淬透性较差。碳素弹簧钢只适用于制造尺寸较小的、不太重要的小型弹簧。锰钢的强度与碳素钢差不多,但淬透性较高,抗疲劳性能较好,适宜于制造较大尺寸的弹簧。硅锰钢的应用较为广泛,它们具有高的淬透性和强度,脱碳倾向小,适宜于制造工作条件比较恶劣的各种弹簧,还可以用干工作温度低于250℃的耐热弹簧。铬钒钢强度较好,高的屈强比,淬透性较高,塑性和韧性良好,并具有一定的耐热性,主要用于制造高压压力表中的弹簧管,以及承受较高应力或交变载荷条件下工作的各种弹簧。使用温度可以达到400 ℃。 
    铜合金 
    这类材料在弹性元件制造材料中占有很大比重。其中黄铜、锡青铜是用于制造普通波纹管、片簧和膜片膜盒的常用材料,它们的塑性很好,在制造元件过程中可经受深度拉伸,并且焊接性能较好,但成形的元件具有较大的残余应力。被青铜是性能理想的弹性材料,它具有高的强度、弹性、疲劳极限和蠕变抗力。镍铜合金具有良好的耐腐蚀性能.适用干制造耐蚀耐热的弹性元件。 
    1)黄铜 
    属于冷作硬化型材料,退火状态具有高的塑性,易于加工制造波纹管、波纹膜片等形状复杂的弹性元件。材料经冷加工后可获得一定的弹性。但这种材料强度和弹性较低,并且弹性迟滞严重。 
    2)锡青铜 
    锡青铜的强度较高,有一定的耐蚀性,经冷加工后可获得较高的弹性。锡青铜是制造波纹管和膜片膜盒的一种常用材料。锡青铜QSn6.5-0.1和QSn6.5-0.4的性能相近,后者比前者的强度略高。 
    3)铍青铜 
    属弥散硬化型合金,具有良好的工艺和使用性能。导电性能、耐腐蚀性能均较好,又有一定的耐热性,综合性能很好。但因铍青铜价格昂贵,一般用作制造精密弹性元件。 
    4)镍铜合金 
    镍铜合金NCu28-2.5-1.5(蒙乃尔合金)具有优良的抗蚀性和耐热性,可在各种腐蚀介质及温度达切400℃ 的条件下工作,适干制造耐蚀耐热的弹性元件。 
    不锈钢 
    不锈钢包括不锈耐酸钢和耐热钢等类,其中有些不锈钢品种兼有耐酸和耐热性能,可以在腐蚀性介质及高温条件下工作,多用于制造耐蚀、耐热的波纹管类组件。在不锈钢材料中,1Cr18Ni9Ti应用最广,常用来制造波纹管、膜片膜盒和波纹换热管等。Cr18Ni12Mo2Ti是新型不锈钢弹性材料,它的耐蚀和耐热性能要强于不锈钢1Cr18Ni9Ti。它们都属于冷作硬化型材料。 
    精密弹性合金 
    精密弹性合金是一种新型弹性材料,它们具有高强度、高弹性,耐腐蚀、耐高温、耐疲劳等特点,因此在精密测量的仪器仪表中得到广泛的应用。精密弹性合金包括高弹性合金和恒弹性合金两类。高弹性合金主要有钴基合金和铁基合金,恒弹性合金是镍基合金。它们都属弥散硬化型材料。 
    1)钴基弹性合金 
    它们具有高弹性、低滞后、耐腐蚀、无磁等特点,适用于制造高负荷下上作的弹性元件,使用温度可达400℃。钴基合金主要有3J21~3J24。这些合金在淬火后必须经受大的冷加工变形(变形量>70% ),随后进行时效处理,才会使材料出现弥散硬化,获得高弹性和高强度。如果合金的冷加工变形量不够,时效产生的弥散硬化作用就不显著。 
    2)铁基弹性合金 
    它们具有扰磁、耐腐蚀、高弹性、高强度等特点,可用来制造高线性特性和较小滞后的弹性元件。铁基合金主要有3J1、Ni36CrTiAlMo5和Ni36CrTiAlMo8等。合金在淬火状态下有较高的塑性,加工性能良好,能够制造各种复杂形状的弹性元件,如波纹管、膜片膜盒、压力弹簧管等,通过随后的时效处理即可得到高弹性。 
    3)恒弹性合金 
    这类合金具有高的强度和弹性,并且弹性模量温度系数非常小.恒弹性合金主要有3J53 、3J58 等。恒弹性合金的弹性特性十分稳定,广泛用于制造精密级的弹性元件,如谐振弹性元件、精密波纹管、标准压力表用弹簧管、航空仪表中的膜片膜盒等。 
    2. 非金属弹性材料 
    当弹性元件需要非常小的刚度时,可采用弹性模量很小的非金属材料,如橡胶、塑料、涤纶等。石英材料(即熔石英)具有特别高的弹性模量,非常小的弹性模量温度系数和滞后,是制造精密弹性元件的一种很有前途的材料。 
    (1)橡胶 
    根据弹性元件的特性要求,橡胶材料应有较高的弹性和抗弯强度,能耐一定的使用温度,抗老化性能好。同时,还应具备工艺性能稳定、流动性好、硫化速度适当等特点。 
    为了保证橡胶材料的强度和气密性,橡胶内可增设夹层。夹层材料的种类很多,薄而致密的织品一般都可使用,常用夹层为9 号卡普龙。夹层材料应具有良好的挠性,薄而强度高,滞后小,耐腐蚀,与橡胶结合好等特点。 
    (2)塑料 
    作为弹性元件应用的主要是氟塑料,它们具有一定的强度和弹性,很高的耐腐蚀稳定性和温度稳定性。目前,氟塑料己被用来制造波纹管和膜片等。 
    (3)石英(熔石英) 
    石英的熔点为1713 ℃,熔化的石英冷却后成为非晶质的熔石英。石英的线胀系数很小,弹性模量非常高,且不随温度而变。用石英材料制成的弹性元件其弹性特性具有很高的线性度,石英弹性元件已在超高精度的仪器仪表及测量装置中得到应用。
 
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