Superlegierungen

Relaxation von Federn bei hohen Temperaturen

Einleitung

Werden Metalle Spannungen und erhöhten Temperaturen ausgesetzt, kann eine permanente Verformung eintreten. Dieses Phänomen wird als Relaxation bezeichnet, ein Belastungsverlust bei konstanter Verformung, oder Kriechverhalten, eine erhöhte Verformung bei konstanter Last. Dies ist ein wichtiger Leistungsparameter für Schraubenfedern, welche zumeist so ausgelegt sind, dass sie zu einer kontrollierten Verbiegung bei einer bestimmten Last kommt oder umgekehrt. Bei Temperaturen über 500 °C ist die Relaxation für niedriglegierte Stähle und Edelstähle so gering, dass sie für Torsionsfedern nicht verwendet werden können. Superlegierungen führen bei diesen Temperaturen zu einer besseren Leistung. Nachfolgend wird die Relaxation für einige Superlegierungen bei Temperaturen von 550 °C und darüber angegeben.

Getestete Superlegierungen

In dieser Untersuchung wurden drei unterschiedliche Drähte aus Superlegierungen und einer aus Edelstahl getestet. Die sich ergebende hauptsächliche chemische Analyse und die mechanischen Stärken sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Werkstoff

Ni

Cr

UTS [MPa]

Superlegierung A

58 19

1300

Superlegierung B

55 19

1050

Superlegierung C

53 17

1200

Edelstahl*

 

 

2090

Anmerkung * Sorte 17/7PH

Relaxationstestmethode

Es wurde ein Anzahl von Torsionsfedern aus diesen Federnmaterialien gemäß den Standardfertigungsmethoden von Lesjöfors für diese Materialsorten und Federn gefertigt. Die Federn wurden dann mit einer statischen Last auf eine spezifizierte Spannungsebene mit Hilfe eines mechanischen Gelenks zusammengedrückt. Die zusammengedrückten Federn wurde mit den Gelenken mehrere Male spezifizierten Temperaturen ausgesetzt. Nach dem Kühlen wurde jede Feder erneut getestet; und der Verlust hinsichtlich der Last wurde protokolliert. Die Dargestellte Abbildung der Relaxation wurde wie folgt definiert:

(Fb-Fa) / Fb∙ 100 = Relaxation (%)
Fb = Last bei Zusammendrücken vor der Erwärmung
Fa = Last bei Zusammendrücken nach der Erwärmung

Die folgenden Zeiten und Temperaturen wurden mit unterschiedlichen Spannungsstufen bei jeder Zeit und Temperatur benutzt:

Wekstoff

Zeit

[h]

Temp 1

[°C]

Temp 2

[°C]

Temp 3

[°C]

Superlegierung A

50

550

600

650

Superlegierung A

110

550

600

650

Superlegierung B

50

550

600

650

Superlegierung B

110

550

600

650

Superlegierung C

50

550

600

650

Superlegierung C

110

550

600

650

Edelstahl

50

550

-

-

Ergebnisse

Der Edelstahl der Sorte 17/7PH versagte - wie erwartet - nach 50 Stunden bei 550 °C und der Spannungsstufe 150 MPa. Die erhaltene Relaxation lag nahe bei 100 %. Mit dieser Sorte wurden keine weiteren Tests durchgeführt. Beispiele von Relaxationsergebnissen sind in den folgenden Diagrammen dargestellt.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse zeigen, dass Edelstahl bei diesen hohen Temperaturen nicht verwendet werden kann. Sie zeigen auch den großen Unterschied zwischen den superlegierten Sorten. Bei den getesteten superlegierten Sorten weist Sorte C die geringste Relaxation auf und erwies sich als die beste bei allen Temperaturen. Es kann auch - je nach Legierung, Temperatur und Spannung - gesehen werden, dass die Relaxation berücksichtigt werden muss, wenn Schraubenfedern für Anwendungen eingeplant werden, bei denen hohe Temperaturen zu erwarten sind.


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Superlegierung - (externer Link) 

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