آیا می‌دانید فولاد فنر چیست؟

فولاد فنر چیست؟

عناصر مختلفی از جمله: سیلیسیم، منگنز، کرُم، وانادیم و مولیبدن با مقادیر و درصدهای مختلف و مناسبی در فولاد فنر به کار رفته‌اند. این آلیاژ دارای پایداری در کشش بوده که این ویژگی در فولاد فنر بسیار حائز اهمیت است.

با توجه به وجود عناصری همچون: سیلیسیم و کروم در فولاد فنر، خواصی نظیر: الاستیسیته، مقاومت و پایداری در مقابل خوردگی پدید آمده است. خاصیت الاستیسیته باعث می‌شود، هنگامی که این آلیاژ تحت فشار بسیار زیادی قرار گیرد، بتواند به مقدار کافی تغییر شکل دهد و همچنین استحکام قابل توجهی در مقابل کشش داشته باشد.

بنابراین وجود عنصر سیلیسیم در این آلیاژ نقش بسیار مهم و کلیدی را داراست. لازم به ذکر است که وجود عنصر تیتانیوم در فولاد فنر باعث ایجاد مقاومت در مقابل مواد و محیط اسیدی می‌شود و اگر مقدار و یا درصد عنصر موجود در فولاد فنر افزایش یابد، مقدار این مقاومت نیز افزایش می‌یابد و اگر مقدار آن در این آلیاژ کم شود، طبیعتا میزان مقاومت نیز کاهش می‌یابد.

 

البته لازم به ذکر است که فولاد فنر معایبی نیز دارد، از جمله: قابلیت بسیار پایین جوش کاری و همچنین احتمال بالای ترک خوردگی است. فولاد فنر دارای انواع و اقسام مختلفی است که می‌توانند قبل از شکستن به حالت‌های پلاستیک و یا الاستیک در بیایند.

حالت پلاستیک زمانی رخ می‎‌دهد که فشار از روی آن برداشته شود، و آلیاژ به حالت اول خود باز نگردد؛ ولی در الاستیک بعد از برداشتن فشار باید بتواند به حالت اول خود بازگردد.

انواع فولاد فنر CK

فولاد فنر CK از انواع فولادهای قابل عملیات حرارتی است که انوع مختلفی دارد. از جمله‌ی آن‌ها می‌توان به CK35 ، CK45، CK60، CK75 ،CK70 اشاره کرد، که دارای ویژگی و ساختار متفاوتی نسبت به یکدیگر هستند.

این فولادها در صنعت بسیار پرکاربرد و پرمصرف هستند. فنر کوپلینگ هم یکی از فنرهای پرمصرف صنایع مختلف است. فولاد فنر CK70 و CK60 بسیار پرکاربرد در صنعت هستند، که در ساخت و تولید تسمه‌های فنر از آن‌ها استفاده می‌شود.

 

مقدار و درصدهای عناصر به کار رفته در این آلیاژها با یکدیگر متفاوت است؛ ولی تا حدودی مقدار این درصدها در فولادهای فنر CK60 و CK70 به یکدیگر نزدیک است. از فولاد فنر CK75 در موارد بسیار زیادی استفاده می‌شود و دامنه‌ی کاربرد بسیار زیادی از جمله: استفاده در مهندسی مکانیک، قطعات موتورها، پیچ‌ها، شفت‌ها، محورها، بازوی اکسل‌ها، قطعات دنده‌ها، پین، میل لنگ‌ها اجزای فرران، چرخ دنده‌ها، پیسوله، رینگ‌ها، متصل‌ها، میل لنگ، مهره‌ها، چرخ‌های محرک، میل محور دارد.

بنابراین این فولاد فنر در صنایع خودرو، نفت، گاز و پتروشیمی، جنگ‌افزار سازی، معدن، غذایی و دارویی، تجهیزات آزمایشگاه، ساختمان، کشاورزی و غیره دامنه‌ی کاربرد بسیار گسترده‌ای دارد.

صنعت فنرسازی در ایران

در حال حاضر کشور ما در صنعت فنر سازی پیشرفت به سزایی داشته و توانسته در این صنعت رشد و ترقی داشته باشد. فنر از با اهمیت‌ترین قطعات مکانیکال سیستم‌های دینامیک است، که دامنه‌ی کاربرد و استفاده از آن در صنایع بسیار گسترده است.

فنرها انواع متفاوتی دارند که از جمله‌ی آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• فنر کششی
• فنر فشاری
• فنر پیچشی
• فنر دیسکی
• فنر بشقابی
• فنر دیافراگمی
• و …

این فنرها در عین حال که ظاهر بسیار ساده‌ای دارند؛ اما کاربرد و رفتاری پیچیده و غیر ساده دارند. این موضوع جالب توجه است. بنابراین ساخت و تولید هریک از این فنرها نیز با یکدیگر متفاوت بوده و نیاز به اصول و قوانین علمی متفاوتی است.

بنابراین برای ساخت فنر و تولید آن باید اصول و قوانین علمی را به کار برد؛ کار بسیار پیچیده‌ای است و نیاز به یک صنعت توسعه یافته دارد، تا بتوان فنری اصولی و مطابق با قوانین علم مکانیک تولید کرد.

در گذشته کشور ایران در این صنعت کیفیت بسیار پایینی در تولیدات و ساخت فنرها داشت؛ زیرا برای تولید این قطعه‌ی مهم و پرکاربرد، هیچ توجهی به علم روز دنیا نمی‌شد. بر اساس دانسته‌های تجربی و بدون متد اصول جهانی نسبت به تولیدات فنر اقدام می‌کردند که نتیجه‌ی آن تولیداتی با کیفیت و راندمان بسیار پایین بود.

اما امروزه برخی از شرکت‌ها به خصوص شرکت‌های دانشگاهی فعال در حوزه‌ی ساخت فنر، به دلیل استفاده از جدیدترین نرم افزارهای شبیه سازی مهندسی توانسته‌اند، کیفیت تولیدات خود را در حد زیادی افزایش دهند و در کوتاهترین زمان کیفیت خوبی از فنرها را تولید کنند.

شاه فنر یا فنر شمشی: ستون فقرات خودرو

شاه فنر یا فنر شمشی یکی از اجزای مهم سیستم تعلیق خودرو است که نقش بسیار مهمی در جذب ضربات و نوسانات ناشی از حرکت خودرو بر روی سطوح ناهموار ایفا می‌کند. این فنر به شکل یک ورقه فولادی خمیده است که با اعمال نیرو، انعطاف‌پذیری نشان داده و انرژی جنبشی ناشی از ضربه را جذب می‌کند.

ساختار و عملکرد شاه فنر:

• ساختار: شاه فنر از یک یا چند لایه فولاد با ضخامت و عرض متفاوت تشکیل شده است. این لایه‌ها به هم جوش داده شده و به شکل یک ورق خمیده در می‌آیند.
• عملکرد: هنگامی که خودرو بر روی دست‌انداز حرکت می‌کند، نیروی ضربه به شاه فنر منتقل شده و باعث خم شدن آن می‌شود. این خم شدن باعث جذب انرژی ضربه شده و از انتقال مستقیم آن به بدنه خودرو جلوگیری می‌کند. به این ترتیب، راحتی سرنشینان افزایش یافته و از آسیب دیدن قطعات خودرو جلوگیری می‌شود.

علل اصلی شکستن شاه فنر عبارتند از:

• بارگذاری بیش از حد: حمل بار سنگین‌تر از ظرفیت خودرو، فشار زیادی بر شاه فنر وارد کرده و احتمال شکستگی آن را افزایش می‌دهد.
• ضربه‌های شدید: برخورد با موانع، عبور از چاله‌های عمیق و تصادفات، می‌تواند باعث ایجاد ترک یا شکستگی در شاه فنر شود.
• خوردگی: قرار گرفتن شاه فنر در معرض رطوبت و مواد شیمیایی می‌تواند باعث خوردگی و کاهش استحکام آن شود.
• عمر مفید: با گذشت زمان و افزایش تعداد کیلومتر کارکرد، شاه فنر‌ها فرسوده شده و احتمال شکستگی آن‌ها افزایش می‌یابد.
• کیفیت پایین مواد اولیه: استفاده از مواد اولیه با کیفیت پایین در ساخت شاه فنر می‌تواند باعث کاهش استحکام و دوام آن شود.
• نصب نادرست: نصب نادرست شاه فنر یا استفاده از قطعات نامناسب می‌تواند باعث ایجاد تنش‌های اضافی در آن و در نتیجه شکستگی شود.
• تغییرات دمایی شدید: تغییرات دمایی ناگهانی و شدید می‌تواند باعث ایجاد تنش‌های حرارتی در شاه فنر و افزایش احتمال شکستگی شود.

روش‌های سخت‌کاری فنر

سخت‌کاری فنر، فرآیندی است که طی آن به سطح فنر استحکامی بیشتر از هسته آن داده می‌شود. این کار باعث افزایش طول عمر فنر، مقاومت در برابر سایش و خستگی و در نهایت بهبود عملکرد آن می‌شود. انتخاب روش سخت‌کاری مناسب به نوع فنر، جنس آن و کاربردی که برای آن در نظر گرفته شده است بستگی دارد.

روش‌های اصلی سخت‌کاری فنر عبارتند از:

۱. سخت‌کاری سطحی (Surface Hardening):

• نیتروژن‌دهی (Nitriding): در این روش، قطعه فولادی در معرض گاز آمونیاک یا مخلوطی از گازهای نیتروژن و هیدروژن در دمای پایین قرار می‌گیرد. نیتروژن وارد سطح فولاد شده و با آهن ترکیب شده و لایه نازکی از نیترید آهن را تشکیل می‌دهد. این لایه بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش است.
• کربن‌دهی (Carburizing): در این روش، قطعه فولادی در معرض کربن خالص یا ترکیبات کربنی در دمای بالا قرار می‌گیرد. کربن وارد سطح فولاد شده و با آهن ترکیب شده و لایه نازکی از کاربید آهن را تشکیل می‌دهد. این لایه نیز بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش است.
• سیانیده‌کاری (Cyaniding): ترکیبی از کربن‌دهی و نیتروژن‌دهی است. در این روش، قطعه فولادی در معرض ترکیبات سیانید در دمای بالا قرار می‌گیرد.
• فلاکس‌نیترایدینگ (Flux Nitriding): در این روش، قطعه فولادی در مخلوطی از نمک‌های مذاب قرار می‌گیرد. این نمک‌ها به عنوان فلاکس عمل کرده و باعث انتقال نیتروژن به سطح فولاد می‌شوند.

۲. سخت‌کاری حجمی (Volume Hardening):

• کوئنچ کردن (Quenching): در این روش، قطعه فولادی تا دمای آستنیتی گرم شده و سپس به سرعت سرد می‌شود. این سرد شدن سریع باعث تشکیل مارتنزیت شده که بسیار سخت است.

۳. روش‌های دیگر:

• شات پینینگ (Shot Peening): در این روش، سطح قطعه با ذرات ریز شات بمباران می‌شود. این کار باعث ایجاد تنش فشاری در سطح شده و مقاومت قطعه در برابر ترک خوردگی را افزایش می‌دهد.
• لیزر سخت‌کاری (Laser Hardening): در این روش، از لیزر برای گرم کردن موضعی سطح قطعه استفاده می‌شود. سپس قطعه به سرعت سرد شده و لایه سختی در سطح ایجاد می‌شود.

کاربرد و دلایل استفاده از فولاد از صنعت فنر سازی

کاربرد فولاد در فنر سازی بسیار متعدد است. اما از اصلی‌ترین دلایل استفاده از آن در صنعت فنرسازی می‌توان به خاصیت ارتجاعی آن که به دلیل شکل پذیری الاستیک است، اشاره کرد. این خاصیت باعث می‌شود تا بعد از برداشتن و یا رفع فشار از روی فولاد فنر دوباره این قطعه به حالت اول خود بازگردد، که همین ویژگی باعث شده تا به کاربردن آن در تولید فنر لازم و ضروری باشد.

فولاد فنر به کار رفته برای ساخت و تولید فنر باید دارای خصوصیاتی باشد که شامل موارد زیر است:

• قابلیت شکل‌پذیری خوب
• بدون هیچ گونه ایراد و نقص
• هزینه و قیمت ارزان 
• امکان دسترسی و تهیه‌ی سهل و راحت 

پس از این که فولاد در ساخت فنر استفاده شد؛ ویژگی‌هایی را در فنر ایجاد می‌کند که از مهمترین این ویژگی‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• در مقابل شکنندگی مقاومت بسیار زیادی دارد.
• دارای خاصیت الاستیکی است.
• در مقابل خوردگی مقاومت زیادی پیدا می‌کند.

مهمترین خواص به‌ وجود آمده در فولاد فنر، به علت وجود سیلیسیم و کروم است، با کم و یا زیاد شدن مقدار عناصر در فولاد فنر می‌تواند کاربرد و رفتار آن به کل تغییر کند.

کاربردهای فولاد فنر

همانطور که در قسمت‌های بالایی بیان شد، هر فولاد فنر دارای خصوصیت و ویژگی‌های مختص به خود است که از انواع کاربردهای فولاد فنر می‌توان به موارد مهم زیر اشاره کرد:

• فنرهای لوله‌ای فشاری: فاصله‌ی میان دایره‌های این نوع فنر از یکدیگر زیاد است، و تا هنگامی که به آن فشار اعمال می‌شود، می‌تواند آن را تحمل کند.
• فنر کششی: این نوع از فنرها عملکردی برعکس فنرهای لوله‌ای فشاری دارند، در این نوع از فنرها فاصله‌ی دایره‌ها کمتر بوده و برای اعمال فشار مناسب‌اند.
• فنرهای پیچشی: از این نوع فنرها هنگامی استفاده می‌شود که ملاک ما تحمل و ایجاد گشتاور باشد.
• فنرهای تخت: این فنرها برای جذب نیروهایی از جمله نیروی خمشی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• فنرهای مخروطی: این فنرها می‌توانند ضریب سختی غیر برابر را تحمل کنند؛ بدین صورت که اگر نیروی کمی بر آن وارد شود، به صورت نرم عمل می‌کند؛ ولی اگر نیروی بسیار زیادی به آن اعمال شود به صورت سخت عمل می‌کند. برای آشنایی بیشتر با فنر پیچشی و انواع آن مقاله فنر پیچشی چیست؟ را مطالعه نمایید. بدین ترتیب فولادهای فنر در صنعت کاربرد بسیار زیادی دارد.