GH4145耐高温弹簧有效工作温度实验与分析

叶 隆，叶超超，余海燕

（1.永嘉县三和弹簧有限公司，浙江 温州 325105；2.浙江伯特利科技有限公司，浙江 温州 325105）

随着高温弹簧应用领域的扩大和使用的常规化，越来越多的高温弹簧被应用于各个工业领域。高温下服役的弹簧除会发生通常的蠕变和松弛等现象外，还由于分子热运动的加剧而导致原子间的结合力下降。其中，工业阀门中的弹簧决定着安全阀、止回阀和其它各种阀门的正常运行[1]，弹簧的稳定性和使用寿命对阀门质量影响非常大。在高温工况下，很多阀门的工作温度可达600℃以上，对弹簧抗高温氧化性、抗高温应力松弛及疲劳寿命等性能有非常高的要求，弹簧经常出现断裂、较大的永久变形或损失承载能力而失效[2]。

GH4145是Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，该合金同时具备高温合金的三种强化特征，具有优异的综合力学性能。合金能生产具有中等或较低应力要求抗松弛的平面波形弹簧、螺旋弹簧、弹簧卡圈和碟形弹簧等产品，在980℃以下具有良好的耐腐蚀和抗氧化性能，800℃以下具有较高的强度，700℃以下具有良好的抗蠕变性能，540℃以下具有较好的抗松弛性能[3]。该合金已在国内外各种关键零部件上得到广泛应用[4-6]。

文章采用热物理试验研究GH4145合金弹簧的最佳适宜温度，对实际检测数据进行了分析，为合理应用GH4145弹簧提供理论依据，并为研究GH4145合金热加工工艺提供参考。

1 材料性能

试验弹簧材料为GH4145合金，所测弹簧试样均为从公司合格产品的样品中随机选取，弹簧材料主要的化学成分如表1所示。

表1 GH4145合金材料主要化学成分

2 实验结果与讨论

在弹簧检测过程中发现，影响弹簧耐温性能的因素很多，例如材料的温度—刚度特性、原材料冶炼和冷加工工艺、材料的抗拉强度、热处理工艺、高温强压工艺以及高温压缩量和保压时间、弹簧的设计参数等对其都有影响。

2.1 抗拉强度对弹簧耐温性能影响

在常温情况下，为提高弹簧抗疲劳破坏和抗松弛的能力，弹簧材料应具有高的屈服强度与弹性极限。由于材料的弹簧极限与屈服强度成正比，因此在材料选用时，优先选用高屈服强度材料。高温强压工艺[7]除了可以显著提高抗永久变形外，还可以提高疲劳寿命，主要应用在抗永久变形量要求高的螺旋弹簧上，是作为防永久变形的稳定化处理工艺之一。

为测试抗拉强度对耐温性能影响，选用3种不同型号的GH4145弹簧热处理前后进行测试比较。

测试对象尺寸：钢丝3.2mm，外径30mm，自由高度60mm，总圈数9。

热处理工艺：温度730℃，保温8小时，以炉冷55℃/h冷却至615℃，保温18小时后空冷，3种弹簧在热处理前后的抗拉强度对照如表2所示。

表2热处理前后抗拉强度对照表

分别在500℃、600℃、700℃高温时，采用微机控制高温压力试验机（图1）对弹簧①②③进行三次21mm下压，测量第三次强压后的自由高度，具体测试数据如表3所示。

图1微机控制高温压力试验机

表3不同抗拉强度弹簧的自由高度

根据试验数据可知，在高温强压处理后，抗拉强度越高，弹簧的耐温性更好，在700℃时所有弹簧失效。

2.2 压缩量和保压时间对耐温性能影响

压缩量的大小一般直接影响到弹簧的疲劳寿命，压缩量越大，材料所受的应力就大，弹簧容易变形。压缩保压时间长，所受的应力持久性就长，弹簧就容易变形失效。在不同温度下采用微机控制高温压力试验机对某一GH4145弹簧进行不同压缩量和保压时间下的自由高度进行检测，测试其弹性性能。

弹簧尺寸:钢丝3.0mm，外径29mm，自由高度45mm，总圈数 8。

测试方法：

弹簧①：弹簧压缩6mm，压到指定高度不保持时间，连续压3次，测量第三次高度；

弹簧②：弹簧压缩14mm，压到指定高度不保持时间，连续压3次，测量第三次高度；

弹簧③：弹簧压缩6mm，压到指定高度保持时间为30分钟，测量30分钟后的高度；

弹簧④：弹簧压缩14mm，压到指定高度保持时间为30分，测量30分钟后的高度。

不同压缩量和不同保压时间后的弹簧自由高度数据如表4所示，检测结果表明，不同压缩量和不同保压时间能获得不同的弹簧高度，随着温度的升高、压缩量加大及保压时间加长，弹簧压缩后的自由高度逐渐降低。温度在500℃左右时弹簧性能相对稳定，升高至600℃弹簧产生微量变形但对使用无影响，当升温至700℃时，弹簧的变形量超过10%，造成弹簧失效。

表4不同压缩量和保压时间后的自由高度

2.3 有效圈数对耐温性能影响

很多弹簧在常温下做立定强压不会变形，但随着使用温度的升高，切变模量和抗拉强度的降低，弹簧就会产生变形，严重变形时可能直接报废。通过前期试验，发现增加弹簧有效圈数，调小螺旋角能使弹簧在其材料可耐温范围内不容易出现变形，具体实验过程如下。

测试对象：钢丝4mm，外径44mm，自由高度70mm，总圈数8。

检测方法：采用微机控制高温压力试验机对弹簧①②进行立定强压测试和疲劳测试。

弹簧①：常规设计下的尺寸。

弹簧②：其它参数不变，有效圈数增加2圈。

（1）立定强压

检测温度：500～700℃。

检测方式：在相应的温度下将弹簧压缩至50mm，保持10分钟，重复3次，压缩第四次后，测量弹簧的剩余高度，如表5所示。

表5不同有效圈数的弹簧高温立定强压处理后的自由高度

（2）疲劳寿命

检测温度：500～700℃。

检测方式：将弹簧最低点压缩至50mm，用高温疲劳测试机（图2）压缩5万次，测量弹簧的剩余高度，检测结果如表6所示。

图2弹簧高温疲劳试验机

表6不同已行权时的弹簧高温疲劳试验后的自由高度

根据测试结果，随着温度的升高，弹簧的切变模量和抗拉强度降低，无论是常规设计下的弹簧还是增加有效圈数的弹簧，剩余高度（即自由高度）都会变短，但由于弹簧②通过增加有效圈数，降低弹簧螺距，使弹簧耐温增强，变形程度减小，从而增加了弹簧的使用寿命。另外，GH4145材料弹簧在600℃以下时性能相对稳定，700℃时弹簧基本都会失效。

3 结 论

研究了高温强压处理工艺、压缩量、保压时间和有效圈数对GH4145合金弹簧的耐温特性影响，GH4145合金生产的弹簧最高稳定使用温度在600℃左右，在升至700℃时弹簧基本失效。