选择碟形弹簧材质时需考虑的因素

作者 John Valvoda, 碟形弹簧应用专家

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碟形弹簧是理想的功能部件，可在规定的行程范围内提供稳定且可预测的力。与其他类型的弹簧（包括贝氏垫圈）不同，碟形弹簧具有可预测且可计算的疲劳寿命，其可靠性和可预测性优于其他各类弹簧。虽然碟形弹簧看似是一个简单的锥形垫圈，但选择合适的碟形弹簧或碟形弹簧组却颇具技术性。

为您应用的碟形弹簧选择合适的材质，与选择合适的尺寸同样重要。原因在于，材质的选择会受到以下因素的影响：

1. 载荷
2. 工作环境
3. 疲劳寿命
4. 成本

以下是对上述（4）个变量以及每个变量如何影响碟形弹簧材质选择的概述。

dsc disc spring stacks in carbon and stainless steel

图 1
碟形弹簧有多种材质可供选择。
图中左侧为碳钢材质，右侧为 17-7 不锈钢材质。

载荷

通常情况下，碳钢与合金钢（也称弹簧钢）碟形弹簧性能最佳，因为它们具有良好的“弹性”，同时，该两种材质经热处理后也具有极佳的耐用性和抗疲劳性。相同尺寸的碳钢或合金钢碟形弹簧比301或17-7不锈钢碟形弹簧的载荷更高（高5-6%）。虽然弹簧钢在普通环境下性能优异，但其性能在高温下会开始下降。不锈钢碟形弹簧具有更好的耐温性，但在极端温度下，其载荷不如Inconel等特殊材质。在防腐蚀环境下，设计工程师可从成本效益考虑，是叠合使用2或3个不锈钢碟形弹簧，还是使用1个经机械镀锌或 ArmorGalv^®（锌合金热扩散涂层）处理的碳钢或合金钢碟形弹簧——两种方案都能达到相同的载荷。

工作环境考量

选择碟形弹簧的材质时，需要考虑诸多因素。其中，环境温度和腐蚀风险是选择碟形弹簧材质和/或涂层的主要因素。

例如:

在航空航天应用中，极端温度环境会影响性能，使用Inconel合金材质的碟形弹簧是否合适？也许合适，或者您也可以考虑采用不同配置的17-7不锈钢碟形弹簧，以达到所需的装配性能。弹簧钢可能无法承受腐蚀性环境。在这种情况下，尤其是在动态应用中，17-7不锈钢可能是最佳选择。
在制动系统中，使用寿命至关重要，清洁度也至关重要，以防止碎屑进入制动管路，不锈钢似乎是显而易见的选择。但如果实际应用中，碟形弹簧浸泡在液压油中呢？未涂层的碳钢和合金钢碟形弹簧在该环境下性能更优，成本更低，且浸泡在液压油中的碟形弹簧还能免受腐蚀。

疲劳寿命

碟形弹簧的材质选择会影响应用中的预期疲劳寿命。影响碟形弹簧疲劳寿命的最大因素是施加在碟形弹簧上的应力与达到材质的拉伸/屈服强度的接近程度。第二个因素是循环过程中最大和最小应力之间的差异，差异越大，疲劳寿命就越短。另一个需要考虑的重要因素是碟形弹簧在应用中的使用方式，碟形弹簧适用于静态、动态还是冲击环境？在动态应用中，与 17-7 不锈钢和碳/合金钢相比，300 系列不锈钢会加工硬化，并且疲劳寿命可能较短。在做出最终决定之前，应计算特定应用中碟形弹簧的疲劳寿命。

成本

显然，材质越稀有，碟形弹簧的成本就越高。然而，成本真的是主要驱动因素吗？使用更稀有但使用寿命更长、无需频繁更换的材质，是否总体成本上更具成本效益？或者，使用市面上常见的标准材料制成的碟形弹簧，即使需要更频繁地更换，在预期使用寿命下，是否仍然能带来更低的总体成本？成本问题远比表面看起来复杂。

疲劳寿命图: 1.25mm ≤ t ≤ 6.0mm

图 2
DSC 50 x 25.4 x 2 碟形弹簧的预期疲劳寿命
Y轴 = 最大差异应力，N/mm2
X轴 = 最小拉伸应力，N/mm2

结论

在为特定应用选择最合适的碟形弹簧材质时，需要考虑诸多因素。建议您与专门从事碟形弹簧及碟形弹簧组设计和制造的应用工程师合作，以确保选择合适的材质，从而满足您所需的技术和商业要求。