CN113369416A - 抗松弛高温弹簧的加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及弹簧加工技术，公开了一种抗松弛高温弹簧的加工方法，采用申请的加工方法制造的弹簧能够长期稳定服役于650～700℃高温中，同时有效抑制高温应力松弛。该加工方法包括：选取预设规格合金冷拔丝材；根据预设弹簧参数将所述合金冷拔丝材绕制成螺旋弹簧；将所述螺旋弹簧在965～995℃温度下进行0.5～1h的固溶处理；以及将固溶处理后的所述螺旋弹簧进行时效处理。

Description

抗松弛高温弹簧的加工方法

技术领域

本申请涉及弹簧加工技术，特别涉及抗松弛高温弹簧的加工技术。

背景技术

随着我国能源需求的激增，能源缺口问题愈加严重，干净、安全、高效 率的先进核能是解决我国能源问题的最佳方法，大力发展核能也是未来我国 能源结构调整和优化的重要方向。

作为核反应堆堆芯重要组成部分的控制棒组件主要包括棒体组件、引棒 组件两部分。其中棒体组件包括棒头、模拟吸收体、吸收体组件(碳化硼)、 控制棒外套管、控制棒内套管、吸收体压块、压紧弹簧等。其中吸收体组件 与合金热膨胀系数差别较大，因此控制棒吸收体段顶部装有压紧弹簧，用于 补偿辐照及热膨胀下吸收体与合金产生的轴向膨胀差，也可以防止吸收单元 在紧急落棒及运输过程中发生串动。

考虑到核反应堆通常服役年限为10年以上，需要压紧弹簧具有在高温 下长期抗松弛的特性。然而目前并没有650～700℃高温下长期服役的高温弹 簧的应用。例如，Inconel X-750(UNS N07750)合金能够在800℃以下保持 较高的强度以及耐腐蚀性能，但是采用传统的Inconel X-750合金弹簧制造 工艺得到弹簧在650-700℃会出现明显的松弛，导致弹簧在受到长期载荷后 不回弹，使控制棒组件吸收体(碳化硼)的轴向压紧失效。

发明内容

本申请的目的在于提供一种抗松弛高温弹簧的加工方法，采用本申请的 加工方法制造的弹簧能够长期稳定服役于650～700℃高温中，同时有效抑制 高温应力松弛。

本申请公开了一种抗松弛高温弹簧的加工方法，包括：

选取预设规格合金冷拔丝材；

根据预设弹簧参数将所述合金冷拔丝材绕制成螺旋弹簧；

将所述螺旋弹簧在965～995℃温度下进行0.5～1h的固溶处理；

将固溶处理后的所述螺旋弹簧进行时效处理。

在一个优选例中，所述将所述螺旋弹簧在965～995℃温度下进行0.5～ 1h的固溶处理，进一步包括：

将所述螺旋弹簧在980±5℃温度下进行0.5～1h的固溶处理。

在一个优选例中，所述将固溶处理后的所述螺旋弹簧进行时效处理，进 一步包括：

将固溶处理后的所述螺旋弹簧在725～740℃温度下保温16～20h，进行 时效处理。

在一个优选例中，所述将固溶处理后的所述螺旋弹簧进行时效处理，进 一步包括：

将固溶处理后的所述螺旋弹簧在730±2℃温度下保温16～20h，进行时 效处理。

在一个优选例中，所述预设规格合金冷拔丝材为Inconel X-750(UNS N07750)冷拔丝材。

在一个优选例中，所述将所述螺旋弹簧在965～995℃温度下进行0.5～1h的固溶处理之后，还包括：

将固溶处理后的所述螺旋弹簧空冷或者随炉温冷却；

所述将所述固溶处理后的螺旋弹簧进行时效处理，进一步包括：

将空冷或者随炉温冷却的所述螺旋弹簧进行时效处理。

在一个优选例中，所述将所述固溶处理后的螺旋弹簧进行时效处理之后， 还包括：

将时效处理后的所述螺旋弹簧的两端面磨平；

对所述两端磨平后的所述螺旋弹簧进行高温立定处理；

对高温立定处理后的所述螺旋弹簧进行探伤检测；

对所述探伤检测后的所述螺旋弹簧进行清洗、包装。

在一个优选例中，所述将时效处理后的所述螺旋弹簧的两端面磨平，进 一步包括：

将时效处理后的所述螺旋弹簧的两端面磨削3/4圈，磨面角度大于270 度；

所述对所述两端磨平后的所述螺旋弹簧进行高温立定处理，进一步包括：

对所述两端磨平后的所述螺旋弹簧在650～700℃温度下压并3～5次。

本申请实施方式中，至少包括以下优点和效果：

本申请的实施方式首先选取预设规格合金冷拔丝材，然后对合金冷拔丝 材绕制成螺旋弹簧，之后对绕制的弹簧在965～995℃温度下进行0.5～1h的 固溶处理，之后对固溶处理后的弹簧进行时效处理，与现有技术相比，本申 请的实施方式在“时效处理步骤”之前增加一道“固溶处理步骤”，可以有 效消除冷拔过程中所产生的大部分或者全部应力，避免了弹簧在后续使用过 程中出现应力松弛的问题。

进一步地，将绕制的Inconel X-750弹簧在980±5℃进行0.5～1h的固 溶处理，之后将其在730±5℃温度下保温16～20h以进行时效处理，使得弹 簧在650℃温度下预压24h解除后回弹到压缩高度的90％左右。

本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如 果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得 说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技 术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开 的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这 些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在 技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子 中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技 术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组 合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E 的方案应当视为已经被记载。

附图说明

图1是根据本申请第一实施方式的抗松弛高温弹簧的加工方法流程示意 图；

图2是对比试验的步骤2)中卷簧绕制的尺寸；

图3是对比试验的工装示意图。

其中，

301-工装盖板 302-被测弹簧

303-工装筒

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。 但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下 各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

下面概要说明本申请的部分创新点：

一般在650～700℃高温下长期服役的弹簧的加工方法采用冷拔丝作为 原始材料，例如，Inconel X-750合金冷拔丝材，其冷拉变形量为15％，在卷 簧过后直接在730℃下进行16h以上的时效强化，以析出γ’相，弹簧的强 度主要是来源于冷拔丝中大量的位错塞积应力以及时效析出的γ’相。但是 由于冷拔过程中产生的应力在650℃～700℃下会逐步释放，所以大多会出现 松弛、无法回弹的情况。本申请的实施方式在“时效处理步骤”前加一道“固 溶处理步骤”，可以有效消除冷拔过程中所产生的应力，避免了弹簧在后续 使用过程中出现应力松弛和无法回弹的问题。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申 请的实施方式作进一步地详细描述。

本申请的第一实施方式涉及一种抗松弛高温弹簧的加工方法，其流程如 图1所示，该方法包括以下步骤：

在步骤101中，选取预设规格合金冷拔丝材。

之后进入步骤102，根据预设弹簧参数将该合金冷拔丝材绕制成螺旋弹 簧。

之后进入步骤103，将该螺旋弹簧在965～995℃温度下进行0.5～1h的 固溶处理。例如可以在965℃温度下进行0.5h、0.8h或1h等时长的固溶处 理；再例如可以在980℃温度下进行0.5h、0.8h或1h等时长的固溶处理； 又例如可以在995℃温度下进行0.5h、0.8h或1h等时长的固溶处理；且不 限于此，其他的任何组合都在本申请的保护范围内。

可选地，该步骤103可以进一步包括以下步骤：

将该螺旋弹簧在980±5℃温度下进行0.5～1h的固溶处理。

之后，进入步骤104，将固溶处理后的该螺旋弹簧进行时效处理。

可选地，该步骤104可以进一步包括以下步骤：

将固溶处理后的该螺旋弹簧在725～740℃温度下保温16～20h，进行时 效处理。例如可以在725℃温度下保温16h、18h或20h等时长进行时效处 理；再例如可以在740℃温度下保温16h、18h或20h等时长进行时效处理； 又例如可以在730℃温度下保温16h、18h或20h等时长进行时效处理；且不 限于此，其他的任何组合都在本申请的保护范围内。

可选地，该步骤104还可以进一步包括以下步骤：

将冷空后的该螺旋弹簧在730±2℃温度下保温16～20h，进行时效处理。

可选地，在步骤103和步骤104之间，还包括以下步骤：

将固溶处理后的所述螺旋弹簧空冷或者随炉温冷却。

可选地，该预设规格合金冷拔丝材为Inconel X-750合金冷拔丝材。例 如但不限于该预设规格合金冷拔丝材的直径为2mm、2.5mm等。需要说明的 是，本申请涉及的“固溶处理+时效处理”的弹簧加工方法不仅限于Inconel X-750合金材质，“固溶处理+时效处理”这一思想同样可以用于Inconel 718 材质等其他常用制造弹簧的合金，可能只是在固溶处理和时效处理制度上有 所区别。

可选地，该预设规格合金冷拔丝材的冷拉变形量可以但不限于为15％等。

该弹簧参数可以包括弹簧高度、外径和圈数。该预设弹簧参数例如但不 限为弹簧高度为85.2mm，外径为24mm，圈数为13圈等。

可选地，该步骤104之后还包括以下步骤①②③④：

①将时效处理后的该螺旋弹簧的两端面磨平；

②对该两端磨平后的该螺旋弹簧进行高温立定处理；

③对高温立定处理后的该螺旋弹簧进行探伤检测；

④对该探伤检测后的该螺旋弹簧进行清洗、包装。

在一个实施例中，该步骤①可以进一步包括以下步骤：

将时效处理后的该螺旋弹簧的两端面磨削3/4圈，磨面角度大于270度。

在一个实施例中，该步骤②可以进一步包括以下步骤：

对该两端磨平后的该螺旋弹簧在650～700℃温度下压并3～5次。

为了能够更好地理解本申请的技术方案，下面结合一个具体的对比试验 来进行说明。该对比试验中罗列的细节主要是为了便于理解，不作为对本申 请保护范围的限制。该对比试验包括两个实施例(实施例1和实施例2)， 其中实施例1是根据本申请的实施方式对示例弹簧进行加工，依次进行以下 步骤1)～8)：

步骤1)：选用Inconel X-750合金冷拔丝。

步骤2)：根据图2所示的尺寸要求进行卷簧绕制，弹簧卷制旋向右，总 圈数为15，有效圈数为13。

步骤3)：在980℃温度下保温0.5h，进行固溶处理后空冷。

步骤4)：在730℃温度下保温20h进行时效处理。

步骤5)：将弹簧端面磨削3/4圈，磨面角度大于270度。

步骤6)：将弹簧在700℃下压并5次。

步骤7)：采用超声波对弹簧进行探伤检测。

步骤8)：将弹簧进行清洗、包装。

而实施例2除了未进行实施例1的步骤3)外，其他都与实施例1都相 同，即实施例2包括上述步骤1)～2)和步骤4)～8)。

注：实施例1和实施例2的实测尺寸见下表1。可以理解，弹簧总高由 于个体差异，可以忽略。

表1

	实施例1	实施例2
			弹簧总高(mm)	85.2	86.2
丝径(mm)	2.5	2.5
			外径(mm)	24.0	24.0
圈数	13	13

对实施例1和2所制造的弹簧进行压缩试验，将弹簧装入图3所示工装 (工装高L＝57mm)在650℃保温24h，实验结果如表2所示。从实验结果可 以看到：实施例1预压结束后回弹27mm，仍保持很好的回弹性能，几乎没有 松弛的现象出现；而实施例2预压结束后不出现任何回弹。

表2

	实施例1	实施例2
			试验压缩高度(mm)	30	30
650℃预压24h解除后回弹高度(mm)	27	0

需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系 术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定 要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且， 术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从 而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而 且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品 或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限 定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在 另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为， 则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该 要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种 等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。并且，本 申请中涉及到“～”和“—”数值范围，都包含范围两端的值。

在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内 容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的 上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些 等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种抗松弛高温弹簧的加工方法，其特征在于，包括：

选取预设规格合金冷拔丝材；

根据预设弹簧参数将所述合金冷拔丝材绕制成螺旋弹簧；

将所述螺旋弹簧在965～995℃温度下进行0.5～1h的固溶处理；

将固溶处理后的所述螺旋弹簧进行时效处理。

2.如权利要求1所述的抗松弛高温弹簧的加工方法，其特征在于，所述将所述螺旋弹簧在965～995℃温度下进行0.5～1h的固溶处理，进一步包括：

将所述螺旋弹簧在980±5℃温度下进行0.5～1h的固溶处理。

3.如权利要求1所述的抗松弛高温弹簧的加工方法，其特征在于，所述将固溶处理后的所述螺旋弹簧进行时效处理，进一步包括：

将固溶处理后的所述螺旋弹簧在725～740℃温度下保温16～20h，进行时效处理。

4.如权利要求3所述的抗松弛高温弹簧的加工方法，其特征在于，所述将固溶处理后的所述螺旋弹簧进行时效处理，进一步包括：

将固溶处理后的所述螺旋弹簧在730±2℃温度下保温16～20h，进行时效处理。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的抗松弛高温弹簧的加工方法，其特征在于，所述预设规格合金冷拔丝材为Inconel X-750合金冷拔丝材。

6.如权利要求1所述的抗松弛高温弹簧的加工方法，其特征在于，所述将所述螺旋弹簧在965～995℃温度下进行0.5～1h的固溶处理之后，还包括：

将固溶处理后的所述螺旋弹簧空冷或者随炉温冷却；

所述将所述固溶处理后的螺旋弹簧进行时效处理，进一步包括：

将空冷或者随炉温冷却的所述螺旋弹簧进行时效处理。

7.如权利要求1所述的抗松弛高温弹簧的加工方法，其特征在于，所述将所述固溶处理后的螺旋弹簧进行时效处理之后，还包括：

将时效处理后的所述螺旋弹簧的两端面磨平；

对所述两端磨平后的所述螺旋弹簧进行高温立定处理；

对高温立定处理后的所述螺旋弹簧进行探伤检测；

对所述探伤检测后的所述螺旋弹簧进行清洗、包装。

8.如权利要求7所述的抗松弛高温弹簧的加工方法，其特征在于，所述将时效处理后的所述螺旋弹簧的两端面磨平，进一步包括：

将时效处理后的所述螺旋弹簧的两端面磨削3/4圈，磨面角度大于270度；

所述对所述两端磨平后的所述螺旋弹簧进行高温立定处理，进一步包括：

对所述两端磨平后的所述螺旋弹簧在650～700℃温度下压并3～5次。

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