فولاد فنر (به انگلیسی: Spring steel) نام گستره فراوانی از فولادهای مختلف است که در ساخت فنرها، مخصوصاً کمک فنرهای خودرو و سیستم‌های تعلیق ماشین آلات صنعتی کاربرد دارد. معمولاً این فنرها، فولادهای آلیاژ-پایین منگنز دار، فولادهای کربن-متوسط یا فولادهای پرکربن با استحکام‌های تسلیم خیلی بالا هستند.
استحکام تسلیم بالا اجازه می‌دهد که فنرهای فولادی پس از تغییرشکل‌های نسبتاً بزرگ دوباره به حالت اولیه خود بازگردند.
درجه‌های مختلف
بسیاری از درجه‌های مختلف فولادها را می‌توان سختکاری و تمپر کرد تا برای کاربرد فنر مناسب شوند، با این حال بعضی از فولادها خواص بسیار مناسب تری برای اینکار دارند.
فولادهای فنر از لحاظ ترکیب شیمیایی به سه دسته تقسیم بندی می شوند:
این نوع از فولاد فنر در کاربردهایی که به تحمل بار و درجه حرارت بالا نیاز نمی باشد، مورد استفاده قرار می گیرند و دارای قیمتی ارزان تر نسبت به سایر فولادهای فنر می باشند.
این نوع از فولادهای فنر در مواقعی که به مقاومت در برابر تنشها و بارگذاری های زیاد نیاز است، کاربرد دارند اما از لحاظ مقاومت به درجه حرارت، کاربرد چندانی ندارند.
این نوع از فولادهای فنر در کاربردهایی که نیاز به مقاومت به خوردگی و تحمل دمای بالاتر از ۲۸۰ درجه سانتیگراد است، مورد استفاده قرار می گیرند.
فولاد فنر ck75 یکی از فولاد های فنریست که برای تولید فنر با دقت ابعادی و کیفیت سطح بالا به کار می رود.
فولاد فنر ck67 دارای استحکام کششی و خاصیت ضد سایش مناسبی بوده و از آنها در نوارهای فولادی نورد سرد شده برای فنرهای با دقت ابعادی بالا و سطوح با کیفیت بالا استفاده می شود.
این فولاد که با نام فولاد 51CrV4 نیز به کار می رود، برای تولید فنرهای چندلایه، مارپیچ، تخت و میله ای تحت پیچش به کار می رود.
از کاربردهای فولاد فنر 7103 می توان به استفاده از آنها در فنرهای چند لایه ای، ماپیچ، تخت و میله ای تحت پیچش اشاره کرد.
این فولاد در صنعت خودرو – قطعات و ماشین آلات و موتورها و فنرهای چرخشی مورد استفاده قرار می گیرد.
فولاد فنر 8161 در قطعات نیرو محرکه، چرخ دنده ها و اجزای مقاوم در برابر سایش دارای کاربرد می باشد.
این فولاد در صنعت مس(خورد کن)، ساچمه های یاتاقان ها و بلبرینگ ها و… دارای کاربرد می باشد.
خصوصیات فولاد 7176 را می توان تنش پذیری خیلی خوب، خاصیت شکل پذیری خوب, خاصیت الاستیسیته خوب, مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش نام برد.
این فولاد در کاربردهایی چون فنرهای اتومبیل، ماردون و… استفاده می شود.
با توجه به وجود عناصری همچون سیلیسیم و کروم در فولاد فنر، خواصی همچون الاستیسیته و مقاومت و پایداری در مقابل خوردگی پدید آمده است.
خاصیت الاستیسیته باعث می شود هنگامی که این آلیاژ تخت فشار بسیار زیادی قرار می گیرد بتواند به مقدار کافی تغییر شکل بدهد و همچنین باعث می شود که دارای 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 می شود و اگر مقدار و یا درصد عنصر موجود در فولاد فنر افزایش یابد مقدار این مقاومت نیز افزایش می باید و اگر مقدار آن در این آلیاژ کم شود طبیعتا میزان مقاومت نیز کاهش می باید.
البته لازم به ذکر است که فولاد فنر دارای معایبی نیز می باشد، از جمله ی این معایب می توان به قابلیت بسیار پایین جوش کاری و همچنین احتمال بالای ترک خوردگی می باشد.
فولاد فنر دارای انواع و اقسام مختلفی می باشد که می توانند قبل از شکستن به حالت های پلاستیک و یا الاستیک در بیایند، حالت پلاستیک به زمانی گفته می شود که وقتی فشار از روی آن برداشته می شود آلیاژ به حالت اول خود باز نگردد ولی در الاستیک بعد از برداشتن فشار باید بتواند به حالت اول خود بازگردد.
فولاد فنر CK از انواع فولادهای قابل عملیات حرارتی می باشند که انوع مختلفی دارند که از جمله ی آن ها می توان به CK35 ، CK45، CK60، CK75 ،CK70 اشاره کرد که دارای ویژگی و ساختار متفاوتی نسبت به یکدیگر می باشند. این فولادها در صنعت بسیار پرکاربرد و پرمصرف می باشند.
فولادهای فنر CK70 و CK60 از جمله ی فولادهای فنر بسیار پرکاربرد در صنعت می باشند که در ساخت و تولید تسمه های فنر از آن ها استفاده می شود.
مقدار و درصدهای عناصر به کار رفته در این آلیاژها با یکدیگر متفاوت می باشد ولی تا حدودی مقدار این درصدها در فولادهای فنر CK60 و CK70 به یکدیگر نزدیک می باشد. از فولاد فنر CK75 در موارد بسیار زیادی استفاده می شود و دامنه ی کاربرد بسیار زیادی دارد که از جمله ی آن می توان به استفاده در مهندسی مکانیک، قطعات موتورها-پیچ ها، شفت ها، محور ها، بازوی اکسل ها، قطعات فرران، قطعات دنده ها کردن پین، میل لنگ ها اجزای فرران، چرخ دنده ها، پیسوله ها، رینگ ها، متصل ها، میل لنگ، مهره ها، چرخ های محرک، میل محور اشاره کرد.
بنابراین این فولاد فنر در صنایع خودرو، نفت گاز و پتروشیمی، جنگ افزار سازی، معدن، غذایی و دارویی، تجهیزات آزمایشگاه، ساختمان، کشاورزی و غیره دامنه ی کاربرد بسیار گسترده ای دارد.
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 بااهمیت ترین قطعات مکانیکال سیستم های دینامیک می باشد که دامنه ی کاربرد و استفاده از آن در صنایع بسیار گسترده می باشد.
فنرها انواع متفاوتی دارند که از جمله ی آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
این فنرها در عین حال که ظاهری بسیار ساده ای دارند اما کاربرد و رفتاری پیچیده و غیر ساده دارند که این موضوع جالب توجه می باشد بنابراین ساخت و تولید هریک از این فنرها نیز با یکدیگر متفاوت بوده و نیاز به اصول و قوانین علمی متفاوتی می باشد. بنابراین برای ساخت فنر و تولید آن باید اصول و قوانین علمی را به کاربرد که کار بسیار پیچیده ای بوده 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 قطعه ی مهم و پرکاربرد هیچ توجهی به علم روز دنیا نمی شد و براساس دانسته های تجربی و بدون متد اصول جهانی نسبت به تولیدات فنر اقدام می کردند که نتیجه ی آن تولیداتی با کیفیت و راندمان بسیار پایین بود.
اما امروزه برخی از شرکت ها به خصوص شرکت های دانشگاهی فعال در حوزه ی ساخت، به دلیل استفاده از جدیدترین نرم افزارهای شبیه سازی مهندسی توانسته اند کیفیت تولیدات خود را در حد زیادی افزایش دهند و در کوتاه ترین زمان کیفیت خوبی از فنرها را تولید کنند.
کاربرد فولاد در فنرسازی بسیار متعدد می باشد اما از اصلی ترین دلایل استفاده از آن در صنعت فنرسازی می توان به خاصیت ارتجاعی آن که به دلیل شکل پذیری الاستیک است اشاره کرد این خاصیت باعث می شود 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 است 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 از جمله ی آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
قابلیت شکل پذیری خوبی داشته باشد.
هیچگونه ایراد و نقصی را نداشته باشد.
هزینه و قیمت آن ارزان باشد.
و امکان دسترسی و تهیه ی آن سهل و راحت باشد.
پس از این که فولاد در ساخت فنر استفاده شد ویژگی هایی را در فنر ایجاد می کند که از مهم ترین این ویژگی ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
در مقابل شکنندگی مقاومت بسیار زیادی دارد.
دارای خاصیت الاستیکی می شود.
در مقابل خوردگی مقاومت زیادی پیدا می کند.
مهم ترین خواص بوجود آمده در فولاد فنر به علت وجود سیلیسیم و کروم می باشد، کم و یا زیاد شدن مقدار عناصر در فولاد فنر می تواند کاربرد و رفتار آن را به کل تغییر بدهد
همانطور که در قسمت های بالایی ذکر کردیم، هر فولاد فنر دارای خصوصیت و ویژگی های مختص به خود است که از انواع کاربردهای فولاد فنر می توان به موارد زیر اشاره کرد:
فنرهای لوله ای فشاری: فاصله ی میان دایره های این نوع از فنر از یکدیگر زیاد می باشد تا هنگامی که به آن فشار اعمال می شود بتواند آن را تحمل کند.
فنر کششی : این نوع از فنرها عملکردی برعکس فنرهای لوله ای فشاری دارند، در این نوع از فنرها فاصله ی دایره ها کمتر بوده و برای اعمال فشار مناسب می باشد.
فنرهای پیچشی: از این نوع فنرها هنگامی استفاده می شود که ملاک ما تحمل و ایجاد گشتاور می باشد.
فنرهای تخت: این فنرها برای جذب نیروهایی از جمله نیروی خمشی مورد استفاده قرار می گیرد.
فنرهای مخروطی: این فنرها می توانند ضریب سختی غیربرابر را تحمل کنند بدین صورت که اگر نیروی کمی بر آن وارد شود به صورت نرم عمل می کند ولی اگر نیروی بسیار زیادی به آن اعمال شود به صورت سخت عمل می کند.
