Из какого металла делают пружины

Обновлено: 03.05.2024

Трудно представить современный мир без тарельчатых пружин, которые производятся для удовлетворения самых высоких требований по наработке до усталостного разрушения. Они применяются в различных механизированных и автоматических приборах, автомобилях. Тарельчатые пружины могут функционировать в агрессивных средах и при влиянии любых атмосферных явлений. Но эффективность применения тарельчатой пружины в тех или иных условиях напрямую зависит от того, из какого материала она изготовлена. Поэтому прежде чем заказать тарельчатую пружину, нужно выяснить, из чего она произведена. Использованный сплав или марка стали, защитно-декоративное покрытие могут многое сказать о характеристиках заготовки.

Для изготовления тарельчатых пружин используются стандартные, титановые сплавы и сплавы стойкие к коррозии. Поговорим кратко о каждом из них.

Производство из стандартных материалов

В изготовлении тарельчатых пружин применяются следующие металлы и сплавы:

Ck67 (1.1231). Данный сплав применяется для изготовления пружин диаметром до 1,25 мм, имеющих небольшой уровень напряжения. Пружины из этого сплава обычно используются в стандартном оборудовании, благодаря невысокой стоимости стали. В некоторых случаях ее используют для изготовления пружин толщиной до 4 мм.
50CrV4 (1,8159) – это высоколегированный сплав. Использование данного сплава для производства пружин гарантирует их стойкость при эксплуатации при температурах до 200°С. Сталь обеспечивает высокую выносливость изделий при циклическом использовании. При этом релаксация усилий будет меньше по сравнению со сталью другой марки. Благодаря невысокой стоимости материала, его обычно применяют при производстве пружин, использующихся для стандартного оборудования.
51CrMoV4 (1,7701). В сплав добавлен молибден, что повышает прокаливаемость листов, позволяя изготавливать тарельчатые пружины толщиной до 40 мм. Основные свойства такие же, как и у сплава 50 CrV4. Сталь более пластична, что дает возможность эксплуатировать изделия при низких температурах (до – 20 °С).

Если пружину нужно использовать в особых условиях, например, при постоянном воздействии агрессивных веществ, перепадах температур и повышенной влажности, то рекомендуем приобретать изделия из специальных сплавов – стойких к коррозии.

Стали и сплавы стойкие к коррозии, использующиеся при производстве

Из-за высокого содержания никеля устойчивые к коррозии материалы обычно обладают в исходном состоянии аустенитной кристаллической решеткой. Они не могут подвергаться закалке и отпуску с мартенситным или бейнитным превращением, как стандартные легированные стали.

Хорошие механические свойства в сплавах, стойких к коррозии, достигаются путем изменения кристаллических структур сплава, деформационным наклепом при прокатке и упрочнением дисперсными частицами при термической обработке.

Коррозионностойкие тарельчатые пружины делают из:

X12CrNi 17 7 (1.4310). Сплав по стандарту DIN 17224 широко применяется для изготовления пружин тарельчатого типа. Холодная прокатка усиливает прочность изделий. А вот максимальная толщина заготовок составляет всего 2 мм и ограничивается нагартованным листом. Небольшие магнитные свойства получаются в результате деформационного наклепа при холодной прокатке.
Х7CrNiAl17 7 (1.4568). Коррозионностойкая пружинная сталь X7CrNiAl 17 7 по DIN 17224 упрочняется закалкой и отпуском. Дополнительную прочность обеспечивает деформационный наклеп листов и упрочнение дисперсионными частицами. Отрицательными свойствами сплава является его высокая магнитность. Она не проходит после отожжения, а холодная прокатка ее усиливает.
Х5CrNiMo 18 10 (1.4401). Данный сплав отличается высокой стойкостью металла к коррозии. Преимуществом является отсутствие магнитных свойств.

Пружины из титановых сплавов

Высокопрочные пружинные титановые сплавы обладают целым набором уникальных свойств:

их плотность ниже, чем у стальных сплавов в 1,5-2 раза;
по сравнению со сталями удельная прочность в 2-2,5 раза выше;
высокая коррозионная стойкость;
не имеют магнитных свойств;

Тарельчатые пружины из титановых сплавов имеют ряд преимуществ. Их масса значительно ниже аналогов из сталей. Компактные размеры, малый объем, отсутствие магнитных свойств и хороший коррозиестойкий эффект позволяет эксплуатировать их в различных условиях.

Основные марки и закалка рессорно-пружинной стали

Особой разновидностью стального сплава является рессорно-пружинная сталь. Пружинная сталь обладает рядом особенностей — очень высокий предел текучести, твердость, приемлемый уровень коррозийной устойчивости. Такой материал может гнуться, изменять свою форму под действием внешних факторов. Во время сжатия он сохраняется все свои физические свойства (прочность, механическая устойчивость, химическая инертность). Если такую пружину разжать, то материал вернется в свою обычную форму с сохранением всех физических свойств.

Основные сведения

Рессорно-пружинная сталь — сплав, который обладает очень высоким пределом текучести. Предел текучести — это физическое свойство какого-либо материала, характеризующее напряжение, при котором деформация продолжают расти без увеличения нагрузки. По факту этот показатель отражает способность материала сохранять свою форму при изгибе и скручивании.

Чем лучше материал сохраняют форму при деформации, тем выше у него предел текучести. Высокий предел текучести возникает в материале за счет специальных методов обработки (закалка, отпуск). Это отличает сталь-пружину от многих других стальных сплавов, которые обычно «обретают необычные свойства» за счет включения в их состав различных легирующих добавок.

В России для производства пружинной стали применяются низколегированные сплавы с минимальным количеством добавочных компонентов. В американских, европейских, азиатских странах также часто применяются среднеуглеродистые и высокоуглеродистые соединения, содержащие хром.

Также применяются соединения, содержащие большое количество марганца, никеля, кремния, вольфрама, азота. Эти компоненты делают материал еще более пластичным, а также повышают его химическую инертность (то есть такой материал не будет вступать в реакцию с щелочами, кислотами, солями). Как ясно из названия, пружинная сталь обычно применяется для производства пружин, торсионов, рессор, фортепианных струн, хомутов и многих других изделий.

Физические свойства

Высокое сопротивление упругой деформации. Этот показатель отражает тот факт, как легко пластичный элемент подвергается сжатию при наличии внешних источников давления. В случае высокого сопротивления стальная пружина плохо поддается сжатию, что помогает детали восстановить свою естественную форму после разжатия.
Низкий коэффициент остаточного растяжения. При наличии внешнего источника давления такой материал принимает соответствующую форму. Однако после исчезновения такого источника давления деталь вновь принимает старую форму. Чем ниже коэффициент остаточного растяжения, тем слабее материал подвергается остаточной деформации при исчезновении внешнего источника давления.
Хорошая прочность. При сжатии стальной пружины деталь не трескается, сохраняется свою кристаллическую структуру, не рассыпается на несколько частей. Естественная прочность детали может быть повышена за счет внесения в состав стального сплава различных легирующих добавок (никель, хром, титан, свинец).
Неплохая коррозийная устойчивость (при наличии легирующих компонентов). Если пружина изготовлена из стали с большим содержанием хрома, то она будет хорошо выдерживать коррозию. Физика процесса выглядит так: при наличии в металле хрома на поверхности материала создается тонкая оксидная пленка. Такая пленка препятствует контакту железа с кислородом, азотом, что минимизирует риск возникновения ржавчины.
Химическая инертность (при наличии легирующих компонентов). Легирующие добавки на основе ванадия, вольфрама, алюминия, селена, кремния уменьшают вероятность контакта железа с внешними веществами. Поэтому при контакте металла с каким-либо химическим веществом окислительно-восстановительные реакции не возникают. Это делает пружину инертной в химическом смысле.

Легирующие добавки

Чтобы сталь-пружина стала упругой, она должна пройти прокаливание по всему своему сечению. Этот момент является очень важным. Если его проигнорировать, то высокий предел текучести возникнет только на отдельных фрагментах детали. Поэтому при длительном сжатии такая деталь может треснуть, надломиться или лопнуть.

При выборе стального сплава для изготовления пружинно-рессорного элемента нужно помнить о концентрации легирующих добавок. Оптимальная концентрация углерода в составе сплава — 0,5-0,7%. Применение материала с более высоким содержанием углерода допускается, однако в этом нет большого практического смысла. Ведь в таком случае значительно повышается риск растрескивания материала при длительной нагрузке, что делает сталь-пружину бесполезной.

Кремний — не более 2,5%.
Марганец — до 1,1%.
Вольфрам — до 1,2%.
Никель — не более 1,7%.

Для получения рессорной стали используются закалка обычного стального материала. Закалку рекомендуется проводить при температуре порядка +800-900 градусов. Во время закалки заметно повышается предел текучести, но одновременно с этим образуется большое количество мартенсита, который негативно влияет на упругость. Для разрушения мартенсита применяются различные технологии. Оптимальная методика — это применение отпуска при средних температурах (400-500 градусов).

Недостатки пружинной стали

Плохая свариваемость. Закалка приводит к частичной деформации, разрушению наружного слоя материала. В случае сварки расплавление внешнего закаленного слоя может привести к созданию плохого, некачественного шва с трещинами.
Проблематичная резка. Рессорный стальной сплав обладает высоким сопротивлением упругой деформации, поэтому резать такой материал будет сложно.

Марки стальных сплавов

В соответствии с нормами ГОСТ любой металл маркируется с помощью специального короткого кода, который отражает количественный состав сплава. Код имеет буквенно-числовое обозначение. Структура кода такая — ЧЛ1Л2Л3. Расшифровывается код следующим образом:

Ч — это число, которая отражает содержание углерода в сотых или десятых долях процента.
Л1, Л2, Л3 — это легирующие добавки (буква) и ее содержание в целых долях процентах (число). Если возле обозначения добавки число отсутствует, то это значит, что элемент содержится в концентрации менее 1%. Обозначения для некоторых элементов: Х — хром, Н — никель, С — кремний, Г — марганец, В — вольфрам, А — азот.
Если легирующая добавка одна, то она записывается в виде Л1. При наличии дополнительных элементов легирующие добавки записываются в виде Л2, Л3 и так далее.
Для примера рассмотрим два сплава: 50ХГ и 65С2ВА. Сплав 50ХГ содержит 0,50% углерода, а также хром и марганец в концентрации менее 1%. Сплав 65С2ВА содержит 0,65% углерода, 2% кремния + вольфрам и азот в концентрации менее 1%.

Технология закалки, отпуска пружинной стали

Сперва выполняется закалка пружинной стали при высоких температурах. Благодаря закалке заметно повышается предел текучести материала, что делает сталь упругой, ковкой, устойчивой.
Однако во время высокотемпературной закалки внутри сплава образуются мартенситные соединения, которые резко ухудшают упругость материала, делают его необычайно ломким и твердым.
Чтобы избавиться от мартенситных соединений следует применять отпуск пружинной стали при невысоких температурах. Во время такой обработки мартенситы разрушаются, что позволяет получить материал с нужными свойствами.

Обратите внимание, что температура и время обработки на каждом из этапов зависят от того, какие применяются марки пружинной стали. Для примера: марка рессорно пружинной стали 65Г должна проходить закалку при температуре +800-850 градусов, отпуск — при +400-500 градусах.

В ряде случаев закалка, отпуск комбинируются с процедурой нормализации металла. Эта процедура позволяет избавиться от лишних напряжений внутри металла, однако в большинстве случаев нормализация происходит сама собой во время остывания материала. Поэтому дополнительная обработка методом нормализации обычно не требуется.

Термическая закалка

Методика нагрева металла, характер остывания материала, температура окружающей среды.
Состав металла, наличие и тип легирующих добавок, общая концентрация углерода.
Способ сохранения нужного температурного диапазона для проведения закалки.
Методика охлаждения материала после проведения закалки, способ хранения материала.

Малолегированные стали рекомендуется нагревать быстро. Ведь при медленном нагреве происходит постепенное испарение углерода, что критично для малолегированных материалов. Однако со скоростью нагрева не нужно перестараться. Если нагрев будет идти очень быстро, то в таком случае может произойти неравномерный разогрев материала. Из-за этого возрастает риск образования различных металлических дефектов (трещины, кромки, разрушение углов).

Оптимальным способом нагрева будет применения двух печей. В первой печи материал постепенно нагревается до 500-700 градусов, а потом он поступает во вторую печь, где происходит финальная закалка.

Для нагрева рекомендуется применять газовые печи. Однако во время нагрева следует следить за распределением тепла, чтобы избежать появления «термических островков» на металле. Электрические печи нагреваются достаточно медленно, поэтому их применение в данном случае проблематично с практической точки зрения. Единственное исключение из этого правила — закалка тонких металлов, которые не нуждаются в дополнительном равномерном прогреве по понятным причинам.

Время выдержки зависит от многих параметров, однако в среднем общее время закалки составляет 80 минут для пламенных печей и 20 минут для электрических установок. Определенное значение также имеет форма изделия. При работе с плоским листами закалка может проводиться быстро. Тогда как в случае материала, обладающего сложной формой, рекомендуется выполнить дополнительный прогрев. Оптимальный способ охлаждения материала — на открытом воздухе.

Финальный термический отпуск

Чтобы избежать появления твердых мартенситных фракций, нужно выполнить термической отпуск непосредственно сразу же после закалки. Температурный режим также зависит от того, какая марка рессорно пружинной стали подвергалась закалке. Для отпуска можно применять как пламенные, так и электрические печи. Тип печи будет также влиять на длительность отпуска.

Пример: сталь 65Г рекомендуется подвергать высокому отпуску при температуре +400-500 градусов. Способ охлаждения — воздушный. Время выдержки — 30-150 минут в зависимости от типа печи. После проведения закалки рекомендуется выполнить контрольные мероприятия. Однако делать это нужно только после полного остывания материала, чтобы не повредить сплав.

Заключение

Пружинная сталь обладает повышенным пределом текучести. Благодаря этому материал легко поддается сжатию, однако после разжатия он быстро восстанавливает свою естественную форму. Как ясно из названия, из подобной стали делаются различные пружинистые соединения — рессоры, кольца, тормозные башмаки, фрикционы. Пружинную сталь получают путем закалки обычного стального сплава. Для обработки подходят 50ХГ, 60Г, 70С3А, 85 и другие марки стали.

Пружинная сталь обладает несколькими недостатками. Главные минусы — это неудобная резка и проблематичная сварка.

Производство пружинистой стали выполняется в два этапа. На первом этапе материал помещают в электрическую или пламенную печь, где материал проходит термическую закалку. Во время этой процедуры повышается предел текучести, но одновременно с этим в металле образуется мартенсит. Этот материал при затвердевании становится очень прочным, что негативно сказывается на свойствах металла. Поэтому после закалки необходимо обязательно выполнить термической отпуск. Подобная обработка позволит расплавить вредный мартенсит. Для отпуска можно применять те же самые печи, однако температуру в них нужно значительно снизить. После отпуска металл рекомендуется поместить под открытый воздух, чтобы он смог самостоятельно остыть до комнатной температуры.

Материалы. Изготовление пружин

Пружины изготовляют из углеродистых и легированных сталей с содержанием углерода 0,5—1,1%. Из углеродистых сталей изготовляют пружины с диаметром проволоки до 10 мм; из легированных сталей — пружины, работающие при высоких напряжениях или повышенных температурах, а также пружины с большими сечениями проволоки (диаметром 20—30 мм) дли обеспечения закалки на полное сечение.

Присадка кремния (до 2%) повышает упругие качества стали и сопротивление повторным ударным нагрузкам. Ванадий (0,1—0,2%) и вольфрам (до 1,2%) вводят для повышения механических свойств и термостойкости. Для пружин ответственного назначения применяют вольфрамокремнистые и хромокремневанадиевые стали, обладающие наиболее высокими механическими свойствами.

Пружины, работающие при повышенных температурах, изготовляют из хромованадиевых сталей типа 50ХФА (термостойкость до 300°С), вольфрамокремниевых сталей типа 65С2ВА (до 350°С) и стали 40X13 (до 450°С).

Для пружин, работающих при температурах свыше 500°С, применяют специальные стали с повышенным содержанием Cr, V, Mo, W.

В табл. 57 приведены основные материалы, применяемые для изготовления пружин, и их механические свойства после термообработки. Модуль упругости пружинных сталей Е = (2,1—2,2)· 10 5 МПа, модуль сдвига G = (7,6—8,2)·10 4 МПа.

Сопротивление усталости пружинных сталей мало зависит от химического состава и в гораздо большей степени определяется состоянием поверхностного слоя. Обезуглероживание поверхностного слоя при термообработке, местные дефекты (коррозия, забоины, царапины, истирание при износе) резко снижают предел выносливости. Значительного повышения сопротивления усталости можно добиться полированием и особенно нагартовкой поверхностного слоя (волочением, дробеструйной обработкой).

Предел выносливости при отнулевом циклическом нагружении составляет в среднем 400—600 МПа.

Прочность пружинных сталей очень зависит от диаметра проволоки, резко возрастая с уменьшением диаметра. В качестве примера на рис. 856 приведены показатели прочности холоднокатаной проволоки в функции диаметра. Прочность проволоки малого диаметра (0,2—1 мм) примерно в два раза превышает прочность проволоки большого диаметра (8 мм). Диаметр проволоки следует учитывать при выборе допускаемых напряжений при расчете пружин.

Для изготовления пружин, работающих в условиях повышенной влажности или соприкасающихся с химически агрессивными средами, применяют коррозионностойкую сталь 40X13 или сплавы на основе меди. В табл. 58 приведены наиболее употребительные медные сплавы и их механические свойства.

Модуль упругости сплавов на медной основе Е = (1,2—1,3)·10 5 , модуль сдвига G = (4,5—5)·10 4 МПа.

Наиболее высокими антикоррозионными свойствами и наибольшим сопротивлением усталости обладают бериллиевые бронзы. Сочетание этих свойств с высокой электропроводимостью обусловливает широкое применение бериллиевых бронз для изготовления пружин в электромашиностроении. Кроме того, бериллиевые бронзы отличаются высоким постоянством упругих свойств и почти полным отсутствием гистерезиса и по этой причине часто применяются для изготовления упругих элементов точных приборов.

Пружины из сплавов на медной основе парамагнитны и применяются в тех случаях, когда необходимо исключить влияние магнитных полей.

Спиральные пружины из проволоки малого диаметра (до 10 мм) с отношением D/d>4 (D — средний диаметр пружины; d — диаметр проволоки) изготовляют навивкой в холодном состоянии. Пружины с отношением D/d

При холодной навивке возможны два варианта:

1) проволоку навивают в термообработанном состоянии или после холодного волочения и после навивки подвергают невысокому отпуску (200—300°С) для снятия напряжений, возникающих при навивке;

2) проволоку навивают в отожженном состоянии и после навивки подвергают закалке и отпуску.

По первому способу изготовляют пружины из углеродистых сталей, например, из рояльной проволоки и холоднокатаной проволоки диаметром в пределах 0,2—8 мм, а также из кремневольфрамовых и хромованадиевых сталей.

Рояльную (патентированную) проволоку изготовляют из качественной высокоуглеродистой стали (~ 1 % С) и подвергают изотермической закалке (нагрев до 870—950°С) с последующей выдержкой в расплавленном свинце до 500°С (патентирование). После термообработки проволоку подвергают калибровочному волочению; в результате нагартовки проволока приобретает исключительно высокую прочность (до σ_в = 3000 МПа).

Аналогично изготовляют пружины из холоднокатаной проволоки, которая выпускается трех классов прочности: нормальной Н, повышенной П и высокой В с подразделением на группы I—II (для классов Н и В) и I—III (для класса П), в зависимости от вязкости.

Легированные стали (за исключением кремневольфрамовых и хромованадиевых сталей) подвергают после навивки термообработке: закалке в масле при 800—850°С и последующему среднему отпуску при 400—500°С.

Во избежание обезуглероживания поверхностного слоя нагрев под закалку ведут под слоем древесноугольного порошка или чугунных опилок. Режимы термообработки подробно разработаны для каждой марки стали и подлежат строгому соблюдению с целью получения наиболее высоких показателей прочности.

Пружины, навиваемые в горячем состоянии, подвергают после навивки обязательной термообработке. Навивку производят при 800—1000°C.

Пружины из бронз БрО4ЦЗ и БрКЗМц1 навивают в состоянии поставки и после навивки подвергают нагреву до 100—150°С для снятия напряжений. Пружины из бериллиевых бронз закаливают в воде с 800°С, после чего подвергают отпуску при 250—350°С.

Стальные пружины ответственного назначения, работающие в условиях циклических нагрузок, после термообработки подвергают дробеструйной обработке.

Заключительной операцией изготовления пружины является нанесение покрытия с целью предупреждения коррозии. Стальные пружины обычно подвергают цинкованию, кадмированию, никелированию, хромированию, фосфатированию и т. д.

Из чего изготавливают пружины сжатия и как их применяют

Наиболее распространены и знакомы потребителю металлические пружины сжатия. Но, кроме металлов и сплавов, их также изготавливают и из пластика, дерева, фанеры.

В соответствии с ГОСТами и техническими требованиями, пружины сжатия могут быть произведены из таких металлов и сплавов, как:

высокоуглеродистая сталь;
нержавеющая сталь;
бериллиевая бронза;
кремнемарганцевая бронза;
титановые и никелевые сплавы и др.

Для придания изделию определенных характеристик часто применяется легирование марганцем, кремнием, ванадием. Данный процесс позволяет добиться улучшения прочности изделия, повысить его сопротивление воздействию агрессивных веществ, снизить вероятность хрупкого разрушения. Изготовление продукции с данными параметрами осуществляется на «Сланцевском заводе пружин» – здесь вы можете купить пружины сжатия в Санкт-Петербурге по оптимальным ценам.

Детали могут быть изготовлены по нескольким технологиям. Метод холодной навивки позволяет работать с пружинной проволокой из различных материалов и производить изделия из заготовки до 16 мм диаметром. Метод горячей навивки применяется при изготовлении пружин до 400 мм в диаметре, при этом диаметр самой проволоки может быть от 16 до 60 мм.

Применение пружин сжатия в зависимости от материала

Сфера использования данных изделий очень широкая. Изготовление пружин по чертежам заказчика, так же, как и типовой продукции, востребовано при сборке различных механизмов в автомобилестроении, станкостроении, производстве измерительных приборов и т.д.

Высокоуглеродистая пружинная проволока применяется для производства изделий, которые будут использоваться в различных механизмах и узлах с высокоцикличными нагрузками без ударов. В зависимости от качества высокоуглеродистой стали пружины из этого материала могут быть рассчитаны на среднюю или высокую степень нагрузки. Если вы ищете, где купить пружину сжатия с такими характеристиками, можете просмотреть каталоги на нашем сайте или заказать изготовление по индивидуальному проекту.

Легированная сталь применяется в производстве деталей, которые испытывают большие нагрузки в условиях крайне высоких или низких температур. Продажа пружин сжатия такого типа также осуществляется на нашем сайте.

Нержавеющая сталь – это материал более общего назначения, пружины из нее могут устанавливать в какие-либо бытовые приборы или механизмы не промышленного применения. Изделия из нержавеющей стали обладают хорошей коррозионной стойкостью и могут использоваться при повышенных температурах.

Цветные металлы также широко востребованы для производства пружин сжатия, в частности – из холоднотянутой проволоки. Материал электропроводим в достаточной мере, стойкий к возникновению коррозии, теплостойкий.

Особые высокотемпературные сплавы применяются при выпуске пружин, которые монтируются в приборы и механизмы, работающие при высоких и низких температурах. Изделия широко применяются в промышленности, так как имеют немагнитные свойства и высокое электрическое сопротивление.

Продукцию из различных материалов предлагает вам Сланцевский завод пружин. Мы осуществляем производство пружин в Санкт-Петербурге. Наш завод – это мощное предприятие, где есть все необходимое импортное и отечественное оборудование для выпуска качественной продукции. Вы можете обратиться к нам, если вам необходимы пружины на заказ в Петербурге. Все контактные данные указаны на сайте.

Читайте также: