Как делают пружинную сталь

Обновлено: 19.05.2024

Пружинная сталь применяется для производства упругих изделий, которые характеризуются возможностью восстанавливать свою первоначальную форму после скручивания и существенного изгиба.

1 Зачем нужна нержавеющая и обычная пружинная сталь?

Во многих современных механизмах, агрегатах и машинах рессоры и пружины, а также иные упругие детали выполняют очень важные функции. На такие элементы воздействуют переменные многократные нагрузки, что приводит к их деформированию. Понятно, что для нормальной работы механизма требуется, чтобы после подобных влияний деталь вернулась в свое исходное состояние (то есть она должна восстановить начальные геометрические размеры и форму).

Для изготовления деталей, которые при существенных ударных и статических нагрузках не испытывают остаточной деформации, и используются пружинные стали.

К ним выдвигается ряд требований. Во-первых, они должны противостоять релаксации напряжений, иметь высокие показатели текучести, упругости и выносливости. Во-вторых, такие сплавы обязаны качественно сопротивляться явлению хрупкого разрушения и характеризоваться достаточным уровнем пластичности.

Необходимый предел текучести различные марки пружинных сталей получают за счет их закалки, которая дополняется отпуском (он выполняется, как правило, при температурах от 300 до 480 градусов). Выбор именно такого интервала температур неслучаен. Доказано, что в данном случае предел упругости стали становится максимально высоким. А это как раз и требуется для рессорно-пружинных сплавов.

Описываемые нами марки стали применяются для изготовления упругих изделий с высоким показателем износостойкости:

подающих и зажимных цанг;
фланцев;
тормозных лент;
уже упомянутых рессор и пружин;
корпусов подшипников;
фрикционных дисков;
упорных шайб;
фланцев;
разнообразных шестерней.

2 Рессорно-пружинные стали по ГОСТ 14959–79

Под таким сплавами понимают средне- и высокоуглеродистые стали, а также стали с малым уровнем легирования. К легированным составам Государственный стандарт 14959 относит следующие марки: 70С2ХА, 65С2ВА, 60С2ХА, 50ХГФА, 50 ХФА, 50 ХГА, 60С2Г, 60С2А, 55С2А, 70Г, 60Г, 60С2Н2А, 60С2ХФА, 55С2ГФ, 51ХФА, 55ХГР, 50ХГ, 70С3А, 60С2, 55С2, 65Г. Углеродистые стали приведены далее: 65, 80, 70, 85, 75.

Две первые цифры в маркировке устанавливают в долях процента массовую часть (среднюю) углерода в конкретном сплаве. Литеры после цифр говорят о том, какие легирующие добавки имеются в композиции, а числа после них – о содержании элементов. Причем, если его количество менее 1,5 %, число не ставится; если содержание легирующего компонента более 2,5 %, ставится цифра 3; от 1,5 до 2,5 % - цифра 2.

Прокат из сталей пружинного класса (листы, нержавеющая полоса, шестигранник, квадрат и т.д.) делят на разные группы по следующим характеристикам:

по химсоставу: высококачественная, качественная листовая нержавеющая сталь, а также нормируемая по показателям (в последнем случае прокат дополнительно подразделяют на 14 категорий – от 1 до 4Б);
по варианту обработки: полоса горячекатаная со шлифованной либо обточенной поверхностью, прокат со специальной отделкой, калиброванный, горячекатаный и кованый.

Пружинные стали содержат от 0,25 (углеродистые и среднелегированные сплавы) до 1,2 (60С2ХФА, 50ХГА и другие) процентов хрома, от 0,5 до 1,25 процентов марганца, от 0,17 до 2,8 (70С3А) процентов кремния, от 0,46 (50ХГ) до 0,9 (85) процентов углерода. Остаточного никеля в пружинном прокате (листовая сталь) должно быть не более 0,25 %, меди – до 0,20 %.

Отметим, что по химическому составу проверяется и нормируется любая обычная и нержавеющая сталь, из которой делаются упругие элементы. А вот другие характеристики для некоторых категорий являются ненормированными. Например, полоса категорий 1, 1А и 1Б не нормируется на показатель обезуглероженного слоя, прокаливаемость, механические величины на образцах, прошедших термообработку (закалка и отпуск).

3 Другие требования к пружинным сталям по ГОСТ

Относительное сужение проката варьируется в пределах от 20 (65С2ВА, 60 С2А) до 35 % (нержавеющая сталь 50 ХГФА), относительного удлинения – от 5 до 10 %, временное сопротивление – от 980 (сталь 65) до 1860 (65С2ВА) МПА, предел текучести – от 785 (60Г) до 1665 (65С2ВА) МПа.

Кованая и горячекатаная проволока, полоса и прутки обязательно обрезаются. При этом не допускается загиб проката, заусенцы. В тех случаях, когда резка выполняется под молотами либо на прессах, полоса и прутки могут иметь на своих торцах несущественные смятия. Впрочем, потребитель имеет право потребовать устранения данного изъяна.

Общее обезуглероживание по своей глубине может быть следующим:

для легированных кремнием сплавов – 2,5 % (при толщине либо сечении проката менее 8 мм), 2 % (более 8 мм);
для остальных – 2 и 1,5 %.

Без обезуглероженного слоя производят горячекатаные круглые прутки.

Пружинные стали 55С2 и 55С2А, 50ХГА, 50ХГ и 50ХГФА, 60С2А и 60С2 исследуются на показатель аустенитного зерна. По Госстандарту 5639 он должен быть не выше пятого номера (для 50ХГФА – не выше шестого).

Потребитель может потребовать, чтобы описываемая нами сталь (марки могут быть разными) выпускалась:

с регулированием мартенситных участков;
с контролированной микроструктурой;
со сниженным минимумом и максимум содержания углерода;
с проверкой на усталость;
с установлением предела упругости;
с ограниченными показателями загрязненности сплавов неметаллами.

4 Особенности рессорно-пружинных сталей

Высоко- и среднеуглеродистые марки таких сталей упрочняются посредством пластической холодной деформации, предполагающей использование гидроабразивных и дробеструйных технологий. При подобном виде обработки напряжения сжатия (остаточного вида) наводят на поверхность изделий.

Практически любая пружинная сталь (нержавеющая, без специальных антикоррозионных свойств) должна пройти процедуру прокаливаемости по сквозной методике. За счет этого готовая продукция по всему своему сечению будет иметь структуру троостита.

Закалка в масле при температуре 820–870 градусов, сочетаемая с отпуском при 400–480 градусах обеспечивает увеличение предела упругости – важнейшей эксплуатационной характеристики описываемых сталей. Нередко применяется и изотермическая закалка, гарантирующая не только высокую упругость, но еще и повышенные показатели пластичности, прочности и вязкости материала.

Нержавеющая полоса и проволока из сталей 70 и 65 наиболее часто используются для производства автомобильных пружин. В транспортной сфере также активно применяются кремнистые марки пружинного проката – 60С2А, 70С3А и 55С2. В принципе, они склонны к обезуглероживанию, что уменьшает показатели их упругости и выносливости. Но за счет добавок хрома, ванадия и некоторых других элементов все эти потенциальные угрозы нивелируются.

Далее мы приводим области использования рессорно-пружинного проката наиболее популярных марок:

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.

Технология изготовления пружин

Как известно, существуют различные виды пружин, которые отличаются не только по конструкции, но еще и по способу взаимодействия с остальными механизмами в узлах. Так, например, пружины сжатия работают на сжатие, пружины растяжения — на растяжение, ну а пружины кручения, соответственно, на изгиб и скручивание. При этом данные виды пружин имеют витую форму, в отличии от той же тарельчатой пружины или от любого типа пружин-рессор. Само собой, технология изготовления пружин витого типа будет отличаться от того как происходит производство пружин с другой конструкцией.

В целом, технология изготовления пружин подразумевает под собой совокупность последовательного использования специальных технологических инструментов, например, станочного оборудования и каких-либо сырьевых материалов. При этом, само производство пружин может происходить за разное число этапов и с использованием различных способов, которые выбирает непосредственно сам завод-производитель, в зависимости от назначения конкретной пружины. Соответственно, технология меняется исходя из всех характеристик и конструкционных параметров у этого металлического изделия.

Пожалуй, наиболее распространенными в промышленности и быту считаются как раз таки витые виды пружин, а именно, кручения, сжатия, растяжения. По этой причине нами сегодня будет рассмотрено, что представляет технология изготовления пружин из данной классификации. Вообще, наличие специальной навивки в конструкции позволяет подобным пружинам многократно воспринимать повторяющиеся нагрузки, проявляя высокую степень устойчивости к разным механическим воздействиям без потери своих характеристик, в числе которых имеются следующие физико-химические свойства:

Коэффициент упругости
Предел воспринимаемой нагрузки
Усталостная прочность

Именно эти параметры влияют на продолжительность, а главное, на качество работы пружин. Собственно, для того, чтобы обеспечить данным изделиям максимально возможную долгосрочность эксплуатации, производство пружин должно осуществляться из надежного сырьевого материала, посредством поэтапного применения разных технически процессов на специальном оборудовании. Как правило, навивка осуществляется оператором из стальной проволоки на токарных станках либо вручную, либо через автомат одним из двух основных способов: горячим методом или же холодным методом.

Холодная технология изготовления пружин

Производство пружин холодным способом в Российской Федерации выполняют чуть чаще, нежели горячим, ввиду наиболее низкой себестоимости производства. Для таких работ не требуются дополнительные дорогостоящие станки, кроме навивочного. Собственно, такой метод предполагает использование оборудования, оснащенного двумя основными валиками, через которые и происходит навивка. Верхний из валиков позволяет регулировать натяжение, а также задавать направление завивки, используя для этого специально установленный винт. Сам процесс изготовления выполняется примерно так:

Подготавливается специальная сталь для изготовления пружин (стальная проволока).
Проволока просовывается через планку в суппорте.
Ее конец прочно закрепляется на оправке при помощи зажима.
Через верхний валик устанавливается необходимое натяжение.
В зависимости от диаметра проволоки выбирается скорость вращения.
Запускается в работу валик, наматывающий пружину.
По мере достижения необходимого числа витков, проволока обрезается.
В завершении деталь обрабатывается механически и термически.

Несмотря на то, что форма изготавливаемого изделия может быть как бочкообразной, так и цилиндрической, или даже конической, холодная технология изготовления пружин не позволяет использовать для изготовления пружин сталь диаметром более 16 миллиметров. Механическая обработка проводится для устранения зазубрин, сколов или же любых других дефектов на поверхности метиза, полученных в результате предыдущего проката проволоки, либо во время непосредственного процесса навивки с целью обеспечения наиболее лучшего качества изделия и повышения срока его эксплуатации.

Кроме того, немаловажным этапом является последующая термическая обработка, за счет проведения которой заготовка сможет избавиться от всех полученных во время навивки внутренних напряжений. При этом сам метод обработки выбираю исходя из того, какая была использована сталь для изготовления пружин. В некоторых случаях используют и отпуск и закалку, в некоторых, например, в бронзе, только лишь низкотемпературный отпуск. Так или иначе, каждый из данных процессов позволяет изделию достичь основных своих критериев, в числе которых состоит их великолепная упругость.

Горячая технология изготовления пружин

В отличии от холодного способа, горячее производство пружин подразумевает лишь изготовление изделий с диаметром от 10 миллиметров. То есть метизы меньших габаритов не получится сделать таким способом априори. Горячая технология изготовления пружин для создания заготовок требует проводить процедуру равномерного нагрева. При этом сам нагрев производится очень быстро на специальном станке. После чего разогретый до красна пруток необходимо просунуть через фиксирующую планку в навивочный станок и закрепить концы заготовки в зажимах и выполнять следующие этапы:

Обратите внимание, что горячая технология изготовления пружин для экономичного расходования сырьевых материалов не предусматривает разрезание пружины по мере того, как будет достигнут необходимый размер изделия. Это значит, что навивка происходит сразу на всю длину заготовки, а уже потом от нее отрезают куски необходимой длины. Повторная термическая обработка изделия необходима для снятия внутреннего напряжения. Охлаждать заготовку в масле, а не в воде рекомендуется по причине того, что во время долгой закалки в воде горячая сталь может попросту пустить трещину.

Тем не менее, если технология изготовления пружин требует проводить закалку как раз в воде, то необходимо соблюдать временной диапазон от 1 до 3 секунд, после чего так же опустить заготовку в масло. После этого пружину вынимают и очищают от масла. Далее уже идет аналогичный холодному методу навивки этап механической обработки изделия: заточка, шлифовка и другие технологические операции. Кроме того, для улучшения износостойкости изготовленных обеими способами пружин довольно часто производители применяют так же антикоррозионную обработку поверхностей изделия.

Сталь для изготовления пружин

Поскольку пружины зачастую используются для гашения каких-либо типов нагрузок, сталь для изготовления пружин должна иметь очень высокие технические характеристики. В зависимости от предназначения итоговых изделий, для их создания могут использоваться самые различные марки стали. Однако, наиболее часто, производство пружин выполняется из углеродистой и высоколегированной стали. Как правило, заводы-изготовители используют такие марки, как 50ХФА, 50ХГФА, 55ХГР, 55С2, 60С2, 60С2А, 60С2Н2А, 65Г, 70СЗА, У12А, 70Г, а также ещё множество других стальных сплавов.

Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые марки стали, а также низколегированные стальные сплавы, которые задействует любое производство пружин, называются рессорно-пружинными. Зачастую, сталь для изготовления пружин обозначается еще как пружинная сталь. Стандартом для ее производства считают ГОСТ 14959-79, который предписывает все допуски и требования к техническим характеристикам. По госстандарту, пружинная сталь должна иметь очень качественную поверхность без наличия каких-либо дефектов, способных привести к частичному или же полному разрушению.

Дело в том, что при наличии, например, трещин на поверхности изделий, в процессе их эксплуатации при тяжелых различных тяжелых условиях, все усталостные явления будут концентрироваться как раз в наименее устойчивых дефектных местах. Именно поэтому вся пружинная сталь до того, как началось непосредственное производство пружин, должна пройти процедуру проверки на соответствие установленным требованиям ГОСТ 14959-79. Кроме того, сталь для изготовления пружин должна иметь хорошую упругость и проявлять высокую устойчивость к агрессивным воздействиям.

Достичь этого помогает, во-первых, химический состав того или иного сплава, так как под конкретные рабочие условия подбирается конкретная сталь для изготовления пружин. Во-вторых, противостоять напряжению и разрушению позволяют процесс закалки и отпуска изделий. Проведение данных технологических процессов подразумевает любая технология изготовления пружин, однако для каждой марки стали есть свои нюансы. В частности, этим нюансом является среда закаливания, в роли которой выступают масло или вода, а также еще и сама температура, при которой идет закаливание.

Собственно, температура при которой закаливается сталь для изготовления пружин, варьируется в пределах от +800°С до +900°, в зависимости от конкретного сплава. А отпуск проводится уже при диапазоне от +300°С до +480°С. Это обусловлено тем, что именно при подобных температурах возможно достичь одного из самых важных параметров пружинной стали — наибольшего предела упругости стали. Твердость получаемой продукции равняется 35 — 45 единицам твердости по Шору, что равнозначно значению от 1300 до 1600 килограмм на один квадратный миллиметр поверхности.

Марки пружинной стали - свойства и сфера применения

К конструкционным углеродистым или высокоуглеродистым относят сталь рессорно - пружинную. Для придания ей узконаправленных свойств легируется в небольших количествах 2-3 элементами, в общей сумме до 2,5 %. Но применение этих марок сталей не ограничивается только изготовлением пружин. Называют эту группу так, из-за того, что название это наиболее сильно отражает их главную особенность — упругость.

Характеристики пружинных сталей

Пружинные стали характеризуются повышенным пределом текучести (δ_В) и упругости. Это важнейшая характеристика металла — выдерживать механические нагрузки без изменений своей первоначальной формы. Т.е. металл, подвергающийся растяжению или наоборот сжатию (упругой деформации), после снятия с него действующих сил, должен оставаться в первоначальной форме (без остаточной деформации).

Марки и область применения пружинной стали

По наличию дополнительных свойств пружинная сталь подразделяется на легированную (нержавеющую) и углеродистую. За основу легированной стали берется углеродистая с содержанием С 65-85 % и легируется 4 основными элементами, всеми или выборочно, каждый из которых вносит свои особенности:

хром;
марганец;
кремний;
вольфрам.

Хром — при концентрации более 13 % работает на обеспечение коррозионной стойкости металла. При концентрации хрома около 30 % изделие может работать в агрессивных средах: кислотной (кроме серной кислоты), щелочной, водной. Коррозионная пружинная сталь всегда легируется вторым сопутствующим элементом — вольфрамом и/ или марганцем. Рабочая t до 250 °C.

Вольфрам — тугоплавкое вещество. При попадании его порошка в расплав, образует многочисленные центры кристаллизации, измельчая зерно, что приводит к повышению пластичности без потери прочности. Это привносит свои плюсы: качество такой структуры остается очень высоким при нагреве и интенсивном истирании поверхности. При термической обработке этот элемент сохраняет мелкозернистую структуру, исключает разупрочнение стали при нагреве (в процессе эксплуатации) и дислокацию. Во время закалки увеличивает прокаливаемость, в результате чего структура получает однородность на большую глубину, что в свою очередь увеличивает эксплуатационный срок изделия.

Марганец и кремний — обычно участвуют в легировании обоюдно, причем соотношение всегда увеличивается в пользу марганца, примерно до 1,5 раз. Т. е. если содержание кремния 1 %, то марганец добавляется в количестве 1,1-1,5 %.

Тугоплавкий кремний является не карбидообразующим элементом. При попадании его в расплав одним из первых принимает участие в кристаллизации, выталкивая при этом карбиды углерода к границам зерен, что соответственно приводит к упрочнению металла.

Марганец можно назвать стабилизатором структуры. Одновременно искажая решетку металла и упрочняя его, марганец устраняет излишнюю прочность кремния.

В некоторые марки сталей (при работе изделия в высокотемпературных условиях, при t выше 300 ºC) в сталь присаживают никель. Он исключает образование карбидов хрома по границам зерен, которые приводят к разрушению матрицы.

Ванадий также может являться легирующим элементом, его функция похожа на действие вольфрама.

В пружинных марках оговаривается такой элемент как медь, содержание ее не должно превышать 0,15 %. Т. к. являясь легкоплавким веществом, медь концентрируется на границах зерен, снижая прочность.

К пружинным маркам относят: 50ХГ, 3К-7, 65Г, 65ГА, 50ХГФА, 50ХФА, 51ХФА, 50ХСА, 55С2, 55С2А, 55С2ГФ, 55ХГР, 60Г, 60С2, 60С2А, 605, 70, 70Г ,75, 80, 85, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 68А, 68ГА, 70Г2, 70С2ХА, 70С3А, 70ХГФА, SH, SL, SM, ДМ, ДН, КТ-2.

Марки такой стали используются для изготовления не только пружин и рессор, хотя это основное их назначение, которое характеризует основное свойство. Их применяют везде, где есть необходимость предать изделию упругость, одновременно пластичность и прочность. Все детали, которые изготавливают из этих марок, подвержены: растяжению и сжатию. Многие их них испытывают нагрузки, периодически сменяющие друг друга, причем с огромной циклической частотой. Это:

корпуса подшипников, которые испытывают в каждой точке сжатие и растяжение с высокой периодичностью;
фрикционные диски, испытывающие динамические нагрузки и сжатие;
упорные шайбы, основное время они испытывают нагрузки на сжатие, но к ним можно присовокупить и резкое изменение на растяжение;
тормозные ленты, для которых одним из главнейших задач является упругость при многократно повторяющемся растяжении. При такой динамике с усиленным старением и износом более прочная сталь (с меньшей упругостью) подвержена быстрому старению и внезапному разрушению.

Тоже касается и шестерней, фланцев, шайб, цанг и т. д.

Маркировка

Пружинно-рессорные стали можно сгруппировать по позициям:

нелегированные с содержанием углерода 65-85 % — недорогая сталь общего назначения;
марганцево-кремниевые — наиболее дешевая с высокими физико-химическими показателями;
хромо-марганцевые — нержавеющая сталь, работает в агрессивных средах при t -250 +250 C;
дополнительно легированные и/или вольфрамом, ванадием, бором — представляют собой стали с повышенным ресурсом работы благодаря однородной структуре, отличным соотношением прочности и пластичности благодаря измельченному зерну и выдерживает высокие механические нагрузки. Используются на таких объектах как ЖД транспорт.

Маркировка пружинных сталей проводиться следующим образом. Разберем на примере 60С2ХФА:

60 — процентное содержание углерода в десятых долях (углерод не указывается в буквенном значении);
С2 — буквенное обозначение кремния с индексом 2, обозначает увеличенное стандартное содержание (1-1,5 %) в 2 раза;
Х — наличие хрома до 0,9-1 %;
Ф — содержание вольфрама до 1 %;
А — добавленный буквенный индекс А в конце маркировки обозначает минимальное содержание вредных примесей фосфора и серы, не более 0,015 %.

Производство

В зависимости от дальнейшей обработки и окончательно вида детали, сталь поставляется в листах, проволоке, шестигранниках, квадратах. Высокие эксплуатационные качества изделия обеспечиваются 2 составляющими:

структурой металла, которая определяется химическим составом и последующей обработкой;
наличием в структуре неметаллических включений, точнее минимальным количеством и размерами, что устраняется на этапе выплавки и разливки;
формой детали (спираль, дуга) и ее размерами, что определяется расчетным методом.

При растягивании пружины, внутренние и наружные стороны витков испытывают различные степени нагрузки: внешние меньше подвержены растяжению, в то время как внутренние испытывают наибольшую степень деформации. Тоже касается и концов пружины: они служат местом крепления, что увеличивает нагрузку в этих и граничащих местах. Поэтому разработаны марки стали, которые предпочтительно используются на сжатие либо растяжение.

Термомеханическая обработка

Все без исключения пружинные стали повергаются термомеханической обработке. После нее прочность и износостойкость способна увеличиться в 2 раза. Форму изделию придают в отожженном состоянии, когда сталь имеет максимально возможную мягкость, после чего нагревают до 830-870 С и охлаждают в масляной или водной среде (только для марки 60 СА). Полученный мартенсит отпускают при температуре 480 ºC.

Все требования и рекомендации к этому виду стали описаны в ГОСТ 14959-79. На их основании предприятием разрабатываются более детальные технологические листы, которые отвечают узким параметрам.

Пружинные стали - характеристика, марки, применение

Начнём с загадки – без какой стали не смогут обойтись и водители и музыканты? Правильно, без пружинной, ибо только пружинная сталь обладает уникальным сочетанием свойств прочности и податливости. Металл, предназначенный для изготовления рессор и пружин, одинаково способен к пластическому формообразованию и к обработке на металлорежущих станках. Поэтому такие материалы нужны для производства зажимов, струн, само собой понятно, пружин, скребков, ножевого инструмента, шайб и многого другого. Технические требования к отечественной стальной продукции данного класса определяет ГОСТ 14959-2016.

Общая характеристика

Ключевыми особенностями всех марок пружинных сталей являются:

Химический состав, в частности, содержание углерода (его должно быть не менее 0,55…0, 60 %), а также ограничения по наличию никеля;
Специальные режимы термической обработки, позволяющие поднять значения предела упругости материала;
Высокая устойчивость от сдвигающих напряжений, возникающих в процессе эксплуатации.

Высокое содержание углерода обеспечивает рессорно-пружинным материалам самые высокие показатели усталости и эластичности. Этим обеспечивается большая долговечность при сохранении прочностных показателей. Наличие малого количества никеля (оно не должно превышать 0,40%) препятствует излишней пластичности, что может привести к соответствующей потере упругости.

Из-за повышенного содержания углерода все рассматриваемые материалы обладает высоким пределом текучести. Эта характеристика позволяет использовать их в продукции общего назначения.

Классификация таких сталей насчитывает три группы:

Со сравнительно малым содержанием углерода (до 0,45 %) повышенной пластичности, которые с целью повышения твёрдости после деформирования можно подвергать термообработке.
Среднеуглеродистые, в составе которых имеется до 0,65 % углерода. Такие стали перед штамповкой подвергают сфероидизирующему отжигу.
С более высоким содержанием углерода, которые обязательно проходят сфероидизацию. После неё они приобретают наибольшую упругость и сопротивление ударным/усталостным нагрузкам.

Рессорно-пружинные стали поставляются в сортаменте проволоки, листа, а также пространственных прокатных профилей – уголков, двутавров, швеллеров.

Виды и области применения

Из названия следует, что область использования данных материалов ограничивается производством пружин, рессор, ножей и прочей продукции машиностроительного назначения, от которой требуется оптимальное сочетание прочности и упругих свойств. Однако имеются и другие, более экзотические сферы применения данного типа металла.

Пружинные стали издавна используются для изготовления музыкальной проволоки, которая чаще всего встречается в фортепиано. Музыканты используют пружинную сталь в пианино потому, что струну для фортепиано нужно очень хорошо натягивать, причём таком состоянии она должна выдерживать постоянные удары молоточков клавиш.

Пружинная сталь используется также и для производства гитарных струн.

Доспехи и мечи актёров, которые снимаются в популярных средневековых фильмах или сериалах также производятся из пружинной стали. Они должны быть достаточно легкими, чтобы актер мог свободно двигаться, сохраняя при этом достоверность создаваемого им образа. Ведь значительно легче размахивать мечом из пружинной стали, чем оружием, которое отковано из железа или других тяжёлых металлов. Самое приятное то, что броня и оружие, которые вы видите на большом экране, полностью идентична тем, которые носили победители рыцарских турниров или обычного в те времена рукопашного боя.

Маркировка пружинных сталей

Особой маркировки данного металла ГОСТ 14959-2016 не предусматривает. Условные буквенные обозначения химических элементов, которые входят в состав, остаются общепринятыми. Дополнительная маркировка касается лишь металлургических технологий получения. Например, общеупотребительная пружинная сталь марки 55С2ГФА означает, что это высококачественная сталь, имеющая более жёсткие требовании я по составу входящих в неё химических элементов ( в данном случае – кремния, марганца и ванадия), а также с более жёсткими допусками по макроструктуре.

Кроме этого, в качестве последнего обозначения маркировки могут быть указания на способ производства, сортамент поставки (для проволоки – НМД), способ термической обработки (если есть, то ТО), а также на наличие или отсутствие специальной отделки поверхности (буквы от Б до Д).

Производство и термомеханическая обработка

Поскольку сравнительно большое содержание углерода создаёт трудности при пластическом формоизменении рессорных сталей (в частности, штамповка изделий из них производится преимущественно после нагрева), то часто перед обработкой данные материалы подвергают сфероидизации.

Сфероидизация - это форма термообработки средне- и высокоуглеродистых сталей, с целью превращения их в более пластичные и поддающиеся механической обработке заготовки. Процесс проводится при температурах, которые немного ниже температуры эвтектоида (температура, при которой структура представляет собой твёрдый раствор, а не жидкость). после этого следует медленный процесс охлаждения.

Полученная микроструктура содержит сфероидальные частицы цементита. Сфероидит известен, как наиболее пластичная и поддающаяся механической обработке форма.

Длительное нагревание при температуре ниже температуры эвтектоида способствует образованию перлита. Такая структура с наименьшим энергопотреблением превращается в феррит и цементит. Графитовые частицы в стали принимают сфероидальную форму, и после продолжительного нагрева разрушаются, образуя шаровой цементит.

Все структурные составляющие располагаются как можно дальше друг от друга. Это существенно повышает пластические характеристики, хотя и достигается длительностью обработки.

повышается пластичность высокоуглеродистых сталей;
структура сфероидита снижает энергию, необходимую для последующих операций;
улучшается обрабатываемость.

Обязательная сфероидизация сталей пружинного класса характерна также для производства деталей железнодорожных путей, стрелочных переводов, ободов колёс, мостовых кабелей и т.п.

Читайте также: