Какая сталь лучше для закалки

Обновлено: 28.04.2024

Не существует однозначного ответа на вопрос: «Можно ли закалить нержавеющую сталь?» Сплавы с низким содержанием углерода подвергаются закалке только после предварительного насыщения поверхностного слоя углеродом (цементации). Нержавеющие среднеуглеродистые стали закаливаются, но при несколько иных режимах, по сравнению с углеродистыми нелегированными.

Различия в закалке нержавеющей и углеродистой стали

Все легирующие элементы, входящие в состав коррозионностойкой стали, условно делят на две группы:

Первая – элементы, повышающие температуру полиморфного превращения. К ним относятся медь, ванадий, вольфрам, молибден, титан, ниобий. Для нержавейки, включающей такие добавки, требуется повышение температуры закалки.
Вторая – элементы, понижающие критическую температуру, при которой происходит изменение кристаллической решетки. Это марганец и никель. Со сталями, содержащими марганец, не рекомендуется допускать перегрева, поскольку этот элемент провоцирует рост аустенитного зерна.

Внимание! Карбидообразующие элементы – хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан – подавляют рост аустенитного зерна. Поэтому содержащие их стали не подвержены перегреву, их обычно нагревают до более высоких температур, по сравнению с углеродистыми.

По отношению к нелегированным углеродистым нержавеющие стали требуют:

из-за худшей теплопроводности – более длительной выдержки для качественного прогрева;
более медленного охлаждения, для которого обычно используют масляные ванны.

Как закалить низкоуглеродистую нержавейку с предварительной цементацией?

Результаты, которых позволяет достичь цементация в сочетании с закалкой и отпуском:

сердцевина изделия, не насыщенная углеродом, остается вязкой даже после закалки;
повышается износостойкость;
увеличивается предел выносливости.

Твердая цементация нержавеющих сталей осуществляется путем укладки изделия в ящики с карбюризатором, в качестве которого применяется измельченный графит или другой материал, далее следуют закалка и низкий отпуск. Твердый карбюризатор используют в домашних условиях или мелкосерийном производстве. Для массового изготовления металлопродукции востребована цементация в газовой среде. Варианты – жидкостная и вакуумная цементация.

Как закалить нержавеющую сталь с промежуточным насыщением поверхностного слоя углеродом?

Процесс науглероживания проходит при температурах 910-950°C, в случае необходимости его ускорения – при 1000-1050°C.
После цементации, являющейся промежуточным процессом, необходима закалка, которая обеспечивает упрочнение науглероженного слоя и исправляет структуру перегрева. Для корректировки дефектов структуры и уменьшения коробления металла, возникающих из-за длительной выдержки при высоких температурах науглероживания, используют двойную закалку.

Обязательная заключительная операция – низкий отпуск, осуществляемый при температурах 160-180°C, благодаря которому мартенсит закалки в поверхностном слое трансформируется в мартенсит отпуска.

5 способов быстрой и эффективной закалки металла

Закалка металла — нагревание до температуры каления, при которой структура его видоизменяется, и остывание в какой-либо жидкости (масле, воде) или на открытом воздухе. Делают такую обработку для того, чтобы повысить твёрдость материала. На производстве температура закалки определяется по диаграмме «железо-углерод».

Отпуск и старение металла

Часто путём закалки повышается не только твёрдость металла, но и его хрупкость, поэтому необходимо выполнять ещё один этап — отпуск, при котором прочность и твёрдость несколько снижаются, но материал становится более пластичным. Делают отпуск при температуре, ниже, чем в предыдущем процессе, и охлаждают металл постепенно.

Можно проводить закалку без изменения структуры металла (полиморфного превращения). В этом случае не возникнет проблем с хрупкостью, но необходимая твёрдость не будет достигнута. А повысить её удастся путём ещё одного процесса термообработки, называемого старением. При старении происходит распад пересыщенного твёрдого раствора, в результате которого увеличивается прочность и твёрдость материала.

Отпуск стали — это разновидность термообработки, используемая для деталей, закалённых до критической точки, при которой происходит полиморфное изменение кристаллической решётки. Он заключается в выдерживании металла определённый промежуток времени в нагретом состоянии и медленном охлаждении на открытом воздухе. Делают отпуск, чтобы снизить внутреннее напряжение, а также исключить хрупкость металла и увеличить его пластичность.

естественным, при котором самопроизвольно повышается прочность закалённого металла и снижается его пластичность. Происходит данный процесс при выдержке в естественной среде;
термическим. Такое старение — это процесс повышения твёрдости металла посредством выдержки при высоких температурах. По сравнению с первым видом, в данном случае может произойти перестаривание — это когда твёрдость, пределы прочности и текучести, достигая максимальной величины, начинают снижаться;
деформационным. Такое старение достигается при помощи пластической деформации закалённого сплава, имеющего структуру пересыщенного твёрдого раствора.

Способы закалки

Суть любой закалки — превращение аустенита в мартенсит (диаграмма «железо-углерод»). В зависимости от температурного режима, закалка может быть полной или неполной. Первым способом закаливают инструментальную сталь, а вторым — цветную.

с использованием одного охладителя;
с подстуживанием;
прерывистой;
ступенчатой;
изотермической.

Закалка в одном охладителе

Данный метод применяется для термообработки простых деталей, изготовленных из легированной и углеродистой стали. Деталь нагревается до необходимой температуры, а затем охлаждается в жидкости. Углеродистую сталь диаметром от 2 до 5 мм охлаждают в воде, детали меньшего диаметра и всю легированную сталь — в масле.

Закалка с подстуживанием

При термообработке с одним охладителем часто возникают состояния термического и структурного внутреннего напряжения. Развиваются они в том случае, когда разность температур достигает минимума. На поверхности металла образуется напряжение растяжения, в центре — напряжение сжатия. Чтобы данные напряжения уменьшить, перед тем, как опустить нагретую деталь в жидкость, её недолго держат на открытом воздухе. Температура детали в данном случае не должна быть ниже линии 0,8К по диаграмме «железо-углерод».

Прерывистая

Эту закалку проводят в двух средах — воде и масле или воде и воздухе. Нагретую до критической точки деталь сначала быстро охлаждают в воде, а потом медленно в масле или на открытом воздухе. Такой способ термообработки применяют для высокоуглеродистой стали. Этот метод — сложный, так как время охлаждения в первой среде очень мало и определить его сможет лишь специалист высокой квалификации.

Ступенчатая

При прерывистой термообработке деталь охлаждается неравномерно — более тонкие поверхности быстрее, чем все остальные. К тому же очень трудно отрегулировать время нахождения детали в первой среде (воде). Поэтому лучше использовать ступенчатую закалку. Данный метод позволяет охлаждать деталь в среде при температуре, превышающей мартенситную точку. Первая ступень — охлаждение и выдержка детали в данной среде до того момента, когда все сечения детали достигнут одной и той же температуры. Вторая ступень — окончательное медленное охлаждение (преобразование аустенита в мартенсит).

Изотермическая

При изотермической термообработке деталь нагревают до критической точки, а затем опускают в масляную или соляную ванну температурой 250 градусов. Выдерживают полчаса, а далее остужают на открытом воздухе. Такая закалка обеспечивает высокую конструкционную прочность и применяется для легированных и конструкционных сталей, у которых распад аустенита в промежуточной области не происходит до конца. В дальнейшем он превращается не в мартенсит, а в бейнит + 20% остаточный аустенит, обогащённый углеродом. Такой закалкой можно достичь высокой прочности при хорошей вязкости.

Температурный режим

Закалка — это превращение аустенита в мартенсит. На производстве при выборе температур термообработки пользуются диаграммой «железо-углерод». Температуру закалки углеродистых сталей определить очень легко. Нагрев конструкционной стали с содержанием углерода менее 0,8% доводят до температур, расположенных над линией GS и выше точки Ас3 на 30-50 градусов. Нагрев сталей, содержащих более 0,8% углерода, проводят при температурах на 30-50 градусов выше тех, которые расположены выше линии PSK. Температуру закалки легированной стали также выбирают, исходя из критических точек, но данный процесс много сложнее, так как помимо углерода такие стали содержат и другие компоненты.

Выбор охлаждающей среды

От выбора зависит качество детали:

для охлаждения простых деталей и изделий, изготовленных из углеродистых сталей применяют чистую воду;
для изделий сложных форм в качестве охладителя используют каустическую соду, смешанную с водой в соотношении 1:1. Приготовленный раствор нагревают до 50-60 градусов;
закалка металла в масле применима к тонкостенным деталям из легированных или углеродистых сталей.

Углеродистую сталь, имеющую сложный состав, остужают в двух охладителях — сначала быстро в чистой воде, а затем медленно в ванне, наполненной маслом. Перемещать детали из воды в масло нужно очень быстро.

Какую сталь подвергают закалке

Какие бывают дефекты при закалке металла

Закалка стали в условиях дома или дачи

готовим две ёмкости. В одну наливаем минеральное масло, в другую — воду;
также нужно подготовить инструмент, при помощи которого будем класть закаливаемый металл в костёр и вынимать из него. Для этой процедуры подойдут клещи;
далее разводим костёр и ждём когда образуются угли. На них и кладём металлический предмет, который нужно закалить;
следим за цветом углей и окраской пламени. Раскалённые угли имеют белый цвет. А пламя не должно быть белым. Малиновый цвет пламени — оптимальный для процесса закалки в домашних условиях. Белое пламя говорит о слишком высокой температуре внутри костра, и деталь наша может просто сгореть;
также необходимо следить, чтобы на металлическом изделии не появлялись чёрные или синие пятна, которые говорят о деформации металла в результате чрезмерного размягчения. А если металл стал белым, то такую деталь можно смело выкидывать.
как только металлический предмет нагреется до нужной нам температуры, вытаскиваем его и опускаем сначала в масло. Делаем это трижды, первый раз на три секунды. Каждый раз время увеличиваем на столько же. Опускаем и вынимаем резко;
далее опускаем металлический инструмент в ёмкость с водой и оставляем там до тех пор, пока он полностью не остынет.

Детали или предметы, имеющие вытянутую форму в воду помещаем вертикально. Для оценки температуры закалки в костре используем таблицу цветов. Вместо костра можно использовать любую печку.

Отпуск металла в духовке

При необходимости закалённый предмет можно подвергнуть отпуску. Для этого его нужно поместить в нагретую до 300-320 градусов духовку и продержать там в течение часа. Затем вынуть и дать остыть на открытом воздухе.

Проверка металла на наличие термообработки

Перед тем, как начать каление, нам необходимо убедиться, что материал приобретённого нами инструмента не термообработан. Делаем проверку с помощью обыкновенного паяльника. Нагреваем инструмент и проводим им по интересующей нас металлической поверхности. Если паяльник прилипает к металлу, то значит ни о какой его термообработке не может быть и речи. Плавное прохождение паяльника по поверхности стали или отскакивание от неё говорят о том, что проверяемый нами предмет либо хорошо термообработан либо обработан слишком сильно. При отсутствии термообработки делаем её самостоятельно.

Закалка ножа графитом

Термическая обработка металла графитом хороша тогда, когда нужно закалить не весь предмет, а только его часть. У ножа — это кромка. Последовательность процесса термообработки ножа в домашних условиях:

острие ножа проверяем на твёрдость при помощи надфиля. Если металл легко стачивается, а надфиль издаёт глухой звук, значит нож не термообработан;
для данного процесса понадобится графит, который можно добыть из круглых батареек, взять стержни простого карандаша или воспользоваться графитовыми щётками генератора;
добытый графит превращаем в порошок;
в качестве источника питания используем сварочный аппарат постоянного тока. Выставляем на минимум;
делаем подложку из оцинкованного листа. На неё насыпаем графитовый порошок;
к подложке подсоединяем «плюс» сварочного прибора, а ручке ножа — «минус»;
далее лезвием ножа аккуратно водим по графиту так, чтобы оно не касалось подложки. А ещё следим, чтобы графит не воспламенился, иначе ножик наш будет испорчен;
при движении лезвия по графиту последний будет выдавать искры. Как только увидим, что остриё ножика нагрелось, процесс прекращаем. Приблизительное время закалки — не более 5 минут;
даём ножу остыть естественным путём, затем берём надфиль и проверяем твёрдость. Если звук, издаваемый надфилем при контакте с ножом звонкий, а остриё не поддаётся затачиванию, значит твёрдость лезвия высокая.

Процесс закалки на производстве провести намного легче, чем дома. При необходимости можно попробовать закалить нужный предмет или инструмент «топорными» способами с применением подручных средств.

Основные марки и категории инструментальных сталей

В его состав стали могут входить различные легирующие добавки — марганец, свинец, хром, никель, фосфор и другие. Главной функцией легирующих добавок является улучшение свойства материала — повышение прочности, снижение коррозийного потенциала, улучшение электропроводности. Особое положение занимают так называемые инструментальные стали, из которых делают различные детали и инструменты (топоры, иголки, зубила, кувалды, молотки и так далее). Но какими физико-химическими особенностями обладают инструментальные стали? Как их производят? И какие существует основные марки таких сталей?

Основные особенности

Инструментальная сталь — это такая сталь, в состав которой входит не менее 0,7% углерода. В ее состав могут входить и некоторые другие легирующие компоненты (свинец, хром, алюминий, никель, фосфор). Однако их содержание в большинстве случаев невелико — менее 0,1%. Так как инструментальные стали содержат повышенное количество углерода, их очень часто называют углеродистыми. Подобное терминологическое словоупотребление не совсем корректно с точки зрения ГОСТ, однако обыкновенные люди часто используют такое название на бытовом уровне.

Качественные сплавы. Главный критерий — низкое содержание серы (до 0,03%) и фосфора (до 0,035%). Низкая концентрация легирующих веществ делает сплав твердым и прочным. Детали из этого сплава не ломаются, не деформируются, сохраняют форму при ударе и нагреве. Качественные сплавы не имеют специальной маркировки в виде буквы А в конце буквенно-числового обозначения стали.
Высококачественные сплавы. Главный критерий — сверхнизкое содержание серы (до 0,02%) и фосфора (до 0,03%). По физико-химическим свойствами высококачественные сплавы повторяют просто качественные. Но за счет более низкого содержания легирующих добавок высококачественные сплавы обладают более высокой прочностью, не ржавеют, не гнутся при нагреве и так далее. Высококачественные сплавы имеют специальную маркировку в виде буквы А в конце буквенно-числового обозначения марки стали.

Сплав инструментальных сталей высокопрочный. Поэтому из него часто делают различные инструменты. Это молотки, отвертки, пилы, оборудование для механических или электронных устройств. За счет прочности сплава инструменты сохраняют свою форму даже при длительной эксплуатации. Чистые инструментальные сплавы обладают пониженными антикоррозийными свойствами, поэтому в состав многих сплавов добавляют легирующие добавки, снижающие коррозийную активность материала. В качестве легирующих добавок применяют хром, вольфрам, алюминий и другие вещества.

Виды углеродистой стали

Инструментальные углеродистые стали стандартного типа. Отличаются средним или высоким содержанием углерода (более 0,7%) и низким содержанием легирующих добавок (суммарно менее 1%). Обладают неплохими физическими свойствами — высокая прочность, устойчивость при ударе или деформации, химическая инертность, низкий коррозийный потенциал. Применяются для изготовления ручных, механических и электронных инструментов.
Легированные. По составу похожи на предыдущую марку, однако содержат повышенное количество легирующих добавок. Содержание легирующих веществ от 1 до 20%. В качестве дополнительных компонентов чаще всего выступают хром или вольфрам. Эти добавки улучшают антикоррозийные свойства материала, что хорошо сказывается на сроке годности деталей. Также в металл могут вноситься и другие добавки — алюминий, марганец, кремний, медь, азот, кобальт, бор, никель. Их назначение — увеличение пластичности, повышение прочности, снижение электрического потенциала, снижение магнитных свойств.
Быстрорежущие. Представляет собой особую разновидность легированного сплава, который прошел специальную финальную обработку. Основные легирующие добавки — углерод (0,7-1,5%), хром (3-4%), вольфрам (0-18%), молибден (0,5-6%), кобальт (0-9%). Материал обладает высокой прочностью и прекрасно сохраняет форму при физической деформации, ударе или высокотемпературном нагреве. Поэтому из него делают различное режущие оборудование — дисковые пилы, ножи, лезвия, хирургические инструменты. Материал проходит многократную закалку, отпуск, что усложняет его производство, увеличивает себестоимость.
Валковые. Материал содержит ряд легирующих добавок (алюминий, кремний, ванадий), улучшающих прочность и пластичность металла. Валковую сталь обычно выплавляют в виде длинных пластин или листов, которые потом нарезаются на нужные детали. Сфера применения — изготовление опорных, прокатных, листовых валков. Также из валковых материалов делают небольшие плоские инструменты для резки металла — обрезные матрицы, пуансоны, ножи, рамные пилы. На финальном этапе обработки материал может проходить отпуск или закалку в цехах для улучшения физических свойств металла.
Штамповые. Материал содержит среднее количество углерода (от 0,7 до 1,5%) и небольшое количество легирующих добавок (алюминий, хром, никель, марганец). Главное отличие материала заключается в том, что на финальном этапе выплавки материал проходит штамповку. Это обуславливает ряд физических свойств материала — повышенная устойчивость, минимальный риск образования трещин, высокая теплопроводность, устойчивость к образованию окалины. На этапе выплавки материал отличается высокой вязкостью, однако после застывания он становится прочным и однородным. Высокая вязкость при нагреве позволяет упростить процедуру штамповки, а также улучшает теплопроводность металла после остывания.

Марки и категории

Различают множество категорий инструментальных сталей — У7, У7А, У8, У8ГА, У9 и другие. Самые используемые материалы марок У7А, У8, У8А и У9, поскольку они отличаются высокой прочностью, устойчивостью к нагреву, не деформируются при ударе. Марки У10 и выше также отличаются хорошей прочностью, однако они становятся пластичными при длительном контакте с высокими температурами, что снижает их универсальность. Основные марки инструментальных сталей:

Категория	Марки	Физические особенности
Углеродистая, стандартная	У7, У7А	Марки отличаются хорошей прочностью, низкой электропроводностью, низким риском коррозии. Подходят для производства деревообрабатывающих инструментов — топоры, стамески, долота. Также могут применяться для изготовления зубил, иголок, плоскогубцев, кусачек, молотков, ручных пил, крючков.
Углеродистая, повышенной прочности	У8, У9 + подвиды	Марки обладают повышенной прочностью, но хуже переносят локальный или общий нагрев. Поэтому их используют для производства деревообрабатывающего оборудования — топоры, стамески, станковое оборудование, пилы, ролики. Также могут применяться для производства мелких деталей, которые не будут подвергаться нагреву — запчасти для часов, иголки, крючки, заклепки, гвозди, болты, шурупы.
Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, с легирующими добавками или без них	У10, У11 + подвиды	Марки хорошо выдерживают деформацию и локальный нагрев до невысоких температур, отличаются пониженным риском коррозии. Легирующие добавки могут улучшать физические свойства марок (устойчивость к нагреву, пониженный риск коррозии, повышенная пластичность). Основные запчасти — сверла, ленточные пилы, фрезы, ролики, шаберы, напильники. Некоторые марки применяются для изготовления медицинского оборудования, деталей для электронных инструментов.
Углеродистая, повышенной или стандартной прочности, без легирующих добавок	У12, У12А	Марки относятся к категории грубых сталей, отличающихся пониженным классом точности. Сфера применения — производство прочных запчастей или деталей, которые не будут нагреваться до средних, высоких температур. Примеры запчастей — резцы, молотки, топоры, ручные пилы, напильники.
Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, без легирующих добавок	У13, У13А	Марки относят к группе грубых сталей, которые становятся пластичными при нагреве. Обладают пониженным классом точности, поэтому эти марки используют для производства ручных обрабатывающих инструментов. Примеры — напильники, лезвия, надфили, инструменты для гравировки, хирургическое оборудование.

Особенности закалки, отжига

В первой ванне температура находится в пределах от 400 до 550 градусов. Металл сперва помещаются в эту ванну на срок не более 1 часа.
После равномерного обогрева запчасти деталь переносят в другую соляную ванну, где температура будет на 200-300 градусов выше.
После нагрева деталь вновь переносят в третью ванну, где температура составляет 1250-1300 градусов. В этой ванне проходит финальная закалка металла.

Ступенчатая закалка позволяет равномерно распределить мартенсит, аустенит по всему материалу, что благоприятно сказывается на его физических свойствах. Чтобы расплавить часть аустенита, нужно выполнить финальный отпуск в ванне, температура которой составляет не более 550 градусов. Отпуск рекомендуется повторять хотя бы 3 раза, чтобы снизить количество аустенита ниже критического уровня. Для дополнительной закалки можно также применять технологию обработки холодом. Для этого закаленный металл следует поместить в емкость с жидким материалом, температура которого составляет от -100 до -50 градусов. Низкотемпературная закалка выполняется в один этап, повторная закалка не требуется, что связано с особенностью расплава аустенита при низких температурах.

Несколько слов о маркировке

Все инструментальные стали имеют специальное буквенно-числовое обозначение. По ГОСТ этот код должен наноситься на все упаковки со стальными деталями, а в ряде случаев обозначение должно наноситься и на саму деталь. В случае транспортировки детали на территорию другого государства маркировка наносится в обязательном порядке. Также должны быть учтены государственные стандарты принимающей сторон. Скажем, государство может потребовать, чтобы помимо отечественной маркировки на нее наносился дополнительный код, соответствующий национальному законодательству.

Код ГОСТ имеет следующую структуру: X1 X2 Y Z. Расшифровка будет такой:

X1 — этот показатель отражает высокое содержание углерода в сплаве. Переменная X1 может принимать только одно значение — символ У. Так как инструментальные сплавы содержат повышенное количество углерода, то этот символ указывается всегда. Поэтому по факту у всех инструментальных сплавов код начинает с символа У.
X2 — этот показатель отражает концентрацию углерода в десятых долях процента. Минимальное значение, которое может принимать инструментальная сталь, равно 7 (что ясно из определения этой стальной марки). Формально значение X2 не ограничено, однако по факту содержание углерода в инструментальных сплавах редко составляет более 1,2%. Поэтому обычно переменная X2 находится в пределах от 7 до 12.
Y — этот показатель указывает на наличие легирующих добавок. Основная легирующая добавка — это марганец, из-за которой переменная может принимать значение Г. В качестве легирующих веществ могут также использоваться хром (символ X), вольфрам (символ В) и другие. Обратите внимание, что при отсутствии легирующих добавок переменная Y будет отсутствовать.
Z — этот показатель указывает на категорию сплава (качественная или высококачественная). Если сплав является высококачественным, то ставится буква А. Если сплав является просто качественным, то какие-либо символы не ставятся.

Скажем, у нас имеется деталь марки У8ГА. Символы У и 8 означают, что в состав материала входит повышенное содержание углерода, а точная концентрация углерода составляет 0,8%. Буква Г указывается на то, что в сплаве содержится марганец. Буква отражает тот факт, что сталь является высококачественной.
Теперь рассмотрим другой пример. У нас имеется сплав с маркировкой У12. Символы У и 12 указывают на то, что в составе сплава содержит углерод в концентрации 1,2%. Переменная Y отсутствует — это значит, что материал не содержит легирующие добавки в значительных количествах. Также у сплава нет буквы А в конце кода — это значит, что материал относится к категории качественных (но не высококачественных).

Заключение

Углеродистые инструментальные стали — стальной сплав, который содержит не менее 0,7% углерода. Материал обладает хорошими физическими свойствами — высокая прочность, хорошая пластичность, низкий риск коррозии, сохранение формы при ударе. Сплав обладает простой выплавкой, что хорошо сказывается на себестоимости материала. Чтобы улучшить свойства металла, в него добавляют различные легирующие добавки — хром, вольфрам, кобальт, алюминий и другие.

Сера и фосфор ухудшают физические свойства материала, поэтому их содержание должно составлять менее 0,03% для серы и менее 0,035% для фосфор. Если металл содержит до 0,02% серы и до 0,03% фосфора, то его называют высококачественным. Из инструментальных углеродистых сплавов делают различные инструменты — молотки, пилы, ролики, отвертки, кусачки и так далее. В зависимости от состава и способов обработки различают несколько категорий стали. Основные типы — стандартная сталь, легированная, быстрорежущая, валковая, штамповая. Популярные марки — У7А, У8, У8А, У9. По ГОСТ инструментальные сплавы должны иметь специальную маркировку в виде буквенно-числового кода.

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.

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.

Читайте также: