Колоризованная пружинная сталь что это

Обновлено: 17.04.2024

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.

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.

Области применения стали Гадфильда

Одним из самых интересных материалов, производимых в металлургии, можно назвать сталь Гадфильда. Это первая легированная, высокомарганцовистая сталь массового выпуска и активного применения. Из-за своих необычных свойств она применяется в тех областях народного хозяйства, где все остальные виды стали не подходят. Ее вполне заслуженно можно назвать суперсталью. Она имеет низкую твердость, но хорошую износостойкость при ударах, высоком давлении и перепадах температуры. Эта сталь подходит для использования в агрессивных средах и экстремальных условиях.

Легирование

марганец,
титан,
кобальт,
вольфрам,
алюминий,
никель,
хром,
кремний,
ванадий,
ниобий.

Все эти добавки по-разному влияют на конечные качества получаемого сплава. Прежде чем целенаправленно добавлять в металл легирующие составляющие, люди познакомились с природными легированными сплавами, буквально упавшими с неба в виде железных метеоритов. Это железо применялось уже давно. Оно содержит до 8,5% никеля — активно применяемого сегодня легирующего элемента.

Изобретен этот вид стали был в 1882 г металлургом-англичанином Робертом Гадфильдом (был принят в почетные члены Академии Наук СССР в 1933 г.). Это высокопластичная сталь с большим содержанием марганца. Получилась эта марка стали настолько удачной, что и сейчас, практически без изменений в химическом составе, широко используется в самых разных отраслях промышленности. В СССР технологию выплавки этой стали освоили к 1936 году. В России и среди стран-членов Содружества Независимых Государств она известна под маркой 110Г13Л (или Г13Л). Литера «Л» обозначает, что эта сталь — для литья. Требования регламентируются ГОСТом 977-88 и его аналогами за рубежом.

Область применения

Изготавливают из нее части механизмов, рельсовые крестовины, стрелочные переводы, сердечники для прокатки труб, гусеничные траки, броневые листы, детали дробилок, козырьки землечерпательных машин, все устройства, где требуется особая стойкость к износу при больших давлениях, ударным нагрузкам и истиранию. До 80-х годов из нее изготавливались защитные шлемы для солдат в британской и американской армиях. За двадцатый век их было выпущено порядка 30 миллионов штук. Эти шлемы — лишь один из способов использования стали Гадфильда. В 20-х годах из нее начали изготавливать траки для танков — это та часть гусениц, которая подвергается наибольшему воздействию и истиранию при передвижении тяжелых машин. Изготовленные из этой стали они позволили увеличить пробег техники без ремонта гусениц или их замены почти в 10 раз, с 500 км до 4800 км.

Сталь Гадфильда очень важна, она стала незаменимой в военной промышленности и танкостроении. С течением времени этот вид стали начали применять и в других областях деятельности.

Состав и свойства

Fe — 82%,
Mn — 11,5-15%,
C — 0,9-1,6%,
Si — 0,3-1%,
другие составляющие — до 5%.

При таком проценте марганца и углерода сталь имеет аустенитную структуру. Именно она придает металлу повышенную стойкость к износам и склонность к увеличению прочности при нарушении геометрии первоначальной формы в результате удара. Аустенит — это структура металла, определяющая его технические характеристики, которые невозможно получить в другом состоянии, так как при изменении строения изменяются и свойства. Это твердый раствор углерода и легирующих компонентов в железе. Количество углерода и количество марганца в сплаве прямо связаны между собой. При увеличении количества углерода, необходимо увеличивать и содержание марганца. Длительность эксплуатации защитных покрытий, изготовленных из стали Гадфильда (футеровок), зависит именно от количества углерода в металле. Так как марганец — активный металл, то сталь Гадфильда имеет повышенную слабость к коррозии, это существенный недостаток этого сплава.

Изделия из этой стали требуют особого ухода для защиты от коррозионного разрушения.

Упрочнение

Упрочнение при ударной деформации, или нагартовка — это процесс, применяемый для увеличения прочности металла, которое не может быть получено термическим воздействием (закалкой). Эта технология обработки направлена на изменение формы изделия методом холодной ковки, пластической деформации, ввода в металл механической энергии. В результате чего твердость сплава повышается, увеличивается его прочность, но уменьшается пластичность.

А невозможность закалки стали Гадфильда с получением привычного эффекта — упрочнения закаляемой детали – заметил сам изобретатель этого вида металла. При попытке закалить образец выяснилось, что металл стал не тверже, а мягче. Замена сред закалки не помогла, образец оставался мягким. Неожиданным было и то, что новая сталь не поддавалась ни токарной, ни фрезерной обработке. При попытке отковать образец холодным способом, без нагрева, участки, подвергнувшиеся ударам молота, стали твердыми. И чем большее количество ударов они получали, тем тверже становились. Попытка обработать металл напильником также закончилась неудачей. Чем сильнее был нажим напильника, тем сильнее было сопротивление металла, образец становился все более твердым.

Из-за невозможности перепилить прут из стали Гадфильда напильником, она применяется для изготовления тюремных решеток. При попытке перерезания прутка такой решетки, происходит сильный наклеп той части, которая подвергается воздействию. Значительно увеличивается твердость стали, до твердости самого напильника и даже выше. В результате попытка перепилить тюремную решетку обречена на провал.

Что такое наклеп?

Наклеп — увеличение прочности металлов и сплавов вследствие изменения их структуры в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. То есть температуры, при которой на месте потерявших форму, вытянутых зерен металла начинают возникать и расти новые зерна с неискаженной решеткой, правильной округлой формы. При наклепе металла его плотность уменьшается, происходит это из-за нарушения порядка в расположении атомов, искажения атомной решетки, образования микропор, увеличения плотности дефектов. Уменьшение плотности означает увеличение удельного объема единицы массы. Наружный наклепанный слой стремится расшириться, а внутренние не позволяют ему этого сделать. В металле возникают остаточные сжимающие напряжения. Они бывают очень полезными, так как способны приостанавливать процесс появления и увеличения поверхностных усталостных трещин.

Нельзя гарантировать равномерное постоянство удельных давлений в шарнире в пределах от 80 до 200 кг/см, при которых проявляется способность стали к наклепу, и тем самым выявляется ее свойство противостоять износу. Ниже этих показателей наклеп стали Гадфильда не наблюдается, а выше — возникает ее остаточная деформация, соответственно нельзя полноценно использовать её способности. Многочисленные наблюдения за работой тракторов СТЗ НАТИ в поле показали, что после примерно тысячи часов эксплуатации износ отверстий проушин шарнирных соединений равен 0,3 — 0,4 см, а в результате полутора-двух тысяч часов работы проушины истираются практически на всю толщину стенки 0,8 см или разрушаются ранее.

Изменение свойств сплава

Когда металл подвергается механическому воздействию, в нем образуются микроскопические дефекты — дислокации, если такое воздействие продолжается, эти дефекты начинают смещаться и взаимодействовать. Они образуют новую структуру материала, которая сопротивляется дальнейшему пластическому изменению формы. Эта структура увеличивает способность металла сопротивляться прилагаемым усилиям, повышает предел текучести материала и снижает его вязкость. Это очень важно для тех металлов и сплавов, которые не упрочняются при термообработке.

При комнатной температуре сталь Гадфильда практически немагнитна, но, после холодной деформации, появляются магнитные свойства. Это явление сопровождается появлением в структуре металла плотных плоскостей скольжения дислокаций, которые дробят зерна на отдельные блоки. Открытием Гадфильда и Хопкинсона стало то, что испытание образца стали на разрыв, придало ему слабомагнитные свойства. Появление ферромагнетизма показывает, что после такого вида нагрузок, часть металла переходит в состояние а-железа.

Способы обработки

Холодная обработка металлов давлением — известный способ намеренного создания наклепа. Типичными технологическими процессами такой обработки металлов являются волочение, холодная ковка, прокатка, прессование (экструзия). Если переусердствовать с обработкой, то деталь из стали Гадфильда может развалиться на куски из-за усиливающихся внутренних напряжений, которые ее разрушают. Поэтому при обработке, например, лезвия ножа, которое рекомендуется слегка отбить перед итоговой заточкой, или отбивке косы (а это и есть холодная ковка), нужно наносить очень легкие удары и внимательно относиться к отдаче от молотка. Как только он начинает отскакивать, значит пора прекращать удары, иначе лезвие может раскрошиться.

Из-за высокой вязкости стали Гадфильда, детали из нее практически не могут обрабатываться режущими инструментами. Для массового изготовления продукции из этой стали подходит только литье. Формы для отливки должны быть выполнены очень тщательно, чтобы изготовленные детали не подвергать дополнительной обработке. После отливки изделия и застывания металла, качество стали достаточно низкое, так как на границе зерен аустенита есть мелкие включения карбидов, которые легко образуют трещины между зернами и приводят к быстрому разрушению. Токарная обработка возможна лишь с применением быстрорежущих сталей с высокой теплостойкостью. То есть инструмент, при возникающих в режущей кромке высоких температурах, должен сохранять высокую твердость и противостоять износу.

Особенности закалки и сварки

Если углерода 1%, то температура должна быть не ниже 900 градусов.
Если углерода 1,5% — 1000 градусов.
При количестве углерода на уровне 1,6% — температура нагрева выше 1050 градусов.

Нагрев должен быть очень медленным, не более 150 градусов в час, с последующей выдержкой в зависимости от размеров отливки и заключительным охлаждением водой.

При толщине отливки в 30 мм потребуется 4 часа выдержки, а в 125 мм — сутки. Такая обработка полностью убирает наклеп, переводит металл в аустенит, выравнивая его структуру. Соответственно твердость стали после закалки низкая, а вязкость высокая.

При сварке этого вида стали обязательно нужно учитывать ее особенности. В зоне термического воздействия и в наплавленном металле, из-за изменения при нагреве аустенитной структуры металла в мартенситную, высока вероятность появления холодных трещин из-за низкой, в 4-6 раз меньше, по сравнению с другими видами сталей, теплопроводности и увеличенного в 1,9 раз коэффициента теплового расширения. Есть вероятность появления и горячих трещин, так как литейная усадка стали Гадфильда более чем в полтора раза больше, чем любой малоуглеродистой стали. Поэтому рекомендуется сварочные работы проводить в проточной воде, либо, в крайнем случае, с последующим охлаждением шва.

Описание основных марок высоколегированной стали

Целью внесения легирующих компонентов является изменение физических свойств стали — повышение прочности, противодействие коррозии, повышение гибкости. В зависимости от концентрации легирующих элементов различают три вида — низколегированная (дополнительных компонентов менее 2,5%), среднелегированная (от 2,5 до 10%) и высоколегированная сталь (от 10 до 50%).

Какими основными отличиями обладает высоколегированная сталь? Какие марки высоколегированных сталей существуют? И о чем нужно помнить при проведении сварочных работ? Ниже мы узнаем ответы на эти вопросы.

Основные особенности

Высоколегированная сталь помимо углерода и железа содержит большое количество легирующих добавок (от 10 до 50%). В качестве дополнительных компонентов: хром, никель, кремний, марганец, вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, кобальт, титан, а также различные редкоземельные металлы.

Чаще всего в качестве дополнительных компонента выступает хром и никель — остальные компоненты обычно содержатся в небольших количествах. Хотя есть и некоторые исключения: простой пример — аустенитные марки высоколегированных сталей могут содержать марганец в концентрации от 1 до 15%.

Причины внесения легирующих добавок очень простые — они изменяют структуру и физические свойства стального сплава, что позволяет человеку получить металл с нужными свойствами.

Категории

Окалиностойкие (жаростойкие) высоколегированные стали. Основная особенность подобных сплавов — полная устойчивость к умеренно-высоким температурам (до 550 градусов по Цельсию) окружающей среды в ненагруженном состоянии. Иными словами, подобные стали хорошо выдерживают перегрев в течение длительного времени в том случае, если им не нужно держать какой-либо тяжелый вес. Обратите внимание, что помимо высоких температур окалиностойкие стали также хорошо переносят длительное воздействие химических реагентов средней степени токсичности.
Жаропрочные высоколегированные стали. По названию можно подумать, что жаропрочные и жаростойкие сплавы — это одно и то же, однако это не совсем так. Жаропрочные сплавы выдерживают высокие температуры (до 800 градусов и выше) в состоянии высокой нагрузки, но в течение короткого времени. Иными словами, подобные сплавы выдерживают большой нагрев в течение небольшого срока (тогда как жаростойкие сплавы выдерживают средний нагрев в течение долгого времени). Кратковременная устойчивость также распространяется и на высокотоксичные химические реагенты.
Антикоррозийные (нержавеющие) стальные сплавы. Обладают полной устойчивостью ко всем основным видам коррозии (поверхностная, кристаллическая, электрохимическая и так далее). Обратите внимание, что в состав подобных сплавов легирующие компоненты равномерно распределяются по всему стальному сплаву, что делает материал равномерно устойчивым ко всем антикоррозийным воздействиям. Почему это так важно? Простой пример: при хромировании формируется только внешнее антикоррозийное покрытие, которое может повреждаться или стираться по естественным причинам — высоколегированные сплавы содержат антикоррозийные добавки по всему металлу, что делает подобные сплавы более устойчивыми.

Применение

Высоколегированные стали нашли свое широкое применение в быту. Из них делают различные детали — для автомобилей (грузовых, легковых, электрических и так далее), кораблей, самолетов, танков. Также высоколегированные стали очень часто используются в строительстве для создания несущих конструкций балочного типа.

Легирующие компоненты в таком случае могут играть множество ролей — они делает материал более жаростойким, они улучшают его антикоррозийные свойства и так далее. Также из высоколегированной стали делают посуду, медицинские инструменты, домашнюю утварь и так далее.

Маркировка легированной стали

XXX — специальный буквенный префикс, отображает тип стального сплава (расшифровку мы дадим ниже).
YYY — этот фрагмент представляет собой число, которое отображает количество углерода в сплаве. Если стоит два числа — это значит, что содержание углерода выражается в сотых долях процента. Если стоит одно число — содержание углерода в десятых долях процента.
ZZZ — буквенно-числовая последовательность, которая отображает легирующие компоненты и их приблизительное количество (расшифровку мы тоже дадим ниже).

Расшифровка

Давайте теперь разберемся с префиксом XXX — этот код указывает на особые свойства стали. В техническом смысле он представляет собой одну или несколько букв (чаще всего одну), которая обозначает то или иное свойство. Префикс XXX практически вышел из употребления и на практике он используется редко. Основные значения, которые может принимать префикс, представлены в таблице ниже:

Символ префикса XXX	Расшифровка префикса
Э	Электротехническая сталь
А	Автоматная сталь
Р	Режущая сталь
Л	Сталь, полученная методом литья

Последовательность ZZZ показывает наличие в стальном сплаве дополнительных легирующих компонентов. Если какой-либо компонент в стальном сплаве содержится в концентрации более 1%, то в таком случае рядом с буквой указывается процентное содержание этого элемента. Буквы расшифровываются следующим образом:

Значение ZZZ	Расшифровка
Х	Хром
Н	Никель
С	Кремний
В	Вольфрам
М	Молибден
Ф	Ванадий
Ю	Алюминий
Г	Марганец
К	Кобальт
Т	Титан

А10Х13СЮ — автоматная сталь, которая содержит 0,10% углерода, 13% хрома, а также кремний и алюминий в концентрации менее 1%
Л12Х17 — литая сталь, которая содержит 0,12% углерода и 17% хрома.
12Х18Н12Т — сталь, которая содержит 0,12% углерода, 18% хрома, 12% никеля, а также титан в концентрации менее 1%.

Виды и марки высоколегированной стали

Категория сталей	Основные особенности	Марки соответствующей категории
Мартенситные марки	Содержат углерод в приличных количествах (до 0,7%), содержание хрома среднее (от 8 до 19%), в незначительных количествах содержат кремний и/или марганец	07Х16Н4Б, 13Х11Н2В2МФ, 30Х13
Ферритные марки	Низкое содержание углерода (до 0,15%), высокое или среднее содержание хрома (от 12 до 30%), в очень небольших количествах может содержать кремний, титан и/или марганец	12Х17, 08Х13, 15Х25Т
Аустенитные марки	Низкое содержание углерода (до 0,2%), умеренное или среднее содержание хрома (от 10 до 18%), никель в различных концентрациях (от 3 до 25%), марганец в различных концентрациях (от 1 до 14%), в небольших количествах может содержаться кремний, азот	20Х25Н20С2, 12Х25Н16Г7АР
Композитные мартенситно-ферритные марки	Низкое содержание углерода (до 0,2%), большое или среднее содержание хрома (от 10 до 16%), в небольших количествах — ванадий, марганец, кремний	12Х13, 15Х12ВНМФ
Композитные аустенитно-ферритные марки	Низкое содержание углерода (не более 0,18%), высокое содержание хрома (в среднем 23%), марганец в различных концентрациях (есть сплавы как с низким содержанием 0,5%, так и с высоким содержанием 9%), возможны небольшие вкрапления кремния, алюминия, титана	15Х18Н12С4ТЮ, 12Х21Н5Т
Композитные аустенитно-мартенситные марки	Углерод в различных концентрациях (от 0,1 до 1%), высокое содержание хрома (в среднем около 16%), в небольших концентрациях — алюминий, кремний, титан	08Х17Н6Т, 09Х15Н8Ю1

Сварка высоколегированных сталей

Повышенная теплопроводность приводит к тому, что на поверхности металла собирается лишнее тепло, которое значительно легче проплавяет сталь в глубину. Поэтому при проведении сварки нужно снизить величину сварочного тока на 15-25%, чтобы избежать повреждения детали.
Из-за увеличенного коэффициента расширения металла при нагреве также происходит более серьезная деформация металла. В случае работы с объемными жесткими объемными конструкциями также увеличивается риск образования трещин. Поэтому при осуществлении сварки нужно соблюдать повышенную осторожность.

Советы

Помимо этого существует и масса других особенностей сварки высоколегированных сталей. При работе со сплавами, которые не содержат титан или ниобий, нужно помнить о температуре нагрева сварочной дуги. При нагреве металла до температуры выше 500 градусов такие сплавы теряют свои антикоррозийные свойства.

Если же во время сварки вы по какой-либо причине довели фрагмент металла до температуры выше 500 градусов, то в таком случае необходимо выполнить закалку либо нагреть фрагмент до температуры 850 градусов. В таком случае легирующие скопления растворяются и равномерно распределятся по всему сплаву.

Из-за наличия легирующих добавок значительно повышается риск растрескивания стали во время сварки. Чтобы этого избежать, нужно использовать электроды с покрытием на основе молибдена, марганца или вольфрама. В случае применения таких инструментов место шва приобретает мелкозернистую структуру, которая препятствует образованию трещин.

Также снижает риск растрескивания шва предварительный нагрев стали до температуры 100-300 градусов по Цельсию. В таком случае тепло будет равномерно распределяться по всей толщине металла и препятствовать образованию трещин.

Стальные сплавы с содержанием углерода в концентрации менее 0,12% перед сваркой нужно обязательно нагревать. Если этого не сделать, то с большой долей вероятности после сварки на месте шва образуются трещины и коррозионные наросты.

Подведем итоги. Высоколегированная сталь — это особая разновидность стального сплава, в котором содержится большое количество дополнительных компонентов. Общее количество легирующих добавок должно составлять не менее 10%. Чаще всего в качестве подобных добавок выступают хром, никель и марганец.

Остальные элементы (кремний, титан, алюминий, вольфрам) обычно входят в состав высоколегированных сталей в небольших количествах. Легирующие компоненты позволяют изменить физические и химические свойства стального сплава. Они делают материал более жаростойким, упругим, устойчивым к коррозии.

Из высоколегированной стали делают различные детали: для авто и пароходов, элементы несущих конструкций, посуду, медицинское оборудование.

Высоколегированная сталь проходит специальную маркировку согласно государственным требованиям ГОСТ. Маркировка представляет собой специальный код, которые имеет вид буквенно-числового значения.

Для удобства высоколегированная сталь разбивается на 6 классов — мартенситные сплавы, ферритные, аустенитные и 3 композитных сплава. Сварка высоколегированных сталей должна выполняться с учетом некоторых специальных правил. Сварку следует проводить аккуратно, чтобы избежать образования трещин.

Пружинные стали: характеристики, свойства, марки, ГОСТ. Изделия из пружинной стали

Начать стоит с того, что любая пружина, рессора и другие подобные элементы эксплуатируются в условиях жесткой и постоянной упругой деформации. Кроме этого, большинство деталей подвергается еще и циклическим нагрузкам. Именно по этим причинам к пружинной стали предъявляются высокие требования по упругости, текучести, выносливости, пластичности, а также важно наличие необходимого сопротивления к хрупкому разрушению.

Состав

В состав стали, которая подходит для производства пружин и рессор входит от 0,5% до 0,75% углерода. Дополнительными требования к содержанию легирующих элементов при производстве следующие:

содержание кремния в пружинной стали до 2,8%;
содержание марганца до 1,2%;
легирование хромом достигает 1,2%;
содержание ванадия до 0,25%;
легирование вольфрамом до 1,2%;
содержание никеля до 1,7%.

Также здесь важно добавить, что при производстве стали осуществляется процесс измельчения зерна, который способствует возрастанию сопротивления металла к малым пластическим деформациям. Это, в свою очередь, увеличивает релаксационную стойкость изделия из пружинной стали.

Применение

Довольно широкое применение в транспортных средствах нашли изделия из таких марок стали, как 55С2, 60С2А, 70С3А. Но здесь нужно знать, что этот материал подвержен таким дефектам, как обезуглероживание или графитизация. Эти недостатки опасны тем, что они сильно снижают характеристики упругости, а также прочности материала. Для того чтобы избежать этих дефектов и их негативного влияния на пружинную сталь, в нее и добавляют те элементы, которые были указаны выше.

Лучшими показателями в отличие от кремнистой разновидности сплава обладает марка 50ХФА. Этот вид материала стал больше всего использоваться для изготовления автомобильных рессор. Также этот тип стали очень часто используется для производства клапанов пружин, так как он не подвержен обезуглероживанию. Но тут стоит добавить, что она обладает малой прокаливаемостью.

Работа пружин

Здесь важно понимать, что работа любой пружины, рессоры или любой другой детали из пружинной стали характеризуется только тем, что используются лишь упругие свойства материала. Суммарная величина их упругости определяется особенностями конструкции. Решающим показателем здесь будет количество витков, их диаметр, а также длина самого изделия. Еще один важный момент, который необходимо отметить - это пластическая деформация. Это в пружинах чаще всего не допускается, а потому от материала, который используется для производства пружин, не требуется наличия высокой ударной вязкости или показателя пластичности. Основное требование - это параметр упругости. Верхний предел этой характеристики должен быть довольно велик. Для того чтобы достичь требуемого параметра, сталь подвергают закалке под воздействием высоких температур, а после проводят отпуск материала при температуре в 300-400 градусов по Цельсию.

Свойства

Основное свойство пружинной стали - это текучесть(упругость). Максимальный показатель этого параметра достигается только при температурах, указанных выше. Однако если отпускать материал при таких градусах, то отпускная хрупкость окончательного продукта будет находиться в первом роде. Как уже говорилось ранее, ударная вязкость не имеет принципиального значения.

Еще одно из свойств стали касается ее состава. Оно выражается в том, что содержание углерода в ней больше, чем в других сплавах. Хотя, если сравнивать с инструментальной сталью, все же меньше.

Для обычного процесса легирования используют марганец и кремний. Для более ответственных пружин или рессор в качестве добавок применяют хром и ванадий. Эти два элемента придают им повышенную упругость. Можно добавить, что для достижения наилучших эксплуатационных свойств сталь часто подвергают закалке в масле или воде.

Виды и марки стали

Марки пружинной стали делятся на множество различных групп. Существуют материалы общего назначения. К ним относят марки 65, 70, 75, У9А. Из этого продукта изготавливают пружины для машин с небольшим сечением. К особым свойствам этих деталей можно отнести их пониженную релаксационную стойкость.

Кремнистые стали марок 55С2, 60С, 60С2 применяются для создания таких элементов, как пружины и рессоры, использующиеся в автомобильной, автотракторной промышленности, а также в железнодорожной промышленности. Тут важно добавить, что эти элементы склонны к обезуглероживанию. Каких-либо особых свойств у этой стали не имеется.

Еще одна разновидность стали - это комплексно легированная. Данный продукт выпускается под марками 50ХФА и 60С2ХФА. К использованию этого материала прибегают в том случае, если необходимо создать пружины или рессоры для важных деталей. Стойкость к температурному воздействию у этого материала составляет до +300 градусов Цельсия.

Можно выделить также стали специального назначения. К ним принадлежат такие продукты мартенситного класса 30Х13, 40Х13. Они используются для производства обычных пружин или рессор, однако обладают особыми свойствами. Характеристика пружинной стали этой марки состоит в том, что у нее повышенная стойкость к коррозии, повышенная жаропрочность (до 550 градусов Цельсия), а также выраженные магнитные свойства.

Требования по ГОСТ

Для пружинных сталей, как и для другой самой разнообразной продукции, был принят ГОСТ. Он устанавливает все правила, касающиеся материала. К примеру, там описаны следующие технические требования.

Массовая доля такого вещества, как медь не должна превышать 0,2%. А остаточное количество никеля не должно быть выше, чем 0,25%.
Для такой марки стали, как 60С2Г, существует отдельное требование, которое гласит, что суммарная массовая доля серы и фосфора не должна быть выше 0,06%.
Такая марка стали, как 51ХФА по ГОСТ предназначается лишь для производства пружинной проволоки.
ГОСТ пружинной стали также предписывает, что по индивидуальному заказу потребителя массовая доля, содержащегося в стали марганца, может быть уменьшена, несмотря на предписания, которые указываются в таблице, имеющейся в том же документе. Это при условии, что сплав не подвергался легированию хромом и никелем.

Коррозионностойкая сталь

Одна из марок стали специального назначения отличается тем, что у нее имеется повышенная стойкость к коррозии. Для того чтобы максимально повысить сопротивляемость материала к разрушающему ее процессу, в него добавляют и хром, и никель в количестве от 13 до 27% и от 9 до 12% соответственно. Другими словами, эти продукты относятся к группе высоколегированных сталей.

Основным аустенитообразующим элементом в таком продукте является никель. В то время как марганец, к примеру, влияет на образование аустенита слабее, эффект от его использования ниже практически в два раза. Если необходимо еще сильнее расширить аустенитную область, то можно использовать такие вещества, как углерод или азот.

Читайте также: