Наилучшие упругие свойства пружинно рессорных сталей обеспечиваются

Обновлено: 16.05.2024

Особенность работы пружин, рессор и упругих элементов состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим пружинные сплавы дополнительно к другим свойствам, должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям.

Рессорно-пружинные углеродистые и легированные стали имеют высокий модуль упругости, ограничивающий упругую деформацию. Они недорогие и достаточно технологичные, применяются для изготовления жестких (силовых) упругих элементов в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте, станкостроении, для силовых упругих элементов приборов. Часто эти материалы называют пружинными сталями общего назначения.Стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5-0,7%), которые подвергаютзакалке и среднему отпускупри температуре 420-520°С, образуется структура троостита.

Углеродистые стали (65, 70, 75, 80, 85, 6ОГ, 65Г, 70Г) характеризуются невысокой релаксационной стойкостью, особенно при нагреве. Они не пригодны для работы при температурах выше 100°С. Из-за низкой прокаливаемости, из них изготавливают пружины небольшого сечения. s_В =1000-1200 МПа, d=5-8%.

Легированные рессорно-пружинные стали относятся к перлитному классу. Основными легирующими элементами в них являются кремний (1-З%), марганец (1%), а в сталях более ответственного назначения - хром (1 %), ванадий (0,15%) и никель (1,7%). Легирование (за исключением кремния и марганца) мало влияет на предел упругости - главное свойство этих сталей. Более существенно оно проявляется в повышении прокаливаемости, релаксационной стойкости, предела выносливости.

Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70СЗА стойки к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию - опасному поверхностному дефекту, снижающему предел выносливости. В кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно. s_В =1300-1800 МПа, s₀₂ =1100-1600 МПа, d=5-8%.

Стали 50ХФА, 50ХГФА, которые по сравнению с кремнистыми и кремнемарганцевой сталями подвергают более высокому нагреву при отпуске (520°С), обладают теплостойкостью, повышенной вязкостью, меньшей чувствительностью к надрезу. Они предназначены для рессор легковых автомобилей, клапанных и других пружин ответственного назначения, которые могут работать при температурах до 300°С.

Стали 60С2ХА и 60С2Н2А применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор. Механические свойства сталей определяются содержанием углерода и температурой отпуска. Отпуск проводят при температуре несколько более высокой, чем та, которая отвечает максимальному пределу упругости, что необходимо для повышения пластичности и вязкости.

Подшипниковая сталь.

Подшипники качения работают, как правило, при низких динамических нагрузках, что позволяет изготовлять их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей после сквозной закалки и низкого отпуска. Для изготовления шариков, роликов и колец подшипников применяют недорогие технологичные хромистые стали ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС и ШХ20ГС, содержащие примерно 1% С. В обозначении марок буква Ш означает шарикоподшипниковую сталь; Х - наличие хрома; цифра - его массовую долю в процентах (0,4; 1,5;2,0); С, Г - легирование кремнием (до 0,85%) и марганцем (до 1,7%). Сталь поставляют после сфероидизирующего отжига со структурой зернистого перлита (НВ 1790-2170) и повышенными требованиями к качеству металла. В стали строго регламентированы карбидная неоднородность и загрязненность неметаллическими включениями.

Для изготовлениявысокоскоростных подшипников применяют стали после электрошлакового переплава (к марке таких сталей добавляют букву Ш, например, ШХ15-Ш), отличающиеся наиболее высокой однородностью структуры. Такие стали необходимы также для изготовления высокоточных приборных подшипников.

Детали крупногабаритных роликовых подшипников диаметром 0,5-2 м (для прокатных станов, электрических генераторов) изготовляют из сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А, подвергая их цементации на большую глубину (3-6 мм). Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкую хромистую сталь 95Х18 (0,95% С, 18% Сг).

Закалка и отпуск стали 65Г

Конструкционная высокоуглеродистая сталь марки 65Г, поставляемая соответственно техническим требованиям ГОСТ 14959, представляет собой сталь рессорно-пружинной группы. Она должна сочетать в себе высокую поверхностную твёрдость (для чего в её состав вводится до 1% марганца) и повышенную упругость. Все эти характеристики обеспечиваются в результате выполнения надлежащей термической обработки изделий, изготовленных из рассматриваемой стали.

Исходный химсостав стали и требования к деталям, изготавливаемым из неё

Относясь к разряду экономнолегированных, сталь 65Г относительно дешёвая, что обуславливает её широкое и эффективное применение. В числе главных её компонентов находятся:

углерод (в пределах 0,62…0,70 %);
марганец (в пределах 0,9…1,2 %);
хром и никель (до 0,25…0,30 %).

Все остальные составляющие – медь, фосфор, сера и т.д. – относятся к примесям, и допускаются в химическом составе данного материала в количествах, ограничиваемых госстандартом.

При достаточной твёрдости (например, после поверхностной нормализации она должна составлять не менее 285 НВ), и прочности на растяжение (не ниже 750 МПа), сталь 65Г обладает достаточно высокой для своего класса ударной вязкостью – 3,0…3,5 кг∙м/см 2 . Это даёт возможность использовать материал для производства ответственных деталей подъёмно-транспортного оборудования (в частности, ходовых колёс мостовых кранов, катков), а также пружинных шайб и пружин неответственного назначения.

Стоит отметить, что детали пружин, изготовленные из стали 65Г, плохо свариваются, а также не могут противостоять периодически возникающим растягивающим напряжениям (относительное удлинение не превышает 9%), а потому не подлежат применению в неразъёмных конструкциях машин и механизмов. При проведении процессов холодного пластического деформирования сталь становится весьма малопластичной уже при малых (до 10%) деформациях, поэтому, при необходимости изготовления из неё пружин больших размеров, приходится применять нагрев исходных заготовок, даже под листовую штамповку. Впрочем, и в горячем состоянии предельные степени деформации стали 65Г не превышают 50…60%.

Химический состав стали 65Г

Несмотря на то, что в ходе деформационного упрочнения предел временного сопротивления материала увеличивается до 1200…1300 МПа, этих показателей недостаточно для того, чтобы придавать конечной продукции (например, пружинам) необходимую эксплуатационную прочность. Поэтому закалка и отпуск стали 65Г обязательны.

Оптимальные технологические процессы термической обработки материала

Выбор режима термообработки диктуется производственными требованиями. В большинстве случаев для придания надлежащих физико-механических характеристик используют:

нормализацию;
закалку с последующим отпуском.

Температурно-временные параметры термической обработки и выбор её вида зависят от исходной структуры стали. Данный материал принадлежит к сталям доэвтектоидного типа, поэтому в его составе при температурах выше нижней точки аустенитного превращения — 723 °С — на 30…50 °С содержится аустенит в виде твердой механической смеси с незначительным количеством феррита. Поскольку аустенит – более твёрдая структурная составляющая, чем феррит, то интервал закалочных температур для стали 65Г будет существенно ниже, чем для конструкционных сталей с более низким процентным содержанием углерода. Таким образом, температурный интервал закалки стали данной марки должен находиться в пределах не более 800…830 °С.

Примерно такой же температурный диапазон применяют и для проведения нормализации – технологической операции термообработки, которую используют с целью исправления структуры материала изделия, для снятия внутренних напряжений, а при последующей механической обработке полуфабриката – и для улучшения его обрабатываемости.

Поскольку ударная вязкость у закалённой стали 65Г – пониженная, то после закалки изделия из неё, в частности, пружины, обязательно должны пройти высокий отпуск. Происходящие в ходе отпуска мартенситно-аустенитные превращения снижают уровень возникающих во время закалки внутренних напряжений, снижают хрупкость и несколько поднимают показатели ударной вязкости.

Переход высокого отпуска исключается из режима только в том случае, когда заготовка проходит изотермическую закалку. В результате высокого отпуска сталь 65Г приобретает структуру сорбита, характерными особенностями которой являются мелкодисперсность структуры при сохранении изначально высоких показателей твёрдости, что полностью соответствует эксплуатационным требованиям.

Режимы закалки стали 65Г

Для соблюдения тех характеристик, которые заданы техническими условиями на эксплуатацию деталей, при выборе режима закалки учитывают следующие составляющие:

способ и оборудование для нагрева изделий до требуемых температур;
установление нужного температурного диапазона закалки;
выбор оптимального времени выдержки при данной температуре;
выбор вида закалочной среды;
технологию охлаждения детали после закалки.

Интенсивность нагревания предопределяет качество получаемой структуры. Для малолегированных сталей процесс ведут достаточно быстро, поскольку при этом минимизируется риск обезуглероживания материала, и, как следствие, потеря деталью своих прочностных параметров. Однако чересчур быстрый нагрев вызывает к жизни иные неприятности. В частности, для крупных деталей, с большими перепадами поперечных сечений это может вызвать неравномерное прогревание металла, с перспективой дальнейшего появления закалочных трещин, выкрашивания углов и кромок.

Температура заготовки в зависимости от цвета при нагреве

Для достижения максимальной степени равномерности нагрева сталь сначала подогревают в предварительных камерах термических печей до температур, несколько ниже закалочных – от 550 до 700 °С, и только потом деталь направляется непосредственно в закалочную печь. Быстрее всего нагрев осуществляется в расплавах солей, медленнее – в газовых печах, и ещё медленнее – в электрических печах. Именно поэтому поверхностная закалка изделий из стали 65Г в индукционных печах выполняется достаточно редко. Индуктор, как закалочный агрегат, используется лишь для изделий с малым поперечным сечением. При выборе вида нагревательного устройства важен также состав атмосферы, которая в нём создаётся. В частности, для термических печей, работающих на газе, стараются всемерно снижать длительность пребывания детали в печи, поскольку в противном случае происходит выгорание части углерода поверхностного слоя.

Исходя из нормируемой для стали 65Г температуры закалки в 800…820 °С, предельная величина обезуглероженного слоя не должна быть более 50…60 мкм.

Температурный диапазон закалочных температур может корректироваться в зависимости от конфигурации изделия. Например, если деталь имеет сложные очертания, малые габариты и изготовлена из листового металла, то оптимальной температурой будет нижняя граница указанного выше диапазона. Управляя температурой закалки (например, с помощью автоматических датчиков температуры), можно менять толщину закалённого слоя и величину зоны, которая прокалилась менее остальных. К подобным техническим решениям прибегают, когда различные части детали работают в разных эксплуатационных условиях.

Сталь 65Г не боится перегрева, однако при закалке по верхнему значению температурного диапазона ударная вязкость материала начинает уменьшаться, что сопровождается ростом зерён в микроструктуре.

Для снижения коробления деталей, которые имеют тонкие рёбра и перемычки, пользуются нагревом в соляных закалочных ваннах. Чаще применяют расплав хлористого натрия, а для раскисления в рабочий объём ванны добавляют буру или ферросилиций.

Выдержка при закалке изделий из стали 65Г при заданном температурном интервале происходит до тех пор, пока полностью не произойдёт перлитное превращение. Этот процесс зависит от размера поперечного сечения детали и способа нагрева. Для наиболее употребительных случаев можно воспользоваться данными таблицы:

Временя нагрева и выдержки в зависимости от закалочной среды и габаритов заготовки

Наибольший габаритный размер детали, мм	Закалка в пламенной печи		Закалка в электропечи
Наибольший габаритный размер детали, мм	Время нагрева, мин	Время выдержки, мин	Время нагрева, мин	Время выдержки, мин
До 50	40	10	50	10
До 100	80	20	88	20
До 150	120	30	130	30
До 200	160	40	175	40

Охлаждение изделий после закалки производят не в воду, а в масло, это позволяет избежать возможной опасности растрескивания.

Технология последующего отпуска

Как уже указывалось, для получения структуры сорбита изделия из стали 65Г подвергают только высокому отпуску при температурах 550…600 °С, с охлаждением на спокойном воздухе. Для особо ответственных деталей иногда проводят дополнительный низкий отпуск. Диапазон его температур — 160…200 °С, с последующим медленным охлаждением на воздухе. Такая технология позволяет избежать накапливания термических напряжений в изделии, и повышает его долговечность. Для отпуска можно применять не только пламенные, но и электрические печи, оснащённые устройствами для принудительной циркуляции воздуха. Время выдержки изделий в таких печах — от 110 до 160 мин (увеличенные нормативы времени соответствуют деталям сложной конфигурации и значительных поперечных сечений).

В качестве рабочих сред при закалке стали 65Г не рекомендуется использовать воду и водные растворы солей. Ускорение процесса охлаждения, которое вызывает вода, часто сопровождается неравномерностью прокаливания.

Итоговый контроль качества закалки состоит в оценке макро- и микроструктуры металла, а также в определении финишной твёрдости изделия. Поверхностная твёрдость продукции, изготовленной из стали 65Г, должна находиться в пределах 35…40 НRC после нормализации, и 40…45 НRC – после закалки с высоким отпуском.

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.

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.

Читайте также: