Характеристика и анализ рессорных сталей.

Казанский Государственный Технический Университет им. А. Н. Туполева

Институт авиации, наземного транспорта и энергетики

Кафедра: «Материаловедение и структура образующих технологий»

Дисциплина: «Материаловедение ч.2»

Курсовая работа

Тема: «Пружинные стали»

Выполнена:

Проверил:

Елабуга, 2009 г.

План:

1. Описание

2. Применение

3. Маркировка и основные характеристики

4. Особенность вальцовки пружинной стали

5. Основные требования, предъявляемые к рессорно-пружинной стали

6. Характеристика материала 68А

7. Литература

Описание:

Пружинная сталь - сталь, предназначенная для изготовления упругих элементов (пружин, рессор и т.д.)

Работа пружин, рессор и тому подобных деталей характеризуется тем, что в них используют только упругие свойства стали. Большая суммарная величина упругой деформации пружины (рессоры и т. д.) определяется ее конструкцией - числом и диаметром витков, длиной пружины. Поскольку возникновение пластической деформации в пружинах не допускается, то от материала подобных изделий не требуется высокой ударной вязкости и высокой пластичности. Главное требование состоит в том, чтобы сталь имела высокий предел упругости (текучести). Это достигается закалкой с последующим отпуском при температуре в районе 300-400° С. При такой температуре отпуска предел упругости (текучести) получает наиболее высокое значение, а то, что эта температура лежит в интервале развития отпускной хрупкости I рода, в силу отмеченного выше обстоятельства не имеет большого значения.

Пружины, рессоры и подобные им детали изготавливают из конструкционных сталей с повышенным содержанием углерода (но, как правило, все же более низким, чем у инструментальных сталей) - приблизительно в пределах 0,5-0,7% С, часто с добавками марганца и кремния. Для особо ответственных пружин применяют сталь 50ХФ, содержащую хром и ванадий и обладающую наиболее высокими упругими свойствами. Термическая обработка пружин и рессор из легированных сталей заключается в закалке от 800-850° С (в зависимости от марки стали) в масле или в воде с последующим отпуском в районе 400-500° С на твердость НRС 35-45. Это соответствует ст в = 1304-1600 кгс/мм 2 .

Иногда такой термической обработке подвергают детали конструкций большой длины и с тонкими стенками, которые должны обладать высокими пружинящими свойствами. В этом случае применяют сталь ЗОХГС; после закалки и отпуска при 250° С она будет иметь прочность (а в) 160 кгс/мм 2 , но вязкость (а д) всего лишь 5 кгс-м/см 2 , а пластичность (б) 7% и (ф.) 40%. Часто пружины изготавливают из шлифованной холоднотянутой проволоки (так называемой серебрянки). Наклеп (нагартовка) от холодной протяжки создает высокую твердость и упругость. После навивки (или другого способа изготовления) пружину следует отпустить при 250-350°С для снятия внутренних напряжений, что повысит предел упругости. Для изготовления серебрянки применяют обычные углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9, У10.

На качество и работоспособность пружины большое влияние оказывает состояние поверхности. При наличии трещин, плен и других поверхностных дефектов пружины оказываются нестойкими в работе и разрушаются, вследствие развития усталостных явлений в местах концентрации напряжений вокруг этих дефектов. Кроме обычных пружинных материалов, имеются и специальные, работающие в специфических условиях (повышенные температуры, агрессивные среды, и т. д.).

Общая характеристика: сталь рессорно-пружинная, малочувствительна к флокенообразованию, склонна к отпускной хрупкости при содержании Mn≥1%, не применяется для сварных конструкций. Плотность при 20°С - 7,81х10³кг/м³. Модуль нормальной упругости при 20°С - 215 Гпа. Удельная теплоёмкость при 20-100°С - 490 Дж/(кг·°С)

Они работают в области упругой деформации металла под воздействием циклических нагрузок. Поэтому они должны иметь высокое значение предела упругости, текучести, выносливости при необходимости пластичности и высоком сопротивлении хрупкому разрушению.

Пружинные стали содержат С = 0,5 - 0,75% , Si до 2,8%, Mn до 1,2%, Cr до 1,2%, V до 0,25%, Bе до 1,2%, Ni до 1,7%. При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно, ее релаксационной стойкости. Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А. Однако они могут подвергаться обезуглероживанию, графитизации, резко снижающим характеристики упругости и выносливости материала. Устранение указанных дефектов, а также повышение прокаливаемости и торможение роста зерна при нагреве достигается дополнительным введением в кремнистые стали хрома, ванадия, вольфрама и никеля. Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.. Применяются также пружины специального назначения из мартенситных сталей 30Х13А, мартенситно - стареющих 03Х12Н10Д2Т, аустенитно-мартенситных 09Х15Н8Ю и других сталей и сплавов. Стали закаливают с температур 830 - 880°С и отпускают на тростит (380 - 550°С).

Имеют высокий предел текучести. Отношение предела текучести к пределу прочности 0,8−0,9. Для листовых рессор и пружин подвесок применяют кремнистые и марганцовистые стали 50ХГ, 50Г2, 05Г, 55С2 и др. Для торсионных валов используются стали 45ХНМФА, G0C2A, 70СЗА.

Для повышения усталостной прочности деталей, работающих при высоких колебательных нагрузках, необходимо обеспечить в поверхностном слое создание остаточных сжимающих напряжений. С этой целью применяют заневоливание пружин, заневоливание и чеканку торсионных валов, обкатку роликами, пластическую осадку и дробеструйную обработку листовых рессор. Легированная рессорно-пружинная сталь, термообработанная до твердости HRC 45-50, имеет предел усталости при кручении 190 МПа. После дробеструйной обработки предел усталости увеличивается до 350 МПа (3500 кгс/см2).

Применение:

Пружины, рессоры, упорные шайбы, тормозные ленты, фрикционные диски, шестерни, фланцы, корпусы подшипников, зажимные и подающие цанги и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости, и детали, работающие без ударных нагрузок.

Виды поставляемой продукции: в горячекатаном состоянии (без термообработки) с твёрдостью не более НВ285; в высокоотпущенном состоянии - не более НВ241

Маркировка и основные характеристики:

Марки пружинных сталей:

Основные механические свойства рессорно-пружинной стали после специальной термической обработки.

Марка стали	Рекомендуемый режим термической обработки			Механические свойства
				σт,кгс/мм2	σв,кгс/мм2	δ5 , %	φ , %
	Температура закалки, °С	Закалочная среда	Температура отпуска
				Не менее
65	840	Масло	480	80	100	10	35
70	830	»	480	85	105	9	30
75	820	»	480	90	110	9	30
85	820	»	480	100	115	8	30
60Г	840	»	480	80	100	8	30
65Г	830	Масло	480	80	100	8	30
70Г	830	»	480	85	105	7	25
55ГС	820	»	480	80	100	8	30
50С2	870	Масло или вода	460	110	120	6	30
55С2	870	То же	460	120	130	6	30
55С2А	870	» »	460	120	130	6	30
60С2	870	Масло	460	120	130	6	25
60С2А	870	»	420	140	160	6	20
70С3А	860	»	460	160	180	6	25
50ХГ	840	»	440	110	130	7	35
50ХГА	840	»	440	120	130	7	35
55ХГР	830	»	450	125	140	5	30
50ХФА	850	»	520	110	130	8	35
50ХГФА	850	»	520	120	130	6	35
60С2ХФА	850	»	410	170	190	5	20
50ХСА	850	»	520	120	135	6	30
65С2ВА	850	»	420	170	190	5	20
60С2Н2А	880	»	420	160	175	6	20
60С2ХА	870	»	420	160	180	5	20
60СГА	860	»	460	140	160	6	25

Особенность вальцовки пружинной стали:

Особенность состоит в последовательности термообработки таких сталей. Так, при навивке пружин пруток находится в отожженном состоянии, что обеспечивает простоту выполнения операции. Затем пружину закаливают. Последний этап - низкий отпуск (130...150 град.), он еще называется пружинным.

Основные требования, предъявляемые к рессорно-пружинной стали:

Общее требование, предъявляемое к рессорно-пружинным сталям, - обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений). Эти характеристики обеспечивают точность и надёжность работы пружин и постоянство во времени таких эксплуатационных свойств, как крутящий момент, силовые параметры. Пружинные стали в виде проволоки и ленты упрочняют холодной пластической деформацией и закалкой на мартенсит с последующим отпуском. Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.

Главное отличие данной разновидности металлопродукции от аналогов – увеличенный (причем значительно) предел текучести. Эта особенность пружинной стали дает возможность всем образцам, которые из нее изготовлены, восстанавливать свою форму после устранения причин, вызвавших деформацию. Разберемся с марками пружинной стали и спецификой и ее использования.

ТУ на продукцию из пружинной стали, сортамент и ряд других параметров определены соответствующими ГОСТ. Для проката – № 14959 от 1979, для пружин – № 13764 от 1986 годов.

Обозначение стали

Оно довольно сложное, с некоторыми оговорками касательно отдельных ее марок. Например, по суммарной массе остаточных долей компонентов. Но в общем виде маркировка следующая:

Позиции (слева направо)

• Первая – масса углерода, выраженная сотыми долями процента (2 цифры).
• Вторая – легирующий элемент (одна или несколько букв).
• Третья – его доля, округленная до целого значения (цифры). Их отсутствие свидетельствует о том, то данный показатель не превышает 1,5%.

Классификация сталей пружинных

Марки и специфика применения пружинной стали

50ХГ (ХГА) – рессоры, пружины всех видов транспорта, в том числе, ж/д.

• 50ХГ ФА – для изделий особого назначения.
• 50ХСА – в основном для часовых пружин.
• 50ХФА – измерительные ленты; детали, подвергающиеся повышенному нагреву (до +300 ºС); конструктивные элементы, отвечающие высоким требованиям по усталостной прочности.

51ХФА – то же, что и для аналога 50-й серии. Кроме того, изготовление пружинной проволоки сечением до 5,5 мм; лент и катанки.

55С2 (С2А, С2ГФ) – рессоры, пружины и тому подобное.

55ХГР – полосовая сталь для рессор от 3 до 24 мм толщиной.

60Г – любые детали пружинного типа, которые должны соответствовать высоким требованиям по износостойкости и упругости.

60С2 (С2А, С2Г, С2Н2А, С2ХА) – диски фрикционные, рессоры и пружины категории «высоконагруженные».

60С2ФХА – аналогичные детали, материалом для изготовления которых является сталь крупная, калиброванная.

65 – для деталей, испытывающих значительные вибрации и подвергающихся трению в процессе эксплуатации механизмов.

• 65Г – для конструктивных элементов, не подвергающихся ударным нагрузкам, высокой износостойкости.
• 65ГА – проволока, прошедшая термообработку (1,2 – 5,5 мм).
• 65С2ВА – высоконагруженные детали (рессоры, пружины и так далее).

68 (ГА) – аналогично 65ГА.

70 (Г) – аналогично 60Г.

• 70Г2 – то же; кроме того, часто используется при изготовлении ножей землеройных механизмов.
• 70С2ХА (С3А) – см. 65С2ВА.
• 70ФГФА – см. 65ГА.

75, 80, 85 – пружины различной конфигурации (плоские, круглые), к которым предъявляются повышенные требования по основным параметрам – износостойкость, упругость, прочность.

SL, SH, SM, ДН, ДМ – для пружинных изделий, которые эксплуатируются в условиях как статических, так и динамических нагрузок.

КТ-2. Такая пружинная сталь используется в производстве холоднокатаной, из которой делают пружины без закалки, с холодной же навивкой.

Автор обращает внимание, что приведенная информация – общего характера, так как использование подобных сталей не ограничивается лишь изготовлением рессор, фрикционных элементов и пружин. Спектр применения более широкий. Например, струны для фортепиано. Кроме того, эта сталь может быть не только в виде проволоки, но и в листовом исполнении. Для более детального ознакомления с данной продукцией следует обратиться к указанным ГОСТ.

Многие упругие элементы выполняют ключевую роль в работе различных узлов и механизмов. В процессе эксплуатации они подвергаются многочисленным знакопеременным нагрузкам, под воздействием которых обратимо деформируются, возвращая свою исходную форму и габариты после завершения нагрузки. Характерным отличием их функционирования является то, что при существенных статичных и ударных воздействиях они получают лишь упругое деформирование, а остаточное - не возникает.

Что такое пружинная сталь?

Пружинная сталь представляет собой средне- или высокоуглеродистую сталь с малым объемом легирующих элементов (до 2,5 %), но значительным пределом текучести. Это обуславливает свойство изделий из такого металла приобретать первоначальную форму, невзирая на существенный изгиб, излом, кручение и динамическое нагружение. Эта особенность используется в производстве пружинных изделий, металлических шпаг, фортепианных струн и рессорных хомутов.

Закалка пружинной стали с последующим отпуском при 400-500 °С до величины 45 HRC являются обязательными этапами производства. Пружины из неграмотно закалённого материала становятся ломкими и легко крошатся. Термическая обработка пружинных сталей на многих производствах основательно освоена термистами и выполняется в соответствии с регламентированными в стандартах режимами.

Главные требования, которые ставятся к пружинным сталям и сплавам - обеспечение повышенных показателей гибкости, пластичности, выносливости, сопротивляемости хрупкому разрушению, устойчивости к ослаблению напряжений. Достигается это в большей степени благодаря добавлению легирующих элементов. Кремний - основополагающий компонент стальных сплавов данного типа. Расплавляясь в феррите, он содействует образованию стойкой неоднородности углеродных атомов, задерживающих дислокацию. Параллельно с увеличением твердости сплава, кремний существенно уменьшает ее пластичность и обуславливает обезуглероживание, что очень ограничивает использование недорогих, чисто кремнистых сплавов.

Свойства и применение пружинной стали

Наличие кремния в разных рессорно-пружинных сталях составляет 0,17-2,60% в зависимости от класса. Помимо этого, полезными легирующими добавками считаются хром и марганец при совокупном легировании, поскольку они увеличивают сопротивляемость к низким пластическим деформациям, одновременно увеличивая многие технологические свойства сплава. Добавление ванадиевых, молибденовых и вольфрамовых включений обеспечивает образование стойкой тонкой однородной структуры и карбидной фракции, блокирующей дислокацию. Для улучшения технико-эксплуатационных свойств в состав стали вводят микродозы бора.

Максимальными физико-механическими качествами отличаются пружинные стали марки 70СЗА и 60С2ХА. Их параметры упругости достигают 1100 МПа, а твердость - до 48 HRC по шкале Роквелла. При этих показателях металл чувствителен к концентраторам напряжений (поверхностным дефектам). При их отсутствии параметры выносливости металла на изгиб - выше 550 МПа, а на кручение - 350 МПа. Для снижения этой чувствительности готовые изделия получают наружный паклен обдуванием дробью. В результате такого упрочнения показатели выносливости возрастают в 2 раза.

Нержавеющая проволока из пружинной стали используется для изготовления пружин сжимания, растяжения и кручения, эксплуатирующихся без изоляции в дистилляте, водно-паровой среде, солевых, щелочных и спиртовых растворах, морской воде. Такая проволока оптимально подходит для производства пружин, использующихся в химико-пищевой отрасли, для работы в температурном диапазоне −250 °С…+250 °С.

Конструкционная пружинная сталь 65г получила наибольшее распространение в производстве упругих частей разных механизмов (рессор, пружин и шайб) благодаря дешевизне, повышенной твердости и упругости. Единственным недостатком, ограничивающим ее использование в приборостроении, является невысокая усталостная прочность (менее 200.000 циклов). Сталь этой марки обладает твердостью в незакаленном виде 25 HRC, после закалки она возрастает до 61 HRC.

Легированная пружинная сталь 60с2а характеризуется дешевизной, высокой упругостью, износоустойчивостью, отсутствием отпускной хрупкости. Такой металл не боится деформации от физико-механических контактов и давления. Он не нуждается в защитном покрытии, может эффективно эксплуатироваться при обычной влажности. Максимальная температура его применения - не более 250 ºС. Используется в производстве разнообразных изделий металлопроката.

Сталь пружинная листовая актуальна в производстве морского, пищевого и медицинского оборудования, где рабочая среда требует повышенной коррозиеустойчивости. По прочности такая сталь немного уступает нержавеющей.

Коррозионная стойкость пружинных нержавеющих сталей связана с повышенным уровнем хрома и молибдена. Кроме этого, они сочетают в себе прекрасную сопротивляемость к трещинообразованию под нагрузкой и значительную физико-механическую прочность.

Сварка пружинной стали имеет свои сложности. Как правило, предварительно металл упрочняется термоспособом, а при проведении сварки данное упрочнение разрушается. Решением проблемы может быть сварка соответственным ферритным электродом за счет предварительного нагревания и дальнейшего отпуска для предотвращения трещин в области термовоздействия. При сварке аустенитными электродами на основе нержавейки или никеля риск образования трещин уменьшается за счет повышенной растворенности водорода и хорошей пластичности плавящегося металла.

Официально принята буквенно-цифровая система маркировки пружинной стали. Главные легирующие добавки имеют специальный буквенный код. Числовое обозначение показывает уровень процентного содержания конкретного элемента. Если количество отдельного компонента не превышает 1,5 %, то число после буквенного индекса не указывают. Уровень углерода отображается в начале шифра в сотых долях %.

Рессорно-пружинные стали – это специальные стали, которые предназначаются для производства различных упругих элементов, в частности пружин и рессор.

Данный тип материала относится к высоко- и среднелегированным сталям. Главное отличие рессорно-пружинной стали от иных видов – это значительно увеличенный предел текучести данного материала. Другими словами можно сказать, что этот тип обладает высокой степенью упругости, то есть возвращается в исходные состояния и форму после устранения нагрузки. Это параметрическое свойство обусловлено областью применения рессор и пружин. В нормальном режиме работы они постоянно подвергаются сжатию/растяжению или упругой деформации и должны выполнять свои функции даже после большого цикла наложения и снятия деформации. Также данный материал должен обладать хорошей пластичностью и высокой стойкостью к хрупким разрушениям.

Основными легирующими элементами являются кремний, марганец, вольфрам и никель. Эти присадки увеличивают сопротивление пластическим и упругим деформациям путем измельчения зерна сплава. Готовым продуктом можно считать и проволоку, которую в дальнейшем применяют при изготовлении витых и компонованных пружин.

Свойства рессорно-пружинной стали

Основными характеристиками для данного вида сталей является высокое сопротивление упругим деформациям и низкий коэффициент остаточного растяжения. Это связано с недопустимостью увеличения или уменьшения конструкционного размера пружины.

Хороших конструкционных и эксплуатационных свойств добиваются, протягивая заранее патентированную проволоку при низких температурах, при этом производят сильную обтяжку материала.

Процесс патентирования ведется в промежутке между двумя вытяжками, сталь нагревают выше температурной точки образования аустенита и затем охлаждают в ванне с расплавом свинца, при этом аустенит переходит в тонкопластинчатый сорбит и увеличивается её механическая прочность.

Для достижения одинаковых физико-химических свойств по всему сечению материала пружинная сталь должна пройти процесс прокаливания сквозной методикой, это обеспечит гомогенную структуру по всему сечению. Особенно важен этот метод для изготовления рессор и пружин большого диаметра, когда неравномерность свойств исходного материала может привести к разрушению готового изделия.

Как для любого другого материала, для рессорно-пружинной стали характерно наличие в составе углерода. В данном случае его содержание может колебаться в пределе 0.50-0.80 % от массы сплава. Дополнительно используют такие легирующие добавки:

• кремний – до 2.5 %;
• марганец – до 1.3 %;
• вольфрам – до 1.3 %;
• никель – до 1.7 %.

Стоит заметить, что хром и марганец при совместном легировании увеличивают сопротивление стали низким пластичным деформациям. Никель и вольфрам образуют тонкую и однородную структуру карбидной фракции, которая препятствует дислокации.

Рессорно-пружинная сталь очень критична к деформациям наружного слоя материала, так как эти напряжения являются концентраторами возможных дефектов готового изделия.

Закалка данного типа производится при температурах 850 – 880 о С, но после такой термической обработки сталь проявляет слабые упругие свойства из-за образования мартенсита, для повышения данного типа свойств её отпускают при температурах порядка 420-510 о С, что способствует образованию троостита и повышению упругой деформации сплава до предела прочности 1200-1900 МПа и пределу текучести 1100-1200 МПа. При этом проведение закалки изотермически – при постоянной температуре – положительно сказывается на показателях пластичности и вязкости материала.

Стали данного типа обладают хорошими антикоррозионными свойствами из-за наличия в составе сплава таких легирующих добавок как хром и молибден. Это положительно сказывается на длительности эксплуатации и препятствует образованию трещин во время работы.

Стоит отметить так же несколько основных недостатков рессорно-пружинной стали:

• плохая свариваемость – это обусловлено разрушением наружного слоя материала и локальном перегреве детали;
• сложность резки – некоторые трудности возникают при попытках реза такого типа стали, связанно это напрямую с большим сопротивление деформации.

Классификация пружинных сталей

Для начала разберем маркировку такого типа материала, чаще всего она имеет вид «50А2БВГ», где:
50 – содержание углерода в долях процента;
А2 – легирующий элемент №1 и его содержание в процентах;
Б,В,Г – легирующие элементы №2,3,4 и т.д.

Важно! Если после обозначения легирующего элемента не стоит число, значит, его массовое содержание не превышает 1.5%, если число 2 – массовая доля больше 1,5%, но меньше 2,5%, если 3 – массовая доля выше 2,5%.

Например, сталь 50ХГФ – это сплав, в котором содержание углерода составляет 0,50%, и легирующие компоненты хром, марганец и ванадий составляют меньше 1,5%.

Если в маркировке стали есть только цифра, например, ст 50, ст 65 и др., это обозначает, что она относится к углеродистым сталям, а если в названии есть минимум 2 элемента, такая рессорно-пружинная сталь относится к легированным.

Рассмотрим основные классификации данного типа:

1. По способу обработки:
   1. Кованный и горячекатаный.
   2. Калиброванный.
   3. Со специальной обработкой наружных поверхностей.
   4. Горячекатаный круглый с обточенной поверхностью.
2. По химическому составу стали:
   1. Качественная.
   2. Высококачественная.

Марка рессорно-пружинной стали дает возможность определить её конструкционные и физико-химические свойства, определить область использования и возможности по механической обработке.

Область использования пружинной стали

Исходя из названия, можно сделать вывод, что данный вид предназначен для использования в областях, связанных с большими упругими деформациями, растяжением, скручиванием. Применяют такую сталь для изготовления всевозможных видов пружин для разнообразного технологического оборудования, полосок стали под рессоры, суппорты и прочее.
Основные области использования:

• производство рессор автомобилей и тяжелой техники;
• производство пружин для технологично оборудования, при этом это относится к пружинам на сжатие и растяжение;
• пружины плоские, цилиндрические, сложные из прутков различных сечений и др.
• упругие элементы тяжелой техники, станкового оборудования;
• пружины тракторной техники и локомотивной техники;
• ножи земельной техники;
• блокировочные и тормозные устройства;
• обоймы подшипников.

Рассмотрим сводную таблицу самых распространенных марок рессорно-пружинных сталей с указанием их маркировки и области применения:

Маркировка	Основные легирующие компоненты	Эксплуатационные особенности
50ХГ	Хром, марганец	Рессоры автомобилей, пружины железнодорожной техники
50ХСА	Хром, кремний, азот	Упругие элементы часовой техники
55ХГР	Хром, марганец, бор	Штамповка пластин рессор
60С2	Кремний	Валы с нагрузкой на скручивание, цанги, подпружиненные шайбы
60Г	Марганец	Пружинные кольца, бандажи, тормозные башмаки
65	—	Детали, работающие в условиях высокого трения
65С2ВА	Кремний, вольфрам, азот	Рессоры и пружины, работающие под высокой динамической нагрузкой
70Г2	Марганец	Ножи для землеройных машин
70С3А	Кремний, азот	Тяжело нагруженные пружины механизмов
85	—	Фрикционные диски с высокой прочностью

Как видно из таблицы, величина и количество легирующих присадок напрямую отвечают за износостойкость и механическую прочность деталей. Видно, что с повышение содержания углерода от 0,5% до 0,85% увеличивается прочность и упругость материала, хром препятствует образованию ржавчины, вольфрам повышает твердость и красностойкость стали, а марганец увеличивает стойкость к ударам.

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:

1. хром;
2. марганец;
3. кремний;
4. 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:

1. структурой металла, которая определяется химическим составом и последующей обработкой;
2. наличием в структуре неметаллических включений, точнее минимальным количеством и размерами, что устраняется на этапе выплавки и разливки;
3. 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.