Рессорно-пружинные стали

Классификация и свойства рессорно-пружинных сталей

Определение 1

Рессорно-пружинные стали – это специальные стали, предназначенные для изготовления упругих элементов.

К основным характеристикам рессорно-пружинных сталей относятся низкий коэффициент остаточного растяжения и высокое сопротивление упругим деформациям, что связано с недопустимостью уменьшения или увеличения конструкционного размера пружин. Хорошие эксплуатационные и конструкционные свойства рессорно-пружинных сталей достигаются за счет протягивания заранее патентированной проволоки при низкой температуре, при этом также осуществляется сильная обтяжка материала. Пантентирование осуществляется между двумя вытяжками. Сталь нагревается выше температуры при которой образуется аустенит и после этого она охлаждается в ванне с расплавом свинца. Цель этого процесса – превращение аустенита в тонкопластинчатый сорбит, что способствует увеличению механической прочности стали.

Для того, чтобы достичь одинаковых физико-химических свойств по всему сечению материала сталь подвергается сквозному прокаливанию, что обеспечивает гомогенную структуру по всему сечению материала. Для рессорно-пружинной стали характерно наличие углерода. Его содержание составляет от 0,5 до 0,8 %. Легирующими элементами рессорно-пружинной стал являются кремний – до 2,5 %, никель – до 1,7 %, марганец – до 1,3 %, вольфрам – до 1,3 %, хром – до 1 %. Марганец и хром увеличивают сопротивление стали низким пластичным деформациям. Наличие никеля и вольфрама способствует образованию тонкой и однородной структуры карбидной фракции, которая препятствует дислокации.

Закалка рессорно-пружинной стали осуществляется при температуре от 850 до 880 градусов по Цельсию. Однако, после такой обработки у стали проявляются лишь слабые упругие свойства, причиной этого является образование мартенсита. Для увеличения этих свойств сталь подвергается отпуску. Температура процесса составляет от 420 до 510 градусов по Цельсию. Такая температура способствует образованию троостита и увеличению упругой деформации сплава до предела прочности от 1200 до 1900 мегапаскалей, а предел текучести в данном случае может достигать 1200 мегапаскалей. Если закалка осуществляется изотермически при постоянной температуре, то также улучшаются показатели вязкости и пластичности.

Рессорно-пружинные стали обладают хорошими антикоррозионными свойствами, благодаря наличию хрома и молибдена, что увеличивает срок эксплуатации изделий и препятствует образованию трещин. К основным недостаткам рессорно-пружинных сталей можно отнести:

Плохую свариваемость. Данный недостаток обусловлен разрушением наружного слоя материала или локальным перегревом изделия.
Сложность резки. Данный недостаток обусловлен большим сопротивлением к деформации.

Основными признаками для классификации рессорно-пружинных сталей являются:

Способ обработки. Согласно данному признаку рессорно-пружинные стали делятся на кованые, горячекатаные, калиброванные, горячекатаные круглые с обточенной поверхностью и стали со специальной обработкой наружных поверхностей.
Химический состав. Согласно данному признаку рессорно-пружинные стали делятся на качественные и высококачественные.

Замечание 1

Марка рессорно-пружинной стали предоставляет возможность определить ее физико-химические свойства, область применения, конструкционные свойства и возможности механической обработки.

Особенности сталей

Рессорно-пружинная сталь – ряд марок, в процессе создания которой применяется метод пластической холодной деформации. Для реализации этого метода могут использоваться дробеструйные и гидроабразивные технологии. Специфические методы, используемые при производстве пружинных металлов, наделяют сплав не только положительными, но и отрицательными качествами. К минусам таких материалов можно отнести:

сложность разрезания – этот процесс возможен, однако затрудняется обработка готовых изделий;
плохая свариваемость – металлы для производства пружин совсем не предназначены для сваривания.

Сталь 60Г — рессорно-пружинная

Отдельно надо выделить такую разновидность металлов как коррозионностойкая сталь. Это марка специального назначения, главной ее особенностью является высокая устойчивость к коррозионному разрушению. С целью наделения материала такими характеристиками в его состав добавляют легирующие элементы – никель и хром. Содержание никеля варьируется от 9 до 12%, а хрома – от 13 до 27%, в зависимости от необходимых свойств.

В целом пружинный металл пользуется высокой востребованностью, даже несмотря на некоторые недостатки. Применение таких материалов не ограничивается пружинами, фрикционными дисками и рессорами. Сталь используется и в фортепианных струнах, для проката проволоки и других целей.

Режим закалки

Как закалить рессорную сталь? Необходимо создать нужный температурный режим, выбрать правильное время, а также верно рассчитать время и температуру отпуска. Для того чтобы придать стали все необходимые характеристики, которые задаются будущими техническими условиями эксплуатации детали, стоит провести нужную закалку. Для выбора подходящего режима проведения этой процедуры опираются на такие характеристики:

Важным является не только способ закалки, но и оборудование, которое используется для нагрева стали. Подобрать необходимый температурный режим закалки. Подобрать подходящий временной промежуток для закалки стали. Выбрать нужную среду для проведений процесса закаливания

Также важно правильно подобрать технологию охлаждения детали после процесса закаливания

Смотреть галерею

Состав и свойства высокопрочных сталей

Стали с пределом прочности свыше 1500 МПа называются высокопрочными. Такой предел достигается подбором химического состава и наиболее подходящей термической обработкой. Данный уровень прочности может образовываться в среднеуглеродистых легированных сталях (40ХН2МА, 30ХГСН2А) путем использования закалки с низким отпуском (при 200…250оС). Легирование таких сталей W, Mo, V затрудняет разупрочняющие процессы, что снижает порог хладоломкости и повышает сопротивление хрупкому разрушению. Как варить металл, если перед вами высокопрочная сталь? Сварка высокопрочных сталей отличается использованием некоторых дополнительных технологических приемов (сварка каскадом, горкой, секциями, предварительный подогрев, применение мягкой прослойки и других).

Закаленные стали (структура)

Изотермическая закалка среднеуглеродистых легированных сталей придает им немного меньшую прочность, но большую вязкость и пластичность. Поэтому они более надежны в эксплуатации, чем низкоотпущенные и закаленные. Низкоотпущенные и закаленные среднеуглеродистые стали с высоким уровнем прочности обладают повышенной восприимчивостью к концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению. Из-за этого их рекомендуют использовать для работы, связанной с плавным нагружением.

К высокопрочным сталям можно отнести так называемые рессорные (пружинные) стали. Они содержат 0,5…0,75% С и дополнительно легируются другими элементами. Термообработка легированных рессорных сталей (закалка 850…880оС, отпуск 380…550оС) обеспечивает получение высокой прочности и текучести. Может применяться изотермическая закалка. Сварка рессорной стали выполняется с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварочных работ и дальнейшей термической обработкой.

Мартенситно-стареющие стали (04Х11Н9М2Д2ТЮ, 03Н18К9М5Т) также относятся к высокопрочным сталям. Они превосходят среднеуглеродистые легированные стали по конструкционной прочности и технологичности. Для таких сталей характерны высокое сопротивление хрупкому разрушению, низкий порог хладоломкости и малая чувствительность к надрезам при прочности около 2000 МПа. Мартенситно-стареющие стали являются безуглеродистыми сплавами железа с никелем и дополнительно легированы молибденом, кобальтом, алюминием, хромом, титаном и другими элементами. Эти стали имеют высокую конструкционную прочность в диапазоне температур от криогенных до 500оС и применяются в изготовлении стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов ракетных двигателей, зубчатых колес, шпинделей и так далее.

Классификация конструкционных сталей

Начальная классификация конструкционных сталей подразумевает их разделение на две основных группы:

Стали углеродистые обыкновенного качества. Они сильно востребованы в машиностроении во многом за счёт своей дешевизны и сбалансированных свойств. Согласно действующему ГОСТ 380-2005 они не классифицируются на подгруппы.
Стали углеродистые качественные (улучшаемые стали). Они относятся к категории мягких сталей и используются в изготовлении деталей по технологии штамповки (глубокой вытяжки). К ним относятся сплавы марок Сталь08-Сталь85, где цифры в маркировке указывают на присутствие в сплаве углерода.
Стали легированные качественные. Эти стали используются в производстве наиболее ответственных узлов конструкций и деталей, практически ко всем применяется закалка со стабилизирующим отпуском. Легирующими элементами в них выступает хром, марганец, никель, молибден, ванадий или бор.

Стальные сплавы этого типа не лишены и «вредных» примесей, основными из которых выступает фосфор и сера:

за счёт наличия фосфора в составе детали приобретают способность к растрескиванию и разрушению в ходе обработки механическими методами;
из-за наличия серы в составе детали подвержены трещинообразованию при горячей обработке и высоком давлении.

В углеродистых сталях содержание примесей серы и фосфора находятся в нижеследующих значениях:

сплавы обычного качества (к ним применима маркировка «Ст») содержат до 0,05%;
качественные сплавы (маркируемые как «Сталь») содержат не больше 0,035%;
высококачественные стали (маркируемые буквой «А») содержат до 0,025%;
отличающиеся особо высоким качеством (они маркируются буквой «Ш») содержат до 0,015% примесей.

Для эксплуатации в условиях ударных нагрузок и постоянного износа разработан специальный вид конструкционных сталей — цементированные, которые могут быть как углеродистыми, так и легированными. Делятся они, в свою очередь, на хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые, легированные вольфрамом, молибденом, бором.

3 Другие требования к пружинным сталям по ГОСТ

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

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

Общее обезуглероживание по своей глубине может быть следующим:

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

Без обезуглероженного слоя производят горячекатаные круглые прутки.

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

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

Основные требования

Перечень некоторых требований:

ГОСТ 14959-79

максимальная массовая доля меди – 0,2%, остаточное содержание никеля – не более 0,25%;
сталь марки 51ХФА может использоваться исключительно для изготовления упругой проволоки;
максимальная массовая доля серы и фосфора в стали марки 60С2Г – не более 0,06%.

Некоторые требования к пружинной стали могут не соблюдаться. Например, вышеупомянутый ГОСТ допускает изменение концентрации марганца в составе сплава по желанию заказчика. Однако это действие допустимо только для тех пружинных сплавов, в составе которых нет таких легирующих элементов как никель и хром. А также не рекомендуется сильно отклоняться от таблиц, в которых указаны допустимые концентрации элементов.

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.

4 Особенности рессорно-пружинных сталей

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

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

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

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

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

пружины для разных механизмов и установок машино-, тракторо- и автомобилестроительной отраслей – 55С2, 50ХФА, 50ХГ, 50ХГА;
тяжелонагруженные пружины – 60 С2Г, 60С2А, 60С2, 60С2Н2А, 65С2ВА;
износостойкие плоские и круглые пружины (используется полоса), функционирующие при высоких вибрациях – 80, 85, 75.

Добавим напоследок, что описанные нами марки стали имеют два недостатка:

Основные требования

Перечень некоторых требований:

ГОСТ 14959-79

максимальная массовая доля меди – 0,2%, остаточное содержание никеля – не более 0,25%;
сталь марки 51ХФА может использоваться исключительно для изготовления упругой проволоки;
максимальная массовая доля серы и фосфора в стали марки 60С2Г – не более 0,06%.

Некоторые требования к пружинной стали могут не соблюдаться. Например, вышеупомянутый ГОСТ допускает изменение концентрации марганца в составе сплава по желанию заказчика. Однако это действие допустимо только для тех пружинных сплавов, в составе которых нет таких легирующих элементов как никель и хром. А также не рекомендуется сильно отклоняться от таблиц, в которых указаны допустимые концентрации элементов.

Характеристики пружинных сталей

Пружинные стали характеризуются повышенным пределом текучести (δВ) 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.

Виды сталей и особенности их маркировки

Различные области применения сталей требуют наличие у нее строго определенных свойств – физических, химических

В одном случае требуется максимально высокая износоустойчивость, в других – повышенная устойчивость против коррозии, в третьих внимание уделяется магнитным свойствам

Видов стали много. Основная масса выплавляемого металла идет в производство конструкционной стали, в которую входят такие виды:

Строительная. Низколегированная сталь с хорошей свариваемостью. Основное назначение – производство строительных конструкций.
Пружинная. Имеют высокую упругость, усталостную прочность, сопротивление разрушению. Идет на производство пружин, рессор.
Подшипниковая. Основной критерий – высокая износоустойчивость, прочность, низкая текучесть. Применяется для производства узлов и составляющих подшипников различного назначения.
Коррозионностойкая (нержавеющая). Высоколегированная сталь с повышенной стойкостью к воздействию агрессивных веществ.
Жаропрочная. Отличается способностью длительное время работать в нагруженном состоянии при повышенных температурах. Область применения – детали двигателей, в том числе газотурбинных.
Инструментальная. Применяется для производства метало- и деревообрабатывающих, измерительных инструментов.
Быстрорежущая. Для изготовления инструмента металлообрабатывающего оборудования.
Цементируемая. Применяется при изготовлении деталей и узлов, работающих при больших динамических нагрузках в условиях поверхностного износа.
Классификация сталей

При расшифровке обозначений нужно учитывать, что каждому из видов соответствует строго определенная буква в маркировке.

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.