Сталь для изготовления пружин

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 (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 — 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.
Читайте также:  Как подключить двухклавишный выключатель с тремя проводами

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.

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.

Казанский Государственный Технический Университет им. А. Н. Туполева

Институт авиации, наземного транспорта и энергетики

Кафедра: «Материаловедение и структура образующих технологий»

Дисциплина: «Материаловедение ч.2»

Тема: «Пружинные стали»

Елабуга , 2009 г.

3. Маркировка и основные характеристики

4. Особенность вальцовки пружинной стали

5. Основные требования, предъявляемые к рессорно-пружинной стали

6. Характеристика материала 68А

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 ств= 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 (ав) 160 кгс/мм 2 , но вязкость (ад) 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.

Читайте также:  Варианты отделки потолков частного дома

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).

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:

· 50ХГ · 50ХГА · 50ХГФА · 50ХСА
· 50ХФА · 51ХФА · 55С2 · 55С2А
· 55С2ГФ · 55ХГР · 60Г · 60С2
· 60С2А · 60С2Г · 60С2Н2А · 60С2ХА
· 60С2ХФА · 65 · 65Г · 65ГА
· 65С2ВА · 68А · 68ГА · 70
· 70Г · 70С2ХА · 70С3А · 75
· 80 · 85

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

Марка стали Рекомендуемый режимтермической 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
Читайте также:  Холодильник отключается через несколько секунд после включения

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

    Углеродистые. Марки 65; 70;75; 80 и 85. Легированные. Все остальные, в обозначении которых минимум 2 позиции.

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 проволоки холоднокатаной, из которой делают пружины без закалки, с холодной же навивкой.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *