Пружинная сталь применяется для производства упругих изделий, которые характеризуются возможностью восстанавливать свою первоначальную форму после скручивания и существенного изгиба.
1 Зачем нужна нержавеющая и обычная пружинная сталь?
Во многих современных механизмах, агрегатах и машинах рессоры и пружины, а также иные упругие детали выполняют очень важные функции. На такие элементы воздействуют переменные многократные нагрузки, что приводит к их деформированию. Понятно, что для нормальной работы механизма требуется, чтобы после подобных влияний деталь вернулась в свое исходное состояние (то есть она должна восстановить начальные геометрические размеры и форму).
Для изготовления деталей, которые при существенных ударных и статических нагрузках не испытывают остаточной деформации, и используются пружинные стали.
К ним выдвигается ряд требований. Во-первых, они должны противостоять релаксации напряжений, иметь высокие показатели текучести, упругости и выносливости. Во-вторых, такие сплавы обязаны качественно сопротивляться явлению хрупкого разрушения и характеризоваться достаточным уровнем пластичности.
Необходимый предел текучести различные марки пружинных сталей получают за счет их закалки, которая дополняется отпуском (он выполняется, как правило, при температурах от 300 до 480 градусов). Выбор именно такого интервала температур неслучаен. Доказано, что в данном случае предел упругости стали становится максимально высоким. А это как раз и требуется для рессорно-пружинных сплавов.
Описываемые нами марки стали применяются для изготовления упругих изделий с высоким показателем износостойкости:
- подающих и зажимных цанг;
- фланцев;
- тормозных лент;
- уже упомянутых рессор и пружин;
- корпусов подшипников;
- фрикционных дисков;
- упорных шайб;
- фланцев;
- разнообразных шестерней.
2 Рессорно-пружинные стали по ГОСТ 14959–79
Под таким сплавами понимают средне- и , а также стали с малым уровнем легирования. К легированным составам Государственный стандарт 14959 относит следующие марки: 70С2ХА, 65С2ВА, 60С2ХА, 50ХГФА, 50 ХФА, 50 ХГА, 60С2Г, 60С2А, 55С2А, 70Г, 60Г, 60С2Н2А, 60С2ХФА, 55С2ГФ, 51ХФА, 55ХГР, 50ХГ, 70С3А, 60С2, 55С2, 65Г. Углеродистые стали приведены далее: 65, 80, 70, 85, 75.
Две первые цифры в маркировке устанавливают в долях процента массовую часть (среднюю) углерода в конкретном сплаве. Литеры после цифр говорят о том, какие легирующие добавки имеются в композиции, а числа после них – о содержании элементов. Причем, если его количество менее 1,5 %, число не ставится; если содержание легирующего компонента более 2,5 %, ставится цифра 3; от 1,5 до 2,5 % - цифра 2.
Прокат из сталей пружинного класса (листы, нержавеющая полоса, шестигранник, квадрат и т.д.) делят на разные группы по следующим характеристикам:
- по химсоставу: высококачественная, качественная листовая , а также нормируемая по показателям (в последнем случае прокат дополнительно подразделяют на 14 категорий – от 1 до 4Б);
- по варианту обработки: полоса горячекатаная со шлифованной либо обточенной поверхностью, прокат со специальной отделкой, калиброванный, горячекатаный и кованый.
Пружинные стали содержат от 0,25 (углеродистые и среднелегированные сплавы) до 1,2 (60С2ХФА, 50ХГА и другие) процентов хрома, от 0,5 до 1,25 процентов марганца, от 0,17 до 2,8 (70С3А) процентов кремния, от 0,46 (50ХГ) до 0,9 (85) процентов углерода. Остаточного никеля в пружинном прокате (листовая сталь) должно быть не более 0,25 %, меди – до 0,20 %.
Отметим, что по химическому составу проверяется и нормируется любая обычная и нержавеющая сталь, из которой делаются упругие элементы. А вот другие характеристики для некоторых категорий являются ненормированными. Например, полоса категорий 1, 1А и 1Б не нормируется на показатель обезуглероженного слоя, прокаливаемость, механические величины на образцах, прошедших термообработку (закалка и отпуск).
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:
- с регулированием мартенситных участков;
- с контролированной микроструктурой;
- со сниженным минимумом и максимум содержания углерода;
- с проверкой на усталость;
- с установлением предела упругости;
- с ограниченными показателями загрязненности сплавов неметаллами.
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.
- 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:
- плохую свариваемость (по сути, любой вид сварки не дает ожидаемых результатов, когда речь идет о пружинных сталях);
- сложность резки (операцию выполнять можно, но обрабатываемость пружин и других элементов таким способом минимальная).
Рессорно-пружинная сталь имеет большой предел текучести, что собственно и обуславливает сферу ее использования. Наряду с высокими значениями упругости, данный тип стали обладает также внушительными пределами прочности и выносливости.
Основные характеристики
Процентное содержание углерода в рессорно-пружинной стали составляет от 0,5 до 0,8%. Эта разновидность сталей может быть как легированной, так и углеродистой. Необходимая упругость достигается посредством закалки и, соответственно, последующего отпуска. Диапазон температур отпуска варьируется в пределах от 350 до 500°С. Кроме того, с учетом состава металла и условий предстоящей эксплуатации изготовленной из него детали, вышеозначенные температурные показатели могут достигать 600°С. В то же время пластичность рессорно-пружинной стали должна быть небольшой: относительное удлинение от 5 до 10%, а сужение от 20 до 35%. Связано это требование с тем, что в пружинах и рессорах пластическая деформация является недопустимым явлением. На данный момент широко распространены рессорно-пружинные стали, в составе которых нет кремния. В то время как концентрация углерода остается той же, что и у кремнистой стали, на замену кремнию приходят различные сочетания легирующих компонентов (хром, бор и марганец; хром и ванадий; хром и марганец; хром, ванадий и марганец). Стали марок 50ХГФ, 50ХГ, 50ХФ и 55ХГР имеют меньшую восприимчивость к надрезу и повышенную вязкость.
Применение
Сфера применения рессорно-пружинных углеродистых сталей – это пружины с небольшим сечением, эксплуатирующиеся в условиях незначительных напряжений. При изготовлении таких пружин и рессор (диаметром сечения до 18мм) наиболее востребованы кремнистые стали (до 2% кремния в составе) марок 70С3А, 60С2, 55С2 и 50С2. Хотя они и тяготеют к обезуглероживанию (тем самым снижается предел выносливости), но достаточно устойчивы при нагреве к росту зерна. Для больших пружин, устанавливаемых на самых ответственных участках, подходит сталь марки 60С2ХА, которая прокаливается в масле на значительную глубину. Единственный недостаток такой стали – возможные обрывы при волочении. Более высокие значения глубины прокаливания (до 80 мм) у сталей марок 60С2ХФА и 60С2Н2А, демонстрирующих оптимальное сочетание характеристик. Область использования этих сталей – производство пружин, подвергающихся серьезным нагрузкам и выполняющим наиболее ответственные задачи.
Уникальность
Высокие значения упругости достигаются посредством закалки рессорно-пружинной стали в масле и с ее последующим отпуском при средней температуре (с образованием в структуре металла троостита). Необходимый эксплуатационный потенциал обеспечивается за счет легирования стали хромом, кремнием и ванадием. Лучшие механические свойства получаются при холодной протяжке патентированной проволоки из углеродистой стали (диаметр сечения до 2 мм), подвергнутой обжатию до 70-90%. При патентировании проволока нагревается до определенных температур, а затем охлаждается в ванне с расплавом свинца, в результате чего распадается аустенит и образуется тонкопластинчатый сорбит.
При производстве пружинной стали получается материал с большим пределом текучести. Благодаря этому свойству все изделия, изготавливаемые из этого материала, способны принимать исходную форму даже после скручивания или значительного изгиба. Именно для производства упругих изделий, не испытывающих остаточную деформацию, и предназначаются эти материалы.
Сферы использования
Из пружинной стали изготавливается широкий ассортимент изделий и деталей, используемых в транспортных средствах, агрегатах и заводском оборудовании. Торсионы и рессоры, которые можно встретить в подвесках автомобилей и бронетехники, изготавливаются из стали марок 55C2, 60C2A и 70C3A. С недавнего времени для этих же целей стала использоваться сталь марки 50ХФА. Из нее же обычно изготавливаются клапана для пружин.
Детали для транспортных средств – не единственная сфера, в которой применяется пружинная сталь. Материалы из этой категории используются для изготовления отмычек, пружин для фрикционных дисков, а также для разного рода механизмов, в том числе производственных. Для тех или иных изделий и пружин подходит сталь определенных марок. Между ними есть большие отличия в плане важных эксплуатационных характеристик:
- 50ХГФА – применяются для создания часовых пружин;
- 55C2 – рессоры и пружины, используемые в подвеске транспортных средств;
- 60Г, 65 – для изготовления износостойких и вибростойких пружин, упорных шайб;
- KT-2 – для проката холоднокатаной проволоки.
Существуют и другие многочисленные марки, причем многие из них способны взаимозаменять друг друга. Например, сталь марки 68 может применяться вместо 65ГА, а сталь марки 70(Г) отлично заменяет 60Г. В ГОСТ можно обнаружить таблицы, в которых приведены все существующие марки с их режимами обработки и свойствами.
Состав и производство
Для сборки пружин и механизмов на их основе используется сталь, в состав которой входит от 0,5% до 0,75% углерода. В случае если содержание этого элемента превышает отметку 0,7%, материал называется инструментальной сталью. Это твердый и высокопрочный материал для изготовления разных инструментов. А также он применяется с целью создания пружин, максимально устойчивых к механическим воздействиям.
Углерод – не единственный элемент, оказывающий влияние на важные характеристики стали для пружин. При производстве металла в его состав намеренно вводятся легирующие компоненты в следующих концентрациях:
- никель – до 1,7%;
- вольфрам – до 1,2%;
- хром – до 1,2%;
- ванадий – до 0,25%;
- марганец – до 1,25%;
- кремний – до 2,8%.
Важнейшим этапом производственного процесса является измельчение зерна. В результате сопротивляемость готового металла мелким пластическим деформациям значительно увеличивается. Это положительным образом сказывается на релаксационной стойкости пружин, которые изготавливаются из высоколегированных сталей.
Современные методы изготовления сплавов для создания пружин позволяют производить материалы с любым исполнением, любой поверхностью и диаметром, если речь идет о пружинной проволоке. Строго соблюдаются как отечественные, так и международные стандарты, определяющие эксплуатационные характеристики стали. Кроме того, осуществляется тщательный контроль качества за каждым этапом создания пружинных сплавов.
Маркировка
Маркировка стали для производства пружинных изделий довольно простая, но при этом информативная. По обозначению можно понять состав материала, которым определяются все его эксплуатационные свойства. Маркировка расшифровывается в направлении слева направо. Она включает в себя следующие позиции:
- первая позиция из двух цифр выражает массу углерода в сотых долях процента;
- вторая позиция из одной или нескольких букв указывает название легирующего элемента;
- третья позиция показывает округленную до целого значения долю легирующего элемента.
В случае если доля легирующего элемента в металле составляет менее 1,5%, в маркировке она не указывается. По обозначению можно легко понять, к какому виду принадлежит металл. Например, пружинная сталь марок 65, 70, 75, 80 и 85 относится к категории углеродистых. Материалы, в маркировке которых присутствует минимум две позиции, причисляются к легированным, так как в их составе высокая концентрация легирующих элементов.
Характеристики
Основными свойствами материалов для изготовления стальных тормозных лент, пружин и прочих изделий, являются высокая текучесть и упругость. Значительное увеличение упругости достигается путем закалки сплава в масле при высоких температурах в диапазоне от +820 °C до +870 °C. После закаливания обязательно проводится отпуск в диапазоне температур от +400 °C до +480 °C. Если есть необходимость в повышении таких свойств металла как прочность, вязкость и пластичность, на производстве прибегают к изотермическому закаливанию.
На основании характеристик материала для создания пружин выделяются следующие группы металлов:
- по химическому составу – обычный, нержавеющий, легированный металл;
- по способу обработки – калиброванный, горячекатаный, кованый прокат, со специальной отделкой.
Металлы, идущие на изготовление пружин, обязательно проверяются и нормируются по химическому составу. В этом случае прокат классифицируется по категориям. Всего существует 14 категорий, которые обозначаются маркировкой от 1 до 4Б включительно. По некоторым характеристикам нормирование не выполняется. Например, металлы категорий 1, 1A, 1Б не нормируются на наличие обезуглероженного слоя и прокаливаемость.
Основные требования
К ключевым характеристикам пружинного проката предъявляются строгие требования ГОСТ. Основной список технических требований регламентируется ГОСТ 14959-79. В нем содержится перечень как углеродистых, так и легированных марок стали. Там же описаны требования по отношению к маркировке, упаковке, правилам транспортировки, хранения и применения проката из пружинных сталей.
Перечень некоторых требований:
- 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.
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.
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.
Сталь рессорно-пружинная идёт на изготовление рессор, пружин, буферов и других деталей, применяемых в закалённом и отпущенном состоянии, работающих в условиях динамических и законопеременных нагрузок. Указанная сталь должна обладать высокими пределами упругости (текучести) и выносливости при достаточной пластичности и вязкости. Эти свойства достигаются после термической обработки (закалки и последующего среднего отпуска). В качестве рессорно-пружинной применяют углеродистую сталь с повышенным содержанием углерода, а для ответственного назначения - легированную сталь.
ГОСТ 14959-79 распространяется на горячекатаный и кованый сортовой прокат диаметром или толщиной до 250 мм, а также на прокат калиброванный и со специальной отделкой поверхности.
Стандарт классифицирует прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали по способу обработки, химическому составу и другим признакам.
По способу обработки прокат подразделяют на: горячекатаный и кованый со специальной отделкой поверхности, горячекатаный круглый с обточенной или шлифованной поверхностью.
По нормируемым характеристикам и применению прокат делят на категории 1, 1А, 1Б, 2, 2А, 2Б, 3, ЗА, ЗБ, ЗВ, ЗГ, 4, 4А, 4Б. Прокат категорий 2, 2А, 2Б, 3, ЗА, ЗБ, ЗВ, ЗГ предназначен для изготовления упругих элементов - рессор, пружин, торсионов и т.п.; категорий ЗА, ЗБ, ЗВ, ЗГ - для изготовления автомобильных рессор и пружин; категорий 1, 1А, 1Б, 4, 4А, 4Б - для использования в качестве конструкционного материала. Прокат изготовляют в термически обработанном состоянии (отожжённом или высоко отпущенном) - категории 1А, 2А, 2Б, ЗВ, 4А или без термической обработки - категории 1, 1Б, 2, 2Б, 3, ЗБ, ЗГ, 4, 4Б.
По химическому составу сталь делится на качественную и высококачественную (в конце обозначения марки высококачественной стали ставится буква А). Массовая доля серы и фосфора в качественной стали составляет не более 0,035% (каждого элемента отдельно), а в высококачественной -- не более 0,025%.
В стали всех марок остаточная массовая доля меди не должна превышать 0,20%, а никеля - 0,25%.
Свойства, технические требования, термическая обработка, назначение.
Углеродистая рессорно-пружинная сталь более дешёвая, чем легированная, но отличается низкой коррозионной стойкостью и малой прокаливаемостью. Её используют лишь для изготовления пружин небольшого сечения. Легирование стали (кремнием, марганцем, хромом, а для деталей особо ответственного назначения также никелем, ванадием, вольфрамом) повышает прочностные свойства, прокаливаемость, предел выносливости и релаксационную стойкость.
В процессе релаксации часть упругой деформации переходит в пластическую (остаточную), поэтому пружины и рессоры с течением времени могут терять свои упругие свойства. Легированные стали, имея повышенную релаксационную стойкость, обеспечивают более надёжную работу машин, приборов, автоматов, чем углеродистые.
На предел выносливости рессорно-пружинной стали влияет состояние поверхности проката, так как наружные дефекты могут служить концентраторами напряжений и причиной образования усталостных трещин. Поэтому к качеству поверхности проката предъявляют повышенные требования. Так, например, на поверхности прутков, полос и мотков, предназначенных для горячей обработки и холодного волочения, не должно быть раскатанных пузырей, прокатных плен, закатов, раскатанных и раскованных загрязнений и трещин. Обезуглероживание поверхности также снижает усталостную прочность стали, поэтому глубина обезуглероженного слоя сталей регламентируется.
Высокие требования предъявляются также к макроструктуре стали: на изломах или на протравленных поперечных темплетах не должно быть остатков усадочнойаковины, рыхлости, пузырей, расслоений, трещин и других пороков.
Следует заметить, что упругие и прочностные свойства стали повышаются при применении изотермической закалки вместо обычной. Предел выносливости, а следовательно, и срок службы пружин и рессор может быть повышен дробеструйной и гидроабразивной обработкой (поверхностным наклепом).
Пружины и рессоры являются упругими элементами разнообразных машин, механизмов и приборов, предназначенных для создания, восприятия или гашения ударов, колебаний, сотрясений, а также для привода подвижных частей или для измерения усилий.
Разнообразие видов пружин, применяемых в современной технике, весьма велико. По характеру работы различают:
По форме пружины делятся на винтовые, спиральные, тарельчатые и др.
Различные типы пружин могут эксплуатироваться при статическом приложении нагрузки (например, постоянно сжатые), при динамических нагрузках (буферные пружины) в многократных динамических нагрузках с большим числом циклов нагружения различной частоты (пружины клапанов двигателей).
Основной рабочей характеристикой пружин является их жесткость, т. е. способность деформироваться на определенный размер при заданных нагрузках. Величина и постоянство рабочих характеристик, а также отсутствие поломок и изменения размеров (проседание, растяжение) характеризуют качество пружин.
Рис. 1. Виды пружин:
а – пружина сжатия цилиндрическая; б – пружина сжатия коническая из проволоки круглого сечения;
в – пружина сжатия телескопическая из заготовки прямоугольного сечения; г – пружина растяжения цилиндрическая;
д – пружина кручения; е – пружина спиральная плоская; ж – пакет тарельчатых пружин;
з – пружина изгиба пластинчатая; и – листовая рессора.
Наибольшее распространение в технике имеют винтовые пружины. Крупные винтовые пружины изготавливают из прутков диаметром более 12 мм, средние – из проволоки или прутков диаметром 1,5–12 мм. Мелкие пружины изготавливают из проволоки диаметром 0,2 –1,5 мм.
В большинстве пружин материал работает на кручение, поэтому для расчета пружин используют модуль сдвига материала. Для оценки качества пружинных материалов используют испытания на растяжение.
При правильном выборе типоразмера пружин и рессор в соответствии с величиной и характером эксплуатационных нагрузок на их долговечность и надежность влияют следующие факторы:
Стали для пружин и рессор представляют собой специальную группу конструкционных сталей с характерным комплексом свойств, важнейшим из которых является сопротивление малым пластическим деформациям. Оно характеризуется условным пределом упругости, отвечающим появлению остаточной деформация 10-3–10-4 %. Величина предела упругости определяет предельные напряжения, которые не должны быть превышены в упругих элементах в процессе эксплуатации. Также к материалам пружин и рессор предъявляются требования:
По назначению рессорно-пружинные стали классифицируются на:
Основными способами упрочнения пружинных сталей являются:
Термическая обработка пружин из сталей общего назначения, упрочняемых холодной пластической деформацией с последующим отпуском
Преимуществом таких пружин является простота и экономичность технологического процесса их изготовления наряду с высоким комплексом свойств, обеспечивающих длительную надежную эксплуатацию. Отсутствие закалки позволяет получить высокую точность конфигурации и размеров пружин при почти полном отсутствии поверхностного обезуглероживания и окисления, резко снижающих усталостную прочность.
Для изготовления пружин используют термически обработанную на заданный уровень прочности или холоднодеформированную, предварительно термически обработанную (обычно патентированную) проволоку или ленту. Ввиду невысокой пластичности обработанных на высокую прочность сталей из них изготавливают пружины несложной конфигурации.
Закаленная и отпущенная пружинная проволока или лента изготавливается из углеродистых (68А, У7А–У12А) и легированных сталей (65ГА, 68ГА, 50ХФА, 60С2А, 70С2ХА). Лента по уровню прочности поставляется по трем группам: 1П, 2П и 3П. С увеличением номера группы выше уровень прочности, но меньше вязкость ленты, определяемая по числу переменных гибов.
Пружины, изготовленные из термически обработанной ленты, подвергают отпуску при 240–250 °С в течение 1 ч для уменьшения внутренних напряжений и дополнительного распада остаточного аустенита. Нагрев проводят в электрических печах в воздушной среде с тем, чтобы по плоскостям среза при вырубке произошло образование тонкой окисной пленки (колоризация), которая несколько улучшает коррозионную стойкость пружин.
В большинстве случаев материалом для изготовления пружин служит проволока или лента, полученная путем холодной пластической деформации (волочением, прокаткой) заготовок с предварительно подготовленной исходной структурой. Основным предварительной термической обработки является патентирование. Полученная при этом структура тонкопластинчатого перлита позволяет выполнять холодную деформацию с высокими степенями обжатия. Сталь существенно упрочняется, сохраняя пластичность и вязкость, достаточную для навивки пружин в холодном состоянии.
Упрочнение при деформационном наклепе зависит как от состава стали и ее структуры, так и от степени деформации. Высокие пружинные свойства достигаются после деформации с большими степенями обжатия и поэтому могут быть получены на проволоке и ленте небольших сечений (диаметром или толщиной до 6–8 мм).
Наиболее высокопрочную проволоку изготовляют из сталей У7А, У8А, У9А; проволоку с повышенной прочностью – из стали 65Г. Чем выше содержание углерода в стали, тем выше прочность после патентирования и последующей холодной деформации.
Технологический процесс изготовления мелких и средних пружин включает следующие операции: холодную навивку, правку, обрубку лишних витков, заточку и шлифование торцов, термическую обработку, обжатие до соприкосновения витков, испытание пружин и проверку размеров, нанесение антикоррозионных покрытий и проверку их качества, а также окончательный контроль.
Термическая обработка пружин заключается в их отпуске. В результате отпуска повышаются предел упругости, релаксационная стойкость, усталостная прочность, снижаются остаточные напряжения и остаточная деформация пружин при нагружении, стабилизируются форма пружин и их силовые характеристики.
Режимы отпуска пружин после навивки колеблются в широких пределах. Ввиду того, что процессы при отпуске являются термически активируемыми, более низкой температуре должна соответствовать более продолжительная выдержка. Наиболее часто отпуск выполняют при температурах 175–250 °С.
Для отпуска используют печи-ванны с горячим маслом или расплавом солей. Недостатком расплавов солей является образование солевой рубашки вокруг витков, для удаления которой необходима тщательная промывка, например, в горячем содовом растворе. Можно выполнять отпуск и в электропечах со встроенными вентиляторами для интенсивной циркуляции атмосферы, обеспечивающей равномерность низкотемпературного нагрева садки.
В последние годы для подготовки исходной структуры наряду с патентированием все более широко используют нормализацию, изотермическую закалку на нижний бейнит, закалку со скоростным электроотпуском.
Термическая обработка пружин из сталей общего назначения, упрочняемых закалкой с отпуском
Для изготовления пружин, упрочняемых последующей закалкой с отпуском, используют холоднодеформированную отожженную проволоку или ленту, горячекатаный или холоднокатаный сортовой прокат или катанку. В исходном состоянии указанные полуфабрикаты не характеризуются высокой прочностью, но имеют повышенную пластичность, позволяющую изготавливать пружины сложной конфигурации. Крупные пружины изготавливают с использованием горячей деформации.
Технологический процесс изготовления пружин горячей деформацией в общем случае включает следующие операции: отрезку заготовок, оттяжку или вальцовку концов заготовок в горячем состоянии (950–1150 °С), навивку или штамповку в горячем состоянии (800–1000 °С), обрубку концов, заточку и шлифование торцов пружин (при необходимости), термическую обработку, гидропескоструйную обработку (иногда наклеп дробью), испытание пружин и проверку размеров.
Основным видом термической обработки пружин является закалка с отпуском. Закалка должна обеспечить получение в структуре мартенсита без участков троостита и с минимальным количеством остаточного аустенита. Остаточный аустенит обладает пониженным пределом упругости, а его возможное превращение в мартенсит вызывает понижение релаксационной стойкости и склонность к замедленному разрушению. В связи с этим целесообразно после закалки проводить обработку холодом.
Для снижения склонности к хрупкому разрушению и температуры вязкохрупкого перехода необходимо стремиться к получению при нагреве под закалку мелкозернистого аустенита и к снижению уровня внутренних напряжений при закалке.
Для предупреждения поверхностного окисления и обезуглероживания нагрев пружин, особенно малой толщины, следует проводить в защитной атмосфере или вакууме. Нагрев в соляных ваннах обеспечивает получение чистой поверхности, но может вызвать поверхностные повреждения, снижающие усталостную прочность, что недопустимо для пружин ответственного назначения.
Окончательные свойства определяются условиями отпуска. Режимы отпуска следует выбирать с учетом назначения и условий нагружения упругих элементов в эксплуатации. Для большинства пружин отпуск проводят при температурах, обеспечивающих высокие значения предела упругости: углеродистые стали – 200–250 °С; легированные – 300–350 °С.
Во избежание нежелательных изменений в структуре (коагуляция карбидов и др.) режим отпуска должен быть строго регламентирован по температуре в продолжительности.
Для пружин, работающих в условиях динамического нагружения, для которых возникновение внезапных или замедленных хрупких разрушений особенно опасно, определяющее значение для выбора режима отпуска приобретает также уровень пластичности и сопротивление хрупкому разрушению. В связи с этим температура отпуска повышается выше той, которая соответствует наибольшему пределу упругости.
Более высокие пределы упругости, вязкости и усталостная прочность достигаются при изотермической закалке пружинных сталей с получением структуры нижнего бейнита, что объясняется иной субструктурой, в которой отсутствует двойникованный мартенсит. А дополнительный отпуск этих сталей при температурах, близких к температуре образования нижнего бейнита еще в большей степени повышает пружинные свойства сталей. Указанный процесс назван двойной изотермической закалкой. Следует отметить, что присутствие верхнего бейнита недопустимо, так как ухудшает весь комплекс свойств.
При выполнении закалки и отпуска пружин необходимо предусматривать меры по уменьшению их деформации. Последующая правка упругих элементов нежелательна, так как вызывает появление остаточных напряжений и ухудшение свойств.
Меры по уменьшению деформации разрабатываются применительно к конкретным видам и типоразмерам пружин. При можно использовать такие приемы, как равномерную укладку пружин в печь; приспособления, фиксирующие форму и размеры пружин при нагреве и охлаждении (рис. 2); отпуск на оправках. Эффективным средством уменьшения деформации является изотермиче- ская закалка.
Рис. 2. Приспособление для закалки пружин сжатия:
1 – пружина; 2 - оправка
Режимы термической обработки и механические свойства (минимальные) рессорно-пружинных сталей общего назначения.
| Марка стали | Критические точки, °С | Режим закалки и отпуска | Механические свойства | ||||||
| Ас1 | Ас3 | Тзак, °С | закалочная среда | Тотп, °С | σ в, МПа | σ 0,2, МПа | δ, % | ψ, % | |
| 65 | 727 | 782 | 840 | масло | 470 | 800 | 1000 | 10 | 35 |
| 85 | 730 | - | 820 | масло | 470 | 1000 | 1150 | 8 | 30 |
| У10А | 730 | - | 770-810 | масло | 300-420 | - | - | - | - |
| 65Г | - | - | 830 | масло | 470 | 800 | 1000 | 8 | 30 |
| 55С2 | 775 | 840 | 870 | масло | 470 | 1200 | 1300 | 6 | 30 |
| 60С2 | 750 | 820 | 870 | масло | 470 | 1200 | 1300 | 6 | 25 |
| 50ХГ | 750 | 775 | 850 | масло | 470 | 1200 | 1300 | 7 | 35 |
| 50ХГР | 750 | 790 | 850 | масло | 470 | 1200 | 1300 | 7 | 35 |
| 50ХФА | - | - | 850 | масло | 470 | 1100 | 1300 | 8 | 35 |
| 60С2Н2А | - | - | 870 | масло | 470 | 1350 | 1500 | 8 | 30 |
| 70С3А | - | - | 850 | масло | 470 | 1500 | 1700 | 6 | 25 |
Технология термической обработки рессор
По конструкции и условиям работы рессоры транспортных устройств представляют отдельную группу упругих элементов. Рессорные листы должны обладать высоким сопротивлением статическим и циклическим нагрузкам, фреттинг–усталости, просадке и истиранию. Преобладающим видом нагружения является циклический изгиб.
Экспериментальные данные показывают, что химический состав рессорных сталей (кроме содержания углерода) оказывает незначительное (в пределах 10–15 %) влияние на характеристики циклической прочности. Основная цель легирования рессорных сталей заключается в обеспечении полной прокаливаемости рессорных листов. При этом используют дешевые и недефицитные легирующие элементы, увеличивающие прокаливаемость стали.
Для изготовления рессор ГОСТ 14959–79 предусматривает 25 марок стали. В производстве автомобильных рессор используют в основном стали 60С2 (55С2), 60ХГС, 50ХГ (50ХГА) и в меньшей степени (для рессор легковых автомобилей) стали 50ХГФА и 50ХФА. Рядом работ показана перспективность стали 55ХГР, содержащей 0,001–0,003 % В.
Основными технологическими характеристиками рессорных сталей являются склонность к перегреву и обезуглероживанию.
Действующий в настоящее время на большинстве заводов технологический процесс производства листовых автомобильных рессор включает рубку горячекатаных полос на мерные заготовки, доделочные операции (выдавливание фиксирующих кнопок, пробивку отверстий для стягивающих болтов, отгибку концов, загибку ушек), термическую обработку, в процессе которой проводят гибку полос, дробеструйный наклеп (двухсторонний или, по крайней мере, со стороны вогнутой поверхности), осадку и контроль. Доделочные (заготовительные) операции проводят при местном нагреве отдельных участков рессорных листов в щелевых газовых нагревательных устройствах или индукционным способом.
Принципиальная технологическая схема линии для комплектной термической обработки рессорных листов приведена на рис. 3.
Рис. 3. Технологическая схема линии для термической обработки рессорных листов:
1 – конвейерная печь для нагрева под закалку; 2 – конвейер закалочной печи;
3 – гибозакалочный барабан; 4 – транспортер закалочного бака;
5 – отпускная печь; 6 – конвейер отпускной печи; 7 – водяной бак; 8 – масляный бак
Для нагрева под закалку используют газовые или мазутные печи, а также электропечи. Для повышения производительности линий используют форсированный нагрев, предусматривающий значительный перепад температур между печью и нагреваемым металлом.
С учетом допустимых пределов температур нагрева при практически возможной точности поддержания температуры в печи и скорости прохождения конвейера через печь температуру печи поддерживают в пределах 980–1000 °С для листов из стали 60С2 и в пределах 880–900 °С из стали 50ХГ. При этом длительность нагрева листов толщиной 6–10 мм под закалку выбирают в интервале 10–25 мин.
Нагретые листы укладывают в гибозакалочный штамп, установленный на многопозиционном (на 8–12 позиций) барабане. Штамп закрывают и этим обеспечивают гибку листа; барабан поворачивается, погружая лист в закалочное масло. Для предотвращения деформации листов длительность их охлаждения в штампе должна составлять 40–60 с. Из закалочного штампа листы попадают на транспортер, перемещающий их из масляного бака к отпускной печи.
Отпуск листов осуществляется в конвейерной электропечи с укладкой листов на ребро перпендикулярно направлению движения конвейера. Температура отпуска для сталей 60С2 и 60ХГ соответствует 450–480 °С. Учитывая высокую плотность укладки листов на конвейере и перепад температур между зоной расположения термопар и металлом, температуру в печи поддерживают выше заданной температуры металла на 100–150 °С; длительность отпуска 45–50 мин. После отпуска листы охлаждаются в воде (в душевом устройстве), что позволяет ускорить технологический цикл, а также способствует устранению склонности к отпускной хрупкости второго рода.
Листы подвергают двойной закалке и отпуску. Первую (предварительную сквозную) закалку выполняют для упрочнения сердцевины листа и подготовки исходной структуры с тем, чтобы при второй (поверхностной) закалке с использованием скоростного индукционного нагрева получить поверхностный закаленный слов на глубину 0,15–0,2 от толщины листа с очень мелким зерном аустенита (14–15 балл по ГОСТ 5639–82). При поверхностном нагреве для второй закалки сердцевину листа отпускают на твердость НRС 38–40.
Наличие столь мелкого зерна в сочетании с высокими остаточными напряжениями сжатия в поверхностном закаленном слое с твердостью HRС 58–59 и упрочнением сердцевины на твердость HRС 38–40 обеспечивает высокое сопротивление листов статическим и циклическим нагрузкам.
В автоматической линии для термической обработки по новому методу рессорные листы толщиной 18 мм из стали 60С2 перемещаются через ряд последовательно расположенных индукторов и спрейеров. В линии осуществляется также выдавливание центрирующих кнопок и гибка листов.
Использование нового метода позволило повысить долговечность рессор, уменьшить их металлоемкость, полностью автоматизировать процесс термической обработки.
Термомеханическая обработка рессор и пружин
При высокотемпературной темомеханической обработке (ВТМО) рессорных сталей температуру аустенитизации принимают на 100–150 °С выше АС3, степень деформации 25–60 % при одновременном обжатии и до 70 % при дробной деформации. Оптимальные режимы ВТМО выбирают эмпирически для каждого изделия. В результате ВТМО достигается возрастание статической и усталостной (в том числе и малоцикловой) прочности, сопротивления разрушению, пластичности и ударной вязкости; понижение температуры порога хладноломкости, устранение обратимой отпускной хрупкости и уменьшение водородного охрупчивания при нанесении гальванических антикоррозионных покрытий.
Повышение комплекса свойств при ВТМО установлено для широкого круга пружинных сталей с различной степенью легирования: кремнистых (55С2, 60С2), хромомарганцевых (50ХГА), сталей марок 50ХФА, 45ХН2МФА и др. Наибольшая эффективность от ВТМО достигнута на сталях, содержащих карбидообразующие элементы – хром, ванадий, молибден, цирконий, ниобий и т. п. (стали марок 50ХМФ, 50Х5СМЗФ и др.).
При ВТМО возможно использование различных схем деформации (прокаткой, волочением, экструзией, штамповкой), но ввиду анизотропии упрочнения необходимо, чтобы направление, в котором достигнуто максимальное упрочнение совпадало с направлением действия максимальных напряжений при эксплуатации, т. е. схемы главных напряжений при ВТМО и в эксплуатации должны быть близки.
Важным преимуществом ВТМО, расширяющим область ее применения, является наследование субструктуры, созданной этой обработкой, даже после повторной закалки.
Перспективным методом обработки пружинных сталей является дополнительное упрочнение холодной пластической деформацией, осуществляемой после ВТМО.
В результате окончательного отпуска при 250 °С сохраняются прочностные характеристики стали и повышается ее пластичность.
Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) позволяет получить высокий комплекс пружинных свойств на углеродистых (У7А) и легированных сталях (70С2ХА и др.), что связано как с наследованием мартенситом дислокационной структуры деформированного аустенита, так и с развитием бейнитного превращения в процессе пластической деформации. Наиболее сильно после НТМО возрастает предел упругости. Эффект упрочнения при НТМО, как правило выше, чем при ВТМО. С точки зрения практического выполнения НТМО является более сложной обработкой.
Свойства стали после НТМО, особенно предел упругости и релаксационная стойкость, могут быть повышены в еще большей степени путем холодной пластической деформации с обжатием 10 % и старения.
Стабильность субструктуры и устойчивость упрочнения при нагреве стали после НТМО значительно меньше, чем после ВТМО. Повторная закалка почти полностью снимает эффект НТМО.
Недостатком НТМО является то, что рост упрочнения часто сопровождается снижением пластичности, повышением чувствительности к концентраторам напряжений.