Рессорно-пружинные стали. Ножи из рессорной стали

Этим показателем обладают углеродистые и легированные марки металла.

Легированные и углеродистые материалы

Этот вид материала используют для производства жестких (силовых) упругих элементов. Причиной именно такому применению стало то, что высокий модуль упругости этой стали сильно ограничивает упругую деформацию детали, которая будет произведена из рессорно-пружинной стали. Также важно отметить, что этот тип продукта является высокотехнологичным и в то же время довольно приемлемым по своей стоимости. Кроме использования в авто- и тракторостроении, этот вид материала также широко применяется для изготовления силовых элементов в различных приборах. Чаще всего детали, которые произведены из этой стали, называют одним общим названием - пружинные стали общего назначения.

Для того чтобы обеспечить необходимую работоспособность силовых упругих элементов, необходимо, чтобы рессорная сталь обладала высоким пределом не только упругости, но и выносливости, а также релаксационной стойкостью.

Свойства

Для того чтобы удовлетворить такие требования, как выносливость, упругость и релаксационная стойкость, применяются материалы с повышенным содержанием углерода. Процент содержания этого вещества в используемом продукте должен быть в пределах от 0,5 до 0,7 %. Также важно подвергать этот закалке и отпуску. Проводить эти процедуры необходимо при температуре от 420 до 520 градусов по Цельсию.

Стоит заметить, что рессорная сталь, закаленная на мартенсит, обладает малым коэффициентом упругости. Он значительно повышается лишь при отпуске, когда образуется структура троосита. Процесс гарантирует повышение пластичности стали, а также вязкости ее разрушения. Эти два фактора важны для того, чтобы снизить чувствительность к концентраторам напряжения, а также увеличить предел выносливости продукта. Можно добавить, что положительными качествами характеризуется также и изометрическая закалка на нижний бейнит.

Ножи

Рессорная сталь для ножа некоторое время являлась наиболее распространенным материалом, особенно среди владельцев автомобилей. Изготовление острых предметов действительно осуществлялось из старых рессор, которые пришли в негодность для использования в транспортном средстве. Применение ножей из такого необычного материала осуществлялось как для различных бытовых нужд, так и для обычной резки продуктов на кухне. Выбор именно на эту деталь пал не случайно. Было несколько причин, почему именно рессорная сталь стала основным материалом для самодельного производства

Первая причина - это то, что из-за плохого качества дорог такая деталь как рессора, часто и быстро приходила в негодность. Из-за этого у многих автовладельцев этих узлов было в избытке. Детали просто лежали в гаражах. Доступность и стала первой причиной.

Вторая причина - это конструкция рессоры, которая включала в себя несколько листов углеродистой стали. Именно из этих элементов и можно было изготовить пару добротных ножей.

Третья причина - это высокая эластичность рессорной стали, которая позволяет проводить обработку материала, имея лишь минимальный набор инструментов.

Особенности ножей

Существенная причина, по которой именно этот вид стали стал обширно использоваться для производства ножей, - это состав самого продукта. На производстве данный состав получил название рессорно-пружинной стали 65Г. Как следует из названия, этот материал широко используется для производства рессор, пружин, шайб, а также некоторых других деталей. Стоимость именно этой марки стали считается одной из самых низких среди именно углеродистых материалов. Но при этом ее характеристики, то есть прочность, гибкость и ударная вязкость, находятся на высоте. Кроме того, твердость самой стали также увеличилась. Все эти особенности углеродистого металла также сыграли свою решающую роль при выборе материала для создания ножей.

Сталь 65Г

Рессорная сталь 65Г - это конструкционная высокоуглеродистая сталь, которая поставляется в соответствии с ГОСТом 14959. Такая марка относится к группе рессорно-пружинных сталей. Двумя наиболее важными требованиями, предъявляющимися к такому виду стали, являются высокая поверхностная прочность, а также повышенная упругость. Для того чтобы добиться необходимой прочности, в состав металла добавляют до 1 % марганца. Кроме того, чтобы достичь всех требуемых показателей, необходимо провести надлежащую термическую обработку деталей, изготовленных из этой марки.

Широкое и эффективное использование данного вида стали обусловлено тем, что она принадлежит к классу экономнолегированных, то есть дешевых. Основными ингредиентами этого продукта стали такие компоненты, как:

углерод, содержание которого составляет от 0,62 до 0,7 %;
марганец, содержание которого не превышает от 0,9 до 1,2 %;
содержание хрома и никеля в составе от 0,25 до 0,3 %.

Другие составляющие, которые входят в состав стали - сера, медь, фосфор и т. д. Это примеси, процентное содержание которых регламентируется государственным стандартом.

Термическая обработка

Существует несколько режимов термической обработки этого типа стали. Любой из них выбирается в соответствии с производственными требованиями, которые предъявляются к готовому продукту. Чаще всего используется два метода термической обработки, которые гарантируют получение необходимых свойств с химической и физической точки зрения. К этим способам относят нормализацию и закалку с последующим отпуском.

При проведении термической обработки необходимо правильно выбрать параметры температуры, а также времени, которое нужны для проведения операции. Чтобы верно выбрать эти характеристики, следует отталкиваться от того, какая марка стали используется. Так как материал марки 65Г принадлежит к доэвтектидному типу, то в составе этого продукта содержится аустенит, представленный в виде твердой механической смеси с небольшим количеством феррита. Аустенит является более твердым материалом с точки зрения структуры, чем феррит. Поэтому для проведения термической обработки стали 65Г, необходимо создавать более низкий интервал закалочных температур. Учитывая этот факт, подобные показатели для этого вида металла составляют от 800 до 830 градусов по Цельсию.

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.

Марки рессорной стали

Поставка стали для изготовления рессоры осуществляется в виде полос. После этого из нее нарезают заготовки, закаливают, отпускают и собирают в виде пакетов. Марки рессорно-пружинной стали, такие как 65, 70, 75, 80 и т. д., характеризуются тем, что их релаксационная стойкость мала, особенно этот недостаток заметен при нагреве детали. Данные марки стали не могут быть использованы для работы в среде, температура которой превышает 100 градусов по Цельсию.

Существуют дешевые кремнистые марки 55С2, 60C2, 70СЗА. Их используют для изготовления пружин или же рессор, толщина которых не будет превышать 18 мм.

К более качественным маркам стали можно отнести 50ХФА, 50ХГФА. Если сравнивать с кремнемарганцовыми и кремнистыми материалами, то при отпуске температура намного выше - около 520 градусов. Из-за такой процедуры обработки эти марки стали характеризуются высокой теплостойкостью, а также малой чувствительностью к надрезу.

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 %.

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

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

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

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

Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70СЗА стойки к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию - опасному поверхностному дефекту, снижающему предел выносливости. В кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно. s В =1300-1800 МПа, s 02 =1100-1600 МПа, d=5-8%.

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

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

Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2Н2А: s В =1800 МПа; s Т = 1600 МПа: d>5%, y >20%. Предел упругости составляет s УПР =880-1150 МПа. а твердость HRC 38-48. При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и др.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении - 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5-2 раза.

Подшипниковая сталь .

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

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

Детали подшипников подвергают типичной для зазвтектоидных сталей термической обработке: неполной закалке от 820-850°С в масло и низкому отпуску при 150-170°С. После закалки в структуре сталей сохраняется остаточный аустенит (8-15%, превращение которого может вызывать изменение размеров деталей подшипников. Для их стабилизации прецизионные подшипники обрабатывают холодом при -70-80°С. Окончательно обработанная подшипниковая сталь имеет структуру мартенсита с включениями мелких карбидов и высокую твердость (HRC 60-64).

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

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).

К конструкционным углеродистым или высокоуглеродистым относят сталь рессорно - пружинную. Для придания ей узконаправленных свойств легируется в небольших количествах 2-3 элементами, в общей сумме до 2,5 %. Но применение этих марок сталей не ограничивается только изготовлением пружин. Называют эту группу так, из-за того, что название это наиболее сильно отражает их главную особенность — упругость.

Характеристики пружинных сталей

Пружинные стали характеризуются повышенным пределом текучести (δ В) и упругости. Это важнейшая характеристика металла — выдерживать механические нагрузки без изменений своей первоначальной формы. Т.е. металл, подвергающийся растяжению или наоборот сжатию (упругой деформации), после снятия с него действующих сил, должен оставаться в первоначальной форме (без остаточной деформации).

Марки и область применения пружинной стали

По наличию дополнительных свойств пружинная сталь подразделяется на легированную (нержавеющую) и углеродистую. За основу легированной стали берется углеродистая с содержанием С 65-85 % и легируется 4 основными элементами, всеми или выборочно, каждый из которых вносит свои особенности:

хром;
марганец;
кремний;
вольфрам.

Хром — при концентрации более 13 % работает на обеспечение коррозионной стойкости металла. При концентрации хрома около 30 % изделие может работать в агрессивных средах: кислотной (кроме серной кислоты), щелочной, водной. Коррозионная пружинная сталь всегда легируется вторым сопутствующим элементом — вольфрамом и/ или марганцем. Рабочая t до 250 °C.

Вольфрам — тугоплавкое вещество. При попадании его порошка в расплав, образует многочисленные центры кристаллизации, измельчая зерно, что приводит к повышению пластичности без потери прочности. Это привносит свои плюсы: качество такой структуры остается очень высоким при нагреве и интенсивном истирании поверхности. При термической обработке этот элемент сохраняет мелкозернистую структуру, исключает разупрочнение стали при нагреве (в процессе эксплуатации) и дислокацию. Во время закалки увеличивает прокаливаемость, в результате чего структура получает однородность на большую глубину, что в свою очередь увеличивает эксплуатационный срок изделия.

Марганец и кремний — обычно участвуют в легировании обоюдно, причем соотношение всегда увеличивается в пользу марганца, примерно до 1,5 раз. Т. е. если содержание кремния 1 %, то марганец добавляется в количестве 1,1-1,5 %.

Тугоплавкий кремний является не карбидообразующим элементом. При попадании его в расплав одним из первых принимает участие в кристаллизации, выталкивая при этом карбиды углерода к границам зерен, что соответственно приводит к упрочнению металла.

Марганец можно назвать стабилизатором структуры. Одновременно искажая решетку металла и упрочняя его, марганец устраняет излишнюю прочность кремния.

В некоторые марки сталей (при работе изделия в высокотемпературных условиях, при t выше 300 ºC) в сталь присаживают никель. Он исключает образование карбидов хрома по границам зерен, которые приводят к разрушению матрицы.

Ванадий также может являться легирующим элементом, его функция похожа на действие вольфрама.

В пружинных марках оговаривается такой элемент как медь, содержание ее не должно превышать 0,15 %. Т. к. являясь легкоплавким веществом, медь концентрируется на границах зерен, снижая прочность.

К пружинным маркам относят: 50ХГ, 3К-7, 65Г, 65ГА, 50ХГФА, 50ХФА, 51ХФА, 50ХСА, 55С2, 55С2А, 55С2ГФ, 55ХГР, 60Г, 60С2, 60С2А, 605, 70, 70Г,75, 80, 85, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 68А, 68ГА, 70Г2, 70С2ХА, 70С3А, 70ХГФА, SH, SL, SM, ДМ, ДН, КТ-2.

Марки такой стали используются для изготовления не только пружин и рессор, хотя это основное их назначение, которое характеризует основное свойство. Их применяют везде, где есть необходимость предать изделию упругость, одновременно пластичность и прочность. Все детали, которые изготавливают из этих марок, подвержены: растяжению и сжатию. Многие их них испытывают нагрузки, периодически сменяющие друг друга, причем с огромной циклической частотой. Это:

корпуса подшипников, которые испытывают в каждой точке сжатие и растяжение с высокой периодичностью;
фрикционные диски, испытывающие динамические нагрузки и сжатие;
упорные шайбы, основное время они испытывают нагрузки на сжатие, но к ним можно присовокупить и резкое изменение на растяжение;
тормозные ленты, для которых одним из главнейших задач является упругость при многократно повторяющемся растяжении. При такой динамике с усиленным старением и износом более прочная сталь (с меньшей упругостью) подвержена быстрому старению и внезапному разрушению.

Тоже касается и шестерней, фланцев, шайб, цанг и т. д.

Маркировка

Пружинно-рессорные стали можно сгруппировать по позициям:

нелегированные с содержанием углерода 65-85 % — недорогая сталь общего назначения;
марганцево-кремниевые — наиболее дешевая с высокими физико-химическими показателями;
хромо-марганцевые — нержавеющая сталь, работает в агрессивных средах при t -250 +250 C;
дополнительно легированные и/или вольфрамом, ванадием, бором — представляют собой стали с повышенным ресурсом работы благодаря однородной структуре, отличным соотношением прочности и пластичности благодаря измельченному зерну и выдерживает высокие механические нагрузки. Используются на таких объектах как ЖД транспорт.

Маркировка пружинных сталей проводиться следующим образом. Разберем на примере 60С2ХФА:

60 — процентное содержание углерода в десятых долях (углерод не указывается в буквенном значении);
С2 — буквенное обозначение кремния с индексом 2, обозначает увеличенное стандартное содержание (1-1,5 %) в 2 раза;
Х — наличие хрома до 0,9-1 %;
Ф — содержание вольфрама до 1 %;
А — добавленный буквенный индекс А в конце маркировки обозначает минимальное содержание вредных примесей фосфора и серы, не более 0,015 %.

Производство

В зависимости от дальнейшей обработки и окончательно вида детали, сталь поставляется в листах, проволоке, шестигранниках, квадратах. Высокие эксплуатационные качества изделия обеспечиваются 2 составляющими:

структурой металла, которая определяется химическим составом и последующей обработкой;
наличием в структуре неметаллических включений, точнее минимальным количеством и размерами, что устраняется на этапе выплавки и разливки;
формой детали (спираль, дуга) и ее размерами, что определяется расчетным методом.

При растягивании пружины, внутренние и наружные стороны витков испытывают различные степени нагрузки: внешние меньше подвержены растяжению, в то время как внутренние испытывают наибольшую степень деформации. Тоже касается и концов пружины: они служат местом крепления, что увеличивает нагрузку в этих и граничащих местах. Поэтому разработаны марки стали, которые предпочтительно используются на сжатие либо растяжение.

Термомеханическая обработка

Все без исключения пружинные стали повергаются термомеханической обработке. После нее прочность и износостойкость способна увеличиться в 2 раза. Форму изделию придают в отожженном состоянии, когда сталь имеет максимально возможную мягкость, после чего нагревают до 830-870 С и охлаждают в масляной или водной среде (только для марки 60 СА). Полученный мартенсит отпускают при температуре 480 ºC.