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.
Конструкционная рессорно-пружинная сталь 65Г, выпускается по ГОСТ 14959 и отличается высокой упругостью и износостойкостью. Не зря данная сталь используется для изготовления пружин, корпусов подшипников и рессор и... для ножей. Конечно, это не лучший вариант для кухонных, охотничьих, туристических и подобных ножей, но есть две группы клинкового оружия, для которых 65 Г является наилучшим вариантом. Догадались? Конечно, это метательные ножи и турнирные мечи...
На фото метательные нож «Твист» с цельнометаллическим клинком из стали 65Г
Расшифровка стали
Здесь всё просто. (Г) - это легирующий элемент «марганец». (65) - процентное содержание углерода в сплаве в сотых долях. Марганец в составе стали призван увеличить её упругость и сопротивление разрыву, что для спортивных метательных ножей имеет очень важное значение.
Характеристики стали (кратко)
- Износостойкость
- Вязкость
- Прочность
- Упругость
- Сопротивление разрыву
- Ножи показывают хороший рез (хотя для метательных ножей это ни к чему)
- Относительно низкая стоимость
Сталь для турнирного оружия
Всё вышеперечисленное актуально не только для изготовления метательных ножей, но и для производства турнирного оружия (мечи, шашки и т.п.).
На фото: Турнирное оружие для фестиваля «Богатырские забавы» в парке «ОружейникЪ» (Златоуст) было изготовлено как раз из стали 65Г.
Минусы
Как отмечали выше, сталь относиться к углеродистой группе и подвержена коррозии. Поэтому не забываем два важных правила: держим клинки в сухости и чистоте и периодически смазываем касторовым малом. Уход за ножами из стали 65Г сравним с уходом за ножами из дамасской стали .
Химический состав
Режимы термообработки
Температурный интервал закалки стали 65Г находится в пределах 800-830 °С. Последующий высокий отпуск в режиме 160-200 °С с дальнейшим охлаждением на спокойном воздухе позволяют получить на выходе твердость стали в пределах 45-47 HRC. Данная марка стали не боится перегрева, однако при закалке в верхних температурных значениях ударная вязкость стали начинает снижаться.
Резюмируем
Клинки из стали 65Г широко используются для изготовления метательного, спортивного оружия, турнирных мечей, а также секачей, топоров и мачете. В общем там, где важна стойкость клинкового оружия к ударным нагрузкам, а также невысокая стоимость таких изделий. Например, все метательные ножи компании «АиР » из Златоуста изготовлены именно из стали 65Г.
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).
Стали, предназначенные для изготовления пружин и рессор, должны допускать большие упругие деформации и иметь пластические свойства, обеспечивающие работу витых и других пружин без поломок при перегрузках,должны противостоять циклическим нагрузкам (особенно колебательного характера). В соответствии с этим стали для пружин и рессор должны обладать высоким пределом упругости и пределом выносливости, достаточной вязкостью и пластичностью. Предел текучести углеродистых пружинных сталей после окончательной термической обработки должен превышать 800 Н/мм2, а легированных –1000 Н/мм2. Показатели пластичности должны быть δ≥5 % и ψ≥20%. Углеродистые стали для пружин и рессор имеют низкую коррозионную стойкость и невысокую релаксационную стойкость. Малая прокаливаемость этих сталей ограничивает их применение – обычно только для изготовления пружин и рессор небольшого сечения. Легированные стали обладают более высокими прочностными свойствами, повышенной вязкостью и сопротивлением хрупкому разрушению, более высокой релаксационной стойкостью, возможностями закалки в масле и даже на воздухе. Эти стали более предпочтительны для изготовления пружин и рессор. Механические свойства (минимальные) рессорно-пружинных сталей предусмотрены ГОСТ 14959-79. Это стали: 65, 70,75, 85, 65Г,65Г2, 70Г, 60С2,48,70СЗА, 50ХГ, 55КГР, 60ГСА, 50ХГФА и др. Режимы термической обработки: температура закалки в масле 820…870°С, температура отпуска 420…480°С.
|
Марки стали |
Назначения |
|
Плоские пружины прямоугольного сечения толщиной 3…12 мм (сталь 65); пружины из проволоки диаметром 0,14…8 мм с холодной навивкой; пружины различных размеров с последующим отпуском при 300 °С (стали 70, 75 и 85); рессоры, пружины и бандажи локомотивов (сталь70) |
|
|
Плоские и круглые пружины, рессоры, пружинные кольца, шайбы, гровера и другие детали пружинного типа, от которых требуются высокие упругие свойства и повышенное сопротивление изнашиванию |
|
|
Рессоры толщиной 3…14 мм |
|
|
Рессоры, подвески, натяжные пружины; детали, рабо- тающие на переменный изгиб. Обычно применяют полосовую сталь толщиной 3…18 мм и желобчатую сталь (для рессор) толщиной 7…13 мм. Механические свойства ее в продольном и поперечном направлениях различны. Сталь склонна к обезуглероживанию |
|
|
Рессоры из полосовой стали толщиной. 3…16 мм;, пру-жины из полосовой стали толщиной 3…18 мм и из пру-жинной ленты толщиной 0,08…3 мм; витые пружины из проволоки диаметром 3…12 мм. Сталь склонна к обезуглероживанию, устойчива против роста зерна, обладает глубокой прокаливаемостью. Максимальная рабочая температура +250 °С |
|
|
Для изготовления рессорной полосы толщиной 3…16мм. Легирование бором повышает предел упругости и модуль упругости стали |
Износостойкие стали применяются (используются) для изготовления деталей машин, работающих в условиях трения:
Шарикоподшипниковые,
Графитизированные,
Высокомарганцовистые.
Шарикоподшипниковые стали (ШХ15, ШХ20) применяют для изготовления шариков и роликов подшипников.
По химическому составу (ГОСТ 801-78) и структуре эти стали относятся к классу инструментальных сталей.
Графитизированную сталь (высокоуглеродистую, содержащую 1,5 - 2% С и до 2% Cr) используют для изготовления поршневых колец, поршней, коленчатых валов и других фасонных отливок, работающих в условиях трения.
Графитизированная сталь содержит в структуре ферритоцементитную смесь и графит.
Марки графитизированной стали У16 (ЭИ 336)
Количество графита может значительно меняться в зависимости от режима термической обработки и содержания углерода.
Графитизированная сталь после закалки сочетает свойства закаленной стали и серого чугуна.
Графит в такой стали играет роль смазки.
Высокомарганцовистую cталь Г13Л, содержащую 1,2% С и 13% Мn, применяют для изготовления железнодорожных крестовин, звеньев гусениц и т. п.
Эта сталь обладает максимальной износостойкостью, когда имеет однофазную структуру аустенита, что обеспечивается закалкой (1000-1100°С) при охлаждении на воздухе.
Закаленная сталь имеет низкую твердость (НВ 200), после сильного наклепа ее твердость повышается до НВ 600.
Шарикоподшипниковые стали
Стали для изготовления деталей подшипников (колец, шариков, роликов) считаются конструкционными, но по составу и свойствам относятся к инструментальным. Наибольшее применение имеет высокоуглеродистая хромистая сталь ШХ15. Заэвтектоидное содержание в ней углерода (0,95%) и хрома (1,3…1,65%) обеспечивает получение после закалки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания и достаточной вязкости. На качество стали и срок службы подшипника вредно влияют карбидные ликвации, полосчатость и сетка. На физическую однородность стали 50 вредно влияют неметаллические (сульфидные и оксидные) и газовые включения, макро- и микропористость. Сталь ШХ15 применяют для деталей небольших сечений. Для деталей более крупных подшипников в целях улучшения их прокаливаемости применяют хромокремнемарганцевые стали ШХ15СГ и ШХ20СГ.
Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников для прокатных станов, железнодорожного транспорта, работающих в тяжелых условиях при больших ударных нагрузках, применяют цементируемую сталь 20Х2Н4А.
33. Коррозионно-стойкие (нержавеющие ) стали . Углеродистые и низколегированные стали подвержены коррозии, т. е. разрушаются от химического воздействия окружающей среды. По механизму протекания процесса различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Явления, возникающие при электрохимической коррозии, аналогичны процессам в гальваническом элементе. Стали, устойчивые к электрохимической коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими). Антикоррозионными свойствами сталь обладает в том случае, если она легирована большим количеством хрома или хрома и никеля.
Хромистые коррозионно-стойкие стали . Содержание хрома в стали должно быть не менее 12%. При меньшем содержании хрома сталь не способно сопротивляться коррозии, так как ее электродный потенциал становится отрицательным. Широко применяют стали марок 12X13, 40X13, 12X17,08Х17Т.
Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали . Эти стали содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к аустенитному классу. Кроме аустенита в этих сталях находятся карбиды хрома. Для получения однофазной структуры аустенита сталь, например марки 12Х18Н9, закаливают в воде с температуры 1100…1150 °С. При этом достигается наиболее высокая коррозионная стойкость, но прочность сравнительно невысока. Для повышения прочности сталь подвергают пластической деформации в холодном состоянии.
Хромоникелевые стали аустенитного класса имеют большую коррозионную стойкость, чем хромистые, и их широко применяют в химической, нефтяной и пищевой промышленности, автостроении, транспортном машиностроении, а также в строительстве.
Жаропрочные стали и сплавы. К ним относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. На уменьшение прочности стали влияет не только само повышение температуры, но и длительность действия приложенной нагрузки. В последнем случае под действием постоянной нагрузки сталь «ползет», поэтому данное явление названо ползучестью. Для углеродистых и легированных конструкционных сталей ползучесть наблюдается при температурах выше 350°С. Факторами, способствующими повышению жаропрочности, являются:
высокая температура плавления основного металла; наличие в сплаве твердого раствора и мелкодисперсных частиц упрочняющей фазы; пластическая деформация, вызывающая наклеп; высокая температура рекристаллизации; рациональное легирование; термическая и термомеханическая обработка; введение в жаропрочные стали в долях процента таких элементов, как В, Се, Nb, Zn.
Жаропрочные стали и сплавы классифицируют по основному признаку –температуре эксплуатации. Для работы при температурах до 350…400°С применяют обычные конструкционные стали (углеродистые и низколегированные). Для работы при температуре 400…550°С применяют легированные стали перлитного класса, например 15ХМ, 12Х11МФ. Для этих сталей основной характеристикой является предел ползучести, так как они предназначены главным образом для изготовления деталей котлов и турбин, напримертруб паропроводов и пароперегревателей, нагруженных сравнительно мало,но работающих весьма длительное время (до 100 000 ч). Эти стали содержат мало хрома и поэтому обладают невысокой жаростойкостью (до 550…600°С). Для работы при температуре 500…600°С применяют стали мартенситного класса: высокохромистые, например 15Х11МФ для лопаток паровых турбин; хромокремнистые (называемые сильхромами), например 40Х9С2 для клапанов мототоров; сложнолегированные, например 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов, турбин. Для работы при температуре 600…750°С применяют стали аустенитного класса, разделяемые на неупрочняемые (нестареющие), например сталь 09Х14Н16В, предназначаемая для труб пароперегревателей и трубопроводов установок сверхвысокого давления, и упрочняемые (стареющие) сложнолегированные стали, например сталь 45Х4Н14В2М, применяемая для клапанов моторов, деталей трубопроводов, и сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС для лопаток газовых турбин. Жаростойкость сталей аустенитного класса 800…850 °С. Для работы при 800…1100°С применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе, например ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ для лопаток турбин. Эти сплавы стареющие и подвергаются такой же термической обработке (закалке и старению), как и стареющие стали аустенитного класса. Жаростойкость сплавов на никелевой основе до 1200°С.
B зависимости от основной структуры, получаемой при охлаждении стали на воздухе после высокотемпературного нагрева, коррозионностойкие и жаропрочные стали делят на шесть классов. К мартенситному классу относятся стали с основной структурой мартенсита. Они содержат до 17% Cr и небольшие добавки вольфрама, молибдена, ванадия и никеля. Это стали 15X5, 20X13, 15ХМ, 20ХМ и др. К мартенситно-ферритному классу относятся стали, содержащие в структуре, помимо мартенсита, не менее 10 % феррита. Эти стали содержат 11…17% Cr и небольшое количество других элементов. Содержание углерода не превышает 0,15%. Их термическая обработка заключается в закалке с отпуском либо в нормализации с отпуском. Это стали 12X13,14Х17Н2, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР. К ферритному классу относятся стали, имеющие структуру феррита. Они содержат малое количество углерода, до 30% Cr и небольшие добавки титана, ниобия и других элементов. Стали: 08X13, 12Х17Т, 15Х25Т, 15X28. К аустенитно-ферритному классу относятся стали, имеющие структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно менять в широких пределах. Стали: 20Х13Н4Г9, 09Х15Н8Ю, 07Х16Н6, 09Х17Н7ЮЖ, 08Х17Н5М3. К аустенитно-ферритному классу относятся также стали, имеющие структуру аустенита и феррита (феррита более 10 %). Особую группу сталей аустенитного класса составляют экономно легированные никелем и безникелевые стали.
Казанский Государственный Технический Университет им. А. Н. Туполева
Институт авиации, наземного транспорта и энергетики
Кафедра: «Материаловедение и структура образующих технологий»
Дисциплина: «Материаловедение ч.2»
Курсовая работа
Тема: «Пружинные стали»
Выполнена:
Проверил:
Елабуга, 2009 г.
План:
1. Описание
2. Применение
3. Маркировка и основные характеристики
4. Особенность вальцовки пружинной стали
5. Основные требования, предъявляемые к рессорно-пружинной стали
6. Характеристика материала 68А
7. Литература
Описание:
Пружинная сталь - сталь, предназначенная для изготовления упругих элементов (пружин, рессор и т.д.)
Работа пружин, рессор и тому подобных деталей характеризуется тем, что в них используют только упругие свойства стали. Большая суммарная величина упругой деформации пружины (рессоры и т. д.) определяется ее конструкцией - числом и диаметром витков, длиной пружины. Поскольку возникновение пластической деформации в пружинах не допускается, то от материала подобных изделий не требуется высокой ударной вязкости и высокой пластичности. Главное требование состоит в том, чтобы сталь имела высокий предел упругости (текучести). Это достигается закалкой с последующим отпуском при температуре в районе 300-400° С. При такой температуре отпуска предел упругости (текучести) получает наиболее высокое значение, а то, что эта температура лежит в интервале развития отпускной хрупкости I рода, в силу отмеченного выше обстоятельства не имеет большого значения.
Пружины, рессоры и подобные им детали изготавливают из конструкционных сталей с повышенным содержанием углерода (но, как правило, все же более низким, чем у инструментальных сталей) - приблизительно в пределах 0,5-0,7% С, часто с добавками марганца и кремния. Для особо ответственных пружин применяют сталь 50ХФ, содержащую хром и ванадий и обладающую наиболее высокими упругими свойствами. Термическая обработка пружин и рессор из легированных сталей заключается в закалке от 800-850° С (в зависимости от марки стали) в масле или в воде с последующим отпуском в районе 400-500° С на твердость НRС 35-45. Это соответствует ст в = 1304-1600 кгс/мм 2 .
Иногда такой термической обработке подвергают детали конструкций большой длины и с тонкими стенками, которые должны обладать высокими пружинящими свойствами. В этом случае применяют сталь ЗОХГС; после закалки и отпуска при 250° С она будет иметь прочность (а в) 160 кгс/мм 2 , но вязкость (а д) всего лишь 5 кгс-м/см 2 , а пластичность (б) 7% и (ф.) 40%. Часто пружины изготавливают из шлифованной холоднотянутой проволоки (так называемой серебрянки). Наклеп (нагартовка) от холодной протяжки создает высокую твердость и упругость. После навивки (или другого способа изготовления) пружину следует отпустить при 250-350°С для снятия внутренних напряжений, что повысит предел упругости. Для изготовления серебрянки применяют обычные углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9, У10.
На качество и работоспособность пружины большое влияние оказывает состояние поверхности. При наличии трещин, плен и других поверхностных дефектов пружины оказываются нестойкими в работе и разрушаются, вследствие развития усталостных явлений в местах концентрации напряжений вокруг этих дефектов. Кроме обычных пружинных материалов, имеются и специальные, работающие в специфических условиях (повышенные температуры, агрессивные среды, и т. д.).
Общая характеристика: сталь рессорно-пружинная, малочувствительна к флокенообразованию, склонна к отпускной хрупкости при содержании Mn≥1%, не применяется для сварных конструкций. Плотность при 20°С - 7,81х10³кг/м³. Модуль нормальной упругости при 20°С - 215 Гпа. Удельная теплоёмкость при 20-100°С - 490 Дж/(кг·°С)
Они работают в области упругой деформации металла под воздействием циклических нагрузок. Поэтому они должны иметь высокое значение предела упругости, текучести, выносливости при необходимости пластичности и высоком сопротивлении хрупкому разрушению.
Пружинные стали содержат С = 0,5 - 0,75% , Si до 2,8%, Mn до 1,2%, Cr до 1,2%, V до 0,25%, Bе до 1,2%, Ni до 1,7%. При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно, ее релаксационной стойкости. Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А. Однако они могут подвергаться обезуглероживанию, графитизации, резко снижающим характеристики упругости и выносливости материала. Устранение указанных дефектов, а также повышение прокаливаемости и торможение роста зерна при нагреве достигается дополнительным введением в кремнистые стали хрома, ванадия, вольфрама и никеля. Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.. Применяются также пружины специального назначения из мартенситных сталей 30Х13А, мартенситно - стареющих 03Х12Н10Д2Т, аустенитно-мартенситных 09Х15Н8Ю и других сталей и сплавов. Стали закаливают с температур 830 - 880°С и отпускают на тростит (380 - 550°С).
Имеют высокий предел текучести. Отношение предела текучести к пределу прочности 0,8−0,9. Для листовых рессор и пружин подвесок применяют кремнистые и марганцовистые стали 50ХГ, 50Г2, 05Г, 55С2 и др. Для торсионных валов используются стали 45ХНМФА, G0C2A, 70СЗА.
Для повышения усталостной прочности деталей, работающих при высоких колебательных нагрузках, необходимо обеспечить в поверхностном слое создание остаточных сжимающих напряжений. С этой целью применяют заневоливание пружин, заневоливание и чеканку торсионных валов, обкатку роликами, пластическую осадку и дробеструйную обработку листовых рессор. Легированная рессорно-пружинная сталь, термообработанная до твердости HRC 45-50, имеет предел усталости при кручении 190 МПа. После дробеструйной обработки предел усталости увеличивается до 350 МПа (3500 кгс/см2).
Применение:
Пружины, рессоры, упорные шайбы, тормозные ленты, фрикционные диски, шестерни, фланцы, корпусы подшипников, зажимные и подающие цанги и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости, и детали, работающие без ударных нагрузок.
Виды поставляемой продукции: в горячекатаном состоянии (без термообработки) с твёрдостью не более НВ285; в высокоотпущенном состоянии - не более НВ241
Маркировка и основные характеристики:
Марки пружинных сталей:
Основные механические свойства рессорно-пружинной стали после специальной термической обработки.
| Марка стали | Рекомендуемый режим термической обработки | Механические свойства | |||||
| σт,кгс/мм2 | σв,кгс/мм2 | δ5 , % | φ , % | ||||
| Температура закалки, °С | Закалочная среда | Температура отпуска | |||||
| Не менее | |||||||
| 65 | 840 | Масло | 480 | 80 | 100 | 10 | 35 |
| 70 | 830 | » | 480 | 85 | 105 | 9 | 30 |
| 75 | 820 | » | 480 | 90 | 110 | 9 | 30 |
| 85 | 820 | » | 480 | 100 | 115 | 8 | 30 |
| 60Г | 840 | » | 480 | 80 | 100 | 8 | 30 |
| 65Г | 830 | Масло | 480 | 80 | 100 | 8 | 30 |
| 70Г | 830 | » | 480 | 85 | 105 | 7 | 25 |
| 55ГС | 820 | » | 480 | 80 | 100 | 8 | 30 |
| 50С2 | 870 | Масло или вода | 460 | 110 | 120 | 6 | 30 |
| 55С2 | 870 | То же | 460 | 120 | 130 | 6 | 30 |
| 55С2А | 870 | » » | 460 | 120 | 130 | 6 | 30 |
| 60С2 | 870 | Масло | 460 | 120 | 130 | 6 | 25 |
| 60С2А | 870 | » | 420 | 140 | 160 | 6 | 20 |
| 70С3А | 860 | » | 460 | 160 | 180 | 6 | 25 |
| 50ХГ | 840 | » | 440 | 110 | 130 | 7 | 35 |
| 50ХГА | 840 | » | 440 | 120 | 130 | 7 | 35 |
| 55ХГР | 830 | » | 450 | 125 | 140 | 5 | 30 |
| 50ХФА | 850 | » | 520 | 110 | 130 | 8 | 35 |
| 50ХГФА | 850 | » | 520 | 120 | 130 | 6 | 35 |
| 60С2ХФА | 850 | » | 410 | 170 | 190 | 5 | 20 |
| 50ХСА | 850 | » | 520 | 120 | 135 | 6 | 30 |
| 65С2ВА | 850 | » | 420 | 170 | 190 | 5 | 20 |
| 60С2Н2А | 880 | » | 420 | 160 | 175 | 6 | 20 |
| 60С2ХА | 870 | » | 420 | 160 | 180 | 5 | 20 |
| 60СГА | 860 | » | 460 | 140 | 160 | 6 | 25 |
Особенность вальцовки пружинной стали:
Особенность состоит в последовательности термообработки таких сталей. Так, при навивке пружин пруток находится в отожженном состоянии, что обеспечивает простоту выполнения операции. Затем пружину закаливают. Последний этап - низкий отпуск (130...150 град.), он еще называется пружинным.
Основные требования, предъявляемые к рессорно-пружинной стали:
Общее требование, предъявляемое к рессорно-пружинным сталям, - обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений). Эти характеристики обеспечивают точность и надёжность работы пружин и постоянство во времени таких эксплуатационных свойств, как крутящий момент, силовые параметры. Пружинные стали в виде проволоки и ленты упрочняют холодной пластической деформацией и закалкой на мартенсит с последующим отпуском. Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.
