Стали общего назначения

Пружинные стали. Классификация и требования

По способу изготовления пружинные стали делят на:

1 Стали, упрочняемые путем пластической деформации и последующего стабилизирующего отпуска (старения).

2 Стали, упрочняемые путем закалки на пересыщенный твердый раствор и последующего отпуска (старения).

Пружинные материалы наиболее часто используют в виде проволоки или ленты, из которых затем путем навивки, резки или вырубки изготавливают пружины и пружинящие детали необходимой конфигурации.

При получении пружинной проволоки или ленты нередко применяют совмещенный способ упрочнения, включающий закалку на пересыщенный твердый раствор и пластическую деформацию с последующим отпуском.

По назначению:

1 Стали общего назначения, предназначенные для изготовления изделий, обладающих высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и релаксационной стойкостью, при достаточной пластичности и вязкости, а для пружин, работающих при циклических нагрузках, и высоким сопротивлением усталости. Рабочая температура таких пружин обычно не превышает 100 – 120 ^оС.

2 Стали специального назначения предназначены для изготовления изделий, к которым кроме необходимого комплекса механических свойств, предъявляют требования по обеспечению специальных физико – химических свойств (коррозионной стойкости, немагнитности, теплостойкости и др.). температуры эксплуатации таких пружин находятся в интервале 200 – 400 ^оС и выше. В некоторых случаях необходимы пружины для работы при отрицательных температурах. Имеются высоколегированные пружинные сплавы с заданными коэффициентами линейного расширения, независимым от температуры модулем упругости ( в определенном температурном интервале) и т.д.

Требования к свойствам пружинных сталей определяются условиями работы пружин и механизмов.

Наиболее общим требованием ко всем пружинным сталям является обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений).

Высокая релаксационная стойкость пружинных сталей (сопротивление релаксации напряжений) обеспечивает точность и надежность работы пружин и упругих элементов, а также постоянство во времени эксплуатационных свойств.

Под релаксацией напряжений понимается самопроизвольное затухающее падение напряжений при постоянной суммарной деформации.

Стали общего назначения

Химический состав и свойства пружинных сталей общего назначения регламентируются ГОСТ 14959-79.

В таблице 1 приведены механические свойства и химический состав некоторых марок пружинных сталей.

Таблица 1

Пружинные стали общего назначения в виде проволоки или ленты можно упрочнять холодной пластической деформацией и закалкой на мартенсит с последующим отпуском.

Путем пластической деформации особенно широко обрабатывают пружинные стали (углеродистая сталь с 0,65 – 1,2 % С). Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.

Перед волочением проволоку подвергают патентированию. При этом переохлажденный аустенит превращается в тонкопластинчатую структуру – сорбит. Патентирование осуществляется на агрегатах непрерывного действия, включающих нагревательную печь для аустенитизации, переохлаждающую ванну и смоточно – намоточные устройства. Нагрев при аустенитизации можно проводить и электроконтактным способом. В качестве переохлаждающей среды могут быть использованы расплавы солей (реже свинца), «кипящий» слой и другие среды.

Режим патентирования зависит от диаметра проволоки, химического состава стали, скорости движения проволоки. Для проволоки из углеродистой стали с 0,8 % С температура аустенитизации составляет 900 ± 20 ^оС, а патентирования 500 ± 20 ^оС.

Также применяется высокотемпературная аустенитизация (выше 1000 ^оС) при патентировании проволоки из заэвтектоидной стали с 0,9 – 1,2 % С.

Патентированная проволока со структурой сорбита обладает чрезвычайно высоким запасом пластичности и упрочняется до очень высоких значений временного сопротивления. Временное сопротивление патентированной холоднотянутой проволоки зависит от содержания углерода и степени деформации. С увеличением степени деформации при волочении проволоки со структурой сорбита происходит деформация как пластинок феррита, так и цементита.

Из патентированной холоднотянутой проволоки путем прокатки получают плющеную ленту, которая также широко используется для производства пружин и упругих элементов.

При старении в интервале 150 – 200 ^оС повышаются как временное сопротивление, так и предел упругости холоднодеформированной стали. Как правило, холоднодеформированные проволока и лента имеют пониженный предел упругости, что обусловлено высокими остаточными напряжениями и наличием подвижных дислокаций. При старении происходит блокирование дислокаций сегрегациями примесных атомов, ограничение их подвижности, что приводит к повышению сопротивления начала пластической деформации. Падение пластичности (числа перегибов) при температуре около 400 ^оС обусловлено протеканием полигонизации в a - фазе.

Для оценки пластических свойств проволоки и ленты часто используют различные технологические характеристики пластичности: число перегибов, число скручиваний до разрушения, которые для подобных материалов в ряде случаев более надежны, чем относительное удлинение или относительное сужение.

Температуры отпуска холоднодеформированной проволоки и ленты обычно отвечают температурам, при которых достигается максимальный предел упругости, т.е. для углеродистой стали 150 – 200 ^оС, а для стали с кремнием 200 – 300 ^оС.

Патентированную проволоку и ленту изготавливают из углеродистых или низколегированных сталей (60С2, 65Г, 70С2ХА). Легирование патентированной стали ограничено, так как большинство легирующих элементов повышают устойчивость аустенита в перлитной области, что нежелательно для операции патентирования. Кремний повышает предел упругости патентированной холоднодеформированной проволоки и ленты, повышает ее теплостойкость и релаксационную стойкость.

При отпуске холоднодеформированной стали изменяется и релаксационная стойкость, причем максимум релаксационной стойкости может достигаться при более высоких температурах отпуска, чем максимум предела упругости.

Обработку пружинной проволоки и ленты путем закалки на мартенсит с последующим отпуском проводят на углеродистых и легированных сталях. термическую обработку проволоки и ленты проводят на закалочно – отпускных агрегатах непрерывного действия; во многих случаях закалке и отпуску подвергают готовые пружины.

В тонких сечениях пружинная проволока и лента из углеродистых сталей имеет сквозную прокаливаемость, поэтому легирование пружинных сталей осуществляется в основном для повышения предела упругости и сопротивления релаксации напряжений.

При легировании пружинных сталей кремнием, молибденом, вольфрамом растет их релаксационная стойкость при комнатной и повышенной температурах.

Повышение температуры отпуска после закалки увеличивает сопротивление релаксации вследствие роста стабильности структуры, а с другой, понижает релаксационную стойкость стали вследствие падения предела упругости. максимальная релаксационная стойкость достигается при температурах отпуска, обеспечивающих достаточную структурную стабильность стали при одновременном высоком сопротивлении сдвигу.

Легирование пружинной стали карбидообразующими элементами, задерживающими распад мартенсита при отпуске – молибденом и вольфрамом (сталь 70С3ХМВА), смещает максимум релаксационной стойкости в сторону более высоких температур отпуска (по сравнению со сталью 70С2ХА).

В пружинных сталях общего назначения, обрабатываемых путем закалки на мартенсит с последующим отпуском, содержание остаточного аустенита должно быть минимальным. Остаточный аустенит даже в небольших количествах (2 – 4 %) значительно понижает предел упругости стали и сопротивление релаксации напряжений, а при больших количествах (8 – 15 %) может вызвать поломку пружин при заневоливании (выдержке под напряжением) или в процессе работы вследствие протекания изотермического мартенситного превращения, инициируемого внешней нагрузкой. В этом случае поломки пружин под нагрузкой могут происходить и при высоких характеристиках пластичности, определяемой по числу перегибов или скручивания. Легирование способствует образованию повышенных количеств остаточного аустенита при закалке, поэтому для легирования пружинных сталей (например, 70С3ХМВА) необходимо применять ускоренные способы охлаждения в мартенситном интервале: закалка в воду или масло, ступенчатая закалка с дополнительным охлаждением после переохлаждающей ванны и др.

Значительное влияние на свойства пружинной проволоки и ленты, а также готовых пружин, упрочняемых путем закалки на мартенсит и отпуска, оказывает предварительная обработка перед закалкой. Закаленная и отпущенная лента и проволока с предварительной обработкой на структуру тонкопластинчатого сорбита имеют более высокий комплекс механических свойств, по сравнению с обработкой на структуру зернистого цементита.

Пружинная проволока и лента, а также изделия из них, обработанные путем пластической деформации и отпуска (деформационного старения), обладают более высокими значениями вязкости (число перегибов или скручиваний) и сопротивления усталости. Проволока и лента, упрочняемые путем закалки на мартенсит и отпуска, имеют более высокие значения предела упругости и сопротивления релаксации, а также более высокие силовые характеристики пружин.

Легирование пружинных сталей общего назначения перлитного и мартенситного классов ограничено необходимостью сохранения достаточной пластичности для проведения холодной прокатки ленты или волочения проволоки, а также некоторыми технологическими особенностями обработки проволоки и ленты на агрегатах непрерывного действия.

Пружинные стали общего назначения легируют элементами, повышающими предел упругости и сопротивление релаксации. В качестве легирующих элементов используют до 2,5 % Si, 1% Mn, 0,5 % Cr, Mo, W или V. В ряде случаев для пружинных сталей применяют микролегирование (до 0,0003 % В), который повышает предел упругости и релаксационную стойкость.

Из методов упрочнения пружинных сталей общего назначения можно отметить термомеханическую обработку, особенно ВТМО.