Стали специального назначения

Пружинные стали специального назначения имеют высокие значения предела упругости, высокую коррозионную стойкость, теплостойкость (высокое сопротивление релаксации при повышенных температурах), немагнитность и др. К таким сталям относятся высоколегированные мартенситные, мартенситно - стареющие и аустенитные стали.

В таблице 2 приведен химический состав некоторых пружинных сталей специального назначения.

Таблица 2

В качестве коррозионностойких пружинных сталей применяют мартенситные стали. Для получения высокой коррозионной стойкости стали легируют хромом в количестве более 12 %. Применяют стали типа 30Х13 и 40Х13 после закалки от температур 1000 – 1050 ^оС и отпуска. Режим отпуска зависит от назначения пружин. Для работы при комнатной температуре применяют отпуск при 300 – 350 ^оС, а в условиях повышенных температур при 500 – 550 ^оС. Повышенная прокаливаемость таких сталей позволяет использовать их для пружин больших сечений. Для повышения релаксационной стойкости нержавеющие стали мартенситного класса дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Так, сталь 12Х12Н2ВМФ имеет рабочую температуру 350 ^оС, что на 50 ^оС выше, чем у стали 30Х13.

Мартенситно – стареющие стали весьма перспективны как пружинные стали специального назначения. Мартенситно – стареющие стали на Fe – Ni (Н18К9М5Т, Н18К8М4ТЮ, Н16К4М4Т2Ю) и Fe – Cr – Ni (Х12Н10Д2Т5, Х12Н10Д2Т, Х18Н8К5М2ТЮ) основах применяют для изготовления пружинной проволоки и ленты. Почти все мартенситно-стареющие стали (за исключением сверхпрочных с пониженной пластичностью) могут быть использованы в качестве пружинных.

Мартенситно-стареющие стали на Fe – Ni – основе используют благодаря их высокой релаксационной стойкости и высокому значению предела упругости для работы в условиях больших рабочих нагрузок при повышенных температурах. Стали на Fe – Cr – Ni – основе являются коррозионностойкими и имеют высокое сопротивление релаксации напряжений, при этом хромоникелевые нержавеющие мартенситно – стареющие стали можно применять для изготовления пружин, работающих при температурах до 400 – 450 ^оС. При рабочих температурах до 500 – 550 ^оС следует применять пружины из мартенситно – стареющих сталей на Fe – Cr – Co – Mo – основе.

В мартенситно – стареющих пружинных сталях на Fe – Ni и Fe – Cr – Ni – основах содержание титана может быть повышено до 1,2 – 1,4 %.

Высокая пластичность мартенситно – стареющих сталей в закаленном состоянии удобна для проведения холодной прокатки ленты и волочения проволоки. Мартенситно – стареющие проволока и лента могут выдерживать большие степени деформации без потери пластичности.

При старении мартенситно – стареющих сталей наблюдается резкое увеличение значения временного сопротивления и особенно предела упругости проволоки и ленты. При правильно выбранном режиме закалки и деформации пластичность пружинной ленты и проволоки в интервале температур, отвечающих максимуму прочностных свойств, остается на достаточном уровне.

Предел упругости и релаксационная стойкость мартенситно – стареющих сталей существенно понижается при наличии в структуре остаточного аустенита. Поэтому мартенситно – стареющие стали на Fe – Cr – Ni – основе могут иметь более низкий предел упругости и сопротивление релаксации в области невысоких температур вследствие пониженной мартенситной точки и большого количества остаточного аустенита по сравнению с легированными сталями на Fe – Ni – основе.

К нержавеющим и теплостойким пружинным сталям относятся стали на аустенитной основе. Как правило, аустенитные пружинные стали – это стали, на железо – никелевой основе, содержащие до 0,2 % С. Наиболее широко для пружин применяют обычные аустенитные хромоникелевые стали, например, 12Х18Н10Т, 17Х18Н9.

Для получения высокого сопротивления начальным пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости аустенитные стали, предназначенные для изготовления пружин и упругих элементов, упрочняют путем холодной пластической деформации (прокатка ленты, волочение проволоки) и отпуска (деформационного старения). При пластической деформации в аустенитных сталях, в которых мартенситная точка М_Д лежит выше температуры деформирования, происходит образование мартенсита деформации. Такие стали называют метастабильными аустенитными сталями. Образующийся вследствие g a - превращения мартенсит деформации дополнительно упрочняет сталь как при пластической деформации, так и при последующем деформационном старении. Однако при большом содержании мартенсит деформации может понижать пластичность пружинной проволоки и ленты.

Высокостабильные аустенитные стали, в которых мартенсит деформации не образуется ни при каких режимах деформации и старения, используют для изготовления коррозионностойких немагнитных пружин и упругих элементов.

Для повышения теплостойкости, т.е. сопротивления релаксации при повышенных температурах аустенитные пружинные стали дополнительно легируют молибденом, вольфрамом и титаном. Предел упругости аустенитных пружинных сталей повышается при легировании кремнием в количестве до 2,0 – 2,5 % , более высокие содержания кремния могут понижать пластичность.

При старении холоднодеформированных аустенитных пружинных сталей наблюдается повышение предела упругости, обусловленной закреплением дислокаций и выделением избыточных карбидных и интерметаллидных фаз.

Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением (06Х15Н20М2Т2) после отпуска при 500 – 600 ^оС имеют более высокую релаксационную стойкость при повышенных температурах релаксации по сравнению со сталями с карбидным упрочнением (13Х18Н10Г3С2М2).

При работе пружин и упругих элементов в условиях высоких температур условный предел упругости релаксирует, т.е. его значение зависит от времени выдержки под нагрузкой.

При температурах релаксации выше 450 ^оС релаксационная стойкость пружинных сталей становится недостаточной. В этом случае можно применять сплавы, например, Х25Н25Т в монокристаллическом состоянии. Монокристаллические пружинные материалы используют в литом и деформированном состояниях. Уровень прочностных свойств и релаксационная стойкость деформированного монокристаллического сплава зависит от кристаллографической ориентировки монокристалла и текстуры деформации.

При температурах релаксации до 350 ^оС в условиях большего развития сдвигового механизма релаксации нестабильные аустенитные стали имеют преимущество перед стабильными сталями из – за больших значений прочностных свойств (предел упругости). При более высоких температурах релаксации в условиях интенсивного развития структурного механизма релаксации преимуществом обладают более стабильные аустенитные стали и монокристаллические сплавы.