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.
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 %.
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.
Сталь, обладающая высоким пределом упругости (текучести).
Для получения высоких упругих характеристик рессорно-пружинные стали подвергают закалке с последующим среднетемпературным отпуском для получения в структуре троостита. Для достижения более высоких эксплуатационных характеристик используют стали, легированные кремнием, хромом и ванадием.
Характерным признаком рессорно-пружинных сталей является наличие в них углерода в количестве 0,5…0,8 %. По составу эти стали могут быть как углеродистыми, так и легированными. Рессорно-пружинные стали, прежде всего, должны обладать высоким пределом текучести, что обеспечивает высокие упругие свойства. Это достигается закалкой с последующим средним отпуском. Температура отпуска должна выбираться в пределах 350–500 °С (иногда, в зависимости от состава и назначения может доходить и до 600 °С). Кроме того, они должны обладать высоким пределом выносливости и достаточно высоким пределом прочности. А вот пластичность этих сталей должна быть пониженной (5–10 % по относительному удлинению и 20–35 % по относительному сужению). Это связано с тем, что в рессорах и пружинах не допускается пластическая деформация.
Углеродистые стали используются для изготовления пружин небольшого сечения, работающих при невысоких напряжениях. Закалка этих сталей проводится в масле. В таблице 1 приведены режимы термической обработки, механические свойства (минимальные) и предел выносливости (расчетный) для углеродистых сталей.
Чаще для изготовления рессор и пружин используются кремнистые стали с концентрацией кремния 2 % (50С2, 55С2 и 60С2). Кремний в таких сталях задерживает распад мартенсита при отпуске, что приводит к повышению предела текучести и, стало быть, к повышению упругих характеристик. Условный предел текучести (σ 0,2) этих сталей составляет 1100–1200 МПа, предел прочности – 1200…1300 МПа, относительное удлинение 6 %, относительное сужение 30–25 % и предел выносливости, рассчитанный по условному пределу текучести, составляет 42–44 МПа.
К недостаткам этих сталей следует отнести их склонность к обезуглероживанию и образованию поверхностных дефектов в процессе горячей обработки, приводящих к снижению предела выносливости. В целях предотвращения образования указанных дефектов, кремнистые стали дополнительно легируют хромом, марганцем, ванадием, никелем и вольфрамом.
Режимы термической обработки кремнистых рессорно-пружинных сталей приведены в таблице 2.
Стали марок 50С2, 55С2, 60С2 и 70С3А можно использовать для изготовления пружин и рессор диаметром или толщиной до 18 мм. Они проявляют стойкость к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию, приводящему к снижению предела выносливости.
Сталь 60С2ХА идет для изготовления крупных пружин ответственного назначения. При закалке в масле она прокаливается на глубину до 50 мм. Недостатком этой стали является ее склонность к обрыву в процессе волочения.
Стали марок 60С2Н2А и 60С2ХФА обладают более высокой прокаливаемостью (до 80 мм) и применяются для изготовления пружин особо ответственного назначения. При этом сталь 60С2Н2А обладает наилучшим сочетанием технологических и эксплуатационных свойств. Общий недостаток кремнистых рессорно-пружинных сталей заключается в их повышенной чувствительности к внешним поверхностным дефектам (царапины, риски, забоины), играющим роль концентраторов внутренних напряжений, вследствие чего снижается предел выносливости. Поэтому в настоящее время в практике широко применяются бескремнистые рессорно-пружинные стали.
При одной и той же концентрации углерода, что и у кремнистых сталей, кремний в них заменяется следующими возможными сочетаниями легирующих элементов: хром + марганец, хром + ванадий, хром + марганец + ванадий, хром + марганец + бор. Например, 50ХГ, 50ХФ, 50ХГФ, 55ХГР. Эти стали обладают повышенной вязкостью и менее чувствительны к надрезу. ля повышения эксплуатационных характеристик, особенно для пружин, работающих при длительных знакопеременных нагрузках, назначают обдувку поверхности пружин дробью. Возникающие при этом в поверхностном слое напряжения сжатия приводят к повышению предела выносливости.
Наиболее высокие механические и эксплуатационные характеристики можно получить в процессе холодной протяжки предварительно патентированной проволоки, диаметром до 2 мм из углеродистой стали, подвергавшейся высоким степеням обжатия (70–90 %).
Процесс патентирования проводится между протяжками. Он заключается в нагреве проволоки на 50–100 °С свыше точки Ас 3 с последующим охлаждением в ванне с расплавленным свинцом. Температура расплава должна составлять 450–550 °С. В результате такой термической обработки происходит изотермический распад аустенита с образованием тонкопластинчатого сорбита.
При выборе ножа очень важно учитывать материал, из которого он изготовлен. Ведь для выполнения различных функций лезвие должно быть не только острым, но и прочным. К тому же, нужно обращать внимание, чтобы клинки не тупились и не гнулись при незначительной нагрузке. Эти свойства зависят от материала, из которых изготовлены ножи . В зависимости от задач, которые нож должен выполнять, будь то нож для разделки, охотничий или туристический , отличаются и характеристики материала.
Ножи из рессоры , несомненно, были самыми популярными среди людей, мало-мальски имеющих отношение к машинам. Их действительно изготавливали из рессор старых автомобилей, поскольку это был один из самых доступных материалов. При этом ножи использовались, как на кухне для резки продуктов , так и для бытовых нужд.
Сейчас рессорная сталь не сдает своих позиций и довольно распространена в производстве ножей.
Почему именно рессора автомобиля?
Во-первых, благодаря «идеальности» наших дорог, этот элемент ходовой часто приходил в негодность, поэтому и славился своей доступностью, и его часто можно было встретить на дорогах и в гаражах простых граждан.
Во-вторых, в конструкции рессоры используется несколько листов углеродистой стали. Вот из этих листов в домашних условиях можно было изготовить множество ножей.
В-третьих, рессорная сталь обладает высокой эластичностью, поэтому ее обработка возможна для всех желающих, имеющих минимальный набор инструментов и приспособлений.
В чем же особенность ножа из рессоры?
Здесь, в первую очередь, нужно упомянуть об особенностях стали, из которой изготовлен клинок. В производстве ее называют конструкционной рессорно-пружинной сталью 65Г, и, как понятно из названия, ее применяют в изготовлении пружин, пружинных рессор, шайб и других деталей, работающих без ударных нагрузок. Она считается одной из самых дешевых марок углеродистой стали, однако она обладает хорошей гибкостью и ударной вязкостью, что облегчает процесс ее обработки. К тому же этому виду материала присуща хорошая твердость, что играет не последнюю роль при выборе ножа .
Наличие в стали кремния, марганца, хрома и никеля обеспечивает высокую упругость и закаливание. В качестве антикоррозийной защиты применяют оцинковку. Однако на практике этого оказывается недостаточно, и самым большим недостатком этого материала остается высокая склонность к коррозии. Все же сталь 65Г обладает большими преимуществами, и получила широкое применение в производстве различных инструментов, для которых важной особенностью является износостойкость.
Применение рессорной стали
Из-за своей универсальности, обусловленной характеристиками стали, нож из рессоры изготавливается как в домашних условиях, так и серийно. Это могут быть кухонные ножи, которые прекрасно режут продукты и разделывают мясо, армейские, туристические и ножи для выживания , способные открыть жестяную банку консервов либо заточить кол.
Из стали 65Г производят также цельнометаллические мачете и топоры, поскольку их клинки отлично подходят для рубки. Из рессорного листа недорого и быстро можно выковать меч, и многие реконструкторы используют эту сталь в своем хобби. К сожалению, рессорная сталь является ржавеющей, поэтому она не подходит для подводного плавания .
Кухонный нож
Широкое использование нож из рессоры получил на кухне. Тогда многие имели доступ к этому материалу и пытались использовать его как можно максимально. Хорошие ножи серийного производства иногда были не по карману обычной семье, но для резки продуктов дорогие приборы и не требовались. Поэтому, из рессор мастерили универсальные ножи и с разнообразными самодельными рукоятями из эпоксидной смолы, дерева или обычной изоленты. Такие ножи не славятся выдающимися характеристиками, но со своей задачей справляются отлично.
Туристический нож
Нож из рессоры прекрасно подойдет для применения в диких условиях. Обычно нагрузка на него невелика. Но, стоит учитывать, что если сталь была недостаточно закалена, клинок затупится на первой же консервной банке. Заточить кол не представляет проблемы для такого ножа, однако следует остерегаться влаги - рессорная сталь подвержена коррозии.
Армейский нож
Прекрасные свойства рессорной стали позволяют создать хорошие тактические ножи . Благодаря прочности этого металла, они без проблем разрезают веревки, ткань, их можно использовать для бытовых целей, а также при спасательных работах. Но все же, в военных условиях предпочтение отдается ножам из нержавеющей стали.
Топор, мачете, меч
Что касается орудий посолидней, то для их изготовления необходима как листовая сталь, так и специально приобретенная на производстве. Сталь 65Г обладает такой прочностью, что используется в ковшах бульдозера, скрепераи другой техники. Понятно, что на прочность материала влияет и толщина, поэтому для изготовления более крупных орудий потребуется рессора от грузовика или специально заказанная на заводе.
При правильной обработке и надлежащем уходе из рессорной стали выходят отличные топоры, которые пригодятся в хозяйстве для рубки небольших предметов. Из длинного листа получится и такое экзотическое орудие как мачете , которое с легкостью справится с ветками или кустарниками. Благодаря хорошей ударной вязкости стали 65Г, в домашних условиях можно изготовить даже самый передовой мачете, прямой, изогнутый или с зазубринами. Таким же образом происходит и изготовление меча.
Изготовление ножа из рессоры дома
Как уже отмечалось, благодаря доступности и простоте обработки, ножи из рессорной стали можно изготавливать в домашних условиях. На первый взгляд, в этом нет ничего сложного, но все же нужно знать некоторые особенности, влияющие на качество выходного продукта. В Интернете можно найти множество видео с описанием процесса ковки, закаливания клинка и изготовления рукояти.
В целом, из рессорной стали можно изготовить как профессиональное холодное оружие с замечательными характеристиками и изящной формы, так и обычные ножи для бытовых нужд, которые не уступают в долговечности и прочности.
Для начала следует определиться, для каких целей, и что именно будет сделано. Если это кухонный нож, то подойдет любой лист. А если вы хотите изготовить мачете, меч или топор, то лучше выбрать рессору от грузовой машины. Конечно, для изготовления ножей с лучшими характеристиками лучше приобрести сталь на производстве. Для бытовых целей пригодитсястарый использованный материал. Рессорный лист может быть толщиной от 5 до 8 мм, в зависимости от автомобиля. Сталь для грузовых машин традиционно крепче, поэтому ее следует использовать для длинных крепких клинков.
Следующим шагом может быть обычная заточка одного или обоих краев рессоры. Если нужно сделать изделие тоньше, для этой задачи подойдет крупный наждак или камень для заточки. Конечно, данная процедура займет немало времени, но результат того стоит.
С помощью ковки создается форма ножа и меняется его ширина. Закалка стали улучшает качество материала, нагревание в масле придает ей черный цвет (воронение), что также дает дополнительную защиту от коррозии. К тому же, ножи из вороненой стали выглядят очень эффектно.
Рессорная сталь для ножа позволяет с легкостью наносить на клинок гравировку или создавать на нем желоба. По желанию можно выполнить клинок с односторонней или двухсторонней заточкой. Также очень важной деталью в ноже является рукоять. Она должна быть удобной для руки и может быть выполнена из эпоксидной смолы, дерева, металла и кости.
Даже с учетом недостатков рессорной стали 65Г, она не потеряла своей популярности и позволяет изготовлять ножи для различных нужд, которые славятся прочностью и долговечностью.
Прочитали 2300 раз(а)