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.
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 %.
Рессорно-пружинная сталь имеет большой предел текучести, что собственно и обуславливает сферу ее использования. Наряду с высокими значениями упругости, данный тип стали обладает также внушительными пределами прочности и выносливости.
Основные характеристики
Процентное содержание углерода в рессорно-пружинной стали составляет от 0,5 до 0,8%. Эта разновидность сталей может быть как легированной, так и углеродистой. Необходимая упругость достигается посредством закалки и, соответственно, последующего отпуска. Диапазон температур отпуска варьируется в пределах от 350 до 500°С. Кроме того, с учетом состава металла и условий предстоящей эксплуатации изготовленной из него детали, вышеозначенные температурные показатели могут достигать 600°С. В то же время пластичность рессорно-пружинной стали должна быть небольшой: относительное удлинение от 5 до 10%, а сужение от 20 до 35%. Связано это требование с тем, что в пружинах и рессорах пластическая деформация является недопустимым явлением. На данный момент широко распространены рессорно-пружинные стали, в составе которых нет кремния. В то время как концентрация углерода остается той же, что и у кремнистой стали, на замену кремнию приходят различные сочетания легирующих компонентов (хром, бор и марганец; хром и ванадий; хром и марганец; хром, ванадий и марганец). Стали марок 50ХГФ, 50ХГ, 50ХФ и 55ХГР имеют меньшую восприимчивость к надрезу и повышенную вязкость.
Применение
Сфера применения рессорно-пружинных углеродистых сталей – это пружины с небольшим сечением, эксплуатирующиеся в условиях незначительных напряжений. При изготовлении таких пружин и рессор (диаметром сечения до 18мм) наиболее востребованы кремнистые стали (до 2% кремния в составе) марок 70С3А, 60С2, 55С2 и 50С2. Хотя они и тяготеют к обезуглероживанию (тем самым снижается предел выносливости), но достаточно устойчивы при нагреве к росту зерна. Для больших пружин, устанавливаемых на самых ответственных участках, подходит сталь марки 60С2ХА, которая прокаливается в масле на значительную глубину. Единственный недостаток такой стали – возможные обрывы при волочении. Более высокие значения глубины прокаливания (до 80 мм) у сталей марок 60С2ХФА и 60С2Н2А, демонстрирующих оптимальное сочетание характеристик. Область использования этих сталей – производство пружин, подвергающихся серьезным нагрузкам и выполняющим наиболее ответственные задачи.
Уникальность
Высокие значения упругости достигаются посредством закалки рессорно-пружинной стали в масле и с ее последующим отпуском при средней температуре (с образованием в структуре металла троостита). Необходимый эксплуатационный потенциал обеспечивается за счет легирования стали хромом, кремнием и ванадием. Лучшие механические свойства получаются при холодной протяжке патентированной проволоки из углеродистой стали (диаметр сечения до 2 мм), подвергнутой обжатию до 70-90%. При патентировании проволока нагревается до определенных температур, а затем охлаждается в ванне с расплавом свинца, в результате чего распадается аустенит и образуется тонкопластинчатый сорбит.
Рессорно-пружинные стали – это специальные стали, которые предназначаются для производства различных упругих элементов, в частности пружин и рессор.
Данный тип материала относится к высоко- и среднелегированным сталям. Главное отличие рессорно-пружинной стали от иных видов – это значительно увеличенный предел текучести данного материала. Другими словами можно сказать, что этот тип обладает высокой степенью упругости, то есть возвращается в исходные состояния и форму после устранения нагрузки. Это параметрическое свойство обусловлено областью применения рессор и пружин. В нормальном режиме работы они постоянно подвергаются сжатию/растяжению или упругой деформации и должны выполнять свои функции даже после большого цикла наложения и снятия деформации. Также данный материал должен обладать хорошей пластичностью и высокой стойкостью к хрупким разрушениям.
Основными легирующими элементами являются кремний, марганец, вольфрам и никель. Эти присадки увеличивают сопротивление пластическим и упругим деформациям путем измельчения зерна сплава. Готовым продуктом можно считать и проволоку, которую в дальнейшем применяют при изготовлении витых и компонованных пружин.
Свойства рессорно-пружинной стали
Основными характеристиками для данного вида сталей является высокое сопротивление упругим деформациям и низкий коэффициент остаточного растяжения. Это связано с недопустимостью увеличения или уменьшения конструкционного размера пружины.
Хороших конструкционных и эксплуатационных свойств добиваются, протягивая заранее патентированную проволоку при низких температурах, при этом производят сильную обтяжку материала.
Процесс патентирования ведется в промежутке между двумя вытяжками, сталь нагревают выше температурной точки образования аустенита и затем охлаждают в ванне с расплавом свинца, при этом аустенит переходит в тонкопластинчатый сорбит и увеличивается её механическая прочность.
Для достижения одинаковых физико-химических свойств по всему сечению материала пружинная сталь должна пройти процесс прокаливания сквозной методикой, это обеспечит гомогенную структуру по всему сечению. Особенно важен этот метод для изготовления рессор и пружин большого диаметра, когда неравномерность свойств исходного материала может привести к разрушению готового изделия.
Как для любого другого материала, для рессорно-пружинной стали характерно наличие в составе углерода. В данном случае его содержание может колебаться в пределе 0.50-0.80 % от массы сплава. Дополнительно используют такие легирующие добавки:
- кремний – до 2.5 %;
- марганец – до 1.3 %;
- вольфрам – до 1.3 %;
- никель – до 1.7 %.
Стоит заметить, что хром и марганец при совместном легировании увеличивают сопротивление стали низким пластичным деформациям. Никель и вольфрам образуют тонкую и однородную структуру карбидной фракции, которая препятствует дислокации.
Рессорно-пружинная сталь очень критична к деформациям наружного слоя материала, так как эти напряжения являются концентраторами возможных дефектов готового изделия.
Закалка данного типа производится при температурах 850 – 880 о С, но после такой термической обработки сталь проявляет слабые упругие свойства из-за образования мартенсита, для повышения данного типа свойств её отпускают при температурах порядка 420-510 о С, что способствует образованию троостита и повышению упругой деформации сплава до предела прочности 1200-1900 МПа и пределу текучести 1100-1200 МПа. При этом проведение закалки изотермически – при постоянной температуре – положительно сказывается на показателях пластичности и вязкости материала.
Стали данного типа обладают хорошими антикоррозионными свойствами из-за наличия в составе сплава таких легирующих добавок как хром и молибден. Это положительно сказывается на длительности эксплуатации и препятствует образованию трещин во время работы.
Стоит отметить так же несколько основных недостатков рессорно-пружинной стали:
- плохая свариваемость – это обусловлено разрушением наружного слоя материала и локальном перегреве детали;
- сложность резки – некоторые трудности возникают при попытках реза такого типа стали, связанно это напрямую с большим сопротивление деформации.
Классификация пружинных сталей
Для начала разберем маркировку такого типа материала, чаще всего она имеет вид «50А2БВГ», где:
50 – содержание углерода в долях процента;
А2 – легирующий элемент №1 и его содержание в процентах;
Б,В,Г – легирующие элементы №2,3,4 и т.д.
Важно! Если после обозначения легирующего элемента не стоит число, значит, его массовое содержание не превышает 1.5%, если число 2 – массовая доля больше 1,5%, но меньше 2,5%, если 3 – массовая доля выше 2,5%.
Например, сталь 50ХГФ – это сплав, в котором содержание углерода составляет 0,50%, и легирующие компоненты хром, марганец и ванадий составляют меньше 1,5%.
Если в маркировке стали есть только цифра, например, ст 50, ст 65 и др., это обозначает, что она относится к углеродистым сталям, а если в названии есть минимум 2 элемента, такая рессорно-пружинная сталь относится к легированным.
Рассмотрим основные классификации данного типа:
- По способу обработки:
- Кованный и горячекатаный.
- Калиброванный.
- Со специальной обработкой наружных поверхностей.
- Горячекатаный круглый с обточенной поверхностью.
- По химическому составу стали:
- Качественная.
- Высококачественная.
Марка рессорно-пружинной стали дает возможность определить её конструкционные и физико-химические свойства, определить область использования и возможности по механической обработке.
Область использования пружинной стали
Исходя из названия, можно сделать вывод, что данный вид предназначен для использования в областях, связанных с большими упругими деформациями, растяжением, скручиванием. Применяют такую сталь для изготовления всевозможных видов пружин для разнообразного технологического оборудования, полосок стали под рессоры, суппорты и прочее.
Основные области использования:
- производство рессор автомобилей и тяжелой техники;
- производство пружин для технологично оборудования, при этом это относится к пружинам на сжатие и растяжение;
- пружины плоские, цилиндрические, сложные из прутков различных сечений и др.
- упругие элементы тяжелой техники, станкового оборудования;
- пружины тракторной техники и локомотивной техники;
- ножи земельной техники;
- блокировочные и тормозные устройства;
- обоймы подшипников.
Рассмотрим сводную таблицу самых распространенных марок рессорно-пружинных сталей с указанием их маркировки и области применения:
| Маркировка | Основные легирующие компоненты | Эксплуатационные особенности |
| 50ХГ | Хром, марганец | Рессоры автомобилей, пружины железнодорожной техники |
| 50ХСА | Хром, кремний, азот | Упругие элементы часовой техники |
| 55ХГР | Хром, марганец, бор | Штамповка пластин рессор |
| 60С2 | Кремний | Валы с нагрузкой на скручивание, цанги, подпружиненные шайбы |
| 60Г | Марганец | Пружинные кольца, бандажи, тормозные башмаки |
| 65 | — | Детали, работающие в условиях высокого трения |
| 65С2ВА | Кремний, вольфрам, азот | Рессоры и пружины, работающие под высокой динамической нагрузкой |
| 70Г2 | Марганец | Ножи для землеройных машин |
| 70С3А | Кремний, азот | Тяжело нагруженные пружины механизмов |
| 85 | — | Фрикционные диски с высокой прочностью |
Как видно из таблицы, величина и количество легирующих присадок напрямую отвечают за износостойкость и механическую прочность деталей. Видно, что с повышение содержания углерода от 0,5% до 0,85% увеличивается прочность и упругость материала, хром препятствует образованию ржавчины, вольфрам повышает твердость и красностойкость стали, а марганец увеличивает стойкость к ударам.
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.