Рессорная сталь: описание, характеристики, марка и отзывы. Характеристика и анализ рессорных сталей

Особенность работы пружин, рессор и упругих элементов состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация . В связи с этим пружинные сплавы дополнительно к другим свойствам, должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям .

Рессорно-пружинные углеродистые и легированные стали имеют высокий модуль упругости, ограничивающий упругую деформацию. Они недорогие и достаточно технологичные, применяются для изготовления жестких (силовых) упругих элементов в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте, станкостроении, для силовых упругих элементов приборов. Часто эти материалы называют пружинными сталями общего назначения . Стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5-0,7%), которые подвергаютзакалке и среднему отпуску при температуре 420-520°С, образуется структура троостита .

Углеродистые стали (65, 70, 75, 80, 85, 6ОГ, 65Г, 70Г) характеризуются невысокой релаксационной стойкостью, особенно при нагреве. Они не пригодны для работы при температурах выше 100°С. Из-за низкой прокаливаемости, из них изготавливают пружины небольшого сечения. s В =1000-1200 МПа, d=5-8%.

Легированные рессорно-пружинные стали относятся к перлитному классу. Основными легирующими элементами в них являются кремний (1-З%), марганец (1%), а в сталях более ответственного назначения - хром (1 %), ванадий (0,15%) и никель (1,7%). Легирование (за исключением кремния и марганца) мало влияет на предел упругости - главное свойство этих сталей. Более существенно оно проявляется в повышении прокаливаемости, релаксационной стойкости, предела выносливости.

Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70СЗА стойки к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию - опасному поверхностному дефекту, снижающему предел выносливости. В кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно. s В =1300-1800 МПа, s 02 =1100-1600 МПа, d=5-8%.

Стали 50ХФА, 50ХГФА, которые по сравнению с кремнистыми и кремнемарганцевой сталями подвергают более высокому нагреву при отпуске (520°С), обладают теплостойкостью, повышенной вязкостью, меньшей чувствительностью к надрезу. Они предназначены для рессор легковых автомобилей, клапанных и других пружин ответственного назначения, которые могут работать при температурах до 300°С.

Стали 60С2ХА и 60С2Н2А применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор. Механические свойства сталей определяются содержанием углерода и температурой отпуска. Отпуск проводят при температуре несколько более высокой, чем та, которая отвечает максимальному пределу упругости, что необходимо для повышения пластичности и вязкости.

Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2Н2А: s В =1800 МПа; s Т = 1600 МПа: d>5%, y >20%. Предел упругости составляет s УПР =880-1150 МПа. а твердость HRC 38-48. При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и др.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении - 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5-2 раза.

Подшипниковая сталь .

Подшипники качения работают, как правило, при низких динамических нагрузках, что позволяет изготовлять их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей после сквозной закалки и низкого отпуска. Для изготовления шариков, роликов и колец подшипников применяют недорогие технологичные хромистые стали ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС и ШХ20ГС, содержащие примерно 1% С. В обозначении марок буква Ш означает шарикоподшипниковую сталь; Х - наличие хрома; цифра - его массовую долю в процентах (0,4; 1,5;2,0); С, Г - легирование кремнием (до 0,85%) и марганцем (до 1,7%). Сталь поставляют после сфероидизирующего отжига со структурой зернистого перлита (НВ 1790-2170) и повышенными требованиями к качеству металла. В стали строго регламентированы карбидная неоднородность и загрязненность неметаллическими включениями.

Для изготовлениявысокоскоростных подшипников применяют стали после электрошлакового переплава (к марке таких сталей добавляют букву Ш, например, ШХ15-Ш), отличающиеся наиболее высокой однородностью структуры. Такие стали необходимы также для изготовления высокоточных приборных подшипников.

Детали подшипников подвергают типичной для зазвтектоидных сталей термической обработке: неполной закалке от 820-850°С в масло и низкому отпуску при 150-170°С. После закалки в структуре сталей сохраняется остаточный аустенит (8-15%, превращение которого может вызывать изменение размеров деталей подшипников. Для их стабилизации прецизионные подшипники обрабатывают холодом при -70-80°С. Окончательно обработанная подшипниковая сталь имеет структуру мартенсита с включениями мелких карбидов и высокую твердость (HRC 60-64).

Детали крупногабаритных роликовых подшипников диаметром 0,5-2 м (для прокатных станов, электрических генераторов) изготовляют из сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А, подвергая их цементации на большую глубину (3-6 мм). Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкую хромистую сталь 95Х18 (0,95% С, 18% Сг).

Упругие свойства рессорного подвешивания оценивают с помощью силовых характеристик и коэффициентом жесткости или коэффициентом гибкости (гибкостью). Кроме того, рессоры и пружины характеризуются геометрическими размерами. К основным размерам (рис. 1) относятся: высота рессоры или пружины в свободном состоянии без груза Н св и высота под грузом H гр, длина рессоры, диаметр пружины, диаметр прутка, число рабочих витков пружины. Разность между Н св и H гр называется прогибом рессоры (пружины) f . Прогиб, полученный от спокойно лежащего на рессоре груза, называется статическим. У листовых рессор для более удобного измерения прогиб определяется размерами Н св и H гр около хомута. Гибкие свойства рессор (пружин) определяются одной из двух величин:

коэффициентом гибкости (или просто гибкостью);
коэффициентом жесткости (или просто жесткостью).

Рис. 1 - Основные размеры рессор и пружин

Прогиб рессоры (пружины) под действием силы, равной единице, называется гибкостью f 0:

где Р - внешняя сила, действующая на рессору, Н;

f - прогиб рессоры, м.

Важной характеристикой рессоры является ее жесткость ж , которая численно равна силе, вызывающей прогиб, равный единице. Таким образом,

ж = P/f.

Для рессор, у которых прогиб пропорционален нагрузке, справедлива равенство

P = ж f.

Жесткость - величина, обратная гибкости. Гибкость и жесткость рессор (пружин) зависят от их основных размеров. При увеличении длины рессоры или при уменьшении числа и сечения листов гибкость ее увеличивается, а жесткость уменьшается. У пружин с увеличением среднего диаметра витков и их числа и с уменьшением сечения прутка гибкость увеличивается, а жесткость уменьшается.

По величине жесткости и прогиба пружины или рессоры определяется линейная зависимость между ее прогибом и силой упругости P = ж f, представленная графически на (рис. 2). Диаграмма работы цилиндрической пружины, не имеющей трения (рис. 2, а), изображается одной прямой линией 0А, соответствующей как нагружению пружины (возрастанию Р), так и ее разгрузке (уменьшению Р). Жесткость в этом случае величина постоянная:

ж = P/f∙tg α.

Пружины переменной жесткости (апериодические) без трения имеют диаграмму в виде линии 0АВ (рис. 2, б).

Рис. 2 - Диаграммы работы пружин (а, б) и рессоры (в)

При работе листовой рессоры возникает трение между ее листами, что способствует затуханию колебаний подрессоренного экипажа и создает более спокойное его движение. В то же время слишком большое трение, увеличивая жесткость рессоры, ухудшает качество подвешивания. Характер изменения силы упругости рессоры при статическом нагружении изображен на (рис. 2, в). Эта зависимость представляет замкнутую кривую линию, верхняя ветвь которой 0A 1 показывает зависимость между нагрузкой и прогибом рессоры при ее нагружении, а нижняя А 1 А 2 0 - при разгрузке. Разница между ветвями, характеризующими изменение сил упругости рессоры при ее нагружении и разгрузке, обусловливается силами трения. Площадь, ограниченная ветвями, равна работе, затраченной на преодоление сил трения между листами рессоры. При нагрузке силы трения как бы сопротивляются увеличению прогиба, а при разгрузке препятствуют выпрямлению рессоры. В вагонных рессорах сила трения увеличивается пропорционально прогибу, так как соответственно возрастают силы прижатия листов друг к другу. Величина трения в рессоре обычно оценивается так называемым коэффициентом относительного трения φ, равным отношению силы трения R тр к силе Р, создающей упругую деформацию рессоры:

Величина силы трения связана с прогибом f и жесткостью рессоры ж , обусловленной ее упругими свойствами, зависимостью

К конструкционным углеродистым или высокоуглеродистым относят сталь рессорно - пружинную. Для придания ей узконаправленных свойств легируется в небольших количествах 2-3 элементами, в общей сумме до 2,5 %. Но применение этих марок сталей не ограничивается только изготовлением пружин. Называют эту группу так, из-за того, что название это наиболее сильно отражает их главную особенность — упругость.

Характеристики пружинных сталей

Пружинные стали характеризуются повышенным пределом текучести (δ В) и упругости. Это важнейшая характеристика металла — выдерживать механические нагрузки без изменений своей первоначальной формы. Т.е. металл, подвергающийся растяжению или наоборот сжатию (упругой деформации), после снятия с него действующих сил, должен оставаться в первоначальной форме (без остаточной деформации).

Марки и область применения пружинной стали

По наличию дополнительных свойств пружинная сталь подразделяется на легированную (нержавеющую) и углеродистую. За основу легированной стали берется углеродистая с содержанием С 65-85 % и легируется 4 основными элементами, всеми или выборочно, каждый из которых вносит свои особенности:

хром;
марганец;
кремний;
вольфрам.

Хром — при концентрации более 13 % работает на обеспечение коррозионной стойкости металла. При концентрации хрома около 30 % изделие может работать в агрессивных средах: кислотной (кроме серной кислоты), щелочной, водной. Коррозионная пружинная сталь всегда легируется вторым сопутствующим элементом — вольфрамом и/ или марганцем. Рабочая t до 250 °C.

Вольфрам — тугоплавкое вещество. При попадании его порошка в расплав, образует многочисленные центры кристаллизации, измельчая зерно, что приводит к повышению пластичности без потери прочности. Это привносит свои плюсы: качество такой структуры остается очень высоким при нагреве и интенсивном истирании поверхности. При термической обработке этот элемент сохраняет мелкозернистую структуру, исключает разупрочнение стали при нагреве (в процессе эксплуатации) и дислокацию. Во время закалки увеличивает прокаливаемость, в результате чего структура получает однородность на большую глубину, что в свою очередь увеличивает эксплуатационный срок изделия.

Марганец и кремний — обычно участвуют в легировании обоюдно, причем соотношение всегда увеличивается в пользу марганца, примерно до 1,5 раз. Т. е. если содержание кремния 1 %, то марганец добавляется в количестве 1,1-1,5 %.

Тугоплавкий кремний является не карбидообразующим элементом. При попадании его в расплав одним из первых принимает участие в кристаллизации, выталкивая при этом карбиды углерода к границам зерен, что соответственно приводит к упрочнению металла.

Марганец можно назвать стабилизатором структуры. Одновременно искажая решетку металла и упрочняя его, марганец устраняет излишнюю прочность кремния.

В некоторые марки сталей (при работе изделия в высокотемпературных условиях, при t выше 300 ºC) в сталь присаживают никель. Он исключает образование карбидов хрома по границам зерен, которые приводят к разрушению матрицы.

Ванадий также может являться легирующим элементом, его функция похожа на действие вольфрама.

В пружинных марках оговаривается такой элемент как медь, содержание ее не должно превышать 0,15 %. Т. к. являясь легкоплавким веществом, медь концентрируется на границах зерен, снижая прочность.

К пружинным маркам относят: 50ХГ, 3К-7, 65Г, 65ГА, 50ХГФА, 50ХФА, 51ХФА, 50ХСА, 55С2, 55С2А, 55С2ГФ, 55ХГР, 60Г, 60С2, 60С2А, 605, 70, 70Г,75, 80, 85, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 68А, 68ГА, 70Г2, 70С2ХА, 70С3А, 70ХГФА, SH, SL, SM, ДМ, ДН, КТ-2.

Марки такой стали используются для изготовления не только пружин и рессор, хотя это основное их назначение, которое характеризует основное свойство. Их применяют везде, где есть необходимость предать изделию упругость, одновременно пластичность и прочность. Все детали, которые изготавливают из этих марок, подвержены: растяжению и сжатию. Многие их них испытывают нагрузки, периодически сменяющие друг друга, причем с огромной циклической частотой. Это:

корпуса подшипников, которые испытывают в каждой точке сжатие и растяжение с высокой периодичностью;
фрикционные диски, испытывающие динамические нагрузки и сжатие;
упорные шайбы, основное время они испытывают нагрузки на сжатие, но к ним можно присовокупить и резкое изменение на растяжение;
тормозные ленты, для которых одним из главнейших задач является упругость при многократно повторяющемся растяжении. При такой динамике с усиленным старением и износом более прочная сталь (с меньшей упругостью) подвержена быстрому старению и внезапному разрушению.

Тоже касается и шестерней, фланцев, шайб, цанг и т. д.

Маркировка

Пружинно-рессорные стали можно сгруппировать по позициям:

нелегированные с содержанием углерода 65-85 % — недорогая сталь общего назначения;
марганцево-кремниевые — наиболее дешевая с высокими физико-химическими показателями;
хромо-марганцевые — нержавеющая сталь, работает в агрессивных средах при t -250 +250 C;
дополнительно легированные и/или вольфрамом, ванадием, бором — представляют собой стали с повышенным ресурсом работы благодаря однородной структуре, отличным соотношением прочности и пластичности благодаря измельченному зерну и выдерживает высокие механические нагрузки. Используются на таких объектах как ЖД транспорт.

Маркировка пружинных сталей проводиться следующим образом. Разберем на примере 60С2ХФА:

60 — процентное содержание углерода в десятых долях (углерод не указывается в буквенном значении);
С2 — буквенное обозначение кремния с индексом 2, обозначает увеличенное стандартное содержание (1-1,5 %) в 2 раза;
Х — наличие хрома до 0,9-1 %;
Ф — содержание вольфрама до 1 %;
А — добавленный буквенный индекс А в конце маркировки обозначает минимальное содержание вредных примесей фосфора и серы, не более 0,015 %.

Производство

В зависимости от дальнейшей обработки и окончательно вида детали, сталь поставляется в листах, проволоке, шестигранниках, квадратах. Высокие эксплуатационные качества изделия обеспечиваются 2 составляющими:

структурой металла, которая определяется химическим составом и последующей обработкой;
наличием в структуре неметаллических включений, точнее минимальным количеством и размерами, что устраняется на этапе выплавки и разливки;
формой детали (спираль, дуга) и ее размерами, что определяется расчетным методом.

При растягивании пружины, внутренние и наружные стороны витков испытывают различные степени нагрузки: внешние меньше подвержены растяжению, в то время как внутренние испытывают наибольшую степень деформации. Тоже касается и концов пружины: они служат местом крепления, что увеличивает нагрузку в этих и граничащих местах. Поэтому разработаны марки стали, которые предпочтительно используются на сжатие либо растяжение.

Термомеханическая обработка

Все без исключения пружинные стали повергаются термомеханической обработке. После нее прочность и износостойкость способна увеличиться в 2 раза. Форму изделию придают в отожженном состоянии, когда сталь имеет максимально возможную мягкость, после чего нагревают до 830-870 С и охлаждают в масляной или водной среде (только для марки 60 СА). Полученный мартенсит отпускают при температуре 480 ºC.

Главное отличие данной разновидности металлопродукции от аналогов – увеличенный (причем значительно) предел текучести. Эта особенность пружинной стали дает возможность всем образцам, которые из нее изготовлены, восстанавливать свою форму после устранения причин, вызвавших деформацию. Разберемся с марками пружинной стали и спецификой и ее использования.

ТУ на продукцию из пружинной стали, сортамент и ряд других параметров определены соответствующими ГОСТ. Для проката – № 14959 от 1979, для пружин – № 13764 от 1986 годов.

Обозначение стали

Оно довольно сложное, с некоторыми оговорками касательно отдельных ее марок. Например, по суммарной массе остаточных долей компонентов. Но в общем виде маркировка следующая:

Позиции (слева направо)

Первая – масса углерода, выраженная сотыми долями процента (2 цифры).
Вторая – легирующий элемент (одна или несколько букв).
Третья – его доля, округленная до целого значения (цифры). Их отсутствие свидетельствует о том, то данный показатель не превышает 1,5%.

Классификация сталей пружинных

Марки и специфика применения пружинной стали

50ХГ (ХГА) – рессоры, пружины всех видов транспорта, в том числе, ж/д.

50ХГ ФА – для изделий особого назначения.
50ХСА – в основном для часовых пружин.
50ХФА – измерительные ленты; детали, подвергающиеся повышенному нагреву (до +300 ºС); конструктивные элементы, отвечающие высоким требованиям по усталостной прочности.

51ХФА – то же, что и для аналога 50-й серии. Кроме того, изготовление пружинной проволоки сечением до 5,5 мм; лент и катанки.

55С2 (С2А, С2ГФ) – рессоры, пружины и тому подобное.

55ХГР – полосовая сталь для рессор от 3 до 24 мм толщиной.

60Г – любые детали пружинного типа, которые должны соответствовать высоким требованиям по износостойкости и упругости.

60С2 (С2А, С2Г, С2Н2А, С2ХА) – диски фрикционные, рессоры и пружины категории «высоконагруженные».

60С2ФХА – аналогичные детали, материалом для изготовления которых является сталь крупная, калиброванная.

65 – для деталей, испытывающих значительные вибрации и подвергающихся трению в процессе эксплуатации механизмов.

65Г – для конструктивных элементов, не подвергающихся ударным нагрузкам, высокой износостойкости.
65ГА – проволока, прошедшая термообработку (1,2 – 5,5 мм).
65С2ВА – высоконагруженные детали (рессоры, пружины и так далее).

68 (ГА) – аналогично 65ГА.

70 (Г) – аналогично 60Г.

70Г2 – то же; кроме того, часто используется при изготовлении ножей землеройных механизмов.
70С2ХА (С3А) – см. 65С2ВА.
70ФГФА – см. 65ГА.

75, 80, 85 – пружины различной конфигурации (плоские, круглые), к которым предъявляются повышенные требования по основным параметрам – износостойкость, упругость, прочность.

SL, SH, SM, ДН, ДМ – для пружинных изделий, которые эксплуатируются в условиях как статических, так и динамических нагрузок.

КТ-2. Такая пружинная сталь используется в производстве холоднокатаной, из которой делают пружины без закалки, с холодной же навивкой.

Автор обращает внимание, что приведенная информация – общего характера, так как использование подобных сталей не ограничивается лишь изготовлением рессор, фрикционных элементов и пружин. Спектр применения более широкий. Например, струны для фортепиано. Кроме того, эта сталь может быть не только в виде проволоки, но и в листовом исполнении. Для более детального ознакомления с данной продукцией следует обратиться к указанным ГОСТ.

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.