Все, что необходимо знать о пружинных сталях

Рессорно-пружинная сталь представляет собой востребованный сплав с большим перечнем достоинств. Материал демонстрирует отличную работу даже в суровых условиях, обладает высокими показателями прочности, предела. Особенность стали в том, что она без труда сохраняет все свои физические свойства при сжатии, а затем возвращает прежнюю форму, когда уходит нагрузка.

Пружинная сталь – это сплав с повышенным пределом текучести, который характеризует изменение формы тела даже в том случае, если не будет увеличена нагрузка. Также параметр отвечает за способность тела принимать первоначальную форму при других видах нагрузок, например, скручивании или изгибе. Чем эффективнее материал работает, сохраняя первоначальные свойства и размеры, тем выше показатель предела текучести.

Сталь-пружина отличается в этом плане от большинства других сплавов благодаря использованию производителями различных компонентов в виде легирующих добавок. В России за основу для изготовления стали берут низколегированные сплавы, состав которых содержит минимальное число каких-либо компонентов. А, например, в Америке, Китае или европейских странах пружинные стали содержат в своем составе хром или другие компоненты:

• марганец и кремний;
• никель;
• вольфрам;
• азот.

Наличие дополнительных веществ приводит к увеличению пластичных свойств материала, а также повышает инертность сплава к химическим реакциям. Если проще, то готовый материал не сможет вступить в реакцию с другими веществами.

Основные параметры, свойства и возможности сталей пружинного типа регламентированы государственными стандартами. Среди наиболее важных особенностей можно выделить следующие факторы.

• Повышенное сопротивление деформациям упругого типа. Показатель демонстрирует, что пластичный элемент без труда снимается под воздействием внешних сил, однако по мере увеличения давления материал начинает проявлять сопротивление. В результате, когда нагрузку снимают, сталь принимает прежнюю форму и сохраняет все свои свойства.

• Небольшой коэффициент остаточного растяжения. Если на материал оказывают давления извне, он начинает приобретать форму в соответствии с видом внешнего источника. Однако после исчезновения давления деталь восстанавливает первоначальный вид. Стоит отметить, что чем ниже показатель, тем меньше материал деформируется после приложения нагрузки.

• Отличный показатель прочности. Сжатие стальной пружины не приводит к деформациям материала. Металл не покрывается трещинами, сохраняет кристаллическую решетку и не разрушается даже при сильном воздействии. При необходимости показатель можно увеличить посредством добавки легирующих компонентов.

• Устойчивость конструкционной стали к коррозии. Обеспечивается только при наличии дополнительных веществ в составе. Например, если в сплаве присутствует хром, материал не покроется ржавчиной даже спустя много лет. Все довольно просто объясняется обычными законами физики и химии. Наличие хрома на поверхности материала приводит к образованию тонкой пленки меньше 1 мм, которая предотвращает контакт железа и кислорода или азота, что приводит к невозможности проведения окислительных процессов.

• Отличная устойчивость к химическим воздействиям – инертность. Тоже достигается путем добавления легирующих компонентов. В основном используют кремний, селен, ванадий, которые предотвращают контакт железа с веществами, поступающими извне.

Итак, чтобы улучшить свойства пружинной стали, производители используют легирующие вещества. Также добиться упругости, например, помогает прокаливание всего сечения материала. Эта процедура является обязательной.

Выбор стального сплава с высоким модулем сдвига для последующего производства стали требует тщательного подхода и учета необходимости использования легирующих веществ. Оптимальное содержание углерода для сплавов такого типа не должно быть выше 0,7%. Увеличение возможно, но никакого практического смысла оно не даст. Наоборот, риск появления трещин при внушительных деформациях только возрастет.

Что касается содержания легирующих компонентов, то позволительны следующие пропорции:

• кремний – допустимо не более 2,5%;
• марганец – оптимальный показатель 1,1%;
• вольфрам – разрешено 1,2%;
• хром – 17-30%;
• никель – не более 1,7%.

Хром повышает коррозионную стойкость металла, поэтому часто используется в качестве легирующего вещества в количестве 13%. При использовании хрома в концентрации 30% дополнительно повышается возможность работы сплава в агрессивных средах.

Вольфрам представляет тугоплавкое вещество, которое способствует повышению показателя пластичности материала. При этом прочность и твердость не теряются, что положительно отражается на устойчивости сплава к различным воздействиям и предотвращении истирания.

Марганец и кремний чаще используют одновременно. При этом соотношение компонентов обычно увеличивают в сторону марганца. Кремний способствует формированию прочной кристаллической решетки, а марганец стабилизирует структуру материала.

Таким образом, за основу для производства стали рессорного типа берут обычный металл, который затем подвергают закаливанию при температуре от 800 до 900 градусов, постепенно повышая предел текучести. Также используют легирующие вещества, которые улучшают свойства нового материала и продлевают его срок службы. Нередко производители дополнительно прибегают к отпуску стали с целью разрушения мартенсита в структуре.

Пружинная сталь считается довольной востребованным материалом, из которого получают следующие виды проката:

• проволоку;
• шестигранники;
• листы;
• квадраты.

Ключевое преимущество пружинных сталей – это высокие эксплуатационные свойства, которых удается достичь благодаря следующим составляющим:

• особой структуре металла, сформированной за счет оптимального сочетания компонентов и обработки;
• наличию неметаллических элементов в составе;
• спиральной или дугообразной форме, габаритам.

В процессе растягивания пружины нагрузки испытывают как внутренние, так и наружные стороны элемента. При этом степень нагрузки в обоих случаях разная. Внешние стороны меньше подвержены растяжению, поэтому основную долю деформации принимает на себя внутренняя поверхность. Также большие нагрузки испытывают конца пружины, выступающие в роли места монтажа. Поэтому были разработаны специальные марки стали, которые эффективно работают как на сжатие, так и на растяжение.

Выпущенные пружинные стали по составу делят на:

• кованые;
• горячекатаные;
• калиброванные.

Отдельной категорией выделяют стали со специальной обработкой наружных поверхностей, а также горячекатаные круглые стали с обточенной поверхностью.

Выделяют дополнительную классификацию сталей, подразумевая деление по способу обработки. В этой категории материал делят на:

• качественный;
• высококачественный.

Из последнего изготавливают листовые пластины или полосы. Свойства и характеристики любых сталей регламентированы государственными стандартами. У каждого материала есть своя марка, посредством расшифровки которой можно определить ее физико-механические параметры и возможность проведения дополнительной обработки.

Марка стали формируется, исходя из требований ГОСТ. Металл после выпуска получает определенный код, который позволяет узнать об основных свойствах и параметрах сплава. В качестве примера стоит разобрать стандартный шифр марки ЧД1Л2Л3. Расшифровка.

1. Ч – указывает содержание углерода, выражается в процентном эквиваленте. Поэтому при переводе нужно поделить на 100.
2. Л1, Л2, Л3 – демонстрируют тип и содержание дополнительных компонентов в виде легирующих добавок. При отсутствии числа возле добавки можно сделать вывод, что ее в составе нет. В основном используют: Г-марганец, В-вольфрам, Н-никель, С-кремний, А-азот. Количество «Л» демонстрирует число легирующих добавок.

Любая сталь на производстве проходит термомеханическую обработку, посредством которой удается улучшить прочность и износостойкость изделия. В среднем путем термической обработки свойства материала увеличиваются более чем в 2 раза. Этапы процесса:

• отжиг изделия;
• нагрев до температуры в 830-870 градусов;
• охлаждение в среде из воды или масла;
• отпуск при 480 градусах.

Важно правильно закалить изделие, чтобы добиться желаемого результата. Все требования и особенности проведения термической обработки прописаны в Государственном стандарте 14959-89. Результатом технологического процесса становится получение сталей, которые соответствуют узким параметрам. Подробнее стоит разобрать более сложный пример – 60С2ХФА. В этом случае расшифровка будет выглядеть следующим образом:

• 60 – показывает, что в составе сплава содержится 0,6% углерода;
• С2 – буквенное обозначение кремния, цифра демонстрирует повышение содержания компонента в 2 раза больше стандартного значения (1,5%);
• Х – указывает на наличие хрома в количестве 0,9-1%;
• Ф – демонстрирует использование вольфрама в качестве легирующего компонента в 1% содержании.

В конце расшифровки стоит буквенный индекс А. Он указывает на минимум вредных веществ в виде фосфора или серы. Обычно их количество в этом случае не превышает 0,015%.

Пружинная сталь не отличается хорошей свариваемостью. Закалка способствует частичной деформации материала, поэтому при проведении сварочных работ при помощи электродов возникает риск разрушения элемента или создания некачественного шва с трещинами.

Резка абразивными кругами проводится с трудом, не позволяя добиться желаемого результата. В процессе резки сплав сильно деформируется, что приводит к ухудшению его свойств.

Марки пружинной стали активно применяют в промышленной области и строительстве. В основном из сплавов выполняют пружины и рессоры, так как это основное назначение материала. Сплавы используют везде, где требуется сделать конструкцию более упругой, а также улучшить пластичность, не теряя в прочности. Детали, выполненные из подобных сплавов, отлично работают и на растяжение, и на сжатие.

Распространенные элементы, которые получают путем использования пружинной стали.

1. Корпуса подшипников. Отличаются повышенной устойчивостью к внушительным нагрузкам, так как практически в каждой точке борются как с растягивающими, так и с сжимающими усилиями.
2. Фрикционные диски. Подвергаются большим динамическим нагрузкам и вынуждены сжиматься.
3. Упорные шайбы. Работают в основном на сжатие, но иногда в деталях возникают растягивающие нагрузки.
4. Тормозные ленты. Одна из главных задач таких элементов кроется в необходимости сохранения формы и свойств при регулярных растяжениях. Обычная сталь быстро износится и выйдет из строя, поэтому предпочтение отдают более упругим материалам.