Начать стоит с того, что любая пружина, рессора и другие подобные элементы эксплуатируются в условиях жесткой и постоянной упругой деформации. Кроме этого, большинство деталей подвергается еще и циклическим нагрузкам. Именно по этим причинам к пружинной стали предъявляются высокие требования по упругости, текучести, выносливости, пластичности, а также важно наличие необходимого сопротивления к хрупкому разрушению.
Состав
В состав стали, которая подходит для производства пружин и рессор входит от 0,5% до 0,75% углерода. Дополнительными требования к содержанию легирующих элементов при производстве следующие:
- содержание кремния в пружинной стали до 2,8%;
- содержание марганца до 1,2%;
- легирование хромом достигает 1,2%;
- содержание ванадия до 0,25%;
- легирование вольфрамом до 1,2%;
- содержание никеля до 1,7%.
Также здесь важно добавить, что при производстве стали осуществляется процесс измельчения зерна, который способствует возрастанию сопротивления металла к малым пластическим деформациям. Это, в свою очередь, увеличивает релаксационную стойкость изделия из пружинной стали.
Применение
Довольно широкое применение в транспортных средствах нашли изделия из таких марок стали, как 55С2, 60С2А, 70С3А. Но здесь нужно знать, что этот материал подвержен таким дефектам, как обезуглероживание или графитизация. Эти недостатки опасны тем, что они сильно снижают характеристики упругости, а также прочности материала. Для того чтобы избежать этих дефектов и их негативного влияния на пружинную сталь, в нее и добавляют те элементы, которые были указаны выше.
Лучшими показателями в отличие от кремнистой разновидности сплава обладает марка 50ХФА. Этот вид материала стал больше всего использоваться для изготовления автомобильных рессор. Также этот тип стали очень часто используется для производства клапанов пружин, так как он не подвержен обезуглероживанию. Но тут стоит добавить, что она обладает малой прокаливаемостью.
Работа пружин
Здесь важно понимать, что работа любой пружины, рессоры или любой другой детали из пружинной стали характеризуется только тем, что используются лишь упругие свойства материала. Суммарная величина их упругости определяется особенностями конструкции. Решающим показателем здесь будет количество витков, их диаметр, а также длина самого изделия. Еще один важный момент, который необходимо отметить - это пластическая деформация. Это в пружинах чаще всего не допускается, а потому от материала, который используется для производства пружин, не требуется наличия высокой ударной вязкости или показателя пластичности. Основное требование - это параметр упругости. Верхний предел этой характеристики должен быть довольно велик. Для того чтобы достичь требуемого параметра, сталь подвергают закалке под воздействием высоких температур, а после проводят отпуск материала при температуре в 300-400 градусов по Цельсию.
Свойства
Основное свойство пружинной стали - это текучесть(упругость). Максимальный показатель этого параметра достигается только при температурах, указанных выше. Однако если отпускать материал при таких градусах, то отпускная хрупкость окончательного продукта будет находиться в первом роде. Как уже говорилось ранее, ударная вязкость не имеет принципиального значения.
Еще одно из свойств стали касается ее состава. Оно выражается в том, что содержание углерода в ней больше, чем в других сплавах. Хотя, если сравнивать с инструментальной сталью, все же меньше.
Для обычного процесса легирования используют марганец и кремний. Для более ответственных пружин или рессор в качестве добавок применяют хром и ванадий. Эти два элемента придают им повышенную упругость. Можно добавить, что для достижения наилучших эксплуатационных свойств сталь часто подвергают закалке в масле или воде.
Виды и марки стали
Марки пружинной стали делятся на множество различных групп. Существуют материалы общего назначения. К ним относят марки 65, 70, 75, У9А. Из этого продукта изготавливают пружины для машин с небольшим сечением. К особым свойствам этих деталей можно отнести их пониженную релаксационную стойкость.
Кремнистые стали марок 55С2, 60С, 60С2 применяются для создания таких элементов, как пружины и рессоры, использующиеся в автомобильной, автотракторной промышленности, а также в железнодорожной промышленности. Тут важно добавить, что эти элементы склонны к обезуглероживанию. Каких-либо особых свойств у этой стали не имеется.
Еще одна разновидность стали - это комплексно легированная. Данный продукт выпускается под марками 50ХФА и 60С2ХФА. К использованию этого материала прибегают в том случае, если необходимо создать пружины или рессоры для важных деталей. Стойкость к температурному воздействию у этого материала составляет до +300 градусов Цельсия.
Можно выделить также стали специального назначения. К ним принадлежат такие продукты мартенситного класса 30Х13, 40Х13. Они используются для производства обычных пружин или рессор, однако обладают особыми свойствами. Характеристика пружинной стали этой марки состоит в том, что у нее повышенная стойкость к коррозии, повышенная жаропрочность (до 550 градусов Цельсия), а также выраженные магнитные свойства.
Требования по ГОСТ
Для пружинных сталей, как и для другой самой разнообразной продукции, был принят ГОСТ. Он устанавливает все правила, касающиеся материала. К примеру, там описаны следующие технические требования.
- Массовая доля такого вещества, как медь не должна превышать 0,2%. А остаточное количество никеля не должно быть выше, чем 0,25%.
- Для такой марки стали, как 60С2Г, существует отдельное требование, которое гласит, что суммарная массовая доля серы и фосфора не должна быть выше 0,06%.
- Такая марка стали, как 51ХФА по ГОСТ предназначается лишь для производства пружинной проволоки.
- ГОСТ пружинной стали также предписывает, что по индивидуальному заказу потребителя массовая доля, содержащегося в стали марганца, может быть уменьшена, несмотря на предписания, которые указываются в таблице, имеющейся в том же документе. Это при условии, что сплав не подвергался легированию хромом и никелем.
Коррозионностойкая сталь
Одна из марок стали специального назначения отличается тем, что у нее имеется повышенная стойкость к коррозии. Для того чтобы максимально повысить сопротивляемость материала к разрушающему ее процессу, в него добавляют и хром, и никель в количестве от 13 до 27% и от 9 до 12% соответственно. Другими словами, эти продукты относятся к группе высоколегированных сталей.
Основным аустенитообразующим элементом в таком продукте является никель. В то время как марганец, к примеру, влияет на образование аустенита слабее, эффект от его использования ниже практически в два раза. Если необходимо еще сильнее расширить аустенитную область, то можно использовать такие вещества, как углерод или азот.
