3.1.5. Стали рессорно-пружинные

Стали, объединенные общим названием рессорно-пружинные, в машиностроении применяют для изготовления силовых упругих элементов: пружин, рессор, амортизаторов. Условиями работы этих деталей могут быть как статические нагрузки, так и циклические «нагрузки-разгрузки» в упругой области.

В процессе «нагрузки» происходит изменение размеров и формы деталей, а в процессе «разгрузки» – восстановление размеров и формы. При этом необходимо, чтобы после «разгрузки» остаточная пластическая деформация полностью отсутствовала или была минимальной. Таким образом, основное требование к рессорно-пружинным материалам – высокое сопротивление микропластической деформации, которое характеризуется такими свойствами, как предел упругости и релаксационная стойкость.

Предел упругости пружинных сталей определяют при некотором допуске на остаточную деформацию, равном обычно 0,03 – 0,005 %. Выбор сталей как материала для изготовления силовых упругих элементов определяется, прежде всего, их высоким модулем упругости, ограничивающим упругую деформацию.

Релаксационная стойкость – это сопротивление материала самопроизвольному снижению напряжений во времени при неизменной деформации. Так, если рабочее напряжение s_раб уменьшится («релаксирует») до величины s_раб^*, то после разгрузки появится остаточная деформация ε, и деталь изменит форму и размеры (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали пружинной 60С2

Высокая релаксационная стойкость обеспечивает точность и надежность работы пружин и упругих элементов, постоянство во времени эксплуатационных свойств (крутящего момента, силовых параметров и т.п.).

Кроме высокого предела упругости и релаксационной стойкости, детали, работающие при циклических нагрузках, должны иметь высокий предел выносливости, увеличение которого возможно посредством применения дробеструйной или гидроабразивной обработки, приводящей к возникновению в поверхностном слое деталей напряжений сжатия.

Рессорно-пружинные стали подразделяют на стали общего и специального назначения.

К сталям общего назначения относятся:

– средне- и высокоуглеродистые стали 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г;

– низколегированные кремнистые стали 55С2, 60С2, 70С3А и др.;

– комплексно-легированные стали 50ХФА, 60C2ХА, 60С2Н2 и др.

Химический состав и свойства сталей регламентирует ГОСТ 14959–79. Стали содержат 0,65 – 1,2 % углерода, 1 – 3 % кремния, 0,9 – 1,2 % марганца, 0,25 – 1,10 % Сr, могут также содержать никель, ванадий, бор. Легирующие элементы увеличивают прокаливаемость, релаксационную стойкость, способствуют (кроме марганца) измельчению зерна. Кремний и марганец повышают предел упругости сталей.

Высокое сопротивление микропластической деформации рессорно-пружинных сталей достигается при закреплении практически всех дислокаций, что становится возможным при следующих способах упрочнения:

1) холодной пластической деформации, например, волочении проволоки;

2) закалке на мартенсит с последующим средним отпуском готовых пружин;

3) термомеханической обработке (для рессор).

Для того, чтобы провести холодную пластическую деформациюсталей с 0,65 – 1,2 % С, используют предварительную технологическую операцию под названиемпатентирование: многократную изотермическую закалку, приводящую к образованию тонкопластинчатого сорбита. В таком структурно-фазовом состоянии сталь может быть подвергнута холодной пластической деформации свысокими степенями обжатия. В результате последующего отпуска при 150–200ºС(для углеродистых сталей) и 200 – 300ºС (для сталей с кремнием) предел упругости сталей может достигать 2000 – 2100 МПа.

После закалки с последующим средним отпуском рессорно-пружинные стали имеют структуру троостита отпуска, частично сохраняющего фазовый наклеп мартенситной структуры, что определяет высокий предел упругости. Наличие после закалки немартенситных структур отрицательно влияет на все прочностные свойства, поэтому стали для упругих элементов необходимо выбирать с учетом требования сквозной прокаливаемости. Температура среднего отпуска должна превышать интервал отпускной хрупкости первого рода.

После закалки и среднего отпуска углеродистых сталей предел текучести составляет 785–885 МПа, временное сопротивление 980–1080 МПа, в легированных сталях эти свойства увеличиваются до значений 1200–1600 МПа и 1300–1800 МПа соответственно (табл. 3.10). Кроме того, если углеродистые стали могут применяться лишь для упругих элементов небольшой толщины 10–12 мм, то легированные стали обладают повышенной прокаливаемостью до 50 (сталь 60С2ХА) – 80 мм (сталь 60С2Н2А).

Рис. 3.8. Структурная диаграмма хромоникелевых коррозионностойких

сталей

Однако легирование пружинных сталей общего назначения ограничено необходимостью сохранения достаточной пластичности при проведении холодной прокатки ленты или волочении проволоки.

Таблица 3.10