Пружинные стали

Конструкционные стали с повышенным содержанием углерода. Качество и работоспособность пружины. Маркировка и основные характеристики пружинных сталей. Основные механические свойства рессорно-пружинной стали после специальной термической обработки.

Казанский Государственный Технический Университет им. А. Н. Туполева

Институт авиации, наземного транспорта и энергетики

Кафедра: «Материаловедение и структура образующих технологий»

Дисциплина: «Материаловедение ч.2»

Курсовая работа

Тема: «Пружинные стали»

Выполнена:

Проверил:

Елабуга , 2009 г.


План:

1. Описание

2. Применение

3. Маркировка и основные характеристики

4. Особенность вальцовки пружинной стали

5. Основные требования, предъявляемые к рессорно-пружинной стали

6. Характеристика материала 68А

7. Литература

Описание:

Пружинная сталь — сталь, предназначенная для изготовления упругих элементов (пружин, рессор и т.д.)

Работа пружин, рессор и тому подобных деталей характеризуется тем, что в них используют только упругие свойства стали. Большая суммарная величина упругой деформации пружины (рессоры и т. д.) определяется ее конструкцией — числом и диаметром витков, длиной пружины. Поскольку возникновение пластической деформации в пружинах не допускается, то от материала подобных изделий не требуется высокой ударной вязкости и высокой пластичности. Главное требование состоит в том, чтобы сталь имела высокий предел упругости (текучести). Это достигается закалкой с последующим отпуском при температуре в районе 300—400° С. При такой температуре отпуска предел упругости (текучести) получает наиболее высокое значение, а то, что эта температура лежит в интервале развития отпускной хрупкости I рода, в силу отмеченного выше обстоятельства не имеет большого значения.

Пружины, рессоры и подобные им детали изготавливают из конструкционных сталей с повышенным содержанием углерода (но, как правило, все же более низким, чем у инструментальных сталей) — приблизительно в пределах 0,5—0,7% С, часто с добавками марганца и кремния. Для особо ответственных пружин применяют сталь 50ХФ, содержащую хром и ванадий и обладающую наиболее высокими упругими свойствами. Термическая обработка пружин и рессор из легированных сталей заключается в закалке от 800—850° С (в зависимости от марки стали) в масле или в воде с последующим отпуском в районе 400—500° С на твердость НRС 35—45. Это соответствует ств = 1304-1600 кгс/мм2 .

Иногда такой термической обработке подвергают детали конструкций большой длины и с тонкими стенками, которые должны обладать высокими пружинящими свойствами. В этом случае применяют сталь ЗОХГС; после закалки и отпуска при 250° С она будет иметь прочность (ав ) 160 кгс/мм2 , но вязкость (ад ) всего лишь 5 кгс-м/см2 , а пластичность (б) 7% и (ф.) 40%. Часто пружины изготавливают из шлифованной холоднотянутой проволоки (так называемой серебрянки). Наклеп (нагартовка) от холодной протяжки создает высокую твердость и упругость. После навивки (или другого способа изготовления) пружину следует отпустить при 250—350°С для снятия внутренних напряжений, что повысит предел упругости. Для изготовления серебрянки применяют обычные углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9, У10.

На качество и работоспособность пружины большое влияние оказывает состояние поверхности. При наличии трещин, плен и других поверхностных дефектов пружины оказываются нестойкими в работе и разрушаются, вследствие развития усталостных явлений в местах концентрации напряжений вокруг этих дефектов. Кроме обычных пружинных материалов, имеются и специальные, работающие в специфических условиях (повышенные температуры, агрессивные среды, и т. д.).

Общая характеристика: сталь рессорно-пружинная, малочувствительна к флокенообразованию, склонна к отпускной хрупкости при содержании Mn≥1%, не применяется для сварных конструкций. Плотность при 20°С - 7,81х10³кг/м³. Модуль нормальной упругости при 20°С - 215 Гпа. Удельная теплоёмкость при 20-100°С - 490 Дж/(кг·°С)

Они работают в области упругой деформации металла под воздействием циклических нагрузок. Поэтому они должны иметь высокое значение предела упругости, текучести, выносливости при необходимости пластичности и высоком сопротивлении хрупкому разрушению.

Пружинные стали содержат С = 0,5 - 0,75% , Si до 2,8%, Mn до 1,2%, Cr до 1,2%, V до 0,25%, Bе до 1,2%, Ni до 1,7%. При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно, ее релаксационной стойкости. Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А. Однако они могут подвергаться обезуглероживанию, графитизации, резко снижающим характеристики упругости и выносливости материала. Устранение указанных дефектов, а также повышение прокаливаемости и торможение роста зерна при нагреве достигается дополнительным введением в кремнистые стали хрома, ванадия, вольфрама и никеля. Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.. Применяются также пружины специального назначения из мартенситных сталей 30Х13А, мартенситно - стареющих 03Х12Н10Д2Т, аустенитно-мартенситных 09Х15Н8Ю и других сталей и сплавов. Стали закаливают с температур 830 - 880°С и отпускают на тростит (380 - 550°С).

Имеют высокий предел текучести. Отношение предела текучести к пределу прочности 0,8−0,9. Для листовых рессор и пружин подвесок применяют кремнистые и марганцовистые стали 50ХГ, 50Г2, 05Г, 55С2 и др. Для торсионных валов используются стали 45ХНМФА, G0C2A, 70СЗА.

Для повышения усталостной прочности деталей, работающих при высоких колебательных нагрузках, необходимо обеспечить в поверхностном слое создание остаточных сжимающих напряжений. С этой целью применяют заневоливание пружин, заневоливание и чеканку торсионных валов, обкатку роликами, пластическую осадку и дробеструйную обработку листовых рессор. Легированная рессорно-пружинная сталь, термообработанная до твердости HRC 45—50, имеет предел усталости при кручении 190 МПа. После дробеструйной обработки предел усталости увеличивается до 350 МПа (3500 кгс/см2).

Применение:

Пружины, рессоры, упорные шайбы, тормозные ленты, фрикционные диски, шестерни, фланцы, корпусы подшипников, зажимные и подающие цанги и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости, и детали, работающие без ударных нагрузок.

Виды поставляемой продукции: в горячекатаном состоянии (без термообработки) с твёрдостью не более НВ285; в высокоотпущенном состоянии - не более НВ241

Маркировка и основные характеристики:

Марки пружинных сталей:

· 50ХГ · 50ХГА · 50ХГФА · 50ХСА
· 50ХФА · 51ХФА · 55С2 · 55С2А
· 55С2ГФ · 55ХГР · 60Г · 60С2
· 60С2А · 60С2Г · 60С2Н2А · 60С2ХА
· 60С2ХФА · 65 · 65Г · 65ГА
· 65С2ВА · 68А · 68ГА · 70
· 70Г · 70С2ХА · 70С3А · 75
· 80 · 85

Основные механические свойства рессорно-пружинной стали после специальной термической обработки.

Марка стали

Рекомендуемый режим

термической обработки

Механические свойства
σт ,кгс/мм2 σв ,кгс/мм2 δ5 , % φ , %
Температура закалки, °С Закалочная среда Температура отпуска
Не менее
65 840 Масло 480 80 100 10 35
70 830 » 480 85 105 9 30
75 820 » 480 90 110 9 30
85 820 » 480 100 115 8 30
60Г 840 » 480 80 100 8 30
65Г 830 Масло 480 80 100 8 30
70Г 830 » 480 85 105 7 25
55ГС 820 » 480 80 100 8 30
50С2 870 Масло или вода 460 110 120 6 30
55С2 870 То же 460 120 130 6 30
55С2А 870 » » 460 120 130 6 30
60С2 870 Масло 460 120 130 6 25
60С2А 870 » 420 140 160 6 20
70С3А 860 » 460 160 180 6 25
50ХГ 840 » 440 110 130 7 35
50ХГА 840 » 440 120 130 7 35
55ХГР 830 » 450 125 140 5 30
50ХФА 850 » 520 110 130 8 35
50ХГФА 850 » 520 120 130 6 35
60С2ХФА 850 » 410 170 190 5 20
50ХСА 850 » 520 120 135 6 30
65С2ВА 850 » 420 170 190 5 20
60С2Н2А 880 » 420 160 175 6 20
60С2ХА 870 » 420 160 180 5 20
60СГА 860 » 460 140 160 6 25

Особенность вальцовки пружинной стали:

Особенность состоит в последовательности термообработки таких сталей. Так, при навивке пружин пруток находится в отожженном состоянии, что обеспечивает простоту выполнения операции. Затем пружину закаливают. Последний этап - низкий отпуск (130...150 град.), он еще называется пружинным.

Основные требования, предъявляемые к рессорно-пружинной стали:

Общее требование, предъявляемое к рессорно-пружинным сталям, — обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений). Эти характеристики обеспечивают точность и надёжность работы пружин и постоянство во времени таких эксплуатационных свойств, как крутящий момент, силовые параметры. Пружинные стали в виде проволоки и ленты упрочняют холодной пластической деформацией и закалкой на мартенсит с последующим отпуском. Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.

Пружинная сталь согласно EN 10270-1-SH и EN 10270-3-NS (марка 1.4310)

Нижняя граница выносливости для растяжения прута из пружинной стали согласно EN 10270-1-SH может быть обозначена следующим образом:

σ t = 2220 – 820 *log d

Практическое правило определяет, что нижняя граница выносливости на растяжение нержавеющей пружинной стали согласно EN 10270-3-NS (марка 1.4310) составляет 85% выносливости на растяжение прута из пружинной стали согласно EN 10270-1-SH.

σ t = 0,85 * (2220 – 820* log d)

При расчёте пружин сжатия и растяжения, допустимое значение напряжения витков (τ w) составляет 40% величины σ t при статической нагрузке.

При расчете пружин кручения допустимое напряжение изгиба ( σ b) составляет 70% величины σ t при статической нагрузке.

Характеристика материала 68А:

Характеристика материала 68А

Марка: 68А
Классификация: Сталь конструкционная рессорно-пружинная
Применение: термически обработанная проволока диаметром 1.2-5.5 мм для изготовления пружин

Химический состав в % материала 68А.

C Si Mn Ni S P Cr Al Cu
0.65-0.7 0.15-0.25 0.4-0.55 до 0.2 до 0.025 до 0.025 до 0.12 до 0.05 до 0.15

Литература:

1. http://www.zmk.ru/vidpr.html?vidpr=konstr&razd=ress

2. http://alcomex.ru/tech-info-spring-steel.html

3. http://www.steeltorg.com.ua/sp/sp_06.php

4. http://ustroistvoavto.ru/?p=13

5. http://metalorgs.ru/term/p/3415-pruzhinnaja-stal.html

6. http://materiall.ru/legirovannye-stali-i-splavy/59-pruzhinnye-stali.html

7. http://www.partner-mh.ru/doku.php/produkcija:marochnik_stalej

8. http://www.metallinvestural.ru

9. http://www.splav.kharkov.com/choose_mat.php?class_id=20