Из какой стали рессора авто москвич. Марки пружинной стали, классификация и области применения
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 ст в = 1304-1600 кгс/мм 2 .
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 (а в) 160 кгс/мм 2 , но вязкость (а д) всего лишь 5 кгс-м/см 2 , 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:
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.
Нож – это отличная вещь, которая может быть полезна не только в качестве прекрасного инструмента, но и в виде замечательного сувенира. Каждый мальчишка будет рад такому подарку. Если нож изготовлен вручную, то он сразу становится уникальной ценностью в глазах владельца.
Взрослые тоже не всегда используют ножи исключительно в бытовых целях – многие люди их коллекционируют. Критерии выбора у всех разные, но каждый знает, что качественная сталь – это обязательное условие для хорошего ножа. Но и красиво выполненная ручка может произвести не меньшее впечатление, чем прочное лезвие, способное долго держать заточку.
В чем же особенность ножа из рессоры?
Причина популярности такого изделия, как нож из рессоры, заключается в свойствах металла. Высокая износостойкость и прочность в сочетании с высокой пластичностью позволили многим поколениям мастеров пользоваться рессорами как главным источником сырья.
Рессоры изготавливают из рессорно-пружинной стали 65Г, но могут быть применены другие марки: 50ХГСА, 50ХГА, 50ХФА. Это тоже рессорно-пружинные стали – определить какая из них взята в качестве материала для клинка можно только с помощью химического анализа. Либо по нюансам поведения металла при обработке, но с этим справятся только опытные мастера. Для начинающего изготовителя разница между перечисленными материалами будет практически незаметна.
Применение рессорной стали
65Г считается одной из самых дешевых пружинных сталей. При этом она обладает рядом уникальных свойств, делающих ее незаменимой для создания пружин. Рессорная сталь для ножа содержит хром, никель, марганец, кремний. Эти элементы придают свойства, за которые изготовителями выбирается именно этот материал:
- хорошая гибкость;
- высокая ударная вязкость;
- твёрдость;
- износостойкость;
Термообработка играет большую роль в улучшении качеств материала. Сталь становится прочнее, повышается ее твердость. К сожалению, она недостаточно устойчива к коррозии – имеет обыкновение ржаветь. Но достоинства перевешивают недостатки и ее часто используют как материал для клинка.
Такие ножи применяют в самых разных сферах. В первую очередь в качестве кухонных – крепкие, прочные, долговечные – что ещё нужно для ежедневной работы на кухне и, например, для разделки мяса? Те же соображения заставляли охотников, рыбаков и туристов стараться заполучить в свой арсенал эту качественную «самоделку». Поэтому многие мастера делали на продажу туристические и охотничьи ножи.
Благодаря хорошим характеристикам стали, эти ножи были популярны среди военных. Солдаты срочной службы, имевшие доступ к инструментам для металлообработки, в кустарных условиях изготавливали армейские ножи.Со временем, изготовители начали замахиваться на более серьёзные изделия: топоры, мечи, мачете, катаны. Из-за хорошей ударной вязкости рессорные стали прекрасно подходят для ковки. Ковкой можно изготовить клинок любой формы, даже самой причудливой.
Как сделать нож из рессоры
Изготовление ножа из рессоры может отнять много времени и сил, особенно, если человек делает это в первый раз. Но рессорно-пружинная сталь хорошо поддаётся обработке и «стерпит» ошибки новичка, поэтому именно из неё лучше всего создавать свой первый нож.
Обычно, материал находят на открытом воздухе: на улице, на автобазах, рядом с гаражами, на автомобильных свалках и других аналогичных местах. Поэтому рессора может быть покрыта грязью и ржавчиной и перед работой ее надо тщательно отчистить. Если необходимо выпрямить выгнутую рессору, то её нагревают до красна, а затем дают остыть в нормальных условиях – при комнатной температуре.
Как сделать нож из рессоры с помощью ковки
Все рессорно-пружинные стали, в том числе 65Г, объединяет одно качество: они прекрасно поддаются ковке. Ножи из рессорной стали, изготовленные ковкой, будут более надёжными и долговечными, потому что в процессе обработки происходит упрочнение металла за счёт пластической деформации и изменения макроструктуры.
Прежде чем проковать рессору, необходимо вырезать из неё профиль будущего клинка. Затем заготовку надёжно крепят, и нагревают до красна. Ковкой создаётся остриё и лезвие. Этим способом легко придать клинку требуемую форму, а также задать его ширину. Ковкой из рессоры хорошо удается изготавливать топоры и различные экзотические вещи, такие как мачете или меч.
Лезвию дают остыть до температуры окружающей среды после того как работа закончена.
Как выточить нож из рессоры своими руками
Необходимо, в первую очередь, определиться с внешним видом будущего изделия. Форма зависит от назначения ножа: кухонный, охотничий, сувенирный или какой-либо другой. В итоге клинок может быть любой – на это влияют только фантазия и возможности изготовителя. Если выбор сделан, то нужно взять готовый шаблон или выполнить его самостоятельно из картона или плотной бумаги.
Далее, чтобы изготовить нож из рессоры своими руками, надо быть готовым начать работу с металлом. Сначала шаблон необходимо приложить к металлической заготовке и обвести маркером, карандашом, чертилкой (ГОСТ 24473-80) или другим разметочным инструментом. По контуру, полученному посредством шаблона, требуется вырезать профиль изделия. Подойдут следующие инструменты:
- ленточная пила;
- угловая шлифмашинка, она же «болгарка» – важно не перегреть заготовку при отрезании;
- сверлильный станок или дрель – в этом случае вдоль контура сверлят отверстия, затем перегородки между ними ломают или выпиливают;
- можно использовать ручной инструмент;
Сам процесс обработки достаточно прост, хотя и требует определённой концентрации, чтобы вырезать заготовку в соответствии с разметкой. Когда обработка успешно завершена и заготовка стала соответствовать шаблону, то можно приступать к формированию клинка. Основная задача – сделать скосы. Лезвие снова размечают, определяя размеры скосов. При дальнейшей обработке следует строго придерживаться разметки.
Для работы лучше всего использовать электрическое точило. Также подойдут и ленточная шлифмашинка, и «болгарка», но, в случае последней, требуется хорошее владение инструментом. Можно выточить скосы вручную – напильником. На этом работы по металлу должны быть закончены, потому что далее клинок пройдёт термическую обработку, после которой сделать с заготовкой что-либо ещё будет очень сложно.
Закалка лезвия
Основной вид термической обработки – это закалка. Она нужна, чтобы лезвие было прочным, и могло оставаться острым долгое время после заточки. Существуют разные приёмы:
— закалка, с нагревом только режущей кромки;
— закалка режущей кромки нагревом изделия целиком;
— закалка с отпуском;
— полная закалка;
В первом случае только крайняя часть лезвия нагревается до немагнитного состояния, после чего его помещают в масло и выдерживают, пока масло не перестанет пузыриться. Второй способ сложнее: нагревается нож целиком, но погружать его в масло требуется только на треть – чтобы режущий край был покрыт жидкостью.
Закалка с отпуском – это метод, при котором остывание заготовки проводится в два этапа: сначала в при повышенной температуре, но ниже температуры закалки, затем при комнатной температуре.
Самый простой способ закалки – это полная закалка клинка, но при этом способе есть вероятность, что лезвие поведёт. Тогда надо провести рихтовку испорченной заготовки. Это можно сделать как предварительно разогрев лезвие, так и в холодном состоянии.
Изготовление рукоятки
Ручку можно изготовить практически из любого сырья, но особой популярностью пользуются дерево, пластик, кожа, кость. Красиво выглядят наборные ручки с чередующимися слоями, например, кожи и бересты.
Кость – это традиционный материал, для изготовления разнообразных безделушек и предметов быта. Обладая навыком резьбы по кости можно сделать уникальную, красивую ручку. Но проще всего взять две деревянные или пластиковые накладки, поместить их по обе стороны от хвостовика и закрепить между собой заклепками, а для большей прочности ещё и эпоксидным клеем. Иногда для крепления используют винты и гайки, но если важен внешний вид, то лучше их не применять.
Рукоять должна быть удобной, поэтому требуется уделить большое внимание ее обработке. Для этого используются сначала напильники, а затем наждачная бумага. Если накладки деревянные, то их обязательно надо пропитать маслом, чтобы обеспечить долговечность древесины. Пропитка подчеркивает структуру дерева и придает изделию привлекательный внешний облик. После закрепления рукоятки проводят ее окончательную шлифовку.
Работа над ножом из рессоры практически завершена, осталось только заточить его. Для этого используют:
- бруски;
- мусаты;
- точильные станки;
- механические точилки;
- электрические точилки;
Действительно хорошие результаты получают применяя брусок или электрическую точилку. Чтобы хорошо заточить нож с помощью бруска или точильного камня понадобится не мало времени. Если на обычный кухонный нож достаточно потратить около получаса, то выравнивание и заточка длинного кованого ножа может занять несколько дней.
Для лучшего контроля процесса заточки точильный камень помещают на устойчивую горизонтальную поверхность. Оптимальный его размер – примерно в полтора раза длиннее лезвия. Начинать заточку требуется грубым точильным камнем, с крупным зерном. Продолжать надо до тех пор, пока не появится заусенец. После этого берётся мелкозернистый камень, далее процесс продолжается с его помощью. Чтобы самодельный нож из рессоры стал острым, а заточка держалась долго, надо соблюдать следующие правила:
- движение осуществляется путём поступательных перемещений ножа вдоль бруска – режущей частью вперёд;
- конец бруска и конец лезвия должны «встретиться». Нужно синхронизировать смещение ножа поперёк бруска (от ручки к лезвию) и перемещение ножа вдоль бруска;
- плоскость клинка и поверхность бруска должны составлять угол от 20 до 25 градусов – это универсальный угол заточки. В зависимости от назначения ножа, угол может меняться, но важно, чтобы он удерживался постоянным всё время пока происходит затачивание ножа;
В конце необходимо провести шлифовку лезвия, чтобы надолго сохранить нож острым. Для этого берётся точильный камень с самым мелким зерном. Затем аккуратно, чтобы не испортить уже сделанное, снимается заусенец.
Заточка — процесс требующий терпения и внимательности. Навык приходит только с опытом, поэтому все, кто не хочет ждать, могут воспользоваться электрической точилкой. Это сэкономит время, а также позволит сохранить ножи в превосходном состоянии.
Изготовление ножа — это процесс сложный, требующий внимания, концентрации, тщательности, навыков работы с металлом. Но труд не будет напрасным, ведь в итоге получится прекрасное изделие, созданное своими руками. Чем с большей любовью и старанием мастер подходил к делу, тем лучше будет изделие. Даже новичок, если окажется терпелив и настойчив, сможет овладеть навыками и тоже станет гордиться результатами своей работы.
31.Рессорно-пружинные стали
Стали, предназначенные для изготовления пружин и рессор, должны допускать большие упругие деформации и иметь пластические свойства, обеспечивающие работу витых и других пружин без поломок при перегрузках,должны противостоять циклическим нагрузкам (особенно колебательного характера). В соответствии с этим стали для пружин и рессор должны обладать высоким пределом упругости и пределом выносливости, достаточной вязкостью и пластичностью. Предел текучести углеродистых пружинных сталей после окончательной термической обработки должен превышать 800 Н/мм2, а легированных –1000 Н/мм2. Показатели пластичности должны быть δ≥5 % и ψ≥20%. Углеродистые стали для пружин и рессор имеют низкую коррозионную стойкость и невысокую релаксационную стойкость. Малая прокаливаемость этих сталей ограничивает их применение – обычно только для изготовления пружин и рессор небольшого сечения. Легированные стали обладают более высокими прочностными свойствами, повышенной вязкостью и сопротивлением хрупкому разрушению, более высокой релаксационной стойкостью, возможностями закалки в масле и даже на воздухе. Эти стали более предпочтительны для изготовления пружин и рессор. Механические свойства (минимальные) рессорно-пружинных сталей предусмотрены ГОСТ 14959-79. Это стали: 65, 70,75, 85, 65Г,65Г2, 70Г, 60С2,48,70СЗА, 50ХГ, 55КГР, 60ГСА, 50ХГФА и др. Режимы термической обработки: температура закалки в масле 820…870°С, температура отпуска 420…480°С.
|
Марки стали |
Назначения |
|
Плоские пружины прямоугольного сечения толщиной 3…12 мм (сталь 65); пружины из проволоки диаметром 0,14…8 мм с холодной навивкой; пружины различных размеров с последующим отпуском при 300 °С (стали 70, 75 и 85); рессоры, пружины и бандажи локомотивов (сталь70) |
|
|
Плоские и круглые пружины, рессоры, пружинные кольца, шайбы, гровера и другие детали пружинного типа, от которых требуются высокие упругие свойства и повышенное сопротивление изнашиванию |
|
|
Рессоры толщиной 3…14 мм |
|
|
Рессоры, подвески, натяжные пружины; детали, рабо- тающие на переменный изгиб. Обычно применяют полосовую сталь толщиной 3…18 мм и желобчатую сталь (для рессор) толщиной 7…13 мм. Механические свойства ее в продольном и поперечном направлениях различны. Сталь склонна к обезуглероживанию |
|
|
Рессоры из полосовой стали толщиной. 3…16 мм;, пру-жины из полосовой стали толщиной 3…18 мм и из пру-жинной ленты толщиной 0,08…3 мм; витые пружины из проволоки диаметром 3…12 мм. Сталь склонна к обезуглероживанию, устойчива против роста зерна, обладает глубокой прокаливаемостью. Максимальная рабочая температура +250 °С |
|
|
Для изготовления рессорной полосы толщиной 3…16мм. Легирование бором повышает предел упругости и модуль упругости стали |
Износостойкие стали применяются (используются) для изготовления деталей машин, работающих в условиях трения:
Шарикоподшипниковые,
Графитизированные,
Высокомарганцовистые.
Шарикоподшипниковые стали (ШХ15, ШХ20) применяют для изготовления шариков и роликов подшипников.
По химическому составу (ГОСТ 801-78) и структуре эти стали относятся к классу инструментальных сталей.
Графитизированную сталь (высокоуглеродистую, содержащую 1,5 - 2% С и до 2% Cr) используют для изготовления поршневых колец, поршней, коленчатых валов и других фасонных отливок, работающих в условиях трения.
Графитизированная сталь содержит в структуре ферритоцементитную смесь и графит.
Марки графитизированной стали У16 (ЭИ 336)
Количество графита может значительно меняться в зависимости от режима термической обработки и содержания углерода.
Графитизированная сталь после закалки сочетает свойства закаленной стали и серого чугуна.
Графит в такой стали играет роль смазки.
Высокомарганцовистую cталь Г13Л, содержащую 1,2% С и 13% Мn, применяют для изготовления железнодорожных крестовин, звеньев гусениц и т. п.
Эта сталь обладает максимальной износостойкостью, когда имеет однофазную структуру аустенита, что обеспечивается закалкой (1000-1100°С) при охлаждении на воздухе.
Закаленная сталь имеет низкую твердость (НВ 200), после сильного наклепа ее твердость повышается до НВ 600.
Шарикоподшипниковые стали
Стали для изготовления деталей подшипников (колец, шариков, роликов) считаются конструкционными, но по составу и свойствам относятся к инструментальным. Наибольшее применение имеет высокоуглеродистая хромистая сталь ШХ15. Заэвтектоидное содержание в ней углерода (0,95%) и хрома (1,3…1,65%) обеспечивает получение после закалки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания и достаточной вязкости. На качество стали и срок службы подшипника вредно влияют карбидные ликвации, полосчатость и сетка. На физическую однородность стали 50 вредно влияют неметаллические (сульфидные и оксидные) и газовые включения, макро- и микропористость. Сталь ШХ15 применяют для деталей небольших сечений. Для деталей более крупных подшипников в целях улучшения их прокаливаемости применяют хромокремнемарганцевые стали ШХ15СГ и ШХ20СГ.
Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников для прокатных станов, железнодорожного транспорта, работающих в тяжелых условиях при больших ударных нагрузках, применяют цементируемую сталь 20Х2Н4А.
33. Коррозионно-стойкие (нержавеющие ) стали . Углеродистые и низколегированные стали подвержены коррозии, т. е. разрушаются от химического воздействия окружающей среды. По механизму протекания процесса различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Явления, возникающие при электрохимической коррозии, аналогичны процессам в гальваническом элементе. Стали, устойчивые к электрохимической коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими). Антикоррозионными свойствами сталь обладает в том случае, если она легирована большим количеством хрома или хрома и никеля.
Хромистые коррозионно-стойкие стали . Содержание хрома в стали должно быть не менее 12%. При меньшем содержании хрома сталь не способно сопротивляться коррозии, так как ее электродный потенциал становится отрицательным. Широко применяют стали марок 12X13, 40X13, 12X17,08Х17Т.
Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали . Эти стали содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к аустенитному классу. Кроме аустенита в этих сталях находятся карбиды хрома. Для получения однофазной структуры аустенита сталь, например марки 12Х18Н9, закаливают в воде с температуры 1100…1150 °С. При этом достигается наиболее высокая коррозионная стойкость, но прочность сравнительно невысока. Для повышения прочности сталь подвергают пластической деформации в холодном состоянии.
Хромоникелевые стали аустенитного класса имеют большую коррозионную стойкость, чем хромистые, и их широко применяют в химической, нефтяной и пищевой промышленности, автостроении, транспортном машиностроении, а также в строительстве.
Жаропрочные стали и сплавы. К ним относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. На уменьшение прочности стали влияет не только само повышение температуры, но и длительность действия приложенной нагрузки. В последнем случае под действием постоянной нагрузки сталь «ползет», поэтому данное явление названо ползучестью. Для углеродистых и легированных конструкционных сталей ползучесть наблюдается при температурах выше 350°С. Факторами, способствующими повышению жаропрочности, являются:
высокая температура плавления основного металла; наличие в сплаве твердого раствора и мелкодисперсных частиц упрочняющей фазы; пластическая деформация, вызывающая наклеп; высокая температура рекристаллизации; рациональное легирование; термическая и термомеханическая обработка; введение в жаропрочные стали в долях процента таких элементов, как В, Се, Nb, Zn.
Жаропрочные стали и сплавы классифицируют по основному признаку –температуре эксплуатации. Для работы при температурах до 350…400°С применяют обычные конструкционные стали (углеродистые и низколегированные). Для работы при температуре 400…550°С применяют легированные стали перлитного класса, например 15ХМ, 12Х11МФ. Для этих сталей основной характеристикой является предел ползучести, так как они предназначены главным образом для изготовления деталей котлов и турбин, напримертруб паропроводов и пароперегревателей, нагруженных сравнительно мало,но работающих весьма длительное время (до 100 000 ч). Эти стали содержат мало хрома и поэтому обладают невысокой жаростойкостью (до 550…600°С). Для работы при температуре 500…600°С применяют стали мартенситного класса: высокохромистые, например 15Х11МФ для лопаток паровых турбин; хромокремнистые (называемые сильхромами), например 40Х9С2 для клапанов мототоров; сложнолегированные, например 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов, турбин. Для работы при температуре 600…750°С применяют стали аустенитного класса, разделяемые на неупрочняемые (нестареющие), например сталь 09Х14Н16В, предназначаемая для труб пароперегревателей и трубопроводов установок сверхвысокого давления, и упрочняемые (стареющие) сложнолегированные стали, например сталь 45Х4Н14В2М, применяемая для клапанов моторов, деталей трубопроводов, и сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС для лопаток газовых турбин. Жаростойкость сталей аустенитного класса 800…850 °С. Для работы при 800…1100°С применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе, например ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ для лопаток турбин. Эти сплавы стареющие и подвергаются такой же термической обработке (закалке и старению), как и стареющие стали аустенитного класса. Жаростойкость сплавов на никелевой основе до 1200°С.
B зависимости от основной структуры, получаемой при охлаждении стали на воздухе после высокотемпературного нагрева, коррозионностойкие и жаропрочные стали делят на шесть классов. К мартенситному классу относятся стали с основной структурой мартенсита. Они содержат до 17% Cr и небольшие добавки вольфрама, молибдена, ванадия и никеля. Это стали 15X5, 20X13, 15ХМ, 20ХМ и др. К мартенситно-ферритному классу относятся стали, содержащие в структуре, помимо мартенсита, не менее 10 % феррита. Эти стали содержат 11…17% Cr и небольшое количество других элементов. Содержание углерода не превышает 0,15%. Их термическая обработка заключается в закалке с отпуском либо в нормализации с отпуском. Это стали 12X13,14Х17Н2, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР. К ферритному классу относятся стали, имеющие структуру феррита. Они содержат малое количество углерода, до 30% Cr и небольшие добавки титана, ниобия и других элементов. Стали: 08X13, 12Х17Т, 15Х25Т, 15X28. К аустенитно-ферритному классу относятся стали, имеющие структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно менять в широких пределах. Стали: 20Х13Н4Г9, 09Х15Н8Ю, 07Х16Н6, 09Х17Н7ЮЖ, 08Х17Н5М3. К аустенитно-ферритному классу относятся также стали, имеющие структуру аустенита и феррита (феррита более 10 %). Особую группу сталей аустенитного класса составляют экономно легированные никелем и безникелевые стали.
Пружинная сталь применяется для производства упругих изделий, которые характеризуются возможностью восстанавливать свою первоначальную форму после скручивания и существенного изгиба.
1 Зачем нужна нержавеющая и обычная пружинная сталь?
Во многих современных механизмах, агрегатах и машинах рессоры и пружины, а также иные упругие детали выполняют очень важные функции. На такие элементы воздействуют переменные многократные нагрузки, что приводит к их деформированию. Понятно, что для нормальной работы механизма требуется, чтобы после подобных влияний деталь вернулась в свое исходное состояние (то есть она должна восстановить начальные геометрические размеры и форму).
Для изготовления деталей, которые при существенных ударных и статических нагрузках не испытывают остаточной деформации, и используются пружинные стали.
К ним выдвигается ряд требований. Во-первых, они должны противостоять релаксации напряжений, иметь высокие показатели текучести, упругости и выносливости. Во-вторых, такие сплавы обязаны качественно сопротивляться явлению хрупкого разрушения и характеризоваться достаточным уровнем пластичности.
Необходимый предел текучести различные марки пружинных сталей получают за счет их закалки, которая дополняется отпуском (он выполняется, как правило, при температурах от 300 до 480 градусов). Выбор именно такого интервала температур неслучаен. Доказано, что в данном случае предел упругости стали становится максимально высоким. А это как раз и требуется для рессорно-пружинных сплавов.
Описываемые нами марки стали применяются для изготовления упругих изделий с высоким показателем износостойкости:
- подающих и зажимных цанг;
- фланцев;
- тормозных лент;
- уже упомянутых рессор и пружин;
- корпусов подшипников;
- фрикционных дисков;
- упорных шайб;
- фланцев;
- разнообразных шестерней.
2 Рессорно-пружинные стали по ГОСТ 14959–79
Под таким сплавами понимают средне- и , а также стали с малым уровнем легирования. К легированным составам Государственный стандарт 14959 относит следующие марки: 70С2ХА, 65С2ВА, 60С2ХА, 50ХГФА, 50 ХФА, 50 ХГА, 60С2Г, 60С2А, 55С2А, 70Г, 60Г, 60С2Н2А, 60С2ХФА, 55С2ГФ, 51ХФА, 55ХГР, 50ХГ, 70С3А, 60С2, 55С2, 65Г. Углеродистые стали приведены далее: 65, 80, 70, 85, 75.
Две первые цифры в маркировке устанавливают в долях процента массовую часть (среднюю) углерода в конкретном сплаве. Литеры после цифр говорят о том, какие легирующие добавки имеются в композиции, а числа после них – о содержании элементов. Причем, если его количество менее 1,5 %, число не ставится; если содержание легирующего компонента более 2,5 %, ставится цифра 3; от 1,5 до 2,5 % - цифра 2.
Прокат из сталей пружинного класса (листы, нержавеющая полоса, шестигранник, квадрат и т.д.) делят на разные группы по следующим характеристикам:
- по химсоставу: высококачественная, качественная листовая , а также нормируемая по показателям (в последнем случае прокат дополнительно подразделяют на 14 категорий – от 1 до 4Б);
- по варианту обработки: полоса горячекатаная со шлифованной либо обточенной поверхностью, прокат со специальной отделкой, калиброванный, горячекатаный и кованый.
Пружинные стали содержат от 0,25 (углеродистые и среднелегированные сплавы) до 1,2 (60С2ХФА, 50ХГА и другие) процентов хрома, от 0,5 до 1,25 процентов марганца, от 0,17 до 2,8 (70С3А) процентов кремния, от 0,46 (50ХГ) до 0,9 (85) процентов углерода. Остаточного никеля в пружинном прокате (листовая сталь) должно быть не более 0,25 %, меди – до 0,20 %.
Отметим, что по химическому составу проверяется и нормируется любая обычная и нержавеющая сталь, из которой делаются упругие элементы. А вот другие характеристики для некоторых категорий являются ненормированными. Например, полоса категорий 1, 1А и 1Б не нормируется на показатель обезуглероженного слоя, прокаливаемость, механические величины на образцах, прошедших термообработку (закалка и отпуск).
3 Другие требования к пружинным сталям по ГОСТ
Относительное сужение проката варьируется в пределах от 20 (65С2ВА, 60 С2А) до 35 % (нержавеющая сталь 50 ХГФА), относительного удлинения – от 5 до 10 %, временное сопротивление – от 980 (сталь 65) до 1860 (65С2ВА) МПА, предел текучести – от 785 (60Г) до 1665 (65С2ВА) МПа.
Кованая и горячекатаная проволока, полоса и прутки обязательно обрезаются. При этом не допускается загиб проката, заусенцы. В тех случаях, когда резка выполняется под молотами либо на прессах, полоса и прутки могут иметь на своих торцах несущественные смятия. Впрочем, потребитель имеет право потребовать устранения данного изъяна.
Общее обезуглероживание по своей глубине может быть следующим:
- для легированных кремнием сплавов – 2,5 % (при толщине либо сечении проката менее 8 мм), 2 % (более 8 мм);
- для остальных – 2 и 1,5 %.
Без обезуглероженного слоя производят горячекатаные круглые прутки.
Пружинные стали 55С2 и 55С2А, 50ХГА, 50ХГ и 50ХГФА, 60С2А и 60С2 исследуются на показатель аустенитного зерна. По Госстандарту 5639 он должен быть не выше пятого номера (для 50ХГФА – не выше шестого).
Потребитель может потребовать, чтобы описываемая нами сталь (марки могут быть разными) выпускалась:
- с регулированием мартенситных участков;
- с контролированной микроструктурой;
- со сниженным минимумом и максимум содержания углерода;
- с проверкой на усталость;
- с установлением предела упругости;
- с ограниченными показателями загрязненности сплавов неметаллами.
4 Особенности рессорно-пружинных сталей
Высоко- и среднеуглеродистые марки таких сталей упрочняются посредством пластической холодной деформации, предполагающей использование гидроабразивных и дробеструйных технологий. При подобном виде обработки напряжения сжатия (остаточного вида) наводят на поверхность изделий.
Практически любая пружинная сталь (нержавеющая, без специальных антикоррозионных свойств) должна пройти процедуру прокаливаемости по сквозной методике. За счет этого готовая продукция по всему своему сечению будет иметь структуру троостита.
Закалка в масле при температуре 820–870 градусов, сочетаемая с отпуском при 400–480 градусах обеспечивает увеличение предела упругости – важнейшей эксплуатационной характеристики описываемых сталей. Нередко применяется и изотермическая закалка, гарантирующая не только высокую упругость, но еще и повышенные показатели пластичности, прочности и вязкости материала.
Нержавеющая полоса и проволока из сталей 70 и 65 наиболее часто используются для производства автомобильных пружин. В транспортной сфере также активно применяются кремнистые марки пружинного проката – 60С2А, 70С3А и 55С2. В принципе, они склонны к обезуглероживанию, что уменьшает показатели их упругости и выносливости. Но за счет добавок хрома, ванадия и некоторых других элементов все эти потенциальные угрозы нивелируются.
- пружины для разных механизмов и установок машино-, тракторо- и автомобилестроительной отраслей – 55С2, 50ХФА, 50ХГ, 50ХГА;
- тяжелонагруженные пружины – 60 С2Г, 60С2А, 60С2, 60С2Н2А, 65С2ВА;
- износостойкие плоские и круглые пружины (используется полоса), функционирующие при высоких вибрациях – 80, 85, 75.
Добавим напоследок, что описанные нами марки стали имеют два недостатка:
- плохую свариваемость (по сути, любой вид сварки не дает ожидаемых результатов, когда речь идет о пружинных сталях);
- сложность резки (операцию выполнять можно, но обрабатываемость пружин и других элементов таким способом минимальная).