Пружинные стали - характеристика, марки, применение

Общая характеристика

Ключевыми особенностями всех марок пружинных сталей являются:

• Химический состав, в частности, содержание углерода (его должно быть не менее 0,55…0, 60 %), а также ограничения по наличию никеля;
• Специальные режимы термической обработки, позволяющие поднять значения предела упругости материала;
• Высокая устойчивость от сдвигающих напряжений, возникающих в процессе эксплуатации.

Высокое содержание углерода обеспечивает рессорно-пружинным материалам самые высокие показатели усталости и эластичности. Этим обеспечивается большая долговечность при сохранении прочностных показателей. Наличие малого количества никеля (оно не должно превышать 0,40%) препятствует излишней пластичности, что может привести к соответствующей потере упругости.

Из-за повышенного содержания углерода все рассматриваемые материалы обладает высоким пределом текучести. Эта характеристика позволяет использовать их в продукции общего назначения.

Классификация таких сталей насчитывает три группы:

• Со сравнительно малым содержанием углерода (до 0,45 %) повышенной пластичности, которые с целью повышения твёрдости после деформирования можно подвергать термообработке.
• Среднеуглеродистые, в составе которых имеется до 0,65 % углерода. Такие стали перед штамповкой подвергают сфероидизирующему отжигу.
• С более высоким содержанием углерода, которые обязательно проходят сфероидизацию. После неё они приобретают наибольшую упругость и сопротивление ударным/усталостным нагрузкам.

Рессорно-пружинные стали поставляются в сортаменте проволоки, листа, а также пространственных прокатных профилей – уголков, двутавров, швеллеров.

Виды и области применения

Из названия следует, что область использования данных материалов ограничивается производством пружин, рессор, ножей и прочей продукции машиностроительного назначения, от которой требуется оптимальное сочетание прочности и упругих свойств. Однако имеются и другие, более экзотические сферы применения данного типа металла.

Пружинные стали издавна используются для изготовления музыкальной проволоки, которая чаще всего встречается в фортепиано. Музыканты используют пружинную сталь в пианино потому, что струну для фортепиано нужно очень хорошо натягивать, причём таком состоянии она должна выдерживать постоянные удары молоточков клавиш.

Пружинная сталь используется также и для производства гитарных струн.

Доспехи и мечи актёров, которые снимаются в популярных средневековых фильмах или сериалах также производятся из пружинной стали. Они должны быть достаточно легкими, чтобы актер мог свободно двигаться, сохраняя при этом достоверность создаваемого им образа. Ведь значительно легче размахивать мечом из пружинной стали, чем оружием, которое отковано из железа или других тяжёлых металлов. Самое приятное то, что броня и оружие, которые вы видите на большом экране, полностью идентична тем, которые носили победители рыцарских турниров или обычного в те времена рукопашного боя.

Маркировка пружинных сталей

Особой маркировки данного металла ГОСТ 14959-2016 не предусматривает. Условные буквенные обозначения химических элементов, которые входят в состав, остаются общепринятыми. Дополнительная маркировка касается лишь металлургических технологий получения. Например, общеупотребительная пружинная сталь марки 55С2ГФА означает, что это высококачественная сталь, имеющая более жёсткие требовании я по составу входящих в неё химических элементов ( в данном случае – кремния, марганца и ванадия), а также с более жёсткими допусками по макроструктуре.

Кроме этого, в качестве последнего обозначения маркировки могут быть указания на способ производства, сортамент поставки (для проволоки – НМД), способ термической обработки (если есть, то ТО), а также на наличие или отсутствие специальной отделки поверхности (буквы от Б до Д).

Производство и термомеханическая обработка

Поскольку сравнительно большое содержание углерода создаёт трудности при пластическом формоизменении рессорных сталей (в частности, штамповка изделий из них производится преимущественно после нагрева), то часто перед обработкой данные материалы подвергают сфероидизации.

Сфероидизация - это форма термообработки средне- и высокоуглеродистых сталей, с целью превращения их в более пластичные и поддающиеся механической обработке заготовки. Процесс проводится при температурах, которые немного ниже температуры эвтектоида (температура, при которой структура представляет собой твёрдый раствор, а не жидкость). после этого следует медленный процесс охлаждения.

Полученная микроструктура содержит сфероидальные частицы цементита. Сфероидит известен, как наиболее пластичная и поддающаяся механической обработке форма.

Длительное нагревание при температуре ниже температуры эвтектоида способствует образованию перлита. Такая структура с наименьшим энергопотреблением превращается в феррит и цементит. Графитовые частицы в стали принимают сфероидальную форму, и после продолжительного нагрева разрушаются, образуя шаровой цементит.

Все структурные составляющие располагаются как можно дальше друг от друга. Это существенно повышает пластические характеристики, хотя и достигается длительностью обработки.

Преимущества сфероидизации:

• повышается пластичность высокоуглеродистых сталей;
• структура сфероидита снижает энергию, необходимую для последующих операций;
• улучшается обрабатываемость.

Обязательная сфероидизация сталей пружинного класса характерна также для производства деталей железнодорожных путей, стрелочных переводов, ободов колёс, мостовых кабелей и т.п.