Марки рессорно-пружинной стали, применяемые в промышленности. Особенности производства пружинной стали

Особенность работы пружин, рессор и упругих элементов состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация . В связи с этим пружинные сплавы дополнительно к другим свойствам, должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям .

Рессорно-пружинные углеродистые и легированные стали имеют высокий модуль упругости, ограничивающий упругую деформацию. Они недорогие и достаточно технологичные, применяются для изготовления жестких (силовых) упругих элементов в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте, станкостроении, для силовых упругих элементов приборов. Часто эти материалы называют пружинными сталями общего назначения . Стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5-0,7%), которые подвергаютзакалке и среднему отпуску при температуре 420-520°С, образуется структура троостита .

Углеродистые стали (65, 70, 75, 80, 85, 6ОГ, 65Г, 70Г) характеризуются невысокой релаксационной стойкостью, особенно при нагреве. Они не пригодны для работы при температурах выше 100°С. Из-за низкой прокаливаемости, из них изготавливают пружины небольшого сечения. s В =1000-1200 МПа, d=5-8%.

Легированные рессорно-пружинные стали относятся к перлитному классу. Основными легирующими элементами в них являются кремний (1-З%), марганец (1%), а в сталях более ответственного назначения - хром (1 %), ванадий (0,15%) и никель (1,7%). Легирование (за исключением кремния и марганца) мало влияет на предел упругости - главное свойство этих сталей. Более существенно оно проявляется в повышении прокаливаемости, релаксационной стойкости, предела выносливости.

Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70СЗА стойки к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию - опасному поверхностному дефекту, снижающему предел выносливости. В кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно. s В =1300-1800 МПа, s 02 =1100-1600 МПа, d=5-8%.

Стали 50ХФА, 50ХГФА, которые по сравнению с кремнистыми и кремнемарганцевой сталями подвергают более высокому нагреву при отпуске (520°С), обладают теплостойкостью, повышенной вязкостью, меньшей чувствительностью к надрезу. Они предназначены для рессор легковых автомобилей, клапанных и других пружин ответственного назначения, которые могут работать при температурах до 300°С.

Стали 60С2ХА и 60С2Н2А применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор. Механические свойства сталей определяются содержанием углерода и температурой отпуска. Отпуск проводят при температуре несколько более высокой, чем та, которая отвечает максимальному пределу упругости, что необходимо для повышения пластичности и вязкости.

Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2Н2А: s В =1800 МПа; s Т = 1600 МПа: d>5%, y >20%. Предел упругости составляет s УПР =880-1150 МПа. а твердость HRC 38-48. При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и др.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении - 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5-2 раза.

Подшипниковая сталь .

Подшипники качения работают, как правило, при низких динамических нагрузках, что позволяет изготовлять их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей после сквозной закалки и низкого отпуска. Для изготовления шариков, роликов и колец подшипников применяют недорогие технологичные хромистые стали ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС и ШХ20ГС, содержащие примерно 1% С. В обозначении марок буква Ш означает шарикоподшипниковую сталь; Х - наличие хрома; цифра - его массовую долю в процентах (0,4; 1,5;2,0); С, Г - легирование кремнием (до 0,85%) и марганцем (до 1,7%). Сталь поставляют после сфероидизирующего отжига со структурой зернистого перлита (НВ 1790-2170) и повышенными требованиями к качеству металла. В стали строго регламентированы карбидная неоднородность и загрязненность неметаллическими включениями.

Для изготовлениявысокоскоростных подшипников применяют стали после электрошлакового переплава (к марке таких сталей добавляют букву Ш, например, ШХ15-Ш), отличающиеся наиболее высокой однородностью структуры. Такие стали необходимы также для изготовления высокоточных приборных подшипников.

Детали подшипников подвергают типичной для зазвтектоидных сталей термической обработке: неполной закалке от 820-850°С в масло и низкому отпуску при 150-170°С. После закалки в структуре сталей сохраняется остаточный аустенит (8-15%, превращение которого может вызывать изменение размеров деталей подшипников. Для их стабилизации прецизионные подшипники обрабатывают холодом при -70-80°С. Окончательно обработанная подшипниковая сталь имеет структуру мартенсита с включениями мелких карбидов и высокую твердость (HRC 60-64).

Детали крупногабаритных роликовых подшипников диаметром 0,5-2 м (для прокатных станов, электрических генераторов) изготовляют из сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А, подвергая их цементации на большую глубину (3-6 мм). Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкую хромистую сталь 95Х18 (0,95% С, 18% Сг).

При выборе ножа очень важно учитывать материал, из которого он изготовлен. Ведь для выполнения различных функций лезвие должно быть не только острым, но и прочным. К тому же, нужно обращать внимание, чтобы клинки не тупились и не гнулись при незначительной нагрузке. Эти свойства зависят от материала, из которых изготовлены ножи . В зависимости от задач, которые нож должен выполнять, будь то нож для разделки, охотничий или туристический , отличаются и характеристики материала.

Ножи из рессоры , несомненно, были самыми популярными среди людей, мало-мальски имеющих отношение к машинам. Их действительно изготавливали из рессор старых автомобилей, поскольку это был один из самых доступных материалов. При этом ножи использовались, как на кухне для резки продуктов , так и для бытовых нужд.

Сейчас рессорная сталь не сдает своих позиций и довольно распространена в производстве ножей.

Почему именно рессора автомобиля?

Во-первых, благодаря «идеальности» наших дорог, этот элемент ходовой часто приходил в негодность, поэтому и славился своей доступностью, и его часто можно было встретить на дорогах и в гаражах простых граждан.

Во-вторых, в конструкции рессоры используется несколько листов углеродистой стали. Вот из этих листов в домашних условиях можно было изготовить множество ножей.

В-третьих, рессорная сталь обладает высокой эластичностью, поэтому ее обработка возможна для всех желающих, имеющих минимальный набор инструментов и приспособлений.

В чем же особенность ножа из рессоры?

Здесь, в первую очередь, нужно упомянуть об особенностях стали, из которой изготовлен клинок. В производстве ее называют конструкционной рессорно-пружинной сталью 65Г, и, как понятно из названия, ее применяют в изготовлении пружин, пружинных рессор, шайб и других деталей, работающих без ударных нагрузок. Она считается одной из самых дешевых марок углеродистой стали, однако она обладает хорошей гибкостью и ударной вязкостью, что облегчает процесс ее обработки. К тому же этому виду материала присуща хорошая твердость, что играет не последнюю роль при выборе ножа .

Наличие в стали кремния, марганца, хрома и никеля обеспечивает высокую упругость и закаливание. В качестве антикоррозийной защиты применяют оцинковку. Однако на практике этого оказывается недостаточно, и самым большим недостатком этого материала остается высокая склонность к коррозии. Все же сталь 65Г обладает большими преимуществами, и получила широкое применение в производстве различных инструментов, для которых важной особенностью является износостойкость.

Применение рессорной стали

Из-за своей универсальности, обусловленной характеристиками стали, нож из рессоры изготавливается как в домашних условиях, так и серийно. Это могут быть кухонные ножи, которые прекрасно режут продукты и разделывают мясо, армейские, туристические и ножи для выживания , способные открыть жестяную банку консервов либо заточить кол.

Из стали 65Г производят также цельнометаллические мачете и топоры, поскольку их клинки отлично подходят для рубки. Из рессорного листа недорого и быстро можно выковать меч, и многие реконструкторы используют эту сталь в своем хобби. К сожалению, рессорная сталь является ржавеющей, поэтому она не подходит для подводного плавания .

Кухонный нож

Широкое использование нож из рессоры получил на кухне. Тогда многие имели доступ к этому материалу и пытались использовать его как можно максимально. Хорошие ножи серийного производства иногда были не по карману обычной семье, но для резки продуктов дорогие приборы и не требовались. Поэтому, из рессор мастерили универсальные ножи и с разнообразными самодельными рукоятями из эпоксидной смолы, дерева или обычной изоленты. Такие ножи не славятся выдающимися характеристиками, но со своей задачей справляются отлично.

Туристический нож

Нож из рессоры прекрасно подойдет для применения в диких условиях. Обычно нагрузка на него невелика. Но, стоит учитывать, что если сталь была недостаточно закалена, клинок затупится на первой же консервной банке. Заточить кол не представляет проблемы для такого ножа, однако следует остерегаться влаги - рессорная сталь подвержена коррозии.

Армейский нож

Прекрасные свойства рессорной стали позволяют создать хорошие тактические ножи . Благодаря прочности этого металла, они без проблем разрезают веревки, ткань, их можно использовать для бытовых целей, а также при спасательных работах. Но все же, в военных условиях предпочтение отдается ножам из нержавеющей стали.

Топор, мачете, меч

Что касается орудий посолидней, то для их изготовления необходима как листовая сталь, так и специально приобретенная на производстве. Сталь 65Г обладает такой прочностью, что используется в ковшах бульдозера, скрепераи другой техники. Понятно, что на прочность материала влияет и толщина, поэтому для изготовления более крупных орудий потребуется рессора от грузовика или специально заказанная на заводе.

При правильной обработке и надлежащем уходе из рессорной стали выходят отличные топоры, которые пригодятся в хозяйстве для рубки небольших предметов. Из длинного листа получится и такое экзотическое орудие как мачете , которое с легкостью справится с ветками или кустарниками. Благодаря хорошей ударной вязкости стали 65Г, в домашних условиях можно изготовить даже самый передовой мачете, прямой, изогнутый или с зазубринами. Таким же образом происходит и изготовление меча.

Изготовление ножа из рессоры дома

Как уже отмечалось, благодаря доступности и простоте обработки, ножи из рессорной стали можно изготавливать в домашних условиях. На первый взгляд, в этом нет ничего сложного, но все же нужно знать некоторые особенности, влияющие на качество выходного продукта. В Интернете можно найти множество видео с описанием процесса ковки, закаливания клинка и изготовления рукояти.

В целом, из рессорной стали можно изготовить как профессиональное холодное оружие с замечательными характеристиками и изящной формы, так и обычные ножи для бытовых нужд, которые не уступают в долговечности и прочности.

Для начала следует определиться, для каких целей, и что именно будет сделано. Если это кухонный нож, то подойдет любой лист. А если вы хотите изготовить мачете, меч или топор, то лучше выбрать рессору от грузовой машины. Конечно, для изготовления ножей с лучшими характеристиками лучше приобрести сталь на производстве. Для бытовых целей пригодитсястарый использованный материал. Рессорный лист может быть толщиной от 5 до 8 мм, в зависимости от автомобиля. Сталь для грузовых машин традиционно крепче, поэтому ее следует использовать для длинных крепких клинков.

Следующим шагом может быть обычная заточка одного или обоих краев рессоры. Если нужно сделать изделие тоньше, для этой задачи подойдет крупный наждак или камень для заточки. Конечно, данная процедура займет немало времени, но результат того стоит.

С помощью ковки создается форма ножа и меняется его ширина. Закалка стали улучшает качество материала, нагревание в масле придает ей черный цвет (воронение), что также дает дополнительную защиту от коррозии. К тому же, ножи из вороненой стали выглядят очень эффектно.

Рессорная сталь для ножа позволяет с легкостью наносить на клинок гравировку или создавать на нем желоба. По желанию можно выполнить клинок с односторонней или двухсторонней заточкой. Также очень важной деталью в ноже является рукоять. Она должна быть удобной для руки и может быть выполнена из эпоксидной смолы, дерева, металла и кости.

Даже с учетом недостатков рессорной стали 65Г, она не потеряла своей популярности и позволяет изготовлять ножи для различных нужд, которые славятся прочностью и долговечностью.

Прочитали 2296 раз(а)

Сталь, обладающая высоким пределом упругости (текучести).

Для получения высоких упругих характеристик рессорно-пружинные стали подвергают закалке с последующим среднетемпературным отпуском для получения в структуре троостита. Для достижения более высоких эксплуатационных характеристик используют стали, легированные кремнием, хромом и ванадием.

Характерным признаком рессорно-пружинных сталей является наличие в них углерода в количестве 0,5…0,8 %. По составу эти стали могут быть как углеродистыми, так и легированными. Рессорно-пружинные стали, прежде всего, должны обладать высоким пределом текучести, что обеспечивает высокие упругие свойства. Это достигается закалкой с последующим средним отпуском. Температура отпуска должна выбираться в пределах 350–500 °С (иногда, в зависимости от состава и назначения может доходить и до 600 °С). Кроме того, они должны обладать высоким пределом выносливости и достаточно высоким пределом прочности. А вот пластичность этих сталей должна быть пониженной (5–10 % по относительному удлинению и 20–35 % по относительному сужению). Это связано с тем, что в рессорах и пружинах не допускается пластическая деформация.

Углеродистые стали используются для изготовления пружин небольшого сечения, работающих при невысоких напряжениях. Закалка этих сталей проводится в масле. В таблице 1 приведены режимы термической обработки, механические свойства (минимальные) и предел выносливости (расчетный) для углеродистых сталей.

Чаще для изготовления рессор и пружин используются кремнистые стали с концентрацией кремния 2 % (50С2, 55С2 и 60С2). Кремний в таких сталях задерживает распад мартенсита при отпуске, что приводит к повышению предела текучести и, стало быть, к повышению упругих характеристик. Условный предел текучести (σ 0,2) этих сталей составляет 1100–1200 МПа, предел прочности – 1200…1300 МПа, относительное удлинение 6 %, относительное сужение 30–25 % и предел выносливости, рассчитанный по условному пределу текучести, составляет 42–44 МПа.

К недостаткам этих сталей следует отнести их склонность к обезуглероживанию и образованию поверхностных дефектов в процессе горячей обработки, приводящих к снижению предела выносливости. В целях предотвращения образования указанных дефектов, кремнистые стали дополнительно легируют хромом, марганцем, ванадием, никелем и вольфрамом.

Режимы термической обработки кремнистых рессорно-пружинных сталей приведены в таблице 2.
Стали марок 50С2, 55С2, 60С2 и 70С3А можно использовать для изготовления пружин и рессор диаметром или толщиной до 18 мм. Они проявляют стойкость к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию, приводящему к снижению предела выносливости.

Сталь 60С2ХА идет для изготовления крупных пружин ответственного назначения. При закалке в масле она прокаливается на глубину до 50 мм. Недостатком этой стали является ее склонность к обрыву в процессе волочения.

Стали марок 60С2Н2А и 60С2ХФА обладают более высокой прокаливаемостью (до 80 мм) и применяются для изготовления пружин особо ответственного назначения. При этом сталь 60С2Н2А обладает наилучшим сочетанием технологических и эксплуатационных свойств. Общий недостаток кремнистых рессорно-пружинных сталей заключается в их повышенной чувствительности к внешним поверхностным дефектам (царапины, риски, забоины), играющим роль концентраторов внутренних напряжений, вследствие чего снижается предел выносливости. Поэтому в настоящее время в практике широко применяются бескремнистые рессорно-пружинные стали.

При одной и той же концентрации углерода, что и у кремнистых сталей, кремний в них заменяется следующими возможными сочетаниями легирующих элементов: хром + марганец, хром + ванадий, хром + марганец + ванадий, хром + марганец + бор. Например, 50ХГ, 50ХФ, 50ХГФ, 55ХГР. Эти стали обладают повышенной вязкостью и менее чувствительны к надрезу. ля повышения эксплуатационных характеристик, особенно для пружин, работающих при длительных знакопеременных нагрузках, назначают обдувку поверхности пружин дробью. Возникающие при этом в поверхностном слое напряжения сжатия приводят к повышению предела выносливости.

Наиболее высокие механические и эксплуатационные характеристики можно получить в процессе холодной протяжки предварительно патентированной проволоки, диаметром до 2 мм из углеродистой стали, подвергавшейся высоким степеням обжатия (70–90 %).

Процесс патентирования проводится между протяжками. Он заключается в нагреве проволоки на 50–100 °С свыше точки Ас 3 с последующим охлаждением в ванне с расплавленным свинцом. Температура расплава должна составлять 450–550 °С. В результате такой термической обработки происходит изотермический распад аустенита с образованием тонкопластинчатого сорбита.

Рессорно-пружинная сталь имеет большой предел текучести, что собственно и обуславливает сферу ее использования. Наряду с высокими значениями упругости, данный тип стали обладает также внушительными пределами прочности и выносливости.

Основные характеристики

Процентное содержание углерода в рессорно-пружинной стали составляет от 0,5 до 0,8%. Эта разновидность сталей может быть как легированной, так и углеродистой. Необходимая упругость достигается посредством закалки и, соответственно, последующего отпуска. Диапазон температур отпуска варьируется в пределах от 350 до 500°С. Кроме того, с учетом состава металла и условий предстоящей эксплуатации изготовленной из него детали, вышеозначенные температурные показатели могут достигать 600°С. В то же время пластичность рессорно-пружинной стали должна быть небольшой: относительное удлинение от 5 до 10%, а сужение от 20 до 35%. Связано это требование с тем, что в пружинах и рессорах пластическая деформация является недопустимым явлением. На данный момент широко распространены рессорно-пружинные стали, в составе которых нет кремния. В то время как концентрация углерода остается той же, что и у кремнистой стали, на замену кремнию приходят различные сочетания легирующих компонентов (хром, бор и марганец; хром и ванадий; хром и марганец; хром, ванадий и марганец). Стали марок 50ХГФ, 50ХГ, 50ХФ и 55ХГР имеют меньшую восприимчивость к надрезу и повышенную вязкость.

Применение

Сфера применения рессорно-пружинных углеродистых сталей – это пружины с небольшим сечением, эксплуатирующиеся в условиях незначительных напряжений. При изготовлении таких пружин и рессор (диаметром сечения до 18мм) наиболее востребованы кремнистые стали (до 2% кремния в составе) марок 70С3А, 60С2, 55С2 и 50С2. Хотя они и тяготеют к обезуглероживанию (тем самым снижается предел выносливости), но достаточно устойчивы при нагреве к росту зерна. Для больших пружин, устанавливаемых на самых ответственных участках, подходит сталь марки 60С2ХА, которая прокаливается в масле на значительную глубину. Единственный недостаток такой стали – возможные обрывы при волочении. Более высокие значения глубины прокаливания (до 80 мм) у сталей марок 60С2ХФА и 60С2Н2А, демонстрирующих оптимальное сочетание характеристик. Область использования этих сталей – производство пружин, подвергающихся серьезным нагрузкам и выполняющим наиболее ответственные задачи.

Уникальность

Высокие значения упругости достигаются посредством закалки рессорно-пружинной стали в масле и с ее последующим отпуском при средней температуре (с образованием в структуре металла троостита). Необходимый эксплуатационный потенциал обеспечивается за счет легирования стали хромом, кремнием и ванадием. Лучшие механические свойства получаются при холодной протяжке патентированной проволоки из углеродистой стали (диаметр сечения до 2 мм), подвергнутой обжатию до 70-90%. При патентировании проволока нагревается до определенных температур, а затем охлаждается в ванне с расплавом свинца, в результате чего распадается аустенит и образуется тонкопластинчатый сорбит.

Конструкционная рессорно-пружинная сталь 65Г, выпускается по ГОСТ 14959 и отличается высокой упругостью и износостойкостью. Не зря данная сталь используется для изготовления пружин, корпусов подшипников и рессор и... для ножей. Конечно, это не лучший вариант для кухонных, охотничьих, туристических и подобных ножей, но есть две группы клинкового оружия, для которых 65 Г является наилучшим вариантом. Догадались? Конечно, это метательные ножи и турнирные мечи...

На фото метательные нож «Твист» с цельнометаллическим клинком из стали 65Г

Расшифровка стали

Здесь всё просто. (Г) - это легирующий элемент «марганец». (65) - процентное содержание углерода в сплаве в сотых долях. Марганец в составе стали призван увеличить её упругость и сопротивление разрыву, что для спортивных метательных ножей имеет очень важное значение.

Характеристики стали (кратко)

• Износостойкость
• Вязкость
• Прочность
• Упругость
• Сопротивление разрыву
• Ножи показывают хороший рез (хотя для метательных ножей это ни к чему)
• Относительно низкая стоимость

Сталь для турнирного оружия

Всё вышеперечисленное актуально не только для изготовления метательных ножей, но и для производства турнирного оружия (мечи, шашки и т.п.).

На фото: Турнирное оружие для фестиваля «Богатырские забавы» в парке «ОружейникЪ» (Златоуст) было изготовлено как раз из стали 65Г.

Минусы

Как отмечали выше, сталь относиться к углеродистой группе и подвержена коррозии. Поэтому не забываем два важных правила: держим клинки в сухости и чистоте и периодически смазываем касторовым малом. Уход за ножами из стали 65Г сравним с уходом за ножами из дамасской стали .

Химический состав

Режимы термообработки

Температурный интервал закалки стали 65Г находится в пределах 800-830 °С. Последующий высокий отпуск в режиме 160-200 °С с дальнейшим охлаждением на спокойном воздухе позволяют получить на выходе твердость стали в пределах 45-47 HRC. Данная марка стали не боится перегрева, однако при закалке в верхних температурных значениях ударная вязкость стали начинает снижаться.

Резюмируем

Клинки из стали 65Г широко используются для изготовления метательного, спортивного оружия, турнирных мечей, а также секачей, топоров и мачете. В общем там, где важна стойкость клинкового оружия к ударным нагрузкам, а также невысокая стоимость таких изделий. Например, все метательные ножи компании «АиР » из Златоуста изготовлены именно из стали 65Г.