Пружинные стали
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:
Основные механические
свойства рессорно-пружинной стали после специальной термической обработки.
Марка стали
|
Рекомендуемый
режим
термической
обработки
|
Механические
свойства
|
|
σт ,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
|
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
|
|
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:
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.splav.kharkov.com/choose_mat.php?class_id=20