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 ст_в= 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 (а_в) 160 кгс/мм², но вязкость (а_д) 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