Нефть и песок О стали Компрессор - подбор и ошибки Из истории стандартизации резьб Соперник ксерокса - гектограф Новые технологии производства стали Экспорт проволоки из России Прогрессивная технологическая оснастка Цитадель сварки с полувековой историей Упрочнение пружин Способы обогрева Назначение, структура, характеристики анализаторов Промышленные пылесосы Штампованные гайки из пружинной стали Консервация САУ Стандарты и качество Технология производства Водород Выбор материала для крепежных деталей Токарный резец в миниатюре Производство проволоки Адгезия резины к металлокорду Электролитическое фосфатирование проволоки Восстановление корпусных деталей двигателей Новая бескислотная технология производства проката Синие кристаллы Автоклав Нормирование шумов связи Газосварочный аппарат для тугоплавких припоев

Упрочнение пружин

Современные пружинные материалы и их свойства

Условия работы и технология изготовления пружин обусловливают специфические требования к пружинным материалам, которые должны наряду с устойчивыми во времени упругими свойствами обладать значительной прочностью, выносливостью, а также достаточной пластичностью.

При изготовлении из неупрочненных материалов пружины подвергают закаливанию и отпуску.

Для упрочнения самой проволоки применяют в основном два способа: мартенситное превращение в результате закаливания и отпуска и деформационный наклеп в процессе волочения. Для обеспечения возможности достижения высоких степеней деформации при последних переходах волочения сталь предварительно подвергают патентированию, заключающемуся в нагреве до аустенитного состояния и охлаждению в расплавленном свинце или соли.

Этот способ длительное время охранялся патентом, отсюда часто применяемый термин «патентированная проволока».

Из этой группы материалов в машиностроении широко применяют стальную углеродистую пружинную проволоку по ГОСТ 9389- 85 круглого сечения диаметром от 0,14 до 8 мм. В зависимости от механических свойств установлены четыре класса проволоки:

-I, II, IIа, III.

Проволока I класса - наиболее прочная. Для пружин автомобилей ВАЗ отечественной промышленностью освоены новые марки нагартованной и закаленной проволоки по ТУ ФИАТ-ВАЗ. Из них наибольшее применение находят нагартованная проволока из стали 70 и У8ГА и закаленная проволока из сталей 70 экстра и 70ХГФА. Последняя близка по свойствам отечественной проволоке 50ХФА, применяемой для пружин клапана двигателей внутреннего сгорания.



Из материалов, предназначенных для холодной или горячей навивки с последующим закаливанием и отпуском готовой пружины, наибольшее распространение получили прутки или проволока по ГОСТ 14963-81. Для ее изготовления применяют кремнистые или хромованадиевые стали 60С2А, 70СЗА, 65С2ВА, 51ХФА и др. Также для удешевления производства нашли широкое применение марганцовистые пружинные стали 65Г, 65ГА, более дешевые, но склонные к образованию закалочных трещин.

В последние годы все больше находят применение пружинные материалы, прошедшие высокотемпературную механическую обработку (ВТМО).

При пластических деформациях происходит диспергирование структурных составляющих и их фрагментация. Увеличение плотности дислокаций приводит к упрочнению проволоки, а образование ячеистой структуры с незначительной разориентировкой субзерен способствует повышению ее пластических свойств. Последующее закаливание наследует эту благоприятную структуру, если оно проведено не позднее нескольких секунд после пластической деформации.

При изготовлении пружин следует различать механические и качественные свойства исходного материала и аналогичные свойства пружины или материала готовой пружины. При изготовлении пружины из заранее упрочненного материала многие характеристики остаются почти без изменений по отношению к исходному материалу. Например, твердость, условный предел текучести, относительное сужение, предел прочности и деформация при разрушении, качество поверхности, глубина дефектов на поверхности, микроструктура и др.

При изготовлении из неупрочненных материалов холодной или горячей навивкой эти характеристики резко изменяются после закаливания и дополнительного упрочнения.



Наиболее важной характеристикой, влияющей на несущую способность пружин, закаливаемых после навивки, является твердость HRC.



Например, по ГОСТу 13772 пружины III класса разряда 3 из стали 60С2А закаливаются на твердость HRC 46-52, что соответствует пределу прочности материала ав= 173-197 кгс/мм2.

Практика производства пружин показала, что при такой высокой твердости часто случаются поломки пружин хрупкого характера, т.е. пружины с высокой твердостью становятся слишком чувствительны к концентраторам напряжений, связанных с дефектами поверхности проволоки.

Поэтому реальный диапазон их твердости, применяемый для пружин отечественного машиностроения, HRC = 42-45, что соответствует пределу прочности материала ав =140-176 кгс/мм2.

В работах В.Н. Шалина и в закрытых трудах Центрального научно-исследовательского института материалов (ЦНИИМ, Санкт-Петербург, разработчик действующих ГОСТов на пружины) приводятся результаты многолетних и многочисленных исследований по связи между пределом прочности и твердостью для пружинных материалов:

Ов = 0,13(HRC)2-5,8(HRC)+155

Практика показала достаточно высокую точность этой формулы, и не только для пружинных материалов.

Современная технология термообработки пружин (закаливание + отпуск) не позволяет получить узкий диапазон твердости и соответствующий ему диапазон предела прочности.

По этой причине расчет пружин производят при минимально допустимой прочности и твердости из назначенного по чертежу диапазона их значений. Технологических проблем здесь не возникает.

Значительное рассеивание предела прочности материала до изготовления пружины недопустимо, так как при этом происходит нестабильное формообразование. Величина упругой отдачи при гибке и навивке прямо пропорциональна пределу прочности материала. Это касается и заранее упрочненной проволоки, и материалов, упрочняемых термообработкой после навивки. Не случайно по ГОСТ 9389-85 все материалы разбиты на три группы с более узким диапазоном пределов прочности.

Например, применением проволоки I класса с более высоким пределом прочности, нужна оправка меньшего диаметра. Если применить проволоку II класса, то диаметр оправки нужно увеличить. Не в меньшей степени это важно и для материалов, закаливаемых после навивки.

Стабильность механической прочности по длине проволоки от партии к партии - гарантия выдерживания допусков при формообразовании, особенно тех размеров, которые зависят от упругой отдачи. Поэтому для изготовления пружин из сталей, закаливаемых после навивки, часто проводят стабилизационный отжиг в колпаковых печах с защитной атмосферой.

Пружинные материалы также характеризуются другими регламентированными и нерегламентированными параметрами, непосредственно влияющими на технологические и эксплуатационные характеристики.

Кратко остановимся на наиболее важных из них.

Относительное сужение и деформация до разрушения.

Эти показатели характеризуют пластические свойства и определяются при испытаниях на растяжение, при определении числа скручиваний и перегибов до растрескивания, а также при испытаниях на навивку.

Например, проволока, упрочненная до навивки по ГОСТ 9389 и по ГОСТу 1071, диаметром до 4 мм не должна расслаиваться и ломаться при навивке пяти витков на стержень с диаметром, равным диаметру проволоки.

Стабильность упругих свойств пружинных материалов или самих пружин проверяют при холодном или температурном заневоливании пружин на 24-48 часов. Процент потери нагрузки не должен превышать заданного по ТУ.

В наибольшей степени на стабильность упругих свойств влияет уровень напряжений, заданный по чертежу, а также технологические параметры упрочнения пластическим деформированием сечения или поверхности витков.

Наибольшей устойчивостью к релаксации напряжений при температуре (испытания на крип) обладают пружинные стали с содержанием ванадия (50ХФА, 70ХГФА и др.).

Наименьшей устойчивостью к релаксации нагрузки даже при обычной температуре обладают пружины, изготовленные из высоконагартованной проволоки I класса по ГОСТу 9389.

Динамическая прочность, выносливость или долговечность - важнейший показатель пружин с многоцикловой нагрузкой.

Существуют способы определения выносливости проволоки, но чаще всего испытывают на долговечность сами пружины.

На выносливость в первую очередь влияют: уровень напряжений, коэффициент асимметрии цикла, состояние поверхности, глубина дефектов на ней, микроструктура материала, дисперсность металлических включений и другие показатели.

В последнее время ответственные пружинные материалы, например проволока для пружин клапана, подвергаются дефектоскопии перед навивкой с проставлением магнитных меток на дефектных участках или их окраской.

Пружины с такими метками в процессе навивки автоматически или визуально отбраковываются.