3. Пружинные стали специального назначения

Пружинные стали специального назначения кроме высоких значений предела упругости могут иметь еще и высокую коррозионную стойкость, теплостойкость (высокое сопротивление релаксации при повышенных температурах), немагнитность и др. К таким сталям относятся высоколегированные мартенситные, мартенситно-стареющие и аустенитные стали.

В качестве коррозионностоиких пружинных сталей применяют мартенситные стали. Для получения высокой коррозионной стойкости стали легируют хромом в количестве более 12 %. Применяют стали типа 30Х13 и 40Х13 после закалки от температур 1000 – 1050 °С и отпуска. Режим отпуска зависит от назначения пружин. Для работы при комнатной температуре применяют отпуск при 300 – 500 °С, а в условиях повышенных температур при 500 – 550 °С. Повышенная прокаливаемость таких сталей позволяет использовать их для пружин больших сечений. Для повышения релаксационной стойкости нержавеющие стали мартенситного класса дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Так, сталь 12Х12Н2ВМФ имеет рабочую температуру 350 °С, что на 50 °С выше, чем у стали 30Х13.

Мартенситно-стареющие стали весьма перспективны как пружинные стали специального назначения. Мартенситно-стареющие стали на Fe – Ni (НI8К9М5Т, НI8К8М4ТЮ, НI6К4М4Т2Ю) и Fe – Cr – Ni (ХI2НI0Д2Т5, ХI2НI0Д2Т, ХI8Н8К5М2ТЮ) основах применяют для изготовления пружинной проволоки и ленты. Почти все мартенситно-стареющие стали (за исключением сверхпрочных с пониженной пластичностью) могут быть использованы в качестве пружинных.

Мартенситно-стареющие стали на Fe – Ni – основе используют благодаря их высокой релаксационной стойкости и высокому значению предела упругости для работы в условиях больших рабочих нагрузок при повышенных температурах. Стали на Fe – Сr – Ni – основе являются коррозионностойкими и имеют высокое сопротивление релаксации напряжений, при этом хромоникелевые нержавеющие мартенситно-стареющие стали можно применять для изготовления пружин, работающих при температурах до 400-450 °С. При рабочих температурах до 500-550 °С следует применять пружины из мартенситно-стареющих сталей на Fe-Сr-Сo-Мо-основе.

Имеются данные, что в мартенситно-стареющих пружинных сталях на Fe - Ni- и Fe-Сr-Ni-основах содержание титана может быть повышено до 1,2 – 1,4 %, так как в тонких сечениях образование карбидной сетки по границам аустенитного зерна при закалке и связанное с этим охрупчивание сталей подавляется.

Мартенситно-стареющие стали превосходят многие пружинные стали и по величине упругого отношения , являющегося важной характеристикой пружинных сплавов.

Высокая пластичность мартенситно-стареющих сталей в закаленном состоянии удобна для проведения холодной прокатки ленты и волочения проволоки. Мартенситно-стареющие проволока и лента могут выдерживать большие степени деформации без потери пластичности (рис. 2.18), причем коэффициент деформационного упрочнения мартенситно-стареющих сталей на Fe – Ni – основе близок по значению к коэффициенту деформационного упрочнения (тангенс угла наклона) армко-железа (рис. 2.18, а). Одной из причин высокой пластичности мартенситно-стареющих сталей является практическое отсутствие образования микротрещин при деформации, о чем свидетельствует незначительное изменение объема мартенситно-стареющей проволоки при волочении по сравнению с патентированной проволокой (рис. 2.18, б). При старении мартенситно-стареющих сталей наблюдается резкое увеличение значения временного сопротивления и особенно предела упругости проволоки и ленты. При правильно выбранном режиме закалки и деформации пластичность пружинной ленты и проволоки в интервале температур, отвечающих максимуму прочностных свойств, остается на достаточном уровне. Релаксационная стойкость мартенситно-стареющих пружинных сталей в зависимости от температуры старения при невысоких температурах релаксации (до 400 °С) изменяется аналогично изменению предела упругости.

Предел упругости и релаксационная стойкость мартенситно-стареющих сталей существенно понижается при наличии в структуре остаточного аустенита. Поэтому мартенситно-стареющие стали на Fe-Сr-Ni-основе могут иметь более низкий предел упругости и сопротивление релаксации в области невысоких температур вследствие пониженной мартенситной точки и большого количества остаточного аустенита по сравнению с менее легированными сталями на Fe- Ni -основе.

Рис. 2.18. Упрочнение при волочении (а) и изменение объема (б) проволоки:

1 – У8А; 2 – Н18К8М5Т; 3 – армко-железо.

К нержавеющим и теплостойким пружинным сталям относятся стали на аустенитной основе. Как правило, аустенитные пружинные стали - это стали, на железо-никелевой основе, содержащие до 0,2 % С. Наиболее широко для пружин применяют обычные аустенитные хромоникелевые стали, например, 12X18H10T, 17Х18Н9.

Для получения высокого сопротивления начальным пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости аустенитные стали, предназначенные для изготовления пружин и упругих элементов, упрочняют путем холодной пластической деформации (прокатка ленты, волочение проволоки) и отпуска (деформационного старения). При пластической деформации в аустенитных сталях, в которых мартенситная точка М_д лежит выше температуры деформирования, происходит образование мартенсита деформации. Такие стали называют метастабильным и аустенитными сталями. Образующийся вследствие γ→α- превращения мартенсит деформации дополнительно упрочняет сталь как при пластической деформации, так и при последующем деформационном старении. Однако при большом содержании мартенсит деформации может понижать пластичность пружинной проволоки и ленты.

Высокостабильные аустенитные стали, в которых мартенсит деформации не образуется ни при каких режимах деформации и старения, используют для изготовления коррозионностойких немагнитных пружин и упругих элементов.

Для повышения теплостойкости, т. е. сопротивления релаксации при повышенных температурах аустенитные пружинные стали дополнительно легируют такими элементами как молибден, вольфрам, титан. Предел упругости аустенитных пружинных сталей повышается при легировании кремнием в количестве до 2,0 – 2,5 %, более высокие содержания кремния могут понижать пластичность.

При старении холоднодеформированных аустенитных пружинных сталей наблюдается повышение предела упругости, обусловленное закреплением дислокаций и выделением избыточных карбидных или интерметаллидных фаз. На рис. 2.19 показано влияние часового отпуска на условный предел упругости ( ) и сопротивление релаксации плющеной ленты из аустенитных сталей 12Х18Н10Т, 06Х15Н20М2Т2 и 13Х18Н10Г3С2М2. Сталь 12Х18Н10Т является деформационнометастабильной сталью и содержит в структуре кроме аустенита около 40 % мартенсита деформации, а две другие являются стабильными сталями, т. е. не содержат мартенсита деформации. В стали 06Х15Н20М2Т2 при отпуске из аустенита выделяется интерметаллидная фаза Ni₃Тi, а в стали 13XI8H10ГЗC2M2 – карбид хрома Ме₂₃С₆. Метастабильная сталь 12Х18Н10Т имеет после оптимального отпуска при 400 °С наиболее высокий предел упругости. Однако при дальнейшем повышении температуры отпуска предел упругости этой стали начинает интенсивно снижаться, в то время как стабильные аустенитные стали при повышенных температурах отпуска 500 – 600 °С сохраняют более высокий предел упругости. Это обусловливает более высокое сопротивление релаксации напряжений стабильных аустенитных сталей при повышенных температурах (400 °С), когда релаксационная стойкость метастабильной аустенитной стали 12Х18Н10Т резко падает. Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением (06Х15Н20М2Т2) после отпуска при 500 – 600 °С имеют более высокую релаксационную стойкость при повышенных температурах релаксации по сравнению со сталями с карбидным упрочнением (13Х18Н10Г3С2М2).

Рис. 2.19. Изменение предела упругости и релаксационной стойкости деформированных аустенитных сталей после отпуска в течении 1 ч:

1 – 12Х18Н10Т; 2 – 13Х18Н10Г3С2М2; 3 – 06Х15Н20М2Т2.

Необходимо иметь в виду, что при работе пружин и упругих элементов в условиях высоких температур условный предел упругости релаксирует, т. е. его значение зависит от времени выдержки под нагрузкой. На рис. 2.20 приведена зависимость плющеной ленты из стали 40Х12Н8Г8М2Ф2Б (ЭИ481) от времени выдержки при температуре 400 °С. Область напряжений, лежащих ниже полученной прямой, условно отвечает упругой деформации и показывает допустимые значения нагрузки в зависимости от времени выдержки.

При температурах релаксации выше 450 °С релаксационная стойкость пружинных сталей становится недостаточной. В этом случае можно применять сплавы (например, Х25Н25Т) в монокристаллическом состоянии. Монокристаллические пружинные материалы используют в литом и деформированном состояниях. Уровень прочностных свойств и релаксационная стойкость деформированного монокристаллического сплава зависит от кристаллографической ориентировки монокристалла и текстуры деформации.

Рис. 2.20. Релаксация предела упругости плющенной ленты из стали ЭИ481 при 400°С.

На рис. 2.21 схематически представлены уровень прочностных свойств - температурный интервал применения, а также изменение структурной и сдвиговой компонент релаксации при отпуске аустенитных пружинных сталей. При температурах релаксации до 350°С в условиях большего развития сдвигового механизма релаксации нестабильные аустенитные стали (НАС) имеют преимущество перед стабильными сталями (САС) из-за больших значений прочностных свойств (предел упругости). При более высоких температурах релаксации в условиях интенсивного развития структурного механизма релаксации преимуществом обладают более стабильные аустенитные стали и монокристаллические сплавы (МП).

Рис. 2.21. Влияние температуры отпуска на уровень прочностных свойств, области применения и компоненты релаксации напряжений пружинных сталей на аустенитной основе.