8. Пружинные стали

Пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов, пружинящих деталей приборов и механизмов, а также рессор различного типа. Большая суммарная величина упругой деформации пружины (рессоры и т.д.) определяется ее конструкцией – числом и диаметром витков, длиной пружины. Составы некоторых пружинных сталей приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5.

Состав пружинной стали

Марка стали	C, %	Mn, %	Si, %	Cr, %	V, %
65	0,62 – 0,70	0,50 – 0,80	0,17 – 0,37	—	—
70	0,67 – 0,75	0,50 – 0,80	0,17 – 0,37	—	—
75	0,72 – 0,80	0,50 – 0,80	0,17 – 0,37	—	—
65Г	0,62 – 0,70	0,90 – 1,20	0,17 – 0,37	—	—
50С2	0,47 – 0,55	0,60 – 0,90	1,50 – 2,00	—	—
55С2	0,52 – 0,60	0,60 – 0,90	1,50 – 2,00	—	—
60С2	0,57 – 0,65	0,60 – 0,90	1,50 – 2,00	—	—
70С3А	0,66 – 0,74	0,60 – 0,90	2,40 – 2,80	—	—
55СГ	0,50 – 0,60	0,80 – 1,00	1,30 – 1,80	—	—
60СГ	0,55 – 0,65	0,80 – 1,00	1,30 – 1,80	—	—
50ХФА	0,46 – 0,54	0,50 – 0,80	0,17 – 0,37	0,80 – 1,10	0,10 – 0,20
50ХГФА	0,48 – 0,55	0,80 – 1,00	0,17 – 0,37	0,95 – 1,20	0,15 – 0,25
60С2ХА	0,56 – 0,64	0,40 – 0,70	1,40 – 1,80	0,70 – 1,00	—

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.

Часто пружины изготавливают из шлифованной холоднотянутой проволоки (так называемой серебрянки). Для изготовления серебрянки применяют обычные углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9, У10.

Кроме обычных пружинных материалов, имеются и специальные, работающие в специфических условиях (повышение температуры, агрессивные среды и т.п.).

2.8.1. Классификация и требования

По способу изготовления пружинные стали делят на стали, упрочняемые путем пластической деформации и последующего стабилизирующего отпуска (старения) и стали, упрочняемые путем закалки на пересыщенный твердый раствор и последующего отпуска (старения).

Пружинные материалы наиболее часто используют в виде проволоки или ленты, из которых затем путем навивки, резки или вырубки изготовляют пружины и пружинящие детали необходимой конфигурации.

При получении пружинной проволоки или ленты нередко применяют совмещенный способ упрочнения, включающий закалку на пересыщенный твердый раствор и пластическую деформацию с последующим отпуском.

По назначению пружинные стали можно разделить на стали общего назначения, предназначенные для изготовления изделий, обладающих высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкостью, при достаточной пластичности и вязкости, а для пружин, работающих при циклических нагрузках, и высоким сопротивлением усталости. Рабочая температура таких пружин обычно не превышает 100-120°С. Стали специального назначения, предназначенные для изготовления изделий, к которым кроме необходимого высокого комплекса механических свойств (предел упругости, сопротивление релаксации напряжений, пластичность и др.), предъявляют требования по обеспечению специальных физико-химических свойств (коррозионной стойкости, немагнитности, теплостойкости и др.). Температуры эксплуатации таких пружин находятся в интервале 200-400°С и выше. В некоторых случаях необходимы пружины для работы при отрицательных температурах. Имеются высоколегированные пружинные сплавы с заданными коэффициентами линейного расширения, независимым от температуры модулем упругости (в определенном температурном интервале), с высоким или низким модулем упругости и др.

Требования к свойствам пружинных сталей определяются условиями работы пружин и механизмов, которые могут быть исключительно разнообразны.

Наиболее общим требованием ко всем пружинным сталям является обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений).

Предел упругости пружинных сталей определяют при некотором допуске на остаточную деформацию (условный предел упругости), равном обычно 0,03 – 0,005 %.

Высокая релаксационная стойкость пружинных сталей (сопротивление релаксации напряжений) обеспечивает точность и надежность работы пружин и упругих элементов, постоянство во времени эксплуатационных свойств (например, крутящего момента, силовых параметров и т. п.).

Под релаксацией напряжений понимается самопроизвольное затухающее падение напряжений при постоянной суммарной деформации. Схематические кривые релаксации напряжений при разных температурах представлены на рис. 2.12. Условием релаксации напряжений является зависимость , где - суммарная деформация; - упругая деформация; - пластическая деформация.

В начальный момент времени вся деформация является упругой (при нагружении в упругой области) и . С течением времени упругая деформация уменьшается, а пластическая растет, предельным случаем является

Рис. 2.12. Схематические кривые релаксации напряжений при разных температурах

Причиной релаксации напряжений являются дислокационно-сдвиговые процессы, а также различного рода структурные превращения, которые могут идти под нагрузкой в случае недостаточной структурной стабильности сплава. Поэтому увеличение сопротивления сдвигообразованию (повышение предела упругости) и структурной стабильности сплава повышает его релаксационную стойкость.