2. Пружинные стали общего назначения

Пружинные стали общего назначения в виде проволоки или ленты можно упрочнять холодной пластической деформацией и закалкой на мартенсит с последующим отпуском.

Путем пластической деформации особенно широко обрабатывают пружинные стали (углеродистая сталь с 0,65 – 1,2 % С). Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.

Перед волочением проволоку подвергают патентированию. При этом переохлажденный аустенит превращается в тонкопластинчатую структуру - сорбит. Патентирование обычно осуществляется на агрегатах непрерывного действия, включающих нагревательную печь для аустенитизации, переохлаждающую ванну и смоточно – намоточные устройства. Нагрев при аустенитизации можно проводить и электроконтактным способом. В качестве переохлаждающей среды могут быть использованы расплавы солей (реже свинца), «кипящий» слой и другие среды.

Режим патентирования зависит от диаметра проволоки, химического состава стали, скорости движения проволоки. для проволоки из углеродистой стали с 0,8 % С температура аустенитизации составляет 900 ± 20°, а патентирования (500 ± 20 °С).

Имеется положительный опыт применения высокотемпературной аустенитизации (свыше 1000 °С) при патентировании проволоки из заэвтектоидной стали с 0,9 – 1,2 % С.

Патентированная проволока со структурой сорбита обладает чрезвычайно высоким запасом пластичности и упрочняется до очень высоких значений временного сопротивления. Временное сопротивление патентированной холоднотянутой проволоки зависит от содержания углерода и степени деформации. С увеличением степени деформации при волочении проволоки со структурой сорбита происходит деформация как пластинок феррита, так и цементита. Известно, что получение высокой прочности сплавов с гетерогенной структурой объясняется уменьшением областей свободного перемещения дислокаций. для патентированной высокоуглеродистой стали показано, что временное сопротивление можно выразить зависимостью, аналогичной уравнению Холла-Петча: , где - длина эффективной плоскости скольжения в феррите. пропорциональная межпластиночному расстоянию.

Графическое выражение этой зависимости для патентированной проволоки показано на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Прочность холоднотянутой патентированной проволоки в зависимости от межпластичного расстояния.

Из патентированной холоднотянутой проволоки путем прокатки получают плющеную ленту, которая также широко используется для производства пружин и упругих элементов.

На рис. 2.14. приведены свойства плющеной ленты при разном содержании углерода в зависимости от температуры отпуска (деформационного старения).

При старении в интервале 150-200 °С повышаются как временное сопротивление, так и особенно предел упругости ( ) холоднодеформированной стали. Как правило, холоднодеформированные проволока и лента имеют пониженный предел упругости, что обусловлено высокими остаточными напряжениями и наличием подвижных дислокаций. При старении происходит блокирование дислокаций сегрегациями примесных атомов, ограничение их подвижности, что приводит к повышению сопротивления начала пластической деформации. Падение пластичности (число перегибов) в области 400°С обусловлено протеканием полигонизации в α-фазе. Необходимо отметить, что для оценки пластических свойств проволоки и ленты часто используют различные технологические характеристики пластичности: число перегибов, число скручиваний до разрушения, которые для подобных материалов в ряде случаев более надежны, чем относительное удлинение или относительное сужение.

Рис. 2.14. Изменение механических свойств ( , и числа перегибов n) холоднодеформируемой (плющенной) ленты в зависимости от температуры отпуска:

1 – сталь 50; 2 – У8А; 3 – У10А.

На практике температуры отпуска холоднодеформированной проволоки и ленты обычно отвечают температурам, при которых достигается максимальный предел упругости, т. е. для углеродистой стали 150-200 °С. а для сталей с кремнием 200-300 °С.

Обычно патентированную проволоку и ленту изготовляют из углеродистых или низколегированных сталей (60С2, 65Г, 70С2ХА). Легирование патентированной стали ограничено, так как большинство легирующих элементов повышают устойчивость аустенита в перлитной области, что нежелательно для операции патентирования. Кремний повышает предел упругости патентированной холоднодеформированной проволоки и ленты, повышает ее теплостойкость и релаксационную стойкость.

При отпуске холоднодеформированных сталей изменяется и релаксационная стойкость, причем максимум релаксационной стойкости может достигаться при более высоких температурах отпуска, чем максимум предела упругости. Повышение релаксационной стойкости при отпуске объясняется повышением предела упругости и увеличением стабильности структуры стали.

Обработку пружинной проволоки и ленты путем закалки на мартенсит с последующим отпуском проводят на углеродистых и легированных сталях. Термическую обработку проволоки и особенно ленты часто проводят на закалочно-отпускных агрегатах непрерывного действия, хотя во многих случаях закалке и отпуску подвергают и готовые пружины.

В тонких сечениях пружинная проволока и лента из углеродистых сталей имеет сквозную прокаливаемость, поэтому легирование пружинных сталей осуществляется в основном для повышения предела упругости и сопротивления релаксации напряжений. При этом следует иметь в виду, что углеродистая сталь может иметь высокий предел упругости, но, с одной стороны, он достигается при таких температурах и выдержках при отпуске, когда еще недостаточна пластичность (вязкость) стали, а с другой стороны, предел упругости углеродистых сталей очень чувствителен к отпуску, в то время как легированные стали сохраняют высокий предел упругости в более широком интервале температур и выдержек отпуска (рис.2.15.).

При легировании пружинных сталей кремнием, молибденом, вольфрамом растет их релаксационная стойкость при комнатной и повышенных температурах.

На рис. 2.16. показано влияние температуры отпуска закаленных сталей 70С2ХА и 70С3ХМВА на снятое при релаксации напряжение . С одной стороны, повышение температуры отпуска увеличивает сопротивление релаксации (уменьшает ) вследствие роста стабильности структуры, а с другой, понижает релаксационную стойкость стали вследствие падения предела упругости. Максимальная релаксационная стойкость (минимальные значения ) достигается при температурах отпуска, обеспечивающих достаточную структурную стабильность стали при одновременно высоком сопротивлении сдвигу.

Рис. 2.15. Изменение предела упругости закаленных пружинных сталей при отпуске 300 (а) и 350°С (б).

Легирование пружинной стали карбидообразующими элементами, задерживающими распад мартенсита при отпуске - молибденом и вольфрамом (сталь 70С3ХМВА), смещает максимум релаксационной стойкости в сторону более высоких температур отпуска (по сравнению со сталью 70С2ХА).

Рис. 2.16. Влияние температуры отпуска закаленных пружинных сталей 70С2ХА (а) и 70С3ХМВА (б) на снятое при релаксации напряжение . Начальное напряжение МПа: температура релаксации , °С: 1 – 150; 2 – 250; 3 – 350. Время релаксации 10 мин.

Влияние легирования хорошо видно и при длительных испытаниях пружинных сталей при комнатной температуре. На рис. 2.17. приведены кривые релаксации напряжений пружинной ленты из сталей У10А, 70С2ХА и 70С3ХМВА при комнатной температуре в течение15 лет. Заданное напряжение релаксирует в течение всего времени выдержки. Однако в более легированной стали 70С3ХМВА релаксация напряжений замедленна.

В пружинных сталях общего назначения, обрабатываемых путем закалки на мартенсит с последующим отпуском, содержание остаточного аустенита должно быть минимальным. Остаточный аустенит даже в небольших количествах (2-4 %) значительно понижает предел упругости стали и сопротивление релаксации напряжений, а при больших количествах (8-15 %) может вызывать поломку пружин при заневоливании (выдержке под напряжением) или в процессе работы вследствие протекания изотермического мартенситного превращения, инициируемого внешней нагрузкой.

Отметим, что в этом случае поломки пружин под нагрузкой могут происходить и при высоких характеристиках пластичности, определяемой по числу перегибов или скручивания. Легирование способствует образованию повышенных количеств остаточного аустенита при закалке, поэтому для легирования пружинных сталей (например, 70С3ХМВА) необходимо применять ускоренные способы охлаждения в мартенситном интервале: такие как закалку в воду или масло, ступенчатую закалку с дополнительным охлаждением после переохлаждающей ванны и другие.

Значительное влияние на свойства пружинной проволоки и ленты, а также готовых пружин, упрочняемых путем закалки на мартенсит и отпуска, оказывает предварительная обработка перед закалкой. Закаленная и отпущенная лента и проволока с предварительной обработкой на структуру тонкопластинчатого сорбита имеют более высокий комплекс механических свойств, по сравнению с обработкой на структуру зернистого цементита.

Рис. 2.17. Релаксация напряжений (начальное напряжение МПа) в пружинных сталях при длительных выдержках при комнатной температуре: 1 – 70С3ХМВА; 2 – 70С2ХА; 3 – У10А.

В целом пружинная проволока и лента и изделия из них, обработанные путем пластической деформации и отпуска (деформационного старения), обладают более высокими значениями вязкости (число перегибов или скручиваний) и сопротивление усталости. Проволока и лента, упрочняемые путем закалки на мартенсит и отпуска, имеют более высокие значения предела упругости и сопротивле­ния релаксации, а также более высокие силовые характеристики пружин.

Легирование пружинных сталей общего назначения перлитного и мартенситного классов ограничено необходимостью сохранения достаточной пластичности для проведения холодной прокатки ленты или волочения проволоки, а также некоторыми технологическими особенностями обработки проволоки и ленты на агрегатах непрерывного действия.

Пружинные стали общего назначения легируют элементами, повышающими предел упругости и сопротивление релаксации. В качестве легирующих элементов используют до 2,5 % Si, до 1,0 % Мn, до 0,5 % Cr, Мо, W или V. В ряде случаев для пружинных сталей применяют микролегирование (например, бором в количестве до 0,003 %), который повышает предел упругости и релаксационную стойкость стали.

Из методов упрочнения пружинных сталей общего назначения можно отметить термомеханическую обработку, особенно ВТМО, применение которой, в частности, эффективно при термообработке рессор.