Рессорно-пружинные стали

Реферат на тему:
«Рессорно-пружинные стали»
Содержание
Введение………………………………………………………………………….3
1 Рессорно-пружинные стали общего назначения…………..………………...4
Углеродистые стали………………………………………………..4
Легированные стали………………………………………………..5
2 Рессорно-пружинные стали со специальными свойствами……………..…10
Заключение…………………………………………………………...................11
Список использованных источников………………………………………….12
Введение
Появление и широкое распространение конструкционных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам.
Сталям присущ комплекс ценных свойств, обусловивших их применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях промышленности: повышенные прочностные свойства, работоспособность при высоких и низких температурах, а также при действии агрессивных сред, хорошая технологичность.
Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения.
Для изготовления пружин и рессор применяют конструкционные рессорно-пружинные стали обычного назначения и стали со специальными свойствами.
К первой группе сталей относятся углеродистые и легированные конструкционные стали с повышенным содержанием углерода 0,5…0,7 %, ко второй группе – конструкционные высоколегированные коррозионностойкие стали.
Целью данной работы являлось изучение конструкционных рессорно-пружинных сталей, их свойств, термической обработки и применения в технике.
1 Рессорно-пружинные стали общего назначения
Углеродистые стали
Для пружин малого сечения, диаметр проволоки которых не превышает 10 мм, испытывающих при работе незначительные нагрузки, используют углеродистые стали 65, 70, 75.
К особым их свойствам можно отнести пониженную релаксационную стойкость. Также они обладают невысокой прокаливаемостью и низкой коррозионной стойкостью.
Эти стали подвержены таким дефектам, как обезуглероживание или графитизация. Эти недостатки опасны тем, что они сильно снижают характеристики упругости, а также прочности материала.
Для того чтобы избежать этих дефектов и их негативного влияния на пружинную сталь, в нее и добавляют легирующие элементы.
В табл. 1 представлены марки углеродистых рессорно-пружинных сталей, применяемая типовая термическая обработка и механические свойства после назначенной термообработки.
Таблица 1 – Марки, термическая обработка и механические свойства
углеродистых рессорно-пружинных сталей
Марка стали
Рекомендуемый режим термической обработки Механические свойства
Ϭт,
кгс/мм2 Ϭв,
кгс/мм2 δ,% ψ,%
ТоС
закалки Закалочная
среда ТоС
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
1.2 Легированные стали
В табл. 2 представлены марки легированных рессорно-пружинных сталей, применяемая типовая термическая обработка и механические свойства после назначенной термообработки.
Таблица 2 – Марки, термическая обработка и механические свойства
легированных рессорно-пружинных сталей
Марка стали
Рекомендуемый режим термической обработки Механические свойства
Ϭт,
кгс/мм2 Ϭв,
кгс/мм2 δ,% ψ,%
ТоС
закалки Закалочная
среда ТоС
отпуска Не менее
60Г 840 Масло 480 80 100 8 30
65Г 830 » 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
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
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
Легированные стали применяются для изготовления пружин, работающих в условиях больших переменных во времени напряжений, и в случаях, если диаметр проволоки пружины более 10 мм.
На рис. 1 представлено влияние легирующих элементов на механические свойства сталей.

Рисунок 1 – Влияние легирующих элементов на твердость
и ударную вязкость сталей
В качестве основных легирующих элементов, обеспечивающих высокие упругие свойства и увеличивающих прокаливаемость рессорно-пружинных сталей, применяют марганец, кремни, хром, никель и др.
Для изготовления рессор и пружин используются кремнистые стали с концентрацией кремния 2 % (50С2, 55С2 и 60С2). Кремний в таких сталях задерживает распад мартенсита при отпуске, что приводит к повышению предела текучести и, стало быть, к повышению упругих характеристик.
Условный предел текучести (σ0,2) этих сталей составляет 1100–1200 МПа, предел прочности – 1200…1300 МПа, относительное удлинение 6 %, относительное сужение 30–25 % и предел выносливости, рассчитанный по условному пределу текучести, составляет 42–44 МПа.
К недостаткам этих сталей следует отнести их склонность к обезуглероживанию и образованию поверхностных дефектов в процессе горячей обработки, приводящих к снижению предела выносливости. В целях предотвращения образования указанных дефектов, кремнистые стали дополнительно легируют хромом, марганцем, ванадием, никелем и вольфрамом.
Стали марок 50С2, 55С2, 60С2 и 70С3А можно использовать для изготовления пружин и рессор диаметром или толщиной до 18 мм. Они проявляют стойкость к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию, приводящему к снижению предела выносливости.
Сталь 60С2ХА идет для изготовления крупных пружин ответственного назначения. При закалке в масле она прокаливается на глубину до 50 мм. Недостатком этой стали является ее склонность к обрыву в процессе волочения. Стали марок 60С2Н2А и 60С2ХФА обладают более высокой прокаливаемостью (до 80 мм) и применяются для изготовления пружин особо ответственного назначения. При этом сталь 60С2Н2А обладает наилучшим сочетанием технологических и эксплуатационных свойств. Общий недостаток кремнистых рессорно-пружинных сталей заключается в их повышенной чувствительности к внешним поверхностным дефектам (царапины, риски, забоины), играющим роль концентраторов внутренних напряжений, вследствие чего снижается предел выносливости.
Поэтому в настоящее время в практике широко применяются бескремнистые рессорно-пружинные стали.
При одной и той же концентрации углерода, что и у кремнистых сталей, кремний в них заменяется следующими возможными сочетаниями легирующих элементов: хром + марганец, хром + ванадий, хром + марганец + ванадий, хром + марганец + бор. Например, 50ХГ, 50ХФ, 50ХГФ, 55ХГР. Эти стали обладают повышенной вязкостью и менее чувствительны к надрезу. Для повышения эксплуатационных характеристик, особенно для пружин, работающих при длительных знакопеременных нагрузках, назначают обдувку поверхности пружин дробью. Возникающие при этом в поверхностном слое напряжения сжатия приводят к повышению предела выносливости.
Конструкционная пружинная сталь 65Г получила наибольшее распространение в производстве упругих частей разных механизмов (рессор, пружин и шайб) благодаря дешевизне, повышенной твердости и упругости. Единственным недостатком, ограничивающим ее использование в приборостроении, является невысокая усталостная прочность (менее 200.000 циклов). Сталь этой марки обладает твердостью в незакаленном виде 25 HRC, после закалки она возрастает до 61 HRC.
Наиболее высокие механические и эксплуатационные характеристики можно получить в процессе холодной протяжки предварительно патентированной проволоки, диаметром до 2 мм из углеродистой стали, подвергавшейся высоким степеням обжатия (70–90 %).
Процесс патентирования проводится между протяжками. Он заключается в нагреве проволоки на 50–100 °С свыше точки Ас3 с последующим охлаждением в ванне с расплавленным свинцом. Температура расплава должна составлять 450–550 °С. В результате такой термической обработки происходит изотермический распад аустенита с образованием тонкопластинчатого сорбита.
Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2Н2А: σв ≥ 1800 МПа; σ0,2 ≥ 1600 МПа; δ ≥ 5 %; ≥ 20 %. Их предел упругости составляет σ0,01=880…1150 МПа, а твердость – 38 – 48 HRC. При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и др.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5-2 раза.
Типовыми режимами термической обработки рессорно-пружинных сталей являются:
а) закалка и средний отпуск на троостит (рис. 2, а);
б) изотермическая закалка на нижний бейнит (рис. 2, б).
а) закалка и средний отпуск на троостит;
б) изотермическая закалка на нижний бейнит
Рисунок 2 – Режимы термообработки рессорно-пружинных сталей
Структура троостита отпуска, полученная в результате закалки и среднего отпуска, представляет собой зернистую феррито-цементитную смесь (рис. 3), обеспечивает высокие упругие свойства пружин и рессор.
Рисунок 5 – Структура троостит отпуска
2 Пружинные стали и сплавы специального назначения
Кроме рассмотренных пружинных сталей общего назначения в машиностроении широко применяют пружинные стали и сплавы специального назначения.
Кроме высоких механических свойств и сопротивления релаксации напряжений они должны обладать хорошей коррозионной стойкостью, немагнитностью, теплостойкостью и другими особыми свойствами.
К этим сталям относятся высоколегированные мартенситные (высокохромистые коррозионностойкие стали), мартенситно-стареющие, аустенитные (коррозионностойкие, немагнитные и жаропрочные) стали и др.
Значительно отличается как по химическому составу, так и по механическим свойствам и коррозионной стойкости вторая группа сталей, которая применяется для изготовления упругих элементов, работающих в агрессивных средах.
Это группа сталей специального назначения. К таким сплавам относятся хромистые коррозионностойкие стали типа 40Х13, 30Х13. Например, особенность пружинной стали марки 40Х13 состоит в том, что у нее повышенная стойкость к коррозии, повышенная жаропрочность (до 550 градусов Цельсия), более высокая прокаливаемость и повышенные механические свойства по сравнению со сталями первой группы.
Заключение
В данной работе рассмотрены основные группы рессорно-пружинных конструкционных сталей: углеродистых и легированных общего назначения, а также сталей со специальными свойствами.
Целенаправленное введение легирующих элементов позволяет изменять в заданном направлении структуру и, соответственно, механические и физико-химические свойства сталей.
С помощью термической обработки (закалка + средний отпуск или изотермическая закалка на бейнит) получают высокие упругие свойства рессорно-пружинных сталей.
Список использованных источников
1.Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
2.Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В. Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.
3.Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр./ А.С. Зубченко, Н.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003. – 784 с.
4.Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали: справочник / В.Н. Журавлев, О.И. Николаева. – М.: Машиностроение, 1981. – 391 с.
5.Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: учебник для вузов / Ю.М. Лахтин. – 4-е изд. – М.: Металлургия, 1993. – 448 с.
6.Материаловедение: учеб. пособие / под общ. ред. Л.Г. Петровой, Г.В. Гладовой, О.В. Чудиной. – М.: МАДИ (ГТУ), 2008. – 288 с.
7.Арзамасов, Б. Н. Материаловедение / Б. Н. Арзамасов [и др.]. – М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. – 646 с.
9.Геллер, Ю.А., Рахштадт, А.Г. Материаловедение / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. – М.: Металлургия, 1975. – 448 с.
10.Гуляев, А.П. Металловедение: учебник для вузов / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.