Стали с высокими упругими свойствами.

К материалам с высокими упругими свойствами относятся пружинные стали. Они упрочняются пластическим деформированием, термической (термомеханической) обработкой.

К механическим свойствам пружинных сталей предъявляются те же требования, что и к механическим свойствам конструкционных сталей – высокие прочность и сопротивление разрушению. Однако, кроме того, они должны обладать сопротивлением малым остаточным деформациям в условиях кратковременного и длительного нагружения, которое в первом случае характеризуется пределом упругости, а во втором – релаксационной стойкостью. В свою очередь эти свойства зависят от химического состава и структуры стали.

Пружинные стали классифицируются по основным способам упрочнения и назначению. В зависимости от способа упрочнения пружинные стали подразделяются на стали, упрочняемые холодной пластической деформацией с последующей термической обработкой, и стали, упрочняемые закалкой.

1. Стали упрочняемые холодным пластическим деформированием.

К ним относятся высокоуглеродистые стали 65, 65Г, 70, У8, У9, У10, которые подвергаются патентированию (изотермическая обработка в свинцовых или соляных ваннах при температурах пониженной устойчивости аустенита в перлитной области, целью которой является получение тонкопластичного перлита) и последующей протяжке при степенях деформации не менее 70%. После деформирования стали подвергают отпуску 150-350⁰ С для снятия напряжений и повышения предела упругости и релаксационной стойкости.

2. Стали, упрочняемые закалкой.

К ним относятся углеродистые и легированные стали перлитного класса с содержанием углерода от 0,4 до 1,0%. Требуемые механические свойства у таких сталей достигаются закалкой с температуры 850-870⁰С в масле или в воде и последующим отпуском при 410-520⁰ С. После такой термической обработки σ_0,2 у углеродистых сталей не менее 800МПа, а у легированных сталей не менее 1000МПа.

Пружинные стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью. Мартенситная структура после закалки должна быть по всему объему, причем чем мельче зерно, тем выше сопротивление стали малым пластическим деформациям.

Для пружин малого сечения (менее 5мм) применяют углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, 65, 70, 75, 80, которые закаливаются в масло. Эти же стали используются для пружин с сечением 5-8мм, но закаливаются в воду.

Для более ответственных пружин (испытывающих высокие напряжения) и пружин большого сечения в качестве пружинных используют легированные стали, содержащие 1,5-2,8% Si, 0,6-1,2% Mn, 0,2-1,2% Cr, 0,1-0,25% V, 0,8-1,2% W и 1,4-1,7% Ni. Эти элементы обеспечивают необходимые прокаливаемость и закаливаемость, измельчают зерно, повышают предел упругости и релаксационную стойкость. С другой стороны легирование этими элементами позволяет повысить температуру отпуска (выше интервала необратимой отпускной хрупкости), а, следовательно, повысить еще и вязкость пружинной стали.

Широко используются (ГОСТ 14959-79) марганцовистые стали 60Г, 65Г, 70Г, с σ_0,2 ≈МПа, кремнистые стали 50С2, 55С2А, 60С2, 60С2А, 70С3А, в которых Si значительно упрочняет феррит и поэтому у них σ_0,2 =1200-1600МПа. Из таких сталей изготавливают пружины вагонов и танков, рессоры многих автомобилей, торсионные валы и т.д.

К недостатку кремнистых сталей относится их склонность к обезуглероживанию, образованию дефектов при горячей деформации. Для устранения этих недостатков кремнистые пружинные стали дополнительно легируют Cr, Mn, Ni, V. W (60С2Г, 55С2ГФ, 60С2ХА, 60С2ХФА). Перечисленные стали, относятся к пружинным сталям общего назначения.

В ряде случаев пружинные элементы должны кроме упругих свойств должны обладать и другими характеристиками – коррозионной стойкостью, немагнитностью и т.д. Такие пружинные стали, называют пружинными сталями специального назначения. К ним относятся стали:

- мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13, 20Х17Н2);

- аустенитного класса (12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 17Х18Н9);

- аустенитно-мартенситного класса (09Х15Р8Ю, 08Х17Н5М3).

Наиболее широко применяют мартенситные стали 30Х13 и 40Х13, которые подвергают закалке с 1000-1050⁰С в масле и отпуску 300-350⁰С, а если пружина подвергается нагреву в процессе эксплуатации, то температуру отпуска повышают до 500-550⁰ С.

Для повышения прочности после закалки стали этого класса подвергают холодному пластическому деформированию, обработке холодом при температуре -70⁰ С, а затем старению при 450-500⁰ С в течение 4-5 часов.

Немагнитные аустенитные стали, например 12Х18Н10Т, подвергаются следующей схеме упрочнения: закалка→ холодное пластическое деформирование с высокой степенью обжатия→отпуск 400-450⁰ С.