Какая твердость обеспечивает упругие свойства пружин
Механические, а соответственно эксплуатационные свойства пружин — очень серьезный вопрос из-за того, что ни один механизм в технике не может работать без упругих элементов и деталей.
К таким деталям относятся не только пружины. Это могут быть распорные прокладки, контакты, растяжки. Самым знаменитым представителем пружинных изделий наверное являются шайбы Гровера, которые применяются в качестве прокладок в болтовых соединениях и благодаря упругим свойствам которых, создается некоторый перекос гайки, предотвращающий ее от саморазвинчивания. Такое название шайб происходит от фамилии Джона Гровера — английского инженера, который изобрел этот тип шайб.
Для того, чтобы эти изделия отлично справлялись со своей работой, они должны обладать рядом особых свойств.
- Высокая релаксационная стойкость — это стойкость против перераспределения напряжений путем микропластических сдвигов в условиях длительного нагружения. Проба на релаксационную стойкость – заневоливание, т.е. сжатие до соприкосновения витков и выдержка в этом состоянии определенное время. После снятия нагрузки пружина не должна изменять свои размеры. Как правило, требования по времени выдержки в заневоленном состоянии рагламентируются отраслевыми стандартами.
- Сопротивление микропластическим и малым пластическим деформациям — важнейшая характеристика качества пружинных сплавов, так как чем выше это сопротивление, тем меньше при данном приложенном напряжении неупругие и остаточные деформации и, следовательно, ниже все неупругие эффекты, определяющие свойства пружины. Как показывает практика, для получения высокого сопротивления малым пластическим деформациям стали должны иметь определенную микроструктуру. Хотя для разных пружинных сплавов используются различные методы обработки, все они имеют одну цель — обеспечение мелкозернистой микроструктуры, при которй все дислокации будут заблокированы.
- Материал для изготовления пружинных изделий должен обладать достаточной циклической стойкостью. Циклическая стойкость — способность материала сопротивляться действию знакопеременных циклических нагрузок. Характеристикой этой величины является предел выносливости, под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости). Предел выносливости при симметричном числе циклов обозначается σ-1.
- Определенный комплекс стандартных механических свойств в условиях статического нагружения, при испытаниях на растяжение, кручение, изгиб. Должна обеспечиваться высокая прочность, твердость и одновременно достаточная вязкость, во избежание хрупкого разрушения. Требуемые свойства обеспечиваются определенной микроструктурой и субструктурой. В микроструктуре пружинной стали должно присутствовать как можно больше препятствий для перемещения практически всех дислокаций, что создается мелкозернистым трением и равномерным распределением высоко дисперсных фаз, что характерно для структуры сорбита.
Методы торможения и блокировки дислокации в сплавах:
1) легирование твердого раствора, приводящее к повышению сопротивления кристаллической решетки движению дислокации;
2) дислокационный и фазовый наклеп, повышающие плотность дислокации;
3) создание сегрегаций на дислокациях, т.е. повышенная концентрация элементов внедрения и образование частиц выделения;
4) частицы карбидной фазы в повышенном количестве;
5) измельчение зерна.
Наиболее эффективный способ создания необходимых вышеперечисленных свойств это сочетание различных способов упрочнения:
— создание определенного химического состава сплава;
— создание определенной степени деформации, создающей благоприятную дислокационную структуру (ячеистую), но не вызывающую перенаклепа;
— проведение определенной термической обработки, которая сохранит определенную дислокационную структуру.
МКС 21.160
Дата введения 1988-07-01
1. РАЗРАБОТЧИКИ
Б.А.Станкевич (руководитель темы); О.H.Магницкий, д-р техн. наук; А.А.Косилов; Б.Н.Крюков; Е.А.Караштин, канд. техн. наук
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 19.12.86 N 4007
3. Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 5616-86
4. ВЗАМЕН ГОСТ 13764-68
5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
6. Ограничение срока действия снято по протоколу N 7-95 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 11-95)
7. ИЗДАНИЕ (январь 2007 г.) с Изменением N 1, утвержденным в ноябре 1988 г. (ИУС 2-89)
Настоящий стандарт распространяется на пружины, предназначенные для работы в неагрессивных средах при температуре от минус 60 °С до плюс 120 °С.
1. Пружины разделяются на классы, виды и разряды в соответствии с указанными в табл.1 и 2.
Таблица 1
Класс пружин | Вид пружин | Нагружение | Выносливость (установленная безотказная наработка), циклы, не менее | Инерционное соударение витков |
I | Сжатия и растяжения | Циклическое | 1·10 | Отсутствует |
II | Сжатия и растяжения | Циклическое и статическое | 1·10 | Отсутствует |
III | Сжатия | Циклическое | 2·10 | Допускается |
Примечания:
1. Отсутствие соударения витков у пружин сжатия определяется условием:
,
где — наибольшая скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружении или при разгрузке, м/с;
— критическая скорость пружины сжатия (соответствует возникновению соударения витков пружины от сил инерции), м/с.
2. Значения выносливости не распространяются на зацепы пружин растяжения.
3. Критериями отказа в условиях эксплуатации является невыполнение требований ГОСТ 16118.
Таблица 2
Класс пру- | Раз- | Вид пружин | Сила пружины при макси- | Диа- | Материал | Твер- | Макси- | Требо- | Стандарт на основные пара- | |
Марка стали | Стандарт | |||||||||
I | 1 | Одно- | 1,00-850 | 0,2-5,0 | По ГОСТ 1050 и ГОСТ 1435 | Проволока класса I по ГОСТ 9389 | — | 0,3 | Для повы- | ГОСТ 13766 |
2 | 1,00-800 | Проволока классов II и IIA | ГОСТ 13767 | |||||||
22,4-800 | 1,2-5,0 | 51ХФА-Ш по ГОСТ 14959 | Проволока по | 0,32 | ||||||
3 | 140-6000 | 3,0-12,0 | 60С2А; 65С2ВА; 70С3А по ГОСТ 14959 | Проволока по | 47,5…53,5 | 560 | ГОСТ 13768 | |||
51ХФА по ГОСТ 14959 | Проволока по ГОСТ 14963 | 45,5…51,5 | ||||||||
4 | 2800-180000 | 14-70 | 60С2А; 65С2ВА; 70С3А; 60С2; 60С2ХА; 60С2ХФА; 51ХФА по ГОСТ 14959 | Сталь горяче- | 44,0…51,5 | 480 | ГОСТ 13769 | |||
________________ | ||||||||||
II | 1 | Одно- | 1,50-1400 | 0,2-5,0 | По ГОСТ 1050 и ГОСТ 1435 | Проволока класса I по ГОСТ 9389 | — | 0,5 | ГОСТ 13770 | |
2 | 1,25-1250 | Проволока классов II и IIА по ГОСТ 9389 | ГОСТ 13771 | |||||||
37,5-1250 | 1,2-5,0 | 51ХФА-Ш по ГОСТ 14959 | Проволока по ГОСТ 1071 | 0,52 | ||||||
3 | 236-10000 | 3,0-12,0 | 60С2А; 65С2ВА по ГОСТ 14959 | Проволока по ГОСТ 14963 | 47,5…53,5 | 960 | ГОСТ 13772 | |||
65Г по ГОСТ 14959 | Проволока по ГОСТ 2771 | |||||||||
51ХФА по ГОСТ 14959 | Проволока по ГОСТ 14963 | 45,5…51,5 | ||||||||
4 | 4500-280000 | 14-70 | 60С2А; 60С2; 65С2ВА; 70С3А; 51ХФА; 65Г; 60С2ХФА; 60С2ХА по ГОСТ 14959 | Сталь горяче- | 44,0…51,5 | 800 | ГОСТ 13773 | |||
III | 1 | Трех- | 12,5-1000 | 0,3-2,8 | По ГОСТ 1050 и ГОСТ 1435 | Проволока класса I по ГОСТ 9389 | — | 0,6 | — | ГОСТ 13774 |
2 | Одно- | 315-14000 | 3,0-12,0 | 60С2А; 65С2ВА; 70С3А по ГОСТ 14959 | Проволока по ГОСТ 14963 | 54,5…58,0 | 1350 | Обяза- | ГОСТ 13775 | |
3 | 6000-20000 | 14-25 | 60С2А; 65С2ВА; 70С3А по ГОСТ 14959 | Сталь горяче- | 51,5…56,0 | 1050 | ГОСТ 13776 | |||
Примечания:
1. Максимальное касательное напряжение при кручении приведено с учетом кривизны витков.
2. Допускается использование основных параметров витков по ГОСТ 13766, ГОСТ 13767, ГОСТ 13770, ГОСТ 13771 для пружин растяжения с предварительным напряжением.
Класс пружин характеризует режим нагружения и выносливости, а также определяет основные требования к материалам и технологии изготовления.
Разряды пружин отражают сведения о диапазонах сил, марках применяемых пружинных сталей, а также нормативах по допускаемым напряжениям.
(Измененная редакция, Изм. N 1).
2. В стандарт включены дополнительные требования, которые приведены в приложениях 1-3.
Приложение 1 (справочное). КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫНОСЛИВОСТИ И СТОЙКОСТИ ЦИКЛИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ПРУЖИН
Приложение 1
Справочное
При определении размеров пружин необходимо учитывать, что при , помимо касательных напряжений кручения, возникают контактные напряжения от соударения витков, движущихся по инерции после замедления и остановок сопрягаемых с пружинами деталей. Если соударение витков отсутствует, то лучшую выносливость имеют пружины с низкими напряжениями , т.е. пружины I класса, промежуточную — циклические пружины II класса и худшую — пружины III класса.
При наличии интенсивного соударения витков выносливость располагается в обратном порядке, т.е. повышается не с понижением, а с ростом . В таком же порядке располагается и стойкость, т.е. уменьшение остаточных деформаций или осадок пружин в процессе работы.
Средствами регулирования выносливости и стойкости циклических пружин в рамках каждого класса при неизменных заданных значениях рабочего хода служат изменения разности между максимальным касательным напряжением при кручении и касательным напряжением при рабочей деформации .
Возрастание разности обусловливает увеличение выносливости и стойкости циклических пружин всех классов при одновременном возрастании размеров узлов. Уменьшение разности сопровождается обратными изменениями служебных качеств и размеров пространств в механизмах для размещения пружин.
Для пружин I класса расчетные напряжения и свойства металла регламентированы так, что при 1 обусловленная стандартом выносливость пружин при действии силы (сила пружины при предварительной деформации) обеспечивается при всех осуществимых расположениях и величинах рабочих участков на силовых диаграммах (разности напряжений и , где — касательное напряжение при предварительной деформации).
Циклические пружины II класса при 1 в зависимости от расположения и величин рабочих участков могут быть поставлены в условия как неограниченной, так и ограниченной выносливости.
Циклические пружины III класса при всех отношениях и величинах относительного инерционного зазора пружин не более 0,4 [формула (1) ГОСТ 13765] характеризуются ограниченной выносливостью, поскольку они рассчитаны на предельно высокие касательные напряжения кручения, к которым при 1 добавляются контактные напряжения от соударения витков.
Статические пружины, длительно пребывающие в деформированном состоянии и периодически нагружаемые со скоростью менее , относятся ко II классу. Вводимые стандартом ограничения расчетных напряжений и свойств проволоки (ГОСТ 13764, табл.2) обеспечивают неограниченную стойкость статических пружин при остаточных деформациях не более 15% величины максимальной деформации .
Допустимые остаточные деформации статических пружин регламентируются координацией сил пружины при рабочей деформации на силовых диаграммах, причем увеличение разности способствует уменьшению остаточных деформаций.
Технологические средства регулирования выносливости и стойкости пружин определяются документацией на технические условия.
Приложение 2 (справочное). КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МАТЕРИАЛАХ
Приложение 2
Справочное
Имеющиеся в промышленности марки пружинной стали характеризуются следующими свойствами и условиями применения.
Проволока класса I по ГОСТ 9389. Высокая разрывная прочность. Наличие больших остаточных напряжений первого рода (от волочения и навивки) обусловливает появление остаточных деформаций пружин при напряжениях . При остаточные деформации высоки независимо от применения операции заневоливания. В связи с указанным проволока класса I по ГОСТ 9389 назначается для пружин III класса в виде трехжильных тросов.
Проволока классов II и IIА по ГОСТ 9389. Отличается от проволоки класса I уменьшенной прочностью при разрыве и повышенной пластичностью. Применяется для изделий, работающих при низких температурах, а также для пружин растяжения со сложными конструкциями зацепов. Проволока класса IIA отличается от проволоки класса II более высокой точностью размеров, уменьшением вредных примесей в металле и дальнейшим повышением пластичности.
Сталь марки 65Г. Повышенная склонность к образованию закалочных трещин. Применяется с целью удешевления продукции для изделий массового производства в случаях, когда поломки пружин не вызывают нарушения функционирования деталей механизмов и не связаны с трудоемкими заменами.
Сталь 51ХФА. Повышенная теплоустойчивость. Закаливается на твердость не более 53,5 HRC. В результате высоких упругих и вязких свойств служит лучшим материалом для пружин I класса.
Сталь марок 60С2А, 60C2. Высокие упругие и вязкие свойства. Повышенная склонность к графитизации и недостаточная прокаливаемость при сечениях 20 мм. Широкая применимость для пружин I и II классов. Для пружин III класса назначается при 6 м/с.
Сталь 60С2ХФА. Высокая прокаливаемость, малая склонность к росту зерна и обезуглероживанию при нагреве (по сравнению со сталью 60С2А), повышенные вязкость, жаропрочность и хладостойкость, хорошая циклическая прочность и релаксационная стойкость в широком диапазоне циклических изменений температур. Предпочтительное применение в сечениях проволоки от 30 мм и выше.
Сталь марки 65С2ВА. Высокие упругие свойства и вязкость. Повышенная прокаливаемость. Служит лучшим материалом для пружин III класса. Применяется при 6 м/с.
Сталь марки 70С3А. Повышенная прокаливаемость. Обладает склонностью к графитизации. Преимущественное применение при диаметрах проволоки 20 мм. Заменителем служит сталь 60С2Н2А.
Примечание. Преимущественное практическое использование пружин из стали марки 51ХФА определяется интервалом температур от минус 180 до плюс 250 °С, из стали марки 60С2ХФА от минус 100 до плюс 250 °С, из проволоки класса IIА по ГОСТ 9389 от минус 180 до плюс 120 °С, из стали марок 65Г, 70С3А, 60С2А, 65С2ВА и из проволоки класса I по ГОСТ 9389 от минус 60 до плюс 120 °С. В случаях использования пружин при более высоких температурах рекомендуется учитывать температурные изменения модуля.
(Измененная редакция, Изм. N 1).
Приложение 3 (справочное). КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О НАЗНАЧЕНИИ ВЫСОКОЙ ТВЕРДОСТИ ДЛЯ ПРУЖИН III КЛАССА
Приложение 3
Справочное
Установлено, что пружины сжатия, работающие в режиме интенсивного соударения витков, преждевременно выходят из строя, главным образом, по причине поломок опорных витков, а также по причине быстрой потери сил в результате остаточных деформаций.
Назначение высокой твердости способствует возрастанию упругих свойств и предела прочности пружинных материалов, в результате чего остаточные деформации резко уменьшаются и благодаря этому пружины более продолжительное время работают без поломок и без недопустимых потерь сил.
У применяемых марок стали безопасным для работоспособности пружин III класса является интервал твердости HRC 53,5…58,0, однако условием для этого служит обязательное применение дробеструйной обработки независимо от требуемых норм выносливости. Важной предпосылкой назначения высокой твердости служит также всемерное сокращение периодов нагрева для закалки и установление продолжительности отпуска на заданную твердость не менее 45 мин при нагреве в жидких ваннах и не менее 1 ч при нагреве в воздушной среде.
Все пружины, закаливаемые на высокую твердость, в зависимости от уровня требований к стабильности размеров и сил, а также с целью контроля дефектов металла рекомендуется подвергать заневоливанию до соприкосновения витков, также копровой или стендовой отбивке.
Электронный текст документа
подготовлен АО «Кодекс» и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2007
Редакция документа с учетом
изменений и дополнений подготовлена
АО «Кодекс»
К конструкционным углеродистым или высокоуглеродистым относят сталь рессорно — пружинную. Для придания ей узконаправленных свойств легируется в небольших количествах 2-3 элементами, в общей сумме до 2,5 %. Но применение этих марок сталей не ограничивается только изготовлением пружин. Называют эту группу так, из-за того, что название это наиболее сильно отражает их главную особенность — упругость.
Характеристики пружинных сталей
Пружинные стали характеризуются повышенным пределом текучести (δВ) и упругости. Это важнейшая характеристика металла — выдерживать механические нагрузки без изменений своей первоначальной формы. Т.е. металл, подвергающийся растяжению или наоборот сжатию (упругой деформации), после снятия с него действующих сил, должен оставаться в первоначальной форме (без остаточной деформации).
Марки и область применения пружинной стали
По наличию дополнительных свойств пружинная сталь подразделяется на легированную (нержавеющую) и углеродистую. За основу легированной стали берется углеродистая с содержанием С 65-85 % и легируется 4 основными элементами, всеми или выборочно, каждый из которых вносит свои особенности:
- хром;
- марганец;
- кремний;
- вольфрам.
Хром — при концентрации более 13 % работает на обеспечение коррозионной стойкости металла. При концентрации хрома около 30 % изделие может работать в агрессивных средах: кислотной (кроме серной кислоты), щелочной, водной. Коррозионная пружинная сталь всегда легируется вторым сопутствующим элементом — вольфрамом и/ или марганцем. Рабочая t до 250 °C.
Вольфрам — тугоплавкое вещество. При попадании его порошка в расплав, образует многочисленные центры кристаллизации, измельчая зерно, что приводит к повышению пластичности без потери прочности. Это привносит свои плюсы: качество такой структуры остается очень высоким при нагреве и интенсивном истирании поверхности. При термической обработке этот элемент сохраняет мелкозернистую структуру, исключает разупрочнение стали при нагреве (в процессе эксплуатации) и дислокацию. Во время закалки увеличивает прокаливаемость, в результате чего структура получает однородность на большую глубину, что в свою очередь увеличивает эксплуатационный срок изделия.
Марганец и кремний — обычно участвуют в легировании обоюдно, причем соотношение всегда увеличивается в пользу марганца, примерно до 1,5 раз. Т. е. если содержание кремния 1 %, то марганец добавляется в количестве 1,1-1,5 %.
Тугоплавкий кремний является не карбидообразующим элементом. При попадании его в расплав одним из первых принимает участие в кристаллизации, выталкивая при этом карбиды углерода к границам зерен, что соответственно приводит к упрочнению металла.
Марганец можно назвать стабилизатором структуры. Одновременно искажая решетку металла и упрочняя его, марганец устраняет излишнюю прочность кремния.
В некоторые марки сталей (при работе изделия в высокотемпературных условиях, при t выше 300 ºC) в сталь присаживают никель. Он исключает образование карбидов хрома по границам зерен, которые приводят к разрушению матрицы.
Ванадий также может являться легирующим элементом, его функция похожа на действие вольфрама.
В пружинных марках оговаривается такой элемент как медь, содержание ее не должно превышать 0,15 %. Т. к. являясь легкоплавким веществом, медь концентрируется на границах зерен, снижая прочность.
К пружинным маркам относят: 50ХГ, 3К-7, 65Г, 65ГА, 50ХГФА, 50ХФА, 51ХФА, 50ХСА, 55С2, 55С2А, 55С2ГФ, 55ХГР, 60Г, 60С2, 60С2А, 605, 70, 70Г ,75, 80, 85, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 68А, 68ГА, 70Г2, 70С2ХА, 70С3А, 70ХГФА, SH, SL, SM, ДМ, ДН, КТ-2.
Марки такой стали используются для изготовления не только пружин и рессор, хотя это основное их назначение, которое характеризует основное свойство. Их применяют везде, где есть необходимость предать изделию упругость, одновременно пластичность и прочность. Все детали, которые изготавливают из этих марок, подвержены: растяжению и сжатию. Многие их них испытывают нагрузки, периодически сменяющие друг друга, причем с огромной циклической частотой. Это:
- корпуса подшипников, которые испытывают в каждой точке сжатие и растяжение с высокой периодичностью;
- фрикционные диски, испытывающие динамические нагрузки и сжатие;
- упорные шайбы, основное время они испытывают нагрузки на сжатие, но к ним можно присовокупить и резкое изменение на растяжение;
- тормозные ленты, для которых одним из главнейших задач является упругость при многократно повторяющемся растяжении. При такой динамике с усиленным старением и износом более прочная сталь (с меньшей упругостью) подвержена быстрому старению и внезапному разрушению.
Тоже касается и шестерней, фланцев, шайб, цанг и т. д.
Маркировка
Пружинно-рессорные стали можно сгруппировать по позициям:
- нелегированные с содержанием углерода 65-85 % — недорогая сталь общего назначения;
- марганцево-кремниевые — наиболее дешевая с высокими физико-химическими показателями;
- хромо-марганцевые — нержавеющая сталь, работает в агрессивных средах при t -250 +250 C;
- дополнительно легированные и/или вольфрамом, ванадием, бором — представляют собой стали с повышенным ресурсом работы благодаря однородной структуре, отличным соотношением прочности и пластичности благодаря измельченному зерну и выдерживает высокие механические нагрузки. Используются на таких объектах как ЖД транспорт.
Маркировка пружинных сталей проводиться следующим образом. Разберем на примере 60С2ХФА:
- 60 — процентное содержание углерода в десятых долях (углерод не указывается в буквенном значении);
- С2 — буквенное обозначение кремния с индексом 2, обозначает увеличенное стандартное содержание (1-1,5 %) в 2 раза;
- Х — наличие хрома до 0,9-1 %;
- Ф — содержание вольфрама до 1 %;
- А — добавленный буквенный индекс А в конце маркировки обозначает минимальное содержание вредных примесей фосфора и серы, не более 0,015 %.
Производство
В зависимости от дальнейшей обработки и окончательно вида детали, сталь поставляется в листах, проволоке, шестигранниках, квадратах. Высокие эксплуатационные качества изделия обеспечиваются 2 составляющими:
- структурой металла, которая определяется химическим составом и последующей обработкой;
- наличием в структуре неметаллических включений, точнее минимальным количеством и размерами, что устраняется на этапе выплавки и разливки;
- формой детали (спираль, дуга) и ее размерами, что определяется расчетным методом.
При растягивании пружины, внутренние и наружные стороны витков испытывают различные степени нагрузки: внешние меньше подвержены растяжению, в то время как внутренние испытывают наибольшую степень деформации. Тоже касается и концов пружины: они служат местом крепления, что увеличивает нагрузку в этих и граничащих местах. Поэтому разработаны марки стали, которые предпочтительно используются на сжатие либо растяжение.
Термомеханическая обработка
Все без исключения пружинные стали повергаются термомеханической обработке. После нее прочность и износостойкость способна увеличиться в 2 раза. Форму изделию придают в отожженном состоянии, когда сталь имеет максимально возможную мягкость, после чего нагревают до 830-870 С и охлаждают в масляной или водной среде (только для марки 60 СА). Полученный мартенсит отпускают при температуре 480 ºC.
Все требования и рекомендации к этому виду стали описаны в ГОСТ 14959-79. На их основании предприятием разрабатываются более детальные технологические листы, которые отвечают узким параметрам.
Оцените статью:
Рейтинг: 5/5 — 1
голосов