Что такое пружинная сталь? — Руководство по маркам, обработке и конструкции

Множество механических систем вокруг нас обязаны поглощать удары и непреднамеренную энергию. Например, подвеска автомобиля должна поглощать удары от выбоин на дороге во время движения. В противном случае пассажиры будут испытывать неприятные ощущения при езде. Пружинная сталь как раз и обеспечивает это! Она способна поглощать большое количество энергии без остаточной деформации. Это лишь небольшой пример. Этот удивительный материал находит множество применений.

Что такое пружинная сталь?

Пружинная сталь — это особый тип стали, способный сохранять форму без остаточной деформации даже при высоких нагрузках. Пружинная сталь обладает высоким пределом текучести и высокой упругостью. Эти свойства делают пружинную сталь особенно подходящей для применений, требующих амортизации.

Определение пружинной стали

• Как кузнецы изготавливали пружинную сталь?

Традиционно кузнецы разрабатывали методы производства пружинной стали методом проб и ошибок. Они изготавливали высокоуглеродистую сталь, подвергая её последовательному нагреву, закалке и отпуску. Таким образом, получалась прочная и вязкая сталь, предназначенная для высокотехнологичных применений той эпохи.

Чем пружинная сталь отличается от обычной углеродистой стали

Давайте разберёмся: «В чём разница между пружинной и обычной сталью?». По сравнению с углеродистой сталью, пружинная сталь обладает высоким пределом текучести, высокой эластичностью, хорошей прочностью и усталостной прочностью. Химический состав и термическая обработка немного отличаются. В результате пружинная сталь приобретает способность к глубокой деформации и восстановлению формы.

Пружинная сталь — твердая или мягкая?

Пружинная сталь твёрже обычной углеродистой стали. Высокое содержание углерода в сочетании с легирующими добавками, такими как Si, Mn, V, Cr и др., делает её твёрже. Термическая обработка дополнительно повышает твёрдость.

Пружинная сталь против нержавеющей стали

В то время как пружинная сталь используется главным образом благодаря своей высокой эластичности, нержавеющая сталь используется, прежде всего, благодаря своей коррозионной стойкости. Для материалов, требующих высокой прочности, пружинная сталь всегда является идеальным выбором для обработки.

Основные марки пружинной стали

Чаще всего пружинную сталь называют так потому, что она часто используется для изготовления пружин; функционально следующие металлы классифицируются как таковые из-за их превосходных пружинных свойств. Например, нержавеющая сталь 17-7PH, которая с точки зрения материаловедения классифицируется как полуаустенитная нержавеющая сталь с дисперсионным упрочнением, также часто называется «пружинной сталью» после термообработки. Таким образом, в целом пружинную сталь можно разделить на 4 категории:

1. Углеродистые пружинные стали: 1075, 1095, 5160

Пружинные стали из обычной углеродистой стали являются самыми дешевыми. Высокая предел текучести и эластичность углеродистой стали обусловлены высоким содержанием углерода. Обычно содержание углерода колеблется от 0.6 до 1.0%.

Какая сталь лучше, 5160 или 1095?

Пружинная сталь марки 5160 обладает более высокой ударной вязкостью, чем пружинная сталь марки 1095. Это объясняется тем, что прочность пружинной стали марки 5160 обусловлена ​​содержанием углерода и небольшим добавлением хрома. С другой стороны, прочность пружинной стали марки 1095 полностью зависит от высокого содержания углерода, что приводит к образованию очень твердых и хрупких фаз.

• 5160 и 50CrV4

Пружинная сталь марки 5160 и пружинная сталь 50CrV4 очень похожи по составу и механическим свойствам. Единственное отличие заключается в микролегировании ванадием пружинной стали 50CrV4. Добавление V измельчает зернистую структуру, что приводит к повышению прочности и вязкости.

2. Легированные пружинные стали: 60Si2Mn, 55CrSi

Легирующие добавки, такие как Si, Cr и Mn, значительно повышают прочность и вязкость. Кремний — один из важнейших легирующих элементов в пружинной стали. Он изменяет микроструктуру, значительно повышая предел текучести и упругость. Mn и Cr улучшают прокаливаемость и прочность. 60Si2Mn и 55CrSi — распространённые марки легированной пружинной стали.

3. Нержавеющие пружинные стали: 301, 302, 17-7PH

Нержавеющая пружинная сталь дороже других марок пружинной стали. Все виды нержавеющей пружинной стали имеют высокое содержание хрома, который создаёт на поверхности защитный слой от коррозии. В стали марки 301 содержание углерода немного выше, чем в стали марки 302, и меньше никеля. С другой стороны, сталь марки 301 немного прочнее стали марки 302. С другой стороны, сталь марки 302 более устойчива к коррозии.

Нержавеющая сталь марки 17-7 PH — ещё один материал, используемый для изготовления пружин. 17 и 7 обозначают процентное содержание Cr и Ni. «PH» указывает на то, что это дисперсионно-твердеющий сплав. Это означает, что он формируется в более мягком состоянии, а его прочность увеличивается при старении.

4. Музыкальная проволока (ASTM A228)

Музыкальная проволока изготавливается из высококачественного материала. Благодаря холодному волочению, эта проволока приобретает повышенную эластичность при холодной обработке. Обычно она изготавливается из высокоуглеродистой стали. Легирующие добавки улучшают характеристики пружины.

Состав и механические свойства

Химический состав пружинной стали играет важную роль в изменении микроструктуры, что приводит к изменению механических свойств. Каждый легирующий элемент выполняет свою специфическую функцию, улучшая характеристики стойкости к циклическим нагрузкам, изгибу, кручению и удару.

Роль C, Si, Cr и V

Углерод и кремний являются важнейшими легирующими элементами в пружинных сталях. Углерод упрочняет сталь за счёт межузельного упрочнения и образования карбидов. Кремний способствует микроструктурному измельчению. Он подавляет образование цементита и способствует образованию мартенсита. Хром образует твёрдые карбиды. Ванадий является микролегирующим элементом. Даже небольшое содержание V значительно измельчает микроструктуру.

Механические свойства пружинной стали

Механические свойства 1075

Механические свойства 1095

Механические свойства 5160

Механические свойства 60Si2Mn

Механические свойства 17-7PH

Термическая обработка перед механической обработкой

Термическая обработка — необходимый этап для регулирования твёрдости, обрабатываемости и упругости пружинной стали. Для механической обработки требуется более низкая твёрдость, а после неё — высокая упругость. Обычно пружинную сталь отжигают перед механической обработкой, а затем закаливают и отпускают.

Как термообработать пружинную сталь?

• Отжиг: аустенизация при 760°C^OС, а затем охладить в печи до 550-600^O Затем охладить на воздухе.
• Закалка: аустенизация выше 800^OС, затем выдержать в течение времени, соответствующего толщине сечения. Затем закалить в масло.
• Темперирование: Нагрев до 300-500°C.^OС и подержите некоторое время. Затем медленно остудите.

Почему термическая обработка необходима для пружинной стали

Поскольку прокатанные или отожжённые пружинные стали не обладают высокой эластичностью, для придания им требуемых свойств их подвергают закалке и отпуску.

Обработка пружинной стали на станках с ЧПУ и ее обрабатываемость

Обработка пружинной стали на станках с ЧПУ позволяет изготавливать сложные детали с высокой точностью. Однако для достижения хорошего результата требуется опытный специалист и правильная настройка станка.

• Поддается ли механическая обработка пружинной стали?

Пружинная сталь — труднообрабатываемый материал. Она обладает высокой твёрдостью, что создаёт трудности при резке. При правильной настройке и термообработке из пружинной стали можно изготавливать высококачественные детали.

Машина в отожженном состоянии и после термообработки

В отожжённом состоянии обработка резанием всегда лёгкая. Твёрдость снижается, что облегчает резку. С другой стороны, после термической закалки и/или отпуска поверхность пружинной стали становится очень твёрдой для обработки резанием.

Процесс обработки пружинной стали на станках с ЧПУ

Токарная обработка пружинной стали с ЧПУ

При токарной обработке с ЧПУ заготовка вращается, а инструмент неподвижен. Этот метод обычно применяется для обработки осесимметричных форм.

Фрезерование пружинной стали с ЧПУ

При фрезеровании с ЧПУ инструмент движется, а заготовка остаётся неподвижной. Этот метод применяется для обработки крупногабаритных изделий со множеством деталей. Совет: попутное фрезерование лучше всего подходит для пружинной стали.

5-осевая обработка пружинной стали

5-осевая обработка позволяет вырезать из заготовок очень сложные элементы. Инструмент может перемещаться в различных ориентациях. Заготовку достаточно зафиксировать один раз. Станок с ЧПУ возьмёт на себя все вращения.

Шлифовка пружинной стали

Шлифование – это финишная обработка деталей из пружинной стали. Шлифование позволяет снизить шероховатость поверхности и довести до требуемых размеров.

Изготовление деталей из пружинной стали на заказ

Хотя из пружинной стали можно изготовить любую деталь, ниже перечислены некоторые наиболее часто изготавливаемые детали:

• Рессоры
• Сиденья с пружинами
• Зажимы и клипсы
• Высокопрочные валы
• Износостойкие штифты
• Заготовки и инструменты для ножей
• Детали подвески
• Индивидуальные пружинные механизмы

Преимущества выбора обработки пружинной стали на станках с ЧПУ

Обработка на станках с ЧПУ требует больше усилий, чем другие виды обработки. Даже при использовании прочных марок стали, таких как SAE 1095, 17-7 PH, 5160 и т.д., обработка на станках с ЧПУ обеспечивает многообещающие результаты. Такие детали, как зажимы, инструменты, пружины на заказ, плоские детали или высокопрочные механические элементы, изготавливаются с лёгкостью.

Жесткие допуски и повторяемость

Поскольку ЧПУ практически не зависит от ручных настроек, это исключает человеческий фактор. ЧПУ следует принципам CAD и CAM, поэтому всегда изготавливает детали одинакового размера. Обработка с ЧПУ идеально подходит для деталей из пружинной стали, требующих точного прогиба или посадки. Примерами могут служить тарелки пружин, прокладки, плоские пружины, стопорные механизмы и износостойкие лезвия.

Возможность высококачественной отделки

Поскольку настройки ЧПУ фиксированы для каждой детали-дубликата, дефекты обработки возникают крайне редко. Допуски на финишные операции, такие как шлифование и полирование, фиксируются каждый раз. Благодаря этому обеспечивается стабильно высокое качество поверхности.

Свобода дизайна

Обработка на станках с ЧПУ обеспечивает широкую гибкость формовки. Она позволяет избежать ограничений по пространству при изготовлении пружинных деталей. Такие элементы, как карманы, пазы, конусы и тонкие секции, легко изготавливаются. Любые изменения в конструкции легко вносятся в файлы CAD и CAM. Таким образом, нет необходимости в ручной корректировке каждый раз.

Советы по проектированию деталей

Хороший проект — основа высококачественного производства. Опытные проектировщики учитывают каждый аспект проектирования. Правильный выбор материалов, определение допусков и включение необходимых функций важны для надёжной конструкции.

Выберите правильную марку стали

Пружинная сталь бывает разных марок и классов. Каждая марка пружинной стали имеет свои особенности. Например, высокоуглеродистые марки, такие как 1095, лучше всего подходят для применений, требующих высокой твёрдости и низкой стоимости. В то же время, для сплавов, таких как 5160, приоритет отдаётся прочности, а нержавеющие стали обеспечивают коррозионную стойкость. Всегда лучше проконсультироваться с опытными производителями, такими как TUOFA.

Учет отдачи

Пружинная сталь проявляет эффект упругого возврата при гибке. Поэтому углы гибки следует учитывать с учетом упругого возврата.

Функции и функции

Детали из пружинной стали должны обладать характеристиками, минимизирующими концентрацию напряжений. В этом смысле такие характеристики, как скругления радиусов, отсутствие острых углов и канавки для снятия напряжений, играют важную роль.

Применение пружинной стали

Пружинная сталь широко используется в таких изделиях, как подвески, сцепления, клапанные пружины, фиксаторы и различные демпфирующие компоненты. В этих областях применения используются её высокая эластичность и предел текучести.

Автокомпоненты

• подвесные системы
• Клатчи
• Клапанные пружины
• Удерживающие зажимы

Промышленное машиностроение и робототехника

• Спиральные пружины
• Плоские пружины
• Стопорные шайбы
• Направляющие полоски
• Роботизированные механизмы

Медицинские приборы и инструменты

• Хирургические инструменты
• Ортодонтические устройства
• Прецизионные зажимы
• Механические сборки

Индивидуальные решения

Пружинная сталь используется там, где требуются высокая эластичность и прочность. Многие производители предпочитают пружинную сталь для изготовления деталей на заказ из-за её высокой прочности.

Подходит ли пружинная сталь для изготовления ножей?

Сталь Spiring очень востребована в производстве ножей благодаря своей превосходной прочности, стойкости режущей кромки и высокой твёрдости. Высокое содержание углерода и кремния позволяет повысить твёрдость при термообработке. Однако защита от коррозии остаётся проблемой для сталей, не относящихся к нержавеющей стали.

Какая сталь лучше всего подходит для ножей?

Не существует единого сорта стали, который можно было бы считать лучшим. Однако CPM S90V/S110V является одним из лучших по твёрдости и стойкости режущей кромки.

Заключение

Пружинная сталь — универсальный материал, используемый во многих областях. Пружинная сталь сохраняет свою форму даже после сильного изгиба. Она обладает высокой эластичностью, прочностью, ударной вязкостью и высокой усталостной прочностью. Благодаря своим амортизирующим свойствам пружинная сталь широко используется в системах подвески и механических узлах.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Что лучше: D2 или 1095?

D2 обеспечивает лучшую износостойкость деталей машин, а 1095 лучше с точки зрения твердости и прочности.

Ржавеет ли пружинная сталь?

Как правило, многие виды пружинной стали подвержены коррозии. Однако нержавеющая сталь, например, 301 или 302, обеспечивает хорошую защиту от коррозии.

Подходит ли пружинная сталь для инструментов?

Да. Инструменты из пружинной стали обладают очень хорошей размерной стабильностью и износостойкостью.

Подходит ли пружинная сталь 5160 для ножей?

Пружинная сталь 5160 очень хороша для ножей. Защита от коррозии всё ещё остаётся проблемой.

Пружинная сталь прочнее нержавеющей стали?

Пружинная сталь прочнее многих других видов стали. Пружинная сталь может быть подклассом нержавеющей стали. Поэтому такие марки нержавеющей стали, как 17-7PH, также очень прочны.