Какими свойствами должна обладать сталь для изготовления из нее пружины

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.

марки рессорно - пружинной стали

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 %.

пружина

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

Источник

Практически каждый домашний мастер знает, что почти из любой проволоки возможно сделать пружину и с успехом ее использовать в быту. В основном проблем с самостоятельным изготовлением детали не возникает. Однако иногда возникают ситуации, в которых необходимо сделать либо пружину нестандартных габаритов, либо придать ей повышенную прочность и упругость. Для этого следует прибегнуть к операциям термообработки. Закалить пружину в домашних условиях вполне реально. Само собой, что самодельную деталь не стоит использовать в особо ответственных устройствах, работающих при повышенной нагрузке. Для таких целей рекомендуется использовать пружины, изготовленные в заводских условия. Но для домашнего применения в устройстве, работающем в облегченном режиме рассматриваемая технология вполне подходит.

Что понадобится для работы

Если возникла необходимость изготовить эту деталь собственными руками, потребуются такие материалы и инструментарий:

газовая горелка;
печка (в качестве нее можно свободно использовать любое устройство для нагревания) ;
плоскогубцы;
слесарные тиски;
проволока из стали (ее диаметр обязательно должен сходиться по размерам с поперечным сечением предполагаемого изделия).

Наматывать проволоку будет проще благодаря инструментам, построение которых зависимо от габаритов и степени жесткости пружины.

Если толщина проволоки не выше двух миллиметров, допускается ее заблаговременно не нагревать. Поскольку она и без того легко сгибается. Только ее следует заранее выпрямить по всей длине.

Если же она больше пары миллиметров, нужно заблаговременно обжечь ее. Поскольку без подобного хода выпрямлять ее и наматывать будет довольно трудно.

Требования к пружинам

Чтобы выполнять свою работу эффективно и правильно, эти элементы должны обладать хорошей прочностью, пластичностью, упругостью, выносливостью и релаксационной стойкостью.

Достижение этих качеств возможно при соблюдении многих факторов, в том числе:

— Правильном выборе материала.
— Грамотно проведенных расчетах.
— Соблюдении технологии изготовления.

Качественные пружины должны соответствовать требованиям ГОСТ и техническому заданию конкретного заказчика.

Согласно стандарту предусмотрены три группы точности по контролируемым деформациям:

— С допускаемым отклонениями до 5% (+/-).
— До 10%.
— До 20%.

Читать также: Как работает мультиметр видео

В соответствии с этим определены три группы точности по геометрическим параметрам.

Важное требование к этим деталям – чистота поверхности, здесь не допускаются царапины и другие дефекты, так как они приводят к снижению прочности и надежности.

Как рассчитать пружину

Чтобы сделать это правильно, следует использовать специальную таблицу. Она поможет правильно подобрать диаметр проволоки, число витков и размер шага. Ключевую роль будет играть такой момент – как должна будет работать пружина. То есть, на растяжение либо на сжатие. Последние часто используются, например, для капкана. А на производстве пружины на сжатие применяются, скажем, для плойки. Точнее, для ее изготовления.

У последнего типа пружин конструкция может быть непростая. Однако и ее возможно сделать собственными руками. При условии, что будут выполнены все необходимые расчеты (толщина металла, число витков, шаг) и составлен чертеж готового изделия.

Из каких материалов делают пружины

Перечень материалов, из которых изготавливают пружины, очень разнообразен. Он зависит от назначения, размеров, типа изделия. Материалы – от средне-, высокоуглеродистых марок стали и низколегированных стальных сплавов до резины, дерева, пластмассы, фанеры и даже картона. Мы специализируемся на металлических пружинах.

К техническим характеристикам стали, использующейся при изготовлении пружин, предъявляются очень высокие требования, так как пружины часто служат для гашения нагрузок различной интенсивности. В зависимости от предназначения упругих элементов, для их создания могут применяться самые разные марки стали. Чаще всего при производстве пружин используется углеродистая и высоколегированная сталь таких марок, как:

50ХФА, 50ХГФА, 55ХГР, 55С2, 60С2, 60С2А, 60С2Н2А, 65Г, 70СЗА, У12А, 70Г, но спросом пользуется продукция и из других стальных сплавов.

Как материалы связаны с назначением пружины:

Упругие элементы общего назначения производят из высокоуглеродистых сталей, легированных ванадием, марганцем и кремнием.
Детали, которые будут использоваться в агрессивных средах, делают из нержавеющей стали, бериллиевой, кремнемарганцевой, оловянноцинковой бронзы, а также из титановых и никелевых сплавов.

Стандартное создание пружины своими руками

Чтобы начать процесс собственноручно, в дополнение к уже перечисленным параметрам, следует уточнить марку стали, которая будет взята для работы.

Изготовление можно выполнить на оправке посредством шуруповерта. Дополнительно потребуются такие инструменты:

источник нагрева;
источник холода;
кусачки;
молоток;
тиски;
дополнительные детали.

Изготовление пружины посредством шуруповерта можно изучить на видео.

Виды пружин [ править | править код ]

По виду воспринимаемой нагрузки

пружины сжатия;
пружины растяжения;
пружины кручения;
пружины изгиба.

Пружины растяжения

— рассчитаны на увеличение длины под нагрузкой. В ненагруженном состоянии обычно имеют сомкнувшиеся витки. На концах для закрепления пружины на конструкции имеются крючки или кольца.

Пружины сжатия

— рассчитаны на уменьшение длины под нагрузкой. Витки таких пружин без нагрузки не касаются друг друга. Концевые витки поджимают к соседним и торцы пружины шлифуют. Длинные пружины сжатия, во избежание потери устойчивости, ставят на оправки или стаканы, либо используют менее габаритные волновые пружины.

У пружин растяжения-сжатия под действием постоянной по величине силы витки испытывают напряжения двух видов: изгиба и кручения.

Пружина изгиба

— применяется для передачи упругих деформаций при незначительных изменениях геометрических размеров пружины или пакета пружин (рессоры, тарельчатые пружины).Они имеют разнообразную простую форму ( торсионы, стопорные кольца и шайбы, упругие зажимы, элементы реле и т.п.)

Пружины кручения

— могут быть двух видов:

торсионные — стержень, работающий на кручение (имеет большую длину, чем витая пружина)
витые пружины, работающие на кручение (как в бельевых прищепках, в мышеловках и в канцелярских дыроколах).

В приборостроении известна пружина Бурдона

— трубчатая пружина в манометрах для измерения давления, играющая роль чувствительного элемента.

Как сделать пружину для рыбалки

Благодаря этой простой, но очень удобной детали, поклевка не заставит себя ждать. Такие нередко используются для силиконовых приманок.

С чего начать работу:

Разумеется, с наматывания подходящей проволоки на избранное в качестве шаблона приспособление.
Концовку проволоки будет удобнее прижать плоскогубцами к шаблону, вокруг которого идет обмотка. Количество витков зависит от размеров изготавливаемого приспособления. Обычно вполне достаточно от семи до двенадцати витков.
Придав пружине нужную величину, стоит теперь озадачиться приданием необходимой формы.
Сделать пружину бочкообразной не так уж сложно. Достаточно только увеличить витки, стоящие по центру. И постепенно уменьшать диаметр тех витков, что расположены по краям.
Теперь внутрь пружинки можно вставить трубочку, которая обеспечит свободное перемещение лески при поклевке. Для этих целей можно задействовать стержень из пластика либо металла.
Самые крайние витки зажимают трубочку. Если внутрь вставлен металл, то лучше добавить к нему кусочек изоляции от электропровода.

Подобные пружины пользуются популярностью для рыбалки. А благодаря плоскогубцам, работу выполнять куда проще. А излишки металла удаляются кусачками.

Применение пружин [ править | править код ]

Пружина — один из самых широко применяемых элементов механизмов, конструкций, приборов. Используется для компенсации размерных неточностей, износа, снятия вибраций, как накопитель энергии, для простого измерения давления, веса, усилий и ускорений; предохранения от ударов и перегрузок.

В канцелярских товарах [ править | править код ]

скрепки и канцелярские прищепки
авторучки и механические карандаши
степлеры и дыроколы

В строительстве [ править | править код ]

Простейшие доводчикибез гасителей для калиток и дверей интенсивного пользования, в холодном климате для тамбуров.
В возвратных механизмах ручных жалюзи, роликовых ставен и тяжелых секционных ворот.
В клапанах направления движения в общественных местах.
В лифтовых буферах.
В строениях и конструкциях на неустойчивых грунтах, в геологически активных местностях, как гаситель сейсмических волн.

В пресс-формах и штампах [ править | править код ]

В пресс-формах и штампах применяются пружины сжатия с прямоугольным сечением проволоки, они называются инструментальными пружинами. Благодаря прямоугольному сечению проволоки, пружина имеет более жесткие пружинные свойства при относительно небольших размерах, что очень удобно для размещения их в пресс-формы и штампы.

В огнестрельном оружии [ править | править код ]

Боевая пружина, возвратная пружина, пружина магазина
В симуляции оружия, оружие для страйкбола — пружина обычно используется для выталкивания снаряда в пружинно-поршневых винтовках.

В механизмах постоянной силы [ править | править код ]

Конструкция механизма или самой пружины обеспечивает постоянное усилие на грузонесущем элементе в определенном диапазоне перемещения.

Опоры постоянного усилия для трубопроводов
Роликовые пружины постоянного усилия или момента
Уплотнения трубопроводной арматуры
Заданная нагрузка для плавающих подшипников

Пружины – упругие элементы конструкций, служащие для накопления или рассеяния механической энергии. Они окружают нас со всех сторон — под клавишами клавиатуры компьютера, в подвеске автомобиля и в подъемном механизме дивана. Наиболее распространены витые пружины сжатия. Существует несколько способов сделать их.

Полезные рекомендации мастерам

Создавая собственными руками подобные изделия, достаточно придерживаться простейших рекомендаций от профессионалов:

Проволока обязательно должна быть ровной. Если пружина изготавливается из старого материала, проволоку обязательно необходимо выровнять.
Пруток должен быть чистым от ржавчины и прочей грязи. Для этого подойдет раствор соды либо магазинные вещества – бытовая химия для снятия ржавчины и растворения масел.
Вытирать проволоку после чистки рекомендуется не тканью, а опилками.
Сталь диаметром больше пары миллиметров, перед тем как намотать, необходимо обжечь докрасна (в районе 400 градусов по Цельсию), а затем – охладить на открытом воздухе.
В ходе намотки требуется внимательно контролировать расположение витков по отношению друг к другу.
Дома закалить пружины можно сразу несколькими вариантами: в печке, посредством газовой горелки и на костре. Нагреваться сталь должна почти до 900 градусов.

Стоит напомнить, что из-за слишком быстрого охлаждения металл может пойти трещинами.
Созданную дома пружину рекомендовано держать сжатой в течение определенного времени. Обычно этот период колеблется до 40 часов. Но не менее 20-ти.

Правильно выполненная термообработка позволяет уменьшить остаточную деформацию, повысить процент упругости. Закалка позволяет получить повышенные показатели качества, благодаря которым можно будет использовать пружину в любых изделиях.

Используемое оборудование и оснастка

Чтобы сделать упругий элемент, требуется специализированное оборудование. Это навивочные станки. Сделать деталь можно и на обычном токарном станке, но потребуется его дооборудование специальной оснасткой. Средние и крупные серии изготавливают на полуавтоматических установках, работающих с минимальным вмешательством оператора. Сделать пружину из проволоки можно и вручную. Для этого также потребуется специальная оснастка.

На следующем этапе механической обработки торцы шлифуются на торцешлифовочных станках. При единичном производстве или малых сериях это можно сделать шлифовальном круге.

Термообработка проводится с применением оправок, предотвращающих деформацию изделия, в специализированных печах для закалки и отпуска. Обе операции можно сделать и в универсальной печи.

Используемое оборудование и оснастка

Для контроля качества используются нагрузочные установки и измерительные комплексы. При единичном производстве измерения можно сделать и универсальным инструментом.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Технология изготовления пружин играет важную роль и имеет большое значение для их беспроблемной долгосрочной эксплуатации. Упругие элементы – это высокотехнологичные изделия, требующие наличия квалификации и опыта от инженеров-конструкторов и технологов, а также хорошего парка оборудования на предприятии-производителе.

От того, насколько правильными были расчеты пружины, подбор материала с учетом требуемых характеристик и особенностей ее применения, а также используемые технологии и точность изготовления, зависит работа целого агрегата, где эта деталь будет комплектующей.

Требования к материалу

Пружины для работы в определенных условиях выбираются по типоразмерам с учетом характера и величины нагрузок, характерных для условий эксплуатации. Надежность работы этих деталей определяется многими факторами, в том числе – качеством и структурным состоянием металла/сплава после термической обработки, наличием остаточных внутренних напряжений. Кроме того, важно металлургическое качество стали/ сплава. Так что долговечная беспроблемная эксплуатация начинается с выбора материала с определенным комплексом свойств.

Винтовые пружины сжатия в зависимости от размеров, выполняемой работы и других факторов изготавливаются из различных сталей/сплавов, в том числе из конструкционных рессорно-пружинных, нержавеющих, других.

Наиболее широко используемыми материалами можно назвать сталь 60С2А ГОСТ 14959-79, а также 50ХФА, 51ХФА, 60С2ХФА и аналогичные сплавы. Из нержавеющих самое широкое применение находит сталь 12Х18Н10Т.

Особенности технологии

В зависимости от предусмотренного назначения таких деталей и их спецификации уместно говорить об особенностях технологии их производства. Изготовление изделий из материалов, имеющих круглое сечение, может быть выполнено путем холодной или горячей навивки. Первым способом обычно изготавливают мелкие/средние пружины (из проволоки до 8 мм в диаметре), а вторым – крупные.

Кроме того, различие обуславливается применение различных видов термической обработки, что связано с необходимостью придать изделиям определенные характеристики.

Технология холодной навивки пружин без закалки

Навивка заготовок выполняется из проволоки, которая производителем заранее была подвергнута патентированию. Этот процесс представляет собой нагрев до температуры, превышающей интервал превращений, что отлично подготавливает материал для последующей холодной пластической деформации.

В сформированных навивкой заготовках обеспечиваются соответствие таких обязательных параметров, как:

Диаметр (этот параметр может быть внутренним, средним или наружным).
Количество предусмотренных витков (рабочих и общих).
Шаг и размер по высоте изготавливаемой детали (учитываются изменения, возможные в результате последующей обработки).
Правильность выполнения поджатия крайних витков.

Следующий этап – механическая отделка (торцевание), в процессе которой концевые витки (нерабочие) обрабатываются до образования поверхности, перпендикулярной оси. После этого производится термическая обработка – в данном случае – только низкотемпературный отпуск. Это придает постоянные упругие свойства и нивелирует созданные при навивке напряжения. Важный технологический момент – правильно определить температуру и время воздействия, ориентируясь на диаметр выбранного материала и требования стандартов. Термообработанные пружины подвергаются контролю и испытаниям на соответствие параметров требованиям чертежей.

Если по требованиям эксплуатации предусмотрено антикоррозионное покрытие, его нанесение становится последним этапом производства таких деталей. Только в том случае, если применялась гальваника, детали прогреваются для обезводороживания.

Технология холодной навивки пружин с закалкой и отпуском

Отличие данной технологии от описанной ранее начинается только на этапе термической обработки. Предыдущие действия: навивка и необходимая механическая обработка, выполняются точно так же.

Первым этапом термической обработки выполняется закалка: нагрев до определенной температуры (в зависимости от используемого материала), выдержка детали в течении указанного времени и принудительное (быстрое) охлаждение специальной среде, в основном в масле (иногда в воде, солевом растворе, других). Важно: для нагрева пружин под закалку их располагают горизонтально во избежание просадки под собственным весом.

Завершается термообработка отпуском – прогревом до сравнительно небольшой температуры и выдержкой строго определенное время для придания необходимых качеств.

После этого производится контроль таких параметров, как твердость, правильность сжатия/восстановления. Если предусмотрено технологией изготовления конкретной детали – применяется очистка пескоструем, упрочнение дробью, нанесение предотвращающего коррозию защитного покрытия.

Технология горячей навивки пружин с закалкой и отпуском

Горячая навивка подразумевает предварительный прогрев материала в электрической или газовой печи (возможный вариант – применение токов высокой частоты).

Подготовленная таким образом заготовка подвергается навивке согласно требованиям техзадания, разводке, а также торцовке и доводке геометрических значений с помощью инструментов. После этого деталь подается на закалку, параметры которой определяются используемым материалом, а потом – на отпуск.

По окончании термообработки производится контроль параметров и, если это необходимо, обжатие, заневоливание, другие дополнительные операции и обработка поверхности. Завершается процесс производства окрашиванием и сушкой.

Фото ловли на пружину

Обратите внимание!

Как привязать леску к катушке — способы, советы как правильно привязать и обзор самых надежных узлов (85 фото и видео)
Отцепы для воблеров и блесен — как сделать простой самодельный отцеп. 110 фото и видео практических советов
Как привязать крючок к леске — советы профессионалов и лучшие схемы для новичков (115 фото и видео)

Читайте здесь Классификации крючков: таблица размеров, номера, секреты выбора и применения. Полезные советы и рекомендации (80 фото)

Помогите проекту, поделитесь в соцсетях

Источник