Термообработка пружин

Пружины, используемые в промышленных механизмах, испытывают значительные воздействия и нагрузки, после которых они должны восстанавливать свою геометрию и размеры. Поэтому материал для изготовления пружин должен обладать достаточной прочностью, пластичностью, упругостью, выносливостью и релаксационной стойкостью. При использовании пружин во влажной атмосфере или в контакте с агрессивными веществами металл также должен отличаться коррозионной стойкостью.

Для изготовления пружин сжатия, растяжения, кручения и изгиба применяются конструкционные стали и цветные металлы, которые в процессе производства подвергаются термообработке.

На свойства пружин влияет термообработка, которая подразумевает нагрев, выдержку и охлаждение упругих изделий для получения заданных параметров. В ходе термической обработки изменяется внутреннее структурное строение металлических сплавов.

Для придания пружинам необходимых параметров и свойств изделия прогревают до определённой температуры, выдерживают в таких условиях и охлаждают быстрым или медленным способом. При производстве упругих элементов термообработка может служить промежуточной операцией — для улучшения результатов последующей обработки — или быть завершающим этапом изготовления пружин на заказ, необходимым для достижения заданных параметров деталей.

Неправильно проведённая термообработка может привести к повышенной хрупкости изделий, снижению упругих свойств и преждевременному выходу пружинных элементов из строя.

Статья составлена на основе действующего ГОСТ 14959-2016, который с 1 января 2018 года заменил ГОСТ 14959-79.

Пружины из стали 60С2А

Пружинные стали 65Г, 60С2А и 50ХФА относятся к группе рессорно-пружинных конструкционных сталей. Они используются для изготовления упругих элементов, работающих под постоянными динамическими нагрузками. Термическая обработка этих сталей является критически важным процессом для достижения оптимального сочетания механических свойств согласно требованиям ГОСТ 14959-2016.

Основная цель термообработки пружинных сталей заключается в получении высокого предела упругости при сохранении достаточной пластичности и вязкости. Правильно проведённая термообработка обеспечивает формирование троостито-мартенситной структуры, которая гарантирует высокую релаксационную стойкость и устойчивость к усталостным разрушениям.

• Закалка

Закалка является первым и наиболее важным этапом термообработки пружинных сталей. Процесс заключается в нагреве стали до аустенитного состояния с последующим быстрым охлаждением для получения мартенситной структуры.

Сталь 60С2А требует более высокой температуры закалки — 850–870 °C, что связано с наличием кремния в составе. Кремний повышает устойчивость аустенита и требует более интенсивного нагрева для полного растворения карбидов.

Стали закаливаются в масле для предотвращения образования закалочных трещин. Температура масла должна составлять 50–80 °C. Для массивных изделий допускается кратковременное охлаждение в воде в течение 2–3 секунд с последующим переносом в масло.

• Отпуск

Для пружинных сталей применяется средний отпуск при температурах 300–600 °C. При этих температурах происходит распад мартенсита с образованием троостита отпуска — структуры, обеспечивающей высокий предел упругости.

Для стали 60С2А рекомендуется отпуск при 420–490 °C. Благодаря присутствию кремния эта сталь менее чувствительна к отпуску и сохраняет высокие упругие свойства в более широком диапазоне температур.

• Контроль механических свойств

Правильно проведённая термообработка обеспечивает получение оптимального комплекса механических свойств пружинных сталей. Основными контролируемыми характеристиками являются твёрдость, предел прочности, предел текучести и ударная вязкость.

• Твёрдость

Твёрдость является основным контрольным параметром качества термообработки.

Сталь 60С2А должна иметь твёрдость 47–53 HRC. Высокие значения твёрдости связаны с влиянием кремния, который способствует образованию более дисперсной структуры троостита отпуска.

Термическая обработка пружин из термообработанной проволоки

К этой группе относится проволока из сталей 70, 80 и 85, а также проволока марок А-1, Б-2 и других.

Если пружины изготавливаются из высокоуглеродистой патентированной проволоки, они подвергаются только низкому отпуску.

Термически обработанная проволока уже обладает необходимой для пружин микроструктурой. Однако в процессе навивки в структуре стали возникают внутренние напряжения, поскольку упругие силы стремятся возвратить проволоку в прямолинейное положение. Эти напряжения снимаются низким отпуском.

Навитые пружины нельзя оставлять без термообработки: из-за внутренних напряжений в проволоке может происходить самопроизвольная деформация изделий.

Отпуск проводится в специальных отпускных конвейерных печах. В зависимости от диаметра прутка обрабатываемых пружин устанавливаются разные температурные режимы и скорость движения конвейерной ленты.

Пружины из холоднотянутой проволоки по ГОСТ 9389-75 подвергаются только низкотемпературному отпуску.

Пружины из закаливаемых марок стали подвергают закалке и отпуску. Твёрдость при этом должна соответствовать значению, указанному в чертеже на основании таблицы 2 ГОСТ 13764-86. Повторная закалка пружин допускается не более одного раза. Количество повторных отпусков не ограничивается.

Пружины из нержавеющей стали по ОСТ 3-3427-76

Проволока уже закалена, поэтому, как и в случае с Б-2, мы проводим только отпуск.

• Отпуск пружин из нержавеющей стали 12Х18Н10Т

Температура отпуска — 400–500 °C.