Казанский Государственный Технический Университет им. А. Н. Туполева
Институт авиации, наземного транспорта и энергетики
Кафедра: «Материаловедение и структура образующих технологий»
Дисциплина: «Материаловедение ч.2»
Курсовая работа
Тема: «Пружинные стали»
Выполнена:
Проверил:
Елабуга , 2009 г.
План:
1. Описание
2. Применение
3. Маркировка и основные характеристики
4. Особенность вальцовки пружинной стали
5. Основные требования, предъявляемые к рессорно-пружинной стали
6. Характеристика материала 68А
7. Литература
Описание:
Пружинная сталь — сталь, предназначенная для изготовления упругих элементов (пружин, рессор и т.д.)
Работа пружин, рессор и тому подобных деталей характеризуется тем, что в них используют только упругие свойства стали. Большая суммарная величина упругой деформации пружины (рессоры и т. д.) определяется ее конструкцией — числом и диаметром витков, длиной пружины. Поскольку возникновение пластической деформации в пружинах не допускается, то от материала подобных изделий не требуется высокой ударной вязкости и высокой пластичности. Главное требование состоит в том, чтобы сталь имела высокий предел упругости (текучести). Это достигается закалкой с последующим отпуском при температуре в районе 300—400° С. При такой температуре отпуска предел упругости (текучести) получает наиболее высокое значение, а то, что эта температура лежит в интервале развития отпускной хрупкости I рода, в силу отмеченного выше обстоятельства не имеет большого значения.
Пружины, рессоры и подобные им детали изготавливают из конструкционных сталей с повышенным содержанием углерода (но, как правило, все же более низким, чем у инструментальных сталей) — приблизительно в пределах 0,5—0,7% С, часто с добавками марганца и кремния. Для особо ответственных пружин применяют сталь 50ХФ, содержащую хром и ванадий и обладающую наиболее высокими упругими свойствами. Термическая обработка пружин и рессор из легированных сталей заключается в закалке от 800—850° С (в зависимости от марки стали) в масле или в воде с последующим отпуском в районе 400—500° С на твердость НRС 35—45. Это соответствует ств
= 1304-1600 кгс/мм2
.
Иногда такой термической обработке подвергают детали конструкций большой длины и с тонкими стенками, которые должны обладать высокими пружинящими свойствами. В этом случае применяют сталь ЗОХГС; после закалки и отпуска при 250° С она будет иметь прочность (ав
) 160 кгс/мм2
, но вязкость (ад
) всего лишь 5 кгс-м/см2
, а пластичность (б) 7% и (ф.) 40%. Часто пружины изготавливают из шлифованной холоднотянутой проволоки (так называемой серебрянки). Наклеп (нагартовка) от холодной протяжки создает высокую твердость и упругость. После навивки (или другого способа изготовления) пружину следует отпустить при 250—350°С для снятия внутренних напряжений, что повысит предел упругости. Для изготовления серебрянки применяют обычные углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9, У10.
На качество и работоспособность пружины большое влияние оказывает состояние поверхности. При наличии трещин, плен и других поверхностных дефектов пружины оказываются нестойкими в работе и разрушаются, вследствие развития усталостных явлений в местах концентрации напряжений вокруг этих дефектов. Кроме обычных пружинных материалов, имеются и специальные, работающие в специфических условиях (повышенные температуры, агрессивные среды, и т. д.).
Общая характеристика:
сталь рессорно-пружинная, малочувствительна к флокенообразованию, склонна к отпускной хрупкости при содержании Mn≥1%, не применяется для сварных конструкций. Плотность при 20°С - 7,81х10³кг/м³. Модуль нормальной упругости при 20°С - 215 Гпа. Удельная теплоёмкость при 20-100°С - 490 Дж/(кг·°С)
Они работают в области упругой деформации металла под воздействием циклических нагрузок. Поэтому они должны иметь высокое значение предела упругости, текучести, выносливости при необходимости пластичности и высоком сопротивлении хрупкому разрушению.
Пружинные стали содержат С = 0,5 - 0,75% , Si до 2,8%, Mn до 1,2%, Cr до 1,2%, V до 0,25%, Bе до 1,2%, Ni до 1,7%. При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно, ее релаксационной стойкости. Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А. Однако они могут подвергаться обезуглероживанию, графитизации, резко снижающим характеристики упругости и выносливости материала. Устранение указанных дефектов, а также повышение прокаливаемости и торможение роста зерна при нагреве достигается дополнительным введением в кремнистые стали хрома, ванадия, вольфрама и никеля. Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.. Применяются также пружины специального назначения из мартенситных сталей 30Х13А, мартенситно - стареющих 03Х12Н10Д2Т, аустенитно-мартенситных 09Х15Н8Ю и других сталей и сплавов. Стали закаливают с температур 830 - 880°С и отпускают на тростит (380 - 550°С).
Имеют высокий предел текучести. Отношение предела текучести к пределу прочности 0,8−0,9. Для листовых рессор и пружин подвесок применяют кремнистые и марганцовистые стали 50ХГ, 50Г2, 05Г, 55С2 и др. Для торсионных валов используются стали 45ХНМФА, G0C2A, 70СЗА.
Для повышения усталостной прочности деталей, работающих при высоких колебательных нагрузках, необходимо обеспечить в поверхностном слое создание остаточных сжимающих напряжений. С этой целью применяют заневоливание пружин, заневоливание и чеканку торсионных валов, обкатку роликами, пластическую осадку и дробеструйную обработку листовых рессор. Легированная рессорно-пружинная сталь, термообработанная до твердости HRC 45—50, имеет предел усталости при кручении 190 МПа. После дробеструйной обработки предел усталости увеличивается до 350 МПа (3500 кгс/см2).
Применение:
Пружины, рессоры, упорные шайбы, тормозные ленты, фрикционные диски, шестерни, фланцы, корпусы подшипников, зажимные и подающие цанги и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости, и детали, работающие без ударных нагрузок.
Виды поставляемой продукции:
в горячекатаном состоянии (без термообработки) с твёрдостью не более НВ285; в высокоотпущенном состоянии - не более НВ241
Маркировка и основные характеристики:
Марки пружинных сталей:
| · 50ХГ | · 50ХГА | · 50ХГФА | · 50ХСА |
| · 50ХФА | · 51ХФА | · 55С2 | · 55С2А |
| · 55С2ГФ | · 55ХГР | · 60Г | · 60С2 |
| · 60С2А | · 60С2Г | · 60С2Н2А | · 60С2ХА |
| · 60С2ХФА | · 65 | · 65Г | · 65ГА |
| · 65С2ВА | · 68А | · 68ГА | · 70 |
| · 70Г | · 70С2ХА | · 70С3А | · 75 |
| · 80 | · 85 |
Основные механические свойства рессорно-пружинной стали после специальной термической обработки.
| Марка стали | Рекомендуемый режим термической обработк
и
|
Механические свойства | |||||
| σт ,кгс/мм2 | σв ,кгс/мм2 | δ5 , % | φ , % | ||||
| Температура закалки, °С | Закалочная среда | Температура отпуска | |||||
| Не менее | |||||||
| 65 | 840 | Масло | 480 | 80 | 100 | 10 | 35 |
| 70 | 830 | » | 480 | 85 | 105 | 9 | 30 |
| 75 | 820 | » | 480 | 90 | 110 | 9 | 30 |
| 85 | 820 | » | 480 | 100 | 115 | 8 | 30 |
| 60Г | 840 | » | 480 | 80 | 100 | 8 | 30 |
| 65Г | 830 | Масло | 480 | 80 | 100 | 8 | 30 |
| 70Г | 830 | » | 480 | 85 | 105 | 7 | 25 |
| 55ГС | 820 | » | 480 | 80 | 100 | 8 | 30 |
| 50С2 | 870 | Масло или вода | 460 | 110 | 120 | 6 | 30 |
| 55С2 | 870 | То же | 460 | 120 | 130 | 6 | 30 |
| 55С2А | 870 | » » | 460 | 120 | 130 | 6 | 30 |
| 60С2 | 870 | Масло | 460 | 120 | 130 | 6 | 25 |
| 60С2А | 870 | » | 420 | 140 | 160 | 6 | 20 |
| 70С3А | 860 | » | 460 | 160 | 180 | 6 | 25 |
| 50ХГ | 840 | » | 440 | 110 | 130 | 7 | 35 |
| 50ХГА | 840 | » | 440 | 120 | 130 | 7 | 35 |
| 55ХГР | 830 | » | 450 | 125 | 140 | 5 | 30 |
| 50ХФА | 850 | » | 520 | 110 | 130 | 8 | 35 |
| 50ХГФА | 850 | » | 520 | 120 | 130 | 6 | 35 |
| 60С2ХФА | 850 | » | 410 | 170 | 190 | 5 | 20 |
| 50ХСА | 850 | » | 520 | 120 | 135 | 6 | 30 |
| 65С2ВА | 850 | » | 420 | 170 | 190 | 5 | 20 |
| 60С2Н2А | 880 | » | 420 | 160 | 175 | 6 | 20 |
| 60С2ХА | 870 | » | 420 | 160 | 180 | 5 | 20 |
| 60СГА | 860 | » | 460 | 140 | 160 | 6 | 25 |
Особенность вальцовки пружинной стали:
Особенность состоит в последовательности термообработки таких сталей. Так, при навивке пружин пруток находится в отожженном состоянии, что обеспечивает простоту выполнения операции. Затем пружину закаливают. Последний этап - низкий отпуск (130...150 град.), он еще называется пружинным.
Основные требования, предъявляемые к рессорно-пружинной стали:
Общее требование, предъявляемое к рессорно-пружинным сталям, — обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений). Эти характеристики обеспечивают точность и надёжность работы пружин и постоянство во времени таких эксплуатационных свойств, как крутящий момент, силовые параметры. Пружинные стали в виде проволоки и ленты упрочняют холодной пластической деформацией и закалкой на мартенсит с последующим отпуском. Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.
Пружинная сталь согласно EN 10270-1-SH и EN 10270-3-NS (марка 1.4310)
Нижняя граница выносливости для растяжения прута из пружинной стали согласно EN 10270-1-SH может быть обозначена следующим образом:
σ t = 2220 – 820 *log d
Практическое правило определяет, что нижняя граница выносливости на растяжение нержавеющей пружинной стали согласно EN 10270-3-NS (марка 1.4310) составляет 85% выносливости на растяжение прута из пружинной стали согласно EN 10270-1-SH.
σ t = 0,85 * (2220 – 820* log d)
При расчёте пружин сжатия и растяжения, допустимое значение напряжения витков (τ w) составляет 40% величины σ t при статической нагрузке.
При расчете пружин кручения допустимое напряжение изгиба ( σ b) составляет 70% величины σ t при статической нагрузке.
Характеристика материала 68А:
Характеристика материала 68А
| Марка: | 68А |
| Классификация: | Сталь конструкционная рессорно-пружинная |
| Применение: | термически обработанная проволока диаметром 1.2-5.5 мм для изготовления пружин |
Химический состав в % материала 68А.
| C | Si | Mn | Ni | S | P | Cr | Al | Cu |
| 0.65-0.7 | 0.15-0.25 | 0.4-0.55 | до 0.2 | до 0.025 | до 0.025 | до 0.12 | до 0.05 | до 0.15 |
Литература:
1. http://www.zmk.ru/vidpr.html?vidpr=konstr&razd=ress
2. http://alcomex.ru/tech-info-spring-steel.html
3. http://www.steeltorg.com.ua/sp/sp_06.php
4. http://ustroistvoavto.ru/?p=13
5. http://metalorgs.ru/term/p/3415-pruzhinnaja-stal.html
6. http://materiall.ru/legirovannye-stali-i-splavy/59-pruzhinnye-stali.html
7. http://www.partner-mh.ru/doku.php/produkcija:marochnik_stalej
8. http://www.metallinvestural.ru
9. http://www.splav.kharkov.com/choose_mat.php?class_id=20