Рессорно-пружинные стали

Рессорно-пружинные стали — группа углеродистых и легированных конструкционных сталей с относительно высоким содержанием углерода (около 0,5–0,9 %), предназначенных для упругих элементов: рессор, винтовых и тарельчатых пружин, торсионов, плоских пружин приборов. Сортамент, химический состав, требования к качеству и приёмке регламентирует ГОСТ 14959-2016 «Металлопродукция из рессорно-пружинной нелегированной и легированной стали. Технические условия» (введён в действие 01.01.2018, заменил ГОСТ 14959-79).

В статье разобраны: требования к материалу пружины, типовые марки (65Г, 60С2А, 50ХФА, 60С2Н2А и др.), термическая обработка (закалка с последующим средним отпуском на тростит), достигаемые механические свойства, влияние легирования и типичные причины поломки упругих элементов.

Требования к рессорно-пружинной стали

Упругий элемент — пружина, рессорный лист, торсион — работает в области, где деформации обратимы: после снятия нагрузки металл возвращается в исходное состояние. Это определяет нестандартный для конструкционных сталей набор требований:

• Высокий предел упругости и предел текучести при малой разнице между ними. Чем выше σ_0,005 и σ_0,2, тем большее рабочее напряжение допускает пружина без остаточной деформации.
• Высокий предел выносливости σ₋₁ при симметричном цикле — рессоры и пружины работают в условиях знакопеременных нагрузок, и их ресурс почти всегда определяется усталостью, а не разовой перегрузкой.
• Релаксационная стойкость — способность сохранять напряжение и геометрию при длительной нагрузке и нагреве. Падение усилия пружины со временем называется релаксацией.
• Достаточная пластичность и вязкость в готовом состоянии — чтобы сталь не разрушалась хрупко при перегрузке.
• Однородная мелкозернистая структура без обезуглероженного поверхностного слоя, неметаллических включений выше нормы и поверхностных дефектов.
• Хорошая прокаливаемость — особенно для крупных рессорных листов и пружин большого сечения.

Высокий предел упругости при достаточной вязкости — главное и трудносовместимое требование к пружинной стали. Все технологические решения — выбор марки, режим закалки и среднего отпуска, дробеструйное упрочнение — служат именно этой цели.

Классификация и марки по ГОСТ 14959-2016

ГОСТ 14959-2016 распространяется на горячекатаную и кованую металлопродукцию диаметром или толщиной до 270 мм включительно, а также на калиброванный и со специальной отделкой поверхности прокат, предназначенный для изготовления рессор, пружин и других упругих деталей в закалённом и отпущенном состоянии. Стандарт нормирует химический состав, макро- и микроструктуру, обезуглероженный слой, прокаливаемость и качество поверхности.

По химическому составу марки делятся на две группы — нелегированные (углеродистые) и легированные. Внутри легированной группы — кремнистые, марганцовистые, хромо-марганцовистые, хромо-ванадиевые, кремне-хром-ванадиевые, хромо-никелевые и комплексно-легированные стали.

Буквы и цифры в маркировке расшифровываются по правилам маркировки конструкционных легированных сталей (ГОСТ 4543-2016): первые две цифры — среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы — легирующие элементы (Г — марганец, С — кремний, Х — хром, Ф — ванадий, Н — никель, В — вольфрам, Р — бор); цифра после буквы — содержание элемента в целых процентах (если цифры нет, содержание около 1 %); буква А в конце — повышенное качество (пониженное содержание серы и фосфора); индексы «-Ш», «-ВД» — особо чистые стали электрошлакового и вакуумно-дугового переплава.

Роль легирования

Углерод задаёт верхний достижимый уровень твёрдости и упругих свойств, но при содержании выше ≈ 0,9 % резко падает вязкость и растёт склонность к хрупкому разрушению. Поэтому пружинные стали лежат в относительно узком интервале примерно 0,5–0,9 % C, а нужный комплекс свойств добирается легированием.

Кремний и марганец остаются основой массовых пружинных сталей; хром, ванадий и никель добавляются в марках для ответственных деталей — пружин клапанов ДВС, торсионов, пружин подвески тяжёлой техники, рессор автомобильного транспорта повышенной грузоподъёмности.

Термообработка: закалка и средний отпуск

Базовая термообработка рессорно-пружинной стали — закалка на мартенсит с последующим средним отпуском. Цель этой пары операций — получить структуру тростита отпуска: высокодисперсной механической смеси феррита и карбидов, обеспечивающей сочетание высокого предела упругости с приемлемой вязкостью.

Закалка

Сталь нагревают в интервал 800–870 °C — в зависимости от марки и положения её состава на диаграмме «железо–углерод». Для доэвтектоидных составов нагрев ведут выше точки Ac₃, для заэвтектоидных (например, сталь 85) — выше Ac₁ с сохранением части цементитной фазы. Охлаждение — в масле для большинства легированных сталей и в воде для некоторых углеродистых, с учётом склонности к закалочным трещинам. Конкретная температура и среда задаются по технологической карте для каждой марки.

Получаемая структура — мартенсит с возможным остаточным аустенитом. Твёрдость после закалки высокая (для большинства марок 58–63 HRC), но материал хрупкий и непригоден к работе как пружина.

Средний отпуск

Средний отпуск при 350–500 °C — обязательная операция. При этой температуре мартенсит распадается с образованием тростита (высокодисперсной смеси феррита и карбидов), снимаются закалочные напряжения, частично восстанавливается вязкость. Именно в области среднего отпуска кривая зависимости предела упругости от температуры даёт максимум — это и есть рабочая область для пружинных сталей.

Высокий отпуск (500–650 °C), применяемый для конструкционных сталей под улучшение, для пружинной стали недопустим: предел упругости падает, и пружина «садится» под нагрузкой. Низкий отпуск (150–250 °C) сохраняет твёрдость, но оставляет хрупкое состояние, неприемлемое для упругого элемента.

Альтернативные режимы

Для повышения вязкости и предела выносливости вместо классической закалки на мартенсит с последующим средним отпуском применяют изотермическую закалку на нижний бейнит. Структура нижнего бейнита даёт более равноосные карбиды и меньшие микронапряжения, чем отпущенный мартенсит, что обеспечивает повышенную релаксационную стойкость и усталостную прочность при той же твёрдости. Режим распространён для пружин ответственного назначения.

Тонкие холоднодеформированные пружины (проволока, лента) часто проходят патентирование — нагрев до аустенитного состояния с последующим изотермическим охлаждением в свинцовой или соляной ванне до температуры около 450–550 °C для получения мелкодисперсной сорбитной структуры, удобной для последующего волочения.

Механические свойства после термообработки

После закалки и среднего отпуска рессорно-пружинные стали достигают высокого комплекса прочностных свойств:

• Временное сопротивление σ_в — порядка 1300–1900 МПа в зависимости от марки и режима;
• Предел текучести σ_0,2 и предел упругости σ_0,005 — близки к σ_в и составляют основную часть от неё, что и отличает пружинную сталь от конструкционных;
• Твёрдость — порядка 40–50 HRC для большинства массовых марок в рабочем состоянии (после среднего отпуска);
• Относительное удлинение δ и сужение ψ — умеренные; запас вязкости задаётся именно температурой среднего отпуска;
• Предел выносливости σ₋₁ — критичный параметр; зависит от состояния поверхности, наличия дробеструйного наклёпа, отсутствия обезуглероженного слоя.

Точные значения свойств для каждой марки приводятся в марочниках сталей и сплавов, в технических условиях производителя и в приложениях к ГОСТ 14959-2016. При проектировании следует пользоваться именно этими источниками, а не «средними» значениями: разброс по сечению, режиму и плавке существенный.

Типичные марки и их назначение

Дефекты и причины поломки пружин

Преждевременный выход пружины из строя почти всегда имеет одну из нескольких типовых причин. Главный механизм разрушения — усталостный: трещина зарождается в зоне максимальных растягивающих напряжений у поверхности и развивается до критического сечения за десятки и сотни тысяч циклов нагружения.

1. Обезуглероженный слой. Образуется при нагреве под закалку в воздушной атмосфере. Поверхностные слои с пониженным содержанием углерода имеют сниженную твёрдость и предел упругости, становятся очагом усталостной трещины. ГОСТ 14959-2016 нормирует допустимую глубину обезуглероженного слоя.
2. Закалочные трещины. Возникают при слишком быстром охлаждении или из-за резких переходов сечения. На массовых сталях с водяной закалкой риск выше; легированные стали обычно закаливают в масле.
3. Перегрев и пережог. Нагрев выше требуемой температуры закалки даёт крупнозернистую структуру с пониженной вязкостью и склонностью к хрупкому разрушению; пережог (с оплавлением границ зёрен) — необратим.
4. Неверный отпуск. Низкий отпуск оставляет хрупкое мартенситное состояние; слишком высокий — снижает предел упругости. Контроль температуры отпуска критичен.
5. Грубая поверхность и риски. Царапины, следы инструмента, окалина, недоудалённые волосовины и закаты после прокатки — концентраторы напряжений и центры зарождения усталостной трещины.
6. Неметаллические включения и осевые дефекты. Крупные неметаллические включения сульфидов, оксидов, силикатов снижают усталостную долговечность; в марках «А», «-ВД», «-Ш» эти параметры ужесточены.
7. Релаксация под нагрузкой. «Просадка» пружины из-за работы при недопустимо высокой температуре или при недостаточной релаксационной стойкости стали (неподходящая марка для задачи).
8. Коррозия под напряжением. Контакт с агрессивной средой, не учтённый при подборе материала; на сталях обычных пружинных марок коррозионное растрескивание развивается быстрее, чем на коррозионностойких сплавах.

Контроль качества и упрочняющие операции

Дробеструйное упрочнение (shot peening)

Поверхностный наклёп дробью или микрошариками — стандартная операция для ответственных пружин и рессор. В тонком приповерхностном слое создаются сжимающие остаточные напряжения, частично компенсирующие растягивающие рабочие напряжения. Дробеструйный наклёп повышает предел выносливости σ₋₁; конкретный прирост зависит от режима обработки, исходного состояния поверхности и материала.

Контроль микроструктуры и поверхности

В соответствии с ГОСТ 14959-2016 проверяются: химический состав, макроструктура (на отсутствие пористости, ликвационных полос, флокенов), микроструктура (баллы зерна, наличие нежелательных составляющих), глубина обезуглероженного слоя, прокаливаемость по торцовой пробе (приложение Г стандарта), качество поверхности (трещины, закаты, плены).

Сборка и обстукивание

После термообработки винтовые пружины обычно проходят холодный пресс (обкатку повышенной нагрузкой) для перевода первых пластических деформаций в зону остаточных. Это стабилизирует геометрию: после обкатки пружина не «осаживается» в начале эксплуатации.

Вопросы и ответы