Проектирование пружин начинается с выбора марки стали. Это очень важный шаг. Правильный подбор марки стали влияет на механические свойства пружин и срок ее эксплуатации.
Пружинная сталь - низколегированный сплав, среднеуглеродистая или высокоуглеродистая сталь с большим пределом текучести. Эта особенность позволяет изделиям из пружинной стали возвращаться в исходную форму не смотря на значительный изгиб и скручивание.
Марки стали различаются химическим составом, физическими и механическими свойствами.
Какую информацию в себе несет обозначение пружинных сталей?
Сначала указывается стандарт, регламентирующий технические условия. Это могут быть:
• ГОСТ (региональный стандарт, принятый Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации Содружества Независимых Государств);
• DIN (национальный стандарт Германии, также являющийся самым распространенным международным стандартом, разработан Немецким институтом по стандартизации);
• ISO (система международных стандартов, которая создана Международной организацией стандартизации);
• EN (европейский стандарт, созданный Еврокомитетом по стандартизации);
• AISI (группа стандартов, разработанных Американским институтом стали и сплавов).
После наименования и номера стандарта следует обозначение самой стали. Маркировка пружинных сталей, как правило, имеет буквенно-цифровое обозначение. Принципы маркировки стали в России и в Европе отличаются. В зависимости от стандарта, маркировка стали может нести в себе разную информацию, такую как:
• химический состав;
• назначение стали;
• состояние поставки;
• механические или физические свойства.
Следом за зашифрованным химическим составом обычно следует информация о марке и классе пружинной проволоки. Эти показатели очень важны, потому как они характеризуют механические свойства пружинной стали. Так, проволока из одного и того же сплава может обладать разными показателями прочности, качеством поверхности, допусками по содержанию в стали вредных примесей и т.д.
Тема металловедения достаточно емкая и не очень простая. Поэтому в информации данной области множество ошибок, которые нещадно копируются с одного ресурса на другой.
Так, пружины из, казалось, одной и той же стали, но разной точности изготовления, разных марок и классов, будут обладать существенными различиями в механических свойствах, в способности воспринимать нагрузку, в количестве циклов, которые они могут отработать. Безусловно, стоимость этих сталей может отличаться в разы, что скажется на стоимости пружин.
И если все производители используют самый бюджетный вариант проволоки, никто не станет использовать самый качественный и самый дорогой. Потому как у заказчиков нет на это запроса.
Объективно, нет хорошей или плохой марки пружинной стали. Есть стали, подходящие или не подходящие для конкретных целей.
Также, на качество пружинных изделий влияет не только марка стали, но и соблюдение технологии производства пружин.
ГОСТ 9389-75 Б-2
Проволока стальная углеродистая пружинная ГОСТ 9389-75, сталь 70, марка Б, класс 2.
Проволока данной марки является доступной, ее предлагают практически все отечественные производители. Одна из самых бюджетных пружинных сталей. Стоимость обусловлена хим. составом.
В стали 70 отсутствуют легирующие компоненты, улучшающие эксплуатационные характеристики стали. Требования к процентному остаточному содержанию элементов указано в стандарте, как правило, это диапазон. Реальное содержание указано в сертификате на партию проволоки.
Благодаря способу изготовления, сталь ГОСТ 9389-75 Б-2 обладает повышенной пластичностью и прочностью. Перед волочением проволоку подвергают патентированию, что приводит к структурным изменениям в стали. Данный способ обработки приводит к сорбитизации, и как следствие, к повышению прочностных характеристик и износостойкости изделий из проволоки.
Марка и класс, в свою очередь, определяют механические свойства стали. Временное сопротивление разрыву, разбег временного сопротивления разрыву и число скручиваний. Нормы приведены в таблице стандарта и являются относительными. Сталь марки Б, 2 класса имеет средние показатели, и в какой-то степени, является универсальной.
Пружины из данной марки стали навиваются методом холодной навивки и подвергаются лишь низкотемпературному отпуску при t 240-270 ℃, для повышения предела выносливости, упругости, и обеспечения релаксационной стойкости. Диапазон рабочих температур для пружин из данной стали: -60℃ — +120℃.
Для защиты от коррозии рекомендуется наносить защитные покрытия, если пружинные изделия работают не в масляной среде.
Достоинства:
• невысокая стоимость готовых изделий;
• подходит для производства пружин, подверженных статическим нагрузкам;
• не нужно закаливать пружины;
Недостатки:
• небольшой ассортимент диаметров, до 8мм;
• не подходит для пружин, подверженных ударным нагрузкам;
• не поддается сварке;
Применяемость:
• мебельное производство;
• станкостроение;
• автопром;
• производство подъемно-транспортного оборудования;
• приборостроение.
ГОСТ 9389-75 А-1
Проволока стальная углеродистая пружинная ГОСТ 9389-75, сталь 80, марка А, класс 1.
Проволока изготавливается по тому же стандарту, что и марка Б, класс 2. Основное отличие в химическом составе заключается в содержании углерода. В Стали 70 содержание углерода составляет 0,7%, в стали 80, уже 0,8%. С увеличением содержания углерода, твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, а вязкость (сопротивление удару) понижается.
Самыми главными отличиями проволоки ГОСТ 9389-75 Б-2 от проволоки ГОСТ 9389-75 А-1 являются показатели механических свойств, которые обусловлены термомеханическими условиями ее производства и более высоким содержанием углерода.
Сталь марки А, класса 1, имеет более высокий показатель временного сопротивления разрыву, что позволяет использовать ее для производства более ответственных пружин.
Данная марка стали подходит для пружин, которые подвержены статической нагрузке, и большую часть времени находятся в нагруженном состоянии. Однако, более высокий показатель сопротивления разрыву, позволяет использовать данную марку стали для производства пружин, которые подвергаются нечастым динамическим нагрузкам.
Пружины из данной марки стали изготавливаются методом холодной навивки. Диапазон рабочих температур для пружин из стали 80, марки А, класса 1: -60℃ — +120℃.
Достоинства:
• подходит для производства пружин, подверженных статическим и редким динамическим нагрузкам;
• не нужно закаливать пружины;
Недостатки:
• небольшой ассортимент диаметров, до 8мм;
• не поддается сварке;
Применяемость:
• производство спортивного оборудования;
• авиастроение;
• станкостроение;
• оборонное производство;
• автопром;
• производство медицинского оборудования;
• приборостроение;
• производство электротехнических изделий;
• производство оборудования пищевой промышленности.
EN 10270-1-SM
Холоднотянутая патентированная нелегированная стальная пружинная проволока EN 10270-1, класс SM.
По требованиям к хим.составу и по механическим свойствам является полным аналогом отечественной проволоки ГОСТ 9389-75 Б-2. Оказалась не особо востребована на российском рынке, поскольку цена дороже отечественного аналога.
Навивается также в холодном состоянии. Диапазон рабочих температур для пружин из данной стали: -40℃ — +120℃. Применяется для изготовления пружин, подвергаемых статической нагрузке.
В отличии от отечественной проволоки, выпускается диаметром до 20 мм.
Выпускается с цинковым покрытием EN 10270-1-SM-Zn. Пружины из такой проволоки готовы к работе без нанесения защитных антикоррозионных покрытий. Это сокращает временной цикл производства заказа. Но данное покрытие несет в себе исключительно защитную функцию, оно не является декоративным. По этой причине данный вид проволоки тоже оказался не особо востребованным.
Достоинства:
• подходит для производства пружин, подверженных статическим нагрузкам;
• не нужно закаливать пружины;
• широкий диапазон диаметров;
• оцинкованный вариант защищен от коррозии.
Недостатки:
• не подходит для пружин, подверженных ударным нагрузкам;
• не поддается сварке.
Применяемость:
• мебельное производство;
• станкостроение;
• автопром;
• производство подъемно-транспортного оборудования;
• приборостроение.
EN 10270-1-SH
Холоднотянутая патентированная нелегированная стальная пружинная проволока EN 10270-1, класс SH.
Как и проволока ГОСТ 9389-75 А-1 является материалом с повышенным пределом прочности. Показатель сопротивления разрыву, в среднем, на 10% выше чем у EN 10270-1-SM.
Применяется для выпуска ответственных пружинных изделий, работающих под статической нагрузкой. Повышенный предел прочности позволяет применять данную марку стали для производства пружин, работающих с нечастыми динамическими нагрузками. Диапазон рабочих температур для пружин из данной стали: -40℃ — +120℃.
Выпускается с цинковым покрытием EN 10270-1-SH-Zn. Пружины из такой проволоки готовы к работе без нанесения защитных антикоррозионных покрытий. Ассортимент диаметров до 20 мм позволяет получить пружины, подходящие для работы в режиме статической нагрузки, с необходимыми геометрическими параметрами. А наличие защитного антикоррозионного цинкового слоя сокращает цикл производства, поскольку пружины не нужно дополнительно покрывать.
Достоинства:
• подходит для производства пружин, подверженных статическим и редким динамическим нагрузкам;
• широкий диапазон диаметров;
• оцинкованный вариант защищен от коррозии.
• не нужно закаливать пружины;
Недостатки:
• не поддается сварке.
Применяемость:
• производство спортивного оборудования;
• авиастроение;
• станкостроение;
• оборонное производство;
• автопром;
• производство медицинского оборудования;
• приборостроение;
• производство электротехнических изделий;
• производство оборудования пищевой промышленности.
ГОСТ 14959-2016, 60С2А
Проволока стальная легированная пружинная ГОСТ 14959-2016, сталь 60С2А.
Проволока изготавливается в соответствиями с техническими условиями ГОСТ 14959-2016, содержит 0,6% углерода и до 2% кремния, буква А указывает на категорию высококачественной стали. То есть содержание фосфора и серы в стали сведено к минимуму (S<0,03 % и P<0,03 %), и соблюдены все условия высококачественного металлургического производства.
В качестве легирующего компонента использован кремний. Он увеличивает прочность стали, при этом не снижает ее пластичность. Эти качества позволяют использовать данную марку стали для пружин, которые подвергаются ударным нагрузкам.
Прокат поступает в бухтах 60С2А-3ГП-КМС2-3А и в прутках 60С2А-3ГП-КМС2-3Б.
3ГП обозначает группу качества поверхности. Для данной группы качества допускаются дефекты на поверхности, если их глубина после контрольной запиловки не превышает минусовое предельное отклонение. Также допускаются смятые концы прутков и заусенцы.
КМС2 говорит о том, что прокат изготовлен из непрерывнолитой заготовки. Нормируемые в баллах требования к макроструктуре содержатся в стандарте и определяются по данному принципу. Но данные требования относятся к прокату d от 40 мм. Также согласно стандарту, у проката допускается обезуглероженный слой. Для проволоки d от 8 мм он не должен превышать 0,02 х d.
3А и 3Б обозначает категорию, в зависимости от которой определены нормируемые показатели. У обеих категорий нормируется химический состав, механические свойства при растяжении, и допускаемая величина обезуглероженного слоя. У прутков (3Б) нормируется твердость при поставке без термической обработки, у проволоки (3А), напротив, при поставке в термически обработанном состоянии. Прокаливаемость не нормируется у обеих категорий.
Поскольку данная сталь поставляется в сыром состоянии, после навивки пружин из стали марки 60С2А, они проходят полный цикл термообработки. Диапазон рабочих температур для пружин из данной стали: -60℃ — +120℃.
Достоинства:
• подходит для производства пружин, подверженных ударным нагрузкам;
• невысокая стоимость.
Недостатки:
• не поддается сварке.
Применяемость:
• производство оборудования добывающей отрасли;
• производство оборудования энергетической промышленности:
• производство сельскохозяйственных машин;
• производство машин специального назначения;
• станкостроение;
• автопром.
ГОСТ 14963-78, 60С2А
Проволока стальная легированная пружинная ГОСТ 14963-78, сталь 60С2А.
Проволока изготавливается в соответствиями с техническими условиями ГОСТ 14963-78, содержит 0,6% углерода и до 2% кремния, буква А указывает на категорию высококачественной стали.
В качестве легирующего компонента использован кремний. Он увеличивает прочность стали, при этом не снижает ее пластичность. Эти качества позволяют использовать данную марку стали для пружин, которые подвергаются ударным нагрузкам.
Это та же сталь марки 60С2А, изготовленная по ГОСТ 14959, но с дополнительными требованиями. Требования относятся к нормам по отделке поверхности, точности предельных отклонений по d, допустимым дефектам поверхности.
Полная маркировка применяемой нами стали 60С2А Н-2-ХН. Она имеет нешлифованную и неполированную поверхность (Н). По механическим свойствам, глубине обезуглероженного слоя и качеству поверхности относится ко второму классу (2), и навивается в холодном состоянии (ХН).
У проволоки данного класса и группы, допускаются отдельные мелкие дефекты в виде вмятин, царапин, забоин и рисок, залегающих на глубине, не превышающей сумму предельных отклонений диаметра проволоки. Таблица, содержащая сведения о предельных отклонениях всех d, приведена в стандарте. Например, для проволоки d=9 мм, сумма предельных отклонений не превышает 0,08мм.
Глубина частичного обезуглероживания для проволоки группы Н, не должна превышать 0,03 мм для проволоки d более 4,8 мм, и 0,025 для проволоки d менее 4,8 мм.
Поскольку данная сталь поставляется в сыром состоянии, после навивки пружин из стали марки 60С2А, они проходят полный цикл термообработки. Диапазон рабочих температур для пружин из данной стали: -60℃ — +120℃.
Достоинства:
• подходит для производства пружин, подверженных ударным нагрузкам;
• позволяет получать пружины с более стабильными механическими показателями, чем из стали по ГОСТ 14959-2016.
Недостатки:
• не поддается сварке.
Применяемость:
• производство оборудования энергетической промышленности:
• производство сельскохозяйственных машин;
• производство машин специального назначения;
• станкостроение;
• автопром.
ГОСТ 14959-2016, 54SiCr6
Проволока стальная легированная пружинная ГОСТ 14959-2016, сталь 54SiCr6.
Проволока изготавливается в соответствиями с техническими условиями ГОСТ 14959-2016, содержит от 0,5% до 0,59 % углерода, до 1,6% кремния, до 0,8 % хрома.
Является комплексно-легированной сталью. Кремний в составе стабилизирует структуру, повышает пределы прочности и текучести, а хром отвечает за увеличение сопротивления хрупкому разрушению.
Данная сталь является конструкционной рессорно-пружинной и применяется для изготовления механических пружин, подвергаемых статической и динамической нагрузкам.
Нами применяется сталь со специальной отделкой поверхности, группа качества поверхности В, квалитет h11. Это говорит о том, что качество поверхности регламентируется ГОСТ 14955, согласно которому не допускается дефектов поверхности, а шероховатость не должна превышать 1,25 мкм. У проволоки данной группы недопускается обезуглероженный слой. Также данный стандарт определяет допустимые предельные отклонения по d.
У категория 3А нормируется химический состав, механические свойства при растяжении, и допускаемая величина обезуглероженного слоя, твердость нормируется поставке в термически обработанном состоянии.
Проволока разрабатывалась для отрасли автомобилестроения. Она поставляется в термообработанном состоянии и заявлена как соответствующая EN 10270-2.
Достоинства:
• подходит для производства пружин, подверженных статическим нагрузкам;
• подходит для производства пружин, подверженных динамическим нагрузкам;
• отсутствие обезуглероженного слоя.
Недостатки:
• мало данных о реальных эксплуатационных характеристиках.
Применяемость:
• машиностроение.
ГОСТ 1071-81, 51ХФА
Проволока стальная пружинная термически обработанная ГОСТ 1071-81, сталь 51ХФА.
Проволока изготавливается в соответствиями с техническими условиями ГОСТ 1071-81, содержит 0,51% – углерода, хрома до 1%, ванадия до 0,2%, буква А в конце маркировки указывает на категорию высококачественной проволоки.
В качестве легирующих компонентов используются хром и ванадий. Оба элемента способствуют повышению твердости, прочности, и повышают ударную вязкость.
Проволока разделяется на марки А и Б, а также классы 1 и 2. Отличаются они механическими свойствами. Отличие может состоять и в точности изготовления. Разделяют нормальную и повышенную (П).
Требования к пружинам из проволоки 1-го класса, повышенной точности относятся к высшей категории качества. Проволока повышенной точности отличается от нормальной показателями предельных отклонений по d.
Для особо ответственных пружин, таких как клапанные, используют проволоку повышенной точности, марки А, 1 класса. Механические свойства пружин из такой проволоки наиболее стабильные, за счет минимальных предельных отклонений проволоки по d, её повышенному показателю временного сопротивления разрыву и наименьшему показателю его разбега, повышенных показателей перегиба и скручиваний, а также более жестких требований к глубине обезуглероженного слоя.
Сталь 51ХФА подходит для производства пружин, работающих с ударными нагрузками, тяжелонагруженных пружин, подверженных высокоцикличным нагрузкам. Также данная марка стали обладает большим диапазоном рабочих температур: -180℃ — +250℃.
Пружины из данной марки стали изготавливаются методом холодной навивки. Поскольку сталь поставляется закаленная, то после навивки пружин подвергается только среднетемпературному отпуску.
Достоинства:
• подходит для производства пружин, подверженных ударным нагрузкам;
• подходит для производства тяжелонагруженных пружин;
• подходит для пружин, работающих под воздействием динамических нагрузок;
• не нужно закаливать пружины;
• обладает повышенной теплоустойчивостью;
Недостатки:
• высокая стоимость;
• небольшой диапазон доступных диаметров;
• не поддается сварке.
Применяемость:
• производство конвейерного оборудования;
• оборонное производство;
• производство запорной арматуры и клапанов;
• производство оборудования нефтехимической отрасли;
• автопром;
• станкостроение.
.
EN 10270-2- FDSiCr
Проволока стальная пружинная, закаленная в масле и отпущенная EN 10270-2, класс FDSiCr.
Проволока изготавливается в соответствиями с техническими условиями EN 10270-2, подходит для работы со статическими нагрузками (FD), содержит от 0,5% до 0,6 % углерода, до 1,6% кремния, до 0,8 % хрома.
Допустимая глубина обезуглероженного слоя и дефектов поверхности не должна превышать 0,015хd проволоки.
Диапазон рабочих температур: -60℃ — +250℃.
Высококачественная пружинная проволока, подходящая для производства пружин, работающих под статической нагрузкой.
Достоинства:
• подходит для производства пружин, подверженных статическим нагрузкам;
• повышенная теплоустойчивость;
• не нужно закаливать пружины.
Недостатки:
• не подходит для пружин, подверженных ударным нагрузкам;
• не поддается сварке.
Применяемость:
• мебельное производство;
• станкостроение;
• автопром;
• производство подъемно-транспортного оборудования;
• приборостроение.
Используемые марки стали для производства пружинных элементов, выпускаемых ООО «ПК Пружинный проект»:
• ГОСТ 9389-75 Б-2, проволока стальная углеродистая пружинная ГОСТ 9389-75, сталь 70, марка Б, класс 2;
• ГОСТ 9389-75 А-1, проволока стальная углеродистая пружинная ГОСТ 9389-75, сталь 70, марка А, класс 1;
• EN 10270-1-SM, холоднотянутая патентированная нелегированная стальная пружинная проволока EN 10270-1, класс SM;
• EN 10270-1-SH, холоднотянутая патентированная нелегированная стальная пружинная проволока EN 10270-1, класс SH;
• ГОСТ 14959-2016, 60С2А, проволока стальная легированная пружинная ГОСТ 14959-2016, сталь 60С2А;
• ГОСТ 14963-78, 60С2А, проволока стальная легированная пружинная ГОСТ 14963-78, сталь 60С2А;
• ГОСТ 14959-2016, 54SiCr6, проволока стальная легированная пружинная ГОСТ 14959-2016, сталь 54SiCr6;
• ГОСТ 1071-81, 51ХФА, проволока стальная пружинная термически обработанная ГОСТ 1071-81, сталь 51ХФА;
• EN 10270-2- FDSiCr, проволока стальная пружинная, закаленная в масле и отпущенная EN 10270-2, класс FDSiCr;
• EN 10270-2- VDSiCr; проволока стальная пружинная, закаленная в масле и отпущенная EN 10270-2, класс VDSiCr;
• EN 10270-3-1.4310, AISI 302, нержавеющая высокопрочная пружинная проволока EN 10270-3-1.4310, сталь AISI 302;
• ГОСТ 14959-79, 65Г, проволока стальная легированная пружинная ГОСТ 14959-79, сталь 65Г.
