Термическая обработка пружин, наряду с химическим составом стали, определяет механические свойства готовых пружинных изделий.
Термическая обработка пружин — один из ключевых технологических процессов, включающий в себя операции нагрева, выдержки и охлаждения пружин с соблюдением температурных и временных режимов операций.
Цель проведения термической обработки пружин заключается в получении требуемых механических свойств пружин за счет изменения структуры стали.
4 основных параметра режима термообработки:
1. Скорость нагрева
2. Температура нагрева
3. Время выдержки при заданной температуре нагрева
4. Скорость охлаждения
Соблюдение данных параметров должно строго регламентироваться технической документацией на заводе-производителе.
Нарушения технологического процесса термообработки приводят к дефектам:
• Образование закалочных трещин.
Обычно возникают при неверно подобранной среде охлаждения, из-за резкого перепада температур. Например, если легированные стали охлаждать в воде, а не в масле.
• Неравномерная твердость пружины.
Может возникнуть при нарушении температурного режима нагрева или охлаждения пружин.
• Обезуглероживание поверхности.
Возникает при нарушении температурного и временного режима.
Данные дефекты приводят к снижению упругих свойств, повышению хрупкости и преждевременному разрушению пружин.
Основные методы термообработки пружин:
• отжиг;
• нормализация;
• закалка;
• отпуск.
Метод термической обработки определяет температуру нагрева и скорость охлаждения (охлаждающую среду).
Немного материаловедения
Технологический процесс термической обработки пружин основывается на закономерностях изменения механических свойств стали при различных температурно-временных воздействиях, известных из металловедения.
Пружинная сталь готовых изделий должна сочетать в себе такие свойства, как высокий предел упругости, высокий предел усталости, достаточную пластичность и твердость. На все эти свойства влияет качество термообработки.
В основе термообработки лежит процесс эвтекоидного превращения — процесс распада аустенита на феррит и цементит. Этот процесс также называется образованием перлита (феррит+цементит).
Эвтекоидное превращение является важнейшим механизмом, определяющим микроструктуру и механические свойства стали. При эвтекоидном превращении происходит перестройка кристаллической решетки и диффузия углерода.
На эвтекоидное превращение влияет состав стали, в частности содержание углерода и легирующих компонентов, а также температура изотермической выдержки и скорость охлаждения пружин. Микроструктура перлита определяет механические свойства стали, влияя на твердость, пластичность и прочность.
Как происходит термообработка пружин
Из вышесказанного мы понимаем, что для того, чтобы пружина обладала требуемыми нам механическими свойствами, важно получение определенной микроструктуры стали.
Обычно, пружины подвергаются или низкотемпературному отпуску, или закалке с последующим среднетемпературным отпуском.
Термическая обработка пружин из термообработанной стали
Если пружины изготавливаются из высокоуглеродистой патентированной проволоки, они подвергаются только низкому отпуску.
Пружины, изготовленные из среднеуглеродистой легированной патентированной проволоки, а также пружины из нержавеющей стали, подвергаются среднему отпуску.
Термически обработанная проволока уже обладает необходимой для пружин микроструктурой. Однако в процессе навивки в структуре стали возникают внутренние напряжения, когда упругие силы проволоки стремятся возвратить ее в прямолинейное положение. Эти напряжения снимаются низким отпуском.
При среднем отпуске в микроструктуре стали происходят структурные изменения, повышающие пластичность стали, и снимаются внутренние напряжения, возникшие в процессе навивки пружин.
*Навитые пружины нельзя оставлять без термообработки, так как из-за внутренних напряжений в проволоке происходит самопроизвольная деформация пружин.
Отпуск проводится в специальных отпускных конвейерных печах. В зависимости от диаметра прутка обрабатываемых пружин в печах установлены разные температурные режимы и скорость движения конвейерной ленты.
Термическая обработка пружин из легированной стали
Если пружины изготавливаются из легированной стали, они подвергаются закалке и среднему отпуску.
Для закалки пружин используются специальные закалочные печи, температура в которых зависит от закаливаемой марки стали.
Во избежание деформации пружин под воздействием высокой температуры перед закалкой их фиксируют в специальной оснастке, после чего пружины помещают в печь и выдерживают определенное время при заданной температуре.
По истечении времени выдержки пружины, закрепленные на оснастке, погружают в закалочную среду. Легированные стали погружают в масло. Температура закалочной среды влияет на структурные изменения, поэтому в масляных ваннах поддерживается определенная температура.
В процессе закалки, ввиду протекающих структурных изменений в стали, пружины становятся прочными, но вместе с тем хрупкими. Использовать такие пружины нельзя.
Для повышения пластичности, завершения структурных изменений и снятия внутренних напряжений пружины подвергаются среднему отпуску. Температура в отпускных печах и время выдержки зависят от требуемой твердости материала.
Контроль качества проведения термообработки
После завершения термической обработки производится оценка ее качества с использованием твердомера, а также при помощи других методов контроля.
В случае нарушения технологии и образования дефектов пружины подлежат утилизации.
Ключевые выводы
Термическая обработка пружин — это не просто нагрев и охлаждение, а контролируемый процесс управления структурой стали и свойствами пружинных изделий.
Для того чтобы пружины обладали нужными механическими свойствами, важно правильно подбирать необходимую марку стали и режим ее термообработки.
Без термической обработки пружина работать не будет.
Отсутствие у производителя пружин знаний, опыта, соответствующего оборудования и работающий системы менеджмента качества грозит заказчику потерей средств и времени.