Термообработка пружин из стали 65г

Самостоятельное изготовление и закалка пружины

Закалка пружины как вид термической обработки. Требования к материалу для изготовления изделия, ГОСТ. Условное обозначение проволоки для пружин. Нюансы процесса изготовления и способы закалки в домашних условиях.

Закалить пружину – это значит подвергнуть ее термической обработке с целью повышения прочности, упругости, твердости и пластичности изделия, что в результате отразится на физико-химических свойствах и сроке эксплуатации. Сущность процесса заключается в нагреве до температуры, при которой структура металла переходит в особое состояние, и высокоскоростном охлаждении в различных средах, включая охлаждение на воздухе. Выбор технологии закалки зависит от марки стали, из которой изготовлена пружина и диаметра проволоки. Такую операцию выполняют в производственных и домашних условиях.

Самодельную пружину не рекомендуется использовать в устройствах, работающих при повышенных нагрузках.

Требования к проволоке и ее диаметру

Стальная проволока для изготовления пружины, которая впоследствии будет подвергаться закалке, должна соответствовать требованиям, указанным в ГОСТ 14963-78. Согласно документу она классифицируется по таким признакам:

• способу навивки (холодным способом и горячим);
• способу отделки поверхности (без отделки и с отделкой);
• точности изготовления (нормальная и повышенная);
• классу механических свойств (общего и ответственного назначения);
• диаметру (от 0,5 до 14 мм);
• виду поставки (в прутках или мотках).

На промышленных предприятиях методом холодной навивки изготавливают пружины из проволоки, диаметр которой не превышает 16 мм, горячим способом – вплоть до 80 мм. При этом на производстве они навиваются с помощью вращающейся оправки, подающих роликов и одного или двух упорных штифтов.

Изготавливают изделия из проволоки марок 51ХВА, 70С3А, 65С2ВА, 60С2А, 65Г, 60ХВА с поверхностью шлифованной, полированной или без шлифования и полировки. По этому признаку и способу изготовления проволока выпускается в прутках или мотках таких групп:

• А, Б, В, Г, Е – со специальной отделкой;
• Н – без отделки.

Условное обозначение проволоки в технической документации и на сопроводительных бирках состоит из цифр и букв:

• 1 – марка стали;
• 2 – способ отделки поверхности;
• 3 – точность изготовления;
• 4 — класс механической точности;
• 5 — способ навивки;
• 6 — диаметр в мм;
• 7 — обозначение стандарта.

Например, проволока с полированной поверхностью, изготовленная из стали 60С2А повышенной точности I класса для пружин горячей навивки диаметром 2,0 мм будет иметь следующее обозначение:

60С2А – А – П – I – ГН – 2,0 ГОСТ 14963-78

В государственном стандарте оговариваются допустимые предельные отклонения, овальность и недопустимость наличия определенных видов дефектов, а также способы упаковки и транспортировки.

Изготовление пружины своими руками

• маркой стали, из которой будет изготавливаться изделие;
• диаметром проволоки;
• количеством навиваемых витков;
• шагом витка.

Самодельное изделие может изготавливаться на оправке и с помощью шуруповерта. Понадобятся еще кусачки, молоток, тиски, источник нагрева (печь, газовая горелка, костер), среда для охлаждения и дополнительные приспособления.

Самый простой способ изготовления – это намотать провод на какой-либо стержень подходящего диаметра вручную. При этом необходимо следить за тем, чтобы витки плотно прилегали друг к другу.

Процесс изготовления пружины с помощью шуруповерта можно посмотреть на видео:

1. Проволока должна быть абсолютно ровной. Если изделие изготавливают из неровной или старой пружины, она обязательно должна быть выровнена.
2. Проволока должна быть очищена от ржавчины, масел и других загрязнений. Для этого используют содовый раствор или химические средства, позволяющие растворить масла и снять ржавчину. Протирать проволоку рекомендуется опилками.
3. Проволока диаметром более 2 мм перед навивкой должна быть подвергнута процедуре отжига путем нагрева докрасна (температура в пределах 400 °C) и охлаждения на воздухе.
4. При намотке необходимо контролировать положение витков относительно друг друга. Они должны плотно прилегать один к одному.

Закалка пружин в домашних условиях может выполняться несколькими способами: с помощью газовой горелки, нагревом в печи, изготовленной из кирпича или камня, или просто в костре. Нагрев должен производиться до температуры около 870 °C. На глаз это определяется цветом проволоки: она в процессе нагрева делается почти белого цвета. Затем ее необходимо поместить в масло (трансформаторное, веретенное или другую жидкую среду), которое обеспечит медленное охлаждение. Напомним, что быстрое охлаждение может вызвать возникновение трещин, которые отрицательно скажутся на качестве пружины.

В домашних условиях обычно используют в качестве жидкой среды мыльный раствор или трансформаторное масло, которое налито в достаточном количестве в емкость. Пружины должны полностью погружаться в нее и остывать там до комнатной температуры.

Изготовленную кустарным способом пружину рекомендуется выдержать на протяжении некоторого времени в сжатом состоянии. Обычно время выдержки лежит в пределах от 20 до 40 часов.

Термообработка пружины с применением доступных средств показана на видео:

Просим тех, кто занимался изготовлением пружин в домашних условиях, поделиться опытом в комментариях к тексту и рассказать, каким способом выполнялась подготовка к навивке, сам процесс изготовления и термическая обработка.

Основные марки и закалка рессорно-пружинной стали

Особой разновидностью стального сплава является рессорно-пружинная сталь. Пружинная сталь обладает рядом особенностей — очень высокий предел текучести, твердость, приемлемый уровень коррозийной устойчивости. Такой материал может гнуться, изменять свою форму под действием внешних факторов. Во время сжатия он сохраняется все свои физические свойства (прочность, механическая устойчивость, химическая инертность). Если такую пружину разжать, то материал вернется в свою обычную форму с сохранением всех физических свойств.

Основные сведения

Рессорно-пружинная сталь — сплав, который обладает очень высоким пределом текучести. Предел текучести — это физическое свойство какого-либо материала, характеризующее напряжение, при котором деформация продолжают расти без увеличения нагрузки. По факту этот показатель отражает способность материала сохранять свою форму при изгибе и скручивании.

Чем лучше материал сохраняют форму при деформации, тем выше у него предел текучести. Высокий предел текучести возникает в материале за счет специальных методов обработки (закалка, отпуск). Это отличает сталь-пружину от многих других стальных сплавов, которые обычно «обретают необычные свойства» за счет включения в их состав различных легирующих добавок.

В России для производства пружинной стали применяются низколегированные сплавы с минимальным количеством добавочных компонентов. В американских, европейских, азиатских странах также часто применяются среднеуглеродистые и высокоуглеродистые соединения, содержащие хром.

Также применяются соединения, содержащие большое количество марганца, никеля, кремния, вольфрама, азота. Эти компоненты делают материал еще более пластичным, а также повышают его химическую инертность (то есть такой материал не будет вступать в реакцию с щелочами, кислотами, солями). Как ясно из названия, пружинная сталь обычно применяется для производства пружин, торсионов, рессор, фортепианных струн, хомутов и многих других изделий.

Физические свойства

Перечислим основные физические свойства данного вида сталей:

• Высокое сопротивление упругой деформации. Этот показатель отражает тот факт, как легко пластичный элемент подвергается сжатию при наличии внешних источников давления. В случае высокого сопротивления стальная пружина плохо поддается сжатию, что помогает детали восстановить свою естественную форму после разжатия.
• Низкий коэффициент остаточного растяжения. При наличии внешнего источника давления такой материал принимает соответствующую форму. Однако после исчезновения такого источника давления деталь вновь принимает старую форму. Чем ниже коэффициент остаточного растяжения, тем слабее материал подвергается остаточной деформации при исчезновении внешнего источника давления.
• Хорошая прочность. При сжатии стальной пружины деталь не трескается, сохраняется свою кристаллическую структуру, не рассыпается на несколько частей. Естественная прочность детали может быть повышена за счет внесения в состав стального сплава различных легирующих добавок (никель, хром, титан, свинец).
• Неплохая коррозийная устойчивость (при наличии легирующих компонентов). Если пружина изготовлена из стали с большим содержанием хрома, то она будет хорошо выдерживать коррозию. Физика процесса выглядит так: при наличии в металле хрома на поверхности материала создается тонкая оксидная пленка. Такая пленка препятствует контакту железа с кислородом, азотом, что минимизирует риск возникновения ржавчины.
• Химическая инертность (при наличии легирующих компонентов). Легирующие добавки на основе ванадия, вольфрама, алюминия, селена, кремния уменьшают вероятность контакта железа с внешними веществами. Поэтому при контакте металла с каким-либо химическим веществом окислительно-восстановительные реакции не возникают. Это делает пружину инертной в химическом смысле.

Легирующие добавки

Чтобы сталь-пружина стала упругой, она должна пройти прокаливание по всему своему сечению. Этот момент является очень важным. Если его проигнорировать, то высокий предел текучести возникнет только на отдельных фрагментах детали. Поэтому при длительном сжатии такая деталь может треснуть, надломиться или лопнуть.

При выборе стального сплава для изготовления пружинно-рессорного элемента нужно помнить о концентрации легирующих добавок. Оптимальная концентрация углерода в составе сплава — 0,5-0,7%. Применение материала с более высоким содержанием углерода допускается, однако в этом нет большого практического смысла. Ведь в таком случае значительно повышается риск растрескивания материала при длительной нагрузке, что делает сталь-пружину бесполезной.

Некоторые дополнительные требования относительно содержания легирующих добавок:

• Кремний — не более 2,5%.
• Марганец — до 1,1%.
• Вольфрам — до 1,2%.
• Никель — не более 1,7%.

Для получения рессорной стали используются закалка обычного стального материала. Закалку рекомендуется проводить при температуре порядка +800-900 градусов. Во время закалки заметно повышается предел текучести, но одновременно с этим образуется большое количество мартенсита, который негативно влияет на упругость. Для разрушения мартенсита применяются различные технологии. Оптимальная методика — это применение отпуска при средних температурах (400-500 градусов).

Недостатки пружинной стали

• Плохая свариваемость. Закалка приводит к частичной деформации, разрушению наружного слоя материала. В случае сварки расплавление внешнего закаленного слоя может привести к созданию плохого, некачественного шва с трещинами.
• Проблематичная резка. Рессорный стальной сплав обладает высоким сопротивлением упругой деформации, поэтому резать такой материал будет сложно.

Марки стальных сплавов

В соответствии с нормами ГОСТ любой металл маркируется с помощью специального короткого кода, который отражает количественный состав сплава. Код имеет буквенно-числовое обозначение. Структура кода такая — ЧЛ1Л2Л3. Расшифровывается код следующим образом:

• Ч — это число, которая отражает содержание углерода в сотых или десятых долях процента.
• Л1, Л2, Л3 — это легирующие добавки (буква) и ее содержание в целых долях процентах (число). Если возле обозначения добавки число отсутствует, то это значит, что элемент содержится в концентрации менее 1%. Обозначения для некоторых элементов: Х — хром, Н — никель, С — кремний, Г — марганец, В — вольфрам, А — азот.
• Если легирующая добавка одна, то она записывается в виде Л1. При наличии дополнительных элементов легирующие добавки записываются в виде Л2, Л3 и так далее.
• Для примера рассмотрим два сплава: 50ХГ и 65С2ВА. Сплав 50ХГ содержит 0,50% углерода, а также хром и марганец в концентрации менее 1%. Сплав 65С2ВА содержит 0,65% углерода, 2% кремния + вольфрам и азот в концентрации менее 1%.