Рессорная сталь: характеристики, сферы применения

Что это за вид стали? Рессорная сталь обладает высоким модулем упругости, релаксационной стойкостью и выносливостью. В состав входит большое количество легирующих компонентов. Так, например, хром препятствует образованию ржавчины, а марганец увеличивает ударопрочность.

Где ее применяют? Рессорную сталь используют для изготовления деталей в автомобилестроении и оборонно-промышленном комплексе, а также различных пружин, в том числе для часов. Особую популярность этот вид металла получил в качестве сырья для ковки ножей.

Характеристики, твердость, маркировка рессорной стали

Рессорная сталь относится к группе специальных низколегированных высокоуглеродистых конструкционных сплавов. Состав и физико-химические свойства регламентируются нормами ГОСТ 14959-2016. Тип, химический состав и основные характеристики металла указываются в маркировке каждого конкретного типа стали буквенными и цифровыми обозначениями.

Разберемся на примере металла марки 65Г: цифры в начале маркировки, обозначающие содержание углерода в рессорной стали в сотых долях процента, указывают на его принадлежность к конструкционным типам сплава. В данном случае маркировка говорит о том, что углеродистость составляет не менее 0,65 % и не более 0,7 % (в рамках ГОСТ).

Буква «Г» в маркировке качественной конструкционной стали означает повышенное содержание марганца. Стандартные сплавы содержат не более 0,8 % этого элемента, а маркируемые «Г» – от 0,8 до 1,2 %. По нормативам содержание данной добавки в рессорной стали 65Г колеблется в диапазоне от 0,9 до 1,2 %. Высокая концентрация Mg в сплаве приводит к повышению (относительно нелегированных углеродистых сталей) важнейших характеристик – твердости, упругости и вязкости, а также к улучшению прокаливаемости.

Ковку стали этой марки начинают при +1 250 °C, а заканчивают при температуре от +760 до +780 °C. Стальной сплав 65Г является износостойким вязким прочным упругим материалом, который хорошо выдерживает нагрузки на разрыв и устойчив к ударным воздействиям.

Помимо указанной добавки, рессорная сталь марки 65Г содержит ряд других дополнительных компонентов и примесей – их процентная доля относительно невелика (в сумме она не превышает 2,5 %), а значит, маркировка данного сплава не содержит их перечисления.

Добавки позволяют достигнуть требуемых характеристик металла. Процентные доли химических элементов в составе рессорной стали регламентированы ГОСТом и составляют, например:

• железа (Fe) – примерно 97 %;
• углерода (C) – от 0,65 до 0,7 % ;
• марганца (Mn) – от 0,9 до 1,2 %;
• кремния (Si) – от 0,17 до 0,37 %;
• никеля (Ni) – не более 0,25 %;
• хрома (Cr) – не более 0,25 %;
• меди (Cu) – не более 0,2 %;
• серы (S) – не более 0,035 %;
• фосфора (P) – не более 0,035 %.

Два последних вещества являются вредными примесями. Полностью очистить от них сплав в условиях производства невозможно. Фосфор делает сталь менее пластичной и более хрупкой. Наличие серы приводит к такому явлению, как красноломкость – растрескивание сплава при высокой температуре. Указанные выше значения – максимум, превышение которого приводит к заметному ухудшению качественных показателей металла.

Хром (не менее 13 %) обеспечивает коррозионную стойкость стальных сплавов, а в концентрации около 30 % позволяет получать металл, изделия из которого можно эксплуатировать в кислотных (за исключением H2SO4), щелочных и влажных средах. Коррозионностойкие рессорные и пружинные типы стали обязательно содержат добавки сопутствующих химических элементов – вольфрама и/или марганца. Такой материал выдерживает рабочую температуру до +250 °C.

Вольфрам – тугоплавкий металл, добавление которого в состав стального сплава приводит к формированию множественных центров кристаллизации, что делает структуру стали мелкозернистой и позволяет существенно повысить пластичность, не снижая при этом прочности. При наличии этой добавки можно решить ряд важных задач: металл сохраняет свои высокие характеристики при нагревании и интенсивном трении во время эксплуатации изделий.

Мелкозернистая структура сплава сохраняется при термообработке – нагрев не приводит к возникновению линейных дефектов кристаллической решетки (дислокации). Благодаря повышенной прокаливаемости при закалке можно добиться более глубокой обработки, повысив однородность структуры и увеличив срок службы готовых изделий.

Добавки марганца и кремния в качестве легирующих элементов, как правило, используются совместно. Содержание первого из них при этом обычно больше примерно в полтора раза. Так, при наличии 1 % кремния доля марганца составит от 1,1 до 1,5 %.

Добавление в состав сплава тугоплавкого кремния не приводит к образованию карбидов. Попадая в расплав, этот элемент активно участвует в кристаллизации и выталкивает соединения углерода на границы зерен, упрочняя выплавляемую сталь.

Производство некоторых марок рессорной стали, предназначенных для производства изделий, эксплуатация которых осуществляется при температуре свыше +300 °C, предусматривает добавление никеля. Этот элемент препятствует образованию на границах зерен карбида хрома, приводящего к разрушению матрицы.

В качестве легирующей добавки также используется ванадий, эффект от введения которого в состав стали схож с результатом воздействия на характеристики сплава вольфрама.

Благодаря небольшому содержанию легирующих элементов сталь 65Г имеет относительно низкую стоимость, поэтому очень широко используется в различных производствах. Сплав обладает рядом важных физических и технологических характеристик:

1. твердостью 285 НВ (при температуре +20 °C);
2. модулем упругости 84 ГПа;
3. прочностью на разрыв 750 МПа;
4. ударной вязкостью от 29 до 76 Дж/см2;
5. удельным весом 7 850 кг/м3;
6. диапазоном температуры для закалки от +800 до + 830 °С;
7. температурным интервалом ковки от +760 до + 1250 °С.

Отечественные аналоги стали 65Г:

• 55С2;
• 60С2А;
• 9ХС;
• 50ХФА;
• 60С2;
• 70Г;
• 55С.

Зарубежные аналоги:

• G15660 – США;
• 66Mn4 – Германия;
• 65Mn – Китай;
• 080А67 – Великобритания.

В России рессорная сталь 65Г производится в виде:

1. сортового проката (в том числе фасонного);
2. калиброванного прутка круглого, квадратного, прямоугольного и шестиугольного сечения;
3. шлифованного прутка и серебрянки;
4. листов;
5. ленты;
6. полосы;
7. проволоки;
8. поковок.

Преимущества и недостатки рессорной стали

Рессорная сталь марки 65Г получила широкое применение в самых разных областях производства, что обусловлено ее преимуществами:

• устойчивостью к ударным нагрузкам, простотой заточки и высокой твердостью – от 50 до 55 единиц по шкале Роквелла (эти качества обуславливают большую популярность данной марки стали у производителей ножей);
• высокой сопротивляемостью разрыву;
• высоким пределом текучести, которая придает изделиям способность к восстановлению формы после того, как на них перестает действовать деформирующая нагрузка;
• хорошей ковкостью;
• способностью образовывать при чернении защитную пленку из оксидов на поверхности, которая придает металлу коррозионную стойкость;
• относительно низкой стоимостью, которая позволяет существенно удешевить готовую продукцию из этой стали.

Среди недостатков этого стального сплава следует отметить следующие:

• сталь подвержена коррозии;
• на доводку режущих кромок после заточки приходится затрачивать много времени;
• изделия из стали 65Г могут деформироваться при сильных ударах.

К технологическим особенностям рессорной стали относятся:

1. Свариваемость. Наряду с другими марками рессорных типов сталь 65Г не предназначена для использования в изготовлении металлоконструкций, однако отлично поддается контактной сварке.
2. Отличная ковкость.
3. Сталь неплохо поддается резке (после закалки и отпуска она имеет коэффициент обрабатываемости от 0,8 до 0,85 единиц).
4. Данный сплав мало подвержен образованию флокенов (опасных внутренних дефектов, представляющих собой транскристаллитные трещины со светлыми краями).
5. Входящий в состав сплава марганец обуславливает хорошую прокаливаемость сплава 65Г.
6. Если процентная доля марганца меньше 1 %, металл может быть подвержен отпускной хрупкости.

Термообработка рессорной стали

Для улучшения изначальных характеристик, которыми сплав обладает в силу химического состава, изделия подвергают масляной закалке при температуре + 830 °C и отпуску при +470 °C.

Закалка сильно влияет на свойства металла и эксплуатационные характеристики готовых изделий. Правильная термическая обработка приводит к:

• изменению внутренней структуры;
• улучшению механических характеристик;
• повышению износоустойчивости;
• увеличению надежности;
• снижению стоимости производства благодаря использованию небольшого количества относительно недорогих добавок;
• расширению сферы использования готовых изделий.

Термическая обработка включает в себя такие операции, как:

• отжиг;
• нормализация;
• закалка и отпуск.

Стальные детали сложной формы могут деформироваться при нагревании. Избежать этого при термической обработке позволяют специальные приспособления:

• закалка пружин большого диаметра требует применения специальных оправок, например, труб;
• для отправки в камеру небольших пружин обычно пользуются прогретыми поддонами, которые позволяют сократить время выдержки в печи, предотвратить коробление металла и уменьшить выгорание углерода с его поверхности, что особенно важно при термообработке изделий небольшого размера.

Выбор режима закалки рессорной стали зависит от:

1. назначения и условий эксплуатации изделий;
2. оборудования и метода нагрева;
3. температурного диапазона термической обработки;
4. времени выдержки при выбранной температуре;
5. типа закалочной среды;
6. способа последующего охлаждения.

Для отжига детали повторно нагревают до критической температуры, выдерживают определенное время, а затем медленно охлаждают.

Отпуск при обработке рессорной стали нужен для того, чтобы снять внутреннее напряжение, зоны которого формируются при термической обработке. Детали повторно нагревают и медленно охлаждают. После этой процедуры металл становится менее твердым и более вязким.

Если от готовых изделий требуются высокая надежность и долговечность, заготовки подвергают дополнительному низкому отпуску при температуре от +160 до +200 °C. На завершающих этапах обработки поверхность деталей, если это предусмотрено технологическим процессом, подвергают оксидированию (воронению) или оцинковке.

Область применения рессорной стали

Упругость пружинных типов стали обуславливает сферы их применения. Из таких сплавов изготавливают:

• автомобильные рессоры;
• упорные шайбы;
• подшипники и тормозные ленты;
• пружинные механизмы;
• фрикционные диски.

Также сталь марок 65 и 70 используют для изготовления:

• спортивных клинков;
• метательных ножей;
• медицинских изделий;
• бритв;
• деталей, эксплуатация которых не предполагает длительных ударных нагрузок.

Рессорные типы стали не предназначены для изготовления сварных металлоконструкций и эксплуатации при повышенной влажности.

Автомобильные рессоры (согласно ГОСТ 33556-2015) изготавливают из специальных полос шириной 55, 65, 75, 90, 100 и 120 мм при толщине от 4,5 до 14 мм. Помимо обычного, профиль может быть Т-образным, трапециевидным, трапециевидно-ступенчатым или желобчатым.

Также пружинная сталь 65Г используется для изготовления холоднокатаной ленты толщиной от 0,1 до 4 мм и шириной от 4 до 465 мм (ГОСТ 2283-79), горячекатаной – толщиной до 14 мм и шириной до 630 мм (ГОСТ 14959-2016). Из такого металла производят не только пружины, но и множество других изделий, например, клинки ножей.

Заготовки и изделия из рессорных типов стали хранят в сухих помещениях. Кроме того, рекомендуется следить, чтобы поверхность деталей была покрыта смазкой. Недорогой и качественный сплав 65Г является неплохой альтернативой маркам 55С2, 60С2, 70, 70Г, У8А и 9Хс.

Благодаря ковкости этой стали из нее можно изготавливать клинки ножей в условиях домашней мастерской. Это могут быть не только предметы оружия для исторических реконструкций, охотничьи или туристические, но и ножи или топорики для кухни.

Из-за высокого модуля упругости пружинистая деформация детали из рессорно-пружинных видов стали сильно ограничена, что позволяет изготавливать тугие силовые элементы. Сочетание приемлемой стоимости с высокой технологичностью обуславливает широкое применение таких сплавов в тракторо- и автомобилестроении, а также в других областях промышленного производства.