Классификация пружинных сталей и сплавов

В промышленности используется большое число разнообразных пружинных сплавов, так как в зависимости от условий службы упругих элементов, а также их формы и размеров, они должны различаться по механическим, физико-химическим и технологическим свойствам. Поэтому пружинные сплавы имеют различный химический состав и структуру и подвергаются разнообразным видам термической обработки.

Классификация пружинных сплавов может быть проведена по ряду признаков.

Во-первых, можно разделить сплавы по основным способам упрочнения.

1. Стали и сплавы, упрочняемые холодной пластической деформацией и последующим низкотемпературным нагревом (отпуском или отжигом).

К этой группе относятся стали с повышенным содержанием углерода (0,4—1,3%), подвергаемые упрочнению холодной пластической деформацией (после предварительной термической обработки), а после наклепа — низкому отпуску. При этом определенный, а в ряде случаев весьма существенный вклад в общее упрочнение вносит предварительная термическая обработка. В зависимости от структуры, полученной при термической обработке, изменяется и абсолютная степень упрочнения в процессе холодной пластической деформации.

В процессе наклепа фазовое состояние стали практически не изменяется, а лишь изменяется тонкая структура благодаря увеличению плотности дислокаций. В результате дополнительного отпуска (старения) снимаются остаточные напряжения, перераспределяются дислокации, на них образуются сегрегации, что и вызывает сильное повышение предела упругости, релаксационной стойкости и других свойств стали.

Помимо углеродистых и легированных сталей перлитного класса, к этой же группе можно отнести стали аустенитного класса, не испытывающие в процессе холодной пластической деформации фазовых превращений типа у —> а или у —> е. При последующем отпуске в них протекают по-существу те же структурные процессы, что и в стали перлитного класса, с той лишь разницей, что при отпуске могут образоваться сегрегации других типов и дислокационная структура может быть иной.

Кроме сталей, к этой же группе относятся и сплавы меди (однофазные латуни и бронзы), молибдена и рений, ниобия и др. В них в результате холодной пластической деформации не только повышается плотность дислокаций, которые располагаются по типу ячеистой субструктуры или плоских скоплений, но и нарушается исходное распределение атомов. При последующем дорекристаллизадионном отжиге снимаются остаточные напряжения, перераспределяются дислокации по типу полигонизации, а также происходят изменения в распределении атомов компонентов.

Характерной особенностью всех сплавов рассматриваемого класса является анизотропия упругих свойств, резко выраженная в деформированном состоянии и уменьшающаяся после отпуска (или при дорекристаллизационном нагреве) в результате перераспределения напряжений и дислокаций.

2. Стали и сплавы, упрочняемые в результате мартенситного превращения.

К этому классу относятся углеродистые и легированные стали (в том числе и мартенситно-стареющие), упрочняемые в результате мартенситного превращения при закалке, а также нержавеющие стали переходного аустенитно-мартенситного класса, испытывающие мартенситное превращение либо при закалке или обработке холодом, либо при деформационном наклепе. В результате мартенситного превращения происходит измельчение кристаллитов, резкое увеличение плотности дислокаций, изменяющее субструктуру, образование сегрегаций из атомов углерода на дислокациях, а возможно, и выделение избыточных фаз. Поэтому закалка на мартенсит и создает высокое упрочнение стали. Если же мартенситное превращение происходит в процессе деформационного наклепа аустенита, то при общем увеличении плотности дислокаций получается их неравномерное распределение. Следствием этого является анизотропия прочностных и пластических свойств, но особенно предела упругости. Все эти стали с мартенситной структурой приобретают максимальное сопротивление малым пластическим деформациям после дополнительного отпуска, в процессе которого снимаются остаточные напряжения, происходит перераспределение дислокаций, возможно по типу полигонизации, перемещение атомов углерода к дислокациям, а также возможное выделение частиц (областей) избыточных фаз.

3. Стали и сплавы, упрочняемые в результате дисперсионного твердения (старения).

К этой группе относятся сплавы на основе систем железо— никель, железо—никель—хром, никель—хром и др., с добавками главным образом титана и алюминия, которые создают упрочняющие фазы, растворяющиеся при температуре закалки и выделяющиеся в дисперсной форме при последующем старении (или отпуске).

К данной группе относится и один из основных пружинных сплавов бериллиевая бронза, дисперсионно твердеющие латуни, а также некоторые сплавы на основе драгоценных металлов платина—серебро, палладий—серебро и др.

Рост сопротивления малым пластическим деформациям у этих сплавов связан с изменением тонкой структуры матрицы и с блокирующим действием частиц (областей) избыточной фазы. Дополнительное повышение прочностных свойств этих сплавов, сопровождающееся, однако, снижением свойств пластичности, может быть достигнуто в результате пластической деформации этих сплавов после закалки и заключительного отпуска (старения).

4. Сплавы, упрочняемые в результате внутреннего окисления.

К этой группе относятся сплавы на основе серебра, например, серебро—магний—никель, в которых при нагреве в кислородсодержащей атмосфере насыщается кислородом твердый раствор, а также образуются частицы окислов магния. Эти изменения фазового состояния сплава вызывают значительное упрочнение.

В этой классификации выделены основные способы упрочнения. Однако, как указывалось выше, наиболее перспективным направлением для получения высоких прочностных свойств у существующих сплавов и для создания новых высокопрочных пружинных сплавов является совмещение в каждом сплаве нескольких структурных методов упрочнения (термомеханическая обработка и т. д.). В этом случае классификация, даже по основным для каждой группы сплавов методам упрочнения, теряет свою определенность и становится слишком сложной и в то же время недостаточно четкой.

Во-вторых, пружинные сплавы могут быть классифицированы по назначению.

1. Пружинные сплавы (стали) общего на значения.

Пружинные сплавы общего назначения, используемые в качестве конструкционных материалов, должны главным образом обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, высоким пределом прочности при достаточной вязкости и пластичности, а также повышенной усталостной прочностью и релаксационной стойкостью.

2. Пружинные сплавы специального назначения.

Эти сплавы, отличаясь повышенными механическими свойствами, а также высоким сопротивлением усталости и релаксации напряжений, должны также иметь и определенные физико-химические или физические свойства, требования к которым изменяются в зависимости от условий службы соответствующих упругих элементов. В частности, к этим сплавам могут предъявляться требования повышенной коррозионной стойкости, немагнитности, малого удельного электросопротивления, независимости модуля упругости от температуры и т. п.