Пружинные стали специального назначения

Пружинные стали специального назначения кроме высоких значений предела упругости могут иметь еще высокую коррозионную стойкость, теплостойкость (высокое сопротивление релаксации при повышенных температурах), немагнитность и др. К таким сталям относятся высоколегированные мартенситные, мартенситностареющие и аустенитные стали.

В качестве коррозионностойких пружинных сталей применяют мартенситные стали. Для получения высокой коррозионной стойкости стали легируют хромом в количестве более 12 %. Стали типа30Х13 и 40Х13 применяют после закалки от температур 1000–1050 ºС и отпуска при 300–350 ºС для работы при комнатной температуре и при 500–550 ºС для работы при повышенной температуре. Повышенная прокаливаемость таких сталей позволяет использовать их для пружин больших сечений. Для повышения релаксационной стойкости кор-розионностойкие стали мартенситного класса дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Так, сталь 12Х12Н2ВМФ имеет рабочую температуру 350 °С, что на 50 °С выше, чем у стали 30X13.

В качестве специальных пружинных сталей могут использоваться мартенситностареющие стали на Fe–Ni основе (Н18К8М4ТЮ, Н18К9М5Т, Н16К4М4Т2Ю) и на Fe–Cr-Ni основе (Х12Н10Д2Т5, Х12Н10Д2Т, Х18Н8К5М2ТЮ). Почти все мартенситностареющие стали (за исключением сверхпрочных с пониженной пластичностью) могут быть использованы в качестве пружинных.

Мартенситностареющие стали на Fe-Ni-основе используют благодаря их высокой релаксационной стойкости и высокому значению предела упругости для работы в условиях больших рабочих нагрузок при повышенных температурах. Стали на Fe-Cr-Ni-основе являются коррозионностойкими и имеют высокое сопротивление релаксации напряжений, при этом хромоникелевые нержавеющие мартенситностареющие стали можно применять для изготовления пружин, работающих при температурах до 400–450 °С. При рабочих температурах до 500–550 °С следует применять пружины из мартенситностареющих сталей на Fe-Cr-Co-Mo-основе.

Мартенситностареющие стали превосходят многие пружинные стали и по величине упругого отношения _0,03/Е, являющегося важной характеристикой пружинных сплавов.

Высокая пластичность мартенситностареющих сталей в закаленном состоянии удобна для проведения холодной прокатки ленты и волочения проволоки. Мартенситностареющие проволока и лента могут выдерживать большие степени деформации без потери пластичности, причем коэффициент деформационного упрочнения мартенситностареющих сталей на Fe-Ni-основе близок по значению к коэффициенту деформационного упрочнения армко–железа.

При старении мартенситностареющих сталей наблюдается резкое увеличение значения временного сопротивления и особенно предела упругости проволоки и ленты. При правильно выбранном режиме закалки и деформации пластичность пружинной ленты и проволоки в интервале температур, соответствующих максимуму прочностных свойств, остается на достаточном уровне.

Предел упругости и релаксационная стойкость мартенситностареющих сталей существенно понижается при наличии в структуре остаточного аустенита. Поэтому мартенситностареющие стали на Fe-Cr-Ni-основе могут иметь более низкий предел упругости и сопротивление релаксации в области невысоких температур вследствие пониженной мартенситной точки и большего количества остаточного аустенита по сравнению с менее легированными сталями на Fe-Ni-основе.

К нержавеющим и теплостойким пружинным сталям относятся стали на аустенитной основе. Как правило, аустенитные пружинные стали – это стали на железоникелевой основе, содержащие до 0,2 % С. Наиболее широко для изготовления пружин применяют обычные аустенитные хромоникелевые стали, например, 12Х18Н10Т, 17Х18Н9, 06Х15Н20М2Т2, 13Х18Н10Г3С2М2 и др.

Для получения высокого сопротивления начальным пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости аустенитные стали, предназначенные для изготовления пружин и упругих элементов, упрочняют путем холодной пластической деформации (прокатка ленты, волочение проволоки) и отпуска (деформационного старения). При пластической деформации в аустенитных сталях, в которых мартенситная точка М_д лежит выше температуры деформирования, происходит образование мартенсита деформации. Такие стали называют метастабильными аустенитными сталями. Образующийся вследствие –превращения мартенсит деформации дополнительно упрочняет сталь как при пластической деформации, так и при последующем деформационном старении. Однако при большом содержании мартенсит деформации может понижать пластичность проволоки и ленты.

Высокостабильные аустенитные стали, в которых мартенсит деформации не образуется ни при каких режимах деформации и старения, используют для изготовления коррозионностойких немагнитных пружин и упругих элементов.

Для повышения теплостойкости, т.е. сопротивления релаксации при повышенных температурах, аустенитные пружинные стали дополнительно легируют такими элементами, как молибден, вольфрам, титан. Предел упругости аустенитных пружинных сталей повышается при легировании кремнием в количестве до 2,0–2,5 %, более высокое содержание кремния может понижать пластичность.

При старении холоднодеформированных аустенитных пружинных сталей наблюдается повышение предела упругости, обусловленное закреплением дислокаций и выделением избыточных карбидных или интерметаллидных фаз. Сталь 12Х18Н10Т является деформационнометастабильной сталью и содержит в структуре кроме аустенита около 40 % мартенсита деформации. В стали 06Х15Н20М2Т2 при отпуске из аустенита выделяется интерметаллидная фаза Ni₃Ti, а в стали 13Х18Н10Г3С2М2 – карбид хрома Ме₂₃С₆. Метастабильная сталь 12X18Н10Т имеет после оптимального отпуска при 400 °С наиболее высокий предел упругости. Однако при дальнейшем повышении температуры отпуска предел упругости этой стали начинает интенсивно снижаться, в то время как стабильные аустенитные стали при повышенных температурах отпуска 500–600 °С сохраняют более высокий предел упругости. Это обусловливает более высокое сопротивление релаксации напряжений стабильных аустенитных сталей при повышенных температурах (400 °С), когда релаксационная стойкость метастабильной аустенитной стали 12Х18Н10Т резко падает. Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением (06Х15Н20М2Т2) после отпуска при 500–600 °С имеют более высокую релаксационную стойкость при повышенных температурах релаксации по сравнению со сталями с карбидным упрочнением (13X18Н10Г3С2М2).

При температурах выше 450 ºС релаксационная стойкость пружинных сталей становится недостаточной. В этом случае можно применять сплавы (например, Х25Н25Т) в монокристаллическом состоянии. Монокристаллические пружинные материалы используют в литом и деформированном состоянии. Уровень прочностных свойств и релаксационная стойкость деформированного монокристаллического сплава зависит от кристаллографической ориентировки монокристалла и текстуры деформации.