Самостоятельное изготовление и закалка пружины

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.

Термическая обработка пружин для защиты от коррозии

Термическая обработка пружин – это обобщенное название таких операций, как нагрев, выдержка и охлаждение этих изделий. Основная цель такой обработки – получение заданных параметров и свойств упругих изделий, что достигается изменением внутреннего структурного строения используемых в каждом конкретном случае металлических сплавов.
Для достижения этой цели стали/сплавы прогреваются до определенной температуры, выдерживаются в таких условиях точно установленное время и охлаждаются, в зависимости от технологии, быстрым или медленным способом.

Такая обработка может быть промежуточной операцией в технологическом процессе изготовления упругих деталей, в таком случае она служит для того, чтобы улучшить результаты последующих операций (обработки давлением, резания, других). Если же такая обработка является завершающей стадией технологического процесса, то она проводится для обеспечения заданных свойств каждого из изделий.

]

стном слое возникают пластические деформации, вызывающие наклеп, сопровождаемый остаточными внутренними напряжениями. При нагреве (под термическую обработку) вследствие релаксации напряжений изделия могут деформироваться. Применение промежуточных отжигов в процессе механической обработки позволяет ликвидировать образующиеся деформации, укладывающиеся в пределах припуска на обработку; таким образом, перед последней операцией механической обработки (перед термической обработкой) обрабатываемое изделие практически будет без внутренних напряжений, тем самым будет ликвидирован

возможный источник деформаций при термической обработке.

Горячая правка методом термического натяжения. Этот способ может с успехом применяться для полых изделий сравнительно небольшого сечения. В качестве примера приведем правку листовых обечаек из стали марки Х18Н9Т, диаметром 300-500 мм, толщиной стенки 6-8 мм. Использование для этой цели оправки с раздвижными секторами и автономным устройством для создания усилия при нагреве (рис. 20) обеспечивает достаточную радиальную деформацию в процессе отжига и практически исправляет любую эллиптичность обечаек указанного типа.

Оправка состоит из центрального стержня /, изготовленного из стали марки Х17Н2 с низким коэффициентом термического расширения, промежуточной втулки 2 с наружными конусами, втулки 5 и раздвижных секторов 3, изготовленных из стали марки XI8H9T с высоким коэффициентом термического расширения. При нагреве промежуточная втулка 2 и втулки 5, удлиняясь больше стержня, разжимают секторы 3, спрофилированные по диаметру обечайки ,и, устраняя эллиптичность, придают изделию правильную форму.

При высоте осаживающего устройства 1 м, температуре отжига 750 °С и конусе промежуточной втулки 70° радиальная раздача секторов составляет 8 мм, т. е. оправка может устранить эллиптичность 16 мм.

Такпм образом, отжиг обечаек на оправках с раздвижными секторами и с автрномным источником радиального усилия, основанного на различиях коэффициента линейного расширения материалов оправки, эффективно уменьшает эллиптичность обечаек, изготовленных из листовой стали. Изложенный способ горячей правки можно применять для изделий широкой номенклатуры.

Термоправка тонкостенных цилиндрических изделий. Этот способ позволяет совместить процессы термической обработки (отжиг, закалку) с фиксированием требуемой формы. Если нагретое изделие надеТь на оправку и продолжать их совместно нагревать до требуемой температуры, то при коэффициенте линейного расширения материала оправки больше коэффициента линейного расширения материала изде-

Рис. 20. Оправка с автономным осаживающим устройством

ЛИЯ зазор между оправкой и изделием исчезнет. При охлаждении (со скоростью, соответствующей данному виду термической обработки) одновременно с термической обработкой происходит процесс правки изделия, так как находящееся снаружи изделие охлаждается быстрее (рис. 21), кроме того, масса изделия значительно меньше массы оправки.

Посадка оправки

Высадка

%S00 I

I ш зов

Нагрев

Времй,мин

Рис. 21. Изменение температуры изделия и оправки прн термоправке; / — Температура изделия; 2 — температура внутренней поверхности оправки; 3 — температура тела оправки.

Если Производится высокий отпуск, то после того, как температура охлаждения достигнет 200-300 °С, изделие с оправкой помещают в воду. Изделие охлаждается быстрее оправки и образующийся зазор между ними позволяет легко их разъединить. Оправки изготовляются из стали (марки 20) или чугуна. При применении чугуна марки СЧ 12-28 количество допустимых правок без переточки во время термоправки, совмещенной с отжигом, достигает 50.

47. Преодоление деформаций с использованием явления сверхлластичности сплавов

Рассматривая способы бездеформационной термической обработки, следует особо остановиться на термофиксации, которая сравнительно давно применяется в специальных видах производств, например, при закалке рессор автомобиля с фиксированием нужной формы в процессе этой операции, при фиксировании формы спиральных пружин на оправках при среднем отпуске, при создании требуемого зазора в замке поршневых колецпри 500-550 °С и др. В основе перечисленных способов термофиксации, дающих весьма хорошие результаты, лежит использование явления сверхпластичности, кратковременно возникающей в стали (и других сплавах) в процессе фазовых превращений при термической обработке. В настоящее время это явление подробно исследовано

и имеется реальная возможность сознательного его использования для бездеформационной термической обработки. Теперь возможно управлять процессом термофиксации, т. е. знать, в какой момент операции и какой величины прикладывать нагрузку. Известно, что пластичность стали в процессе фазовых превращений (сопутствующих операциям термиче- . ской обработки) возрастает от 3 до 20 раз в зависимости от вида фазовых превращений, химического состава стали и других причин. Аномальное увеличение пластичности происходит, как правило, в интервале времени и температур фазового превращения, что позволяет использовать сверхпластичность стали для практических целей.

Наибольшее увеличение пластичности происходит при закалке во время превращения аустенита в мартенсит (до 20 раз), при превраще-вии остаточного аустенита в мартенсит (при обработке холодом) пластичность возрастает до 10 раз, в процессе перлитного распада аустенита (отжиг, нормализация) пластичность возрастает в четыре-пять раз и в процессах при отпуске — в два-три раза. Следует отметить, что пластичность в температурном интервале фазового превращения увеличивается неравномерно. Максимальный эффект возрастания пластичности имеет место, как правило, в начальный период фазового превращения.

Таким образом, использование сверхпластичности решает задачу преодоления деформаций в процессе изгот товления изделий при их термической обработке. Прн этом достигаются следующие преимущества:

1) создаются предпосылки для термической обработки изделий в окончательно изготовленном виде, в результате чего достигаются повышение конструктивной прочности н улучшение эксплуатационных качеств изделий;

2) создаются условия для внедрения в производство прогрессивных методов формообразования изделий (точного литья, точной штамповки и др.), так как отпадает необходимость предохранения изделий от деформации за счет увеличенных припусков на механическую обработку;

3) снижаются издержки производства изготовления изделий за счет уменьшения трудоемкости механической обработки и экономии металла; улучшается качество изделий за счет ликвидации правочных операций;

4) создаются условия автоматизации процессов термической обработки при поточном производстве.

Прогрессивный метод бездеформационной термической обработки с использованием явления сверхпластичности сплавов используется на отечественных заводах и за рубежом. Приведем несколько примеров. Зубчатые колеса, коробки переключения передач трактора Т-ЮОМ изготовляются из стали марки 20ХГНР и имеют шлицевое отверстие (рис. 22), шлицы эвольвентные с модулем 425 н 3,5 мм.

Рис, 22. Зубчатое колесо с оправкой

При обычной термической обработке (безоправок) при цементации в твердом карбюризаторе и закалке по диаметру отверстия возникали значительные деформации, в два-три раза превышающие допустимые.

Ликвидацию деформации удалось достигнуть применением гладких жестких оправок, на которые надевались шестерни после нагрева под закалку перед погружением в масло. В процессе фазовых превращений стали шестерни фиксировались на оправке на нужный размер. Вследствие того, что оправка касается изделия в отверстии по ограниченным плоскостям шлицев, закалочная жидкость свободно поступает в шлице-вые пазы, создавая равномерную закалку по отверстию. После охлаждения оправка выпрессовывается на гидравлическом прессе.

Рис. 23. Закалочное устройство а электромагнитной плитой

Рис. 24. Приспособление для правки

плоского инструмента: / — прижим; 2 — основание; 3-клин

Хорошие результаты дает закалка на электромагнитной плите плоских деталей типа дисков муфты трения (сталь марки ЗОХГСА, наружный диаметр 380 мм, внутренний — 300 мм, толщина 4-6 мм, твердость HRC 28-35). На рис. 23 представлено закалочное устройство с электромагнитной плитой. Это кольцевой электромагнит с внешним притягивающимся якорем, в качестве которого служит закаливаемая деталь. Корпус магнита состоит из стальных колец 1 и 3, соединенных снизу основанием 4, а в верхней части — немагнитной вставкой 5. Между кольцами помещается обмотка 2. К корпусу прикреплены полоса в виде стальных колец 10 и . В зазор между полосами зачеканена латунная полоса 9. Внутри полюсов образуется кольцевой канал для подачи охлаждающей жидкости. Сверху на торцовой поверхности просверлены отверстия и профрезерованы радиальные пазы 12. Hatpe-тую до закалочной температуры деталь 8 укладывают на включенную электромагнитную плиту. В кольцевую полость через патрубор 6 подается масло, которое затем через вертикальные отверстия и радЯаль-

ные пазы поступает к закаливаемой детали. Одновременно деталь поливается маслом через спреер 7.

В процессе закалки немагнитная вначале деталь (в аустенитиом состоянии) по достижении температуры мартенситного превращения притягивается плитой, что обеспечивает эффективное преодоление деформаций в интервале, когда сталь обладает сверхпластичностью. По окончании закалки в обмотку плиты на короткое время (1,5-2 с) подается обратный ток, что позволяет размагнитить закаливаемую деталь.

Маслоохлаждаемая электромагнитная плита должна найти широкое применение в промышленности как простое и н то же время надежное устройство для бездеформационной закалки плоских деталей.

При работе с маслоохлаждаемой электромагнитной плитой возможно довольно просто и н широких пределах изменять условии закалки (усилие заневоливания, длительность его приложения и другие характеристики) путем регулирования электрических параметров.

В последние годы осуществляется механизиронанная правка спиральных цилиндрических сверл в процессе закалки. После нагрева под закалку сверла подвергают промежуточному охлаждению в жидкой среде при 300-650 °С, затем они поступают в многопозиционный автоматический правильный станок, где их зажимают между валиками, вместе с которыми они нращаются под струей эмульсии, и, находясь в таком положении в течение мартенситного превращения, сверла остаются прямыми. Их биение обычно не превышает 0,03-0,08 мм, что допустимо.

Некоторые плоские инструменты из быстрорежущей стали (дисковые пилы, отрезные и прорезные фрезы, ножовочные полотна и др.) подвергают релаксационвой правке при отпуске после закалки, их зажимают между двумя планшайбами (рис. 24), которые стягивают болтами или клином и помещают в отпускную печь. После каждого отпуска гайки зажимного приспособления подвертывают до отказа или подтягивают клин, что позволяет постепенно уменьшить деформацию инструмента.

ГЛАВА XII

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

48. Испытания на растяжение, сжатие, изг>1б

При изготонлении ответственных изделий предусматриваются ыеханические испытания с целью контроля качества металла и термической обработки. Для этого из партии (садки) изделий, подвергавшихся термической обработке по одному режиму в одной и той же печи, выбирается некоторое количество изделий, из которых изготовляют стандартные образцы для исследонания в лаборатории. * Количество испытуемых изделий и образцов оговаривается технологическим процессом.

Иногда от изделия или полуфабриката отрезается часть металла бе повреждения нзделня, из которой изготовляют образцы для испытаний.

Испытание иа растяжение при комиатиой температуре. Испытания на растяжение проводятся на разрывных испытательных машинах, состоящих из следующих основных частей: механизма для нагруже-ния (деформации) образца; механизма для передачи растягивающей силы; механизма для измерения растягивающей силы. Обычно применяются машины с разрывным усилием 20, 40, 50, 300 и 500 кН.

На рис. 25 показана уни-нерсальная машина с небольшим разрывающим усилием 50 кН, а на рис. 26 — схема этой машины. Нагружение в этой машине осуществляется нруч-ную вращением рукоятки или от электромотора.

Вращение гайки / создает поступательное движение ходового винта 2 с захватом 3. Движение захвата вниз приводит к растяжению образца 4. Измерение растягинающего усилия осуществляется через захват 5, тягу 6, систему рычагов и маятник 7. Угловое перемещение маятника с помощью зубчатой рейки 8 и шестерни приводит к отклонению стрелки на шкале 9. Деления шкалы соответствуют различным нагрузкам. Машина снабжена диаграммным прибором 10 для анто-матической записи кривой на-гружения.

На рис. 27 показаны применяемые при испытании на разрыв типы образцов — круглый и плоский; размеры этих образцов даны н табл. 192. Утолщения на концах образцов сделаны для лучшего зажатия их в захватах машины. В процессе непрерывного нагружения при испытании на разрывной машине образец сначала растягивается (деформируется), а затем разрушается.

На рис. 28 показана кривая деформации образца под действием растягивающих усилий. По вертикальной осГи отложена нагрузка, по горизонтальной — удлинение. До точки а образец деформируется упруго; после снятия нагрузки образец возвращается в первоначальное состояние. На участке аЬ при постоянной нагрузке материал образца течет . Затем для дальнейшей деформации образца нагрузка должна быть увеличена. После достижения н точке с максимального значения нагрузка уменьшается и в точке d происходит разрушение образца.

Рис. 25. Общий вид испытательной машины с разрывным усилием 50 кН

Виды пружин

Пружины – упругие детали, в основном используемые в таких отраслях производства, как горнодобывающая, нефтегазовая, энергетическая, машино- и станкостроение, другие.

Самыми распространенными их видами можно назвать:

• — Растяжения. Под осевой нагрузкой происходит увеличение их длины, тогда как в исходном состоянии витки соприкасаются. Испытывают напряжения кручения и изгиба.
• — Сжатия. Под осевой нагрузкой происходит уменьшение их длины, в исходном состоянии витки расположены на расстоянии шага (определяется в зависимости от особенностей применения). Также испытывают напряжения кручения и изгиба.
• — Кручения – нагрузка прилагается в плоскости, которая оси изделия перпендикулярна. Работают на скручивание, оказывают поворотный момент силы.
• — Изгиба. Незначительно деформируясь, могут передавать большое усилие.

Материалы. Изготовление пружин

0

Материалы. Изготовление пружин

Пружины изготовляют из углеродистых и легированных сталей с содержанием углерода 0,5—1,1%. Из углеродистых сталей изготовляют пружины с диаметром проволоки до 10 мм; из легированных сталей — пружины, работающие при высоких напряжениях или повышенных температурах, а также пружины с большими сечениями проволоки (диаметром 20—30 мм) дли обеспечения закалки на полное сечение.

Присадка кремния (до 2%) повышает упругие качества стали и сопротивление повторным ударным нагрузкам. Ванадий (0,1—0,2%) и вольфрам (до 1,2%) вводят для повышения механических свойств и термостойкости. Для пружин ответственного назначения применяют вольфрамокремнистые и хромокремневанадиевые стали, обладающие наиболее высокими механическими свойствами.

Пружины, работающие при повышенных температурах, изготовляют из хромованадиевых сталей типа 50ХФА (термостойкость до 300°С), вольфрамокремниевых сталей типа 65С2ВА (до 350°С) и стали 40X13 (до 450°С).

Для пружин, работающих при температурах свыше 500°С, применяют специальные стали с повышенным содержанием Cr, V, Mo, W.

В табл. 57 приведены основные материалы, применяемые для изготовления пружин, и их механические свойства после термообработки. Модуль упругости пружинных сталей Е = (2,1—2,2)· 105 МПа, модуль сдвига G = (7,6—8,2)·104 МПа.

Сопротивление усталости пружинных сталей мало зависит от химического состава и в гораздо большей степени определяется состоянием поверхностного слоя. Обезуглероживание поверхностного слоя при термообработке, местные дефекты (коррозия, забоины, царапины, истирание при износе) резко снижают предел выносливости. Значительного повышения сопротивления усталости можно добиться полированием и особенно нагартовкой поверхностного слоя (волочением, дробеструйной обработкой).

Предел выносливости при отнулевом циклическом нагружении составляет в среднем 400—600 МПа.

Прочность пружинных сталей очень зависит от диаметра проволоки, резко возрастая с уменьшением диаметра. В качестве примера на рис. 856 приведены показатели прочности холоднокатаной проволоки в функции диаметра. Прочность проволоки малого диаметра (0,2—1 мм) примерно в два раза превышает прочность проволоки большого диаметра (8 мм). Диаметр проволоки следует учитывать при выборе допускаемых напряжений при расчете пружин.

Для изготовления пружин, работающих в условиях повышенной влажности или соприкасающихся с химически агрессивными средами, применяют коррозионностойкую сталь 40X13 или сплавы на основе меди. В табл. 58 приведены наиболее употребительные медные сплавы и их механические свойства.

Модуль упругости сплавов на медной основе Е = (1,2—1,3)·105, модуль сдвига G = (4,5—5)·104 МПа.

Наиболее высокими антикоррозионными свойствами и наибольшим сопротивлением усталости обладают бериллиевые бронзы. Сочетание этих свойств с высокой электропроводимостью обусловливает широкое применение бериллиевых бронз для изготовления пружин в электромашиностроении. Кроме того, бериллиевые бронзы отличаются высоким постоянством упругих свойств и почти полным отсутствием гистерезиса и по этой причине часто применяются для изготовления упругих элементов точных приборов.

Пружины из сплавов на медной основе парамагнитны и применяются в тех случаях, когда необходимо исключить влияние магнитных полей.

Спиральные пружины из проволоки малого диаметра (до 10 мм) с отношением D/d>4 (D — средний диаметр пружины; d — диаметр проволоки) изготовляют навивкой в холодном состоянии. Пружины с отношением D/d<4, а также пружины из проволоки больших сечений навивают вгорячую.

При холодной навивке возможны два варианта:

1) проволоку навивают в термообработанном состоянии или после холодного волочения и после навивки подвергают невысокому отпуску (200—300°С) для снятия напряжений, возникающих при навивке;

2) проволоку навивают в отожженном состоянии и после навивки подвергают закалке и отпуску.

По первому способу изготовляют пружины из углеродистых сталей, например, из рояльной проволоки и холоднокатаной проволоки диаметром в пределах 0,2—8 мм, а также из кремневольфрамовых и хромованадиевых сталей.

Рояльную (патентированную) проволоку изготовляют из качественной высокоуглеродистой стали (~ 1 % С) и подвергают изотермической закалке (нагрев до 870—950°С) с последующей выдержкой в расплавленном свинце до 500°С (патентирование). После термообработки проволоку подвергают калибровочному волочению; в результате нагартовки проволока приобретает исключительно высокую прочность (до σв = 3000 МПа).

Аналогично изготовляют пружины из холоднокатаной проволоки, которая выпускается трех классов прочности: нормальной Н, повышенной П и высокой В с подразделением на группы I—II (для классов Н и В) и I—III (для класса П), в зависимости от вязкости.

Легированные стали (за исключением кремневольфрамовых и хромованадиевых сталей) подвергают после навивки термообработке: закалке в масле при 800—850°С и последующему среднему отпуску при 400—500°С.

Во избежание обезуглероживания поверхностного слоя нагрев под закалку ведут под слоем древесноугольного порошка или чугунных опилок. Режимы термообработки подробно разработаны для каждой марки стали и подлежат строгому соблюдению с целью получения наиболее высоких показателей прочности.

Пружины, навиваемые в горячем состоянии, подвергают после навивки обязательной термообработке. Навивку производят при 800—1000°C.

Пружины из бронз БрО4ЦЗ и БрКЗМц1 навивают в состоянии поставки и после навивки подвергают нагреву до 100—150°С для снятия напряжений. Пружины из бериллиевых бронз закаливают в воде с 800°С, после чего подвергают отпуску при 250—350°С.

Стальные пружины ответственного назначения, работающие в условиях циклических нагрузок, после термообработки подвергают дробеструйной обработке.

Заключительной операцией изготовления пружины является нанесение покрытия с целью предупреждения коррозии. Стальные пружины обычно подвергают цинкованию, кадмированию, никелированию, хромированию, фосфатированию и т. д.

Какие качества требуются от пружин

К этим комплектующим предъявляются особые требования, что связано с их важностью для эффективной и беспроблемной эксплуатации всего устройства, прибора, агрегата. Основным их качеством является свойство деформироваться (изменять свои размеры) под воздействием прилагаемой извне нагрузки и восстанавливать исходную форму и размеры, когда внешнее воздействие прекращается. При деформации происходит накопление энергии, при возвращении в начальное состояние – ее передача.

Важные характеристики упругих элементов:

• — Прочность под нагрузкой, которая может быть статическая, динамическая, циклическая.
• — Хорошая пластичность.
• — Выносливость.
• — Значительный предел упругости.
• — Релаксационная стойкость.

С технологической точки зрения важны такие параметры, как глубокая прокаливаемость, невысокая способность к обезуглероживанию и росту зерен структуры в процессе термообработки. Низкими кроме того должны быть чувствительность к отпускной хрупкости и критическая скорость закалки.

При всем разнообразии видов пружин и случаев их использования от каждой из данных деталей требуется гарантированное восстановление после прекращения нагрузки, этим определяются особенности их эксплуатации и, соответственно, изготовления.

Термическая обработка как раз и предусмотрена для сохранения формы и упругих свойств пружин на протяжении расчетного срока эксплуатации.

Используемые материалы

К изготовлению пружин предъявляются высокие требования, начиная с выбора материала, характеристики которого отвечали бы определенным требованиям.

Соответственно, важно, как данные материалы будут вести себя в обработке, в том числе термической.

Для крупных пружин (изготовляемых из прутка от 8 мм в диаметре) наиболее часто используемыми являются стали конструкционные рессорно-пружинные 60С2А, 50ХФА, 51ХФА, 60С2ХФА ГОСТ 14959-79 и другие аналогичные сплавы.

Для мелких (до 8 мм диаметр) – стали 60С2А ГОСТ 14959-79, проволока Б-2 ГОСТ 9389-75, любая проволока по ГОСТ 9389-75 марок А, Б, В классов 1,2,3 и другие аналогичные сплавы.

Для работы в агрессивных средах применяются нержавеющие стали 08Х18Н10Т, 10Х18Н10Т, 12Х18Н10Т.

Виды термической обработки

К основным видам термообработки металлов/сплавов, используемых при производстве пружин, относятся:

• — Отжиг – изделия нагреваются до температуры, соответствующей интервалу превращений, выдерживаются в таком состоянии в течение определенного времени и медленно охлаждаются вместе с печью. Улучшает структуру металла, способствует повышению вязкости, при этом несколько снижается твердость.
• — Нормализация – изделия нагреваюся до аустенитного состояния (температура превышает соответствующие интервалу превращений), после чего охлаждаются естественным способом на воздухе. Способствует улучшению структуры, повышению механических параметров и нивелированию внутренних напряжений.
• — Закалка – нагревание производится до температуры, соответствующей интервалу превращений или несколько выше, в таком состоянии выдерживаются некоторое время, затем охлаждаются быстро преимущественно в масле, хотя возможно и в другой среде. Обеспечивает металлу высокие прочностные показатели, хорошее значение твердости, износостойкости. Однако также повышает хрупкость, неспособность выдерживать ударные нагрузки и изгибы, поэтому обычно после нее предусмотрен отпуск.
• — Отпуск – низкий, средний, высокий – прогрев до температуры ниже соответствующих интервалу превращений (до 250 градусов, 350-500 градусов и 500-680 градусов), нахождение некоторое время в таком состоянии и затем охлаждение. Увеличивает вязкость, пластичность, снимает остаточные напряжения, улучшает эксплуатационные показатели, несколько снижает прочность.
• — Старение – бывает естественное (длительная выдержка в обычных условиях) или искусственное (краткая выдержка при низкотемпературном нагреве). Способствует стабилизации геометрических размеров и пружинных свойств.
• — Заневоливание – холодное или горячее – выдержка под нагрузкой при нормальной температуре или в горячей печи (для пружин, используемых при высоких температурах). Увеличивает предел упругости, запас прочности, снижает уровень максимальных напряжений при эксплуатации. Это всегда заключительная операция, после нее недопустима никакая термообработка.

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:

ХХХХХ (1) – Х (2) – Х (3) – Х (4) – ХХ (5) – ХХ (6) ГОСТ 14963-78 (7)

где:

• 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.

Физические основы термообработки

Нагрев и охлаждение пружин из металла/сплава сопровождаются фазовыми превращениями, при которых происходит изменение структуры материала и характеристик, важных для эксплуатации изделий.

К нагреву стоит относиться очень ответственно, поскольку с повышением температуры и времени ее воздействия, в частности, происходит повышение интенсивности окисления поверхности изделий, что приводит к образованию окалины.

Перегрев приводит к приобретению металлом крупнозернистой структуры и снижению пластичности, дальнейший нагрев опасен пережогом – а это уже неисправимый брак.

Особенности применения видов термообработки

Какой именно вид и режимы термообработки назначаются в конкретном случае, определяется используемой маркой стали/сплава, размером пружины и профилем заготовки, характером и условиями работы готового изделия.

Самый распространенный вариант термообработки пружин – это закалка в масле с последующим отпуском. Если исходная сталь характеризуется крупным зерном, предварительно производится нормализация.

Нагреваются пружины для закалки лежа, чтобы они не просели под собственным весом. Для некоторых типоразмеров могут быть использованы специальные оправки, позволяющие избежать искривления изделий, у пружин растяжения витки нужно зажимать или обвязывать. Температура закалки зависит от марки используемой стали/сплава, например для 60С2А – это 870 градусов, а для 50ХФА и 60С2ХФА – 850 градусов, причем в закалочную жидкость детали должны погружаться вертикально, дабы избежать коробления.

Следом проводится отпуск при достижении температуры для 60С2А – 420 градусов, для 50ХФА – до 450 градусов, для 60С2ХФА – до 470 градусов.

Мелкие и средние витые пружины, для изготовления которых используется патентированная проволока, подвергаются только отпуску. Проводимое изготовителем патентирование – это нагрев до температуры, несколько превышающей интервал превращений. Таким образом металл оказывается хорошо подготовленным к восприятию холодной пластической деформации. Отпуск проводится для исключения внутренних напряжений, появившихся в процессе навивки. Для этого производится нагрев до 200-250 градусов, длительность воздействия такой температурой – 20 минут.

Обработка пружин и пружинных материалов

В приборостроительной, радиотехнической, машиностроительной промышленности, где широко используются упругие элементы, электрохимическое полирование применяют для обработки плоских, спиральных, винтовых пружин. С его помощью улучшаются упругие характеристики, повышается долговечность и надежность пружин. Выше было показано, что сочетание в одном технологическом цикле термической и электрохимической обработки дает в этом отношении наибольший эффект. В результате термоэлектрохимической обработки плоских пружин из нейзильбера толщиной 0,3 мм срок их службы в изделии до значительного понижения контактного давления увеличился на 40—50%. Пружины из бериллиевой бронзы для коммутации сигналов нановольтового диапазона (менее 10—8 В), подвергнутые такой же обработке, в течение всего срока службы не требовали подрегулировки, в то время как пружины, не прошедшие электрохимического полирования, регулировались через каждые несколько часов. Т. э. д. с. по отношению к меди пружин, прошедших термоэлектрическую обработку, была на порядок ниже, чем при использовании неполированных пружин.

Улучшение упругих характеристик пружин достигается как обработкой уже готовых изделий, так и полированием ленты или проволоки, из которых они изготавливаются. Выбор того или иного варианта определяется с учетом массовости производства и требований, предъявляемых к изделиям.

При обработке вырубленных или навитых пружин электрохимическое полирование является заключительной операцией. Оно приводит к уменьшению краевого наклепа, возникшего после вырубки, улучшению декоративного вида поверхности и повышению стойкости против коррозии. Но в таком варианте обработки процесс трудно поддается автоматизации. Монтаж и демонтаж пружин на подвесных приспособлениях, перенос из одной ванны в другую связаны с затратами ручного труда. Термообработка в этом случае часто проводится на другом производственном участке, что вызывает затрату времени на транспортировку деталей.

Электрохимическое полирование проволоки или ленты позволяет осуществлять их непрерывную обработку, трудоемкость которой значительно меньше, чем обработка отдельных деталей. Автоматические или полуавтоматические линии для такой обработки включают не только ванны полирования, но и ванны обезжиривания, промывки, пассивирования, сушильные камеры. Полирование ленты улучшает последующую вырубку из нее пружин — меньше образуется грат на кромках, повышается стойкость штампов. Неблагоприятная роль краевого наклепа, возникающего при вырубке пружин, сказывается сколько-нибудь заметно в тех случаях, когда пружины имеют большую толщину, а поверхность, за исключением кромок, по которым происходила вырубка, мала.

Электрохимическое полирование целесообразно использовать для всех пружинных материалов — углеродистых и легированных сталей, латуни, бронзы, нейзильбера. Большое количество пружин применяют с электролитическими покрытиями, чтобы повысить их стойкость против коррозии. Как было показано выше, предварительное электрохимическое полирование основного материала уменьшает неблагоприятное влияние, которое оказывают покрытия на упругие характеристики пружин. При использовании пружин без покрытий после анодного полирования их следует подвергать пассивированию в соответствующих растворах.

В условиях производства для электрохимического полирования пружин из холоднокатаной стальной проволоки марки 50ХФА диаметром 1,3—1,5 мм и проволоки марки 4X13 диаметром 2,5— 3,7 мм применялся фосфорносернохромовокислый электролит при температуре 80—90° С и плотности тока 40—50 А/дм2.

Пружины предварительно подвергали термообработке и травлению. Часть пружин полировали в два этапа. После первой 2—3-минутной обработки проводили заточку торцов и затем вторично полировали в течение 5—10 мин до получения требуемой грузовой характеристики.

Первые работы по непрерывному электрохимическому полированию стальной пружинной ленты в отечественной промышленности были проведены в начале 50-х гг, для нужд часового производства, но практического применения не получили. Применявшийся фосфорносернохромовокислый электролит требовал частого корректирования и периодической полной смены, что увеличивало стоимость обработки. В результате анодного растворения не только не уменьшалась, но иногда и возрастала разнотолщинность ленты по длине рулона, выявлялись такие дефекты поверхности, как риски, царапины, раковины.

В настоящее время эти недостатки могут быть в значительной мере устранены. Новые полировочные электролиты более стабильны в работе, чем обычные фосфорносернохромовокислые. Предложенные методы регенерации электролитов для полирования стали при соответствующем аппаратурном оформлении могут быть включены в непрерывный производственный цикл. При полировании медных сплавов регенерация не потребуется, так как переходящая в раствор медь в основном осаждается на катоде или выпадает на дно ванны. Используя автоматическое регулирование плотности тока или скорости протягивания ленты, можно регулировать съем металла.

Термоэлектрохимический способ улучшения упругих характеристик пружин, о котором говорилось выше, предусматривает сочетание в одном цикле термообработки с анодной электрохимической обработкой, сопровождающейся обогащением поверхностного слоя металла кислородом. Одним из видов такой обработки является электрохимическое полирование, если оно проводится в условиях, обеспечивающих достижение указанного эффекта. Результаты исследований и опыт производственного применения нового способа говорят о том, что с его помощью можно достигнуть существенного улучшения характеристик пружин и снижения трудоемкости производства. Учитывая массовый характер пружинного производства, технологичнее и экономичнее проводить термоэлектрохимическую обработку не отдельных деталей, а ленты или проволоки, непрерывно протягивая их через систему ванн.

Технологический процесс непрерывной обработки пружинных материалов состоит из операций термообработки, электрообезжиривания, электрохимического полирования, пассивирования, сушки. После каждой операции химической и электрохимической обработок проводится промывка в воде. Для термообработки используется трубчатая печь. Скоростную термообработку ведут в течение 15—60 с при следующей температуре: нейзильбер МНЦ15-20 — 475° С; БрОФ6,5-0,15 и БрА7 — 350° С; БрКМцЗ-1 — 400° С. Такая термообработка улучшает свойства сплавов так же, как и обычно принятый отжиг в течение нескольких часов при более низкой температуре, а для пружин, работающих в условиях циклических нагрузок, дает более положительный результат [81].

Для электрохимического полирования ленты из нейзильбера МНЦ15-20 толщиной 0,4 мм на производственной установке непрерывного действия нами первоначально был применен электролит, содержавший 1100 г/л H3PO4 и 150 г/л CrO3 при плотности тока 50 А/дм2. В этих условиях достигалось хорошее качество обработки поверхности ленты. Но электролит быстро выходил из строя вследствие катодного восстановления ионов шестивалентного хрома. Применение пористых керамических диафрагм для изоляции катодного производства ограничило этот нежелательный процесс, но одновременно привело к повышению напряжения на ванне. Непрерывный производственный цикл работы ванны затруднял корректирование раствора и приводил к необходимости его частой смены.

Эти недостатки были устранены в результате замены фосфорнохромовокислого электролита предложенным нами фосфорнокислым электролитом с добавкой органических соединений. Новый электролит обеспечил получение хорошего качества поверхности металла, был стабилен при длительной эксплуатации, не требовал частого корректирования. Исключалась также надобность в применении диафрагм. Корректирование электролита добавкой органических соединений проводилось 2—3 раза в месяц при двухсменной работе. Растворяющаяся медь осаждалась на катодах и частично выпадала на дно ванны. Очищенный от осадка электролит был пригоден для дальнейшей эксплуатации.

Пассивирование ленты после электрохимического полирования проводилось в течение 0,5—1 мин при комнатной температуре в растворах следующего состава: для нейзильбера и бериллиевой бронзы — 65 г/л K2Cr2O7, 1,7 г/л H2SO4; для оловянофосфористой бронзы — 120 г/л K2Cr2O7, 2,5 г/л H2SO4.

Опыт промышленной эксплуатации установки непрерывной термоэлектрохимической обработки пружинной ленты показал, что этот процесс не только улучшает упругие характеристики пружин, но и весьма благоприятно влияет на весь технологический процесс их изготовления. Ранее вследствие коррозионных и механических повреждений поверхности на заводе-изготовителе при транспортировке и хранении часть ленты браковалась. Электрохимическое полирование улучшило состояние поверхности и тем самым сократило потери металла. Улучшилось качество приварки к пружинам серебряных контактов. Значительно повысилась стойкость пружин против коррозии в жестких климатических условиях.

Одним из дальнейших этапов усовершенствования технологии изготовления пружин является термоэлектрохимическая обработка ленты, в которой предварительно проведена вырубка основного контура пружин, так что они удерживаются в ленте лишь в двух-трех точках. В этом случае полностью устраняется влияние краевого наклепа, улучшается состояние всей рабочей поверхности, включая кромки пружин. Очевидно, что такая обработка окажет еще более положительное влияние на их эксплуатационные характеристики.

Линия непрерывной термоэлектрохимической обработки пружинной ленты или проволоки при необходимости может быть продолжена с включением в нее операций нанесения металлических покрытий.

Большой интерес может представить сочетание термоэлектрохимической обработки ленты с ее калиброванием. Тонкий ленточный и листовой прокат выпускается со значительными колебаниями по толщине.

Разнотолщинность ленты в условиях массового производства пружин является одной из причин снижения и нестабильности их упругих характеристик. Сужение допуска на толщину материала требует дополнительных операций и применения специального металлургического оборудования.

Регулируя скорость растворения металла, можно существенно уменьшить исходную разнотолщинность материала. Для этого на входе и выходе ленты из ванны анодной обработки в линию должны быть включены датчики непрерывного контроля толщины металла с обратной связью, обеспечивающей регулирование плотности тока или скорости протягивания ленты.

При высокой точности датчика и надежности схемы реальным становится сочетание электрохимического полирования и калибрования металла.

Приведенные материалы о применении электрохимического полирования в производстве пружин являются примером того, как этот процесс может оказать благоприятное влияние одновременно на различные свойства деталей и существенно изменить всю технологию их изготовления.

Защита от коррозии

Для защиты от коррозии пружин, которым по условиям эксплуатации предстоит находиться в агрессивных средах, используются различные методы. Самые распространенные из них:

• — Хромирование;
• — Кадмирование;
• — Гальваническое цинкование;
• — Химическое оксидирование и промасливанием;
• — Лакокрасочное покрытие;
• — Полимерное порошковое покрытие.

Целью нанесения любого из них является защита изделия от коррозии и других последствий неблагоприятного воздействия окружающей среды, которое может привести к потере эффективности работы и резкому снижению срока эксплуатации.