Politechnika Śląska w Gliwicach
Instytut Automatyki
Zakład Inżynierii Systemów
Politechnika Śląska | Instytut Automatyki | Badanie naukowe | Publikacje | Dydaktyka | Zdalne Nauczanie
Materiały stosowane na sprężyny.

Stale sprężynowe - wiadomości ogólne.

Stale sprężynowe należą do grupy stali konstrukcyjnych o specjalnym zastosowaniu, dostarczane są w postaci prętów, taśm, walcowych lub kulistych odkuwek i podlegają sprawdzeniu składu chemicznego oraz badaniom własności mechanicznych.

Wyroby hutnicze przeznaczone na sprężyny powinny pozbawione być najczęściej spotykanych wad hutniczych, jak śladów jamy kurczowej (pusta przestrzeń w odlewie powstająca często podczas jego krzepnięcia; obniża to właściwości wytrzymałościowe odlewu i zmniejsza jego szczelność; aby zapobiec powstaniu jamy skurczowej projektuje się układy wlewowe pozwalające na regulację temperatury w odlewie podczas jego krzepnięcia), pęknięć, odwęglenia powierzchni (niepożądane zjawisko obniżania zawartości węgla w czasie jej wyżarzania i plastycznej obróbki na gorąco), wyraźnej segregacji składników oraz wad powstałych podczas obróbki plastycznej, jak: rys, chropowatości powierzchni, zawalcowań i tym podobnych.
Są to najczęściej stale z przerobu martenowskiego.

W Tabeli 14 podane zostały: znak, cecha i skład chemiczny stali sprężynowych wg PKN/H-84032

Tabela 14. Skład chemiczny stali sprężynowych.
Znak stali PN Cecha Skład chemiczny w %
C Mn Si P S Cr V
7.0.50 PS0 0.45
0.55
0.5
0.8
0.4
0.6
max
0.05
max
0.05
- -
7.1.45 PS1 0.40
0.50
0.6
0.9
1.0
1.3
max
0.05
max
0.05
- -
7.20.50 PS2 0.45
0.55
0.6
0.9
1.5
1.8
max
0.05
max
0.05
- -
7.2.60 PS3 0.55
0.65
0.6
0.9
1.4
1.9
max
0.05
max
0.05
- -
7.2.40 PS4 0.35
0.42
0.6
0.8
1.5
1.9
max
0.04
max
0.04
- -
27.1.50 PCS 0.45
0.55
0.3
0.5
0.8
1.1
max
0.035
max
0.035
0.9
1.2
-
25.1.50 PCV 0.45
0.55
0.6
0.9
0.2
0.4
max
0.035
max
0.035
0.9
1.2
0.1
0.2


Najważniejszą cechą sprężyn jest ich zdolność do przyjmowania swojego pierwotnego kształtu po obciążeniu następującym po nim odciążeniu. Aby temu sprostać stale sprężynowe powinny odznaczać się :

1. dużym zakresem odkształceń sprężystych, czyli możliwie wysoką granicą sprężystości
2. dobrymi właściwościami plastycznymi (dużym wydłużeniem i przewężeniem), aby w przypadku przekroczenia granicy sprężystości mogło nastąpić pewne odkształcenie trwałe, lecz bez zniszczenia przedmiotu
3. wysoką wytrzymałością statyczną
4. znaczną wytrzymałością na zmęczenie (zjawisko zmniejszania się wytrzymałości materiału poddawanego długotrwałym cyklicznym obciążeniom; efektem ostatecznym zmęczenia materiału jest utarta spójności poprzez pęknięcie - ze względu na specyficzny przebieg i rodzaj przełomu zwanego pęknięciem zmęczeniowym. Pękanie zachodzi stopniowo: rozpoczyna się od mikropęknięć, które rozwijają się i łączą, co doprowadza w końcu do rozdzielenia materiału bez znaczących odkształceń plastycznych i zwykle przy naprężeniu znacznie mniejszym od minimalnego statycznego naprężenia niszczącego. Zmęczenie materiału ma duże znaczenie dla trwałości elementów maszyn, pojazdów, konstrukcji itp., jest częstą przyczyną groźnych awarii technicznych)

Pomijając sprężyny otrzymywane z prętów, drutów lub taśm po przeróbce plastycznej na zimno, a więc w stanie zgniecionym, wszystkie inne sprężyny mogą być stosowane jedynie po obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu i odpuszczaniu zazwyczaj w średniej, a czasem również w wysokiej temperaturze. Doświadczalnie stwierdzono, że wytrzymałość na zmęczenie sprężyny obrobionej cieplnie jest o 10 [kG/mm2] wyższa od sprężyny zgniecionej przy tej samej wytrzymałości na rozciąganie. W Tabeli 15 podana jest cecha, warunki obróbki cieplnej oraz uzyskane właściwości mechaniczne i główne zastosowania stali sprężynowych.

Wszystkie inne stale podane w Tabeli 14 po odpowiedniej obróbce cieplnej mają bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie zawartą w granicach od 110 do 155 kG/mm2 przy dłuższej również granicy plastyczności wynoszącej od 95 do 120 kG/mm2 i przy znacznej twardości Brinella zawartej między 330 a 445 kG/mm2. Z uwagi, iż wyznaczenie granicy sprężystości, która w tym przypadku jest wartością najważniejszą, jest w praktyce dość trudne do przeprowadzenia, wobec tego do obliczeń konstrukcyjnych przyjmuje się zazwyczaj granicę plastyczności. Wartość jej jest wyższa od granicy sprężystości, lecz przeważnie do niej zbliżona. Przy takim założeniu granicy sprężystości przy wszelkich obliczeniach przyjmuje się jako dopuszczalne naprężenia wynoszące maksymalnie mniej więcej połowę wartości granicy plastyczności. Oczywiście bardziej prawidłowe jest oparcie się w obliczeniach na wynikach badań wytrzymałości na zmęczenie.

Jak wynika z Tabeli 14 wszystkie te stale są stalami średniowęglowymi i stopowymi. Stale stopowe stosuje się tylko po obróbce cieplnej, polegającej na hartowaniu i odpuszczaniu, przy czym temperatura obróbki zależy tylko od składu chemicznego. Prawidłowe wyniki obróbki można uzyskać jedynie przy ścisłym przestrzeganiu temperatury hartowania i całkowitym zabezpieczeniu stali przed odwęgleniem Zbyt wysoka temperatura wygrzewania stali przed chłodzeniem prowadzi do przegrzania materiału, a to do powstania pęknięć hartowniczych, co przy materiale pracującym na zmęczenie, jak sprężyna jest w ogóle niedopuszczalne. Również powierzchniowe odwęglanie stali jest niedopuszczalne, gdyż uniemożliwia uzyskanie na powierzchnie odpowiednich własności mechanicznych (na powierzchnie następuje obniżenie granicy sprężystości), co powoduje pęknięcia, co jest początkiem przełomu zmęczeniowego. Należy tu zaznaczyć, że najwięcej sprzyja odwęgleniu krzem, potem mangan i wreszcie chrom. Wszelkie najdrobniejsze zawalcowania lub nawet rdza podnoszą skłonność do koncentracji naprężeń i powstania przełomu zmęczeniowego. Oczywiste jest, że im wyższa wytrzymałość stali, tym wrażliwość jej na wszelkie braki powierzchniowe jest również większa. Z tego powodu dla zwiększenia wytrzymałości na zmęczenie stosuje się często polerowanie, piaskowanie, a nawet wywołuje się pewne powierzchniowe odkształcenie na zimno (kulkowanie - jedna z metod wykańczającej obróbki mechanicznej prowadząca do znacznego zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej wyrobów poprzez umocnienie ich warstwy wierzchniej i zmniejszenie chropowatości powierzchni elementów. Kulkowanie polega na uderzaniu w powierzchnię obrabianego elementu stalowymi - rzadziej żeliwnymi - kulkami (śrutem) wyrzucanymi przy pomocy strumienia sprężonego powietrza lub układu wirników).

Z podanych powodów niedopuszczalne jest również powtarzanie obróbki cieplnej na sprężynach i resorach, które już raz były obrabiane cieplnie, lecz uzyskane wyniki nie odpowiadały stawianym wymaganiom. Pierwsze cztery stale sprężynowe PS0, PS1, PS2 i PS3 są stalami krzemowymi, jedna chromowo-krzemowa PCS i jedna chromowo-wanadowa PCV.



Stale sprężynowe krzemowe

Stale krzemowe PS0, PS1, PS2 i PS3. Stale te różnią się między sobą zawartością krzemu przy mało różniącej się zawartości węgla, wahającej się od 0,4 do 0,65%. Jak wynika z Rys. 1 [Wykres izotermicznego rozkładu przechłodzonego austenitu średniowęglowych stali krzemowych] wszystkie te stale, jak również stale sprężynowe podane w normie wykazują w pewnej temperaturze [500¸600 oC] minimalną trwałość przechłodzonego austenitu [roztwór stały węgla w żelazie; składnik strukturalny stali i żeliw stopowych; plastyczny paramagnetyk o twardości około 200 HB]. Świadczy to jednocześnie o tym, że stale te nie przehartowują się na wskroś przy nieco większych średnicach, a to w sprężynach jest kwestią bardzo ważną. Z tego również powodu wszystkie te stale hartuje się w wodzie za wyjątkiem stali PS3, którą hartuje się w oleju.

Stale sprężynowe chromowo-krzemowe: PCS

Stal ta zawiera ok. 1,0% chromu, który niweczy podane wyżej skutki krzemu i zwiększa hartowność stali, która z tego powodu może być stosowana w sprężynach o większych przekrojach.

Stale sprężynowe chromowo-wanadowe: PCV

Stal ta nie zawiera krzemu, a wanad działa w tym samym kierunku co chrom. Wobec tego stal ta wykazuje jeszcze większą hartowność i z tego powodu może być hartowana w oleju i zastosowana na sprężyny o bardzo znacznych przekrojach

Moduły sprężystości stali i stopów sprężynowych.

Moduły sprężystości materiałów sprężyn należą do podstawowych parametrów zadanych przy projektowaniu. Charakteryzują one sprężystość materiału. Moduły sprężystości podłużnej E i poprzecznej G są stałymi materiałowymi o znacznym nieraz rozrzucie wartości. Zwrócić uwagę należy, iż moduł sprężystości poprzecznej G sprężyn śrubowych z drutów patentowanych jest w rzeczywistości współczynnikiem zależnym nie tylko od materiału i rodzaju drutu, lecz także od średnicy drutu i wskaźnika sprężyny. W obliczeniach sprężyn przyjmuje się uśrednione wartości G i E na podstawie literatury normalizacyjnej (Tabela 16).

Tabela 16. Moduły sprężystości G i E materiałów sprężynowych stalowych i stopowych w temperaturze pokojowej
Materiał E [MPa] G [MPa] ρ[kg/m3]
Drut stalowy sprężynowy
(patentowany ze stali węglowych)
• wg DIN 17223 T.1
• wg PN-71/M-80057


206000
206000



81500
80400 (rodz. C)
78500 (rodz B,A)
78500
Drut stalowy sprężynowy
ulepszany cieplnie
ze stali węglowych
• wg DIN 17223 T.2
• wg PN-65/M-80056



200000
206000



79500
80400
78500
Stale na ulepszane sprężyny
(walcowane na gorąco)
• stopowe wg DIN 17221
• węglowe wg PN-74/H-84032
• stopowe wg PN-74/H-84032


206000
206000
206000


78500
73500
81400
78500
Stale nierdzewne
• wg DIN 17224


• wg PN-71/H-86020

185000
195000
180000
190000-201000

70000
73000
68000
71600

79000
79000
79500

Brąz cynowy
• wg DIN 17682

120000

47000

87300
Brąz berylowy
• wg DIN 17682
• wg PN-77/H-87050

120000
109900

47000
36300-41200
88000
Brąz berylowy
z dodatkiem kobaltu
• wg DIN 17682


130000


48000


88000
Mosiądz twardy
• wg PN-77/H-87027

109900

34300