Режим термической обработки для марки стали 55С2, 55С2А

Введение

Пружины широко применяются в вагоностроении, в тележках грузовых и пассажирских вагонов, в ударно-тяговых приборах. Различают пружины винтовые и спиральные. Винтовые пружины изготовляют завивкой из прутков стали круглого, квадратного или прямоугольного сечения. По форме винтовые пружины бывают цилиндрические и конические.

В рессорном подвешивании современных вагонов наибольшее распространение получили цилиндрические пружины. Они просты в изготовлении, надежны в работе и хорошо амортизируют вертикальные и горизонтальные толчки и удары. Однако они не могут гасить колебания обрессоренных масс вагона и поэтому применяются только в сочетании с гасителями колебаний. 
Пружины изготавливают в соответствии с ГОСТ 14959. Опорные поверхности пружин делают плоскими и перпендикулярными к оси. Для этого концы заготовки пружины оттягиваются на 1/3 длины окружности витка. В результате этого достигается плавный переход от круглого к прямоугольному сечению. Высота оттянутого конца пружины должна быть не более 1/3 диаметра прутка d, а ширина — не менее 0,7d. 
Характеристиками цилиндрической пружины являются: диаметр прутка d, средний диаметр пружины Д высота пружины в свободном Нсв и сжатом Нсж состояниях, число рабочих витков nр и индекс т. Индексом пружины называется отношение среднего диаметра пружины к диаметру прутка, т.е. т = D/d.

Выбор и свойства материала

Материал для рессор и пружин должен обладать высокой статической, динамической, ударной прочностью, достаточной пластичностью и сохранять свою упругость в течение всего срока службы рессоры или пружины. Все эти свойства материала зависят от его химического состава, структуры, термической обработки и состояния поверхности упругого элемента. Рессоры и пружины для вагонов изготовляются из стали 55С2, 55С2А, 60С2, 60С2А (ГОСТ 14959–79). Химический состав сталей в процентах: С = 0,52 - 0,65; Mn = 0,6 - 0,9; Si = 1,5 - 2,0; S, P, Ni не более 0,04 каждого; Cr не более 0,03. Механические свойства термически обработанных сталей 55С2 и 60С2: предел прочности 1300 МПа при относительном удлинении 6 и 5 % и сужение площади сечения 30 и 25 %, соответственно.

 

Режим термической обработки для марки стали 55С2, 55С2А

 

Марка стали	Режим термической обработки (ориентировочный)			Механические свойства, не менее
	Температура закалки, °С	Закалочная среда	Температура отпуска, °С	Предел текучести sт, Н/мм2 (кгс/мм2)	Временное сопротивление sв, Н/мм2 (кгс/мм2)	Относительное удлинениеd5, %	Относительное сужение j, %
55С2 55С2А	870	Масло или вода	470	1175(120)	1270(130)	6	30

 

Перед завивкой концы заготовок нагревают в щелевых печах до- температуры 900—950° С. Печь перед нагревом должна быть прогрета до температуры 1150—1250° С. Длина нагреваемого конца заготовки не менее 0,8 длины оттяжки. 

Температура в конце оттяжки не менее 800° С. Продолжительность нагрева 8—15 мин в зависимости от диаметра прутка. Концы оттягивают на молоте или на ковочных (обжимных) вальцах.

Для прутков диаметром 13мм и меньше можно концы не оттягивать. Длина оттянутого конца пружины должна составлять не менее 2/3 витка, высота не более 1/3 диаметра прутка, а ширина не менее 0,7 диаметра прутка. 
После оттяжки на боковую поверхность оттянутого конца пружины в горячем состоянии наносят маркировку: порядковый номер по системе нумерации предприятия-изготовителя; год и месяц; марку стали. 

Пружины навивают и закаливают с одного нагрева заготовки до температуры 900—950° С в полуметодической печи. 

Продолжительность нагрева должна быть 10—30 мин в зависимости от диаметра прутка заготовки пружины. 

Навивку нагретых прутков выполняют на специальных станках. Для мелкосерийного производства используют токарно-винторезные станки, оборудованные соответствующими приспособлениями для навивки.

После навивки выравнивают шаг витков на калибровочном прессе, поджимают концы пружины и проверяют ее высоту, а при помощи угольника определяют перпендикулярность пружины к ее опорной поверхности по высоте. 

Затем пружину подают в закалочный барабан, частота вращения которого устанавливается с учетом времени на закалку пружины в зависимости от диаметра ее прутка. Температура закалки 830—870° С. 
Если технологически невозможно навить и закалить пружину с одного нагрева, то после навивки ее повторно нагревают под закалку. При массовом производстве пружин операции нагрева и закалки механизируют, для чего в цехе устанавливают печь с подвижным подом и рядом с ней располагают закалочный бак с конвейером. 

Пружины из нагревательной печи скатываются по наклонной плоскости на  конвейер,  а затем  в бак,  где закаливаются. Закалочная среда — вода при температуре 30—40 °С (для пружин с диаметром прут-ка более 25 мм) или трансформаторное или веретенное масло при температуре не выше 60 °С. 
Для улучшения механических свойств и устранения внутренних напряжений все пружины после закалки подвергают отпуску в двухзонных конвейерных печах. 

При этом наибольший интервал между закалкой и отпуском допускается не более 4 ч. Температура отпуска должна быть в пределах 480—520 °С. Охлаждают в воде, температура которой не должна превышать 100 °С, или на воздухе в закрытом помещении.

Твердость металла после отпуска должна составлять НВ 370—440 (HRC 40—47). Остаточную деформацию снимают после охлаждения пружины однократным сжатием до соприкосновения витков с выдержкой 5—8 с. 
Торцы пружин с диаметром более 8 мм обрабатывают на лобовых и торцовых шлифовально-обдирочных станках с охлаждающей жидкостью, с диаметром прутка до 8 мм на токарных станках.

Прочность и износоустойчивость пружин в большей степени зависит от состояния поверхности металла. Всякие повреждения поверхности (мелкие трещины, плены, закаты, вмятины, риски и тому подобные дефекты) способствуют концентрации напряжений при нагрузках и резко понижают предел выносливости материала. Для поверхностного упрочнения на заводах применяют дробеструйную обработку рессорных листов и пружин. 
Сущность этого способа заключается в том, что упругие элементы подвергают действию потока металлической дроби диаметром 0,6–1 мм, выбрасываемой с большой скоростью 60–80 м/с на поверхность листа пружины. Скорость полёта дроби подбирается такой, чтобы в месте удара создавалось напряжение выше предела упругости, а это вызывает в поверхностном слое металла пластическую деформацию (наклёп), что в конечном итоге упрочняет поверхностный слой упругого элемента. 
Кроме дробеструйной обработки, для упрочнения пружин могут применять заневоливание, заключающееся в выдерживании пружин в деформированном состоянии определённое время. Пружина завивается таким образом, что расстояния между витками в свободном состоянии делаются на некоторую величину больше, чем по чертежу. После термической обработки пружину снимают до соприкосновения витков и выдерживают в таком состоянии от 20 до 48 часов, затем её разогревают. При сжатии в наружной зоне поперечного сечения прутка создаются остаточные напряжения обратного знака, вследствие чего при её работе истинные напряжения оказываются меньше, чем они были бы без заневоливания.

Контроль качества  

Материал для пружин должен удовлетворять требованиям статической, динамической и ударной прочности.  Цилиндрические винтовые пружины изготовляют из кремнистых рессорно-пружинных сталей марок 55С2  и 60С2. 
 Технология изготовления цилиндрических винтовых пружин предусматривает выполнение следующих операций: 

- контроль пружинной стали  перед пуском в производство, 

- резка прутков, 

- оттяжка концов заготовки, 

- нагрев под навивку  и навивка, 

- термообработка, 

- упрочнение, 

- сжатие для снятия  остаточной деформации, 

- обработка торцов, 

- испытание,

- контрольная проверка  и окрашивание с последующей  сушкой.

 
Пружинную сталь перед пуском в производство выборочно контролируют по длине прутков, диаметру и состоянию поверхности.  

Контролю подлежит не менее 3% прутков с замерами сечения не менее чем в пяти местах (по середине и концам). Заготовки нарезают в холодном или нагретом до температуры 750— 900°С состоянии на пресс-ножницах или эксцентриковых прессах.

Разрешается прутки диаметром 30 мм и более резать по разметке газокислородной резкой.

Для пружин рессорного подвешивания не реже раза в год следует проводить испытания на циклическую долговечность. Испытаниям подвергают две пружины каждого типа. К одному типу относят пружины из стали одной марки, с одинаковым диаметром прутка.

Испытания проводят один раз с построением кривой усталости (партия не менее 15 пружин) или определением предела выносливости (партия не менее восьми пружин) по ГОСТ 25.502, ГОСТ 25.507

При неудовлетворительных результатах периодических испытаний по какому-либо из проверяемых требований, в том числе при неудовлетворительных результатах испытаний хотя бы одной пружины, испытания по этому требованию повторяют на удвоенном количестве пружин. При неудовлетворительных результатах повторных испытаний приемку пружин приостанавливают до выявления и устранения причин, повлекших отрицательный результат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контроль качества пружин организуется по следующей принципиальной схеме, приведенной в таблице

 

Таблица  –  Схема контроля качества пружин

 

N	Операции контроля	Средства и методы контроля
1	2	3
1	Контроль исходного мате-риала (пружинная прово-лока, лента и прутки):  а) Химический состав  б)Механические свойства  в) Наружные дефекты  г)Глубина обезуглерожен-ного слоя и отсутствие шлаковых включений  д)Геометрические размеры	Лабораторный или спектральный анализ. Проверка по искре  Испытания на разрывной  машине. Испытания на закручивание, нагибы  перегибом, на предел выносливости.  Внешний осмотр лупой  или бинокулярным микроскопом  Металлографический анализ (просмотр шлифа под микроскопом)  Измерение размеров  сечения микрометром. Габаритные  размеры мерных заготовок измеряются  метрической линейкой или рулеткой
2	Контроль пружин при навивке:  а)Проверка геометричес-ких размеров (высота, на-ружный диаметр, число витков, шаг витков). 6)Проверка на отсутствие  внешних повреждений витков	Размеры проверяются микрометром ценой деления 0,01 мм и штангенциркулем с ценой деления 0,1 мм. Количество витков проверяется счетом. При наладке завивочного станка делают несколько пробных пружин, которые срочно проводят через все операции последующей обработки (отпуск, зачистка торцов и подвергают измерению упругости на весах. В соответствии с полученными резуль-татами  упругости в основные размеры пружины вводят поправки; увеличивают или уменьшают диаметр пружины от первоначального размера, иногда добавляют или уменьшают число витков в пределах допустимого их количества  После внесения поправок  делают повторную пробу на  упругость. Партию пружин запускают  в навивку после того, как получены  правильные соотношения размеров  и требуемая упругая характеристика  пружины.  Осмотр с помощью  лупы. Повреждения и риски на  нитках не допускаются. Инструмент  на завивочных станках рекомендуется  изготовлять из граффити-зированной стали, обладающей наименьшей склонностью к валипанию металла и нанесению задиров  рисок на нитках.
3	Контроль процесса термообработки:  а)Пружины, подвергаю-щиеся после навивки визкому отпуску  б)Пружины, подвергаю-щиеся после горячей навивки закалке и отпуску	Соблюдение технологии термообработки.  Проверка осмотром  по цветам побежалости на поверхности  пружин  Соблюдение времени  нагрева, температуры по пирометру  и по цвету каления, проверка температуры  вязкости масла в закалочной ванне  отсутствие в масле воды  Выборочная проверка  пружин  лаборатории на обезуглероживание  поверхности после горячей навивки  структуры после термической  обработки  Выборочная проверка  твердости
4	Испытание многократной осадкой или заневоливание	Многократная осадка пружин на гидравлическом или винтовом прессе с последующей проверкой длины пружины  Заневоливание сжатием пружин до соприкосновения витков и выдержка в таком положении от 12 до 48 час. Заневоливание пружин можно производить на болтах, на специальных шомполах, оправках или на приспособлениях с винтовой затяжкой пружин между двумя плитами
5	Контроль геомет-рических размеров после осадки или заневоливания пружин и шлифовки опорных витков	Проверка штангенциркулем, линейкой, шаблонами. Осмотр опорных витков (не допускается наличие заусенцен, затасивание или чрезмерная перешлифовка концов опорных вцтков). Проверка пружин на плите под угольник или на специальных приспособлениях (проверяяется перпендикулярность торцов, кривизна по продольной оси, равно-мернсть шага витков и основные геометрические размеры фасонных пружин)
6	Специальный контроль пружин:  а) Контроль внецшних дефектов физическими методами  б)Испытания на вынос-ливость	а)Наиболее распространенными физическими методами для контроля внешних дефектов в ответственных пружинах являются магнитная и люминесцентная дефектоскопия  б) Испытание пульсирующей  нагрузкой на специальных вибрационных  машинах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЛОСЫ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛИ

Сталь марки 55С2, 55С2А

Черт. 1

Сталь марки 60С2, 60С2А