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.

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.

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.

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.

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.