Слитки и прокат
Долговечность работы пружин во многом определяется качеством металла, из которого они изготовлены. Для выплавки стали используют высококачественную шихту. Процесс плавки в мартеновских или электрических печах ведут таким образом, чтобы обеспечить в стали минимальное содержание вредных примесей — серы и фосфора, неметаллических включений и газов.
Выплавленную в печах жидкую сталь разливают в металлические формы — изложницы и после застывания получают слитки. В процессе застывания в изложнице сталь из жидкого состояния переходит в твердое и приобретает кристаллическое строение. Вследствие неравномерного остывания металла слиток имеет несколько зон, неоднородных по химическому составу из-за явления ликвации, а также усадочную раковину, рыхлость и поры. Кроме того, в металле слитка содержатся неметаллические включения и газы. Чем больше масса слитка, тем ниже его качество.
Слиток является полуфабрикатом и после подогрева прокатывается на прокатных станах, называемых блюмингами. Полученная заготовка — блюм в горячем состоянии вновь прокатывается на сортовых и проволочных станах.
Профили, получаемые после прокатки в станах с валками диаметром от 240 до 300 мм, называются мелкосортными. К ним относятся круг, квадрат, шестигранник до 30 мм, а также уголки размером до 40x40 мм, швеллер до 65 мм и др.
Прокатный профиль должен иметь минимальные отклонения от номинальных, заданных размеров по сечению и по всей длине. Постоянство размеров и формы сечений по длине профиля имеет важное значение при последующей механической обработке. Особенно важно это для круглого и шестигранного профилей, которые в большинстве случаев используются для изготовления мелких деталей на автоматах. Проволока - катанка также относится к круглому мелкосортному профилю; чем меньше указанные отклонения у катанки, тем меньше потребуется пропусков-протяжек при холодном волочении.
Длина и масса мелкосортных профилей, поставляемых потребителю, различны и зависят от размеров сечения. Мелкосортные профили-штанги или прутки связывают в пакеты. Проволоку-катанку поставляют в виде бунтов и внутренним диаметром от 500 до 700 мм при массе бунта от 80 до 200 кг.
Пружинную сталь необходимо предохранять от воздействия внешней среды, вызывающей коррозию. Бунт приволоки покрывают смазкой и обертывают льняным материалом, пропитанным смазкой.
На складе завода-потребителя прокат и бунты раскладывают в определенные места-ячейки в соответствии с профилем и размером. Требуемый профиль металла со склада выдают заготовительному цеху для раскроя на заготовки.
Понятие о структуре металлов
Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют критическое строение, т. е. их атомы расположены в пространстве с геометрической правильностью и образуют элементарную ячейку — кристаллическую решетку. Для разных металлов форма кристаллической решетки различна. Расстояния между соседними атомами в кристаллической решетке называются параметрами решетки. Эти расстояния очень малы и измеряются в ангстремах (1 А = 10-8 см.). Атомы совершают непрерывные колебательные движения. Чем выше температура металла, тем больше амплитуда колебаний атома. Множество кристаллических решеток образует кристалл.
При кристаллизации металлов правильных кристаллов обычно не получается. Кристаллы с искаженной формой называются кристаллитами. Слиток состоит из кристаллитов различной формы.
Кристаллическое строение металла называют его структурой. Свойства металлов и сплавов определяются не только их химическим составом, но и внутренним строением. В результате различных процессов обработки можно изменять внутреннее строение металла и, как следствие, его свойства.
Макроструктурой называется строение металла, видимое невооруженным глазом или при увеличении не более 10-кратного. Микроструктурой называется строение металла, видимое при больших увеличениях.
В результате исследования макроструктуры можно выявить величину и форму усадочной раковины, трещины, макропоры, газовые пузыри, неметаллические включения и строение отдельных кристаллических зон в слитке. В деформированном металле можно обнаружить трещины, волосовины, флокены — нитевидные трещины, получающиеся вследствие большого давления водорода при остывании стали, а также расположение волокон в прокате и поковках.
После термической и химико-термической обработки по макроструктуре судят о глубине закалки, цементации, обезуглероженной зоне и т. д.
Волокнистая структура стали получается в результате обработки давлением вследствие вытягивания кристаллитов и неметаллических включений в направлении деформации. Вдоль волокон механические свойства металла выше, чем поперек. Это учитывают при конструировании и изготовлении деталей. Чем чище металл, т. е. чем меньше в нем неметаллических включений, тем меньше разница в механических свойствах металла относительно направления деформации. При горячей обработке давлением литая структура слитка разрушается, дробится на более мелкие части. Имеющиеся в слитке пористость, макро- и микротрещины, а также газовые пузыри заваривают. Однако нередко на сердцевине деформированных изделий все же наблюдается некоторая пористость и рыхлость, частично остающиеся от слитка. Горячая обработка давлением повышает свойства пластичности стали относительные удлинение и сужение вдоль волокон, и понижает их в поперечном направлении.
При холодной обработке давлением, например при волочении, возрастают твердость и прочность и уменьшается пластичность стали.
Исследование макроструктуры металла не дает полного представления о его строении. Поэтому при исследовании стали обращают внимание на характер микроструктуры стали, на ее составляющие части и на ветчину зерна. В сталях различают действительное и природное зерно. Действительное зерно стали — это размер зерна, полученный в результате той или иной обработки — термической или давлением. На величину зерна оказывают влияние температура и время выдержки в нагретом состоянии.
Природное зерно является наследственным. При определенных температурах сталь может иметь крупное или мелкое природное зерно. Легирующие элементы — ванадий, титан, вольфрам, молибден — способствуют повышению величины зерна стали. Наследственное природное зерно зависит от способа выплавки и раскисления стали и оказывает большое влияние на свойства стали и ее обрабатываемость.
Главной причиной плохого качества пружин является низкое качество исходной заготовки. Для предупреждения получения брака пружин необходим тщательный контроль каждой партии проката с целью обнаружения внешних дефектов. Химический состав, структура, металла и технологические свойства стали должны отмечать техническим требованиям, предъявляемым к сталям, идущим на изготовление пружин.
Резка и обработка заготовок
Наибольшее распространение в заготовительных цехах получил процесс разделки металла ножницами в холодном и подогретом состоянии. Разделку металла на заготовки осуществляют также на пилах, металлорежущих станках и способом газовой и анодно-механической резки.
Ножницы. Для резки заготовок применяют ножницы двух типов: рычажные (открытые) и кривошипные (открытые, закрытые и комбинированные).
Наиболее распространенными являются кривошипные закрытые ножницы, остальные типы ножниц применяются реже.
Комбинированные ножницы рассчитаны на выполнение двух или более технологических операций, они имеют два или три механизма, выполняющих самостоятельные операции: резку листа, резку профиля, пробивку отверстий и гибку.
Пилы для холодной резки обеспечивают хорошее качество и параллельность торцовки, большую точность заготовок по длине. К недостаткам резки на пилах относятся низкая производительность, большие отходы металла в стружку, высокая стоимость режущего инструмента. Пилы чаще применяют для резки заготовок из цветных металлов. Пилы для холодной резки металлов делятся на дисковые, ленточные и механические ножовки.
Станки для анодно-механической резки применяют для резки особо прочной стали и стали в закаленном состоянии.
Сталь для изготовления пружин
Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода не превышает 2%. Сталь получают главным образом из смеси чугуна, выплавляемого в доменных печах, со стальным ломом. Сталь имеет высокие механические и хорошие технологические свойства, поэтому ее можно ковать, прокатывать, резать, термически обрабатывать. Многие марки стали подвергают обработке давлением в холодном состоянии.
Наиболее вредными примесями, ухудшающими качество стали, являются сера и фосфор. Сера придает стали охрупчивание при высоких температурах (красноломкость), а фосфор — при пониженных температурах (хладноломкость). Ухудшают качество стали, содержащиеся в ней в тех или иных количествах, зависящих от способа производства, неметаллические включения и растворенные газы.
По способу производства сталь разделяют на мартеновскую (основную и кислую), конверторную и электросталь. Получение стали в мартеновских печах может осуществляться скрап-процессом, при котором в состав шихты входят металлический лом и чушковый чугун. В мартеновских печах в качестве топлива используют различные горючие газы, а также мазут и нефть.
В результате химических реакций, происходящих при плавке, снижается содержание вредных примесей — серы и фосфора, а для получения требуемого состава стали вводят легирующие элементы в виде ферросплавов и «чистых металлов».
Кислая мартеновская сталь по сравнению с основной сталью содержит меньшее количество растворенных в ней сплаов и вредных неметаллических включений и имеет более высокие механические и технологические свойства. В настоящее время мартеновским способом производится наибольшее количество стали — качественной углеродистой конструкционной и инструментальной, а также низко- и среднелегированной, широко используемых и машиностроении.
Сущность конверторного способа производства стали состоит в том, что через залитый в конвертор (грушевидный сосуд) жидкий чугун продувают воздух, обогащенный кислородом в результате происходит выгорание углерода и других примесей. Содержание серы и фосфора в (той стали ниже, чем в мартеновской. Процесс продувки и длится 15—20 мин. Этот способ производства стали получает все более широкое применение.
В электропечах (дуговых или индукционных) получают сталь наиболее высокого качества. По сравнению с остальными способами выплавки сталь, выплавленная в микропечах, обладает наибольшей чистотой по сере и фосфору, содержит наименьшее количество газов и неметаллических включений и используется для изготовлении наиболее ответственных деталей машин, работающих в тяжелых условиях (при больших нагрузках, давлениях, и т. п.), а также для режущих инструмента по стоимости наиболее дешевой является конверторная сталь и наиболее дорогой — электросталь.
По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистую с содержанием углерода до 0,25%, среднеуглеродистую с содержанием углерода от 0,25 до 0,6% и высокоуглеродистую с содержанием углерода от 0,6 до 2,0%.
Легированные стали подразделяются на низколегированную, в которой суммарное содержание легирующих компонентов менее 2,5%, среднелегированную с содержанием легирующих компонентов от 2,5 до 10% и высоколегированную с содержанием легирующих компонентов более 10% (в легированных сталях углерод легирующим элементом не считается).
По назначению стали разделяют на конструкционные (углеродистые и легированные), предназначенные для изготовления разнообразных конструкций и деталей машин, в том числе рессор, пружин, шарикоподшипников и т. д., инструментальные — углеродистые, легированные, штамповые, быстрорежущие, используемые для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов для холодной и горячей штамповки, и стали с особыми физическими свойствами.
Исходным материалом для изготовления пружин являются специальные качественные (пружинные) стали и цветные сплавы. Механические свойства термически обработанной качественной рессорно-пружинной стали и химический состав приведены в ГОСТ 14959—69.
Наиболее часто для пружин применяют углеродистые пружинные стали 65 и 70, кремнистые стали 55С2 и 60С2, а также марганцовистую сталь. Марганцовистая сталь очень стойка к обезуглероживанию при нагреве. В случае перегрева марганцовистая сталь дает при закалке трещины и приобретает хрупкие свойства. Кремнистые стали хорошо прокаливаются, перегрев не приводит к недостаткам, характерным для марганцовистой стали.
Для изготовления пружин применяют легированные стали: хромомарганцовистую, хромокремнистую, хромо-ванадиевую, хромокремневанадиевую, вольфрамокрем-нистую и никелекремнистую.
Легированные стали обладают высокими прочностными свойствами, хорошо прокаливаются; пружины из этих сталей работают длительное время. Эти стали применяют для изготовления особо ответственных пружин, работающих в неблагоприятных атмосферных и температурных условиях. Витые пружины изготовляют из стального и цветного проката круглого, квадратного, прямоугольного и других профилей. Пружинная проволока для изготовления мелких и средних пружин поставляется в бунтах.
Плоские пружины изготовляют из ленты, полосового и листового высококачественного стального и цветного проката.
Сортамент на сталь горячекатаную рессорно-пружинную (ГОСТ 7419—74) должен соответствовать маркам и техническим требованиям (ГОСТ 14959—69). Сталь поставляется круглого сечения от 5 до 50 мм включительно и квадратного сечения со стороной квадрата от 6 до 50 мм включительно. Размеры и допускаемые отклонения круглой стали предусмотрены ГОСТ 2590—71, квадратной стали — ГОСТ 2591—71.
Сталь пружинная полосовая прямоугольного сечения со слегка притуплёнными углами (тип А) поставляется шириной от 20 до 160 мм включительно, толщиной от I до 18 мм включительно. Размеры полос и допускаемые отклонения по толщине и ширине предусмотрены ГОСТ 103—76. Допускается поставка полос толщиной .'і мм, шириной 30; 35; 40; 45 и 50 мм с допускаемыми отклонениями по толщине ±0,3 мм. Пружинная сталь поставляется также типа Б (с закругленными краями). Специальной прокатке подвергается сталь для изготовления паровозных, тепловых и вагонных рессор.
Стальную пружинную ленту по прочности делят на фи категории: первая (1П), вторая (2П) и третья (ЗП). По точности ленту выпускают также трех категорий: нормальная (Н), повышенная (П) и высокая (В).
Для изготовления мелких и средних пружин промышленностью поставляется стальная углеродистая пружинная проволока по ГОСТ 9389—75, которая разделяется классы: I — высокой прочности, II — повышенной прочности, III — нормальной прочности.
Проволока I и III классов подразделяется по пластичности на две группы (I и II), проволока II класса — на группы (I, II и III).
Проволока стальная углеродистая холоднотянутая для клапанных пружин ответственного назначения изготовляется следующих диаметров: 2,0; 2,3; 2,5; 2,8; 3,0; 1,0; 4,5; 5,0; 5,5; 5,7 и 6,0 мм; стальная пружинная термически обработанная проволока ответственного назначения по ГОСТ 1071—67 выпускается диаметром 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,3; 2,5; 2,75; 3,0; 3,4; 3,5; 3,6; 3,75; 4,0; 4,1; 4,2; 4,5; 4,8; 5,0 и 5,5 мм.
Проволока стальная легированная пружинная по ГОСТ 14963—69 изготовляется диаметром от 3 до 12 мм через каждые 0,5 мм.
Проволока стальная хромованадиевая для пружин по ГОСТ 14963—69 изготовляется следующих диаметров: 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,0; 3,2; 3,5; 3,8; 4,0; 4,2; 4,5; 4,8; 5,0; 5,5; 6,0; 6,5; 7,0; 7,5; 8,0; 8,5; 9,0; 9,5; 10; 11; 12; 13 и 14 мм.
Процесс изготовления пружинной высококачественной проволоки весьма трудоемкий и осуществляется на специализированных металлургических заводах. Процесс начинается с обработки заготовки, называемой катанкой, имеющей диаметр около 6 мм. Заготовка обрабатывается на волочильных станах с промежуточными термической обработкой и травлением.
Технологический процесс изготовления проволоки диаметром 1,5 мм из стали У9А протекает следующим образом. Катанка диаметром 6 мм, проходя через термическую печь со скоростью 1,5—2,0 м/мин, нагревается до температуры 900—950° С и охлаждается на воздухе. Такая обработка называется нормализацией. После этого производится травление в 10%-ном растворе серной кислоты в воде при температуре не свыше 40—50° С, промывка в холодной воде, омеднение в растворе медного купороса, вторая промывка в холодной воде, известкование и сушка в сушильной печи при температуре около 100° С. Затем на стане последовательно через три фильеры осуществляется волочение с диаметра 6 мм до диаметра 4 мм. При этом на поверхности заготовки образуется наклеп, который устраняют патентированием. Патентирование заключается в нагреве проволоки, движущейся со скоростью до 3,5 м/мин, в муфельных печах до 900—950° С с последующим пропуском через свинцовую ванну с температурой 500—550° С.
Затем осуществляют повторное травление, промывку, омеднение, снова промывку, известкование и сушку.
Заготовка проходит окончательное волочение на стане с диаметра 4 мм на диаметр 1,5 мм через 14—15 фильер. Общая степень обжатия при этом составляет 85—90%.
Термические операции на переходах при волочении катанки и строгое соблюдение процесса травления в кислотном растворе являются решающими для обеспечения высокого качества пружинной проволоки.
При навивке пружин очень серьезное значение придается состоянию поверхности проволоки, которое отразится на качестве и надежности работы пружин. Поверхность проволоки должна быть гладкой без продольных и поперечных штрихов, трещин, заусенцев, ржавчины, волосовин, закатов, плен и других наружных дефектов, просматриваемых невооруженным глазом.
При термической обработке поверхность проволоки и на навитых пружин подвергается обезуглероживанию, и чем глубже обезуглероживание проволоки, тем резче упругие свойства пружин. Допускаемая глубина обезуглероженного слоя и степень обезуглероживании пружин и пружинной проволоки устанавливаются техннческими условиями.
Углеродистая проволока небольших сечений обычно и изготовляется с омедненной поверхностью, толщина слоя которой бывает различна. Под омедненным слоем покрыты различные пороки, которые могут привести к браку изготовляемых пружин. Омедненный слой не имеет прочного сцепления с основным металлом и при волочении выполняет роль смазки. Не рекомендуется на пружины из такой проволоки наносить защитные покрытия без предварительных обезжиривания, травления и других операций, способствующих получению высококачественной поверхности проволоки. От вредного действии коррозии поверхность пружины покрывают защитным слоем. При гальваническом покрытии происходит насыщение водородом и охрупчивание поверхности пружины, поэтому на пружины, изготовляемые из проволоки диаметром до 0,3 мм, не наносят гальванические покрытия.
Цветные металлы и сплавы, применяемые для изготовления пружин
Цветные металлы, к которым относятся медь, алюминии, магний, цинк, никель, свинец, олово и их сплавы, используют в промышленности в случаях, когда применение черных металлов и их сплавов нецелесообразно или невозможно.
Медь и ее сплавы. Медь — металл розово- красного цвета; плотность 8960 кг/м3, температура плавления 1083° С. Отличается высокой пластичностью, хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Медь маркируют буквой М и выпускают пяти марок: МО, Ml, М2, МЗ, М4. Самая чистая медь марки МО содержит 99,95% меди и 0,05% примесей. Медь широко применяют в электротехнике, так как этот металл является хорошим проводником электрического тока.
Медные сплавы делятся на две группы: латуни и бронзы.
Латунь — сплав меди с цинком (до 50%), часто с добавками алюминия, железа, марганца, никеля, свинца и других элементов (в сумме до 10-%.). Маркируется латунь буквой Л, последующие цифры обозначают содержание меди в сплаве в процентах. В сложных сплавах за буквой Л ставят заглавные буквы названий элементов в порядке их убывающей последовательности. Химический состав некоторых марок латуни приведен в ГОСТ 17711—72.
Бронза — сплав на основе меди, в котором главными Добавками являются олово, свинец, алюминий, кремний или другие элементы, за исключением цинка и никеля. Бронзы делятся на оловянистые и специальные безоло-вянистые. Маркируют оловянистые бронзы буквами Бр. (бронза), далее следует буквенное обозначение элементов, входящих в состав сплава, цифры указывают среднее содержание элемента в процентах.
Алюминий и его сплавы. Алюминий — металл серебристо-белого цвета; легкий и ковкий; устойчивый против коррозии; плотность 2699 кг/м3, температура плавления 660° С. Образующаяся окисная пленка защищает поверхность металла от дальнейшего окисления. Благодаря высокой электропроводности и пластичности широко применяется в электротехнической, авиационной и химической промышленности. Алюминий выпускают нескольких марок, отличающихся друг от друга по степени чистоты. Алюминиевые сплавы получают добавкой к алюминию меди, цинка, магния, кремния, марганца и других металлов. Из деформируемых алюминиевых сплавов путем прессования, прокатки и ковки получают самые разнообразные изделия.
Сплавы АК6 и АК8 обладают высокой прочностью, а сплавы АК2 и АК4, содержащие никель, являются жаропрочными. Широко используют в некоторых производствах сплавы Д1, Д6, Д16, Д18. Сплавы АМц и АМг и назначены для изготовления трубопроводов и масляных сварных резервуаров.
Для литейных алюминиевых сплавов наибольшее применение имеют силумины — сплавы алюминия с кремнием. Достоинством их является большая жидкотекучесть,, позволяющая отливать сложные и тонкостенные детали. Химический состав деформируемых алюминиевых сплавов приведен в ГОСТ 4784—74, а литейных алюминиевых сплавов — в ГОСТ 2685—75.
Б а б б и т ы — антифрикционные сплавы на основе плова или свинца с добавками сурьмы, меди и других і и ментов. Применяются для заливки подшипников согласно ГОСТ 1209—73 и ГОСТ 1320—74 установлены марки баббитов: БКА, БК2, БК2Ш, Б88, Б83, , Б16, БН и БС6. Химический состав и назначение баббитов приведены в ГОСТ 1320—74.
Для изготовления пружин применяют цветные металлы и сплавы, особенно широко алюминиевые, и оловянно-цинковые бронзы.
Ленты алюминиевой бронзы для пружин изготовляют шириной от 10 до 250 мм, толщиной 0,5—1,2 мм и шириной от 20 до 300 мм.
Проволоку для пружин из оловянно-цинковой бронзы І.р. ОЦ4-3 (ГОСТ 5221—77) выпускают диаметром от и, I до 12 мм.
Для бериллиевых бронз Бр. Б-2, Бр. Б2б и БИТ, имеющих высокую электропроводность, изготовляют пружины различной формы и конструкции. Процесс изготовления пружин из бериллиевых бронз имеет некоторые особенности и состоит из следующих операций: резка заготовок, закалка на пластичность, калибровка до требуемого размера, навивка пружин, отделочная (окончательная) операция, отпуск пружин, отбеливание и покрытие.
Раскрой металла на заготовки выполняют в заготовительном отделении. Заготовки очищают от пыли, обезжиривают, затем транспортируют на термообработку. Заготовки (ленты, полосы, прутки и проволочные бухты) \ укладывают на противень, который устанавливают в камерную или вакуумную печь на подставку высотой до 20 мм. Нельзя нагревать или подвергать закалке детали различной толщины и массы, так как это может принести к недостаточному нагреву массивных деталей закалка их не будет выполнена. Нагрев под закалку осуществляют в камерных электропечах под слоем угля, в вакуумных установках или в шахтных печах в диссоциированной среде аммиака. Порядок укладки в противень зависит от нагревателя. Заготовки укладывают в противень и пересыпают углем слоем 5 мм. Закладывают сразу целую стопу заготовок. Верх засыпают слоем угля 15—20 мм. Прогретые до определенной температуры заготовки охлаждают в закалочной среде.
В аммиачной среде заготовки лент, полос, прутков и бухт укладывают в контейнерное устройство шахтной печи. В камерную или шахтную печь заготовки загружают при температуре 770—780° С. Проволоку загружают при температуре 730—740° С. Время нагрева проволоки определяется в зависимости от мощности оборудования и массы заготовок. Нагретые и выдержанные при заданной температуре заготовки быстро охлаждают в воде, температура которой 15—20° С.
Закаленные заготовки промывают и укладывают в термостаты для просушки при температуре 40—70° С в течение 20—30 мин. Если после закалки поверхность металла получилась окисленной, то необходимо травление. Закаленные заготовки из бериллиевой бронзы поступают на механическую обработку. Пружины, изготовленные в механическом отделении, подвергают дальнейшей термической обработке — отпуску. В зависимости от технических требований, предъявляемых к пружинам, их укладывают в специальные оправки и приспособления, чтобы избежать коробления в процессе отпуска. Пружины неответственного назначения укладывают в противень и устанавливают в нагреватель для отпуска. Отпуск пружин осуществляют в вакууме, в отпускных нагревательных печах. Обработанные в вакууме пружины имеют чистую, блестящую поверхность, под углем немного окисленную; без защитной среды поверхность окисляется до темно-бурого цвета. Пружины, установленные в оправке, подвергают отпуску без угля.
Печь заготовками пружин для отпуска загружают при температуре 280—300° С. Вакуумную печь загружают при температуре не выше 100 С°.
Отжиг выполняют при температуре 280—350 С°. Продолжительность выдержки устанавливается в зависимости от массы (размеров) заготовок. Охлаждают заготовки под углем, на воздухе или в вакуумном контейнере. Охлажденные заготовки очищают от пыли и укладывают и специальную тару для последующего нанесения покрытий на поверхность. Пружины с нанесенными на поверхность защитными покрытиями поступают на контроль и испытания.