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.
