Stale sprężynowe

Definicja i krótka historia stali

S

tal to stop żelaza z węglem [do 2%] oraz dodatkiem innych pierwiastków wprowadzanych w celu uzyskania żądanych własności, głównie wytrzymałościowych, mechanicznych, chemicznych oraz elektro-magnetycznych; otrzymywana z surówki [także złomu stalowego] m.in. w konwertorach [stal bessemerowska, thomasowska], w piecach [stal martenowska]; ze względu na jej skład chemiczny dzieli się na stal węglową [niestopową] i stal szlachetne [stopowe], np. stal damasceńska, jej przeznaczenie - stale konstrukcyjne [do nawęglania i do ulepszania cieplnego], stale narzędziowe [do pracy na zimno i gorąco] oraz stale specjalne [np. nierdzewne, kwasoodporne, oporowe, magnetycznie twarde i miękkie]; jeden z najważniejszych surowców i materiałów stosowany we wszystkich gałęziach przemysłu. Światowa tendencja spadku produkcji wynikająca ze zmniejszonego zapotrzebowania na stal w budownictwie i przemyśle samochodowym sprawiła, że w krajach UE dla powstrzymania spadku zatrudnienia w hutnictwie produkcja stali jest wysoko subsydiowana; w latach 70. XX w. głównymi producentami stali były Stany Zjednoczone, ZSRR i Japonia [łącznie ponad 50% światowej produkcji]; konkurencja na rynku produkcji stali legła też u podstaw Unii Europejskiej, której zaczątkiem była Europejska Wspólnota Węgla i Stali; w latach 90. nadprodukcja stali wpłynęła na politykę ograniczania subwencji państwowych dla produkujących ją koncernów, które w poszukiwaniu rentowności zaczęły się szybko łączyć [British Steel z holenderskim Hoogovensem, Krupp z Thyssenem, luksemburski Arbed, hiszpańska Aceralia i francuska Isinor w Arcelor - obecnie największy koncern stalowy na świecie, także w USA Bethlehem Steel i US Steel są w przededniu fuzji]; świat. produkcja stali zmalała w ciągu ostatniej dekady z 800 do 700 miliardów ton [OECD sugeruje zmniejszenie produkcji o dalsze 100 miliardów ton do roku 2010]; w roku 2000 wśród producentów stali na pierwsze miejsce wysunęły się Chiny, przed Koreą Południową, Brazylią, Meksykiem i Indiami; 2002 USA zapowiedziały wprowadzenie 30-procentowych ceł ochronnych na produkty stalowe, co pociągnie za sobą prawdopodobnie wprowadzenie ceł i kontyngentów importowych w innych krajach; rozważa je również Polska, której moce przerobowe [2002] sięgają 13,3 milionów ton stali surowej i 11,5 milionów wyrobów walcowanych rocznie; największe huty w Polsce 2000: Huta Katowice, Sendzimira, Częstochowa, Andrzej, Baildon, Stalowa Wola, Małapanew, Florian, Cedler, Jedność, Łabędy [wszystkie skarbu państwa]; nadto Szczecin, Ostrowiec, Zawiercie, Buczek, Pokój, Ferrum, Zygmunt, Gliwice, Łaziska, Zabrze [6 ostatnich sprywatyzowane]; niestety polski przemysł hutniczy jest mocno zacofany [a więc mało konkurencyjny] i zadłużony, a żadnemu z dotychczasowych rządów nie udało się wypracować strategii jego restrukturyzacji oraz pozyskania inwestorów zagranicznych; mimo nadwyżek produkcyjnych udział stali importowanej w polskiej gospodarce stale rośnie [1992 wynosił 10%, 1998 - 35%, 2001 ponad 52%], prowadząc do kryzysu w przemyśle hutniczym, który wobec subsydiowania produkcji stali przez państwa zachodnie,

Stale sprężynowe wiadomości ogólne

S

tale sprężynowe [resorowe] zaliczają się do stali konstrukcyjnych o specjalnym zastosowaniu dostarczane są w postaci kulistych lub walcowanych odkuwek, prętów, taśm i podlegają sprawdzeniu składu chemicznego oraz badaniom własności mechanicznych.
Wyroby hutnicze przeznaczone na sprężyny i resory powinny się odznaczać całkowitym brakiem najczęściej spotykanych wad hutniczych, jak śladów jamy skurczowej [pusta przestrzeń w odlewie powstająca często podczas jego krzepnięcia; obniża właściwości wytrzymałościowe odlewu i zmniejsza jego szczelność; powstawaniu jamy skurczowej przeciwdziała się przez odpowiednie zaprojektowanie układu wlewowego pozwalającego na regulację rozkładu temperatury w odlewie w czasie jego krzepnięcia], wyraźnej segregacji składników, odwęglenia powierzchni, pęknięć, przegrzania oraz wad pochodzących z obróbki plastycznej, jak: chropowatość powierzchni, zawalcowań, rys i tym podobnych.
Są to najczęściej stale z przerobu martenowskiego. W tablicy [1] podałam znak, cechę i skład chemiczny stali resorowych i sprężynowych
Znak stali PN Cecha Skład chemiczny w %
C Mn Si P S Cr V
050 P0 0.450.55 0.50.8 max0.35 max0.05 max0.05
7.0.50 PS0 0.450.55 0.50.8 0.40.6 “ “
7.1.45 PS1 0.400.50 0.60.9 1.01.3 “ “
7.2.50 PS2 0.450.55 0.60.9 1.51.8 “ “
7.2.60 PS3 0.550.65 0.60.9 1.41.9 “ “
7.2.40 PS4 0.350.42 0.60.8 1.51.9 max0.04 max0.04
27.1.50 PCS 0.450.55 0.30.5 0.81.1 max0.035 max0.035 0.91.2
25.1.50 PCV 0.450.55 0.60.9 0.20.4 “ “ 0.91.2 0.10.2
Tab. [1] SKŁAD CHEMICZNY STALI RESOROWYCH I SPRĘZYNOWYCH (wg PKN/H-84032)

Głównym składnikiem stali stopowych sprężynowych [resorowych] jest krzem, a następnie chrom, mangan i wanad, aczkolwiek jest stosowana również na produkcję sprężyn i resorów pewna grupa stali węglowych o znacznej zawartości węgla [0,65% 0,85%].

Właściwości i zastosowanie stali sprężynowych

N

ajważniejszą cechą dobrych sprężyn i resorów jest ich zdolność do przyjmowania swojego pierwotnego kształtu po obciążeniu i następującym po nim odciążeniu. Aby temu sprostać, stale używane na sprężyny i resory powinny się odznaczać:
1. dużym zakresem odkształceń sprężystych, czyli możliwie wysoką granicą sprężystości
2. dobrymi właściwościami plastycznymi [a więc 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 tablicy [2] podałam cechę, warunki obróbki cieplnej oraz uzyskane właściwości mechaniczne i główne zastosowania stali resorowych i sprężynowych.
Pomijając stal węglową, wszystkie inne stale podane w tabeli [2] 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.
Ponieważ 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 na ogół do niej zbliżona. Przy takim założeniu granicy sprężystości przy wszelkich obliczeniach przyjmuje się jako dopuszczalne naprężenie wynoszące mniej więcej połowę wartości granicy plastyczności.
Oczywiście bardziej prawidłowe jest oparcie się w obliczeniach na wynikach badań wytrzymałości na zmęczenie.
Jak wynika z tabeli [1] wszystkie te stale są stalami średniowęglowymi i za wyjątkiem pierwszej 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 [niepożądane zjawisko obniżania zawartości węgla na pow. stali w czasie jej wyżarzania i plastycznej obróbki na gorąco].
Zbyt wysoka temperatura wygrzewania stali przed chłodzeniem prowadzi do przegrzania materiału, a to znowu – do powstania pęknięć hartowniczych, co przy materiale pracującym na zmęczenie, jak resor czy 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 pow. elementów. K. 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.
Pomijając stal sprężynową węglową P0 cztery następne stale sprężynowe PS0, PS1, PS2 i PS3 są stalami krzemowymi, jedna chromowo-krzemowa PCS i jedna chromowo-wanadowa PCV.
Stale sprężynowe krzemowe

S

tale 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 [500600 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.
Rys. 1

Stale sprężynowe chromowo-krzemowe: PCS

S

tal 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

S

tal 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

Stal chromowa na łożyska toczne

S

tale na łożyska kulkowe, rolkowe i szpilkowe, stosowane zawsze w stanie zahartowanym i odprężonym, powinny się odznaczać dużą odpornością na rozciąganie i ściskanie, jak również na ścieranie. Na skutek takich wymagań wszelkie miejscowe niejednorodności stali, spowodowane np. przez ślady jamy usadowej, wtrącenia niemetaliczne, wyraźne segregacje itd. – są w ogóle niedopuszczalne. Niedopuszczalnymi są również: przegrzanie materiału, a tym bardziej wszelkie pęknięcia.

Ponieważ wszystkie te części są zazwyczaj wykonywane w sposób ciągły, najczęściej na automatach, przeto wskazane jest, aby posiadały one możliwie jednakową obrabialność, hartowność, itd.

W Polskiej Normie „Stal chromowa na łożyska toczne” PN-53/H-84041 podane są trzy stale chromowe i jedna stal chromowo-krzemowo-manganowa {tab. [3]}.

Tab. [3] SKŁAD CHEMICZNY STALI NA ŁOŻYSKA TOCZNE [wg PN-53/H-84041]
Gatunek Skład chemiczny [%]
C Mn Si Cr Smax Pmax
ŁH6 1,051,15 0,20,4 0,150,35 0,40,7 0,02 0,027
ŁH9 1,001,10 0,20,4 0,150,35 0,91,2 0,02 0,027
ŁH15 0,951,10 0,20,4 0,150,35 1,31,65 0,02 0,027
ŁH15SG 0,951,10 0,91,2 0,40,65 1,31,65 0,02 0,027

Jak ze składu chemicznego tych stali wynika, zawartość węgla w nich jest wysoka i wynosi ok. 1%. Ponieważ stale te po zahartowaniu mają również wysoką twardość [HRC = 6266], wobec tego mogłyby służyć także jako stale narzędziowe. Ze względu jednak na pracę, jaką spełniają w maszynie zalicza się je raczej do stali konstrukcyjnych.

W stalach tych głównymi składnikami są węgiel i chrom, a w ostateczności również mangan i krzem. Węgiel zastosowany w ilości ok. 1% obok chromu w ilości od 0,4 do 1,65% wpływa na powstanie w stali cementytu kulkowego [faza międzymetaliczna żelaza z węglem; składnik strukturalny stali i żeliw białych; kruchy, bardzo twardy i odporny chemicznie, trwały w wysokich temperaturach; temperatura topnienia 1837C]. Chrom zwiększa równocześnie twardość i ciągliwość, rozdrabnia ziarno i umożliwia przehartowanie na wskroś przy zastosowaniu oleju jako środka chłodzącego. Przy odbiorze tych stali kładzie się bardzo duży nacisk na badanie mikro- i makrostruktury, na rodzaj segregacji węglików oraz ilość i rozłożenie zanieczyszczeń niemetalicznych, które ocena się według specjalnych wzorców podanych w normie.

Międzynarodowa klasyfikacja norm na stale sprężynowe

Lp. Numer Nazwa
1 PN-EN 10089 Stale walcowane na gorąco na sprężyny ulepszane cieplnie - Warunki techniczne dostawy
2 PN-EN 10089U Stale walcowane na gorąco na sprężyny ulepszane cieplnie - Warunki techniczne dostawy
3 PN-EN 10132-4 Taśma stalowa wąska walcowana na zimno do obróbki cieplnej - Warunki techniczne dostawy - Część 4: Stale sprężynowe i do innych zastosowań
4 PN-EN 10151 Taśmy ze stali odpornej na korozję na sprężyny - Warunki techniczne dostawy
5 PN-EN 10151U Taśmy ze stali odpornej na korozję na sprężyny - Warunki techniczne dostawy
6 PN-EN 10270-1 Drut stalowy na sprężyny mechaniczne - Część 1: Drut sprężynowy ze stali niestopowej patentowany ciągniony na zimno
7 PN-EN 10270-2 Drut stalowy na sprężyny mechaniczne - Część 2: Drut sprężynowy hartowany w oleju i odpuszczony
8 PN-EN 10270-3 Drut stalowy na sprężyny mechaniczne - Część 3: Drut sprężynowy ze stali odpornej na korozję



LITERATURA:
1. Wesołowski, Kornel.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna /. Warszawa : Wydaw. Naukowo-Techniczne, 1981
2. Chełmińska, Helena Charakterystyki stali :seria C. T. 2,Stale sprężynowe ; T. 3, Katowice : Śląsk, 1982
3. http://www.pkn.pl/PPN/
4. http://www.jaswal.ps.pl/
5. http://www2.steel.sandvik.com/
6. http://www.zss.radom.pl/