Ковка пружинной стали: особенности нагрева и закалки

В практике обработки деталей, предназначенных для работы под циклической нагрузкой, используют материалы с высоким пределом упругости. Классическим вариантом остаётся углеродистая или легированная сталь с содержанием углерода от 0,5% до 0,75%.

Распространены марки 60С2А, 65Г, 50ХФА, 51ХФА, 55С2. В зависимости от назначения выбирается состав с добавками кремния, хрома, ванадия или марганца. Все они требуют строгого соблюдения режимов, особенно при горячем деформировании и последующей термической обработке.

Рабочий интервал температуры при нагреве до ковочного состояния зависит от химического состава. У стали 65Г ковка производится при температуре 1150–1180°C. Начало работы ниже 1050°C приводит к росту сопротивления деформации и риску трещинообразования.

У легированных сталей, таких как 50ХФА, температура начала ковки — 1100–1120°C, окончание — не ниже 850°C. При снижении ниже этого уровня структура приобретает хрупкость и неравномерную пластичность.

Нагрев выполняется ступенчато. Прямой прогрев без выдержки приводит к образованию трещин по границе зерен. Рекомендуется удерживать заготовку при 600–650°C не менее 20 минут на 10 мм толщины, затем доводить до требуемого уровня для деформации.

Используют газовые или индукционные установки с автоматическим контролем. При ручной настройке важно избегать перегрева более 1200°C, чтобы не допустить выгорания углерода с поверхности.

Окисление в условиях высокотемпературной обработки затрудняет получение точного размера. Чтобы сократить нагарообразование, применяют флюсы или проводят ковку в защитной атмосфере. При невозможности защитного газа детали сразу после деформации охлаждают в золе или сухом известняке, чтобы не допустить быстрого насыщения кислородом.

Работы по формированию формы заготовки желательно выполнять без многократного повторного нагрева. При нагреве выше 1200°C изменяется распределение легирующих элементов, что сказывается на закалке.

При ковке прутков сечением до 25 мм допускается один повторный нагрев. Для деталей более 50 мм — не более трёх циклов при условии промежуточного охлаждения до температуры ниже 400°C.

Характеристики будущей пружины во многом определяются режимами закалки. При нагреве выше точки Ас3 важно обеспечить равномерность по всему объёму. Температура начала составляет 820–860°C для углеродистых сталей.

Для легированных — 830–880°C. Время выдержки подбирают по формуле t = (k × d), где k — коэффициент прогрева (1,2–1,5 мин/мм), d — толщина в мм. Для стали 60С2А сечением 12 мм выдержка должна составлять не менее 18 минут.

Резкое охлаждение выполняется в воде или масле. При этом важно исключить образование паровой подушки. Для этого применяют циркуляцию среды или принудительное перемешивание.

Для с 65Г используется вода при температуре 20–30°C, но не ниже 15°C. При использовании масла требуется контроль его температуры — не выше 70°C, чтобы не получить перегретую поверхность и сетку микротрещин.

В случае легированных марок, закалка маслом предпочтительнее. Так, 50ХФА закаливается при 850°C, охлаждение в минеральном масле даёт мелкоигольчатую структуру мартенсита. Чтобы не допустить деформаций, пружины малого диаметра можно охлаждать в ступенчатом режиме: первая ступень — масло 180°C, вторая — воздух. Это снижает внутренние напряжения и сохраняет геометрию.

После охлаждения обязательна отпускная обработка. Температура отпуска для 60С2А — 430–470°C. При этом структура становится трооститной, достигается сочетание прочности с пластичностью. Для 65Г отпуск проводят при 480°C в течение 1 часа, охлаждение — на воздухе. Легированные сплавы требуют более длительной выдержки: 2–2,5 часа для диаметра от 20 мм. Это стабилизирует внутреннюю решетку и увеличивает сопротивление усталостному разрушению.

В производственных условиях важно учесть геометрию изделия. При ковке заготовок с переменным сечением резкий переход по толщине вызывает локальные перегревы. В этом случае зону перехода защищают графитовой смазкой, замедляя нагрев. Если деталь тонкая и вытянутая, то равномерность теплового поля достигается путём применения двухзонных нагревателей.

Штамповка на молотах и прессах требует точной настройки усилия. Для стали 55С2 коэффициент сопротивления деформации составляет 1,6–1,9 Н/мм² при 1000°C. Превышение давления вызывает разрыв зерен по границе фаз. Поэтому настройку пресса начинают с минимального усилия и повышают по мере снижения температуры.

Характерный дефект при ковке — неоднородная внутренняя структура. Избежать этого помогает предварительное нормализационное отпускание. Его проводят при 720–740°C, выдержка — не менее 30 минут. Оно выравнивает структуру и устраняет избыточные напряжения.

Поверхностная обезуглероженность контролируется применением защитных покрытий. Так, нанесение стеклянной массы или графитового состава перед прогревом уменьшает потери углерода до 0,02 мм. Без покрытия глубина обезуглероживания может достигать 0,4 мм на сторону при нагреве в течение часа. Это снижает прочностные характеристики.

Для изделий из стали 51ХФА, работающих при переменной нагрузке, дополнительно используют охлаждение в растворе 10% NaCl. Это обеспечивает тонкую структуру без перегрева поверхности. Расчёт времени выдержки перед закалкой выполняется по формуле: t = (1,5 × √d), где d — диаметр. Для вала 36 мм выдержка составит 9 минут.

Температурные зоны при обработке регламентируются стандартами ГОСТ 1050-2013, ГОСТ 4543-2016, ГОСТ 14959-79. Согласно требованиям, разница по сечению не должна превышать ±20°C в пределах одной партии. На практике соблюдение этой нормы достигается применением термопар с обратной связью и визуальным контролем.

При остывании на воздухе возможно снижение твёрдости, если не выполнен своевременный отпуск. В случае с деталью, прошедшей масляное охлаждение, допуск по времени до отпуска — не более 30 минут. Иначе начинается самопроизвольное превращение остаточного аустенита, что уменьшает срок службы детали.

Мелкие заготовки охлаждают между асбестовыми плитами или в сухом песке. Это уменьшает деформации. Для крупногабаритных изделий допускается медленное охлаждение в камерах с управляемой атмосферой. При температуре ниже 200°C допускается помещение в открытое пространство, но без контакта с влагой.