5160, 9260 и 6150: выбор круглого стержня из пружинной стали по сечению и назначению

Почти в каждом запросе на подвеску и пружинную часть встречаются три пружинные стали: AISI 5160, AISI 9260 и AISI 6150. Все они представляют собой средне- и высокоуглеродистые стали, закаленные и отпущенные до рабочей твердости, и на чертежах они часто рассматриваются как взаимозаменяемые. Это не так. Различия заключаются в трех легирующих элементах — кремнии, хроме и ванадии — и эти различия определяют, какую толщину секции вы можете подвергнуть сквозной закалке, насколько пружина сопротивляется провисанию при температуре и сколько вы платите за тонну.

В этой статье сравниваются три марки по химическому составу, прокаливаемости, реакции на отпуск, условиям поставки и стоимости, а также дается прямой ответ о том, какая марка подходит для листовых рессор, винтовых пружин, торсионов и валов. Все диапазоны составов, указанные ниже, взяты из ASTM A29/A29M, EN 10089 и JIS G4801; Диапазоны свойств представляют собой опубликованные значения условий поставки и закалки и отпуска из EN 10089. Здесь ничего не оценивается.

Что общего между тремя классами

Прежде чем различия, важна общая основа, поскольку она объясняет, почему эти оценки вообще сгруппированы.

• Содержание углерода в диапазоне 0,46–0,64 % — достаточно высокое, чтобы достичь примерно 58–60 HRC в закаленном состоянии, что придает пружине предел упругости, но все же достаточно низкое, чтобы его можно было закалить обратно в твердое состояние, а не в хрупкое.

• Поставляется в отожженном или закаленном и отпущенном виде — отожженный пруток ( +A , обычно ≤ 248 HBW для марок EN 10089) — это то, что вы покупаете, если вам все еще нужно сматывать, формовать или подвергать механической обработке. Закаленный и отпущенный пруток ( +QT ) — это то, что вы покупаете, когда формовка уже завершена.

• Сначала формуют, затем закаляют — за исключением горячей рулонной заготовки, все три формы формуются в мягком состоянии и только затем аустенизируются и закаливаются. Это противоположность марке вала со сквозной закалкой, такой как 4140 или 34CrNiMo6 , где пруток обычно покупается уже закаленным.

• Усталостная долговечность является свойством поверхности : окончательный цикл закалки определяет объемную прочность, но состояние поверхности определяет, когда деталь выйдет из строя. Дробеструйная обработка и контроль обезуглероживания имеют такое же значение, как и название марки в сертификате.

Сравнение химического состава

Все три сорта находятся в одной и той же углеродной группе и разделены по кремнию, хрому и ванадию.

Одни и те же три марки фигурируют в европейском стандарте пружинной стали EN 10089 под разными названиями. Диапазоны не идентичны диапазонам ASTM, и это имеет значение, когда на чертеже заказчика указано европейское обозначение.

Что на самом деле делает каждый элемент

Чтение двух таблиц рядом дает ответы на большинство вопросов выбора, поскольку каждый элемент выполняет одно задание.

• Кремний, 1,80–2,20 % в 9260 — вот и вся причина существования 9260. Кремний повышает температуру, при которой закаленная структура размягчается, поэтому пружина 9260 выдерживает нагрузку при температуре 200–250 °C, тогда как хромистая пружинная сталь такой же твердости уже начала расслабляться. Это также повышает предел упругости, поэтому пружины, убитые кремнием, можно использовать ближе к пределу текучести, не прибегая к постоянному схватыванию.

• Хром, 0,70–0,90 % у 5160 и 0,80–1,10 % у 6150 — хром является прокаливающим элементом. Это смещает кривую непрерывного охлаждения вправо, так что более тяжелые секции затвердевают в масле, а не выходят с мягким ферритово-перлитовым сердечником. Это также добавляет немного износостойкости, что важно для листовой рессоры, в которой между листами попадает песок.

• Ванадий, мин. 0,15 % в 6150 — ванадий образует мелкие карбиды, закрепляющие границы зерен аустенита. На практике это означает, что стержень 6150 выдерживает несколько более широкое окно печи, чем простой сорт хрома, прежде чем зерно станет укрупненным, а более крупное зерно приводит к прямой потере усталостной долговечности. Это основная техническая причина, по которой 6150 стоит дороже, чем 5160 при почти такой же прочности.

• Марганец, около 0,7–1,0 % — присутствует во всех трех, частично как раскислитель, частично как мягкая добавка, повышающая прокаливаемость. Он также связывает серу, поэтому содержание серы в марках ASTM может быть выше (максимум 0,040), чем в марках EN (максимум 0,025).

Прокаливаемость: размер сечения определяет марку

Самая распространенная ошибка при выборе — выбрать класс прочности на разрыв, а затем обнаружить, что середина стержня не затвердела. Пружина работает только в том случае, если при закалке вся секция превращается в мартенсит; мягкий сердечник означает, что поверхностный слой несет нагрузку самостоятельно, и деталь выходит из строя из-за усталости изнутри. Поскольку 9260 не содержит добавок хрома, он имеет самую низкую прокаливаемость из трех. И 5160, и 6150 содержат примерно 0,7–1,2 % хрома и затвердевают значительно глубже в масле.

Это дает практическое правило для круглого прутка: для тонких сечений и проволоки можно использовать 9260; тяжелые секции должны перейти на хромированный уровень. В качестве рабочего ориентира 9260 удобен для погружения в масло диаметром до 30 мм, тогда как 5160 и 6150 выдерживают сопоставимые секции значительно большей толщины, прежде чем сердечник начнет размягчаться. Если ваша деталь — торсион 60 мм или толстый лист, хром не является предпочтением — это требование. Там, где сечение большое и тяжелые условия эксплуатации, марганец-хромовый сорт 55CrMnA ( SUP9/55Cr3 ) является следующим шагом вперед и поставляется специально для толстых листов и тяжелых винтовых пружин.

Механические свойства после закалки и отпуска

Пружинные стали никогда не указываются в состоянии прокатки. Важнейшие цифры — это твердость в отжиге, которая определяет, насколько легко можно формовать деталь, и диапазон прочности после закалки и отпуска, который задается выбранной вами температурой отпуска.

Две детали в этой таблице стоит прочитать дважды. Во-первых, полосы +QT представляют собой минимальные требования, привязанные к размеру секции и температуре отпуска: сталь с давлением 6150 бар, закаленная при 430 °C, и одна, закаленная при 510 °C, будут соответствовать одному и тому же сертификату, но будут вести себя по-разному в усталостной установке. Во-вторых, обратите внимание, где находится диапазон 5160: 1450–1750 МПа при минимальном давлении 1300 МПа — это самый высокий показатель из трех, и именно поэтому хромсодержащий 5160 на протяжении десятилетий использовался по умолчанию для тяжелых листовых рессор.

Эквивалентные оценки по стандартам

Перекрестные ссылки являются отправной точкой для предложения, а не утверждения замены. Полосы углерода и хрома не совпадают точно, а полосы прокаливаемости (H и HH) указываются отдельно.

Поскольку эквиваленты близки, но не идентичны, чертеж с надписью «SUP10 или эквивалент» следует сравнивать с 6150 или 51CrV4 — эти три имеют общую хромованадиевую конструкцию, и обычно принимается сертификат 50CrVA. Та же логика применима к SUP9A, который соответствует 5160. Круглые прутки AISI 5160/SUP9A/60Cr3 и SUP10/6150/51CrV4 имеют соответствующие обозначения EN и JIS в сертификате.

Какой класс для какой части

Соответствие марки компоненту в основном зависит от размера секции, температуры и нагрузки пружины.

• Тяжелые листовые рессоры, параболические рессоры, подвеска грузовых автомобилей и прицепов — 5160 для стандартного корпуса, 55CrMnA/SUP9 для очень толстых створок. Хром придает необходимую глубину закалки, необходимую для толстого листа, а сорт легко выдерживает ковку.

• Пружины, которые работают в теплом состоянии или где потеря нагрузки является причиной отказа — 9260. Железнодорожная подвеска, пружины сцепления и тормозные пружины, которые выдерживают температуру 200 °C и не должны провисать. Кремний — это элемент, который обеспечивает температурную стабильность.

• Винтовые пружины, стабилизаторы поперечной устойчивости и торсионы средних и тяжелых сечений — 5160 или 6150. Если секция толстая и предел усталости ограничен, ванадий в 6150 окупается за счет более мелкого зерна и более широкого окна термообработки.

• Клапанные пружины, поршневые пружины и пружины предохранительных клапанов ниже 300 °С — 6150/51CrV4/SUP10. Это классические применения хром-ванадия, для которых стандартизирована марка.

• Валы, которые также являются пружинами — торсионы и стабилизаторы поперечной устойчивости — это, по сути, валы, нагруженные скручиванием, поэтому применяются те же правила. Вал, который должен нести изгибающую нагрузку по всему сечению без пружины, обычно лучше подходит для легированной стали, такой как 4140.

Практика термообработки

Все три сорта формируются мягкими, а затем затвердевают. Закалка — это этап, который решает, выживет ли деталь, а отпуск — это этап, который решает, прослужит ли она.

Наблюдайте за областью 300 °C. Все эти марки подвержены отпускному охрупчиванию, если они выдерживаются в диапазоне примерно 250–400 °C, поэтому температуру отпуска выбирают выше или ниже этого диапазона, а не внутри него. В любом случае пружина в этом окне почти никогда не закаляется, но цикл снятия напряжения после сварки или правки может случайно попасть туда.

Обезуглероживание – тихий убийца. При температуре 830–880 °C в атмосферной печи пружинная сталь потеряет углерод на поверхности в течение нескольких минут, если атмосфера не контролируется. Обезуглеродный слой мягкий, на поверхности выходит из строя пружина. Либо укажите печь с контролируемой атмосферой или вакуумную печь, либо обработайте/отшлифуйте обезуглероженный слой перед обслуживанием и укажите допустимую глубину обезуглероживания в заказе на поставку.

Дробеструйная обработка после отпуска, а не до него. Наклеп приводит к сжатию поверхности и часто является самым большим увеличением усталостной долговечности готовой пружины, но это должна быть последняя механическая операция перед нанесением покрытия, и интенсивность должна быть указана (Альмен), а не оставлена ​​​​на усмотрение цеха.

Что указать в заказе на поставку

Одно лишь название класса оставляет слишком много вопросов, и именно здесь возникает большинство споров. В работоспособном заказе на пружинную сталь указывается, как минимум:

• Марка и стандарт — например, «AISI 5160 по ASTM A29», а не «5160», поэтому пределы состава и допуски однозначны.

• Диапазон прокаливаемости — простой (Н) или ограниченный (НН). Если деталь толстая, а закалка незначительная, ограничить полосу дешевле, чем отказаться от плавки.

• Состояние поставки — +А отожженный, +АС сфероидизированный или +QT с необходимым диапазоном температур отпуска и твердостью.

• Предел обезуглероживания и состояние поверхности — черные, очищенные, шлифованные или шлифованные, с указанием допустимой глубины обезуглероживания.

• Инспекционные документы — как минимум EN 10204 3.1; 3.2, когда третья сторона должна присутствовать при механических испытаниях. Сюда также относятся прямолинейность, состояние концов и допуск по длине, поскольку они определяют, сколько материала вы сбрасываете в ячейке намотки.

Все три класса поставляются с термоспецифичным сертификатом EN 10204 3.1, дающим фактические химические и механические результаты, а не типичные данные по каталогу. Если стандарт допускает определенный диапазон, в сертификате указывается, где на самом деле находится ваше тепло.

Часто задаваемые вопросы

5160 — это то же самое, что SUP9A?

Близкие, но не взаимозаменяемые на бумаге. 5160 по ASTM A29 и SUP9A по JIS G4801 имеют одинаковую хромомарганцевую конструкцию с содержанием углерода в диапазоне 0,56–0,64 %, а EN 10089 60Cr3 является европейским эквивалентом. Отдельные пределы различаются до третьего десятичного знака - например, марка JIS допускает содержание хрома 0,70–1,00 %, тогда как ASTM допускает 0,70–0,90 %, а предел серы более жесткий в марках JIS и EN. Для большинства работ с листовыми и винтовыми пружинами замена является обычной процедурой, но если деталь важна с точки зрения безопасности, покупайте ее в соответствии со стандартом, указанным на чертеже, и подтвердите термический анализ в сертификате.

Почему 9260 сопротивляется провисанию лучше, чем 5160?

Из-за кремния. При содержании кремния 1,80–2,20 % отпущенные карбиды стали 9260 более устойчивы к укрупнению, поэтому структура сохраняет твердость до более высоких температур. Пружина, работающая при температуре 200–250 °С, из стали 9260 будет терять нагрузку медленнее, чем из хромовой марки той же начальной твердости. Суть заключается в прокаливаемости: отсутствие хрома означает, что 9260 не может обеспечить сквозную закалку толстых участков, с которыми 5160 легко справляется. Вот почему тяжелые листовые рессоры обычно используют хром, а горячие рессоры среднего сечения часто этого не делают.

Что выбрать 5160 или 6150 под торсион 60 мм?

Оба материала при этом диаметре затвердеют в масле, поэтому выбор сводится к усталостному балансу и контролю процесса. В 6150 содержится больше хрома и добавок ванадия, что придает ему более мелкое зерно и более высокую устойчивость к изменениям в печи; 5160 дешевле при эквивалентной прочности. Если стержень имеет большой запас прочности и термообработка хорошо контролируется, 5160 — экономичный вариант. Если слиток критичен к усталости и закалка незначительна, то 6150 — более безопасная спецификация, а ванадий — это то, за что вы платите.

Можно ли сваривать эти марки?

Их можно сваривать, но сварной шов — это твердый, хрупкий, чувствительный к растрескиванию элемент детали, предназначенной для изгиба. На практике ни один из трех при пружинной эксплуатации не сваривается. Если необходимо соединить пружину, предварительно нагрейте ее в диапазоне 250–300 °C, используйте соответствующий или аустенитный присадочный материал и проведите отпуск сразу после сварки, чтобы уменьшить мартенсит — и даже в этом случае ожидайте, что сварной шов выйдет из строя в первую очередь. Если шарнир несет нагрузку от пружины, измените конструкцию детали.

В каких условиях доставки мне следует заказывать?

Заказывайте отожженный (+A) или сфероидизированный (+AC), если вам все еще нужно наматывать, накатывать, нарезать резьбу или обрабатывать деталь — сфероидизированный отжиг является лучшим выбором при значительной холодной штамповке, поскольку сфероидальные карбиды гораздо мягче деформируются, чем пластинчатый перлит. Заказывайте закалку и отпуск (+QT) только тогда, когда геометрия уже закончена и единственной оставшейся операцией является легкая шлифовка или дробеструйная обработка. Покупка стержня +QT, а затем его повторный нагрев для формирования пружины приводит к потере как сплава, так и термической обработки, за которую вы заплатили.

Связанное чтение: круглый стержень из пружинной стали AISI 9260 / 60Si2MnA / SUP7 и наше сравнение 34CrNiMo6 и 4140 для тяжелых валов.

Запросить цену

Отправьте сорт, стандарт, диаметр и длину, состояние доставки и порт назначения. Вы получите коммерческое предложение с техническим предложением и доступным теплотехническим анализом в течение 24 часов. Электронная почта enquiry@qilumetal.com.