Materiały

 Zasada działania sprężyny opiera się na jej zdolności do reagowania na obciążenie poprzez odkształcenie elastyczne. Taka cecha wymaga zastosowania materiałów o wysokiej elastyczności. Ponieważ w każdym z przypadków wymagana konstrukcja powinna być niewielka, materiały sprężyn powinny cechować się najwyższą wytrzymałością na rozciąganie i wysoką granicą sprężystości.

Oprócz wysokiego odkształcenia w rejonie elastycznym, wymagana jest również dostateczna plastyczność. Pozwala to na produkcję sprężyn formowanych na zimno, które nie będą ulegały pękaniu pod wpływem najwyższego nieprzewidzianego przeciążenia.

Ponadto wymagana jest wysoka wytrzymałość zmęczeniowa, która jednak nie stanowi wartości charakterystycznej materiału, jak np. wytrzymałość na rozciąganie. W przypadku wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej zakłada się wstępnie wysoki stopień czystości, homogeniczną strukturę oraz gładką powierzchnię wolną od węgla.

Wymagania te w wysokim stopniu spełnia stal, co powoduje, że większość sprężyn wykonywana jest z tego materiału.

Dodatkowo w niektórych przypadkach wymagana jest odporność na korozję, odporność cieplna lub własności antymagnetyczne, co wymusza konieczność stosowania materiałów specjalnych.

Ważną własnością materiału sprężyny jest moduł sprężystości wzdłużnej (E). Z tej stałej dla materiału wyprowadza się liniową zależność pomiędzy obciążeniem a ugięciem. Na wartość „E” praktycznie nie ma wpływu obróbka cieplna, lecz jest ona zależna od temperatury, co należy uwzględnić przy wyższych temperaturach roboczych.

67
Zależność temperaturowa „E” i związana z tym redukcja obciążenia

Materiały na sprężyny talerzowe dostarczane są zasadniczo w następujących postaciach:

Materiały standardowe

 

C 60S:

Oba typy to stale jakościowe wg DIN EN 10132-4. Stosujemy je do naszych oryginalnych nacinanych podkładek zabezpieczających oraz podkładek obciążeniowych zgodnych z DIN 6796, w których występują tylko obciążenia statyczne.

C 67 i C 75S:

Te stale wysokiej jakości zgodne z DIN EN 10132-4 stosuje się do sprężyn formowanych na zimno grupy 1. W przypadku sprężyn o niewielkim obciążeniu, np. naszych sprężyn „K” do obciążania wstępnego łożysk kulowych materiały te można poddawać obróbce w warunkach sprężysto-twardych.

51 CrV 4 (1.8159):

Jest to stal stopowa chromowo-wanadowa najwyższej jakości. Jest ona dostępna w postaci zimnowalcowanej wg DIN EN 10132-4, gorącowalcowanej i odkuwek wg DIN EN 17221 do wytwarzania sprężyn talerzowych. Wykazuje ona bardzo dobre własności w zakresie hartowania na wskroś, dzięki czemu nadaje się do produkcji sprężyn o grubości do 50 mm. Odprężenie jest mniejsze niż w przypadku stali niestopowych, co pozwala na ich stosowanie w temp. do 250 °C (przy odpowiednim zmniejszeniu obciążenia).

Materiały do zastosowań o wymaganiach specjalnych

 Wymagania specjalne takie jak środowisko korozyjne lub wysokie temperatury często wymagają użycia materiałów zaprojektowanych do takich zastosowań. Materiały takie mają ogólnie niższą wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z materiałami standardowymi i należy ich używać tylko w przypadku absolutnej konieczności. Sprężyny wykonane z materiałów tego typu charakteryzują się mniejszą wysokością ogólną w stosunku do sprężyn o porównywalnych rozmiarach wykonanych z materiałów standardowych, co skutkuje mniejszą ich siłą. Efekt ten należy uwzględnić przy stosowaniu takich materiałów.

Stale odporne na korozję

X 10 CrNi 18-8 (1.4310):

Ta chromowo-niklowa stal stopowa zgodna z DIN EN 10151 jest najczęściej stosowanym materiałem na sprężyny odporne na korozję. Ze względu na swoją austenityczną strukturę z wtrąceniami ferrytycznymi nie można utwardzać jej w zwykły sposób, lecz poprzez formowanie na zimno może uzyskać ona wytrzymałość, jaka wymagana jest dla sprężyn talerzowych. W tym celu należy zastosować znaczne formowanie na zimno, a wytrzymałość materiału spada wraz ze wzrostem grubości. Z tego względu materiał nie jest normalnie dostępny w grubościach większych niż 2,5 mm, a co za tym idzie sprężyny można oferować tylko do takiej grubości. Mimo że materiał w stanie miękkim jest słabo magnetyczny, proces walcowania na zimno powoduje, ze staje się on ponownie nieco magnetyczny, co uniemożliwia jego stosowanie na sprężyny zupełnie niemagnetyczne.

X 7 CrNiAl 17 7 (1.4568):

Stal ta w wyniku utwardzania wydzieleniowego wg DIN EN 10151 tworzy strukturę austenityczno-ferrytyczną. Poddaje się ją również umocnieniu przez zgniot, jak również można ją dodatkowo utwardzać przez dalszą obróbkę cieplną. W porównaniu ze stalą 1.4310 minus stanowi niższa odporność na korozję i wrażliwość na korozję naprężeniową. Dlatego zalecamy wykorzystywanie jej tylko na sprężyny o grubości większej niż 2,5 mm, w sytuacji braku dostępności innych materiałów.

X 5 CrNiMo 17 12 2 (1.4401):

Materiał ten cechuje się nieco niższą wytrzymałością od dwóch wymienionych wcześniej. Niemniej jednak oferuje on wyższą odporność na korozję i niższy magnetyzm. Pomimo że jest on ujęty także w normie DIN 17224, często trudno jest go uzyskać i stąd jest on rzadko stosowany.

Stale do zastosowań wysokotemperaturowych

Rozważając zastosowanie sprężyn w wyższych temperaturach roboczych, należy pamiętać, że zarówno wytrzymałość na rozciąganie, jak i moduł sprężystości wzdłużnej „E” ulegają zmniejszeniu w porównaniu z ich wartościami w temperaturze pokojowej.

X 22 CrMoV 12 1 (1.4923):

Ta chromowo-molibdenowa stal nadająca się do obróbki cieplnej wykorzystywana jest z powodzeniem na sprężyny talerzowe odporne na działanie wysokich temperatur. Sprężyny o grubości od 1,5 do 6 mm wykonuje się z taśmy lub blachy. W przypadku sprężyn o większej grubości można stosować pierścienie kute. Należy zauważyć, że przy zawartości chromu na poziomie 12% stal ta nie jest odporna na korozję.

X 39 CrMo 17-1 (1.4122):

Jest to chromowo-molibdenowa, martenzytyczna stal stopowa, nadająca się do obróbki cieplnej, która może być również wykorzystywana na sprężyny odporne na korozję. Z powodu molibdenu można stosować ją w temp. do 400 °C. Jednak w temperaturach tego rzędu zarówno wytrzymałość na rozciąganie, jak i wartość „E” ulegają zmniejszeniu. Aby osiągnąć wymagane własności, stal należy utwardzić do wyższych wartości, co z kolei rodzi pytanie korozji naprężeniowej. Niestety w świetle obecnej wiedzy technicznej nie możemy całkowicie pominąć możliwości opóźnionego przełomu kruchego.

69
Granica plastyczności i moduł „E” stali X 22 CrMoV 12 1 w odniesieniu do temperatury.

Stopy miedzi

Stopy miedzi są całkowicie niemagnetyczne i wykazują doskonałą przewodność elektryczną. Dodatkowo są one odporne na korozję wobec wielu czynników. Charakterystyka taka powoduje, że nadają się one na sprężyny talerzowe do wielu zastosowań.

CuSn 8 (2.1030):

Brąz cynowy wg DIN EN 1654 stanowi stop miedzi i cyny, który zyskuje swoje własności sprężyste poprzez obróbkę plastyczną na zimno. Wytrzymałość na rozciąganie jest oczywiście niższa w porównaniu ze stalą sprężynową, a wartość modułu „E” stanowi jedynie 55% wartości dla stali. Cechy te należy uwzględnić przy obliczaniu sprężyny. Umożliwiają one wykorzystywanie stopu do zastosowań, w przypadku których wymagane są bardzo niskie siły sprężyn.

CuBe 2 (2.1247):

Brąz berylowy jest doskonałym materiałem na sprężyny. Ten nadający się do obróbki cieplnej stop cechuje się wytrzymałością o wartościach porównywalnych z wytrzymałością stali. Jednak moduł „E” stanowi jedynie 60% wartości dla stali. Stop ten wykazuje bardzo dobrą odporność korozyjną i może być stosowany w bardzo niskich temperaturach bliskich zeru absolutnemu.

Stopy niklu i kobaltu

Niektóre spośród wielu stopów na bazie niklu i chromu oraz niklu, chromu i kobaltu zyskały duże znaczenie jako materiał stosowany do produkcji sprężyn talerzowych. Poprzez stopienie z glinem, tytanem i/lub niobem/tantalem nadają się one do utwardzania wydzieleniowego. Materiały te są bardzo twarde, tzn. charakteryzują się wysoką wytrzymałością i niskim współczynnikiem elastyczności. Dlatego też należy wziąć pod uwagę prawdopodobieństwo większego odkształcenia trwałego sprężyny. Z drugiej strony, materiały te cechują się doskonałymi własnościami zmęczeniowymi. Przy prawidłowych proporcjach sprężyny cechy takie są korzystne na całej długości ruchu sprężyny. Dzięki składowi materiałowemu materiały te charakteryzują się doskonałą odpornością na korozję ze strony różnych mediów. Wszystkie stopy tego typu są bardzo kosztowne i często trudne do obróbki i z reguły charakteryzują się długim czasem dostawy. Z tego względu stosuje się je tylko w sytuacjach, gdy z powodów technicznych inne materiały nie są odpowiednie.

NiCr 20 Co 18 Ti (Nimonic 90)
(2.4632, 2.4969):

Ten stop niklowo-chromowo-kobaltowy stwarza najmniej problemów podczas obróbki, co powoduje, że jest on najczęściej wykorzystywany. Charakteryzuje się on bardzo wysoką wytrzymałością cieplną i może być wykorzystywany w temp. do 700 °C przy odpowiednich wymiarach.

NiCr 15 Fe 7 TiAl (Inconel X 750) (2.4669)
i NiCr 19 NbMo (Inconel 718) (2.4668):

Te stopy niklowo-chromowe praktycznie nie zawierają kobaltu, co powoduje, że wykorzystuje się je w reaktorach. Proces utwardzania jest trudny i kosztowny. Zastosowanie jest ograniczone, a stop wykorzystuje się tylko w przypadkach specjalnych. NIMONIC i INCONEL to nazwy handlowe Inco Alloys International.

DURATHERM 600:

To nadający się do obróbki cieplnej stop serii kobaltowo-niklowej o doskonałych własnościach mechanicznych. W temperaturze 0 °C materiał jest niemagnetyczny. Można stosować go w bardzo wysokich temperaturach (600 °C i wyższych). Bardzo wysoka cena tego stopu ogranicza jego użycie do zastosowań specjalnych. DURATHERM jest nazwą handlową.

 

Nazwa skrócona
Stal do zastosowań normalnych
AISI
ASTIM
Nr materiałuNormaAnaliza chemiczna w %
 CSiMnP maks.S maks.CrVMoNiN
Stal sprężynowa              
C 60S10601.1211DIN EN 10132-40,57…0,650,15…0,350,60…0,900,0250,025maks. 0,4maks. 0,10maks. 0,40  
C 67S10701.1231DIN EN 10132-40,65…0,730,15…0,350,60…0,900,0250,025maks. 0,40maks. 0,10maks. 0,40  
C 75S10781.1248DIN EN 10132-40,70…0,800,15…0,350,60…0,900,0250,025maks. 0,40maks. 0,10maks. 0,40  
51 CrV 461501.8159DIN EN 10132-40,47…0,55maks. 0,400,70…1,100,0250,0250,90…1,200,10…0,25maks. 0,10maks. 0,40  
DIN 172210,47…0,550,15…0,400,70…1,100,030,030,90…1,200,10…0,20  
Stale odporne na korozję              
X 10 CrNi 18-83011.4310DIN EN 101510,05…015maks. 2,0maks. 2,00,0450,01516,0…19.=,0maks. 0,86,0…9,5 
X 7 CrNiAl 17-76311.4568DIN EN 10151maks. 0,09maks. 0,7maks. 1,00,040,01516,0…18,06,5…7,8 
X 5 CrNiMo 17-12-23161.4401DIN EN 10151maks. 0,07maks. 1,0maks. 2,00,0450,01516,5…18,52,0…2,510,0…13,0 maks. 0,11
X 5 CrNi 18-103041.4301DIN EN 10151maks. 0,07maks. 1,0maks. 2,00,0450,01517,0…19,58,0…10,5 maks. 0,11
Stal żaroodporna              
X 22 CrMoV 12-11.4923DIN EN 102690,18…0,24maks. 0,50,40…0,900,0250,01511,0…12,50,25…0,350,80…1,200,30…0,80  
X 39 CrMo 17-11.4122DIN EN 10088-20,33…0,45maks. 1,0maks. 1,50,040,0315,5…17,50,8…1,3maks. 1,0  
Stopy miedzi   SnPBeNi + CoCu      
CuSn 82.1030DIN EN 16547,5…8,50,01…0,4równowaga      
CuBe 22.1247DIN EN 16541,8…2,1maks. 0,3równowaga      
Stopy niklowe i kobaltowe   NiCrCoTiAlCSiMnFeCuZr
NiCr 20 Co 18 TiHEV62.4632 / 2.4969 równowaga18,0…21,015,0…21,02,0…3,01,0…2,00,13 maks.1,0 maks.1,0 maks.1,5 maks.0,2 maks.0,15 maks.
(Nimonic 90)5829C (AMS)             
NiCr 15 Fe 7 TiAl6882.4669 70,0 min.14,0…17,01,0 maks.2,25…2,750,40…1,000,08 maks.0,50 maks.1,0 maks.5,0…9,00,5 maks.
(Inconel X 750)5542L (AMS)             
NiCr 19 NbMo5596J (AMS)2.4668 50.0…55.017,0…21,01,0 maks.0,70…1,150,3…0,70,02…0,080,35 maks.0,35 maks.równowaga0,2 maks.
(Inconel 718)              
Duratherm 600 równowaga1240…411,8…2,28,7 
Stopy niklowe i kobaltowe (c.d.)   SPBNb + TaMoW     
NiCr 20 Co 18 TiHEV62.4632 / 2.4969 0.015 maks.0,03 maks.0,02 maks.     
(Nimonic 90)5829C (AMS)             
NiCr 15 Fe 7 TiAl6882.4669 0,015 maks.0,020 maks.0,7…1,2     
(Inconel X 750)5542L (AMS)             
NiCr 19 NbMo5596J (AMS) 2.4668  0.015 maks.0,015 maks.0,006 maks.4,8…5,52,8…3,3     
(Inconel 718)              
Duratherm 600– –  43,9    

 

Nazwa skrócona Stal do zastosowań normalnychAISI ASTMNr mat. REFNormaWłasności fizyczne i mechaniczne
 Gęstość Moduł E w kN/mm2 kg/dm3przy RT °C100 °C200 °C300 °C400 °C500 °C600 °CTemperatura robocza N/mm2Wytrzymałość na rozciąganie mmZakres grubościDostępność
Stal sprężynowa               
C 60S10601.1211DIN EN 10132-47,85206202-20…+1001150-17500,2…7,0wysoka
C 67S10701.1231DIN EN 10132-47,85206202-20…+1001200-18000,1…2,5wysoka
C 75S10781.1248DIN EN 10132-47,85206202-20…+1001200-18000,1…1,5wysoka
51 CrV 461501.8159DIN EN 10132-47,85206202196-50…+2001200-18000,3…80wysoka
DIN 17221            
Stal odporna na korozję               
X 10 CrNi 18-83011.4310DIN EN 101517,9190186180-200…+2001150-15000,2…2,5wysoka
X 7 CrNiAl 17-76311.4568DIN EN 101517,9195190180171-200…+3001150-17000,2…4,0średnia
X 5 CrNiMo 17-12-2 316 1.4401DIN EN 101517,95180176171-200…+2001000-15000,2…1,6niska
X 5 CrNi 18-103041.4301DIN EN 101517,9185179171-200…+2001000-15000,2…1,6średnia
Stal żaroodporna               
X 22 CrMoV 12-11.4923DIN EN 102697,7216209200190179167-50…+5001200-14001,5…20wysoka
X 39 CrMo 17-11.4122DIN EN 10088-27,7215212205200190-50…+4001200-1400.0,3 … 6,0wysoka
Stopy miedzi               
CuSn 82.1030DIN EN 16548,3115110-50…+100590-6900,1…6,0wysoka
CuBe 22.1247DIN EN 16548,8135131125-260…+2001270-14500,1…2,5wysoka
Stopy niklu i kobaltu               
NiCr 20 Co 18 TiHEV62.4632 / 2.4969 8,18220216208202193187178-200…+700> 1100do 6,35niska
(Nimonic 90)5829C (AMS)              
NiCr 15 Fe 7 TiAl 2.4669 8,28214207198190179170158-200…+600> 1170do 6,35niska
(Inconel X 750)5542L (AMS)              
NiCr 19 NbMo5596J (AMS)2.4668 8,19199195190185179174167-200…+600> 1240do 6,35niska
(Inconel 718)               
Duratherm 600 8,5220215208202195188-200…+5501150-15500,1…2,0niska