Dobór stali sprężynowej: Gatunki 65Mn, krzemowe i chromowo-wanadowe

Co musi robić stal sprężynowa

Sprężyna przechowuje energię sprężyście, miliony razy. Właściwościami rządzącymi są wysoka granica sprężystości (plastyczności) w stosunku do wytrzymałości na rozciąganie, odporność na zmęczenie oraz odporność na odkształcenie trwałe (trwałe opadanie) — wszystkie silnie uzależnione od jakości powierzchni i odwęglenia, a nie tylko od składu chemicznego.

Drabina gatunków

Stal	Rodzina	Typowe role
65Mn	Węglowo-manganowa	Niskokosztowe sprężyny płaskie i lekkie sprężyny śrubowe, podkładki, klipsy
Klasa 55Si7 / SUP7	Krzemowo-manganowa	Resory piórowe, cięższe sprężyny śrubowe
Klasa SUP9	Manganowo-chromowa	Sprężyny śrubowe i piórowe wymagające lepszej hartowności
51CrV4 / 6150	Chromowo-wanadowa	Silnie obciążone sprężyny śrubowe, skrętne i zaworowe

Dlaczego krzem i wanad pomagają

Krzem zwiększa granicę sprężystości oraz, co ważne, odporność na odpuszczanie — sprężyna krzemowa utrzymuje swoje obciążenie w danej temperaturze odpuszczania lepiej niż zwykła sprężyna węglowa, dlatego stale Si-Mn dominują w resorach piórowych. Chrom dodaje hartowności dla grubszych przekrojów; wanad rozdrabnia ziarno i dodaje wytrzymałości zmęczeniowej, co przystosowuje 51CrV4/6150 do sprężyn zaworów silnikowych i zawieszeń premium.

65Mn jest hartowalna tylko w cienkich przekrojach i jako pierwsza traci obciążenie pod wpływem ciepła; pozostaje niepokonana pod względem kosztów w przypadku klipsów, sprężyn płaskich i części rolniczych.

Twardość i temperatura

Ulepszane cieplnie sprężyny piórowe i śrubowe zwykle pracują w paśmie ~42–50 HRC — miększe poświęcają nośność, twardsze poświęcają żywotność zmęczeniową i sprzyjają kruchemu uszkodzeniu. Limity temperatury pracy wynikają ze stopowania, w przybliżeniu: gatunki zwykłe węglowe/manganowe są ogólnie ograniczone do około 100–120 °C, gatunki krzemowe do około 200 °C, a chromowo-wanadowe do około 200–250 °C; poza tym rządzi relaksacja (utrata obciążenia w temperaturze) i przejmują stopy specjalne.

Zmęczenie to gra powierzchni

Kulowanie, kontrolowane limity odwęglenia i gładkie przejścia rutynowo mają większe znaczenie niż ulepszenie gatunku: większość pęknięć zmęczeniowych sprężyn zaczyna się na wadach powierzchni. Należy określać stan powierzchni i kulowanie obok stali.

Formy dostawy zmieniają obraz gatunku

Sprężyny docierają do fabryki jako blacha, pręt lub — bardzo często — drut, a drut ma własne oznaczenia stali nałożone na te same rodziny składu chemicznego. Małe sprężyny precyzyjne wykorzystują drut węglowy ciągniony na twardo lub patentowany (drut fortepianowy jest końcem o wysokiej jakości); druty Si-Mn i Cr-V/Si-Cr odpuszczane w oleju służą do sprężyn zaworowych i sprzęgłowych, w których drut jest dostarczany już po hartowaniu i odpuszczaniu, więc zwijarka jedynie formuje i odpręża. Duże sprężyny są nawijane na gorąco z pręta, a następnie hartowane i odpuszczane jako gotowe zwoje. Porównywanie stali sprężynowych w tych formach bez odnotowania drogi wprowadza w błąd: wydajność sprężyny zaworowej zawdzięcza równie dużo czystości drutu i kontroli powierzchni (badanie prądami wirowymi w celu wykrycia szwów) co jej chemii chromowo-wanadowej.

Ustawianie, wstępne ustawianie i relaksacja

Gotowe sprężyny są często wstępnie ustawiane (presetowane) — ściskane raz celowo poza granicę plastyczności — aby ustabilizować długość swobodną i zwiększyć użyteczne naprężenie. Utrata obciążenia w czasie w temperaturze, zwana relaksacją, jest cichą specyfikacją: jest mierzona i ograniczana w zastosowaniach silnikowych i wysokotemperaturowych, i to ona, a nie wytrzymałość statyczna, zwykle wycofuje skądinąd nienaruszoną sprężynę z eksploatacji.