Stale konstrukcyjne węglowe – stal sprężynowa, gatunki i charakterystyka
Stal sprężynowa wg PN-74/H-84032 gat.65, 75, 85 oraz zamienniki 1.0603, C67S, 1.1231, 1.1230, 1.0605, C75S, 1.0614, 1.1248, 1.1269, C85S, C100S, 2CS100, 1.1274, Ck101, AISI 1095, znana również jako stal resorowa, to grupa materiałów charakteryzujących się wysoką zawartością węgla. Dzięki temu, po odpowiedniej obróbce cieplnej, przede wszystkim hartowaniu i odpuszczaniu, stal ta może uzyskać wysokie właściwości sprężyste, wytrzymałość mechaniczną oraz granicę sprężystości. Specyficzne właściwości tej grupy materiałów mają jednak istotne ograniczenia, które determinują ich zastosowanie w konstrukcjach mechanicznych.
Charakterystyka stali sprężynowych węglowych
- Duża zawartość węgla:
- Typowe wartości zawartości węgla w omawianych gatunkach mieszczą się w przybliżeniu w zakresie 0,60–1,00%.
- Węgiel ma podstawowe znaczenie dla możliwości uzyskania dużej twardości po hartowaniu. Wraz ze wzrostem jego zawartości rośnie potencjalna twardość i wytrzymałość stali, ale zwykle zmniejszają się jej plastyczność i udarność.
- Dzięki odpowiednio dobranej obróbce cieplnej stale sprężynowe węglowe mogą uzyskać wysoką wytrzymałość mechaniczną oraz właściwości wymagane od elementów sprężystych.
- Ograniczona hartowność:
- W porównaniu ze stopowymi stalami sprężynowymi stale węglowe charakteryzują się ograniczoną hartownością. Z tego względu są odpowiednie przede wszystkim do wykonywania elementów o stosunkowo niewielkich przekrojach, takich jak druty oraz cienkie taśmy.
- Przy większych przekrojach uzyskanie wymaganej struktury i właściwości w całym przekroju może być utrudnione, dlatego w bardziej wymagających zastosowaniach stosuje się również stale sprężynowe stopowe.
- Wpływ temperatury:
- Granica temperatury pracy: właściwości sprężyste węglowych stali sprężynowych pogarszają się wraz ze wzrostem temperatury. W zastosowaniach wymagających długotrwałej pracy w podwyższonej temperaturze korzystniejsze mogą być odpowiednio dobrane stale stopowe.
- Odpuszczanie: temperatura i czas odpuszczania mają bezpośredni wpływ na końcową twardość, wytrzymałość, plastyczność i właściwości sprężyste materiału.
- Odporność na relaksację naprężeń:
- W warunkach długotrwałego obciążenia, szczególnie przy podwyższonej temperaturze, stale sprężynowe węglowe mogą wykazywać mniejszą odporność na relaksację naprężeń niż odpowiednio dobrane stale sprężynowe stopowe.
- Ograniczenia mechaniczne:
- Zwiększanie twardości i wytrzymałości stali wysokowęglowej odbywa się kosztem części jej właściwości plastycznych. Właściwy dobór gatunku oraz parametrów hartowania i odpuszczania jest więc kompromisem pomiędzy wymaganą wytrzymałością, sprężystością, plastycznością i odpornością na pękanie.
Zastosowanie stali sprężynowych węglowych
Stale sprężynowe węglowe są powszechnie stosowane w konstrukcjach wymagających wysokiej sprężystości i wytrzymałości, szczególnie gdy przekroje elementów są niewielkie, a warunki pracy nie wymagają zastosowania bardziej złożonych stali stopowych. Typowe zastosowania obejmują:
- sprężyny spiralne i piórowe o stosunkowo małym przekroju,
- elementy mocujące wykonywane z cienkiej blachy, taśmy lub drutu,
- sprężyny mechaniczne stosowane w mechanizmach precyzyjnych, miernikach i mechanizmach napinających,
- resory i inne elementy sprężyste,
- taśmy sprężynowe węglowe przeznaczone do dalszego przetwarzania i produkcji elementów sprężystych.
Stale sprężynowe węglowe a obróbka cieplna
Właściwości użytkowe stali sprężynowych węglowych są silnie związane z zastosowaną obróbką cieplną. Sam skład chemiczny nie gwarantuje uzyskania wymaganych właściwości sprężyny.
Podstawowym procesem stosowanym do uzyskania dużej twardości i wytrzymałości jest hartowanie. Odpowiednio szybkie chłodzenie po austenityzacji umożliwia uzyskanie struktury o dużej twardości. Węgiel odgrywa w tym procesie zasadniczą rolę, ponieważ jego zawartość wpływa na możliwą do uzyskania twardość martenzytu.
Po hartowaniu stosuje się odpuszczanie, którego zadaniem jest odpowiednie ukształtowanie relacji pomiędzy twardością, wytrzymałością i właściwościami plastycznymi materiału. Parametry procesu należy dobierać do konkretnego gatunku, wymiarów elementu i wymaganych właściwości końcowych.
Ocena efektów obróbki cieplnej może obejmować między innymi pomiar twardości. Wynik twardości powinien być zawsze podawany wraz z zastosowaną metodą lub skalą, np. HBW, HRC lub HV.
Stale sprężynowe węglowe a korozja
Węglowe stale sprężynowe nie należą do stali nierdzewnych i w stanie niezabezpieczonym mogą ulegać korozji. W warunkach atmosferycznych istotne znaczenie mają przede wszystkim obecność wilgoci, tlenu, soli oraz zanieczyszczeń znajdujących się na powierzchni materiału.
Niezabezpieczona stal węglowa narażona na działanie atmosfery może ulegać korozji atmosferycznej. W wielu warunkach ma ona charakter zbliżony do korozji równomiernej, prowadzącej do stopniowego ubytku materiału na powierzchni.
W przypadku sprężyn korozja ma dodatkowe znaczenie ze względu na charakter ich pracy. Lokalne uszkodzenia powierzchni mogą tworzyć miejsca koncentracji naprężeń i niekorzystnie wpływać na trwałość zmęczeniową elementu. Z tego względu zależnie od warunków eksploatacji stosuje się odpowiednie zabezpieczenia powierzchniowe, powłoki lub dobiera materiał o większej odporności korozyjnej.
Gatunki stali sprężynowych węglowych
Współczesne oznaczenia gatunków, takie jak C67S, C75S, C85S i C100S, odnoszą się między innymi do zawartości węgla. Zasady oznaczania stali według systemu europejskiego opisuje między innymi PN-EN 10027-1. Zbiorcze zestawienie oznaczeń materiałów znajduje się również na stronie gatunki stali i stopów specjalnych.
- C67S – około 0,67% C, 1.0603, PN 65, 1.1231, 1.1230:
- Stal sprężynowa stosowana między innymi na taśmy, druty i elementy sprężyste o stosunkowo niewielkich przekrojach.
- C75S – około 0,75% C, 1.0605, PN 75, 1.0614, 1.1248:
- Gatunek wysokowęglowy przeznaczony między innymi na taśmy, sprężyny spiralne i piórowe oraz inne elementy wymagające dużej sprężystości i wytrzymałości.
- C85S – około 0,85% C, 1.1269, PN 85:
- Większa zawartość węgla umożliwia uzyskanie wysokiej twardości i wytrzymałości po odpowiednio dobranej obróbce cieplnej.
- C100S – około 1,00% C, 2CS100, 1.1274, Ck101, AISI 1095:
- Stal o bardzo dużej zawartości węgla, umożliwiającej uzyskanie wysokiej twardości i wytrzymałości po właściwej obróbce cieplnej. Stosowana na sprężyny, taśmy i inne elementy wymagające wysokich właściwości mechanicznych.
Wpływ węgla na właściwości stali sprężynowej
Węgiel (C) jest najważniejszym pierwiastkiem decydującym o charakterze węglowych stali sprężynowych. Wpływa na przemiany strukturalne zachodzące podczas obróbki cieplnej oraz na możliwą do uzyskania twardość i wytrzymałość.
W układzie żelazo–węgiel występują między innymi ferryt, austenit, cementyt i perlit. Ich udział oraz morfologia zależą od zawartości węgla i historii cieplnej materiału. Podczas hartowania odpowiednio szybkie chłodzenie austenitu może prowadzić do powstania martenzytu, którego twardość jest silnie związana z zawartością węgla.
Dlatego wzrost zawartości węgla od C67S przez C75S i C85S do C100S wpływa na potencjalne właściwości materiału po obróbce cieplnej, ale jednocześnie zwiększa wymagania dotyczące prawidłowego prowadzenia procesu i ogranicza część właściwości plastycznych.
Stal sprężynowa węglowa – podsumowanie
Węglowe stale sprężynowe C67S, C75S, C85S i C100S są grupą stali wysokowęglowych przeznaczonych przede wszystkim do produkcji elementów wymagających dużej sprężystości i wytrzymałości. Ich właściwości wynikają zarówno z wysokiej zawartości węgla, jak i z odpowiednio dobranej obróbki cieplnej.
Kluczowe znaczenie mają hartowanie oraz odpuszczanie, pozwalające kształtować twardość, wytrzymałość i właściwości sprężyste materiału. Ze względu na ograniczoną hartowność stale te najlepiej sprawdzają się w elementach o stosunkowo niewielkich przekrojach.
W zastosowaniach zewnętrznych należy również uwzględnić podatność niezabezpieczonej stali węglowej na korozję atmosferyczną oraz odpowiednio dobrać sposób ochrony powierzchni.
Stale konstrukcyjne węglowe – stale sprężynowe
65 – stal sprężynowa węglowa 1.0603, C67S, 1.1231, 1.1230
75 – stal sprężynowa węglowa 1.0605, C75S, 1.0614, 1.1248
85 – stal sprężynowa węglowa 1.1269, C85S
Stale sprężynowe wg PN-EN
Stal sprężynowa węglowa c100s, 2CS100, 1.1274, Ck101, AISI 1095
Wymiary taśm zimnowalcowanych sprężynowych
- Taśmy sprężynowe węglowe ulepszone: C55S, C67S, 1.1231, 1.1230, C75S, 1.0605, 1.0614, 1.1248, C85S, 1.1269, C100S, 1.1274 – dostępne zwoje, pasy, formatki.
- Sprężynowe nierdzewne 1.4310 – dostępne w formie kręgów, pasów, formatów
- Taśmy węglowe do hartowania: C45E, C55S, C60S, C67S, 1.1231, 1.1230, C75S, 1.0605, 1.0614, 1.1248, C85S, 1.1269, C100S, 1.1274 – dostępne zwoje, pasy, formatki.
- Taśmy nierdzewne precyzyjne 1.4301, 1.4571 – dostępne pasy, formatki, zwoje.
Zobacz również
stal konstrukcyjna stopowa sprężynowa
Pozostałe stale konstrukcyjne stopowe
stal do nawęglania
stale konstrukcyjne stopowe do azotowania
stale konstrukcyjne stopowe łożyskowe
stal konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego
stale konstrukcyjne stopowe do pracy w podwyższonych temperaturach – stal kotłowa