В настоящее время в связи с импортозамещением, политической ситуацией в мире и новой оборонной доктриной в металлообрабатывающей промышленности возрастает спрос на изделия, которые способны обеспечить работоспособность узлов и агрегатов в условиях эксплуатации при низких и высоких температурах, агрессивных средах, таких как морская вода, кислоты и щелочи, атомарный кислород. Что касается нашей отрасли, в первую очередь это относится к крепежным изделиям и пружинам. Но если для производства крепежа в основном требуется качественный штампуемый металл, то к материалу для пружин предъявляются совершенно иные более высокие требования по качеству, физическим и химическим свойствам. Кроме пластичности, пружинные стали и сплавы должны иметь однородную структуру, поверхность без дефектов металлургического характера и обладать памятью формы. Это связано прежде всего с тем, что пружина является по сути аккумулятором механической энергии. Когда-то в энергетике было выражение: Человек, который изобретет самый совершенный аккумулятор энергии, будет поставлен в один ряд с Эйнштейном или тем лицом, кто найдет средство против рака. Как вы знаете, существуют четыре основные типа аккумуляторов энергии:
1. Термохимические аккумуляторы на основе углеводородного сырья из нефти и газа.
2. Термоядерные аккумуляторы.
3. Электролитические аккумуляторы.
4. Механические аккумуляторы, в том числе пружины.
Если к первым двум типам человечеством пока не найдены пути их воспроизводства, электролитические аккумуляторы ограничены по емкости, массогабаритным показателям и времени сохранения энергии, то пружины занимают определенную, ничем другим не заменимую нишу в области накопления, сохранения и отдачи энергии. Свойства и работоспособность пружин во многом зависит от качества исходного материала, то есть у наших уважаемых металлургов есть большие стимулы и перспективы в сфере разработки и производства пружинных марок сталей и сплавов.
Типы материалов для производства пружин.
Для производства пружин в основном используются шесть типов материалов, а именно: углеродистые, легированные, легированные термообработанные, нержавеющие стали, сплавы на основе никеля, хрома и кобальта (нимоники) и титановые сплавы. Для первых двух типов сталей при работе в агрессивных средах необходимо наличие защитного покрытия. При этом нужно учитывать, что при нанесении цинковых покрытий на поверхности металла могут быть образованы хрупкие интерметаллиды, которые неприемлемы при динамической работе пружины. Кроме того, электролитические процессы при гальванике и катофорезе могут привести к наводораживанию поверхности и в конечном итоге к охрупчиванию детали. Наиболее современным защитным покрытием является цинк-ламельное. Оно позволяет обеспечивать качественную защиту металла пружины без каких-либо вредных воздействий, в том числе на пружинах растяжения при плотно поджатых витках. Установки для нанесения таких покрытий для крупногабаритных деталей есть в Екатеринбурге и Тольятти. Пружины диаметром прутка до 16 мм. производятся, как правило, методом холодной навивки, а свыше 16 мм. – горячей навивкой. Тема наличия качественных защитных покрытий пружин актуальна для пружин подвески легковых автомобилей и сельскохозяйственных машин, в частности «Ростсельмаш».
Для наиболее ответственных узлов и агрегатов пружины изготавливаются из нержавеющей проволоки обыкновенного и повышенного качества. Такие отрасли промышленности, как атомная и судостроительная, требуют использования подобных марок с селектом по химии. Это прежде всего связано с исключением межкристаллитной коррозии металла. К примеру, для пружины клапана первого контура атомного реактора обслуживание и замена изделия в процессе работы невозможны, а выход из строя может привести к катастрофическим последствиям. Упругий элемент должно иметь стопроцентную гарантию по качеству. В Росси эти марки сталей производят только два предприятия: Группа «Мечел» (Ижсталь и БМК) и Металлургический завод «Электросталь», причем утвержденные технические условия с вышеуказанными заказчиками имеют только заводы «Мечела». Основная сложность изготовления пружин из нержавеющей стали заключается в том, что навивку производят в холодном состоянии из нагартованной проволоки с высокой механикой и последующим старением готового изделия.
Сплавы для производства пружин.
Сплавы на основе никеля, хрома и кобальта (нимоники) используются для производства пружин, которые должны обладать высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению под действием от - 253 до + 800 С и окислительных сред. Области применения – это камеры сгорания газотурбинных двигателей, реактивных двигателей специальных изделий, химические реакторы, арматура атомной энергетики. Наше предприятие обладает технологией изготовления таких пружин.
Титановые сплавы имеют ряд существенных преимуществ перед другими материалами при использовании их в различных упругих элементах. В них выгодно сочетается высокая прочность, сравнительно низкий модуль упругости, низкая плотность, малая магнитная проницаемость, хорошая коррозионная стойкость в агрессивных средах. В атмосферных условиях титан и его сплавы являются одним из наиболее стойких конструкционных материалов. В пресной воде титан не корродирует, по стойкости в морской воде он превосходит нержавеющие стали в 10-20 раз. Из числа органических сред, в которых титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, можно назвать все нефтепродукты, многие минеральные и органические кислоты.
Наше предприятие является практически единственным изготовителем пружин из титановых сплавов в России и одним из немногих в мире. Мы производим пружины сжатия, растяжения, кручения и тарельчатые. Особенностью эксплуатации подобных изделий являются длительные сроки (до 20 лет и более) нахождения в напряженном состоянии в критических условиях и агрессивных средах и гарантированное срабатывание при необходимости.
Упругие элементы из титановых сплавов.
Особое место среди упругих элементов занимают титановые тарельчатые пружины, которые используются для обеспечения высоких силовых нагрузок при малых деформациях. Пружины используются, как правило, в виде унифицированных узлов, так называемых пакетов и наборов. Тарельчатые пружины используются в морской, авиационной и космической технике, а именно в предохранительных муфтах, различных клапанах, для возврата поршней, компенсации люфтов, в разборных контактных соединениях, креплениях футеровок и системах продольной и поперечной амортизации специальных изделий. Стоимость титановых пружин определяется прежде всего ценой исходного полуфабриката. Опыт многолетней работы на рынке упругих элементов показал, что по сравнению с пружиной из хромо-никелевого сплава аналогичная титановая пружина будет стоить на 30-40 % дороже, однако повышенный срок службы и ряд уникальных свойств многократно компенсируют понесенные затраты.
В настоящее время быстро увеличивается спрос на пружины из титановых сплавов. Если раньше основными потребителями титана были оборонная, авиационная, космическая и химическая промышленность, то сейчас начинают поступать заказы от автомобильной отрасли на пружины подвески, причем в достаточно серьезных объемах.
Разработка и поставка проволоки для пружин.
Основными поставщиками титановых сплавов являются: по листовому прокату – ВСМПО-АВИСМА, а по сортовому прокату и проволоке – Чепецкий механический завод. Технические специалисты и ученые нашего предприятия принимают самое непосредственное участие в разработке технологий изготовления титановых сплавов. На ВСМПО совместно с нами была разработана и внедрена технология прокатки листов, обеспечивающая изотропность механических свойств по всей плоскости, что крайне важно при изготовлении пакетов тарельчатых пружин. На Чепецком механическом заводе профинансирована, успешно проведена и внедрена опытно-конструкторская и технологическая работа по разработке технологии изготовления проволоки из титановых сплавов, изготовлены и испытаны опыпно-промышленные партии. Результатом совместной работы является тот факт, что ранее простаивающий проволочный цех ЧМЗ на сегодня перегружен заказами , руководство завода было вынуждено даже принять решение об отказе разработки титановых сплавов для холодной объемной штамповки в пользу пружинной проволоки.
В ближайшее будущее запланирован выпуск специализированного научно-технического журнала «Пружина», в котором будет публиковаться информация о работе пружинной отрасли России.
Доклад предоставлен фирмой «Спринг-Центр» - «Пружинный Центр», специалисты которой осуществляют комплексные инженерные решения в области выбора материалов и производства пружин.