Stale sprężynowe należą do odrębnej grupy stali konstrukcyjnych stopowych. Cechuje je wysoka granica sprężystości, wytrzymałość na zmęczenie, gdzie wymagany jest powrót elementu do umownej formy po odjęciu nacisku, odporność na relaksację naprężeń, wysoka granica plastyczności, tłumienie i przejmowanie obciążeń o charakterze uderzeniowym (udarowym), a w szczególnych zastosowaniach w zależności od składu chemicznego wytypowanego gatunku, również odporność na korozję (przykładowo stal X10CrNi18-8, 1H18N9).

Stosowane są m. in. do wyrobu sprężyn, podkładek sprężynujących, resorów, wykazują świetne własności sprężyste, zarazem odporność na kruche pękanie (w sytuacji przeciążenia elementu występuje jego deformacja a nie pęknięcie), odporność na odkształcenia plastyczne gotowych fabrykantów (zmęczenie materiału), stosunkowo długi czas eksploatacji, oraz możliwość formowania odpowiednich kształtów na sprężyny, resory, oraz elementy sprężynujące dzięki wysokiej plastyczności materiałów z tej grupy.

Aby wydłużyć jeszcze bardziej czas eksploatacji elementu w warunkach podatnych na zmęczenie, powierzchnia sprężyn powinna być odpowiednio obrobiona, gładka, bez karbów, rys oraz nierówności. Obróbka cieplna stali sprężynowych polega na austenityzowaniu wyrobu w przedziale temperatury 800-870℃, hartowaniu w wodzie (ok. 30-40℃),bądź oleju (ok. 50-70℃), oraz odpuszczaniu w temperaturze 300-520℃ w zależności od gatunku stali. W wyniku tak wykonanej obróbki cieplnej element sprężynujący będzie miał strukturę martenzytu odpuszczonego.

Stale sprężynowe węglowe - specyfikacja i zastosowanie

Zastosowanie stali węglowych jest ukierunkowane głównie na mniejsze oraz nieco mniej odpowiedzialne elementy sprężynowe. Przypisane własności materiał zawdzięcza głównie wysokiej zawartości węgla ok. 0,55-1,10%. W porównaniu do reszty gatunków, stale węglowe mają niewielki zakres dodatków stopowych takich jak np. mangan oraz krzem. Wyroby z tych gatunków stosowane są na mniejsze sprężyny przez małą hartowność, słabą wytrzymałość i ciągliwość - czyli na mało obciążone płytki i części sprężynujące o małych przekrojach z blach, taśm, prętów i drutów do średnicy lub grubości 10mm. Materiał powinien być stosowany w środowisku pracy o maksymalnej temperaturze 150℃. Stale węglowe sprężynowe charakteryzują się wysoką granicą plastyczności, oraz dobrymi własnościami sprężystymi po ulepszaniu.

Stale chromowe z dodatkami krzemu, wanadu i manganu są grupą gatunków z jeszcze lepszymi parametrami w porównaniu do stali krzemowych i manganowych. Ich hartowność jest dużo lepsza, są przystosowane do pracy w dużo wyższych temperaturach (nawet 300℃), i mogą być stosowane jako szczególnie obciążone sprężyny, resory, oraz części sprężyn o dużo większych wymiarach.

Chrom z dodatkiem wanadu (CrV) oraz Chrom z Molibdenem (CrMo) w stalach sprężynowcych określanych jako połączenie pierwiastków węglikotwórczych, powoduje mniejszą ilość wtrąceń niemetaliczynch a co za tym idzie, odporność materiału na zmęczenie jest znacznie większa w stosunku do stali krzemowych.

Plastyczność stali sprężynowych jest także dość istotną cechą, i tutaj również na pierwszym miejscu stawiamy stale chromowe pod względem wysokiego współczynnika powstawania odkształceń.

Zwłaszcza gatunki stopowe SiCrV, chromowo-krzemowe z dodatkiem Wanadu, oraz SiCrMo, chromowo-krzemowo-molibdenowe wykazują najwyższe minimalne wartości Re. Dopisując do tej grupy jeszcze stale CrV, oraz stale CrMoV, cała "czwórka" wykazuje najwyższą temperaturę pracy do 300℃. Zakres węgla w stalach chromowych: ok. 0,40%-0,65%.

Stale o składzie Si-krzemowym, Mn-Manganowym, lub połączonym Si-Mn, charakteryzują się mniejszą zawartością węgla w stosunku do stali sprężynowych węglowych. Dodatki takie jak krzem i mangan sprawiają, że stale te cechuje większa wytrzymałość, udarność, plastyczność oraz wysoką odporność na relaksację naprężeń. W porównaniu do stali węglowych, stale krzemowe podczas odpuszczania łatwo się odwęglają i ulegają grafityzacji. Hartowność jest zbliżona do stali węglowych. Swoją plastyczność zawdzięczają większej zawartości Krzemu, a w niektórych gatunkach występujący jako dodatek Mangan (np. stal 65Mn4), powoduje jeszcze większą hartowność Stale te również nie nadają się do pracy w wysokich temperaturach. Zarkes węgla w stalach krzemowych to ok. 0,38-0,60%

Skład chemiczny i rodzaje

Gatunki konstrukcyjne stopowe sprężynowe posiadają dość szeroki zakres węgla C: 0,40-1,25%. Za sprężystość tych stali i inne charakterystyczne własności materiałów odpowiada między innymi Krzem. W wyniku wciąż trwających badań, rozwoju technologii konstrukcji i maszyn,nie należy ulegać stereotypom, że podgrupa stali sprężynowych stopowych jest tylko wykorzystywana na sprężyny. Coraz częściej wybiegając poza schemat, stało się faktem, że wiele gatunków stali narzędziowych, stali wysokostopowych odpornych na korozję, a nawet stali łożyskowych wykazuje odpowiednie własności i są traktowane jako stal sprężynowa w wyjątkach do specjalnych zastosowań. Stale sprężynowe dostarczane są w stanie wyżarzonym zmiękczająco, ulepszonym cieplnie, oraz w stanie surowym.

Wyróżniamy parę rodzajów podstawowych podgrup stali sprężynowych:

stale węglowe sprężynowe, (np. C60S, 1.1211, C55S, 65 / C67S, 75 / C75S, 85 / C85S, C90S, C100S, C125S)
stale krzemowe i krzemowo-manganowe (np. 38Si7 / 40S2, 46Si7, 51Si7 / 50S2, 56Si7 / 55S2, 52SiCrNi5, 1.7117, 60S2A, 65Mn4 / 65G, 60SG)
stale chromowe z dodatkami Wanadu, Manganu, Molibdenu, Wolframu, oraz Niklu (np. 51CrV4 / 50HF, 65S2WA, 50HS, 50HG, 60SGH)

Blachy, taśmy, formatki i pręty sprężynowe

Powyżej opisane gatunki stali stopowej i węglowej sprężynowej określają polskie normy PN-74/H-84032, PN-75/H-84019, PN-60/H-84030 (PN-H-84032:1965), GOST 2052-53, PN-EN 10083 oraz PN-EN 10089:2005, wg których dostarczane są:

Blachy gorącowalcowane sprężynowe wg PN-EN 10029, oraz PN-H-92135, PN-H-92134
Odkuwki i pręty swobodnie kute sprężynowe wg PN-79/H-94500, PN-84/H-94004, PN-EN 10250-3,
Taśmy sprężynowe zimnowalcowane wg PN-EN 10132-4:2004, PN-EN 10131, PN-75/H-92335, PN-74/H-92329
Pręty sprężynowe walcowane wg PN-96/H-93003,PN-64/H-92604 PN-EN 10025-6, oraz PN-EN 10060,
Płaskowniki sprężynowe walcowane wg PN-H-93219, oraz PN-EN 10092-1,
Pręty ciągnione sprężynowe wg PN-85/H-93210, oraz pręty łuszczone sprężynowe wg PN-96/H-93005, PN-56/H-93006, PN-96/H-93009
Druty sprężynowe mechaniczne wg PN-EN 10270, PN-91/H-84028 oraz PN-96/H-93005, PN-55/H-80057