Oznaczenia i właściwości stali sprężynowej: jak wybrać i zamówić materiał z cięciem na wymiar

Stal sprężynowa charakteryzuje się wysoką granicą sprężystości oraz twardością po hartowaniu w przedziale od 35 do 60 HRC. Jednym z najczęściej stosowanych w tej grupie gatunków jest stal chromowo-wanadowa 51CrV4 (numer materiałowy 1.8159), która po prawidłowo dobranym hartowaniu i odpuszczaniu łączy wysoką granicę sprężystości z dobrą wytrzymałością zmęczeniową. Multistal & Lohmann dostarcza ten wyrób hutniczy z atestem 3.1 oraz usługą cięcia CNC na wymiar. 

Czym jest stal sprężynowa i jak pracuje pod obciążeniem? 

Stal sprężynowa to grupa wysokogatunkowych stali konstrukcyjnych przeznaczonych do elementów, które mają wielokrotnie lub długotrwale odkształcać się sprężyście bez niedopuszczalnej zmiany kształtu*.

O przydatności materiału na sprężynę nie decyduje sama twardość, lecz kombinacja kilku właściwości mechanicznych: wysoka granica plastyczności i granica sprężystości, dobra wytrzymałość zmęczeniowa, odpowiednia ciągliwość, hartowność oraz odporność na relaksację naprężeń. 

Skala tych wartości zależy od gatunku, przekroju i stanu dostawy. W praktyce dla stali sprężynowych w stanie wyżarzonym zmiękczająco (+A) twardość zwykle nie przekracza ok. 220-250 HB, natomiast po hartowaniu i odpuszczaniu (+QT) mieści się orientacyjnie w przedziale od ok. 35 do 60 HRC. Punktem odniesienia dla prezentacji tych właściwości fizycznych i mechanicznych jest norma PN-EN 10089.

Do przedwczesnego pękania resorów i sprężyn dochodzi zwykle na skutek kilku nakładających się przyczyn: zmęczenia materiału, przeciążenia przekraczającego dopuszczalny zakres odkształceń, wad powierzchniowych i karbów, korozji wżerowej, a także błędów samego procesu obróbki cieplnej. Dobór gatunku pod konkretne obciążenie ma duże znaczenie. Do mocno obciążonych elementów, takich jak resory, przekładnie czy sprężyny pracujące w urządzeniach i pojazdach mechanicznych, stosuje się między innymi stal chromowo-wanadową 51CrV4 (1.8159, PN: 50HF).

Multistal & Lohmann, obecny na rynku dystrybucji stali od 1993 roku z siedzibą w Poznaniu, opiera dobór gatunków na wieloletnim doświadczeniu w dostarczaniu materiałów dla przemysłu maszynowego. 

*Element wraca do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia tylko wtedy, gdy naprężenia i odkształcenia pozostają w zakresie sprężystym. Obciążenie może przy tym mieć charakter cykliczny, udarowy lub długotrwały, a nie wyłącznie dynamiczny. 

Skład chemiczny stali sprężynowej: rola pierwiastków stopowych

O zdolności stali sprężynowej do uzyskania wysokiej granicy sprężystości i odporności zmęczeniowej decyduje skład chemiczny. Zawartość węgla w stalach sprężynowych mieści się zwykle w przedziale od około 0,45% do 0,85% wagowych.

Do najważniejszych pierwiastków stopowych w stali sprężynowej należą:

• Węgiel (C): decyduje o osiągalnej twardości i wytrzymałości po hartowaniu. Wyższa zawartość zwiększa możliwą twardość, ale ogranicza spawalność i ciągliwość.
• Krzem (Si): wpływ krzemu na stal sprężynową polega głównie na podnoszeniu granicy sprężystości i odporności na odpuszczanie.
• Mangan (Mn): zwiększa hartowność, umożliwiając uzyskanie wymaganych właściwości w większych przekrojach.
• Chrom (Cr): zwiększa hartowność i korzystnie wpływa na odporność na odpuszczanie.
• Wanad (V): przy prawidłowo prowadzonej obróbce cieplnej ogranicza rozrost ziarna austenitu.

Skład chemiczny stali sprężynowej 51CrV4 (1.8159)

Popularnym gatunkiem chromowo-wanadowym jest 51CrV4 (w starszej dokumentacji spotykane jest też oznaczenie 50CrV4). 

Pierwiastek	C	Si	Mn	Cr	V
min	0,47	0,10	0,60	0,80	0,10
maks.	0,55	0,40	1,00	1,10	0,25

Połączenie chromu i wanadu zapewnia dobrą hartowność oraz drobnoziarnistą strukturę po obróbce cieplnej, co przekłada się na wysoką odporność zmęczeniową.

Oznaczenia i gatunki stali sprężynowej według norm

PN-EN 10089* obejmuje techniczne warunki dostawy wybranych walcowanych na gorąco prętów okrągłych i płaskich oraz walcówki ze stali stopowych przeznaczonych na sprężyny formowane, a następnie poddawane obróbce cieplnej (hartowaniu i odpuszczaniu).

Gatunek	Nr materiałowy	Norma	Typowa postać	Twardość	Uwagi
51CrV4	1.8159	EN 10089	pręty, płaskowniki	maks. 248 HB	twardość po hartowaniu i odpuszczaniu zależy od średnicy/grubości (patrz wykres odpuszczania Multistal)
X10CrNi18-8	1.4310	EN 10088	–	zależna od stopnia zgniotu	właściwości sprężyste uzyskiwane przez umocnienie zgniotowe na zimno po wyżarzeniu rozpuszczającym (1010-1120 °C/woda); stal do pracy sprężynowej do temp. ok. 300 °C

*Norma nie obejmuje wszystkich postaci wyrobów sprężynowych. Druty sprężynowe (EN 10270), taśmy zimnowalcowane oraz sprężynowe stale nierdzewne (dobierane wg EN 10088 i norm wyrobu) podlegają odrębnym normom.

Jakie jest oznaczenie stali sprężynowej według standardów EN

Oznaczenie gatunku stali sprężynowej tworzone jest zgodnie z systemem EN 10027-1. Liczba na początku symbolu wiąże się z przybliżoną zawartością węgla, litery wskazują główne dodatki stopowe (np. Cr, V), a liczba na końcu jest współczynnikiem odniesionym do ich zawartości.

Obok symbolu funkcjonuje numer materiałowy (Werkstoffnummer), jednoznacznie identyfikujący gatunek niezależnie od stosowanej nazwy słownej. To on, wraz z normą wyrobu, powinien być podstawą doboru gatunku i weryfikacji danych podanych w ateście 3.1 dla dostarczanych wyrobów hutniczych.

Więcej o oznaczeniach gatunków i normie EN 10027-1: Oznaczenia stali.

Zastosowanie wyrobów sprężystych w przemyśle maszynowym

Wyroby ze stali sprężynowej stosuje się m.in. do produkcji resorów, sprężyn śrubowych, talerzowych i taśm zabezpieczających, pracujących pod obciążeniami cyklicznymi w motoryzacji i maszynach.

Parametry tych wyrobów precyzyjnie definiują normy hutnicze. Świadectwo odbioru 3.1 wg EN 10204 ułatwia weryfikację zgodności dostawy z zamówieniem i identyfikację partii materiału.

Cięcie na wymiar prętów i blach sprężynowych

Cięcie stali sprężynowej na wymiar wykonuje się na precyzyjnych przecinarkach taśmowych CNC, co ogranicza wpływ cieplny na materiał w porównaniu z metodami termicznymi.

Wycinanie prętów, blach i płyt ze stali sprężynowej (również na przecinarce CNC) może powodować miejscowe nagrzewanie krawędzi, zadziory, drobne odkształcenia oraz naprężenia mechaniczne powstałe w miejscu mocowania i cięcia.

Ślady po cięciu mogą działać jak karby i inicjować pęknięcia. Dlatego po cięciu zaleca się:

• usunięcie zadziorów i ostrych krawędzi,
• kontrolę prostopadłości cięcia,
• pozostawienie odpowiedniego naddatku technologicznego przed dalszą obróbką lub hartowaniem,
• zachowanie oznaczenia partii materiału dla identyfikowalności.

Multistal & Lohmann realizuje zlecenia B2B na pręty okrągłe, płaskowniki i blachy sprężynowe, dysponując parkiem maszynowym objętym certyfikatem ISO 9001 TÜV SÜD.

Stal sprężynowa a stal narzędziowa: różnice w przeznaczeniu i parametrach

Stal sprężynowa różni się od narzędziowej wyższą granicą plastyczności i odpornością na relaksację naprężeń kosztem mniejszej odporności na ścieranie w wysokich temperaturach.

Przykładem stali narzędziowej do pracy na zimno jest NC11LV (1.2379, X153CrMoV12). Jest to wysokochromowy gatunek o dużej zawartości węgla, przeznaczony na matryce, stemple i wykrojniki.

Cecha	Stal sprężynowa (51CrV4)	Stal narzędziowa (NC11LV)
Twardość po obróbce	ok. 35-60 HRC, zależnie od przekroju	min. 61 HRC po hartowaniu i niskim odpuszczaniu (180 °C)
Główny mechanizm pracy	wielokrotne odkształcenie sprężyste, odporność zmęczeniowa	odporność na ścieranie i naciski kontaktowe
Typowe zastosowanie	resory, sprężyny śrubowe i talerzowe	matryce, wykrojniki, narzędzia do cięcia i tłoczenia
Priorytet doboru	granica sprężystości, ciągliwość	twardość, stabilność krawędzi roboczej

Stal sprężynową wybiera się, gdy element ma pracować cyklicznie w zakresie sprężystym. Stal narzędziową typu NC11LV, gdy priorytetem jest odporność na zużycie ścierne i utrzymanie ostrej krawędzi pod obciążeniem.

Zobacz również: stal narzędziowa do pracy na gorąco.

Jak hartować stal sprężynową krok po kroku

Hartowanie stali sprężynowej wymaga nagrzania do temperatury austenityzacji, szybkiego chłodzenia w oleju oraz niskiego odpuszczania w celu eliminacji naprężeń. 

• Krok 1. Wyżarzanie zmiękczające (+A): przygotowuje strukturę materiału, ułatwiając wcześniejszą obróbkę mechaniczną.
• Krok 2. Hartowanie: nagrzanie do temperatury austenityzacji (dla 51CrV4 orientacyjnie 820-860 °C) i chłodzenie, zwykle w oleju.
• Krok 3. Odpuszczanie: wykonywane niezwłocznie po hartowaniu, w temperaturze dobranej do wymaganej twardości i ciągliwości (dla 51CrV4 orientacyjnie 540-680 °C).

Podczas nagrzewania należy chronić powierzchnię przed odwęgleniem, ponieważ obniża ono twardość i wytrzymałość zmęczeniową warstwy wierzchniej.

Obliczanie masy wyrobów hutniczych o podwyższonej sprężystości

Masa pręta, płaskownika czy blachy zależy od gęstości stali oraz geometrii wyrobu. Dla większości gatunków stali resorowo-sprężynowej przyjmuje się orientacyjnie 7,85 kg/dm³. Dla stali nierdzewnych (np. 1.4310) należy zastosować gęstość właściwą danemu gatunkowi, zwykle nieco wyższą.

Wzory orientacyjne (wymiary w mm, wynik w kg, gęstość ρ w kg/dm³):

• pręt okrągły: masa = (π/4) × d² × L × ρ × 10⁻⁶,
• płaskownik: masa = szerokość × grubość × L × ρ × 10⁻⁶,
• blacha/płyta: masa = długość × szerokość × grubość × ρ × 10⁻⁶,

gdzie d: średnica, L: długość odcinka.

Wynik (uzyskany z obliczeń na podstawie wzoru lub kalkulatora masy stali sprężynowej) ma charakter orientacyjny. Rzeczywista masa zależy dodatkowo od tolerancji wymiarowych wyrobu oraz stanu dostawy (surowy, wyżarzony zmiękczająco +A, ulepszony cieplnie +QT), które mogą wpływać na dopuszczalne odchyłki przekroju.

Inne gatunki stali dostępne w Multistal:

• stal na formy i matryce: gatunki cechujące się wysoką twardością po obróbce cieplnej, odpornością na ścieranie oraz stabilnością wymiarową w długich seriach produkcyjnych,
• stal szybkotnąca: przeznaczona na narzędzia skrawające pracujące przy wysokich prędkościach i temperaturach roboczych
• stal nierdzewna martenzytyczna: gatunki łatwe w obróbce w stanie zmiękczonym, a po hartowaniu osiągające wysoką twardość i odporność korozyjną,
• stal do ulepszania cieplnego: gatunki poddawane hartowaniu i odpuszczaniu w celu uzyskania korzystnego połączenia wytrzymałości i plastyczności w elementach maszyn.

Pytania i odpowiedzi

Jakie są główne przyczyny pękania elementów wykonanych ze stali sprężynowej?

Pękanie wynika najczęściej ze zmęczenia materiału, obecności wad powierzchniowych (karbów) oraz błędów w procesie obróbki cieplnej. Istotne czynniki to również korozja wżerowa, odwęglenie powierzchni oraz przekroczenie dopuszczalnego zakresu naprężeń podczas eksploatacji. 

Czy stal sprężynowa może być odporna na korozję?

W środowiskach wilgotnych lub umiarkowanie korozyjnych stosuje się nierdzewne stale sprężynowe, np. gatunek 1.4310, łączący zdolność do umocnienia zgniotowego z odpornością korozyjną.

Jakie korzyści daje stosowanie stali sprężynowej w projektowaniu maszyn?

Stale sprężynowe, przy prawidłowym doborze gatunku i obróbki cieplnej, oferują wysoką granicę sprężystości i odporność zmęczeniową, co pozwala konstruktorom optymalizować masę komponentów pod kątem obliczeń zmęczeniowych i geometrii elementu.

Czym różni się stal łożyskowa od stali sprężynowej?

Stal łożyskowa jest optymalizowana pod kątem bardzo wysokiej twardości i odporności na zmęczenie kontaktowe przy dużych naciskach tocznych. Moduł sprężystości obu grup stali jest zbliżony. Różnica nie polega na „mniejszej podatności na odkształcenia”, lecz na innym przeznaczeniu: stal łożyskowa nie jest projektowana do pracy cyklicznej jako element odkształcany sprężyście, w przeciwieństwie do stali resorowo-sprężynowej. 

Jakie warunki są niezbędne do prawidłowego hartowania stali sprężynowej?

Parametry hartowania zależą od gatunku i przekroju. Dla 51CrV4 temperatura austenityzacji mieści się orientacyjnie w zakresie 820-860 °C, z chłodzeniem w oleju. Niezbędna jest ochrona powierzchni przed odwęgleniem oraz niezwłoczne odpuszczanie po hartowaniu, w temperaturze dobranej do wymaganej twardości i ciągliwości. Parametry należy każdorazowo ustalać na podstawie karty materiałowej danego gatunku. 

Dlaczego w sektorze B2B należy unikać zakupu stali sprężynowej bez atestu 3.1?

Atest 3.1 wg EN 10204 zawiera wyniki określonych badań i deklarację zgodności producenta dla dostarczanej partii, co ułatwia weryfikację składu chemicznego, wybranych właściwości oraz identyfikację materiału. 

Dla elementów krytycznych mogą być potrzebne dodatkowe badania i kontrola procesu obróbki cieplnej. Multistal & Lohmann dostarcza wyroby z pełną dokumentacją jakościową zgodną z wymaganiami zamówienia.