1. Wprowadzenie – czym są taśmy sprężynowe i dlaczego się je hartuje
Taśmy sprężynowe to płaskie wyroby stalowe o określonej szerokości i grubości, stosowane do produkcji elementów wymagających wysokiej sprężystości, wytrzymałości i odporności na odkształcenia. Występują w wielu gatunkach, które różnią się składem chemicznym i parametrami mechanicznymi.
Do najpopularniejszych należą stale węglowe: C55S, C60S, C67S, C70S, C75S, a także stale stopowe, takie jak 51CrV4 czy 60SiCr7, które dzięki dodatkom chromu, wanadu i krzemu cechują się zwiększoną odpornością na zmęczenie i ścieranie.
Proces hartowania jest niezbędny, aby taśmy sprężynowe osiągnęły wymagane właściwości mechaniczne. Obróbka cieplna zwiększa twardość, sprężystość oraz zdolność do pracy w warunkach intensywnych obciążeń dynamicznych bez trwałej deformacji.
2. Proces hartowania taśm sprężynowych
Hartowanie taśm sprężynowych obejmuje trzy główne etapy:
2.1. Nagrzewanie do temperatury austenityzacji
W zależności od gatunku, taśmy sprężynowe nagrzewa się do temperatury w przedziale:
- C55S, C60S – ok. 800–830°C,
- C67S, C70S, C75S – ok. 830–860°C,
- 51CrV4, 60SiCr7 – często powyżej 850°C, z dłuższym czasem nagrzewania w celu pełnego rozpuszczenia składników stopowych.
2.2. Szybkie chłodzenie
Po osiągnięciu wymaganej temperatury następuje gwałtowne chłodzenie w odpowiednim medium:
- C55S, C60S – chłodzenie najczęściej w oleju, co ogranicza ryzyko pęknięć i odkształceń,
- C67S, C70S, C75S – w zależności od wymagań stosuje się chłodzenie w wodzie (maksymalna twardość) lub w oleju (lepsza stabilność wymiarowa),
- 51CrV4, 60SiCr7 – chłodzenie w oleju o kontrolowanej lepkości dla zminimalizowania naprężeń.
2.3. Odpuszczanie
Ostatni etap polega na ponownym nagrzaniu taśm do temperatury 200–450°C w celu redukcji naprężeń wewnętrznych i ustabilizowania struktury. Dzięki temu taśmy zachowują wysoką twardość przy jednoczesnym zwiększeniu udarności i odporności na pękanie.
W nowoczesnych liniach produkcyjnych hartowanie taśm sprężynowych odbywa się w piecach ciągłych z atmosferą ochronną (np. azotową), co zapobiega utlenianiu powierzchni i poprawia jakość wykończenia.
3. Właściwości uzyskiwane po hartowaniu
Po prawidłowym hartowaniu taśmy sprężynowe zyskują zestaw cech, które decydują o ich przydatności w produkcji elementów pracujących w warunkach dużych obciążeń mechanicznych i dynamicznych.
Wysoka twardość – w zależności od gatunku stali, twardość po hartowaniu mieści się w przedziale 52–60 HRC.
- Taśmy sprężynowe C55S i C60S osiągają ok. 52–55 HRC, co zapewnia im dobrą równowagę między wytrzymałością a elastycznością.
- Taśmy sprężynowe C67S, C70S i C75S dochodzą do 58–60 HRC, co przekłada się na wyjątkową odporność na ścieranie i odkształcenia.
- Stale stopowe, takie jak 51CrV4 i 60SiCr7, utrzymują wysoką twardość nawet podczas pracy w podwyższonych temperaturach, dodatkowo oferując lepszą udarność.
Zwiększona sprężystość i odporność na odkształcenia trwałe – hartowanie nadaje taśmom zdolność do wielokrotnego odkształcania się w granicach sprężystych bez utraty pierwotnego kształtu. W praktyce oznacza to, że elementy wykonane z taśm mogą pracować w setkach tysięcy cykli obciążenia, zachowując swoje parametry.
Stabilność wymiarowa przy powtarzalnych obciążeniach – dzięki kontrolowanemu procesowi odpuszczania po hartowaniu, struktura stali jest ustabilizowana, co zapobiega trwałym odkształceniom i pełzaniu materiału. Jest to szczególnie ważne w przypadku elementów precyzyjnych, takich jak pierścienie sprężyste czy sprężyny talerzowe, które muszą zachować wymiary w tolerancjach rzędu setnych milimetra.
Odporność na zmęczenie materiału – w wyniku hartowania i odpowiedniego odpuszczania taśmy sprężynowe zyskują znacznie większą wytrzymałość zmęczeniową, co przekłada się na ich długą żywotność nawet w warunkach wibracji i obciążeń udarowych.
Podsumowując – po hartowaniu taśmy sprężynowe C55S, C67S, 51CrV4 i inne gatunki łączą w sobie wysoką twardość, dużą sprężystość i stabilność wymiarową, co czyni je materiałem pierwszego wyboru dla przemysłu motoryzacyjnego, maszynowego i precyzyjnego.
4. Zastosowanie hartowanych taśm sprężynowych
Hartowane taśmy sprężynowe znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, wszędzie tam, gdzie liczy się połączenie wysokiej sprężystości, trwałości i stabilności wymiarowej. Wybór gatunku, np. taśmy sprężynowe C55S czy taśmy sprężynowe C67S, zależy od rodzaju obciążeń, warunków pracy oraz wymaganej żywotności elementu.
4.1. Przemysł motoryzacyjny
W motoryzacji hartowane taśmy sprężynowe są wykorzystywane do produkcji:
- sprężyn zawieszeń, pierścieni zabezpieczających, podkładek talerzowych,
- elementów układów hamulcowych i sprzęgłowych,
- zapadek i mechanizmów blokujących w skrzyniach biegów,
- detali pracujących w warunkach wibracji i zmiennych obciążeń mechanicznych.
Gatunki C67S, C70S i C75S wybierane są tam, gdzie wymagana jest maksymalna odporność na ścieranie i odkształcenia, natomiast C55S często stosuje się w elementach mniej obciążonych, ale wymagających dużej sprężystości.
4.2. Przemysł maszynowy i energetyczny
Hartowane taśmy sprężynowe są stosowane w mechanizmach precyzyjnych, maszynach przemysłowych i urządzeniach energetycznych do produkcji:
- sprężyn talerzowych i listkowych,
- zacisków, zapadek i elementów blokujących,
- podkładek sprężystych oraz amortyzujących.
W energetyce często używa się stali stopowych, takich jak 51CrV4 czy 60SiCr7, które zapewniają stabilne parametry w podwyższonej temperaturze i przy obciążeniach dynamicznych.
4.3. Mechanika precyzyjna i elektronika
W małych mechanizmach, urządzeniach pomiarowych i elektronice hartowane taśmy sprężynowe C55S i C60S wykorzystuje się do produkcji sprężyn stykowych, mikrozapadek i innych elementów wymagających niewielkich przekrojów, ale dużej sprężystości i odporności na zmęczenie.
4.4. Przemysł AGD, narzędziowy i inne zastosowania
W produkcji sprzętu AGD hartowane taśmy sprężynowe wykorzystywane są w:
- mechanizmach zamykających i blokujących,
- sprężynach powrotnych w narzędziach ręcznych,
- elementach mocujących i zaciskach.
Ze względu na wysoką wytrzymałość i stabilność wymiarową, taśmy sprężynowe C67S i C75S stosuje się również w narzędziach pomiarowych, opaskach zaciskowych, a nawet w elementach konstrukcji nośnych niewielkich maszyn.
4.5. Dobór gatunku do aplikacji
Dobierając gatunek taśmy sprężynowej, warto uwzględnić:
- obciążenia mechaniczne (statyczne lub dynamiczne),
- temperaturę pracy,
- wymagania co do odporności na ścieranie,
- potrzebny poziom twardości i sprężystości.
W aplikacjach wymagających maksymalnej odporności na zużycie najlepiej sprawdzają się gatunki o wyższej zawartości węgla, jak C67S czy C75S, natomiast w konstrukcjach, gdzie liczy się elastyczność i łatwość formowania – C55S lub C60S.