Пружинные и инструментальные стали и сплавы

 



ǩǷǨȇȗȇȎdzǧǻȏȒȏȖȖȕȉ



ǶǷǺǭǯǴǴȂǬǯǯǴǸǹǷǺdzǬǴǹǧDzȃǴȂǬ
ǸǹǧDzǯǯǸǶDzǧǩȂ
 
ǺȞȌȈȔȕȌȖȕȘȕȈȏȌ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 


УДК 621.01  
ББК 34.44 
Б24 
 
 
 
Рецензенты: 
кафедра материаловедения, контроля в машиностроении и методики профессионального 
образования Российского государственного профессионально-педагогического 
университета - РГППУ (зав. кафедрой проф., д-р техн. наук Б. Н. Гузанов); 
проф., д-р техн. наук Б. А. Потехин 
(Уральский государственный лесотехнический университет) 
 
 
Научный редактор: 
проф., д-р техн. наук В. П. Швейкин 
 
 
 
 
 
 
 
Бараз, В. Р.  
Б24   
Пружинные и инструментальные стали и сплавы : учебное пособие / 
В. Р. Бараз, М. А. Филиппов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. - 148 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-2073-0 
 
Дано теоретическое описание и приведены справочные данные по используемым 
промышленным сталям и сплавам, предназначенным для изготовления пружинных изделий и инструментальных материалов различного функционального назначения. 
Для студентов машиностроительных и металлургических специальностей,  
а также может быть полезно для инженерно-технических работников предприятий  
и научно-исследовательских институтов. 
 
УДК 621.01  
ББК 34.44 
 
 
  
 
 
ISBN 978-5-9729-2073-0 
” Бараз В. Р., Филиппов М. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 


ǵȊȒȇȉȒȌȔȏȌ
 
Введение ......................................................................................................................  5 
 
ǾȇȘșȣ,ǶȗȚȍȏȔȔȢȌȓȇșȌȗȏȇȒȢ
 
Глава 1. Общая характеристика пружинных материалов 
.....................................  7 
1.1. Упругие элементы: назначение и устройство 
.................................  9  
1.2. Эксплуатационные характеристики УЭ  .......................................  14 
1.3. Особенность работы УЭ 
..................................................................  15 
Глава 2. Пружинные стали общего назначения ...................................................  22 
2.1. Основные марки пружинных сталей 
...............................................  22 
2.2. Стали, упрочняемые деформацией  ................................................  25 
2.3. Стали, упрочняемые мартенситным превращением .....................  28 
2.4. Рессорно-пружинные стали  ............................................................. 31 
2.5. Термомеханическая обработка пружинных сталей 
.......................  33 
2.5.1. Общие положения термомеханической обработки 
............  34 
2.5.2. Термомеханическая обработка пружинно-рессорных  
материалов 
............................................................................. 37 
Глава 3. Пружинные стали и сплавы специального назначения 
........................  42 
3.1. Коррозионностойкие (нержавеющие) пружинные материалы ....  42 
3.2. Теплостойкие пружинные сплавы 
...................................................  47 
3.3. Сплавы с температурно-стабильным модулем нормальной  
упругости (элинвары) ....................................................................... 56 
3.3.1. Особенность сплавов элинварного класса ..........................  57 
3.3.2. Понятие об элинварности .....................................................  58  
3.3.3. Физическая природа элинварной аномалии 
........................  60 
3.3.4. Основные сплавы элинварного класса ................................. 68 
3.3.5. Технологические особенности получения изделий  
из элинварных сплавов 
........................................................  72  
3.3.6. Сплавы инварного класса  
...................................................... 73 
 
ǾȇȘșȣ,,ǯȔȘșȗȚȓȌȔșȇȒȣȔȢȌȓȇșȌȗȏȇȒȢ
Глава 4. Общая характеристика инструментальных материалов ....................... 76  
4.1. Технология предварительной термической обработки заготовок  
и окончательной обработки инструментальных сталей ............... 79 
Глава 5. Стали и сплавы для режущего, измерительного 
и штампового инструментов .................................................................................... 85  
3 


5.1. Нетеплостойкие стали для режущего инструмента ....................... 85 
5.2. Легированные инструментальные стали повышенной  
прокаливаемости. .............................................................................. 85 
5.3. Быстрорежущие стали ....................................................................... 87 
5.4. Стали для измерительного инструмента ......................................... 91 
5.5. Стали для штампового инструмента 
................................................ 92 
5.5.1. Стали для штампов холодного деформирования ................ 93 
5.5.2. Стали для штампов горячего деформирования ................. 100 
5.5.3. Стали для пресс-форм, применяемых при литье  
под давлением ...................................................................... 106 
5.6. Твердые сплавы 
................................................................................ 107 
 
Глава 6. Подшипниковые стали 
............................................................................ 112 
6.1. Требования и классификация ........................................................  113 
6.2. Легирование и термическая обработка 
.......................................... 116 
Приложение. Перечень контрольных тестовых заданий 
..................................  120 
Список использованной и рекомендованной литературы ..........................  147  
 
 
 
4 



ǩȉȌȋȌȔȏȌ
 
Одна из основных задач и профессиональная обязанность материаловедатехнолога - уметь технически грамотно и обоснованно решать задачи по выбору 
материала для конкретных деталей и технологии их обработки. Как правило, при 
этом не может быть однозначного и простого решения, поскольку помимо необходимости обеспечить прочность, надёжность и долговечность детали с учётом 
специфических условий её службы (температура, среда, скорость нагружения, 
материал пары трения и т. п.) важно ещё предусмотреть по возможности простой 
технологический процесс, учесть экономические соображения. Единых принципов и чётких правил действий разработчиков машин при выборе марки материала пока не существует, поэтому каждый конструктор решает эту задачу со многими переменными в зависимости от своего опыта и знаний, которые не всегда 
достаточны. Решение при этом имеет априорно-интуитивный характер, основанный на опыте, интуиции и предпочтении специалистов, что не всегда позволяет 
находить оптимальные решения. Ошибки в результате такого выбора материала не столь уж редки, что может привести к нежелательным или даже опасным 
последствиям - к преждевременному износу или даже поломке детали. 
Обычно задание на выбор материала и технологии его обработки исходит 
от конструктора, который формирует перечень требуемых эксплуатационных и 
технологических показателей (в виде цифр и пожеланий). Однако подобные формулировки практически всегда оказываются неполными, а иногда и не совсем 
точными. Поэтому материаловеду зачастую приходится решать такую задачу в 
ситуации неполного знания об условиях работы данной детали и об уровне потребительских свойств материала. В настоящее время существует ряд компьютерных баз данных по свойствам стандартных материалов, включённых  
в ГОСТы, которые облегчают формальный поиск материала (чаще всего по показателям механических характеристик). Однако использование этого метода 
также может привести к неоптимальному решению, так как весьма трудно учесть 
множество разнонаправленных факторов, которые в совокупности определяют 
соотношение качества и цены изделия, обусловливающих его конкурентоспособность. Например, приблизительно равного комплекса механических свойств 
путём соответствующей термообработки можно достичь на сталях разных марок 
с различным характером легирования и, как следствие, с резко различающимися 
технологическими, физико-химическими, эксплуатационными и экономическими характеристиками. Поэтому пользователями подобных баз данных 
5 


должны быть квалифицированные, опытные материаловеды, способные принять 
компетентное, альтернативное, компромиссное решение. 
Настоящее учебное пособие предназначено для подготовки специалистов по 
разработке и применению металлических сплавов в машиностроении. Материал 
базируется на курсах «Металловедение», «Теория и технология термической обработки металлов», «Машиностроительные материалы», поэтому предполагается, 
что читатели знакомы с основными типами металлических материалов и технологий их термической обработки, формирующей микроструктуру, а также методами механических испытаний.  
В данном пособии авторы сочли возможным сосредоточить основное внимание на рассмотрении таких промышленных материалов, которые относятся  
к широкой сфере пружинных и инструментальных изделий. Тем не менее,  
более полную картину по справочным сведениям в этой области можно получить, 
опираясь на ранее изданные пособия. Это относится как публикациям самих авторов (см. В.Р. Бараз, М.А. Филиппов «Назначение и выбор металлических материалов»), так и классических изданий по этой тематике ведущих отечественных 
металловедов Ю.М. Лахтина, А.П. Гуляева, Б.Н. Арзамасова.  
Данное учебное пособие дополнено включением специальных тестовых заданий, призванных обеспечить проверку усвоения изложенного учебного материала. 
Авторы представили данный учебный материал, придерживаясь традиций 
уральской школы металловедов и используя многолетний опыт чтения соответствующих дисциплин материаловедческого цикла в институте новых материалов и технологий Уральского федерального университета. Вместе с тем при 
написании пособия авторы не могли не использовать многие важные положения 
из классических учебников по материаловедению указанных выше коллег. Потому выражаем признательность за возможность воспользоваться их ценным опытом. 
Авторы считают особо нужным поблагодарить рецензентов - профессоров 
Б.А. Потехина и Б.Н. Гузанова за внимательное прочтение рукописи и высказанные 
полезные замечания.  
6 


 
ǾǧǸǹȃ,
ǶȗȚȍȏȔȔȢȌȓȇșȌȗȏȇȒȢ
 
Пружина  один из самых известных применяемых элементов механизмов, 
конструкций, приборов. Используется для компенсации размерных неточностей, 
износа, снятия вибраций, как накопитель (аккумулятор) энергии, для простого 
измерения давления, веса, усилий и ускорений; предохранения от ударов и перегрузок. 
Пружинные стали и сплавы широко используются в различных областях 
промышленной сферы  в автоматических устройствах управления и регулирования, различных приборах, радиоэлектронной аппаратуре, в энергетических 
установках. Поэтому важность и полезность практического применения этих 
специфических изделий представляется вполне очевидной и заслуживающей 
приоритетного внимания. 
 
 
ǪDzǧǩǧ
ǵȈȠȇȦȜȇȗȇȑșȌȗȏȘșȏȑȇȖȗȚȍȏȔȔȢȜȓȇșȌȗȏȇȒȕȉ
Создание новой техники и передовой технологии непосредственно  
связано с развитием и качественным улучшением свойств и служебных характеристик металлических материалов. Среди них особое место занимают пружинные стали и сплавы, используемые в приборо- и машиностроении для изготовления различных упругих элементов ответственного назначения. Специфические условия работы большинства пружинных изделий требуют применения сталей и сплавов с высоким уровнем прочностных и упругих свойств, 
достаточной пластичности, повышенной релаксационной и усталостной стойкости. 
Пружинные сплавы являются высокопрочными материалами, поскольку 
способность воспринимать и передавать значительные силовые нагрузки, исключая при этом возможность протекания даже малейшей остаточной деформации,  это одно из основных функциональных свойств упругих элементов  
(рис. 1.1). Поэтому для таких материалов в качестве служебного показателя 
7 


принято использовать не предел текучести, а более жесткий параметр - предел 
упругости 1.  
Подобное качество особо важно для пружин, используемых для точных 
приборов, прецизионных измерительных устройств. Кроме того, такие изделия 
обычно эксплуатируются в условиях преобладающего воздействия крутящих  
и изгибных нагрузок. 
 
ǷȏȘǷȇȈȕȞȇȦȕȈȒȇȘșȣȔȇȊȗȚȍȌȔȏȦȚȖȗȚȊȏȜȤȒȌȓȌȔșȕȉ
 
Подобное качество особо важно для пружин, используемых для точных 
приборов, прецизионных измерительных устройств. Кроме того, такие изделия 
обычно эксплуатируются в условиях преобладающего воздействия крутящих и 
изгибных нагрузок. Это означает, что при такой схеме нагружения максимальные напряжения возникают на поверхности упругих элементов. Данное обстоятельство закономерно диктует необходимость применения таких высокопрочных материалов, которые характеризуются повышенным сопротивлением пластической деформации поверхностных участков. 
 
 
1 Напомним, что эти характеристики (предел текучести и предел упругости) являются сходными по физическому смыслу, поскольку определяют сопротивление материала малым пластическим деформациям и различаются между собой только допуском на остаточную деформацию - десятые доли (обычно 0,2 ) для условного предела текучести и сотые (и даже тысячные) доли процента для условного предела упругости. Фактически эти величины позволяют судить о тех напряжениях, при достижении которых наблюдается переход от упругой 
деформации материала к пластической. 
8 


ǺȖȗȚȊȏȌȤȒȌȓȌȔșȢȔȇȎȔȇȞȌȔȏȌȏȚȘșȗȕȐȘșȉȕ
Стали и сплавы с высокими упругими свойствами находят применение в 
машино- и приборостроении. В машиностроении - это для изготовления рессор, 
амортизаторов, силовых пружин различного назначения. В приборостроении - 
для многочисленных упругих элементов (УЭ): мембран, пружин, пластин реле, 
сильфонов, растяжек, подвесок и проч. 
Упругие элементы (пружины) - это детали, способные заметно изменять 
обратимо свои размеры и форму под нагрузкой. 
УЭ применяются в приборах в различных целях, по этому признаку они 
подразделяются на определенные группы. 
 
По назначению: 
1. Измерительные пружины (преобразователи). В этом случае измеряемый параметр преобразуется в усилие, которое деформирует измерительную 
пружину и уравновешивается возникающими в ней упругими силами. По деформации пружины можно судить о величине вызвавшей её нагрузки (силы) и, следовательно, оценить значение измеряемого параметра.  
Таким образом, измерительные пружины а) воспринимают внешнее усилие, б) обратимо деформируются и в) измеряют контролируемую величину.  
Сказанное можно проиллюстрировать такой схемой: 
Усилие P ĺ деформация (обратимая) H ĺ измеряемый параметр F. 
2. Заводные пружины (пружинные двигатели) - используются как источник запасенной энергии (аккумулятор механической энергии). Это своеобразный 
пружинный двигатель (например, детские игрушки). Основное их качество - 
способность создавать крутящий момент требуемой величины при достаточно 
большом угле поворота рабочей оси прибора. 
3. Кинематические устройства - упругие опоры.  
Упругие опоры представляют собой систему пружин, которая позволяет 
укрепленной на них подвижной части приборного устройства совершать ограниченные угловые или линейные перемещения. Основное применение опоры 
нашли в качестве упругих шарниров (изгибная опора) и направляющих в устройствах автоматики, в качестве подвесов и растяжек (крутильные опоры) в электроизмерительных приборах. 
4. Натяжные (силовые) пружины - для силового контакта между деталями прибора; для выбора люфта в кинематической цепи; для удержания детали 
в заданном положении. Силовые пружины используются как источник получения постоянно действующих сил или крутящих моментов, при этом не требуется 
соблюдения точного соответствия между деформацией и нагрузкой. 
9 


Отличие измерительных пружин от силовых: 
 работают в более узком диапазоне упругих деформаций; 
 соотношение «усилие-перемещение» должно иметь линейную зависимость; 
 измерять требуемую величину с максимально высокой точностью. 
 
ǷȏȘǷȇȈȕȞȇȦȕȈȒȇȘșȣȔȇȊȗȚȍȌȔȏȦȏȎȓȌȗȏșȌȒȣȔȢȜ
ȏȘȏȒȕȉȢȜȚȖȗȚȊȏȜȤȒȌȓȌȔșȕȉ
 
5. Амортизаторы - для гашения (затухания) механических колебаний 
(рессоры, пружины подвесок). 
По конструкции: 
1. Стержневые пружины - из длинномерных заготовок (из проволоки  
или ленты); предназначены для восприятия сосредоточенных нагрузок и мо- 
ментов. 
1.1. Винтовые пружины (рис. 1.3) - способны получать большие продольно-осевые перемещения под действием растягивающих (сжимающих) 
напряжений или взаимный поворот торцов под действием крутящего мо- 
мента. 
 
10