К атегория:

Слесарно-инструментальные работы

Основные свойства инструментальных материалов

Материалы, применяемые для изготовления режущих инструментов, можно разбить на три основные группы:
1) инструментальные стали;
2) твердые сплавы;
3) неметаллические инструментальные материалы.

Инструментальный материал должен обладать определенными эксплуатационными свойствами, соответствующими условиям работы режущего инструмента. Твердость и прочность инструментального материала должна быть выше аналогичных параметров обрабатываемого материала (стали и чугуна). При резании рабочая часть инструмента нагревается до высоких температур, а его режущие кромки подвергаются интенсивному износу, поэтому инструментальный материал должен обладать высокими теплостойкостью и износостойкостью.

Инструментальные стали. Сплав железа с углеродом (содержание последнего составляет 0,1-1,7%) называют сталью. Стали, содержащие более 0,65% углерода и отличающиеся благодаря этому высокой твердостью, называют инструментальными.

Для улучшения эксплуатационных или технологических свойств инструментальной стали в ее состав вводят легирующие (улучшающие) элементы. Такие стали называют легированными и в их обозначение (марку) включают русскую букву, соответствующую названию легирующего элемента: X - хром (Сг); Ф - ванадий (V); Н - никель (Ni); К - кобальт (Со); Г - марганец (Mn); Т - титан (Ti); М - молибден (Мо); Б - ниобий (No); С - кремний (Si); Та - тантал (Та); В - вольфрам (W) и т. д.

Углерод в марке стали буквенного обозначения не имеет, а его содержание (в десятых долях процента) указывают в начале маркировки. Содержание легирующего элемента указывают в процентах после соответствующей буквы. Например, легированная хромокремни-стая сталь марки 9ХС содержит 0,9% углерода, 1% хрома и 1% кремния. Если содержание в стали углерода или легирующего элемента равно или примерно равно 1%, то единица в маркировке опускается. Например, сталь марки ХВГ содержит 1% углерода, 1% хрома, 1% вольфрама и 1% марганца.

Углеродистым инструментальным сталям в зависимости от содержания углерода присваивают марки У7А, У8А, У9А, У10А, УНА , У12А, У13А. Например, сталь марки У7А: углеродистая (буква У), содержит 0,7% углерода (цифра 7); высококачественная (буква А), т. е. имеющая пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Теплостойкость (QK = = 180-Ь220°С) и износостойкость углеродистых инструментальных сталей ниже, чем аналогичные параметры других инструментальных материалов. Чем выше содержание углерода, тем выше эти параметры.

Твердость (после отжига) 187-207 НВ является невысокой, поэтому эти стали хорошо обрабатываются резанием.

Закаленные углеродистые стали хорошо шлифуются. Эти стали (наиболее дешевые из инструментальных материалов) применяют для изготовления инструментов, работающих в условиях низких температур резания: деревообрабатывающих и слесарно-монтажных инструментов; шаблонов и калибров пониженной точности; напильников, шаберов, накатных роликов, метчиков и др.

К низколегированным инструментальным сталям относятся стали марок 9ХС, ХГС , ХВГ , ХВГС и др. Эти стали, содержащие около 1% углерода, а также хром (1%), марганец (1%), кремний (1%) и вольфрам (1%), характеризуются лучшей закаливаемостью, повышенными прокаливаемостью и теплостойкостью, меньшей склонностью к росту зерна.

Теплостойкость этих сталей QK - 250-260 °С, прокаливаемость составляет 40-50 мм, твердость (после отжига) 241-255 НВ. Обрабатываемость низколегированных сталей несколько хуже, чем углеродистых, они более склонны к прижогам при шлифовании.

Указанные стали используют для изготовления плашек, метчиков, сверл, разверток и др., а также штампов холодной штамповки.

Быстрорежущие стали применяют для изготовления режущих инструментов, работающих при высоких скоростях, усилиях и температурах резания. Эти стали отличаются высокими износостойкостью, теплостойкостью, прочностью и вязкостью. Быстрорежущие стали подразделяют на две группы: 1) стали, легированные вольфрамом и молибденом и содержащие до 2% ванадия (Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6МЗ и др.); 2) стали, леги-, рованные вольфрамом и кобальтом и содержащие свыше 2% ванадия (Р18Ф2, Р14Ф5, Р9Ф5, Р10Ф5К5, Р9К5, Р9КЮ и др.).

Первую группу относят к сталям нормальной производительности, а вторую - к сталям повышенной производительности.

В начале маркировки этих сталей стоит буква Р (что означает быстрорежущая), следующая за ней цифра указывает среднее содержание вольфрама (), последующие буквы и цифры обозначают наименования других легирующих элементов и соответственно их среднее содержание (). Кроме того, в быстрорежущих сталях содержатся углерод (0,7-1,5%), хром (3-4,4%) и некоторые другие элементы, которые в маркировке не указывают. Например, быстрорежущая сталь марки Р18 содержит 0,7-0,8% углерода, 17-18,5% вольфрама, 3,8-4,4% хрома, 1 -1,4% ванадия.

Высокие эксплуатационные свойства быстрорежущих сталей обеспечиваются благодаря их легированию вольфрамом, ванадием и молибденом, которые, соединяясь с углеродом, образуют соответствующие карбиды (WC, VC и МоС). Износостойкость быстрорежущих сталей в 3-5 раз выше, чем у углеродистых и низколегированных; теплостойкость составляет 620 °С, а при легировании кобальтом 640 °С. Наличие ванадия способствует образованию мелкозернистой структуры, что повышает прочность и снижает хрупкость стали.

Быстрорежущие стали обладают также высокими технологическими свойствами: закаливаются в нагретом масле, расплавах солей и при охлаждении на воздухе (т.е. не требуют резкого охлаждения); прокаливаются по всему поперечному сечению вне зависимости от размера заготовки.

Недостатками этих сталей являются высокая твердость в состоянии поставки (255-269 НВ); склонность к карбидной неоднородности; пониженная шлифуемость (особенно у сталей, легированных ванадием).

Наиболее распространенной является сталь марки Р6М5, применяемая для изготовления всех видов режущих инструментов, предназначенных для обработки (со скоростью резания до 1 -1,2 м/с) углеродистых и средне-легированных конструкционных сталей.

Твердые сплавы представляют собой металлические материалы, отличающиеся высокими теплостойкостью, износостойкостью и твердостью. Теплостойкость и твердость этих сплавов соответственно в два раза и 1,3-1,4 раза выше аналогичных параметров быстрорежущей стали марки Р18. Поэтому и стойкость твердосплавных инструментов значительно выше стойкости быстрорежущих инструментов, причем это преимущество тем больше, чем выше скорость резания.

Твердые сплавы, изготовляемые методом порошковой металлургии (путем прессования в формах измельченных металлических порошков и последующего их спекания при высоких температурах), называют металлокерамиче-скими.

Основой металлокерамических твердых сплавов являются зерна карбидов вольфрама (WC), титана (TiC) и тантала (ТаС), которые связаны между собой кобальтом (прочным и пластичным материалом). Размеры зерен обычно не более 1-2 мкм. Кобальт заполняет все пространство между зернами, не оставляя пустот (пор), и цементирует их.

Твердые сплавы подразделяют на три группы: вольфрамовые (В); титановольфрамовые (ТВ); титанотан-таловольфрамовые (ТТВ ). Сплавы группы В состоят из карбидов вольфрама, связанных кобальтом. К этой группе относят сплавы марок ВК.З, ВК4, ВК6, ВК8 и др. Здесь буква В означает вольфрамовый; К - кобальт; цифра, следующая за буквой, содержание кобальта в . Например, сплав марки ВК8 содержит 8 кобальта и 92% карбидов вольфрама.

Твердые сплавы группы ТВ состоят из карбидов титана и карбидов вольфрама, связанных кобальтом. К этой группе относят сплавы марок Т5К.Ю, Т15К8, Т15К6, Т30К4. Сплав марки Т15К6 содержит 15% карбидов титана, 6% кобальта и 79% карбидов вольфрама.

К третьей группе относят твердые сплавы марок ТТ7К12, ТТ10К8, ТТ20К9 и др., состоящие из карбидов вольфрама, карбидов титана, карбидов тантала, связанных кобальтом. Твердый сплав марки ТТ7К12 содержит 12% кобальта, 7% карбидов титана и карбидов тантала и 81% карбидов вольфрама.

Твердость металлокерамических твердых сплавов составляет 87-92 HRA . С увеличением содержания кобальта твердость и износостойкость сплавов снижаются, но одновременно возрастают их вязкость и прочность.

Теплостойкость сплавов первой и второй группы составляет около 1000 °С; сплавов третьей группы - 1050- 1100 °С.

Твердые сплавы группы В применяют при обработке заготовок из чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов (пластмасс, стеклопластиков и др.); сплавы группы ТВ - при обработке углеродистых и легированных сталей; сплавы группы ТТВ - при обработке труднообрабатываемых материалов, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов, при черновом точении и фрезеровании стальных заготовок. Выпускаются два типа твердосплавных пластин - для напаивания на державки и корпуса инструментов и для механического закрепления на них (последний вид крепления предпочтительный). Назначение, форма, размеры и степень точности твердосплавных пластин установлены стандартом.

Минералокерамические твердые сплавы состоят из огнеупорных оксидов алюминия (А1203) или циркония (Zr02), связанных стекловидным веществом. Эти сплавы, изготовляемые методом прессования порошков указанных оксидов с последующим их спеканием, имеют высокие твердость (91-92 HRA ), теплостойкость (1300 °С) и износостойкость, но они очень хрупкие.

Несколько менее хрупкими являются керметы - твердые сплавы, у которых огнеупорные окислы связаны металлами (железом, никелем, титаном и др.), Минерало-керамику и керметы применяют для чистового точения (со скоростью 4-5 м/с) заготовок с равномерным припуском; при этом обязательным условием является высокая жесткость станка и технологической оснастки.

В последние годы в качестве инструментальных материалов для лезвийного инструмента (резцов, сверл, фрез) применяют монокристаллы природного алмаза и поликристаллы синтетического алмаза и кубического нитрида бора (эльбора). В зависимости от исходного сырья, легирующих добавок и технологии производства получают различные виды эльбора, называемые композитами.

Алмазные лезвийные инструменты применяют для высокопроизводительной чистовой и получистовой обработки (со скоростью резания 5-10 м/с) цветных металлов и сплавов, титана и неметаллических материалов.

Лезвийные инструменты из эльбора используют для чистовой обработки (со скоростью резания 0,7-1,7 м/с) закаленных легированных и закаленных инструментальных сталей. Такая производительность невозможна при резании другими инструментальными материалами. Например, при обработке резцами из эльбора скорость резания достигает 7-12 м/с, т. е. приближается к скорости шлифования.

Для изготовления рабочей части режущих инстру­ментов применяют пять групп инструментальных мате­риалов: инструментальные углеродистые и легирован­ные стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамику и сверхтвердые материалы.

В процессе резания инструменты испытывают боль­шие удельные усилия, подвергаются нагреву и износу, поэтому инструментальные материалы должны обла­дать определенными физико-механическими и техноло­гическими свойствами, из которых основными являются: твердость, прочность и пластичность, теплостойкость и теплопроводность, сопротивляемость схватыванию с об­рабатываемым материалом, износостойкость, а также закаливаемость и прокаливаемость (для инструмен­тальных сталей), устойчивость против перегрева и окис­ления, свариваемость или способность к соединению пайкой, склонность к образованию трещин при пайке и шлифуемость.

От указанных свойств этих материалов зависят та­кие важные технологические показатели, как произво­дительность обработки резанием, стойкость, надежность инструмента и др.

Практически не существует таких материалов, кото­рые бы обладали одновременно высокими твердостью, прочностью, тепловыми характеристиками и т. д.

Чтобы правильно выбрать инструментальный мате­риал для конкретных условий обработки или правильно использовать имеющийся материал при отсутствии воз­можности такого выбора, необходимо знать влияние его свойств на процесс резания.

Твердость . Осуществление процесса резания воз­можно в том случае, если твердость режущего инстру­мента значительно выше твердости обрабатываемого материала. Чем выше твердость инструмента, тем выше его стойкость и скорость резания. С увеличением твер­дости повышается сопротивляемость инструмента меха­ническому износу и более длительное время сохраняется острота режущей кромки.

Однако не для всех инструментов и условий обра­ботки целесообразно выбирать инструментальный мате­риал с наивысшей твердостью, так как с ее увеличени­ем повышаются хрупкость и склонность к образованию трещин при пайке и заточке, ухудшается шлифуемость. Поэтому при выборе инструментального материала не­обходимо учитывать не только твердость, но и другие его свойства.

Прочность . В процессе резания на инструмент действуют силы, которые подвергают его сжатию, из­гибу, скручиванию и другим видам деформации. Спо­собность инструмента сопротивляться деформации яв­ляется очень важным свойством и характеризуется пре­делом прочности. Понятие прочности инструмента имеет двоякое значение: прочность режущих элементов, нахо­дящихся в зоне резания и подвергающихся воздействию сходящей стружки и образующегося тепла, и прочность нережущих элементов инструмента. В первом случае прочность характеризует такие режущие свойства инст­румента, как сопротивление хрупкому и пластическому разрушению режущей части; во втором - жесткость, виброустойчивость и надежность инструмента в целом.

Теплостойкость . Механические свойства инст­рументального материала изменяются под воздействием температуры резания. С увеличением температуры выше определенного значения твердость и прочность матери­ала уменьшаются и достигают таких значений, когда инструмент начинает быстро размягчаться, изнашивать­ся и теряет свою режущую способность.

Температура, до которой инструментальный мате­риал сохраняет свою режущую способность, называется теплостойкостью (в государственных стандартах на инструментальные и быст­рорежущие стали применяют термин «красностойкость», который идентичен с термином «теплостойкость»).

Для быстрорежущих сталей и твердого сплава это температура, при которой твердость снижается до HRA 58…60.

Учитывая, что температура режущего лезвия в зна­чительной мере зависит от скорости резания (повыша­ется с увеличением последней), материалы, имеющие бóльшую теплостойкость, даже при равной твердости могут работать с более высокими скоростями резания и обрабатывать более твердые материалы.

Теплопроводность - этой свойство, влияющее на температуру режущего лезвия в процессе обработки. Чем выше теплопроводность, тем лучше отводится тепло из зоны контакта инструмента с обрабатываемым мате­риалом и тем меньше температура резания. Кроме того, материалы с большей теплопроводностью меньше склон­ны к образованию трещин при заточке и пайке.

Адгезионная стойкость - это устойчивость против схватывания. Низкая адгезионная стойкость ин­струментального материала приводит к увеличению ин­тенсивности износа инструмента, особенно при высоких температурах и давлениях в зоне резания.

Износостойкость - это свойство инструмен­тального материала сопротивляться механическому, теп­ловому и химическому воздействию обрабатываемого материала в процессе резания. Важнейшими фактора­ми, влияющими на износостойкость, являются рассмо­тренные выше свойства - твердость, теплостойкость, теплопроводность, адгезионная стойкость.

При выборе инструментального материала необхо­димо стремиться к оптимальному значению его износо­стойкости с учетом химического состава и прочности, обрабатываемого материала, характера операции и кон­струкции инструмента, жесткости оборудования, воз­можности применения СОЖ и др.

1.2. Инструментальные стали

По химическому составу, степени легированности инструменталь­ные стали разделяют на инструментальные углеродистые, инструментальные легированные и быстрорежущие стали. Физико-механиче­ские свойства этих сталей при нормальной температуре достаточно близки, различаются они теплостойкостью и прокаливаемостью при закалке.

Распад мартенсита при нагреве (во время резания) закаленных углеродистых сталей происходит при температуре 200 °С. В легированных и быстрорежущих сталях разупрочнение мартенсита сдерживает­ся наличием легирующих элементов. В инструментальных легированных сталях массового содержания легирующих элементов недостаточ­но, чтобы связать весь углерод в карбиды, поэтому теплостойкость ста­лей этой группы лишь на 50...100 °С превышает теплостойкость ин­струментальных углеродистых сталей. В быстрорежущих сталях стре­мятся связать весь углерод в карбиды легирующих элементов, исклю­чив при этом возможность образования карбидов железа. За счет этого разупрочнение быстрорежущих сталей происходит при более высоких температурах.

Для обеспечения работоспособности металлорежущего инструмента необходимо изготовлять его рабочую часть из материала, обладающего комплексом определенных физико-механических свойств (высокими показателями твердости, износостойкости, прочности, теплостойкости и др.). Материалы, отвечающие требованиям этого комплекса и способные осуществлять резание, называются инструментальными материалами . Рассмотрим физико-механические свойства инструментальных материалов.

Чтобы внедриться в поверхностные слои обрабатываемой заготовки, режущие лезвия рабочей части инструментов должны быть выполнены из материалов, имеющих высокую твердость. Твердость инструментальных материалов может быть природной (т. е. свойственной материалу при его образовании) или достигнута специальной обработкой. Например, инструментальные стали в состоянии поставки с металлургических заводов легко поддаются обработке резанием. После механической обработки, термообработки, шлифования и заточки инструментов из стали их прочность и твердость резко повышаются.

Твердость определяется с помощью различных методов. Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими число твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости А, В или С (например, HRC). Твердость термообработанных инструментальных сталей измеряется по шкале С Роквелла и выражается в условных единицах HRC. Наиболее устойчивый режим работы и наименьшая изнашиваемость лезвий инструментов, изготовленных из инструментальных сталей и прошедших термообработку, достигается при твердости HRC 63...64. При меньшей твердости возрастает изнашиваемость лезвий инструмента, а при большей твердости лезвия начинают выкрашиваться из-за чрезмерной хрупкости.

Металлы, имеющие твердость HRC 30...35, удовлетворительно обрабатываются инструментами из термообработанных инструментальных сталей (HRC 63... 64), т. е. при отношении твердостей, примерно равном двум. Для обработки термообработанных металлов (HRC 45...55) необходимо использовать инструменты, изготовленные только из твердых сплавов. Их твердость измеряется по шкале А Роквелла и имеет значения HRA 87...93. Высокая твердость синтетических инструментальных материалов позволяет использовать их для обработки закаленных сталей.

В процессе резания на рабочую часть инструментов действуют силы резания, достигающие 10 кН и более. Под действием этих сил в материале рабочей части возникают большие напряжения. Чтобы эти напряжения не приводили к разрушению инструмента, используемые для его изготовления инструментальные материалы должны иметь достаточно высокую прочность .

Среди всех инструментальных материалов наилучшим сочетанием прочностных характеристик обладают инструментальные стали. Благодаря этому рабочая часть инструментов, выполненных из инструментальных сталей, успешно выдерживает сложный характер нагружения и может работать на сжатие, кручение, изгиб и растяжение.

В результате интенсивного выделения теплоты в процессе резания металлов нагреваются лезвия инструмента, причем в наибольшей степени - их поверхности. При температуре нагрева ниже критической (для различных материалов она имеет разные значения) структурное состояние и твердость инструментального материала не изменяются. Если температура нагрева превышает критическую, то в материале происходят структурные изменения и связанное с этим снижение твердости. Критическая температура называется также температурой красностойкости . В основе термина «красностойкость» лежит физическое свойство металлов при нагреве до 600 °С излучать темно-красный свет. Красностойкость - это способность материала сохранять при повышенных температурах высокие твердость и износостойкость. По своей сути красностойкость означает температуростойкость инструментальных материалов. Температуростойкость различных инструментальных материалов изменяется в широких пределах: 220...1800°С.

Увеличение работоспособности режущего инструмента может быть достигнуто не только за счет повышения температуростойкости инструментального материала, но и благодаря улучшению условий отвода теплоты, выделяющейся в процессе резания на лезвии инструмента и вызывающей его нагрев до высоких температур. Чем большее количество теплоты отводится от лезвия в глубь инструмента, тем ниже температура на его контактных поверхностях. Теплопроводность инструментальных материалов зависит от их химического состава и температуры нагрева.

Например, присутствие в стали таких легирующих элементов, как вольфрам и ванадий, снижает теплопроводящие свойства инструментальных сталей, а легирование их титаном, кобальтом и молибденом, наоборот, заметно повышает.

Значение коэффициента трения скольжения материала заготовки по инструментальному материалу зависит от химического состава и физико-механических свойств материалов контактирующих пар, а также от контактных напряжений на трущихся поверхностях и скорости скольжения.

Коэффициент трения связан функциональной зависимостью с силой трения и работой сил трения на пути взаимного скольжения инструмента и заготовки, поэтому значение этого коэффициента оказывает влияние на износостойкость инструментальных материалов.

Взаимодействие инструмента с обрабатываемым материалом протекает в условиях постоянного (подвижного) контакта. При этом оба тела, образующие пару трения, взаимно изнашиваются.

Материал каждого из взаимодействующих тел обладает:

• свойством истирать материал, с которым он взаимодействует;
• износостойкостью, т.е. способностью материала сопротивляться истирающему действию другого материала.

Изнашивание лезвий инструмента происходит на протяжении всего периода взаимодействия с обрабатываемым материалом. В результате этого лезвия инструмента теряют некоторую часть своих режущих свойств, изменяется форма рабочих поверхностей инструмента.

Износостойкость не является неизменным свойством инструментальных материалов, она зависит от условий резания.

Современные инструментальные материалы отвечают требованиям, рассмотренным выше. Они подразделяются на следующие группы:

• инструментальные стали;
• твердые сплавы (металлокерамика);
• минералокерамика и керметы;
• синтетические композиции из нитрида бора;
• синтетические алмазы.

Инструментальные стали разделяют на углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Углеродистые инструментальные стали применяют для изготовления инструмента, работающего при малых скоростях резания.

Марки таких сталей обозначают буквой У (углеродистая), затем цифрами, которые показывают содержание в стали углерода (в десятых долях процента), буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная (содержание серы и фосфора не более 0,03 % каждого элемента).

Основными свойствами углеродистых инструментальных сталей являются высокая твердость (HRC 62...65) и низкая температуростойкость.

Из стали марок У9 и У10А изготовляют пилы; из стали марок У11; У11А; У12 - ручные метчики и др.

Температуростойкость сталей марок У10А...У13А 220°С, поэтому инструмент из этих сталей рекомендуется применять при скорости резания 8...10 м/мин.

Легированная инструментальная сталь в зависимости от основных легирующих элементов может быть хромистой (X), хромокремнистой (ХС), вольфрамовой (В), хромовольфрамомарганцевой (ХВГ) и др.

Марки таких сталей обозначают цифрами и буквами (первыми буквами названия легирующих элементов). Первая цифра слева от букв показывает содержание углерода в десятых долях процента (если содержание углерода менее 1 %), цифры справа от букв показывают среднее содержание легирующего элемента в процентах.

Из стали марки X изготовляют метчики и плашки, из стали 9ХС - сверла, развертки, метчики и плашки. Сталь В1 рекомендуется для изготовления мелких сверл, метчиков и разверток.

Температуростойкость легированных инструментальных сталей 350...400°С, поэтому допустимые скорости резания для инструмента из этих сталей в 1,2... 1,5 раза выше, чем для инструмента из углеродистых инструментальных сталей.

Быстрорежущие (высоколегированные) стали применяют чаще всего для изготовления сверл, зенкеров и метчиков. Марки быстрорежущих сталей обозначают буквами и цифрами, например Р6МЗ. Буква Р означает, что сталь быстрорежущая, цифры после нее показывают среднее содержание вольфрама в процентах, остальные буквы и цифры обозначают то же, что и в марках легированных сталей. Важнейшими компонентами быстрорежущих сталей являются вольфрам, молибден, хром и ванадий.

Быстрорежущие стали в зависимости от режущих свойств делят на стали нормальной и повышенной производительности. К сталям нормальной производительности относятся вольфрамовые стали марок Р18; Р9; Р9Ф5 и вольфрамомолибденовые стали марок Р6МЗ; Р6М5, сохраняющие твердость не менее HRC 58 до температуры 620°С. К сталям повышенной производительности относятся стали марок Р18Ф2; Р14Ф4; Р6М5К5; Р9М4К8; Р9К5; Р9К10; Р10К5Ф5; Р18К5Ф2, сохраняющие твердость HRC 64 до температуры 630...640°С.

Стали нормальной производительности - твердость HRC 65, температуростойкость 620°С, предел прочности при изгибе 3...4 ГПа (300...400 кгс/мм 2) - предназначены для обработки углеродистых и низколегированных сталей с пределом прочности на изгиб до 1 ГПа (100 кгс/мм 2), серого чугуна и цветных металлов. Быстрорежущие стали повышенной производительности, легированные кобальтом или ванадием (твердость HRC 70...78, температуростойкость 630...650°С, предел прочности при изгибе 2,5...2,8 ГПа, или 250 ...280 кгс/мм 2), предназначены для обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов, а с пределом прочности при изгибе свыше 1 ГПа (100 кгс/мм 2) - для обработки титановых сплавов.

Все инструменты, изготовленные из инструментальных сталей, подвергают термической обработке. Инструменты из быстрорежущей стали могут работать при более высоких скоростях резания, чем инструменты из углеродистой и легированной инструментальных сталей.

Твердые сплавы делят на металлокерамические и минералокерамические. Форма пластин, изготовленных из этих сплавов, зависит от их механических свойств. Инструменты, оснащенные пластинами из твердых сплавов, позволяют работать на более высоких скоростях резания по сравнению с инструментами из быстрорежущей стали.

Металлокерамические твердые сплавы подразделяют на вольфрамовые, вольфрамотитановые и титановольфрамотанталовые. Вольфрамовые сплавы группы В К состоят из карбидов вольфрама и титана. Марки этих сплавов обозначают буквами и цифрой, например ВК2; ВКЗМ; ВК4; ВК6; ВК6М; ВК8; ВК8В. Буква В означает карбид вольфрама, буква К - кобальт, а цифра показывает содержание кобальта в процентах (остальное - карбид вольфрама). Буква М, приведенная в конце некоторых марок, означает, что сплав мелкозернистый. Инструмент, изготовленный из такого сплава, обладает повышенной износостойкостью, но его сопротивляемость ударам снижена. Инструменты из вольфрамовых твердых сплавов применяют для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов (резины, пластмассы, фибры, стекла и др.).

Вольфрамотитановые сплавы группы ТК состоят из карбидов вольфрама, титана и кобальта. Марки этих сплавов обозначают буквами и цифрами, например Т5К10; Т5К12В; Т14К8; Т15К6; Т30К4; Т15К12В. Буква Т означает карбид титана, цифра за ней - процентное содержание карбида титана, буква К - карбид кобальта, цифра за ней - процентное содержание карбида кобальта (остальное в данном сплаве - карбид вольфрама). Инструменты из этих сплавов применяют для обработки всех видов сталей.

Вольфрамотитанотанталовые сплавы группы ТТК состоят из карбидов титана, вольфрама, тантала и кобальта. Для изготовления металлорежущего инструмента используют сплавы марок ТТ7К12 и ТТ10К8Б, содержащие соответственно 7 и 10 % карбидов титана и тантала, 12 и 8 % карбидов кобальта (остальное - карбид вольфрама). Инструмент из этих сплавов применяют в особо тяжелых условиях обработки, когда использование других инструментальных материалов неэффективно.

Твердые сплавы обладают высокой температуростойкостью. Вольфрамовые твердые сплавы сохраняют твердость HRC 83...90, а вольфрамотитановые - HRC 87...92 при температуре 800...950 °С, что позволяет инструменту из сплавов работать при высоких скоростях резания (до 500 м/мин при обработке сталей и до 2700 м/мин при обработке алюминия).

Для обработки деталей из коррозионно-стойких, жаропрочных и других труднообрабатываемых сталей и сплавов предназначены инструменты из мелкозернистых сплавов группы ОМ: из сплава ВК6-ОМ - для чистовой обработки, а из сплавов ВКЮ-ОМ и ВК15-ОМ - для получистовой и черновой обработки. Еще более эффективно для обработки труднообрабатываемых материалов использование инструментов из твердых сплавов марок BKIO-XOM и ВК15-ХОМ, в которых карбид тантала заменен карбидом хрома. Легирование сплавов карбидом хрома увеличивает их твердость и прочность при высоких температурах.

Для повышения прочности пластины из твердого сплава плакируют, т.е. покрывают защитными пленками. Широко применяют износостойкие покрытия из карбидов, нитридов и карбонидов титана, нанесенные тонким слоем (толщиной 5... 10 мкм) на поверхность твердосплавных пластин. На поверхности этих пластин образуется мелкозернистый слой карбида титана, обладающий высокой твердостью, износостойкостью и химической устойчивостью при высоких температурах. Износостойкость твердосплавных пластин с покрытием в среднем в три раза выше износостойкости пластин без покрытия, что позволяет увеличить скорость резания на 25... 30 %.

При определенных условиях в качестве инструментального материала применяют минералокерамические материалы , получаемые из окиси алюминия с добавками вольфрама, титана, тантала и кобальта.

Для режущего инструмента используют минералокерамику марки ЦМ-332, которая отличается высокой температуростойкостью (твердость HRC 89...95 при температуре 1200°С) и износостойкостью, что позволяет вести обработку стали, чугуна и цветных сплавов при высоких скоростях резания (например, чистовое обтачивание чугуна при скорости резания 3700 мм/мин, что в два раза выше скорости резания при обработке инструментом из твердых сплавов). Недостатком минералокерамики марки ЦМ-332 является повышенная хрупкость.

Для изготовления режущих инструментов применяют также режущую керамику (кермет) марок ВЗ; ВОК-6О; ВОК-63, представляющую собой оксидно-карбидное соединение (окись алюминия с добавкой 30...40% карбидов вольфрама и молибдена). Введение в состав минералокерамики карбидов металлов (а иногда и чистых металлов - молибдена, хрома) улучшает ее физико-механические свойства (в частности, снижает хрупкость) и повышает производительность обработки в результате повышения скорости резания. Получистовая и чистовая обработка инструментом из кермета деталей из серых, ковких чугунов, труднообрабатываемых сталей, некоторых цветных металлов и сплавов производится со скоростью резания 435...1000 м/мин без подачи СОЖ в зону резания. Режущая керамика отличается высокой температуростойкостью (твердость HRC 90...95 при температуре 950...1100 °С).

Для обработки закаленных сталей (HRC 40...67), высокопрочных чугунов (НВ 200...600), твердых сплавов типа ВК25 и ВК15 и стеклопластиков применяют инструмент, режущая часть которого изготовлена из сверхтвердых материалов (СТМ) на основе нитрида бора и алмазов. При обработке деталей из закаленных сталей и высокопрочных чугунов применяют инструмент, изготовленный из крупных поликристаллов (диаметром 3...6 мм и длиной 4...5 мм) на основе кубического нитрида бора (эльбора Р). Твердость эльбора Р приближается к твердости алмаза, а его температуростойкость в два раза выше температуростойкости алмаза. Эльбор Р химически инертен к материалам на основе железа. Предел прочности поликристаллов при сжатии 4...5 ГПа (400... 500 кгс/мм 2), при изгибе - 0,7 ГПа (70 кгс/мм 2), температуростойкость 1350... 1450°С.

Из других СТМ, применяемых для обработки резанием, следует отметить синтетические алмазы балас (марка АСБ) и карбонадо (марка АСПК). Карбонадо химически более активен к углеродсодержащим материалам, поэтому его используют при точении деталей из цветных металлов, высококремнистых сплавов, твердых сплавов ВК10... ВК30, неметаллических материалов. Стойкость резцов из карбонадов в 20... 50 раз выше стойкости резцов из твердых сплавов.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют инструментальными?
2. На какие классы делят инструментальные материалы?
3. Какими свойствами обладают твердые сплавы?
4. Что такое твердые сплавы групп ВК и ТК?

Лабораторная работа № 9

Применение инструментальных материалов»

Цель работы

Теоретический материал

Классификация инструментальных материалов

Инструментальными называют углеродистые и легированные инструментальные стали, а также твердые сплавы, обладающие высокой прочностью, износостойкостью, теплостойкостью.

Они предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования.

Для режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы и др.) применяются заэвтектоидные стали, структура которых после термообработки (закалка и низкий отпуск) мартенсит и избыточные карбиды.

Для инструментов, требующих повышенной вязкости (штампы горячего деформирования), применяют доэвтектоидные стали, которые после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температуре для получения структуры троостита.

Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов), кроме высокой твердости, износостойкости, должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Измерительный инструмент подвергают закалке в масле с целью получения минимального количества остаточного аустенита.

Материалы для режущих инструментов

Условия работы инструментов зависят от режимов резания (скорости, подачи и глубины снимаемой стружки) и свойств обрабатываемого материала – от твердости и вязкости.

Эти стали по теплостойкости подразделяются на три группы:

Не обладающие теплостойкостью (способность сохранять твердость при длительном нагреве) углеродистые и низколегированные стали (рабочие температуры до 200 0);

Полутеплостойкие (400 0 –500 0), содержащие свыше 0,6–0,7 % С и 4–18 % хрома;

Теплостойкие (до 550 0 –650 0) высоколегированные стали, содержащие хром, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт (650 0 –800 0).

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали - У7А, У8А…У13А.

Эти стали используют в качестве режущего инструмента для резания материалов с малой скоростью, так как их твердость падает при нагреве 190 0 –200 0 С.

Маркировка

Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой «У» (углеродистая), следующая за ней цифра У9, У10…У13 показывает среднее содержание цементита в десятых долях процента. Буква «А» в конце У10А указывает, что сталь высококачественная (содержание примесей серы < 0,04 % S и фосфора < 0,035 % P).

Например, У12А.

У – углеродистая инструментальная 12–1,2 % С, А – высококачественная.

Применение

Стали У7, У8, У9, обеспечивающие более высокую вязкость (по сравнению со сталями У10, У11, У 12), применяют для инструментов, подвергающихся ударам: зубила, долото, стамески. Твердость таких материалов после закалки и последующего отпуска при Т н =280…325 о HRC 48–58 и имеет структуру отпущенный троосто-мартенсит (в первом случае), или троостит (во втором случае).

Режущие инструменты (мелкие метчики, сверла, напильники, развертки) изготавливают из заэвтектоидных сталей У10, У11, У12 и У13.

Такие инструменты обладают повышенной износостойкостью и твердостью (HRC 60–64 на рабочих гранях). Но твердость падает при нагреве свыше 200 0 . В связи с этим инструменты из этих сталей пригодны для небольших скоростей резания.

Низколегированные стали

Эти стали, содержат до 5 % легирующих элементов, таблице 1, которые вводят для увеличения закаливаемости, уменьшения деформаций.

Таблица 1

Химический состав наиболее применяемых низколегированных

инструментальных сталей (ГОСТ 5950 – 73, ГОСТ 1263 – 73)

Марка стали	Содержание элементов, %
С	Si	Cr	W	M 0	V	Прочие
ХВ4	1,25–1,45	-	0,4–0,7	3,5–4,3	-	0,15–0,30	-
9ХС	0,85–0,95	1,2–1,6	0,95–1,25	-	-	-	-
ХВГ	0,9–1,05	-	0,9–1,2	1,2–1,6	-	-	0,8–1,1Мn
ХВСТ	0,9–1,05	0,65-1	0,6–1,1	0,5–0,8	-	0,05–0,13	0,6–0,9 Мn

Структура низколегированных инструментальных сталей (мартенсит и избыточный карбид) обеспечивает высокую твердость (62–69 HRC) и износостойкость. Но из-за низкой теплостойкости имеет практически одинаковые с углеродистыми сталями эксплутационные свойства. В отличие от углеродистых эти стали менее склонны к перегреву и позволяют изготавливать инструменты больших размеров и сложной формы.

Маркировка

Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543 – 71 принято обозначать хром – Х, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, вольфрам – В, титан – Т, ванадий – Ф, алюминий – Ю, медь – Д, бор – Р, кобальт – К. Цифра, стоящая после буквы, указывает на среднее содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента меньше или около одного процента. Цифра в начале марки стали, показывает содержание цементита в десятых долях процента.

Например, 9ХС – цементита (в среднем) 0,9 %, Х – хром – 1 %, С – кремний – 1 %

Применение

Сталь ХВ4 отличается высокой твердостью и износостойкостью (67– 69 HRC) и применяется для чистовой обработки твердых материалов. Эту сталь называют алмазной.

Сталь 9ХС имеет более высокую устойчивость к разупрочнению (по сравнению со сталью Х) при нагреве до 260 о. Ее применяют для изготовления фрез, сверл, резьбонарезных инструментов (HRC – 62…65).

Стали ХВГ, ХВТ (имеет малую деформацию при закалке) применяют для длинных стержневых инструментов: сверла, развертки, протяжки (HRC – 62…65).

Сложнолегированная сталь ХВСГ отличается высокой твердостью, износостойкостью, из нее изготавливают инструменты большего поперечного сечения (до 100 мм): фрезы, сверла и др (HRC – 63…64).

Высоколегированные инструментальные стали

(быстрорежущие стали)

К этой группе относятся быстрорежущие стали, предназначенные для изготовления инструментов высокой производительности. Основное свойство этих сталей – высокая теплостойкость (обеспечивается введением большого количества вольфрама, молибдена, хрома, ванадия).

Инструменты из этой стали, сохраняют высокую твердость до 600 о и допускают в 2–4 раза более производительные режимы резания. По сравнению с углеродистыми и низколегированными по уровню допустимых скоростей обработки резанием быстрорежущие стали, делятся на две группы: нормальной и повышенной производительности.

К группе сталей нормальной производительности относятся вольфрамовые (Р18, Р12, Р9, Р9Ф5) и вольфрамомолибденовые (Р6М3, Р6М5). Теплостойкость до 600 о.

К группе сталей повышенной производительности относятся стали, содержащие кобальт и повышенное количество ванадия (Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5). Они превосходят стали первой группы по теплостойкости (630 0 –640 0), но уступают им по прочности и пластичности.

Механические свойства некоторых быстрорежущих сталей приведен в таблице 2.

Таблица 2

Марка стали	температура нагрева при закалке, °С	Твёрдость по­сле закалки, HRC
Быстрорежущие
Р18	1270+1290	62…65
Р12	1240+1260	62…65
Р6АМ5 (Р6М5)	1200+1300	62…65
Р14Ф4 Р9К5, Р9К10 Р9М4К8	1240+1260	63…66
1210+1235 1215+1235	63…66 63+66
Р8МЗК6С Р9М5К5	1200+1220 1200+1230	63…66 63…66

Маркировка

Быстрорежущие стали обозначают буквой «Р», после которой стоит число, указывающее содержание (основного легирующего элемента) вольфрама в процентах. Содержание ванадия до 2 % и хрома до 4 % (во всех сталях) в марке не указывается. Стали, легированные дополнительно молибденом, кобальтом или имеющие повышенное количество ванадия, содержат в марке буквы М, К, Ф и числа, показывающие их содержание в %.

Например, Р10К5Ф5 – углерод в среднем 0,9–1,2 %, вольфрам 10 %, кобальт 5 %, ванадий 5 %.

Для устранения неоднородности структуры быстрорежущей стали применяют технологию порошковой металлургии. Эти стали (Р6М5Ф3 – МП; Р12МФ5 – МП и др.) имеют повышенное содержание углерода (1,2–1,75%) и ванадия (2,3–3,7%). Буквы МП указывают, что инструмент изготовлен методом порошковой металлургии (что обеспечивает повышение его теплостойкости в 1,5 раза).

Применение

Быстрорежущие стали применяют для изготовления фасонных токарных резцов, сверл, фрез, протяжек, метчиков и др.

Таблица 3

Твердые сплавы

К твердым сплавам относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой. Они предназначены для изготовления режущих инструментов.

Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с кобальтом, выполняющим роль связки, прессуют и спекают при 1400 0 –1550 0 С.

Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащают режущие части инструмента. Такие инструменты сочетают высокую твердость (74–76 НRC) с высокой теплостойкостью (800 0 –1000 0 С). По своим эксплуатационным свойствам они превосходят инструменты из быстрорежущих сталей и применяются для резания с высокими скоростями.

В зависимости от состава карбидной основы порошковые сплавы выпускают трех групп, таблица 4.

Первую группу (однокарбидную-вольфрамовую) составляют сплавы системы карбид–вольфрама–кобальт (WC–Co), теплостойкость до 800 0 С.

Вторую (двухкарбидную–титановольфрамовую) группу образуют системы ТС–WC–Cо. Сплавы отличаются более высокой, чем у сплавов первой группы, теплостойкостью (900 0 –1000 0 С).

Третью группу (трехкарбидную – титанотанталовольфрамовую) группу образуют системы Tic–TaC–WC–Co. От сплавов предыдущих групп они отличаются большей прочностью и сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию.

Таблица 4

Маркировка

Твердые сплавы маркируют:

Сплавы вольфрамовой группы ВК3, ВК6, ВК25. Цифры, стоящие после буквы К, означают содержание кобальта в %, остальное карбиды вольфрама.

Например, ВК 6 – кобальт 6 %, карбида вольфрама остальные 94 %.

Титановольфрамовой группы Т15К6, Т5К10. К – кобальт, Т – карбиды титана.

Например, Т5 К10 – кобальта 10 %, карбидов титана– 5 %, остальное – карбиды вольфрама – 85 %.

Титанотанталовольфрамовой группы ТТ7 К 12, ТТ8 К6.

Например, ТТ7 К12.

К – кобальта 12 %, ТТ7 – суммарное значение карбидов тантала и титана 7 %, остальное – карбиды вольфрама – 81 %.

Применение

Сплавы В3, ВК8 применяют для режущих инструментов (токарные резцы, сверла, фрезы) при обработке чугунов, медных сплавов, а также фарфора, керамики и др.

Сплавы ВК10, ВК15, обладающие (из-за повышенного содержания кобальта (10–15 %)) более высокой вязкостью используют для волочильных и буровых инструментов. Сплавы с высоким содержанием кобальта (ВК20, ВК25) применяют для изготовления штампового инструмента – пуансонов, матриц.

Сплавы второй группы Т15К6, Т30 К4 применяют для инструментов (фасонные резцы, фрезы, протяжки) высокоскоростного резания твердых сталей.

Сплавы третьей группы ТТ7К12, ТТ8К6 применяют для инструментов при наиболее тяжелых условиях резания (черновая обработка слитков, отливок, поковок).

Сверхтвердые сплавы

К сверхтвердым материалам относятся алмазы, твердость которых 10000 НV, тогда как быстрорежущей стали 1300 HV и в шесть раз превосходят твердость карбида вольфрама.

Применение имеют синтетические алмазы. Нитрид BN – называемый кубическим нитридом бора. В зависимости от технологии его выпускают под названием – эльбор, эльбор – Р, боразон.

По твердости BN – не уступает алмазу (9000HV), но значительно превосходит по теплостойкости (алмаз – 800 0 С, нитрид бора – 1200 0 С).

Применение

Алмазными инструментами (протяжки, фрезы, развертки) обрабатывают цветные сплавы, пластмассы, керамику, обеспечивая при этом низкую степень шероховатости поверхности.

Эльбор, баразон применяют для изготовления инструментов (разверток, шлифовальных кругов и др.) для закаленных, цементированных (труднообрабатываемых) сталей. При этом высокоскоростное точение (фасонными резцами) закаленных сталей заменяет процесс шлифования.

Маркировка

ХГ, ХВГ, 9ХС – маркируют аналогично легированным инструментальным сталям.

Применение

Плоские инструменты (скобы, линейки, шаблоны) изготавливают из сталей 15Х, 20Х, ХГ, ХВГ, 12ХН3А после химикотермической обработки – цементации.

Для изготовления микрометров, калибров и др. (сложной формы и большого размера) применяют азотируемую сталь 38Х2МЮА.

Маркировка

Маркировка осуществляется аналогично углеродистым и легированным инструментальным сталям.

Например: У12 – углеродистая инструментальная сталь, содержание цементита (в среднем) 1,25 %С. 6ХВ2С – углерода – 0,6 %, Х – хром 1 %, В – вольфрам 2 %, С – кремний 1 %.

Применение

Низколегированные стали Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ так же, как и углеродистые У10, У11, У12, используют для вытяжных и высадочных штампов, которые работают при небольших ударных нагрузках.

Высокохромистые стали Х12, Х12М, Х12Ф1 применяют для изготовления крупных инструментов сложной формы: вырубных, обрезных, чеканочных штампов повышенной точности, калибровочных досок, накатных роликов и др.

Стали Х6ВФ, 6ХВ2С – обладающие повышенной вязкостью – используют для инструментов, подвергающихся ударам (зубила, гибочные штампы, обжимные матрицы).

Механические свойства сталей для инструментов холодной обработки давлением представлены в таблице 5.

Таблица 5

Марка ста­ли	Закалка	Отпуск
температура, “С	твёрдость, НКС (не менее)	температура, °С	твёрдость НКС
4ХС	880…890		240…270	51…52
6ХС	840…860		240…270	52…53
4ХВ2С	860…900		240…270	50…52
5ХВ2С	860…900		240…270 420…440	51…53 45…47
6ХВ2С	860…900		240…270 420…440	53…55 46…48

Таблица 6

Применение

Стали 5ХНМ, 5ХНВ применяют для изготовления молотовых штампов.

Стали 5ХГМ и 5ХНВС предназначены для изготовления средних штампов или более крупных простой формы (5ХНВС).

1 2 3 4 5

1. Х12 1. У12А 1. ТТ12К8 1. 15Х 1. 5ХНВ

2. 5ХНМ 2. Т15К8 2. Р6М5Ф3-МП 2. ВК25 2. Т15К6

3. Р18 3. ВК8 3. ХВСГ 3. 3Х2В8Ф 3. У12

4. Р5М9 4. 9ХС 4. У13А 4. У10А 4. 4Х5В5МФ

5. ХВГ 5. У8 5. 9ХС 5. Х12М5. Р5М9

6 7 8 9 10

1. Х12 1. Х12Ф1 1. Х6ВФ 1. ВК25 1. У12

2. ТТ7К8 2. Р9 2. У13А 2. 20Х 2. Р18К3Ф2

3. Р18 3. 3Х2В8Ю 3. ХВСГ 3. 9ХС 3. 5ХНМ

4. 4Х2В5Ф 4. У8 4. Р6М5 4. У10А 4. ТТ12К8

5. У7А 5. ВК6 5. Т30К4 5. Р9 5. 4Х5В2ФС

11 12 13 14 15

1. Х6ВФ 1. Р9 1. У13А 1. ХВСГ 1. 9ХС

2. УТА 2. Х12Ф1 2. ХВ4 2. У10 2. Т15К8

3. Р9М5 3. У10А 3. ХВСГ 3. Р5М9 3. У13А

4. Т15К8 4. ВК25 4. Р9 4. ТТ12К6 4. ХВГ

5. Х5В2ФС 5. 3Х2В8Ф 5. ТТ12К8 5. 3Х2В5М3Ф 5. ВК20

16 17 18 19 20

1. У12А 1. Х 1. ХВСГ 1. 48 1. ХВГ

2. ХВГ 2. У9А 2. Р18 2. Р9М5 2. ВК25

3. Р5М9 3. ВК20 3. ТТ12К8 3. Т15К8 3. У10А

4. 9ХС 4. 9ХС 4. У13А 4. 9ХС 4. Р9М5

5. ВК10 5. 6М5Ф3-МП 5.9ХС 5. ХВГ 5. 4Х5В2С

Лабораторная работа № 9

«Классификация, маркировка, свойства и

применение инструментальных материалов»

Цель работы

Изучение классификации, маркировки инструментальных материалов их свойств и областей применения. Привить навыки оценки свойств инструментальных материалов, а также подбора материалов для проектируемых деталей.

Теоретический материал

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

2. Инструментальные стали

2.2 Быстрорежущие стали

3. Твердые сплавы

3.1 Вольфрамокобальтовые сплавы (группа ВК)

3.2 Титановольврамокобальтовые сплавы (группа ТК)

3.3 Титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы (группа ТТК)

4. Режущая керамика

5.2 Характеристика основных свойств и область применения поликристаллов синтетического алмаза (ПКА)

5.3 Характеристика основных свойств и область применения ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора BN

6. Инструментальные материалы с износостойким покрытием

1. Требования, предъявляемые к инструментальным материалам

При резании контактные площадки инструмента подвергаются интенсивному воздействию высоких силовых нагрузок и температур, величины которых имеют переменный характер, а взаимодействие с обрабатываемым материалом и реагентами из окружающей среды приводит к протеканию интенсивных физико-химических процессов: адгезии, диффузии, окисления, коррозии и др.

С учетом необходимости сопротивления контактных площадок режущего инструмента микро- и макроразрушению в указанных условиях, к свойствам инструментальных материалов предъявляется ряд специальных требований, выполнение которых определяет место их эффективного применения для режущих инструментов. Основные требования к инструментальным материалам следующие:

1. Инструментальный материал должен иметь высокую твердость.

Твердость инструментального материала должна быть выше твердости обрабатываемого не менее чем в 1,4 - 1.7 раза.

2. При резании металлов выделяется значительное количество теплоты и режущая часть инструмента нагревается. Поэтому, инструментальный материал должен обладать высокой теплостойкостью. Способность материала сохранять высокую твердость при температурах резания называется теплостойкостью.. Для быстрорежущей стали - теплостойкость еще называют красностойкостью (т.е. сохранение твердости при нагреве до температур начала свечения стали)

Увеличение уровня теплостойкости инструментального материала позволяет ему работать с большими скоростями резания (табл. 2.1).

Таблица 2.1 - Теплостойкость и допустимая скорость резания инструментальных материалов

Материал	Теплостойкость, К	Допустимая скорость при резании Стали 45 м/мин
Углеродистая сталь
Легированная сталь
Быстрорежущая сталь
Твердые сплавы:
Группа ВК
Группы ТК и ТТК
безвольфрамовые
с покрытием
Керамика

3. Важным требованием является достаточно высокая прочность инструментального материала. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента не обеспечивается необходимой прочностью, то это приводит к поломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок.

Таким образом, инструментальный материал должен иметь достаточный уровень ударной вязкости и сопротивляться появлению трещин (т.е. иметь высокую трещиностойкость).

4. Инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость при повышенной температуре, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истиранию обрабатываемым материалом, которая проявляется в сопротивлении материала контактной усталости.

5. Необходимым условием достижения высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемого материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы) и изнашивание контактных площадок инструмента.

6. Инструментальный материал должен обладать технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей ими являются хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные особенности термической обработки (малая чувствительность к перегреву и обезуглероживанию, хорошие закаливаемость и прокаливаемость, минимальные деформирование и образование трещин при закалке и т.д.); хорошая шлифуемость после термической обработки.

На рис. 2.1 показано расположение основных групп инструментальных материалов по их свойствам. Из рисунка видно, что твердость и прочность инструментальных материалов это свойства антагонисты, т.е. чем выше твердость материала, тем ниже его прочность. Поэтому набор основных свойств и определяет область и условие рационального использования инструментального материала в режущем инструменте.

Например, инструмент из сверхтвердых инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора (СТМ) или из режущей керамики (РК), используют исключительно для суперчистовой обработки изделий на высоких и сверхвысоких скоростях резания, но при весьма ограниченных сечениях среза.

При обработке конструкционных сталей на малых и средних скоростях резания в сочетании со средними и большими сечениями среза большие преимущества получают инструменты из быстрорежущей стали.

Инструментальные материалы подразделяются на пять основных групп: инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие); металлокерамические твердые сплавы (группы ВК, ТК и ТТК); режущая керамика (оксидная, оксикарбидная и нитридная); абразивные материалы (см. абразивная обработка) и сверхтвердые материалы СТМ (на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ)).

1 - Принципиальная зависимость основных свойств инструментальных материалов (твердость - прочность)

Рисунок 2.1 - Классификация инструментальных материалов по их свойствам

Наиболее распространенная из этих групп - быстрорежущая сталь, из которой изготавливается около 60% инструмента, из металлокерамических твердых сплавов - около 30%, из остальных групп материалов - только около 10 % лезвийного инструмента.

Анализ основных направлений совершенствования инструментальных материалов (см. рис. 2.1) позволяет отметить, что они связаны с ростом твердости, теплостойкости, износостойкости при снижении прочностных характеристик, вязкости и трещиностойкости. Эти тенденции не соответствуют идее создания идеального инструментального материала с оптимальным сочетанием свойств по твердости, теплостойкости, ударной вязкости, трещиностойкости, прочности.

Очевидно, что решение этой проблемы должно быть связано с разработкой композиционного инструментального материала, у которого высокие значения поверхностной твердости, теплостойкости, физико-химической инертности сочетались бы с достаточными значениями объемной прочности при изгибе, ударной вязкости, предела выносливости.

В мировой практике указанные методы совершенствования инструментальных материалов находят все большее применение, особенно при производстве сменных многогранных пластин (СМП) для механического крепления на режущем инструменте.

2. Инструментальные стали

Для режущих инструментов применяют быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 0,7-1,3% и суммарным содержанием легирующих элементов (кремния, марганца, хрома и вольфрама) от 1,0 до 3,0%.

2.1 Углеродистые и легированные инструментальные стали

Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А…У13, У13А. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,2…0,4% марганца. Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200…250С) их твердость резко уменьшается.

Легированные инструментальные стали, по своему химическому составу, отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца, или наличием одного либо нескольких легирующих элементов: хрома, никеля, вольфрама, ванадия, кобальта, молибдена. Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами - лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонности к короблению, но теплостойкость их равна 350…400С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, метчики).

Следует отметить, что за последние 15-20 лет существенных изменений этих марок не произошло, однако наблюдается устойчивая тенденция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.

2.2 Быстрорежущие стали

В настоящее время быстрорежущие стали являются основным материалом для изготовления режущего инструмента, несмотря на то, что инструмент из твердого сплава, керамики и СТМ обеспечивает более высокую производительность обработки.

Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления сложнопрофильных инструментов определяется сочетанием высоких значений твердости (до HRC68) и теплостойкости (600-650С) при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости, значительно превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обрабатываются давлением и резанием в отожженном состоянии.

В обозначении быстрорежущей стали буква Р означает, что сталь быстрорежущая, а следующая за буквой цифра - содержание средней массовой доли вольфрама в %. Следующие буквы обозначают: М - молибден, Ф - ванадий, К - кобальт, А - азот. Цифры, следующие за буквами, означают их среднюю массовую долю в %. Содержание массовой доли азота составляет 0,05-0,1%.

Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы: нормальной, повышенной и высокой теплостойкости.

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовая Р18 и вольфрамомолибденовая Р6М5 стали (табл. 2.2). Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63…64 HRC, предел прочности при изгибе 2900…3400Мпа, ударную вязкость 2,7…4,8Дж/м 2 и теплостойкость 600…620С. Указанные марки стали получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Объем производства стали Р6М5 достигает 80% от всего объема выпуска быстрорежущей стали. Она используется при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс.

Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода, ванадия и кобальта.

Среди ванадиевых сталей наибольшее применение получила марка Р6М5Ф3.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия (VC), так как твердость последних не уступает твердости зерен электрокорундового шлифовального круга (Al 2 O 3). Обрабатываемость при шлифовании - "шлифуемость", - это важнейшее технологическое свойство, которое определяет не только особенности при изготовлении инструментов, но и при его эксплуатации (переточках).

Таблица 2.2Химический состав быстрорежущих сталей

Марка стали	Массовая доля, %
			Вольфрам			Молибден
Стали нормальной теплостойкости
Стали повышенной теплостойкости
Стали высокой теплостойкости

По шлифуемости быстрорежущие стали можно разделить на 4 группы:

Порошковые быстрорежущие стали, независимо от содержания ванадия, относятся к группам 1 и 2 т.е. обладают хорошей шлифуемостью.

Стали с пониженной шлифуемостью склонны к прижогам, т.е. к изменению структуры приповерхностных слоев стали после шлифования или заточки, появлению вторичной закалки или зон вторичного отпуска с пониженной твердостью.

Следствием прижогов может быть значительное снижение стойкости инструмента.

Однако, проблема "шлифуемости" высокованадиевых быстрорежущих сталей, успешно решается если при заточке и доводке режущих инструментов применяются абразивные круги с зернами из СТМ на основе кубического нитрида бора (КНБ).

Ванадиевые быстрорежущие стали находят применение для инструментов несложных форм при чистовых и получистовых условиях резания для обработки материалов, обладающих повышенными абразивными свойствами.

Среди кобальтовых сталей наибольшее применение нашли марки Р6М5К5, Р9М4К8, Р18К5Ф2, Р9К5, Р2АМ9К5 и др. Введение кобальта в состав быстрорежущей стали наиболее значительно повышает ее твердость (до 66-68 HRC) и теплостойкость (до 640-650С). Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.

Это дает возможность использовать их для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности. Период стойкости инструментов из таких сталей в 3-5 раз выше, чем из сталей Р18, Р6М5.

Стали высокой теплостойкости характеризуются пониженным содержанием углерода, но весьма большим количеством легирующих элементов - В11М7К23, В14М7К25, 3В20К20Х4Ф. Они имеют твердость 69…70 HRC и теплостойкость 700…720С. Наиболее рациональная область их использования - резание труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов. В последнем случае период стойкости инструментов в 60 раз выше, чем из стали Р18, и в 8-15 раз выше, чем из твердого сплава ВК8.

Значительными недостатками этих сталей является их низкая прочность при изгибе (не выше 2400 МПа) и низкая обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 HRC) при изготовлении инструмента.

В связи со все более возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена - основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущей стали, все большее применение находят экономнолегированные марки. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3АМ3Ф2, которая используется при производстве инструмента, так как обладает достаточно высокими показателями по твердости (HRC 63-64), прочности (и -3400 МПа) и теплостойкости (до 620С).

Экономно легированные стали

Сталь 11Р3АМ3Ф2 технологична в металлургическом производстве, однако, из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

Порошковые быстрорежущие стали

Наиболее эффективные возможности повышения качества быстрорежущей стали, ее эксплуатационных свойств, и создания новых режущих материалов появились при использовании порошковой металлургии.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем сталь аналогичных марок, полученных по традиционной технологии. Технологическая схема получения порошковых быстрорежущих сталей следующая: газовое распыление в порошок жидкой струи быстрорежущей стали, засыпка и дегазация порошка в цилиндрический контейнер, нагрев и ковка (или прокатка) контейнеров в прутки, окончательная резцовая обдирка остатков контейнера с поверхности прутков. Основным преимуществом порошковой технологии является резкое снижение размеров карбидов, образующихся при кристаллизации слитка в изложнице. Таким образом порошинка, полученная газовым распылением, и является микрослитком в котором не образуются крупные карбиды.

Новая технология позволяет существенно изменить схему легирования с целью направленного повышения тех или иных эксплуатационных характеристик, определяющих стойкость инструмента.

Основные примеры разработки новых составов порошковой быстрорежущей стали сводятся к возможности введения в состав до 7% ванадия и значительного, в связи с этим, повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости. А также введение углерода с "пересыщением" до 1,7%, позволяющего получить значительное количество карбидов ванадия и высокую вторичную твердость после закалки с отпуском. В Украине выпускают ряд марок порошковой стали: (Р7М2Ф6-МП, Р6М5Ф3-МП, Р9М2Ф6К5-МП, Р12МФ5-МП и др. ГОСТ 28369-89).

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидостали, которая по своим свойствам может быть классифицирована как промежуточная между быстрорежущей сталью и твердыми сплавами.

Карбидосталь отличается от обычной быстрорежущей стали высоким содержанием карбидной фазы (в основном карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание TiC в карбидостали составляет 20%. Пластическим деформированием спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет HRC 40-44, а после закалки и отпуска HRC 68-70.

При использовании в качестве материала режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов (деформирующие протяжки).

3. Твердые сплавы

Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием. Сейчас общее количество твердосплавного инструмента, применяемого в механообрабатывающем производстве, составляет до 30%, причем этим инструментом снимается до 65% стружки, так как скорость резания, применяемая при обработке этим инструментом в 2-5 раз выше, чем у быстрорежущего инструмента. Твердые сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC и ниобия NbC, мельчайшие частицы которых соединены посредством сравнительно мягких и менее тугоплавких связок из кобальта или никеля в смеси с молибденом. Твердые сплавы по составу и областям применения можно разделить на четыре группы: вольфрамокобальтовые (WC-Co), титановольфрамокобальтовые (WC-TiC-Co), титанотанталовольфрамокобальтовые (WC-TiC-TaC-Co), безвольфрамовые (на основе TiC, TiCN с различными связками).

3.1 Вольфрамокобальтовые сплавы (ВК)

Вольфрамокобальтовые сплавы (группа ВК) состоят из карбида вольфрама(WC) и кобальта. Сплавы этой группы различаются содержанием в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама и технологией изготовления. Для оснащения режущего инструмента применяют сплавы с содержанием кобальта 3-10%. В табл. 2.3 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств твердых сплавов, в соответствии с ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.3 - Состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов, на основе WC-Co (группа ВК)

	Состав сплава, %	Характеристики физико-механических свойств
				Предел прочности при изгибе изг, Мпа, не менее	Плотность 10 -3 , кг/м 3	HRA, не менее

В условном обозначении сплава цифра показывает процентное содержание кобальтовой связки. Например обозначение ВК6 показывает, что в нем 6% кобальта и 94% карбидов вольфрама. При увеличении в сплавах содержания кобальта в диапазоне от 3 до 10% предел прочности, ударная вязкость и пластическая деформация возрастают, в то время как твердость и модуль упругости уменьшаются. С ростом содержания кобальта повышаются теплопроводность сплавов и их коэффициент термического расширения.

Рисунок 2.2 - Влияние кобальта на свойства твердого сплава группы (ВК)

Из всех существующих твердых сплавов, сплавы группы ВК при одинаковом содержании кобальта обладают более высокими ударной вязкостью и пределом прочности при изгибе, а также лучшей тепло- и электропроводностью. Однако стойкость этих сплавов к окислению и коррозии значительно ниже, кроме того, они обладают большой склонностью к схватыванию со стружкой при обработке резанием. При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства сплавов в значительной мере определяются средним размером зерен карбида вольфрама (WC). Разработанные технологические приемы позволяют получать твердые

сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрометра до 10-15 мкм.

Сплавы с размерами карбидов от 3 до 5 мкм относятся к крупнозернистым и обозначаются буквой В (ВК6-В), с размерами карбидов от 0,5 до 1,5 мкм буквой М (мелкозернистым ВК6-М), а с размерами, когда 70% зерен менее 1,0 мкм - ОМ (особо мелкозернистым ВК6-ОМ). Сплавы с меньшим размером карбидной фазы более износостойкие и теплостойкие, а также позволяют затачивать более острую режущую кромку (допускают получение радиуса округления режущей кромки до 1,0-2,0 мкм).

Физико-механические свойства сплавов определяют их режущую способность в различных условиях эксплуатации.

Эти закономерности и положены в основу практических рекомендаций по рациональному применению конкретных марок сплавов. Так, сплав ВК3 с минимальным содержанием кобальта, как наиболее износостойкий, но наименее прочный рекомендуется для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, но с малыми подачей и глубиной резания, а сплавы ВК8, ВК10М и ВК10-ОМ - для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным сечением среза в условиях ударных нагрузок.

3.2 Титановольфрамокобальтовые сплавы (ТК)

Сплавы второй группы ТК состоят из трех основных фаз:твердого раствора карбидов титана и вольфрама (TiC-WC) карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки. Предназначены они главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей, дающих сливную стружку. По сравнению со сплавами группы ВК они обладают большей стойкостью к окислению, твердостью и жаропрочностью и в то же время меньшими теплопроводностью и электропроводностью, а также модулем упругости.

Способность сплавов группы ТК сопротивляться изнашиванию под воздействием скользящей стружки объясняется также и тем, что температура схватывания со сталью у сплавов этого типа выше, чем у сплавов на основе WC-Co, что позволяет применять более высокие скорости резания при обработке стали и существенно повышать стойкость инструмента.

В табл. 2.4 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов в соответствии с ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.4 - Состав и характеристики физико-механических свойств сплавов на основе WC-TiC-Co, группа ТК

			Плотность 10 -3 , кг/м 3	HRA не менее

Так же как у сплавов на основе WC-Co, предел прочности при изгибе и сжатии и ударная вязкость увеличиваются с ростом содержания кобальта.

Теплопроводность сплавов группы ТК существенно ниже, а коэффициент линейного термического расширения выше, чем у сплавов группы ВК. Соответственно меняются и режущие свойства сплавов: при увеличении содержания кобальта снижается износостойкость сплавов при резании, а при увеличении содержания карбида титана снижается эксплуатационная прочность (рис. 2.3).

1) Прочность на изгиб - изг; 2) Твердость - HRA

Рисунок 2.3 - Влияние кобальта на свойства твердого сплава группы ТК

Поэтому такие сплавы, как Т30К4 и Т15К6, применяют для чистовой и получистовой обработки стали с высокой скоростью резания и малыми нагрузками на инструмент. В то же время сплавы Т5К10 и Т5К12 с наибольшим содержанием кобальта предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

Путем введения легирующих добавок получены сплавы, применяемые для резания стали с большими ударными нагрузками.

Разработан сплав Т4К8 для замены стандартного сплава Т5К10. Предел прочности его при изгибе 1600 МПа, в то время как у сплава Т5К10 он составляет 1400 МПа. Предельная пластическая деформация Т4К8 1,6%, а у сплава Т5К10 - 0,4%.

Сплав Т4К8 в большей степени, чем сплав Т5К10, сопротивляется ударным нагрузкам и может применяться при черновой токарной обработке стальных отливок при скорости резания 30-70 м/мин, глубине резания до 40 мм и подаче 1-1,2 мм/об. Стойкость инструмента, оснащенного сплавом Т4К8 в 1,5-2,0 раза выше, чем стойкость инструмента, оснащенного сплавом Т5К10.

3.3 Титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы (ТТК)

Промышленные танталосодержащие твердые сплавы на основе TiC-WC-TaC-Co состоят из трех основных фаз: твердого раствора карбидов титана, вольфрама и тантала(TiC-TaC-WC), а также карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки.

Введение в сплавы добавок карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе при температуре 20С и 600-800С.

Сплав, содержащий карбид тантала, имеет более высокую твердость, в том числе и при 600-800С. Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также термостойкость и стойкость к окислению на воздухе. В табл. 2.5 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов в соответствии с ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.5 - Состав и характеристики физико-механических свойств сплавов на основе TiC-WC-TaC-Co(группа ТТК)

		изг, Мпа, не менее	10 -3 , кг/м 3	HRA не менее

Увеличение в сплаве содержания карбида тантала повышает его стойкость при резании, особенно благодаря меньшей склонности к лункообразованию и разрушению под действием термоциклических и усталостных нагрузок. Поэтому танталосодержащие сплавы рекомендуются главным образом для тяжелых условий резания с большими сечениями среза, когда на режущую кромку инструмента действуют значительные силовые и температурные нагрузки, а также для прерывистого резания, особенно фрезерования. Наиболее прочным для обработки стали в особо неблагоприятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование) является сплав ТТ7К12. Применение его взамен быстрорежущей стали позволяет повысить скорость резания в 1,5-2 раза.

3.4 Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС)

В связи с дефицитностью вольфрама и кобальта промышленность выпускает безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой (табл. 2.6).

Таблица 2.6 - Состав и характеристики физико-механических свойств безвольфрамовых твердых сплавов

	Карбид титана	Карбонитрид титата		Молибден
			изг, Мпа, не менее	HRA, не менее

По твердости БВТС находятся на уровне вольфрамосодержащих сплавов (группы ВК), по прочностным характеристикам и особенно по модулю упругости им уступают. Твердость БВТС по Виккерсу при повышенных температурах в диапазоне температур 293-1073К несколько ниже, чем твердость вольфрамосодержащего сплава Т15К6.

БВТС имеют низкую окисляемость. Наибольшая термостойкость у сплава КНТ16, у сплава ТН20 она значительно ниже. Поэтому из сплава КНТ16 целесообразно изготовлять инструмент, работающий при прерывистом резании, например фрезеровании. Средняя "ломающая подача" (при которой происходит разрушение лезвия) составляет для сплава ТН20 - 0,3 мм/зуб, а для сплава КНТ16 - 0,54 мм/зуб. При выборе режимов резания подача не должна превышать этих значений, а глубина резания - 5мм.

Наибольшей износостойкостью обладает сплав ТН20. При точении стали 45 и стали 40Х при t=1мм и S=0,2мм/об стойкость сплава ТН20 выше стойкости сплава Т15К6, во всем диапазоне скорости резания (от 200 до 600 м/мин).

Нагрев инструмента из БВТС на установках ТВЧ, обычно применяемых при пайке инструмента, ухудшает его эксплуатационные характеристики. Поэтому для резания из БВТС изготовляют в основном сменные неперетачиваемые пластины (СМП).

В связи с пониженной теплопроводностью наибольшую стойкость БВТС имеют в случае применение четырех-, пяти- и шестигранных СМП, а не трехгранных. оптимальными геометрическими параметрами пластин при этом являются передний угол 10, задний угол 8-10, радиус при вершине 0,8 мм.

Эффективность применения БВТС зависит от правильности подготовки инструмента, выбора режимов резания и условий обработки. Пластины должны иметь высококачественную доводку по режущим кромкам и опорной поверхности и прилегать к опоре без зазора.

Обрабатываемая заготовка не должна иметь биения, превышающего половину припуска на обработку, а также следов газовой сварки, шлаковых включений.

При точении по возможности следует применять охлаждение.

Для предотвращения катастрофических поломок инструмента рекомендуется производить принудительный поворот пластинки после обработки определенного числа заготовок. Допустимый износ резцов по задней грани 1,5-1,8 мм.

При фрезеровании БВТС можно эксплуатировать до износа 2,5-3,0 мм по задней грани.

Обладая высокой прочностью, сплавы WC-Co лучше сопротивляются пульсирующей высокой нагрузке, имеющей место в данных условиях обработки. Превалирующим видом изнашивания в этом случае является адгезионно-усталостное, а при обработке белых чугунов и стеклопластиков - абразивное, при которых важным фактором, определяющим стойкость инструмента, является не только содержание кобальта в сплаве, но и размеры зерен фазы WC. И чем выше твердость обрабатываемого материала, тем существеннее влияние зернистости твердого сплава на стойкость инструмента.

Сплавы на основе Ni, обладающие высокой прочностью и значительным сопротивлением ползучести при высоких температурах, а также низкой теплопроводностью, с большим трудом обрабатываются резанием. На поверхности резания инструмент - заготовка генерируются очень высокие температуры и напряжения, происходят схватывание и последующий отрыв частиц твердого сплава. Лучшую стойкость в этих условиях показывают особомелкозернистые высококобальтовые сплавы.

Твердые сплавы на основе WC-TiC-Co рекомендуют в случае обработки стали при высоких скоростях резания, когда образуется сливная стружка. Стружка постоянно контактирует с передней поверхностью инструмента в условиях значительных температуры и давления, что приводит к интенсивному образованию лунки износа на передней поверхности резца. В этом случае превалирует диффузионное изнашивание. Раствор карбида вольфрама в карбиде титана растворяется в стали при более высокой температуре и гораздо медленнее, чем карбид вольфрама. Кроме того, присутствие фазы WC-TiC-Co способствует уменьшению скорости растворения зерен карбида вольфрама в стали, и тем самым снижает интенсивность изнашивания.

При диффузионном характере изнашивания его скорость, определяемая скоростью растворения карбидных зерен в стали, в большей степени зависит от химических свойств сплава, чем от его твердости, связанной с зернистостью. В таких условиях значительно большей стойкостью обладают безвольфрамовые сплавы, основой которых является карбид или карбонитрид титана. Они взаимодействуют со сталью менее интенсивно, чем сложный карбид WC-TiC.

Твердые сплавы на основе WC-TiC-TaC-Co рекомендуют при прерывистом резании, например фрезеровании, когда на рабочих поверхностях инструмента появляются многочисленные короткие трещины, перпендикулярные к режущей кромке. Эти трещины вызваны периодическим расширением при нагреве в процессе резания и сжатием при охлаждении поверхностных слоев твердого сплава. При дальнейшем развитии трещины приводят к выкрашиваниям и сколам и становятся главной причиной выхода инструмента из строя.

Поэтому, для оснащения фрезерного инструмента применяют твердые сплавы, наименее чувствительные к термической усталости и динамическим циклическим нагрузкам, сплавы содержащие в своем составе карбид тантала, т.е. сплавы на основе WC-TiC-TaC-Co.

3.6 Классификация современных твердых сплавов по международному стандарту ИСО513 и определение условий их эффективного использования

При определении областей применения твердых сплавов, обычно используют рекомендации международной организации стандартов ИСО (ISO), которые предусматривают их использование с учетом обрабатываемых материалов и типа стружки, типа обработки (чистовая, получистовая, легкая черновая и черновая), условий обработки (хорошие, нормальные и тяжелые), а также видов обработки (точение, растачивание, фрезерование и др.).

По (ISO) предусматривается деление всех обрабатываемых материалов на три группы: Р (обозначаются синим цветом), М (желтым) и К (красным). В группу Р входят стали и стальное литье, при обработке которых получают сливную стружку. В группу М входят нержавеющие стали, титановые и жаропрочные сплавы, при обработке которых получают стружку надлома и сливную. В группу К входят чугуны, цветные металлы и их сплавы, материалы с высокой поверхностной твердостью, при обработке которых получают стружку надлома и элементную (табл. 2.7).

Таблица 2.7 - Классификация обрабатываемых материалов по группам резания

Группа по ISO	Обрабатываемый материал	Пример материала
	Углеродистые легированные высоколегированные и инструментальные Стальное литье	08кп, 10, А12, Ст3, Ст45, А40Г, 60, У7А 20Х, 12ХН13А, 38Х2Н2МА, ШХ15ГС 7ХФ, 9ХС, ХВГ, Р6М5 20Л, У8Л, 35ХГСЛ, 5Х14НДЛ, Г13
М (Желтый)	Нержавеющие стали Титановые сплавы Жаропрочные	12Х13, 12Х18Н10Т, 11Х11Н2В2МФ ВТ1-00, ВТ5, ВТ14 ХН32Т, ХН67ВТМЮЛ
К Красный	Цветные металлы Материалы с высокой поверхностной твердостью	СЧ10, СЧ45, ВЧ35, ВЧ100, КЧ37-12, КЧ50-5 АМГ2, Д16,АЛ3, ЛС63-1, Л96, ЛО70-1, М00к Закаленная сталь HRC 45-60, ЧХ16

Каждая группа применения делится на подгруппы, причем с увеличением индекса подгруппы от 01 до 40 (50), условия обработки становятся более жесткими, начиная от чистового резания и заканчивая черновым с ударами. Такое рассмотрение удобно для подбора рекомендуемых марок твердых сплавов по свойствам. Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже требуется износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость) и допустимая подача и глубина резания (табл. 2.8).

Таблица 2.8 Подгруппы применения твердых сплавов

Обозначение	Обрабатываемый материал. Тип снимаемой стружки	Вид обработки. Условия применения
Группа резания Р
	Сталь. Сливная стружка	Чистовое точение, растачивание, развертывание (высокие точность обработки и качество поверхности изделия)
	Сталь. Сливная стружка	Точение, в том числе по копиру, нарезание резьбы, фрезерование, рассверливание, растачивание
	Сталь, ковкий чугун и цветные металлы. Сливная стружка	Точение, в том числе по копиру, фрезерование, чистовое строгание
	Сталь нелегированная, низко и среднелегированная	Фрезерование, в том числе глубоких пазов, другие виды обработки, при которых у сплава должно быть высокое сопротивление тепловым и механическим нагрузкам
	Сталь, ковкий чугун. Сливная стружка	Черновое точение, фрезерование, строгание. работа в неблагоприятных условиях*
	Сталь с включениями песка и раковинами. Сливная стружка и стружка надлома	Черновое точение, строгание. работа в особо неблагоприятных условиях*
	Продолжение таблицы 2.8
	Сталь со средней или низкой прочностью, с включениями песка и раковинами. Сливная стружка и стружка надлома	Точение, строгание, долбление при особо высоких требованиях к прочности твердого сплава в связи с неблагоприятными условиями резания*. Для инструмента сложной формы
Группа резания М
	Сталь, в том числе аустенитная, жаропрочная, труднообрабатываемая, сплавы, серый, ковкий и легированный чугуны. Сливная стружка и стружка надлома	Точение, фрезерование
	Сталь, в том числе жаропрочная труднообрабатываемая, сплавы, серый и ковкий чугуны. Сливная стружка и стружка надлома	Точение, фрезерование
	Аустенитная сталь, жаропрочные труднообрабатываемые стали и сплавы, серый и ковкий чугуны. Сливная стружка и стружка надлома	Точение, фрезерование, строгание, работа в неблагоприятных условиях
	Низкоуглеродистая сталь с низкой прочностью, автоматная сталь и другие металлы и сплавы. Сливная стружка и стружка надлома	Точение, фасонное точение, отрезка преимущественно на станках-автоматах
Группа резания К
	Серый чугун, преимущественно высокой твердости, алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния, закаленная сталь, абразивные пластмассы, керамика, стекло. Стружка надлома	Чистовое точение, растачивание, фрезерование, шабрение
	Легированные чугуны, закаленные стали, коррозионно-стойкие, высокопрочные и жаропрочные стали и сплавы. Стружка надлома	Чистовое и получистовое точение, растачивание, развертывание, нарезание резьбы
	серый и ковкий чугуны преимущественно повышенной твердости, закаленная сталь, алюминиевые и медные сплавы, пластмассы, стекло, керамика. Стружка надлома	Точение, растачивание, фрезерование, сверление, шабрение
	Серый чугун, цветные металлы, абразивная прессованная древесина, пластмассы. Стружка надлома	Точение, фрезерование, строгание, сверление, растачивание
	Продолжение таблицы 2.8
	Серый чугун низкой твердости и прочности, сталь низкой прочности, древесина, цветные металлы, пластмасса, плотная древесина. Стружка надлома	Точение, фрезерование, строгание, сверление, работа в неблагоприятных условиях*. Допустимы большие передние углы заточки инструмента
	Цветные металлы, древесина, пластмассы. Стружка надлома	Точение, фрезерование, строгание. Допустимы большие передние углы заточки инструмента

* Работа с переменной глубиной резания, с прерывистой подачей, с ударами, вибрациями, с наличием литейной корки и абразивных включений в обрабатываемом материале

Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и теплостойкость, а большие индексы соответствуют черновым операциям, т.е. когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью. В связи с этим каждая марка имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность обработки.

Скорость резания, непрерывность обработки, жесткость системы СПИД, способ получения заготовки (состояние обрабатываемой поверхности) позволяет определить условие обработки и сформулировать требования к основным свойствам твердого сплава. Условия обработки могут быть хорошие, нормальные и тяжелые.

ХОРОШИЕ - Высокие скорости. Непрерывное резание. Предварительно обработанные заготовки. Высокая жесткость технологической системы СПИД.

Требования к твердому сплаву - высокая износостойкость.

НОРМАЛЬНЫЕ - Умеренные скорости резания. Контурное точение. поковки и отливки. Достаточно жесткая система СПИД.

Требования к твердому сплаву - хорошая прочность в сочетании с достаточно высокой износостойкостью.

ТЯЖЕЛЫЕ - Невысокие скорости. Прерывистое резание. Толстая корка на литье или поковках. Нежесткая система СПИД.

Требования к твердому сплаву - высокая прочность.

Кроме подгрупп применения необходимо знать тип обработки (чистовая, получистовая, легкая и черновая), который позволяет ориентироваться в величинах глубины резания (t, мм) и подачи (S 0 , мм/об). Тип обработки приведен в табл. 2.9.

Таблица 2.9 Тип обработки

Область применения твердых сплавов можно представить сводной таблицей 2.10.

Таблица 2.10 Определение области применения твердого сплава

Условия обработки		Тип обработки
		Чистовая	Получистовая	Легкая черновая	Черновая
Нормальные

Из табл. 2.10 видно, что область использования марки твердого сплава будет зависеть от обрабатываемого материала, условий и типа обработки. Области рационального применения твердых сплавов отечественного производства приведены в табл. 2.11.

Таблица 2.11 Области применения твердых сплавов

Марка сплава ГОСТ 3882-74 (ТУ 48-19-307-87)	Область применения
	Основная группа	Подгруппа
Т15К6, МС111 Т14К8, МС121 ТТ20К9, ТТ21К9, МС137 Т5К10, ТТ10К8-Б, МС131 Т5К12, ТТ7К12, МС146
ВК60М, МС313 ВК6М, ТТ8К6, МС211 ТТ10К8-Б, МС221, МС321 ВК10-М, ВК10-ОМ, ВК8 ВК10-ОМ, ТТ7К12, ВК15-ОМ ВК15-ХОМ, МС241, МС146
ВК3, ВК3-М, МС301 ВК6-ОМ, ВК6-М, МС306 ТТ8К6, ВК6-М МС312, МС313 ВК4, ВК6, Т8К7, МС318, МС321 ВК8, ВК15, МС347

Примечание. Износостойкость сплавов возрастает снизу вверх, прочность - наоборот.

Твердые сплавы серии МС выпускаются на Московском комбинате твердых сплавов (МКТО) по технологии фирмы "Sandik Coromant".

4. Режущая керамика

Промышленность выпускает четыре группы режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе Al 2 O 3 , оксикарбидную (черная керамика) на основе композиции Al 2 O 3 -TiC, оксиднонитридную (кортинит) на основе Al 2 O 3 -TiN и нитридную керамику на основе Si 3 N 4 .

Основной особенность режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания, повышает пластическую прочность, что и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава. Если предельный уровень скоростей резания для твердосплавного инструмента при точении сталей с тонкими срезами и малыми критериями затупления составляет 500-600 м/мин, то для инструмента, оснащенного режущей керамикой, этот уровень увеличивается до 900-1000 м/мин.

Составы основных типов режущей керамики и некоторые физико-механические свойства представлены в табл. 2.12.

Таблица 2.12 Состав, свойства и области применения керамики

Марки керамики				HRA, не менее	Область приме-
О к с и д н а я
О к с и к а р б и д н а я
О к с и н и т р и д н а я	(кортинит)
н и т р и д н а я	(силинит-Р)	Si 3 N 4 , Y 2 O 3 , TiC

Недостаток оксидной керамики - ее относительно высокая чувствительность к резким температурным колебаниям (тепловым ударам). Поэтому охлаждение при резании керамикой не применяют.

Указанное является главной причиной микро- или макровыкрашиваний режущей керамики и контактных площадок инструмента уже на стадиях приработочного или начального этапа установившегося изнашивания, приводящего к отказам из-за хрупкого разрушения инструмента. Отмеченный механизм изнашивания керамического режущего инструмента является превалирующим.

В последние годы появились новые марки оксидной керамики в состав которых введены окись циркония (ZrO 2) и армирование ее "нитевидными" кристаллами карбида кремния (SiC). Армированная керамика имеет высокую твердость (HRC А -92) и повышенную прочность (изг до 1000 МПа).

Параллельно с совершенствованием керамических материалов на основе оксида алюминия созданы новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния (силинит-Р). Такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиб (изг =800 МПа), низкий коэффициент термического расширения, что выгодно отличает его от оксидных керамических материалов. Это позволяет с успехом использовать нитридокремниевый инструмент при черновом точении, получистовом фрезеровании чугуна, а также чистовом точении сложнолегированных и термообработанных (до HRC 60) сталей и сплавов.

Режущую керамику выпускают в виде неперетачиваемых сменных пластин. Пластины изготавливают с отрицательными фасками по периметру с двух сторон. размер фаски f=0,2…0,8мм, угол ее наклона отрицательный от 10 до 30. Фаска необходима для упрочнения режущей кромки.

Допустимый износ керамических пластин намного меньше износа твердосплавных пластин. Максимальный износ по задней поверхности не должен превышать 0,3…0,5мм, а при чистовых операциях 0,25…0,30мм.

При назначении режимов резания для керамики имеются рекомендации:

1. Предпочтительна квадратная форма пластины с максимально возможным углом заострения и наибольшим радиусом при вершине пластины r b .

2. Ширину фаски f выбирают в зависимости от твердости обрабатываемого материала, чем тверже обрабатываемый материал, тем ширина фаски больше.

3. Скорость резания нужно назначать максимально допустимой исходя из жесткости системы СПИД и характеристик оборудования.

4. Заготовки, обрабатываемые пластинами из режущей керамики, должны иметь на входе и выходе резца фаски, ширина которых превышает припуски на обработку, а также канавки в местах перехода от цилиндрической поверхности к торцевой.

В настоящее время керамической инструмент рекомендуют для чистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (HRC до 55-60), цветных сплавов, конструкционных полимерных материалов (К01-К05, Р01-Р05). В указанных условиях инструмент оснащенный пластинами из режущей керамики, заметно превосходит по работоспособности твердосплавный инструмент.

Применение керамического инструмента при обработке с повышенными значениями сечений среза (txS), при прерывистом резании резко снижает его эффективность вследствие высокой вероятности внезапного отказа из-за хрупкого разрушения режущей части инструмента. Во многом это объясняет сравнительно низкий объем используемого в промышленности Украины керамического инструмента (до 0,5% от общего объема режущего инструмента), для развитых стран Запада этот объем составляет от 2 до 5%.

5. Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы

Сверхтвердыми принято считать материалы, имеющие микротвердость, выше микротвердости природного корунда (Al 2 O 3) (т.е. твердость по Виккерсу более 20 ГПа). Материалы, твердость которых выше, чем металлов (т.е. 5-20 ГПа) можно рассматривать как высокотвердые. Из природных материалов к сверхтвердым относится только алмаз. В 2000 году в ИСМ АН Украины прямым превращением графитоподобного твердого раствора BN-C при давлении 25 ГПа и температуре 2100К была получена новая сверхтвердая фаза, кубический карбонитрид бора (BC 2 N), получившим обозначение КАНБ. Твердость и модуль упругости КАНБ является промежуточным между алмазом и кубическим нитридом бора, что делает его вторым по твердости материалом после алмаза, и открывает новые перспективы.

5.1 Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора

Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ).

Природный алмаз - самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX века с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т.п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки.

Подобные документы

Требования к конструкционным материалам. Экономические требования к материалу определяются. Марки углеродистой стали обыкновенного качества. Углеродистые качественные стали. Цветные металлы и сплавы. Виды термической и химико-термической обработки стали.

реферат , добавлен 17.01.2009


Виды сталей для режущего инструмента. Углеродистые, легированные, быстрорежущие, штамповые инструментальные стали. Стали для измерительных инструментов, для штампов холодного и горячего деформирования. Алмаз как материал для изготовления инструментов.

презентация , добавлен 14.10.2013


Требования к свойствам инструментальных материалов. Перечень марок нескольких основных нетеплостойких сталей для режущего инструмента. Закалка доэвтектоидных сталей. Быстрорежущие стали: маркировка, структура, технология термической обработки и свойства.

контрольная работа , добавлен 20.09.2010


Классификация металлов: технические, редкие. Физико-химические свойства: магнитные, редкоземельные, благородные и др. Свойства конструкционных материалов. Строение и свойства сталей, сплавов. Классификация конструкционных сталей. Углеродистые стали.

реферат , добавлен 19.11.2007


Твердые сплавы и сверхтвердые композиционные материалы: инструментальные, конструкционные, жаростойкие; их свойства и применение. Совершенствование технологии сплавов, современные разработки получения безвольфрамовых минералокерамических соединений.

реферат , добавлен 01.02.2011


Назначение и особенности эксплуатации инструментальных сталей и сплавов, меры по обеспечению их износостойкости. Требования к сталям для измерительного инструмента. Свойства углеродистых и штамповых сталей для деформирования в различных состояниях.

контрольная работа , добавлен 20.08.2009


Двухкарбидные твердые сплавы. Основные свойства и классификация твердых сплавов. Метод порошковой металлургии. Спекание изделий в печах. Защита поверхности изделия от окисления. Сплавы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама и титана.

контрольная работа , добавлен 28.01.2011


Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".

курсовая работа , добавлен 19.03.2013


Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества. Механические свойства горячекатаной стали. Стали углеродистые качественные. Легированные конструкционные стали. Низколегированный сплав, среднеуглеродистая или высокоуглеродистая сталь.

презентация , добавлен 19.12.2014


Характеристика оптических и механических свойств поликристаллических материалов. Изучение понятия, типов, технологий изготовления неорганического стекла. Ознакомление с масштабами производства керамики, определение перспективных направлений ее применения.

← Вернуться