Инструментальные легированные стали
Характеристика и область применения
Маркировка и свойства инструментальных углеродистые сталей
Применение ИРМ при металлообработке
Показатели | Быстрорежущие стали | Твердые сплавы | Режущая керамика и СТМ |
Объем выпуска, % | |||
Объем снимаемого припуска, % |
Широко применяемые марки: У8А, У10А, У12А,
Расшифровка марки: У – углеродистая сталь; 10 – содержание углерода в десятых долях %; А – высококачественная сталь (пониженное содержание вредных примесей – серы и фосфора. Допустимое содержание <00,2…0,03%).
У10А содержит 7,16 % карбида кремния, цементитная структура, 1% С. Твердость после термообработки НRCэ 60…63
Недостатки по функциональным свойствам: низкая теплостойкость (около 200ОС), не позволяющая развивать высокую скорость резания (V»20 м/мин).
Недостатки по технологическим свойствам: низка прокаливаемость, возникают деформации при термообработке.
Область применения: в основном ручной и деревообрабатывающий инструмент. Возможно изготовление инструмента, работающего с низкими скоростями резания, - метчиков и резьбовых плашек.
Достоинства: тонкое лезвие (малый радиус скругления режущей кромки), высокие механические характеристики (sИ » 2000-2500 МПа). Хорошо обрабатываются резанием и давлением.
Марка | Твердость HRCЭ | Теплостой- кость, ОС | % карбидной фазы | sВ, МПа | Область применения |
У7, У7А | 62…64 | 200…220 | 10…12 | Дереворежущие ручные инструменты: пилы, стамески, отвертки … | |
У8, У8А | 62…64 | 200…220 | 11…13 | ||
У10, У10А | 63…65 | 200…250 | 14…16 | + мелкоразмерный РИ, зубила | |
У12, У12А | 63…66 | 200…250 | 17…18 | метчики, плашки |
Расшифровка марки:
Начальная цифра – содержание углерода в десятых долях % (нет цифры» 1%);
Буква – обозначение легирующего элемента (Г –марганец, Х – хром, С – кремний, В – вольфрам, Ф – ванадий).
Цифра после буквы – содержание легирующего элемента в % (нет цифры» 1%).
Состав стали ХВГ: С=0.9-1%, Cr=0.9-1.2%, W=1.2-1.6%, Mn=0.8-1%. Содержание карбидной фазы 14-16%.
Режущие свойства инструментальных сталей повышаются с увеличением % металла, связанного в карбидные зерна.
Характеристика и область применения
Марка | Твердость HRCЭ | Теплостой- кость, ОС | % карбидной фазы | sИ, МПа | Область применения |
11ХФ | 63…66 | 200…250 | 15…17 | Метчики, плашки | |
9ХС | 63…66 | 240…250 | 12…14 | Клейма | |
ХВГ | 63…66 | 200…220 | 14…16 | Калибры, протяжки | |
Х6ВФ | 59…61 | »400 | 12…14 | Резьбонакатной инструмент |
Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73)
Отличаются высоким содержанием карбидообразующих элементов
Стали нормальной производительности (Р18, Р9, Р6М5) обеспечивают скорость резания V=35-50 м/мин. По объему выпуска быстрорежущих сталей 90-95 % приходится на сталь Р6М5. Широко используются для изготовления всех видов режущих инструментов.
Стали повышенной производительности (Р6М5К5, 10Р6М5К5, Р9М4К8) обеспечивают скорость резания V=65-70 м/мин. Используются для изготовления мерных инструментов (сверла, развертки, метчики), фасонных инструментов (фасонные резцы, фрезы), при резании труднообрабатываемых материалов.
Расшифровка марки стали:
Начальная цифра – содержание углерода в десятых долях % (нет цифры» 1%);
Буква – обозначение легирующего элемента (Р – вольфрам, М – молибден, К – кобальт, А - азот, Ф – ванадий, Т – титан, Ц – цирконий, Б - ниобий).
Цифра после буквы – содержание легирующего элемента в % (нет цифры» 1%).
Влияние легирующих элементов:
Чем больше % Со, тем выше твердость и теплостойкость. Однако при содержании кобальта >10% значительно снижается прочность.
Чем больше % Va, тем выше теплостойкость, но снижается шлифуемость. 1% Va может заменить 3% W с потерей шлифуемости.
Характеристика и область применения
Марка | Твердость HRCЭ | Теплостой- кость, ОС | sИ, МПа | Область применения |
Р18 | 63…66 | Все виды РИ | ||
Р9 | 63…66 | РИ простой формы | ||
Р6М5 | 63…66 | Все виды РИ | ||
Р9К5 | 64…67 | РИ для обработки материалов повышенной твердости | ||
Р6М5К5 | 64…67 | |||
Р9М4К8 | 65…67 |
· Основные направления совершенствования быстрорежущих сталей.
1 Замена особо дефицитных карбидообразующих легирующих элементов. Вольфрам заменяется молибденом (Р18 заменяется Р6М5), ванадий заменяется титаном, ниобием и танталом.
2 Повышение содержания углерода до 1%. При этом повышается износостойкость и расширяется интервал закалочных температур (Р6М5 - 0,8 % С, 10Р6М5 - 1% С).
3 Создание маловольфрамовых быстрорежущих сталей с комплексным легированием (Р3М3Ф3Б2) с целью экономии вольфрама.
4 Создание безвольфрамовых быстрорежущих сталей с повышенным содержанием углерода (11М5Ф, 15М5Х5Ф5С).
5 Улучшение качества быстрорежущих сталей за счет легирования азотом (Р6АМ5).
6 Применение порошковых быстрорежущих сталей. Достоинства: высокая ударная вязкость, улучшенная шлифуемость, малая карбидная неоднородность (для чистовых инструментов Р6М5К5МП). При помощи порошковой металлургии можно довести содержание углерода до 2%, ванадия до 8-9 %, кобальта до 18%. Порошковый метод позволяет использовать металлолом быстрорежущих сталей, превращая его в порошок, а затем в высококачественную сталь (это безотходная технология).
7 Улучшение качества РИ за счет износостойких покрытий TiC, TiN. Толщина пленки покрытий 3...8 мкм. Обеспечивается повышение стойкости (до 5-ти раз), снижение шероховатости обработанной поверхности.
8 Создание карбидосталей методом порошковой металлургии. При этом повышается твердость и теплостойкость материала, однако ухудшаются технологические свойства. Примеры: Р6М5+20% TiC, Р6М5К5+20% TiC
Твердые сплавы (ГОСТ 3882-74)
Содержат зерна карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов в металлических связках.
Твердость 17-24*103 HV, теплостойкость 800-1000ОС. Однако твердые сплавы более хрупкие и менее прочные (sИ=1100-1800 МПа), имеют худшие технологические свойства.
· Группы твердых сплавов:
Группа ВК – карбиды вольфрама + кобальтовая связка. ВК6 – 6% кобальта, 94% карбидов вольфрама. Основная область применения РИ для обработки чугунов и цветных сплавов.
Группа ТК – карбиды вольфрама + карбиды титана + кобальтовая связка. Т15К6 – 6% кобальта, 15% карбидов титана, 79% карбидов вольфрама. Основная область применения РИ для обработки конструкционных сталей.
Группа ТТК – карбиды вольфрама + карбиды титана + карбиды тантала + кобальтовая связка. ТТ7К12 – 12% кобальта, 7% карбидов титана и карбидов тантала, 81% карбидов вольфрама. Основная область применения РИ для обработки сталей в тяжелых условия (черновая обработка по корке, прерывистое резание с ударами).
Влияние химических элементов на функциональные свойства:
Увеличение % Со повышает вязкость и прочность.
Увеличение % Та повышает прочность.
· Развитие структуры твердых сплавов.
1. Добавки карбида тантала (ТаС) улучшают физико-механические и эксплуатационные свойства (замена группы титано-кобальтовых сплавов на группу титано-тантало-кобальтовых ТТК).
ТТ7К12 - используется при особо неблагоприятных условиях обработки сталей.
ТТ10К8Б – сплав создан для тяжелых условий резания труднообрабатываемых материалов.
ТТ20К9 - обладает хорошим сопротивлением термомеханическим и циклическим нагрузкам.
ТТ8К6 - обладает хорошим сопротивлением абразивному истиранию, следовательно, повышается износоустойчивость при чистовой обработке.
2. Создание мелкозернистых и особомелкозернистых твердых сплавов (ВК6М, ВК6ОМ). Применяется при обработке труднообрабатываемых материалов особенно при работе в диапазоне скоростей наростообразования. Появляется возможность качественно получать режущие кромки у мелкоразмерных РИ. В состав мелкозернистых твердых сплавов дополнительно входят ТаС до 2%, ванадий до 1% как замедлители роста зерен. Дефицитный тантал может быть замене хромом; легирование твердого сплава карбидом хрома увеличивает твердость и прочность ИРМ при повышенных температурах. Примеры - ВК10ХОМ, ВК15ХОМ.
3. Использование безвольфрамовых твердых сплавов (ТН20, КНТ-16, ТВ4).
КНТ16 - карбид-нитрид титана TiCN - 84%, NiMo - 16%. По применению аналог Т15К6.
4. Применение твердых сплавов с износостойкими покрытиями
- Однослойные покрытия карбид титана ТiC, нитрид титана TiN, нитрид ниобия NbN, нитрид циркония ZrN толщиной 3-8 мкм.
- Композиционные покрытия (Mo+Cr)N, (Nb+Zr)N толщиной 3-8 мкм.
- Многослойные покрытия Al2O3+TiC+ TiCN+TiN + подложка
Зарубежная маркировка твердых сплавов не раскрывает их химического состава. Например, сплав с маркировкой МС… расшифровывается как «Твердый сплав производства фирмы Москва – Сандвик».
Инструментальная режущая керамика
Материалы инертны по отношению к железу, поэтому обладают высокой износостойкостью, размерной стойкостью. Инертность к железу обеспечивает понижение химической активности и адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом.
Разновидности керамики:
1. Оксидная на основе Al2O3 - ЦМ332, ВО13, ВШ75
2. Оксидно-корбидная (Al2O3+TiC) - BOK60, BOK 71
3. Оксидно-нитридная (AL2O3+TiN) - картинит
4. Нитридная керамика (Si3N4) – силинит-Р
Применяется в основном для обработки чугунов, цветных металлов, закаленных сталей. Могут быть использованы для чистовой и получистовой обработки нетермообработанных материалов.
Особенности:
- сравнительно невысокая прочность (sИ=450-650 МПа);
- высокая теплостойкость порядка 1200-1400ОС;
- высокие скорости резания (V»300-400 м/с), требующие для их реализации металлорежущие станки с повышенной мощностью привода главного движения и жесткой технологической системой;
- твердость порядка 20-30 * 103 HV;
Материалы используются в виде сменных многогранных пластин (СМП) для оснащения сборных РИ.
Синтетические сверхтвердые материалы (СТМ)
Материалы инертны по отношению к железу, имеют низкий коэффициент трения.
· Композиты используются для обработки железосодержащих материалов. Применяются в виде поликристаллов для лезвийных РИ.
Широко применимые марки К01- эльбор Р, К02 – белбор, К05 – кубический нитрид бора, К10 – гексанит, К10Д – двухслойный материал с подложкой из ТС.
Достоинства: высокая теплостойкость порядка 1500ОС, высокая твердость HV»80 * 103.
Недостаток: невысокая прочность sИ » 500-800 МПа.
Область применения: Точение закаленных сталей и чугунов. Фрезерование сталей любой твердости и чугунов.
Режимная часть: скорость резания Vрез=1000-3000 м/мин, минутные подачи Sмин до 10-14 м/мин, глубина резания t»2 мм.
· Синтетические алмазы используются для обработки цветных металлов и сплавов. Применяются в виде поликристаллов для лезвийных РИ.
Широко применимые марки: АСПК – карбонадо, АСБ - баллас.
Особенности: теплостойкость порядка 600-950ОС, высокая твердость HV»80 * 103. Недостаток: невысокая прочность sИ » 500-800 МПа.
Область применения: чистовая обработка цветных металлов и сплавов, титановых сплавов, неметаллических материалов.
Режимная часть: скорость резания Vрез до 1000-3000 м\мин., глубины резания t до1 мм., подача на зуб Sz»0,03 - 0,3 мм/зуб.
Уникальная особенность: при понижении скорости резания стойкость монотонно повышается в десятки и сотни раз.