Инструментальные материалы

Анализ физико-механических основ резания металлов пока­зал, что режущий инструмент работает в условиях высоких дав­лений, температур и интенсивного трения. Эти условия работы обусловливают ряд требований, которым должны удовлетворять материалы, предназначенные для изготовления режущего ин­струмента. Рабочая часть режущего инструмента должна изго­тавливаться из недефицитного материала, имеющего большую твердость, высокие теплостойкость, износостойкость и механиче­ские характеристики. Теплостойкость является одной из важней­ших характеристик инструментальных материалов. Она указыва­ет на предельно допустимые значения температур, при которых материал способен сохранять свою первоначальную твердость в течение длительного времени.

Твердость углеродистых инструментальных сталей марок У7, У7А, У8, У8А, У10, У10А и др. после термообработки (за­калки в воде и отпуска при температуре 120...150 °С) достигает 60...62 HRC₃, теплостойкость — 200 °С, допустимые скорости резания 15...13 м/мин. Инструментом, изготовленным из этих сталей, можно обрабатывать материалы с твердостью до 30 HRC₃. Данные стали применяют для производства напильников, зубил, метчиков, плашек, ножовочных полотен, отверток, ножниц и т.д.

Легированные инструментальные стали содержат хром (X), вольфрам (В), ванадий (Ф), кремний (С) и другие элементы. После термической обработки твердость этих сталей составляет 63...66 HRC₃, теплостойкость — 250...350 °С, допустимые ско­рости резания — 15...25 м/мин. Из легированных сталей марок X, 9ХС, ХВСГ, ХВ2, ХВ4 изготавливают сложные по конфигу­рации инструменты: метчики, плашки, протяжки, развертки, фасонные резцы, фрезы, сверла и др.

В быстрорежущих сталях основными легирующими элемен­тами являются вольфрам (6... 18 %) и небольшое количество вана­дия, хрома, кобальта, молибдена. После термической обработки твердость этих сталей составляет 63...66 HRC₃, теплостойкость — 650 °С.

Вся номенклатура быстрорежущих сталей подразделяется на две группы: быстрорежущие стали нормальной и повышенной теплостойкости. Из сталей первой группы (Р18, Р6М5) изготав­ливают резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки, зуборезные инструменты, а из сталей второй группы (Р9К5, Р18Ф2, Р9Ф5, Р18К5Ф2) — инструменты для обработки жаропрочных и титано­вых сплавов, коррозионно-стойких и других труднообрабатывае­мых материалов. В настоящее время применяются стали с пони­женным содержанием дефицитного вольфрама (Р6М5К5, Р2М9К8), сохраняющие удовлетворительные режущие свойства.

Режущие свойства инструмента, изготовленного из быстроре­жущей стали, можно повысить путей нанесения износостойких покрытий из хрома, карбидов вольфрама или титана, а также лазерной обработкой, электроискровым упрочнением.

Твердые сплавы — это материал, состоящий из высокотвер­дых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, свя­занных металлическим кобальтом. Твердые сплавы применяют в виде пластин определенной формы И размера, Изготавливаемых методом порошковой металлургии, т.е. прессованием и после­дующим спеканием при температуре 1500... 1900 °С. Пластины припаивают к.державкам и корпусам инструментов или крепят к ним механическим способом. Твердые сплавы обладают высо­кой износостойкостью, твердостью (86...92 HRA) и теплостойко­стью (800...1000 °С). Твердые сплавы разделяют на три группы: вольфрамовые, содержащие карбиды вольфрама (ВК2, ВКЗ, 1|КМЗ, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, BK1Q, ВК15, ВК20, ВК25); титановолъфрамовые, содержащие карбиды вольф­рама и титана (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В); титано- танталовольфрамовые, состоящие из карбидов титана, тантала и вольфрама (ТТ7К12, ТТ7К15, ТТ8К6).

Основным недостатком твердых сплавов являются хрупкость и недостаточная прочность при изгибе и растяжении. Поэтому режущие элементы инструмента надо располагать так, чтобы они по возможности работали на сжатие.

Твердые сплавы первой группы наиболее прочные, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам и используются для обра­ботки чугунов, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов. Твердые сплавы второй группы менее прочны, но более износостойки, чем сплавы первой группы. Они находят при­менение при обработке пластичных и вязких металлов и сплавов, углеродистых и легированных сталей. Трехкарбидные твердые сплавы (третья группа) обладают повышенной прочностью, из­носостойкостью и вязкостью. Они применяются при обработке жаропрочных сталей, титановых сплавов и других труднообра­батываемых материалов.

Режущие свойства твердых сплавов в значительной степени зависят от их структуры. Так, твердые сплавы с мелкозернистой и особоМелкозернистой структурой (ВК6-М, ВК6-ОМ) по своим режущим и физико-механическим свойствам превосходят все другие сплавы этой группы.

В последние годы разработаны твердые сплавы, не содержа­щие дефицитного карбида вольфрама. Он заменяется карбидами титана с. добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов. Это сплавы марок ТМ1, ТМЗ, ТН-30, КТН-16, карбидо- хромистые твердые сплавы КХН-20, КХН-30 и др. Безвольфра­мовые твердые сплавы целесообразно применять при обработке низколегированных сталей и цветных металлов вместо сплавов Т30К4 и Т15К6.

Кроме твердосплавных пластин в промышленности исполь­зуют и монолитный твердосплавный инструмент, например отрез­ные фрезы, спиральные сверла, зенкеры, развертки небольших диаметров, фасонные резцы.

Синтетический материал, основой которого является корунд (А1₂0₃), минерал кристаллического строения, относится к мине- ралокерамике. Получают корунд из глинозема в электропечах спеканием при температуре 1720...1750 °С, в связи с чем его на­зывают электрокорундом.

Оксидная керамика обладает высокими твердостью (90... 94 HRA) и теплостойкостью (до 1200 °С). Ее малое сродство с металлами исключает адгезионное взаимодействие с обраба­тываемым материалом, вследствие чего при обработке не образу­ется нарост и достигается меньшая шероховатость поверхности (по сравнению с обработкой твердым сплавом). Недостатком оксидной минералокерамики является ее низкая прочность и хрупкость. Инструмент, оснащенный пластинами из оксидной керамики, используют при чистовой и получистовой обработке чугунов, сталей, некоторых цветных сплавов и неметаллических материалов со скоростями резания до 600 м/мин в условиях без­ударной нагрузки без охлаждения. Достаточно широкое приме­нение получила минералокерамика марок ЦМ-332 и В013.

Для повышения механической прочности в оксидную кера­мику добавляют различные тугоплавкие соединения (карбиды вольфрама, титана, молибдена, хрома). Такие материалы назы­ваются оксидно-карбидной керамикой (марки ВЗ, ВОК-бО, ВОК-63, ВШ-75), из которой делаются многогранные и круглые пластины, применяемые для обработки ковких и высокопроч­ных чугунов, труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Самым твердым из известных инструментальных материалов является алмаз. Он обладает высокой износостойкостью, хоро­шей теплопроводностью, малыми коэффициентом трения и ад­гезионной способностью к металлам. Недостатками алмазного инструмента являются большая хрупкость, высокая стоимость и дефицитность. Обработка таким инструментом характеризу­ется высокой размерной точностью, малой шероховатостью по­верхности и повышенной производительностью (скорость резания значительно выше 100 м/мин). В промышленности используют природные (А) и синтетические (АС) алмазы. Последние выпуска­ются следующих марок: АСБ — баллас (АСБ-5, АСБ-6); АСПК—кар­бонадо (АСПК-1, АСПК-2, АСПК-3). Алмазный инструмент при­меняют для обработки твердых и полупроводниковых материа­лов, керамики, цветных сплавов, жаропрочных сплавов.

В последнее время широкое распространение получил синте­тический сверхтвердый материал на основе твердых модифика­ций нитрида бора. Он обладает высокой твердостью (уступает лишь синтетическому алмазу) и теплостойкостью (до 1300 °С). Резцы, оснащенные этим материалом, применяют для тонкого точения закаленных сталей.

В промышленности создан ряд инструментальных материалов, которые называются композиционными (композитами). К ним относятся эльбор (композит 01), белбор (композит 02), гексанит (композит 10), композит 05 (состоит из кубического Нитрида бора (КНБ) и А1₂0₃), композит 09 (состоит из поликристаллов твердого нитрида бора — ПТНБ).

Композиты изготавливают в виде цилиндрических столбиков диаметром 16 мм и высотой 3...6 мм и крепят к державкам режу­щего инструмента.