Из какого вида стали изготавливают режущий инструмент

Инструментальные стали

Инструментальные стали по назначению подразделяются на три группы: стали для режущего инструмента, стали для мерительного инструмента и стали для штампов и пресс-форм.

Стали для режущего инструмента.

Стали для режущего инструмента (резцов, сверл, метчиков, фрез и др.) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью.

Режущий инструмент изготовляют из углеродистых, легированных и быстрорежущих сталей.

Углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая) и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А, стоящая за цифрами, указывает, что сталь высококачественная, содержащая серы и фосфора не более 0,025 %. Углеродистые инструментальные стали подразделяются на марки: У7, У8, У9, У10, У И, У12, У13. Для улучшения обрабатываемости эти стали отжигают на зернистый перлит при температуре несколько выше точки Ас, т.е. при температуре 760—780 °С. Для получения высокой твердости (HRC 60—64) сталь закаливают с охлаждением в воде или водных растворах щелочей, так как она имеет малую устойчивость переохлажденного аустенита. Температура закалки углеродистых сталей показана на рис. 2.3. Эти стали обладают небольшой прокаливаемостью, поэтому они применяются только для инструментов небольшого сечения (критический диаметр 10—12 мм).

Структура сталей У7—У9 в закаленном состоянии состоит из мартенсита, сталей У10А—У13А — из мартенсита и избыточных карбидов.

Для уменьшения коробления углеродистые стали подвергают ступенчатой закалке. Отпускают инструмент из углеродистых сталей при разных температурах в зависимости от назначения и требуемой твердости.

Сталь У7 применяется для изготовления инструментов, подвергающихся ударам и требующих повышенной вязкости при умеренной твердости (зубила, кузнечные штампы, клейма). Температура отпуска 250—325 °С, твердость HRC 48—55. Сталь У8 применяется для изготовления инструментов, требующих высокой твердости и хорошей вязкости (матрицы, пуансоны, ножи). Температура отпуска 200—220 °С, твердость HRC 60—62. Стали У9А и У10А отпускают при температуре 150—200 °С, твердость HRC 60—62 (метчики, сверла, фрезы и др.). Стали У12А, У13А применяются для изготовления напильников, ножовок, бритв и т.д., требующих высокой износостойкости и твердости. Эти стали отпускают при температуре 150—180 °С, твердость HRC 62—64.

Легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют следующие преимущества: большую прокаливаемость, меньший рост зерна при нагреве под закалку, возможность применения при

Рис. 2.3. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей закалке масла и горячих сред. Критический диаметр достигает 40— 80 мм.

Меньшая скорость охлаждения при закалке уменьшает опасность образования трещин, деформации и коробления. Химический состав некоторых легированных сталей, применяемых для изготовления режущих инструментов, приведен в табл. 2.1. Режимы термической обработки инструментальных легированных сталей даны в табл. 2.2.

Сталь X применяют для изготовления токарных, строгальных и долбежных резцов. Прокаливается в сечении до 25 мм. Сталь 9ХС применяют для изготовления сверл, фрез, метчиков, плашек, разверток. Прокаливается в сечении до 35 мм. Сталь 13Х применяется для изготовления мелких инструментов, бритвенных ножей, лезвий, острых хирургических инструментов, шаберов, гравировальных инструментов. Критический диаметр при закалке в масле 10— 15 мм. Сталь 11ХФ применяется для изготовления метчиков и других режущих инструментов диаметром до 30 мм. Сталь 9ХФ применяется для изготовления пил, ножей, кернеров, пуансонов для холодной обрезки заусенцев. Сталь ХВГ применяется для изготовления протяжек, длинных метчиков, разверток и других изделий. Сталь ХВСГ применяется для изготовления плашек, клейм, разверток.

Легированные инструментальные стали, так же как и углеродистые, не обладают теплостойкостью, и инструменты, изготов-

Химический состав некоторых легированных сталей для режущего инструмента (ГОСТ 5950-2000), мае. %

Материалы для изготовления режущих инструментов

Материалы для режущих инструментов должны удовлетворять следующим требованиям:

· Иметь высокую твердость. Твердость инструмента должна превышать твердость обрабатываемого материала.

· Иметь достаточный уровень прочности (на изгиб, сжатие, циклическое нагружение) и ударной вязкости.

· Иметь высокую теплостойкость. Теплостойкость – свойство (способность) материала сохранять свою твердость, а следовательно, и режущие свойства при нагреве.

· Иметь высокую износостойкость и высокую теплопроводность. Чем больше теплопроводность, тем меньше опасность возникновения шлифовочных прижогов и трещин на лезвиях инструмента при заточке, тем меньше температура резания и больше износостойкость.

Режущие инструменты не следует целиком изготавливать из дорогих и дефицитных материалов, поскольку это неэкономично.

К основным инструментальным материалам относятся стали, твердые сплавы, керамические материалы, алмазы, синтетические сверхтвердые материалы.

Инструментальные стали. В качестве материала для станочного режущего инструмента применяются быстрорежущие стали. Это высокоуглеродистые стали с высоким содержанием вольфрама. Теплостойкость быстрорежущих сталей около 600 о С и они могут работать со скоростями резания до 100 м/мин, что во многих случаях недостаточно. Поэтому в настоящее время более широкое применение имеют твёрдые сплавы.

Твердые сплавы получают прессованием и спеканием (при 1500 – 1900 о С) порошков твердых тугоплавких карбидов WC, TiС и TaC с порошком кобальта, играющего роль пластичной связки. Таким способом из них изготавливают режущие пластинки различной формы, которые припаиваются или крепятся механическим способом к державкам или корпусам инструментов из обычных сталей (45, 50, 40Х и др.). Теплостойкость твёрдых сплавов – 900…1000 о С. Допустимые скорости резания до 800 м/мин. Твердость 85…92HRА (74…76HRC).

Различают три группы твёрдых сплавов:

· вольфрамовые твердые сплавы (WC+Co), например марки BK2, BK3, BK4, BK6, BK8 (число после буквы К означает содержание кобальта в процентах по массе, остальное – карбид вольфрама).

· титано-вольфрамовые (WC+TiC+Co), например T30K4, T15K6, T14K8, T5K10 (число после буквы К означает содержание кобальта, после буквы Т – TiC (масс. %), остальное WC).

· титано-тантало-вольфрамовые (WC+TiC+TaC+Co), например, TT7K12, TT10K8, TT7K15 (число после буквы К означает содержание кобальта, после букв ТТ – общее содержание карбидов титана и тантала (масс. %), остальное WC) .

Твердые сплавы имеют низкую пластичность. При возрастании содержания кобальта прочность и вязкость повышаются, а износостойкость и твердость сплава понижаются. Наибольшей прочностью, но наименьшей теплостойкостью (750 о С) обладает трехкарбидные сплавы, их применяют при резании с ударами, большими сечениями срезаемого слоя. Наивысшую твердость и теплостойкость (до 900 о С) имеют двухкарбидные сплавы; двухкарбидные сплавы применяются при обработке высоколегированных сталей, имеющих низкую теплопроводность. В последнее время большое внимание уделяется разработке новых твердых сплавов, не содержащих карбидов вольфрама. В таких сплавах карбиды вольфрама заменены карбидами титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов.

Керамические инструментальные материалы не содержат дорогостоящих и дефицитных компонентов. Основа керамики – корунд Al₂O₃ (технический глинозем) – минерал кристаллического строения. Получают корунд из порошка глинозема в электропечах при температуре 1720…1750 о С спеканием, отсюда название «электрокорунд». Из кристаллов электрокорунда изготавливают стандартные керамические пластины белого цвета. Белый цвет имеют кристаллы электрокорунда свободного от примесей. Примеси химических элементов придают электрокорундам различные цветовые оттенки.

Преимущества оксидной керамики:

1. Высокая твердость (90…94HRA);

2. Высокая теплостойкость (1200 о С);

3. Малое сродство с металлами исключает адгезионное взаимодействие с обрабатываемым материалом, следовательно получается меньшая шероховатость обработанной поверхности.

1. Высокая хрупкость (низкая ударная вязкость: 0,5…1,2 Дж/см 2 );

2. Плохая сопротивляемость циклическим изменениям тепловой нагрузки.

Инструменты из оксидной керамики используют при чистовой и получистовой обработке заготовок из отбеленных чугунов, труднообрабатываемых сталей, некоторых цветных и неметаллических материалов в условиях безударной нагрузки, без охлаждения и при повышенной жесткости системы СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь). Наибольшее применение получила минералокерамика ЦМ-332 (микролит) и ВО-13. Для повышения эксплуатационных свойств в минерралокерамику добавляют W, Mo, B, Ti, Ni, и т.п. Такие материалы называют керметами.

Алмазы и синтетические сверхтвердые материалы. Алмаз – самый твердый из известных инструментальных материалов, представляет собой одну из аллотропных модификаций углерода.

1. Высокая износостойкость;

2. Хорошая теплопроводность;

3. Небольшой коэффициент трения;

4. Малая адгезионная способность к металлам (за исключением сплавов Fe-C).

1. Низкая теплопроводность (при температурах, превышающих 700…800 о С алмаз графитизируется);

2. Большая анизотропия механических свойств (твердость и прочность в зависимости от направления действия силы на кристалл изменяются в сотни раз), что необходимо учитывать при изготовлении лезвийного инструмента.

3. Высокая стоимость и дефицитность;

4. Высокая хрупкость.

Синтетические алмазы получают путем перевода углерода в другую полиморфную модификацию в условиях высоких температур (до 2500 о С) и давлений (до 1000 ГПа). Синтетические алмазы выпускают следующих марок: АСБ – баллас (АСБ-5, АСБ-6); АСПК – карбонадо (АСПК-1, АСПК-2, АСПК-3). Указанные марки алмазов изотропны вследствие поликристаллического строения, обладают сравнительно высокой прочностью при ударах.

В режущих инструментах применяют кристаллы алмаза весом 0,3…0,8 карат (1 карат = 0,2 г) которые закрепляются в инструменте механически или при помощи пайки. Наиболее широко алмазный инструмент применяется при тонком точении и растачивании деталей из алюминия, бронз, латуней, неметаллических материалов: обработанная поверхность отличается низкой шероховатостью.

В последние годы широкое распространение получил синтетический сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора (КНБ). КНБ получают синтезом при температурах 1360 – 2000 о С и давлении 6000 – 9000 МПа из гексагонального нитрида бора, имеющего близкие к графиту характеристики.

1. Очень высокая твердость (9000HV) (уступает только алмазу);

2. Самая высокая теплопроводность (до 1600 о С);

3. Химически инертен к железо-углеродистым сплавам.

На основе плотных модификаций КНБ создан ряд инструментальных материалов, называемых композитами. Различают композиты с массовой долей КНБ более 95% и композиты с массовой долей КНБ около 75%.

Композиты с массовой долей КНБ более 95%: эльбор Р (композит 01), бельбор (композит 02), гексанит (композит 10) и др. Изготавливаются в виде цилиндрических столбиков диаметром 4…6 мм и высотой 3…6 мм, закрепляемые в державке режущего инструмента.

В композитах с массовой долей КНБ 75% присутствуют добавки Al₃O₃ и др. материалов. К ним относятся композит 05 (КНБ + Al₃O₃), композит 09 (поликристаллы твердого нитрида бора), которым оснащаются инструменты, работающие с ударами.

Из вновь разрабатываемых материалов перспективным является силинит-Р (материал на основе нитрида кремния), который обладает более высокими прочностью, ударной вязкостью и теплопроводностью, чем инструменты из минералокерамики, не содержит дефицитных материалов, не склонен к адгезии по отношению к большинству сталей, сплавов на основе меди, алюминия.

188.64.169.166 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Читать еще: Станина для ручного фрезера своими руками

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

1.9. Материалы, используемые для изготовления инструмента

К материалам, используемым для изготовления инструментов, предъявляются следующие требования:

• высокая твердость, превышающая твердость обрабатываемого материала, — чтобы инструмент мог врезаться в заготовку и срезать слой металла;
• высокая прочность — чтобы выдержать давление силы, с которой обрабатываемый материал давит на переднюю поверхность инструмента;
• вязкость — чтобы режущая часть инструмента не выкрашивалась, испытывая ударные нагрузки;
• высокая износостойкость — чтобы поверхности резца быстро не изнашивались из-за трения с обрабатываемой заготовкой и стружкой;
• теплостойкость — чтобы режущая часть инструмента сохраняла режущие свойства при высокой температуре.

Режущий инструмент изготавливают из инструментальных стаде и. Используют углеродистые инструментальные стали марок У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. Буква У указывает на то, что сталь углеродистая, а цифры показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. Инструментальные стали повышенного качества, имеющие минимальное количество вредных примесей, отмечают буквой А в конце марки: У10А, У8А и т.д.

Углеродистая инструментальная сталь обладает низкими режущими свойствами. Режущие инструменты, изготовленные из такой стали, позволяют вести обработку при температуре в зоне резания до 200-250 °С и при скоростях резания в пределах 10. 15 м/мин.

Легированная инструментальная сталь по химическому составу отличается от углеродистой инструментальной стали лишь наличием одного или нескольких легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена, ванадия. Чаще всего применяют следующие марки сталей: ХГ, ХГ5, 9ХС и ХВГ. Легированная инструментальная сталь обладает более высокими режущими свойствами, чем углеродистая, позволяет вести обработку при температуре в зоне резания 300-350 °С, со скоростью резания до 20-25 м/мин.

Быстрорежущая инструментальная сталь, в отличие от углеродистой и легированной инструментальной стали, обладает большим сопротивлением износу и большой теплостойкостью. Она обладает красностойкостью, т.е. не теряет своих свойств при температуре красного каления (550-600 °С).

На свойства быстрорежущих сталей оказывают влияние нижеследующие легирующие элементы.

Вольфрам В придает стали высокую твердость, износостойкость и теплостойкость. Сталь Р6М5 содержит 6% вольфрама, 5% молибдена, хорошо шлифуется и закаливается, обладает по сравнению с углеродистыми и легированными сталями высокой теплостойкостью (до 620 °С), пониженной, но вполне приемлемой прочностью и теплопроводностью и поэтому принимается за эталонную.

Молибден М является химическим аналогом вольфрама, но более сильнодействующим. Он обеспечивает стали почти ту же (немного ниже) теплостойкость, что и вольфрам, при соотношении по весу М : Ф = 1,5. Кроме того, он придает стали более высокую пластичность в горячем состоянии (сталь лучше куется), повышенную теплопроводность, меньшую карбидную неоднородность, повышенную прочность (при содержании его в стали до 5%), увеличивает интервал закалочных температур, но повышает склонность к обезуглероживанию при нагреве под закалку.

Ванадий Ф сообщает стали повышенную твердость (до 67 НЯС), способствует повышению теплостойкости (до 635 °С), но одновременно повышает хрупкость стали, понижает прочность и теплопроводность. Большим недостатком ванадиевых сталей является их плохая шлифуемость, ухудшающаяся с увеличением содержания твердых и малотеплопроводных карбидов ванадия.

Кобальт К в противоположность вольфраму, ванадию, молибдену и хрому образует в стали не карбиды, а мелкодисперсные интерметаллиды, сильно увеличивающие твердость (до 68 НЛС) и теплостойкость (до 670 °С) стали.

Следовательно, быстрорежущая сталь легирована вольфрамом, хромом, ванадием и другими химическими элементами. Содержание углерода в быстрорежущей стали 0,7-1,5%. Вольфрам и хром образуют с углеродом карбиды. Карбиды вольфрама придают стали высокую твердость, карбиды ванадия и кобальт сообщают ей красностойкость.

Установлены единые условные обозначения химического состава стали (из букв и цифр). Первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквами обозначают легирующие элементы (В — вольфрам, Ф — ванадий, К — кобальт, М — молибден и т.д.), а цифрами справа от буквы — их среднее содержание (в процентах). Буквой Р обозначают быстрорежущую сталь.

В настоящее время для изготовления всех видов режущего инструмента при обработке обычных конструкционных материалов чаще всего используют сталь марки Р6М5.

Для обработки высокопрочных нержавеющих сталей и сплавов в условиях повышенного разогрева режущих кромок, а также для обработки сталей и сплавов повышенной твердости и вязкости при работе с ударами применяют следующие марки стали: Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8 и др.

Наряду с инструментальными сталями для изготовления режущей части инструментов используют твердые спеченные сплавы , которые допускают работу со скоростями резания, превышающими в 5-10 раз скорости обработки быстрорежущими инструментальными сталями и не теряющими режущих свойств при температуре 800 °С и выше. Твердые сплавы состоят из карбидов вольфрама, титана или тантала и кобальта, связывающего эти вещества. Различают:

• вольфрамовые сплавы ВК8, ВК6, ВКЗ-М и др. В них цифра после буквы К указывает содержание кобальта в процентах, а остальное — карбид вольфрама в процентах. Вольфрамовые сплавы применяют для обработки хрупких материалов: чугуна, бронзы, закаленной стали, пластмасс;
• титано-вольфрамовые сплавы Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 и др. Цифры после букв указывают процентное содержание в сплаве кобальта и карбида титана, а остальное — карбид вольфрама. Например, сплав Т14К8 состоит из 14% карбида титана, 8% кобальта и 78% карбида вольфрама. Твердые сплавы титановольфрамовой группы предназначены главным образом для обработки сталей;

• титано-вопьфрамо-тантаповые сплавы ТТ7К12, ТТ10К8-Б, состоящие из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта. Эти сплавы характеризуются высокой прочностью и используются для обработки заготовок с тяжелой ударной нагрузкой.

Режущую часть инструментов могут оснащать сплавами минеральной керамики, которые изготавливают на основе оксида алюминия АЦО, (корунда) путем тонкого размола, прессования и спекания. Выпускают их, как и твердые сплавы, в виде пластинок стандартных форм и размеров. В настоящее время промышленное применение имеют две марки минеральной керамики: ЦМ-322 и ВЗ. Минеральная керамика марки ВЗ обладает большей прочностью по сравнению с минералокера- микой марки ЦМ-322 в 1,5-2 раза. В состав минералокерами- ки марки ВЗ помимо оксида алюминия входят сложные карбиды тугоплавких металлов.

Минералокерамические пластинки обладают большей теплостойкостью и износостойкостью, чем некоторые твердые сплавы. Однако они имеют пониженную прочность и повышенную хрупкость. По сравнению с твердыми сплавами минерало- керамика находит применение при чистовом и тонком точении.

Сверхтвердые м а те риалы (СТМ) являются поли- кристаллическим образованием на основе кубического нитрида бора. В эту группу входят композит 01 (эльбор-Р), композит 05 и композит 10 (гексанит-Р), ПТНБ (поликристалл твердого нитрида бора) и др.

Сверхтвердые материалы значительно превосходят мине- ралокерамику и твердые сплавы по термоусталостной прочности. Эльбор-Р, гексанит-Р, ПТНБ и другие применяют для оснащения резцов.

Сверхтвердые материалы для металлического инструмента выпускаются в виде цилиндрических вставок диаметром от 4 до 8 мм и длиной от 4 до 8 мм.

Сверхтвердые материалы на основе нитрида бора химически инертны к черным металлам.

Сверхтвердые материалы применяются для обработки сталей, чугунов, ряда труднообрабатываемых сплавов.

Синтетические алмаз ы (типа «карбонадо» и «бал- лас») выпускаются в виде порошков и кристаллов. Являются самыми твердыми из инструментальных материалов.

Алмазы применяются для обработки цветных металлов, титановых сплавов, стеклопластиков и др. Для обработки сверхтвердых материалов можно применять только алмазы, которые превосходят их по твердости.

Во многих областях машиностроения, в частности в аэрокосмической и автомобильной промышленности, потребность в более высокой функциональности и надежности режущих инструментов приводит к тому, что все чаще применяются материалы, сделанные специально для получения определенных свойств.

Концепция сплавов и свойства материалов. Наименованием «твердый металл» сегодня обозначают сплавы, которые изготавливаются в порошковой металлургии из металлических твердых материалов (в первую очередь, карбидов) и из вязких металлов группы сталей, так называемых связующих металлов. Важнейшую роль в качестве носителя твердости в области металлических твердых материалов играет здесь карбид вольфрама (ФК). В технике обработки резанием довольно большое значение имеют также добавки карбида титана (ТК) и карбида тантала (ТТК) или карбида ниобия (ЫЬК) для улучшения термической устойчивости и замедления диффузии.

В качестве связующего металла с успехом применяется кобальт К. В последние годы были сверх того разработаны многочисленные новые сплавы с целью улучшения определенных свойств, как, например, твердости, прочности при сжатии и изгибе, модуля упругости и др.

Особо мелкозернистые твердые сплавы. Наиболее важной новейшей разработкой для повышения твердости у твердых сплавов ФК-К являются особо и ультра- мелкозернистые твердые сплавы с зернами ФК размером от 0,8 мкм или 0,5 мкм и содержанием Со 6-16% по массе. Производство высококачественных ультрамелкозернистых сплавов стало, правда, возможным только потому, что одновременно с ним производителями материалов были разработаны порошковые материалы соответствующего размера, формы зерен и распределения зерен по крупности. Сегодня могут выдерживаться также и высокие требования к чистоте предшествующих веществ, стандартных порошковых материалов ФК, ВК и К в сравнении с порошковым сырьем, которое было разработано специально для ультрамелкозернистых сплавов.

Порошкообразный материал ФК преимущественно производится традиционным путем редукции паравольфрамата аммония, оксида аммония или кислоты аммония, последующего смешивания вольфрамовой стали с углеродом и карбюрации смеси под водородом при 1400 °С и 2000 °С. Самые мелкозернистые виды порошков, изготовленных таким образом, имеют при рассматривании под растровым электронным микроскопом размер зерен около 0,2 мкм. Возможность дальнейшего уменьшения размера зерен заключается в прямой карбюрации Ш0₃ и С.

Градиентные твердые сплавы. Применение твердых сплавов часто требует многообразной функциональности материала. Если в одном месте, например, поверхность инструмента подвержена износу, другие места подвержены изгибу, давлению и т.д. Эта проблема привела к разработке так называемых градиентных твердых сплавов, или материалов с функционально переменной структурой РОМ на основе ФК-К с добавками ТК или ТТК, у которых состав или микроструктура локально различается. Эта концепция позволяет производство твердых сплавов с контролируемыми вариациями структурных, термических и функциональных свойств. Возникающие при охлаждении расплава спекания напряжения ввиду разности термических коэффициентов расширения отдельных компонентов могут очень хорошо затухать из-за последовательных переходов в микроструктуре.

Керметы. Возрастающие требования к подходящим материалам режущих кромок для сухой обработки дали новый импульс развитию керметов. Керметы, в принципе, имеют такую же структуру, как и обычные твердые сплавы. Они содержат различные твердые частицы в связующей матрице из К и N. Высокопрочные компоненты состоят не из ФК и (Т, ТТ, Ф)К, а из карбо-нитридов титана Т с различным содержанием ТТ, Ф и при необходимости М.

Читать еще: Как завести новую бензопилу

В структуре обычных твердых сплавов смешанные карбиды титана присутствуют в круглой форме, карбиды вольфрама — в многогранной форме. Структура керметов имеет исключительно круглую форму зерен карбонитритов титана, причем для этих частиц твердых материалов характерна ядерно-перифе- рийная структура. Вязкость современных керметов, содержащих азот, сопоставима с обычными Р-твердыми сплавами. Поистине выдающейся является неокисляемость керметов.

Твердые сплавы с покрытием. Техника нанесения покрытий сегодня располагает различными способами. С точки зрения техники процесса для них характерны такие параметры, как способ осаждения, температура и давление. Возможные многослойные материалы различаются по твердости, неокисляемости и коэффициенту трения и в соответствии с этим имеют предпочтительные области применения. При высоких температурах процесса технологии СУО (1000-1100 °С) из-за напряжения натяжения в слое ухудшается вязкость твердога сплава. С другой стороны, покрытие методом СУБ позволяет осаждение очень толстых слоев. Технологическими методами нанесения покрытий (РУЭ и плазменным СУБ), протекающими при более низких температурах (400-500 °С), твердые сплавы, напротив, могут быть покрыты без потерь вязкости.

1. Какие требования предъявляются материалам, используемым для изготовления инструмента?
2. Какова область применения твердых сплавов для токарной обработки?
3. Какие сплавы применяют дтя обработки хрупких материалов?
4. Чем отличаются легированные стали от углеродистых?
5. Какими свойствами обладают минералокерамические пластинки?
6. Какие марки быстрорежущих сталей применяются для обработки высокопрочных нержавеющих сталей?

Материалы, применяемые для изготовления резцов

На режущих кромках резца в процессе резания возникают высокие давление и температура (600-800° С и выше). Трение стружки о переднюю поверхность резца и задней поверхности резца о поверхность резания вызывает износ его рабочих поверхностей. Вследствие износа форма режущей части изменяется, и через некоторый промежуток времени резец становится негодным для дальнейшей работы; такой резец должен быть снят со станка и переточен.

Чтобы резец возможно дольше работал без переточки, он должен хорошо сопротивляться износу при высокой температуре и быть тверже обрабатываемого материала. Кроме того, резец должен быть достаточно прочным, чтобы без разрушения выдерживать высокие давления, возникающие при резании. Поэтому к материалу для изготовления резцов предъявляют следующие основные требования: твердость при высокой температуре, износостойкость и прочность.

В настоящее время имеется много инструментальных материалов, удовлетворяющих этим требованиям: инструментальные углеродистые, легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы, керамические материалы и алмазы.

Углеродистая сталь — самая дешевая из инструментальных сталей. Для изготовления режущего инструмента применяют сталь с содержанием углерода от 0,9 до 1,4%. После закалки и отпуска режущий инструмент из этой стали приобретает высокую твердость HRC 59-62. Однако, если в процессе резания температура режущей кромки достигает 200-250° С, твердость стали резко падает. По этой причине углеродистая инструментальная сталь для изготовления режущих инструментов в настоящее время имеет ограниченное применение: из нее изготовляют режущие инструменты, работающие со сравнительно низкой скоростью резания (10-15 м/мин), когда температура в зоне резания меньше 200-250° С. К таким инструментам относятся: развертки, метчики, шаберы и др.

Быстрорежущие стали -содержат большое количество (до 25%) специальных легирующих элементов — вольфрама, хрома, кобальта, молибдена, ванадия, которые повышают режущие свойства стали. Основное достоинство резцов из быстрорежущей стали — способность сохранять твердость (HRC 62-64) и износостойкость при нагреве в процессе резания до 560-600° С. Благодаря этому скорость резания резца из быстрорежущей стали в 2-3 раза больше по сравнению с резцами из углеродистой стали.

Твердые сплавы характеризуются очень высокой твердостью, уступающей только алмазу, и хорошей износостойкостью.

Твердые сплавы изготовляют из порошков вольфрама, титана и тантала, химически соединенных с углеродом. В качестве связующего вещества к ним добавляют кобальт. Порошкообразную смесь прессуют под большим давлением, получая пластинки требуемой формы, которые затем спекают при температуре около 1500° С. Приготовленные таким образом пластинки не требуют никакой дальнейшей термической обработки. При изготовлении резцов пластинку твердого сплава припаивают медью или латунью к стержню из углеродистой стали либо крепят механически.

Так как твердосплавные пластинки сохраняют твердость при нагреве в процессе резания до 800-900° С, то скорость резания резцами, оснащенными такими пластинками, в 3-4 раза больше скорости резания, допускаемой резцами из быстрорежущей стали. Кроме того, такими резцами можно обрабатывать очень твердые стали, в том числе и закаленные, которые раньше резцами не обрабатывались. Основной недостаток твердых сплавов — их хрупкость.

Металлургами и учеными созданы такие материалы для резцов, которые не содержат в себе дорогих легирующих элементов (вольфрама, титана, кобальта, ванадия) и в тоже время характеризуются хорошими режущими свойствами. Это так называемые минералокерамические материалы (термокорунд), выпускаемые в виде пластинок белого цвета, напоминающих мрамор. Эти пластинки изготовляют из глинозема (окиси алюминия), которого очень много в природе и который очень дешев. Керамические пластинки отличаются более высокой твердостью по сравнению с твердыми сплавами и сохраняют эту твердость при нагреве до 1200° С, что дает возможность резать ими металлы с высокими скоростями резания. Однако по сравнению с твердыми сплавами минералокерамика имеет более низкие механические свойства — повышенную хрупкость и плохую сопротивляемость изгибающим нагрузкам. Поэтому резцы с керамическими пластинками целесообразно применять лишь при получистовом и чистовом точении при безударной нагрузке.

Алмаз в отличие от всех существующих инструментальных материалов состоит из одного химического элемента — углерода.

Алмаз — самый твердый из всех инструментальных материалов, характеризуется высокой теплостойкостью (до 900° С) и исключительно высокой износостойкостью.

Благодаря этим качествам алмаз является незаменимым при выполнении таких работ, где требуется высокая точность, чистота обработки, а также при обработке очень твердых материалов. Алмаз применяется для чистового тонкого точения и растачивания цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Недостаток алмаза — его хрупкость и высокая стоимость. Алмазный порошок используется также для изготовления шлифовальных и заточных кругов.

Материалы для режущих инструментов

Материалы для режущих инструментов.

Твердость материала, из которого изготовлен инструмент, должна превышать твердость обрабатываемого материала. В связи с тем, что на рабочую часть инструмента действуют значительные силы резания, создающие деформации изгиба, инструментальный материал должен обладать прочностью. На твердость и прочность инструментального материала существенное влияние оказывает соотношение легирующих компонентов и углерода, входящих в их состав в виде карбидов. С увеличением количества карбидов и уменьшением их зернистости твердость и износостойкость инструмента повышается, а прочность понижается.

Теплостойкость инструмента определяется температурой, выше которой снижается твердость и возрастает износ.

Износостойкость инструмента характеризуется сопротивляемостью инструмента истиранию под действием сил трения, возникающих в процессах резания.

Теплопроводность инструмента определяется способностью его отводить возникающее в процессах резания тепло от режущих граней инструмента. Чем выше теплопроводность, тем лучше отводится тепло от режущих кромок, благодаря чему повышается стойкость инструмента.

Адгезионная способность инструментального и обрабатываемого материала характеризуется температурой, при которой происходит налипание обрабатываемого материала на режущие грани инструмента. Она зависит от молекулярных сил, развивающихся при высоких температурах и давлениях в точках контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью. Чем выше температура налипания обрабатываемого материала на инструмент, тем качественней должен быть материал, из которого инструмент изготовлен.

Инструментальные стали.

Инструментальные стали делят на:

Углеродистые инструментальные стали.

Для того, чтобы изготовить режущий инструмент применяют углеродистые стали марки У10А, У11А, У12А и У13А. Буква У означает, что сталь углеродистая инструментальная. Число после буквы указывает, сколько примерно углерода в десятых долях процента содержится в данной стали.

Если в конце названия марки стали есть буква А, то это говорит о том, что сталь относится к группе высококачественных (У10А; У12А).

После закалки и отпуска твердость инструмента из этих сталей составляет HRC 60—64. Однако при нагреве до температуры свыше 220—250°С твердость инструмента резко снижается. Поэтому в настоящее время на токарных станках такой инструмент используется только на работах, связанных с невысокими скоростями резания (некоторые типы метчиков, зенкеров и разверток).

Легированные инструментальные стали.

Легированные инструментальные стали — это такие, в состав которых с целью повышения физико-механических свойств вводятся специальные примеси (легирующие элементы).

При введении хрома, молибдена, вольфрама, ванадия, титана и марганца твердость стали повышается, так как они образуют с углеродом простые или сложные соединения (карбиды), которые обладают высокой твердостью (особенно карбиды вольфрама и ванадия). При этом у стали сохраняется достаточная вязкость. Никель, кобальт, алюминий, медь и кремний, растворяясь в железе, упрочняют сталь.

При соответствующей термообработке инструмент имеет твердость HRC 62—64 и сохраняет ее при нагреве до температуры 250—300°С. Зенкера, развертки, метчики, протяжки изготовляют из сталей марок 9ХС, ХВГ и ХВ5.

Быстрорежущие инструментальные стали.

Быстрорежущие инструментальные стали — это легированные стали со значительным содержанием вольфрама, кобальта, ванадия и молибдена. Они сохраняют полученную после термообработки твердость HRС 62 – 64 при нагреве до температуры 600°, а некоторые марки комплексно легированных сталей сохраняют свою твердость даже при нагреве до температуры 700—720°С.

Эти качества быстрорежущих сталей позволяют увеличивать в процессе обработки скорости резания в два-три раза по сравнению с инструментом, изготовленным из углеродистой и обычной легированной инструментальной стали.

Все марки быстрорежущей стали обозначаются буквой Р (Р9, Р12, Р18), число, проставленное после буквы Р, показывает среднее процентное содержание вольфрама в этой стали.

Широкое применение имеют быстрорежущие стали, содержащие 3—5% молибдена (Р6М3, Р6М5). Эти стали по прочности превосходят сталь Р18, хотя имеют несколько меньшую теплостойкость. Их обычно применяют для инструментов, работающих в условиях тяжелых силовых режимов.

При обработке легированных, жаропрочных и нержавеющих сплавов и сталей эффективно применение быстрорежущих сталей повышенной производительности, в состав которых входит ванадий и кобальт (Р10КФ5, Р18К5Ф2), или комплекснолегированных сталей (марки Р18МЗК25, Р18М7К25 и Р10М5К25). При наличии в стали 10% и более кобальта твердость ее после термообработки составляет 67—68 и сохраняется до температуры нагрева 640 – 720°С.

Быстрорежущие инструментальные стали применяются для изготовления резцов, сверл, зенкеров, разверток, метчиков, плашек и другого инструмента. .

Читать еще: Паяльник для полипропиленовых труб инструкция по применению

Твердые сплавы.

Твердые сплавы состоят из карбидов тугоплавких металлов, которые равномерно распределены в кобальтовой связке. Их изготовляют методом прессования и спекания. Твердые сплавы имеют высокие показатели плотности и твердости, которая не снижается даже при нагреве до 800— 900°С. По составу твердые сплавы разделяются на три группы:

вольфрамовые;
титановольфрамовые;
титанотантало-вольфрамовые.

Основными марками твердого сплава вольфрамовой группы, применяемыми для изготовления режущего инструмента являются ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК4М, ВК6 ВК6М ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10. В обозначении марки твердого сплава этой группы буква В обозначает группу, буква К и число, следующее за ней — процентное содержание кобальта, являющегося связывающим металлом. Буква М обозначает, что структура сплава мелкозернистая, а буква В — что она крупнозернистая.

Твердые сплавы титановольфрамовой группы.

Твердые сплавы титановольфрамовой группы состоят из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана, избыточных зерен карбида вольфрама и кобальта, являющегося связкой. Основными марками сплава этой группы являются Т5К10, Т5К12, Т14К8, Т15К6. В обозначении сплавов этой группы число после буквы Т показывает процентное содержание карбида титана, а число после буквы К — содержание кобальта в процентах. Остальное в сплаве — карбиды вольфрама.

Твердые сплавы титанотанталовольфрамовой группы.

Твердые сплавы титанотанталовольфрамовой группы состоят из зерен карбидов титана, тантала, вольфрама и связки, в качестве которой также использован кобальт. Марками этой группы сплавов являются ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б и ТТ20К9. В обозначении этой группы сплавов число после букв ТТ показывает содержание карбидов титана и тантала, а число после буквы К — содержание кобальта в процентах.

В зависимости от содержания карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала и кобальта твердые сплавы имеют различные свойства. Чем больше кобальта, тем сплав более вязок и лучше сопротивляется ударной нагрузке. Поэтому для изготовления инструментов, которыми выполняют обдирочные работы, используют сплавы с большим содержанием кобальта. При обработке стали применяют твердые сплавы, содержащие карбид титана, так как на инструмент из этих сплавов стальная стружка меньше налипает.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы.

Согласно ГОСТ 3882 – 74 твердые сплавы группы ВК (вольфрамокобальтовые) рекомендуются для обработки хрупких материалов (чугун, бронза). Сплавы группы ТК (титановольфрамокобальтовые) рекомендуются для обработки вязких материалов (сталь, латунь). Сплавы титанотанталовольфрамовой группы применяются при неблагоприятных условиях работы инструмента с ударными нагрузками, при обработке стальных отливок и поковок.

Минералокерамические материалы.

Минералокерамические материалы для режущего инструмента изготавливают в виде пластинок из окиси алюминия Al₂O₃ (глинозема) методом прессования под большим давлением с последующим спеканием. Они имеют высокую твердость, температуростойкость (до 1200°С), износостойкость и достаточную прочность на сжатие. К недостаткам этих материалов относится большая хрупкость и малая ударная вязкость. Инструменты, оснащенные минералокерамикой, обычно используются при чистовой обработке при точении с постоянной нагрузкой и в случае отсутствия вибрации.

Синтетические материалы.

Синтетический алмаз характеризуется высокими твердостью и износостойкостью, химически мало активен. Имеет небольшой коэффициент трения и слабую склонность к налипанию стружек обрабатываемого материала. Недостатки алмаза его хрупкость и сравнительно низкая температуростойкость (750—850°). Алмазные резцы применяют для финишной обработки цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Кубический нитрид бора (КНБ) — синтетический сверхтвердый материал (эльбор, кубанит, гексанит) состоящий из соединений бора и азота. Твердость его несколько ниже твердости алмаза, но температуростойкость значительно выше (1200 – 1300°С). Он химически инертен к материалам, содержащим углерод, поэтому при обработке сталей и чугунов его износостойкость значительно выше износостойкости алмазов. Вставками из КНБ оснащаются токарные резцы для обработки закаленной стали и высокопрочных чугунов.

Применение твердых сплавов для изготовления режущего инструмента

Твердые металлокерамические сплавы широко используются для производства специальных инструментов, предназначенных для механической обработки деталей из металлов и композитов методом резания. Главная функция такого инструмента заключается в отделении слоя материала (припуска) от обрабатываемой детали или заготовки с образованием стружки или опилок. Высокой твердостью, прочностью и износостойкостью сплавов определяется эффективность и точность инструмента, его функциональность, производительность, стойкость (время непрерывной работы), а также надежность производственного процесса в целом.

Металлорежущие инструменты

Металлорежущий инструмент классифицируется по конструктивным признакам и производственно-технологическим особенностям. По конструкции условно различают режущий инструмент двух типов: монолитный и со сменными режущими элементами. Монолитный инструмент целиком изготавливается из твердого сплава, быстрорежущей стали (HSS – high-speed steel), или в комбинированном варианте: с твердосплавными вставками в тело из инструментальной стали. Конструкция инструмента со сменными элементами характеризуется наличием двух механически соединяемых частей: тела и концевой режущей пластины из твердосплавного материала.

По производственно-технологическим особенностям металлорежущий инструмент различается количеством рабочих режущих поверхностей (кромок, граней), для изготовления которых, наряду с другими материалами, широко применяются твердые сплавы разных марок. Самым распространенным и наиболее известным металлорежущим инструментом с одной режущей кромкой на твердосплавной напайке или пластине является классический токарный резец. К инструментам с двумя и более режущими гранями относят все типы фрез, сверел и т.п.

Какие режущие инструменты производятся из твердых сплавов

Из твердых сплавов изготавливают режущий инструмент разной конструкции и функциональности, предназначенный для механической обработки металла и композитных материалов.

В их числе:

токарные резцы (для резки, наружного и внутреннего точения, нарезания резьбы и т.д.);
фрезы (торцевые, кукурузные, концевые, фасонные, грибковые, профильные и т.п.);
сверла (центровочные, спиральные, ружейные, микросверла с диаметром менее 3 миллиметров и т.п.);
пилы (ленточные, дисковые и т.д.);
инструмент резьбонарезной (метчики, плашки, резьбонакатные ролики, резьбофрезы и др.);
инструмент для обработки отверстий (зенкеры, зенковки, развертки и т.п.).

Рисунок 1. Сверла из твердых сплавов.

Рисунок 2. Сменные фрезы из твердых сплавов.

Краткое сравнение твердых сплавов с другими инструментальными материалами

В сравнении с другими инструментальными материалами твердые сплавы выигрывают по целому ряду характеристик. Если теплостойкость сплавов марок ВК6 и ВК8 находится в диапазоне 800-1000 °С, обеспечивая инструменту высокую скорость резания, то например, у быстрорежущей стали с умеренной теплостойкостью этот параметр не превышает 630 °С, с повышенной – 650 °С, а с высокой теплостойкостью – 730 °С.

По теплопроводности твердые сплавы (84 Вт/м·°С) уступают только алмазам (142 Вт/м·°С), и значительно превосходят по этому параметру углеродистую сталь (38 Вт/м·°С) и быстрорежущую сталь (25 Вт/м·°С), а как известно, чем выше теплопроводность, тем лучше охлаждается режущая кромка инструмента, тем он эффективнее работает и дольше служит.

По твердости сплавы марок ВК6 и ВК8 сопоставимы с минералокерамикой (у обоих материалов около 2000 кгс/мм), но превосходят максимальные значения этого параметра у быстрорежущих сталей (1400 кгс/мм), углеродистых сталей (800 кгс/мм), уступая только сверхтвердым материалам и алмазам, но зато не оставляют им шансов по пределу прочности на изгиб.

Процесс производства режущего инструмента из твердых сплавов

Режущие инструменты из твердых сплавов изготавливаются методом порошковой металлургии. Суть этого метода заключается в формовании, прессовании и спекании металлических порошков или композиций из металлических порошков с неметаллическими. При производстве металлокерамических пластин для режущего инструмента используется порошковая смесь из микрочастиц карбидов твердых керамик и связующего металла.

В случае с производством режущего инструмента из однокарбидных сплавов вольфрамовой группы в состав смеси входит «рабочий» материал – карбид вольфрама, и так называемая «связка», в качестве которой, как правило, используют кобальт. Смесь сначала дозировано засыпают в пресс-формы (матрицы), затем спрессовывают под большим давлением (до 1000 Па) в плотный прочный «брикет» с геометрией и рельефом готового инструмента. Затем полуфабрикат отправляют в высокотемпературную печь, где спрессованная металлокерамическая смесь спекается в монолитное готовое изделие.

Какие свойства придают твердые сплавы режущему инструменту

Совсем недавно наибольшее применение при производстве режущего инструмента имели инструментальные стали, но сегодня на лидирующие позиции постепенно выходит твердосплавный сплав кобальта (Co) и карбида вольфрама (WC) марок ВК6 и ВК8. Эти марки имеют в своем составе оптимальное количество кобальта: 6% и 8% соответственно. Это делает режущий инструмент не слишком хрупким, как например, из сплава марок ВК3 и ВК4, и достаточно твердым. Благодаря этой особенности, режущий инструмент из сплава марок ВК6 и ВК8 можно использовать как для черновой, так и для чистовой обработки металлов.

Крупнозернистые сплавы вольфрамовой группы (в отличие от мелко- и сверх-мелкозернистых сплавов) отличаются хорошей износостойкостью, позволяющей обрабатывать одним инструментом большее число деталей на одну режущую кромку, а также повышенной производительностью. Долгий срок службы твердосплавного режущего инструмента позволяет сократить его расход, что вкупе с невысокой ценой конечных изделий делает инструмент экономически выгодным. Вышесказанным объясняется широкая область применения твердосплавного режущего инструмента в современной металлообработке.

Благодаря своим уникальным свойствам твердые сплавы являются практически незаменимыми при производстве режущего инструмента. Инструменты, изготовленные из материалов-аналогов, не дают настолько хороших показателей, как инструменты, изготовленные из твердых сплавов. Одним из основных недостатков таких сплавов является их высокая стоимость, но этот факт не влияет на популярность применения данных материалов в указанной области.