Материалы для изготовления режущих инструментов

Материалы для изготовления режущих инструментов

В подавляющем большинстве случаев инструменты делают составными или сборными: их корпуса изготавливают из конструкционных сталей, а режущую часть — из инструментальных материалов, которые иногда называют режущими материалами. Чтобы инструмент был работоспособным и оптимальным, материал его режущей части должен обладать высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, теплостойкостью (красностойкостью), ударной вязкостью и циклической прочностью, термодинамической прочностью, теплоемкостью, теплопроводностью, малым сродством к обрабатываемому материалу, хорошо обрабатываться и не содержать дефицитных элементов

Инструментальная промышленность пока не имеет такого материала, который в полной мере отвечал бы всем перечисленным требованиям, а есть определенные группы материалов, отвечающих части из этих требований: инструментальные углеродистые и легированные стали, быстрорежущие стали, дисперсионно-твердеющие инструментальные сплавы, твердые сплавы, минералокерамика, естественные и искусственные твердые минералы (алмаз, рубин, сапфир, кубический нитрид бора).

Инструментальные стали и сплавы.

Углеродистые инструментальные стали — самый старый инструментальный материал. Современные марки сталей У9А, У10А, У12А. У13А содержат от 0,9 до 1,3 % углерода, закаливаются на твердость 61—63 HRC., и обладают достаточно высокой механической прочностью, но низкой износостойкостью и теплостойкостью.

Низколегированные инструментальные стали — углеродистые инструментальные стали с небольшими добавками хрома, марганца, вольфрама, кремния и ванадия. Наиболее широко применяемые марки ХВГ, 9ХС, 95ХГСВФ, Х6ВФ закаливаются на твердость до 65 HRC. Износостойкость этих сталей немного выше, чем углеродистых, а теплостойкость такая же невысокая (250—350 °С). Поэтому из углеродистых и низколегированных инструментальных сталей делают неответственные ручные инструменты и некоторые машинные, работающие с низкими скоростями резания и характеризующиеся небольшой трудоемкостью изготовления.

Высоколегированные инструментальные стали — быстрорежущие стали, которые изготавливаются на основе высокоуглероди- стых с содержанием углерода от 0,7 до 1,4 % со значительными добавками карбидообразующих элементов (вольфрама, хрома, ванадия, молибдена), что повышает теплостойкость стали до 670 °С и позволяет в 2—4 раза увеличить допускаемую скорость резания по сравнению с углеродистыми и низколегированными сталями.

Первые марки быстрорежущих сталей — Р18 и Р9 — содержат 0,8 % углерода, 4 % хрома, соответственно 18 и 9 % вольфрама, 1 и 2% ванадия. Теплостойкость их одинакова, так как одинаков состав твердого раствора сталей в закаленном состоянии Однако износостойкость стали Р18 приблизительно в два раза выше, чем стали Р9. она содержит в три раза больше избыточных (свободных) карбидов. Кроме того, сталь Р18 лучше шлифуется, менее склонна к прижогам (изменению физико-механических свойств поверхностных слоев под действием температуры в зоне шлифования). Поэтому сталь Р18 считается классической, эталонной маркой, по отношению к которой оцениваются свойства других марок быстрорежущей стали.

Стремление повысить режущие свойства быстрорежущей стали и сократить расход дефицитного вольфрама привело к созданию целой гаммы марок сталей (более 40), дополнительно легированных молибденом (Р6МЗ, Р6М5, Р9М4), ванадием (Р9Ф5, Р12ФЗ, Р14Ф4. Р18Ф2). кобальтом (Р9К5, Р9К10) и совместным легированием этими элементами (Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф4К5, Р12Ф2МЗК8, Р18Ф2К5 и др.). Их можно подразделить на группы сталей нормальной, повышенной и высокой теплостойкости или производительности.

Стали нормальной теплостойкости — вольфрамовые стали Р18, Р12, Р9 и заменившие их в последние годы вольфрамомолибденовые стали Р6МЗ и Р6М5.

Стали повышенной теплостойкости содержат 4—5 % ванадия при 9—10 % вольфрама или 6—8 % ванадия при 2—4 % вольфрама и 2 % молибдена. К ним относятся также стали, легированные кобальтом в размере 5% с повышенным содержанием ванадия (3,5—4 %) и вольфрама (до 12 %), или стали с повышенным содержанием кобальта (6—8 %), пониженным содержанием ванадия (1,5—2 %) и с содержанием вольфрама до 10 %.

Стали высокой теплостойкости содержат более 12 % кобальта, до 3,5 % ванадия, до 18 % вольфрама. Содержание вольфрама в них может быть понижено до 11—14 % за счет добавок молибдена.

Из быстрорежущих сталей изготавливают все инструменты, предназначенные для работы на станках. Однако правильно обоснованный выбор марки стали для конкретных видов инструментов и условий работы может быть сделан на основе учета эксплуатационных и технологических свойств этих сталей. Укрупненно эти свойства можно оценить по характеру влияния на них легирующих элементов.

Вольфрам придает стали высокую твердость, износостойкость и теплостойкость. Сталь Р18 содержит 18 % вольфрама, хорошо шлифуется и закаливается, обладает по сравнению с углеродистыми и низколегированными сталями высокой теплостойкостью (до 620 °С), пониженной, но вполне приемлемой прочностью и теплопроводностью и поэтому принимается за эталонную. По сравнению со сталями Р12 и Р9 менее пластична, хуже поддается обработке давлением в горячем состоянии, характеризуется более высокой карбидной неоднородностью (больше карбидные ликвации).

Молибден является химическим аналогом вольфрама, но более сильнодействующим. Он обеспечивает стали почти ту же (немного ниже) теплостойкость, что и вольфрам, при соотношении но массе Мо: W-1 1,5. Кроме того, он придает стати 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 закатку.

Ванадий сообщает стали повышенную твердость (до 67 HRC), способствует повышению теплостойкости (до 635 °С), но одновременно повышает хрупкость, понижает прочность и теплопроводность. Большим недостатком ванадиевых статей является их плохая шлифу- емость (склонны к прижогам), ухудшающаяся с увеличением содержания твердых и малотеплопроводных карбидов ванадия.

Кобальт в противоположность вольфраму, ванадию, молибдену и хрому образует в стали нс карбиды, а мелкодисперсные интерметатлиды, увеличивающие твердость (до 6S HRCэ) и теплостойкость (до 670 °С) стали. Кроме того, кобальт в большей степени, чем молибден, повышает теплопроводность стали. Однако эти стали отличаются небольшой прочностью и повышенной хрупкостью, более склонны к обезуглероживанию и в два раза дороже стали PI8, которая, в свою очередь, дороже конструкционной стали в 10—20 раз Карбидно-интерметаллидная неоднородность несколько выше, чем у других сталей, а шлифуемоесть выше, чем у ванадиевых

Таким образом, стали повышенной и высокой теплостойкости менее прочные, хуже обрабатываются или дороже, чем стали нормальной теплостойкости. Поэтому их применение наиболее рационально при работе с повышенными скоростями и резании труднообрабатываемых сталей и сплавов, где они могут обеспечить трех-, четырехкратное повышение стойкости по сравнению со сталями нормальной теплостойкости. Если культура термической обработки и заточки инструмента низкая (не выдерживаются температурно-временные параметры закалки и отпуска, требуемые условия шлифования и заточки — допускаются прижоги), то такие стали лучше не применять, так как их исходные свойства будут испорчены до такой степени, что стойкость инструментов из этих сталей может быть ниже, чем из сталей нормальной теплостойкости.

Повышение режущих свойств быстрорежущих сталей достигается дополнительным легированием их азотом в размере 0,06—0,09 %. Марки сталей те же, но с добавлением буквы А: АР6М5, 10АР6М5, АР12, АР18 Легирование азотом на 1—2 единицы повышает твердость и на 20—30 % режущие свойства стали.

Улучшение технологических свойств быстрорежущих сталей достигается путем изготовления их методом порошковой металлургии, т.е. прессованием из порошков с последующей прокаткой и ковкой Это способствует повышению однородности и вязкости стали, улучшению шлифуемости и уменьшению деформаций при термической обработке. Кроме того, стойкость инструментов из таких сталей в два раза выше, чем из обычных.

Дефицит вольфрама инициировал разработку безвольфрамовых сталей (11М5Ф; ЭК-41; ЭК-42 и др.), которые по своим режущим свойствам не уступают слали Р6М5

Высоколегированные безуглеродистые сплавы Р18МЗК25, Р18М7К25, Р10М5К25, ЗВ20К20Х4, В16М4К16Х4Н2 и другие е содержанием углерода до 0,06 % являются сравнительно новыми инструментальными материалами. При закалке и отпуске происходит дисперсионное твердение сплавов, повышающее их твердость до 69 НRСЭ и теплостойкость до 720 °С. Поэтому сплавы иногда называют дисперсионно-твердеющими. Они обладают достаточной прочностью (до 2000 Н/мм2) и используются для обработки труднообрабатываемых материалов, обеспечивая повышение скорости резания в 1,5—2 раза или стойкости в 12 раз по сравнению со сталью Р18. При обработке обычных конструкционных материалов их режущие свойства приближаются к свойствам сталей Р9К5 и Р18Ф2. Вследствие повышенной стоимости дисперсионно-твердеющие сплавы так же, как и быстрорежущие стали повышенной и высокой теплостойкости, применять при обработке углеродистых и умеренно легированных конструкционных материалов экономически нецелесообразно.

Металлокерамические твердые сплавы.

Металлокерамические твердые сплавы получают методом порошковой металлургии путем прессования с последующим спеканием при температуре 1500—2000 °С порошков карбидов тугоплавких металлов: вольфрама, титана, тантала и не образующего карбидов кобальта. Режущими компонентами в сплавах являются карбиды, а кобальт выполняет роль связки.

В промышленности применяются три группы твердых сплавов, отличающихся но составу карбидной основы: однокарбидные, или вольфрамокобальтовые, обозначаемые ВК: ВК2, ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25 (теплостойкость — 800—850 °С); двухкарбидные, или титановольфрамокобальтовые, обозначаемые ТК: Т5К12, Т5К10, Т14К8, Т15К10, Т15К6, ТЗОК4, Т60К6 (теплостойкость — 850—900 °С), и трехкарбидпые, или танталотитановочь- фрамокобальтовые, обозначаемые ТТК: ТТ7К12, ТТ8К7, ТТ7К15, ТТ10К8, ТТ20К9, ТТ21К9 (теплостойкость — 750 °С). Кроме того, имеются мелкозернистые сплавы ВКЗМ, ВК6М (группа М), особомелкозернистые — ВК60М, ВК100М (группа ОМ), крупнозернистые — ВК4В, Т15К12В (группа В) и ВК20К, ВК6КС, BKI0KC (группы К и КС). Фракционный состав сплава определяется цифрами в марке после знака химического элемента. Например, сплав ВК6 содержит 6 % кобальта, остальное — карбиды вольфрама, сплав Т15К6 содержит 6 % кобальта, 15 % карбидов титана и остальное — карбиды вольфрама и т.д.

Высокую твердость (до 92 HRA), теплостойкость и износостойкость сплавам сообщают карбиды; чем их больше содержится в сплаве, тем выше упомянутые показатели, но ниже прочность. При этом наиболее высокой прочностью обладают сплавы с карбидами тантала, затем следуют сплавы на основе карбидов вольфрама. Самую низкую прочность имеют сплавы, содержащие карбиды титана. Твердость, теплостойкость и износостойкость сплавов изменяются в направлении, обратном изменению прочности. Кроме того, чем больше в сплаве содержится кобальта и чем толще его оболочки, обволакивающие зерна карбидов, тем выше прочность сплава. Поэтому крупнозернистые сплавы характеризуются более высокой, а мелкозернистые — более низкой прочностью, чем обычные сплавы такого же фракционного состава, но износостойкость крупнозернистых сплавов ниже, а мелкозернистых выше износостойкости их аналогов.

Твердые сплавы в 3—5 раз дороже быстрорежущей стали и выпускаются в виде пластинок, которыми оснащаются составные и сборные инструменты. Мелкоразмерные инструменты можно изготавливать целиком из твердого сплава. Использование твердого сплава для оснащения режущих инструментов позволяет повысить по сравнению с быстрорежущей сталью уровень скоростей резания в 3—5 раз, оно экономически оправдано только в тех случаях, когда по сравнению с быстрорежущей сталью скорость резания может быть увеличена не менее чем в 1,5 раза.

Сплавы ТК как наиболее теплостойкие и износостойкие предназначены для обработки с высокими скоростями резания конструкционных сталей и других металлов, дающих сливную стружку. Сплавы ВК применяются в основном для обработки чугуна, бронзы и других материалов, дающих стружку скалывания, кроме того, ими пользуются взамен сплавов ТК, когда их прочность в конкретных условиях недостаточна. Сплавы ТТК — универсального применения, их используют главным образом для тяжелых работ с ударными нагрузками и для обработки труднообрабатываемых материалов.

Помимо изменения размеров зерен карбидов, улучшение эксплуатационных свойств твердых сплавов достигается покрытием пластинок сплавов ВК тонким слоем (до 6 мкм) карбидов или нитридов титана, что при сохранении высокой прочности обеспечивает значительное (до 3—4 раз) увеличение стойкости. Еще большее повышение стойкости отмечено при двухслойном покрытии пластин: 6 мкм карбидов титана плюс 1 мкм окиси алюминия.

Более высокими режущими свойствами по сравнению с традиционными обладают сплавы группы МС: МС101, МС121, МС146 и др.

Безвольфрамовые твердые сплавы ТМ-1, МНТ-2, МНТА-2, КТН-16 и другие, изготовленные на основе карбидов и карбонитридов титана, тантала, ниобия и карбонитридов этих элементов на никелевомолибденовой связке. Наряду с экономией вольфрама обеспечивают в 1,5—3 раза увеличение стойкости по сравнению со сплавами ТЗОК4 и Т15К6 при тонком и чистовом точении.

Твердыми сплавами оснащаются практически все инструменты, но их доля в общем объеме производства металлорежущего инструмента не превышает 30 %. Широкое применение твердых сплавов сдерживается их повышенной хрупкостью. Предел прочности на изгиб в среднем в 2,5 раза, а ударная вязкость в 1,5—3 раза ниже, чем у стали Р18. Поэтому надежность работы твердосплавных инструментов низкая, частые случаи поломок и выкрошивания пластин, особенно в условиях работы с большими и ударными нагрузками, а также при малой жесткости технологической системы. Если учесть, что высокая твердость и малая теплопроводность твердых сплавов затрудняет шлифование и заточку из-за высокой трудоемкости и появления трещин, то ясно, что твердые сплавы малопригодны для изготовления мелкопрофильного и мелкоразмерного инструмента. Совершенствование твердых сплавов, методов изготовления инструмен- тов, широкое использование алмазных кругов для шлифования и заточки позволит значительно расширить номенклатуру твердосплавных инструментов, объем их применения и сравниться в этом отношении с резцами и фрезами, которые оснащаются твердыми сплавами на 75 и 45 % соответственно.

Минералокерамика

Минералокерамику получают путем прессования и спекания при температуре 1720—1760 °С тонко измельченного порошка корунда (искусственной окиси алюминия AL2O3) с окисью магния MgO (около 1 %) Зерна корунда являются режущим компонентом, а окись магния — связующим.

Отсутствие в составе минералокерамики дефицитных компонентов, низкая стоимость (порошок электрокорунда в 125 раз дешевле, чем порошок карбида вольфрама), высокая твердость (91—93 HRA). исключительно высокая теплостойкость (2000 °С) придают этому материалу особую привлекательность. Однако пониженная прочность на изгиб (в 3—4 раза ниже, чем у твердых сплавов), низкая ударная вязкость (в 7—10 раз ниже, чем у твердых сплавов) и исключительно низкая сопротивляемость циклическому изменению тепловой нагрузки ограничивают область ее применения получистовым точением цветных и черных металлов с высокими скоростями резания в условиях жесткой технологической системы.

Попытки повысить прочность оксидной минеральной керамики привели к созданию керметов, содержащих, помимо окиси алюминия, добавки молибдена, вольфрама, титана или сложных карбидов, бори- дов или силицидов этих элементов. Добавки металлов в 1,5 раза повышают прочность минералокерамики, но в 4—5 раз понижают ее стойкость, а теплостойкость понижают до 1400 °С. Исключение составляют сравнительно новые марки ВЗ, ВОК-60, ВОК-63 карбидно-оксидной керамики, однако они приблизительно в два раза дороже твердого сплава. Новые марки нитридной керамики, например ВРК-20, обладают стойкостью в два раза выше, чем карбидная ВОК-60

Для повышения вязкости керамики ее легируют ZrO2, а для повышения прочности армируют монокристаллами в виде волокон SiC.

Основным промышленным представителем минеральной керамики пока остается микролит ЦМ-332, который выпускается в виде пластинок тех же форм и размеров, что и твердые сплавы

Сверхтвердые инструментальные материалы.

Представителями сверхтвердых материалов являются естественные и искусственные алмаз, рубин, сапфир, а также не встречающийся в природе кубический нитрид бора. Наиболее широкое применение получили алмаз и кубический нитрид бора; рубин и сапфир используются редко и только для тонкого точения цветных металлов.

Алмаз, представляющий собой одну из модификаций углерода, имеет высокую твердость — в три раза выше, чем карбид титана, высокую теплопроводность, малую склонность к адгезии, но низкую прочность, как микролит. Однородная и плотная структура алмаза позволяет получить режущую кромку с небольшим радиусом округления, что обеспечивает работу с малыми сечениями среза. Алмазные лезвийные инструменты успешно используются при тонком точении цветных металлов. Для обработки черных металлов алмазы малопригодны из-за повышенной хрупкости и низкой стойкости, вызванной растворением алмаза в железе при температурах выше 750 °С. Кроме резцов, алмазами оснащают торцовые фрезы и сверла.

Кубический нитрид бора синтезируется из порошка нитрида бора и в зависимости от особенностей способа получения и строения кристаллической решетки называется боразоном, эльбором, кубонитом, гексанитом, исмитом и т.д. На основе кубического нитрида бора с добавками других составляющих (А12О4, Si3N4 и др.) получены композиты, превосходящие по своим свойствам основу.

Высокая твердость кубического нитрида бора (близка к твердости алмаза), высокая теплостойкость (1200—1500 °С), химическая инерт- ность по отношению к углероду и железу позволили использовать его для чистовой и тонкой обработки чугуна и стали с высокими скоростями. Инструменты, оснащенные этим материалом, незаменимы при обработке закаленных сталей с твердостью до 64 HRCЭ Их стойкость в этом случае в десятки раз выше, чем твердосплавных инструментов, а при обработке чугуна в 4—5 раз выше. В настоящее время кубическим нитридом бора оснащают резцы и торцовые фрезы.

С момента появления быстрорежущей стали (начало XX века) до современных твердых сплавов (70-е годы XX века) производительность резания по данным шведской фирмы «Согоmant» выросла более чем в 30 раз. Так, обработка валика из углеродистой стали диаметром 100 мм и длиной 500 мм резцами из углеродистой стали продолжалась 100 мин, резцами из быстрорежущей стали — 26 мин, резцами из стеллита (литые твердые сплавы) — 15 мин, резцами из современных твердых сплавов — 3 мин.

Материалы для корпусов инструментов.

Материалы для корпусов должны обладать достаточной прочностью и теплопроводностью, сохранять точность размеров и формы после термообработки, хорошо обрабатываться и обеспечивать прочное соединение с режущей частью после сварки, наварки и напайки, а также быть дешевыми и не содержать дефицитных элементов. Всем этим требованиям в полной мере отвечают конструкционные углеродистые (марки 40, 45, 50) и качественные стали 40Х, 45Х, 40ХН.

Углеродистые стали применяют для державок резцов, корпусов сборных разверток, втулок, клиньев, винтов и других элементов сборных конструкций. Корпуса остальных составных и сборных инструментов, в том числе и ножи под напайные пластины из твердых сплавов, изготавливают из качественных сталей (в основном из стали 40Х), которые обладают повышенной прочностью и обеспечивают меньшее коробление в процессе термической обработки.

Для тяжелых условий работы, особенно когда требуется высокая твердость и износостойкость, корпус делают из инструментальных сталей У7А, У8А, 9ХС и даже быстрорежущей Например, у сверл с напаянными пластинами твердого сплава корпус трется об обработанную поверхность детали со скоростью резания, поэтому его изготавливают из стали 9ХС или даже быстрорежущей с последующей закалкой на высокую твердость.

Абразивные материалы.

Абразивные материалы используются для изготовления абразивных инструментов (кругов, брусков и др.) и применяются в виде зерен, которые являются режущими, а поэтому должны обладать высокой твердостью, теплостойкостью и хорошо дробиться при затуплении, чтобы образовывать новые острые кромки. Размеры зерен — в пределах от 2000 до 1 мкм (2000—160 мкм — шлифзерно. 120—30 мкм — шлифпорошки; 28 мкм и менее — микропорошки)

Естественные абразивные материалы, наждак и корунд, состоящие из окиси алюминия А1203, сильно засорены посторонними примесями, малопроизводительны и в настоящее время для изготовления промышленных абразивных инструментов применяются редко.

Из искусственных абразивных материалов наиболее широко используются электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, синтетический алмаз и кубический нитрид бора (эльбор).

Электрокорунд представляет собой кристаллическую окись алюминия A12O3, является продуктом плавки бокситов и в зависимости от содержания окиси алюминия (от 92 до 99 %) и способа изготовления подразделяется на электрокорунд нормальный (16А…12А), электрокорунд белый (25А…22А), электрокорунд хромистый (34А…32А), монокорунд (45А…43А), электрокорунд титанистый (37А). Наиболее высокой режущей способностью и прочностью зерен обладают электрокорунд титанистый, хромистый и монокорунд, применяемые при напряженных режимах шлифования.

Карбид кремния (SiC), или карборунд, — результат спекания кварцевого песка с углеродом, выпускается в виде карбида кремния зеленого (64С…62С) с содержанием SiC не менее 98 % и в виде карбида кремния черного (55С…52С) с содержанием SiC 95—97 %. Карбид кремния зеленый более качественный, чем черный, и используется для заточки твердосплавных инструментов, а карбид кремния черный — для шлифования материалов с низким пределом прочности (чугуна, бронзы, латуни и др.).

Карбид бора (В4С) получают при плавке борной кислоты и нефтяного кокса, по твердости приближается к алмазу и выпускается в виде порошков и паст для доводки твердосплавного инструмента и обработки твердых минералов, таких, как рубин, корунд, кварц.

Алмазы, в основном искусственные, нормальной, повышенной и высокой прочности, являются самыми твердыми материалами и обладают самой высокой режущей способностью. Поэтому их применяют для высококачественной и производительной обработки твердых сплавов, твердых минералов, цветных металлов и их сплавов.

Кубический нитрид бора по своим свойствам почти не уступает алмазу, но используется для обработки черных металлов (железосодержащих), так как химически инертен к железу и углероду.

 

Контрольные вопросы

  1. Требования к режущему материалу и возможность их реализации в одном материале.
  2. Группы режущих материалов и целесообразные области их применения.
  3. Что способствует повышению теплостойкости быстрорежущей стали?
  4. Влияние присадок вольфрама, молибдена, ванадия и кобальта на свойства быстрорежущей стали.
  5. Возможность использования сталей высокой производительности, если культура термической обработки и заточки инструмента низкая.
  6. Достоинства высоколегированных безуглеродистых (дисперсионно твердеющих) сплавов.
  7. Группы металлокерамических твердых сплавов. Рекомендации по их применению.
  8. Химический состав стали Р12Ф2МЗК8 и фракционный состав сплава Т15К6
  9. Привлекательные свойства минералокерамики
  10. Сверхтвердые режущие материалы и области их применения.
  11. Способы улучшения эксплуатационных свойств быстрорежущих сталей, металлокерамических твердых сплавов и минералокерамики.
  12. Назовите режущие материалы наиболее высокой твердости и теплостойкости.
  13. Материалы для корпусов инструментов.
  14. Абразивные материалы и рекомендации по их применению.
  15. Что следует учитывать при выборе режущего материала для инструмента конкретного назначения?

 

Смотрите также

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *