Інструментальний матеріал 8 відноситься до. Застосування прогресивних інструментальних матеріалів. Класифікація інструментальних матеріалів

Історія розвитку обробки металів показує, що одним із ефективних шляхів підвищення продуктивності праці в машинобудуванні є застосування нових інструментальних матеріалів. Наприклад, застосування швидкорізальної сталі замість вуглецевої інструментальної, дозволило збільшити швидкість різання в 2...3 рази. Це вимагало суттєво вдосконалити конструкцію металорізальних верстатів, насамперед збільшити їхню швидкохідність і потужність. Аналогічне явище спостерігалося також при використанні інструментального матеріалу твердих сплавів.

Інструментальний матеріал повинен мати високу твердість, щоб протягом тривалого часу зрізати стружку. Значне перевищення твердості інструментального матеріалу порівняно з твердістю оброблюваної заготовки повинно зберігатися і при нагріванні інструменту в процесі різання. Здатність матеріалу інструменту зберігати свою твердість за високої температури нагрівання визначає його червоностійкість (теплостійкість). Ріжуча частина інструмента повинна мати велику зносостійкість в умовах високих тисківта температур.

Важливою вимогою є також досить висока міцність інструментального матеріалу, так як при недостатній міцності відбувається фарбування ріжучих кромок або поломка інструменту, особливо при невеликих розмірах.

Інструментальні матеріали повинні мати хороші технологічними властивостями, тобто. легко оброблятися в процесі виготовлення інструменту та його перетікання, а також бути порівняно дешевими.

В даний час для виготовлення різальних елементів інструментів застосовуються інструментальні сталі (вуглецеві, леговані та швидкорізальні), тверді сплави, мінералокерамічні матеріали, алмази та інші надтверді та абразивні матеріали.

ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ СТАЛІ

Ріжучі інструменти, виготовлені з вуглецевих інструментальних сталей У10А, У11А, У12А, У13А, мають достатню твердість, міцність і зносостійкість при кімнатній температурі, проте їх теплостійкість невелика. При температурі 200-250 "З їх твердість різко зменшується. Тому вони застосовуються для виготовлення ручних та машинних інструментів, призначених для обробки м'яких металів з низькими швидкостями різання, таких, як напилки, дрібні свердла, розгортки, мітчики, плашки та ін. Вуглецеві інструментальні сталі мають низьку твердість у стані поставки, що забезпечує їхню хорошу оброблюваність різанням і тиском, проте вони вимагають застосування при загартуванні різких загартованих середовищ, що посилює короблення інструментів та небезпеку утворення тріщин.

Інструменти з вуглецевих інструментальних сталей погано шліфуються через сильне нагрівання, відпустки та втрати твердості ріжучих кромок. Через великі деформації при термічній обробці та поганій шліфованості вуглецеві інструментальні сталі не використовуються при виготовленні фасонних інструментів, що підлягають шліфування по профілю.

З метою покращення властивостей вуглецевих інструментальних сталей були розроблені низьколеговані сталі. Вони мають більшу прожарюваність і гартування, меншу чутливість до перегріву, ніж вуглецеві сталі, і в той же час добре обробляються різанням і тиском. Застосування низьколегованих сталей зменшує кількість бракованих інструментів.

Область застосування низьколегованих сталей та ж, що й для вуглецевих сталей.

По теплостійкості леговані інструментальні сталі трохи перевершують вуглецеві. Вони зберігають високу твердість при нагріванні до 200-260°З тому непридатні для різання з підвищеною швидкістю, а також для обробки твердих матеріалів.

Низьколеговані інструментальні сталі поділяються на сталі неглибокої та глибокої прожарюваності. Для виготовлення різальних інструментів використовуються сталі 11ХФ, 13Х, ХВ4, В2Ф неглибокої прожарюваності та сталі X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ глибокої прожарюваності.

Стали неглибокої прожарюваності, леговані хромом (0,2-0,7%), ванадієм (0,15-0,3%) та вольфрамом (0,5-0,8%) використовуються при виготовленні інструментів типу стрічкових пилокта ножівочних полотен. Деякі мають більш спеціалізоване застосування. Наприклад, сталь ХВ4 рекомендується виготовлення інструментів, призначених для обробки матеріалів, мають високу поверхневу твердість, при відносно невеликих швидкостях різання.

Характерною особливістю сталей глибокого прожарювання є більш високий вміст хрому (0,8-1,7 %), а також комплексне введення у відносно невеликих кількостях таких легуючих елементів, як хром, марганець, кремній, вольфрам, ванадій, що істотно підвищує прожарювання. У виробництві інструментів з групи найбільше застосування знаходять сталі 9ХС і ХВГ. У сталі 9ХС спостерігається рівномірний розподілкарбідів за перерізом. Це дозволяє використовувати її для виготовлення інструментів щодо великих розмірів, а також для різьбонарізних інструментів, особливо круглих плашок з дрібним кроком різьблення. Разом з тим, сталь 9ХС має підвищену твердість у відпаленому стані, високу чутливість до обезуглерожування при нагріванні.

Марганець, що містять, стали ХВГ, ХВСГ мало деформуються при термічній обробці. Це дозволяє рекомендувати сталь для виготовлення інструменту типу протяжок, довгих мітчиків, яких пред'являються жорсткі вимоги щодо стабільності розмірів при термічній обробці. Сталь ХВГ має підвищену карбідну неоднорідність, особливо при перерізах, більших 30...40 мм, що посилює фарбування ріжучих кромок і не дозволяє рекомендувати її для інструментів, що працюють у важких умовах. В даний час для виготовлення металорізальних інструментів застосовуються швидкорізальні сталі. Залежно від призначення їх можна поділити на дві групи:

1) стали нормальної продуктивності;

2) стали підвищеною продуктивністю.

До сталей першої групи відносяться Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, до сталей другої групи - Р6М5ФЗ, Р12ФЗ, Р18Ф2К5, Р10Ф5К5, Р9К5, Р9К10, Р9МЧК8, Р6М5К5 та ін.

У позначенні марок буква Р показує, що сталь відноситься до групи швидкорізальних. Цифра, яка йде за нею, показує середній вміст вольфраму у відсотках. Середній вміст ванадію в сталі у відсотках позначається цифрою, що проставляється за літерою Ф, кобальту -цифрою, що йде за літерою До.

Високі ріжучі властивості швидкорізальної сталі забезпечуються за рахунок легування сильними карбідоутворюючими елементами: вольфрамом, молібденом, ванадієм і некарбідоутворюючим кобальтом. Зміст хрому у всіх швидкорізальних сталях становить 3,0-4,5% і позначення марок не вказується. Практично у всіх марках швидкорізальних сталей допускається сірка і фосфор не більше 0,3% і нікель не більше 0,4%. Істотним недоліком цих сталей є значна карбідна неоднорідність, особливо у прутках великого перерізу.

Зі збільшенням карбідної неоднорідності міцність сталі, знижується, при роботі фарбуються ріжучі кромки інструменту, і знижується його стійкість.

Карбідна неоднорідність виражена сильніше у сталях із підвищеним вмістом вольфраму, ванадію, кобальту. У сталях з молібденом карбідна неоднорідність проявляється меншою мірою.

Швидкорізальна сталь Р18, що містить 18% вольфраму, тривалий час була найпоширенішою. Інструменти, виготовлені з цієї сталі, після термічної обробки мають твердість 63-66 HRС Е, червоностійкість 600 ° С та досить високу міцність. Сталь Р18 порівняно добре шліфується.

Велика кількість надмірної карбідної фази робить сталь Р18 більш дрібнозернистою, менш чутливою до перегріву при загартуванні, більш зносостійкою.

Зважаючи на високий вміст вольфраму, сталь Р18 доцільно використовувати тільки для виготовлення інструментів високої точності, коли стали інших марок недоцільно застосовувати через припали ріжучої частини при шліфуванні та заточуванні.

Сталь Р9 за червоностійкістю та ріжучими властивостями майже не поступається сталі Р18. Недоліком сталі Р9 є знижена шліфування, що викликається порівняно високим вмістом ванадію та присутністю у структурі дуже твердих карбідів. Разом з тим сталь Р9, порівняно зі сталлю Р18, має більш рівномірний розподіл карбідів, дещо більшу міцність та пластичність, що полегшує її деформованість у гарячому стані. Вона придатна для інструментів, які отримують різні методи пластичної деформації. Через знижену шліфування сталь Р9 застосовують в обмежених межах.

Сталь Р12 рівноцінна, за ріжучими властивостями стали Р18. Порівняно зі сталлю Р18 сталь Р12 має меншу карбідну неоднорідність, підвищену пластичність та придатна для інструментів, що виготовляються методом пластичної деформації. Порівняно зі сталлю Р9 сталь Р12 краще шліфується, що пояснюється вдалим поєднанням легуючих елементів.

Сталі марок Р18М, Р9М відрізняються від сталей Р18 і Р9 тим, що вони у своєму складі замість вольфраму містять до 0,6-1,0% молібдену (з розрахунку, що 1% молібдену замінює 2% вольфраму).Ці сталі мають рівномірно розподілені карбіди, але більш схильні до обезуглерожування, тому загартування інструментів зі сталей необхідно проводити в захисній атмосфері, однак за основними властивостями сталі Р18М і Р9М не відрізняються від сталей Р18 і Р9 і мають ту саму область застосування.

Вольфрамомолібденові сталі типу Р6МЗ, Р6М5 є новими сталями, що значно підвищують як міцність, так і стійкість інструменту. Молібден обумовлює меншу карбідну неоднорідність, ніж вольфрам. Тому заміна 6 ... 10% вольфраму відповідною кількістю молібдену знижує карбідну неоднорідність швидкорізальних сталей приблизно на 2 бали і відповідно підвищує пластичність. Нестача молібденових сталей полягає в тому, що вони мають підвищену чутливість до обезуглерожування.

Для виготовлення робочої частини різальних інструментів застосовують п'ять груп інструментальних матеріалів: інструментальні вуглецеві та леговані сталі, швидкорізальні сталі, тверді сплави, мінералокераміку та надтверді матеріали.

У процесі різання інструменти відчувають великі питомі зусилля, піддаються нагріванню і зносу, тому інструментальні матеріали повинні мати певні фізико-механічні та технологічні властивості, з яких основними є: твердість, міцність і пластичність, теплостійкість і теплопровідність, опірність схоплюванню з оброблюваним матеріал а також гартування і прожарювання (для інструментальних сталей), стійкість проти перегріву та окислення, зварюваність або здатність до з'єднання пайкою, схильність до утворення тріщин при паянні та шліфування.

Від зазначених властивостей цих матеріалів залежать такі важливі технологічні показники як продуктивність обробки різанням, стійкість, надійність інструменту та ін.

Практично немає таких матеріалів, які мали одночасно високими твердістю, міцністю, тепловими характеристиками тощо.

Щоб правильно вибрати інструментальний матеріал для конкретних умов обробки або правильно використовувати наявний матеріал за відсутності такого вибору, необхідно знати вплив його властивостей на процес різання.

Твердість. Здійснення процесу різання можливе в тому випадку, якщо твердість різального інструменту значно вища за твердість оброблюваного матеріалу. Чим вища твердість інструменту, тим вища його стійкість і швидкість різання. Зі збільшенням твердості підвищується опір інструменту механічному зносу і більш тривалий час зберігається гострота ріжучої кромки.

Однак не для всіх інструментів та умов обробки доцільно вибирати інструментальний матеріал з найвищою твердістю, так як з її збільшенням підвищуються крихкість і схильність до утворення тріщин при паянні та заточуванні, погіршується шліфування. Тому при виборі інструментального матеріалу необхідно враховувати як твердість, а й інші властивості.

Міцність. У процесі різання на інструмент діють сили, які піддають його стиску, вигину, скручування та інших видів деформації. Здатність інструменту чинити опір деформації є дуже важливим властивістюта характеризується межею міцності. Поняття міцності інструменту має двояке значення: міцність ріжучих елементів, що знаходяться в зоні різання і піддаються впливу стружки, що сходить і утворюється тепла, і міцність неріжучих елементів інструменту. У першому випадку міцність характеризує такі ріжучі властивості інструменту, як опір крихкому та пластичному руйнуванню ріжучої частини; у другому - жорсткість, вібростійкість та надійність інструменту в цілому.

Теплостійкість. Механічні властивості інструментального матеріалу змінюються під впливом температури різання. Зі збільшенням температури вище за певне значення твердість і міцність матеріалу зменшуються і досягають таких значень, коли інструмент починає швидко розм'якшуватися, зношуватися і втрачає свою ріжучу здатність.

Температура, до якої інструментальний матеріал зберігає свою ріжучу здатність, називається теплостійкістю (у державних стандартах на інструментальні та швидкорізальні сталі застосовують термін «червоностійкість», який ідентичний терміну «теплостійкість»).

Для швидкорізальних сталей та твердого сплаву це температура, за якої твердість знижується до HRA 58…60.

Враховуючи, що температура різального леза значною мірою залежить від швидкості різання (підвищується зі збільшенням останньої), матеріали, що мають більшу теплостійкість, навіть за рівної твердості можуть працювати з більш високими швидкостями різання і обробляти більш тверді матеріали.

Теплопровідність- ця властивість, що впливає на температуру різального леза в процесі обробки. Чим вище теплопровідність, тим краще відводиться тепло із зони контакту інструменту з оброблюваним матеріалом і тим менша температура різання. Крім того, матеріали з більшою теплопровідністю менше схильні до утворення тріщин при заточуванні та паянні.

Адгезійна стійкість- це стійкість проти схоплювання. Низька адгезійна стійкість інструментального матеріалу призводить до збільшення інтенсивності зношування інструменту, особливо при високих температурах і тиску в зоні різання.

Зносостійкість- це властивість інструментального матеріалу чинити опір механічному, тепловому та хімічному впливу оброблюваного матеріалу в процесі різання. Найважливішими чинниками, що впливають зносостійкість, є розглянуті вище властивості - твердість, теплостійкість, теплопровідність, адгезійна стійкість.

При виборі інструментального матеріалу необхідно прагнути оптимального значення його зносостійкості з урахуванням хімічного складу та міцності, оброблюваного матеріалу, характеру операції та конструкції інструменту, жорсткості обладнання, можливості застосування СОЖ та ін.

1.2. Інструментальні сталі

за хімічного складу, ступеня легованості інструментальні сталі поділяють на інструментальні вуглецеві, інструментальні леговані та швидкорізальні сталі. Фізико-механічні властивості цих сталей при нормальній температурі досить близькі, відрізняються вони теплостійкістю і прожарювання при загартуванні.

Розпад мартенситу при нагріванні (під час різання) загартованих вуглецевих сталей відбувається за нормальної температури 200 °З. У легованих та швидкорізальних сталях розміцнення мартенситу стримується наявністю легуючих елементів. В інструментальних легованих сталях масового вмісту легуючих елементів недостатньо, щоб зв'язати весь вуглець у карбіди, тому теплостійкість сталей цієї групи лише на 50...100 °С перевищує теплостійкість інструментальних сталей вуглецевих. У швидкорізальних сталях прагнуть зв'язати весь вуглець у карбіди легуючих елементів, виключивши у своїй можливість утворення карбідів заліза. За рахунок цього розміцнення швидкорізальних сталей відбувається при більш високих температурах.

Застосування в промисловості важкооброблюваних матеріалів та постійне зростання продуктивності праці, особливо в процесах обробки металів різанням, вимагає створення нових методів обробки та нових металорізальних інструментів з більш ефективних інструментальних матеріалів.

Продуктивність інструменту значною мірою залежить від його здатності зберігати певний час ріжучі властивості. Ріжучі властивості погіршуються не тільки під впливом високої температури, що підвищується в процесі різання і викликає зниження твердості інструменту, але і таких явищ, як адгезія, дифузія, абразивно-механічне зношування ріжучої кромки та поверхонь інструменту.

Здатність інструменту чинити опір зазначеним явищам називається зносостійкість. Стійкість інструменту вимірюється часом, протягом якого зберігаються його ріжучі властивості та на певних умовах роботи. Щоб уникнути передчасного руйнування ріжучої кромки необхідно, щоб інструментальний матеріал був досить міцним.

Отже, інструментальні матеріали незалежно від їх хімічного складу та способу виробництва, призначені для використання як ріжучі елементи інструментів, повинні мати: твердість, що перевищує твердість оброблюваних металів; високу зносостійкість; червоностійкість; механічну міцність у поєднанні з достатньою пластичністю. Наведені властивості визначають фізико-механічні характеристики інструментальних матеріалів. Однак не всі інструментальні матеріали мають однаково високі фізико-механічні властивості. Вони змінюються в залежності від хімічного складу, структурного стану, від умови взаємодії інструментального матеріалу з металом оброблюваної деталі в процесі різання і від його стійкості при температурах, що змінюються.

Класифікація інструментальних матеріалів за хімічним складом та фізико-механічними властивостями

Класифікація інструментальних матеріалів за хімічним складом та фізико-механічними властивостями наведена на рис. 1, з якого видно, що в даний час матеріали різальних інструментів діляться на чотири групи і відрізняються значною номенклатурою, Відповідно до цього різні різальні матеріали повинні мати свої раціональні області застосування.

Матеріали, що належать до II - IV груп, мають підвищені ріжучі властивості і тому є прогресивними.

Прогресивні різальні матеріали завдяки підвищеній теплостійкості та зносостійкості, у порівнянні з інструментальними сталями, забезпечують при різанні інструментом роботу на підвищених швидкостях різання, обробку металів з високою твердістю, чим сприяють підвищенню продуктивності праці та ефективності технологічного процесу. Продуктивність процесу механічної обробки залежить не тільки від швидкості різання, а й від величини подачі та глибини різання. Ці параметри визначають площу зрізу і відповідно силу різання, що впливає на ріжучу частинуінструменту, викликаючи складну напругу в ріжучому клині. Тому однією з основних механічних характеристик інструментального різального матеріалу є міцність на вигин. Однак у природі немає матеріалів, які мають одночасно високої, твердістю, зносостійкістю і міцністю.

Відносне розташування інструментальних матеріалів по зносостійкості та міцності показано на рис. 2.

Вчені матеріалознавці працюють над створенням нових матеріалів та вдосконаленням існуючих у напрямку одночасного підвищення вищевказаних властивостей матеріалів.

Перед студентами-інструментальниками та технологами стоїть завдання раціонального вибору різального матеріалу для конкретного інструменту та виду обробки.

До основних досягнень останнього часу в галузі прогресивних різальних матеріалів можна віднести:

1. підвищення якості металокерамічних вольфрамотитанокобальтових твердих сплавів;
2. розроблення маловольфрамових твердих сплавів;
3. розробку та вдосконалення безвольфрамових твердих сплавів;
4. підвищення ріжучої здатності сплавів за рахунок нанесення покриттів карбідом титану, нітридом титану, карбонітридами та оксидами різних металів;
5. розробку та вдосконалення оксидно-карбідної мінералокераміки;
6. створення полікристалів синтетичних надтвердих матеріалів на основі вуглецю та нітриду бору.

Якість інструментального матеріалу визначається комплексом механічних та фізико-хімічних властивостей:

• межею міцності при одновісному розтягуванні та стисканні;
• температурною залежністю межі плинності чи твердості;
• температурною залежністю межі витривалості;
• температурної залежності інтенсивності адгезії з оброблюваним матеріалом;
• модулем пружності, температурним коефіцієнтомлінійного розширення, коефіцієнт Пуассона;
• тепло- та температуропровідністю;
• температурною залежністю швидкості взаємного розчинення інструментального та оброблюваного матеріалів;
• температурної залежності швидкості окислення.

Порівняння основних фізико-механічних властивостей груп різальних матеріалів наведено у табл. 1. Кермети, що займають за ріжучими характеристиками проміжне значення між твердим сплавом та швидкорізальною сталлю, не включені в табл. 1.

Нові інструментальні матеріали зазвичай мають обмежену сферу застосування, тому вони будуть доповнювати, а не замінювати основні види інструментальних матеріалів. Складність процесу стружкоутворення, особливо в умовах переривчастого різання і при високих температурах, не дозволяє прогнозувати ріжучу здатність нових інструментальних матеріалів при всіх умовах обробки.

Удосконалені існуючі та створені нові прогресивні різальні матеріали мають підвищені ріжучі властивості та дозволяють обробляти різанням усі конструкційні матеріали.

Основні вимоги до інструментальних матеріалів такі:

Інструментальний матеріал повинен мати високу твердість у стані поставки або досягається в результаті його термічної обробки – не менше 63…66 HRC за Роквеллом.

Необхідно, щоб за значних температур різання твердість поверхонь інструментів істотно не зменшувалася. Здатність матеріалу зберігати високу твердість при підвищених температурах та вихідну твердість після охолодження називається теплостійкість.Інструментальний матеріал повинен мати високу теплостійкість.

Поряд з теплостійкістю інструментальний матеріал повинен мати високу зносостійкість при підвищеній температурі, тобто. мати хорошу опірність стирання оброблюваним матеріалом.

Важливою вимогою є висока міцність інструментального матеріалу. Якщо висока твердість матеріалу робочої частини інструменту супроводжується значною крихкістю, це призводить до поломки інструменту та фарбування ріжучих кромок.

Інструментальний матеріал повинен мати технологічні властивості, що забезпечують оптимальні умовивиготовлення із нього інструментів. Для інструментальних сталей – це гарна оброблюваність різанням та тиском; сприятливі особливості термічної обробки; хороша шліфування після термічної обробки. Для твердих сплавів особливого значення набуває хороша шліфування, а також відсутність тріщин та інших дефектів, що виникають у твердому сплаві після припаювання пластин, при шліфуванні та заточуванні інструменту.

16 Види інструментальних матеріалів та сфери їх застосування.

Раніше всі матеріали почали застосовувати вуглецеві інструментальні сталімарок У7, У7А … У13, У 13А. Крім заліза вони містять 0,2…0,4 % марганцю, мають достатню твердість при кімнатній температурі, але їхня теплостійкість невелика, оскільки при порівняно невисоких температурах (200…250С) їх твердість різко зменшується.

Леговані інструментальні сталі за своїм хімічним складом відрізняються від вуглецевих підвищеним вмістом кремнію або марганцю, або наявністю одного або декількох легуючих елементів: хрому (збільшує твердість, міцність, корозійну стійкість матеріалу, знижує його пластичність); нікелю (підвищує міцність, пластичність, ударну в'язкість, прожарювання матеріалу); вольфраму (підвищує твердість та теплостійкість матеріалу); ванадія (підвищує твердість та міцність матеріалу, сприяє утворенню дрібнозернистої структури); кобальту (збільшує ударну в'язкість та жароміцність матеріалу); молібдену (підвищує пружність, міцність, теплостійкість матеріалу). Для ріжучих інструментів використовуються низьколеговані сталі марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС та ін. сталей 350...400С і тому вони використовуються для виготовлення ручних інструментів (розгорток) або інструментів, призначених для обробки на верстатах з низькими швидкостями різання (дрібні свердла, розгортки).

Швидкорізальні інструментальні сталі.З групи високолегованих сталей для виготовлення різальних інструментів використовуються швидкорізальні сталі з високим вмістом вольфраму, молібдену, кобальту, ванадію. Сучасні швидкорізальні сталі можна поділити на три групи.

До сталям нормальної теплостійкостівідносяться вольфрамові Р18, Р12, Р9 і вольфрамомолібденові Р6М5, Р6М3, Р8М3. Ці сталі мають твердість у загартованому стані 63…66HRC, межа міцності при згині 2900…3400Мпа, ударну в'язкість 2,.7…4,8 Дж/м 2 і теплостійкість 600…650С. Вони використовуються для обробки конструкційних сталей, чавунів, кольорових металів, пластмас. Іноді застосовуються швидкорізальні сталі, додатково леговані азотом (Р6АМ5, Р18А та ін), які є модифікаціями звичайних швидкорізальних сталей. Легування азотом підвищує ріжучі властивості інструменту на 20…30%, твердість – на 1 – 2 одиниці HRC.

Стали підвищеною теплостійкістюхарактеризуються підвищеним вмістом вуглецю - 10Р8М3, 10Р6М5; ванадія – Р12Ф3, Р2М3Ф8; Р9Ф5; кобальту - Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9К5, Р9К10, Р9М4К8Ф, 10Р6М5Ф2К8 та ін.

Твердість сталей у загартованому стані сягає 66…70HRC, вони мають вищу теплостійкість (до 620…670С). Це дає можливість використовувати їх для обробки жароміцних та нержавіючих сталей та сплавів, а також конструкційних сталей підвищеної міцності та загартованих. Період стійкості інструментів із таких сталей у 3 – 5 разів вищий, ніж із сталей Р18, Р6М5.

Стали високою теплостійкістюхарактеризуються зниженим вмістом вуглецю, але дуже великою кількістю легуючих елементів - В11М7К23, В14М7К25, 3В20К20Х4Ф. Вони мають твердість 69…70HRC, та теплостійкість 700…720С. Найбільш раціональна область їх використання - різання важкообробних матеріалів та титанових сплавів. В останньому випадку період стійкості інструментів у 30 – 80 разів вищий, ніж із сталі Р18, та у 8 – 15 разів вищий, ніж із твердого сплаву ВК8. При різанні конструкційних сталей і чавунів період стійкості збільшується менш значно (в 3 – 8 разів).

Тверді метали.Ці сплави одержують методами порошкової металургії у вигляді пластин або коронок. Основними компонентами таких сплавів є карбіди вольфраму WC, титану TiC, танталу TaC і ніобію NbC, дрібні частинки яких з'єднані за допомогою порівняно м'яких і менш тугоплавких кобальту або нікелю в суміші з молібденом.

Тверді сплави мають високу твердість – 88…92 HRA(72…76HRC) та теплостійкість до 850…1000С. Це дозволяє працювати зі швидкостями різання в 3 - 4 рази більшими, ніж інструментами зі швидкорізальних сталей.

Тверді сплави, що застосовуються в даний час, діляться:

на вольфрамові сплавигрупи ВК: ВК3, ВК3-М, ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8 та ін. умовному позначенніцифра показує процентний вміст кобальту. Наприклад, позначення ВК8 показує, що у ньому 8% кобальту та 92% карбідів вольфраму. Літерами М і ОМ позначається дрібнозерниста та особливо дрібнозерниста структура;

на титановольфрамові сплавигрупи ТК: Т5К10, Т15К6, Т14К8, Т30К4, Т60К6 та ін. У умовному позначенні цифра, що стоїть після букви Т, показує відсотковий вміст карбідів титану, після букви К – кобальту, інше – карбіди вольфраму;

на титанотанталовольфрамові сплавигрупи ТТК: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 та ін. В умовному позначенні цифри, що стоять після літери Т, показують відсотковий вміст карбідів титану та танталу, після літери К – кобальту, решта – карбіди вольфраму;

на безвольфрамові тверді сплавиТМ-1, ТМ-3, ТН-20, КНТ-16, ТС20ХН. Позначення умовні.

Тверді сплави випускаються у вигляді стандартизованих пластин, які припаюються, приклеюються або механічно кріпляться до державок з конструкційної сталі. Випускаються також інструменти, робоча частина яких повністю виконана з твердого металу (монолітні).

Сплави групи ТК мають вищу теплостійкість, ніж сплави ВК. Вони можуть використовуватися при високих швидкостях різання, тому широко застосовують при обробці сталей.

Інструменти із твердих сплавів групи ВК застосовують при обробці деталей із конструкційних сталей в умовах низької жорсткості системи СНІД, при переривчастому різанні, при роботі з ударами, а також при обробці крихких матеріалів типу чавуну, що обумовлено підвищеною міцністю цієї групи твердих сплавів та не високими температурами у зоні різання. Їх також використовують при обробці деталей із високоміцних, жароміцних та нержавіючих сталей, титанових сплавів. Це тим, що у більшості цих матеріалів титану викликає підвищену адгезію зі сплавами групи ТК, також містять титан. Сплави групи ТК мають значно гіршу теплопровідність та нижчу міцність, ніж сплави ВК.

Введення в твердий сплав танталу карбідів або карбідів танталу і ніобію (ТТ10К8-Б) підвищує його міцність. Однак температура теплостійкості цих сплавів нижча, ніж у двох карбідних.

Особомелкозернисті тверді сплави застосовують для обробки матеріалів з великою стиральною здатністю. Їх застосовують для чистової та напівчистової обробки деталей з високоміцних в'язких сталей з підвищеною схильністю до наклеп.

Сплави з низьким вмістом кобальту (Т30К4, ВК3, ВК4) застосовують на чистових операціях, з великим вмістом кобальту (ВК8, Т14К8, Т5К10) використовують на чорнових операціях.

Мінералокераміка.Її основу складають оксиди алюмінію Al 2 Про 3 з невеликою добавкою (0,5 ... 1%) оксиду магнію MgO. Висока твердість, теплостійкість до 1200С, хімічна інертність до металів, опір окисленню багато в чому перевершують ті ж параметри твердих сплавів, але поступається теплопровідністю і має нижчу межу міцності на вигин.

Високі ріжучі властивості мінералокераміки виявляються при швидкісній обробці сталей та високоміцних чавунів, причому чистове та напівчистове точення та фрезерування підвищує продуктивність обробки деталей до 2 разів при одночасному зростанні періодів стійкості інструментів до 5 разів у порівнянні з обробкою інструментами із твердого сплаву. Мінералокераміка випускається у вигляді пластин, що не переточуються, що істотно полегшує умови її експлуатації.

Надтверді інструментальні матеріали (СТМ)– найперспективніші – це синтетичні надтверді матеріали на основі алмазу або нітриду бору.

Для алмазів характерні висока твердість та зносостійкість. За абсолютною твердістю алмаз в 4-5 разів твердіший за тверді сплави і в десятки і в сотні разів перевищує зносостійкість інших інструментальних матеріалів при обробці кольорових сплавів і пластмас. Внаслідок високої теплопровідності алмази краще відводять теплоту із зони різання, проте, через їхню крихкість область їх застосування сильно обмежена. Істотний недолік алмазу – за підвищеної температури він входить у хімічну реакцію із залізом і втрачає працездатність.

Тому було створено нові надтверді матеріали, хімічно інертні до алмазу. Технологія отримання їх близька до технології отримання алмазів, але як вихідну речовину використовувався не графіт, а нітрид бору.

Доатегорія:

Слюсарно-інструментальні роботи

Основні властивості інструментальних матеріалів

Матеріали, що застосовуються для виготовлення різальних інструментів, можна розбити на три основні групи:
1) інструментальні сталі;
2) тверді метали;
3) неметалічні інструментальні матеріали.

Інструментальний матеріал повинен мати певні експлуатаційні властивості, що відповідають умовам роботи ріжучого інструменту. Твердість і міцність інструментального матеріалу повинна бути вищою за аналогічні параметри оброблюваного матеріалу (сталі і чавуну). При різанні робоча частина інструменту нагрівається до високих температур, а його ріжучі кромки піддаються інтенсивному зносу, тому інструментальний матеріал повинен мати високу теплостійкість і зносостійкість.

Інструментальні сталі. Сплав заліза з вуглецем (зміст останнього становить 0,1-1,7%) називають сталлю. Сталі, що містять більше 0,65% вуглецю і відрізняються завдяки цьому високою твердістю називають інструментальними.

Для поліпшення експлуатаційних або технологічних властивостей інструментальної сталі в її склад вводять елементи, що легують (поліпшують). Такі сталі називають легованими і їх позначення (марку) включають російську букву, відповідну назві легуючого елемента: X - хром (Сг); Ф – ванадій (V); Н – нікель (Ni); К - кобальт (С); Г – марганець (Mn); Т – титан (Ti); М – молібден (Мо); Б - ніобій (No); С – кремній (Si); Та – тантал (Та); В – вольфрам (W) і т. д.

Вуглець у марці сталі літерного позначення немає, яке зміст (у десятих частках відсотка) вказують на початку маркування. Зміст легуючого елемента вказують у відсотках після літери. Наприклад, легована хромокремниста сталь марки 9ХС містить 0,9% вуглецю, 1% хрому і 1% кремнію. Якщо вміст сталі вуглецю або легуючого елемента дорівнює або приблизно дорівнює 1%, то одиниця в маркуванні опускається. Наприклад, сталь марки ХВГ містить 1% вуглецю, 1% хрому, 1% вольфраму та 1% марганцю.

Вуглецевим інструментальним сталям залежно від вмісту вуглецю надають марки У7А, У8А, У9А, У10А, УНА, У12А, У13А. Наприклад, сталь марки У7А: вуглецева (літера У), містить 0,7% вуглецю (цифра 7); високоякісна (літера А), тобто має знижений вміст шкідливих домішок (сірки та фосфору). Теплостійкість (QK = = 180-Ь220°С) та зносостійкість вуглецевих інструментальних сталей нижче, ніж аналогічні параметри інших інструментальних матеріалів. Чим вищий вміст вуглецю, тим вищі ці параметри.

Твердість (після відпалу) 187-207 НВ є невисокою, тому ці сталі добре обробляються різанням.

Загартовані вуглецеві сталі добре шліфуються. Ці сталі (найдешевші з інструментальних матеріалів) застосовують для виготовлення інструментів, що працюють в умовах низьких температур різання: деревообробних та слюсарно-монтажних інструментів; шаблонів та калібрів зниженої точності; напилків, шаберів, накатних роликів, мітчиків та ін.

До низьколегованих інструментальних сталей відносяться сталі марок 9ХС, ХГС, ХВГ, ХВГС та ін. Ці сталі, що містять близько 1% вуглецю, а також хром (1%), марганець (1%), кремній (1%) та вольфрам (1%) ), характеризуються кращою гартуванням, підвищеними гартуванням і теплостійкістю, меншою схильністю до зростання зерна.

Теплостійкість цих сталей QK - 250-260 ° С, прожарювання становить 40-50 мм, твердість (після відпалу) 241-255 НВ. Оброблюваність низьколегованих сталей дещо гірша, ніж вуглецевих, вони більш схильні до припаків при шліфуванні.

Зазначені сталі використовують для виготовлення плашок, мітчиків, свердлів, розгорток та ін, а також штампів холодного штампування.

Швидкорізальні сталі застосовують для виготовлення різальних інструментів, що працюють при високих швидкостях, зусиллях та температурах різання. Ці сталі відрізняються високими зносостійкістю, теплостійкістю, міцністю та в'язкістю. Швидкорізальні сталі поділяють на дві групи: 1) сталі, леговані вольфрамом і молібденом і містять до 2% ванадію (Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6МЗ та ін.); 2) сталі, леги-, ровані вольфрамом і кобальтом і містять понад 2% ванадію (Р18Ф2, Р14Ф5, Р9Ф5, Р10Ф5К5, Р9К5, Р9КЮ та ін.).

Першу групу відносять до сталей нормальної продуктивності, а другу - до сталей підвищеної продуктивності.

На початку маркування цих сталей стоїть буква Р (що означає швидкорізальна), наступна за нею цифра вказує середній вміст вольфраму ( ), наступні літери та цифри позначають найменування інших легуючих елементів та відповідно їх середній зміст (). Крім того, у швидкорізальних сталях містяться вуглець (0,7-1,5%), хром (3-4,4%) та деякі інші елементи, які маркування не вказують. Наприклад, швидкорізальна сталь марки Р18 містить 0,7-0,8% вуглецю, 17-18,5% вольфраму, 3,8-4,4% хрому, 1-1,4% ванадію.

Високі експлуатаційні властивості швидкорізальних сталей забезпечуються завдяки їхньому легуванню вольфрамом, ванадієм та молібденом, які, з'єднуючись з вуглецем, утворюють відповідні карбіди (WC, VC та МоС). Зносостійкість швидкорізальних сталей у 3-5 разів вище, ніж у вуглецевих та низьколегованих; теплостійкість становить 620 °З, а при легуванні кобальтом 640 °З. Наявність ванадію сприяє утворенню дрібнозернистої структури, що підвищує міцність та знижує крихкість сталі.

Швидкорізальні сталі мають також високі технологічні властивості: гартуються в нагрітій олії, розплавах солей і при охолодженні на повітрі (тобто не вимагають різкого охолодження); прожарюються по всьому поперечному перерізу незалежно від розміру заготовки.

Недоліками цих сталей є висока твердість у стані постачання (255-269 НВ); схильність до карбідної неоднорідності; знижена шліфування (особливо у сталей, легованих ванадієм).

Найбільш поширеною є сталь марки Р6М5, що застосовується для виготовлення всіх видів ріжучих інструментів, призначених для обробки (зі швидкістю різання до 1 -1,2 м/с) вуглецевих та середньолегованих конструкційних сталей.

Тверді сплави є металевими матеріалами, що відрізняються високими теплостійкістю, зносостійкістю і твердістю. Теплостійкість і твердість цих сплавів відповідно вдвічі і 1,3-1,4 рази вище за аналогічні параметри швидкорізальної сталі марки Р18. Тому і стійкість твердосплавних інструментів значно вища за стійкість швидкорізальних інструментів, причому ця перевага тим більша, чим вища швидкість різання.

Тверді сплави, що виготовляються методом порошкової металургії (шляхом пресування у формах подрібнених металевих порошків та подальшого їх спікання при високих температурах), називають металокерамічними.

Основою металокерамічних твердих сплавів є зерна карбідів вольфраму (WC), титану (TiC) та танталу (ТаС), які пов'язані між собою кобальтом (міцним та пластичним матеріалом). Розміри зерен зазвичай трохи більше 1-2 мкм. Кобальт заповнює весь простір між зернами, не залишаючи порожнечі (пори), і цементує їх.

Тверді сплави поділяють на три групи: вольфрамові (В); титановольфрамові (ТБ); титанотан-таловольфрамові (ТТВ). Сплави групи складаються з карбідів вольфраму, пов'язаних кобальтом. До цієї групи відносять сплави марок ВК.З, ВК4, ВК6, ВК8 та ін. Тут літера означає вольфрамовий; К – кобальт; цифра, що йде за літерою, вміст кобальту в . Наприклад, сплав марки ВК8 містить 8кобальту та 92% карбідів вольфраму.

Тверді сплави групи ТБ складаються з карбідів титану та карбідів вольфраму, пов'язаних з кобальтом. До цієї групи відносять сплави марок Т5К.Ю, Т15К8, Т15К6, Т30К4. Сплав марки Т15К6 містить 15% карбідів титану, 6% кобальту та 79% карбідів вольфраму.

До третьої групи відносять тверді сплави марок ТТ7К12, ТТ10К8, ТТ20К9 та ін, що складаються з карбідів вольфраму, карбідів титану, танталу карбідів, пов'язаних кобальтом. Твердий сплав марки ТТ7К12 містить 12% кобальту, 7% карбідів титану та карбідів танталу та 81% карбідів вольфраму.

Твердість металокерамічних твердих сплавів становить 87-92 HRA. Зі збільшенням вмісту кобальту твердість і зносостійкість сплавів знижуються, але одночасно зростають в'язкість і міцність.

Теплостійкість сплавів першої та другої групи становить близько 1000 ° С; сплавів третьої групи – 1050-1100 °С.

Тверді сплави групи В застосовують при обробці заготовок з чавуну, кольорових металів та їх сплавів та неметалічних матеріалів (пластмас, склопластиків та ін.); сплави групи ТВ - при обробці вуглецевих та легованих сталей; сплави групи ТТВ - при обробці важкообробних матеріалів, корозійно-стійких та жароміцних сталей і сплавів, титанових сплавів, при чорновому точенні та фрезеруванні сталевих заготовок. Випускаються два типи твердосплавних пластин - для напоювання на державки та корпуси інструментів і для механічного закріплення на них (останній вид кріплення кращий). Призначення, форма, розміри та ступінь точності твердосплавних пластин встановлені стандартом.

Тверді мінералокерамічні сплави складаються з вогнетривких оксидів алюмінію (А1203) або цирконію (Zr02), пов'язаних склоподібною речовиною. Ці сплави, що виготовляються методом пресування порошків зазначених оксидів з подальшим їх спіканням, мають високу твердість (91-92 HRA), теплостійкість (1300 ° С) і зносостійкість, але вони дуже тендітні.

Дещо менш крихкими є кермети - тверді сплави, у яких вогнетривкі оксиди пов'язані металами (залізом, нікелем, титаном та ін.), Мінерало-кераміку та кермети застосовують для чистового точення (зі швидкістю 4-5 м/с) заготовок з рівномірним припуском; при цьому обов'язковою умовою є висока жорсткість верстата та технологічного оснащення.

У Останніми рокамияк інструментальні матеріали для лезового інструменту (різців, свердлів, фрез) застосовують монокристали природного алмазу та полікристали синтетичного алмазу та кубічного нітриду бору (ельбору). Залежно від вихідної сировини, легуючих добавок та технології виробництва отримують різні видиельбора, звані композитами.

Алмазні лезові інструменти застосовують для високопродуктивної чистової та напівчистової обробки (зі швидкістю різання 5-10 м/с) кольорових металів та сплавів, титану та неметалічних матеріалів.

Лезові інструменти з ельбору використовують для чистової обробки (зі швидкістю різання 0,7-1,7 м/с) загартованих легованих та загартованих інструментальних сталей. Така продуктивність неможлива під час різання іншими інструментальними матеріалами. Наприклад, при обробці різцями з ельбору швидкість різання досягає 7-12 м/с, тобто наближається до швидкості шліфування.