Материалы для режущих инструментов

Требования к материалам режущих инструментов. Режущая часть (режущий клан) инструментов при работе подвергается истиранию, тепловым воздействиям и силовым нагрузкам, осуществляя непрерывное деформирование срезаемого слоя. Эти очень тяжелые условия работы определяют требования к материалам режущей части. Пригодность подобных материалов определяется их твердостью, теплостойкостью, механической прочностью, износостойкостью, технологичностью и стоимостью.

Понятно, что внедрение одного материалу (клина) в другой (заготовку) возможно лишь при преобладающей твердости первого. Из табл. 1 видно, что алмаз и кубический нитрид бора имеют наиболее высокую твердость, а твердые сплавы и минералокерамика значительно тверже закаленных инструментальных сталей. Твердость большинства конструкционных материалов ниже твердости соответствующего инструмента. Однако под воздействием высокой температуры при резании твердость многих материалов снижается и, в частности, твердость инструмента может оказаться недостаточной для осуществления резания. Свойство материала сохранять необходимую твердость при высокой температуре называется теплостойкостью, которая характеризуется критической температурой. Инструмент с температурой выше критической эффективно работать не будет (см. табл. 1). Очевидно, что эта температура определяет допустимую скорость резания.

Таблица 1

Материалы Марка Микротвердость, МПа Тепло­стойкость, К Предел прочности, МПа Ударная вязкость, Дж/м2·10-6 Коэффициент относительной скорости резания
на изгиб на сжатие
Твердые сплавы Т15К6 ВК8 27500 15700 1176 1123 1130 1570 3900 4410 2,94 5,88 4 3
Быстрорежущая сталь Р18 13200 888 3530 3530 9,81 1
Минералокерамика ЦМ332 22 500 1473 390 1470 0,98 5-7
Кубический нитрид бора Эльбор 90700 1573 785 -- -- 6-8
Легированная сталь ХВГ 11800 503 3430 3430 9,81 0,6
Углеродистая сталь У10Л 12800 493 2940 2940 9,81 0,4
Алмазы А 98 700 973 290 1960 -- 1,5

Важность механической прочности для инструментальных материалов обусловлена особенностью нагружения режущих зубьев: консольным расположением (закреплением) зуба, возможностью ударных нагрузок, работой режущих элементов на изгиб, растяжение и сжатие. Поэтому пределы прочности на изгиб и сжатие и ударная вязкость являются основными показателями прочности инструментальных материалов.

Способность противостоять изнашиванию при трении также является важным свойством материала инструмента, так как при работе он подвергается истиранию в местах контакта с заготовкой. Износостойкость характеризуется работой трения, отнесенной к величине стертой массы материала.

Технологичность инструментального материала, т.е. степень его соответствия технологии термической обработки, обработки давлением, механической обработки и др., является свойством, определяющим возможность использования его в конструкции режущего инструмента. Так, материалы с плохой шлифуемостыо будут неудобны при изготовлении и переточке инструмента; слишком узкий температурный интервал нагрева материала при термообработке может привести к бракуи т. п. Технологичность материала может оцениваться и такими его свойствами, как свариваемость, припаиваемость и др.

Понятно, что материал режущих инструментов не должен состоять лишь из дорогих и дефицитных элементов, поскольку это будет сказываться на его стоимости и широте применения.

Инструментальные стали. Стали применяют достаточно широко для изготовления корпусной и крепежно-присоединителыюй частей режущих инструментов, а во многих случаях и их режущей части. Если инструмент работает при низких скоростях резания и не нагревается свыше 200-220 °С, то его можно изготовлять из углеродистой инструментальной стали марок У7А, У8А, У10А, У13А и др. Обычно режущий инструмент для таких слесарных работ, как опиливание, шабрение, рубка, нарезание резьбы (т. е. напильники, шаберы, зубила, метчики, плашки и др.), делается из этих сталей и после термической обработки может иметь высокую твердость (до HRC 64). Закалка (охлаждение) сталей ведется в воде. Однако и в этом случае' ввиду высокой критической скорости закалки эти стали прокаливаются на небольшую глубину, и сердцевина инструмента остается вязкой. Для снятия внутренних напряжений применяют отпуск при температуре 120-150 °С. Химический состав и марки инструментальных углеродистых сталей приведены в ГОСТ 1435-74.

Для повышения тех или иных свойств углеродистых инструментальных сталей в их состав вводят так называемые легирующие элементы, обозначаемые соответствующими буквами в марках стали. Так, никель (Н) после соответствующей термообработки стали сообщает ей тонкую структуру, определяющую высокую пластичность и вязкость, увеличивает прокаливаемость. Марганец (Г) увеличивает прокаливаемость и прочность стали, ускоряет процесс цементации и повышает износостойкость. Хром (X) упрочняет сталь в результате его растворения в железной основе и образования карбидов. Вольфрам (В) повышает твердость путем образования сложных карбидов и сохраняет твердость сплава при отпуске, уменьшает его склонность к росту зерна при нагреве, повышает износостойкость и теплостойкость. Ванадий (Ф) резко уменьшает рост зерна при нагреве, увеличивает устойчивость против снижения твердости при отпуске, улучшает свариваемость, но ухудшает шлифуемость материала. Молибден (М) уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости, повышает прокаливаемость, придает повышенную прочность, пластичность и вязкость. Кремний (С) улучшает прокаливаемость стали, снижает ее чувствительность к перегреву, равномернее распределяет карбиды.

Марки и химический состав инструментальных легированных сталей определены ГОСТ 5950—73. Теплостойкость их не превышает 250-300 °С, что позволяет несколько увеличить скорость резания (см. табл. I) инструментами из этих материалов. Низколегированные стали X, В2Ф, 13Х и др. применяют для слесарных инструментов (плашек, разверток, метчиков, шаберов, зубил и др.). Высоколегированные стали ХВСГ, 9ХС, ХВГ и др. служат для изготовления разверток, фасонных резцов, сверл малого диаметра, концевых фрез, протяжек, метчиков и других инструментов, работающих при скоростях резания до 0,33 м/с.

Особую группу составляют быстрорежущие стали, имеющие содержание вольфрама от 6 до 18%, ГОСТ 19265 — 73 предусматривает более десяти марок этих сталей и их химический состав. Марки образуются в зависимости от содержания кобальта (К), молибдена (М), ванадия (Ф)и вольфрама (Р), причем все эти стали имеют 3,0—4,6% хрома и 0,7—1,3% углерода. Стали Р18, Р12, Р9 относятся к вольфрамовым быстрорежущим, РбМЗ и Р6М5 — к вольфрамомолибденовым, Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5 — к вольфрамованадиевым, Р9К5 и Р9К10 — к вольфрамокобальтовым, Р18К5Ф2, Р10К5Ф5 и др.— к сложнолегированным быстрорежущим.

Быстрорежущие стали отличаются высокой теплостойкостью, доходящей у лучших марок до 650°С. Они пригодны для режущей части инструментов, работающих при скоростях резания 0,8 — 1,0 м/с. Так, из стали нормальной производительности Р9, Р18, Р6М5 делают режущую частьавтоматных и фасонных резцов, сверл, зенкеров, фрез, разверток, зуборезного инструмента, а из быстрорежущих сталей повышенной производительности Р18Ф2, Р9Ф5, Р14Ф4-И др. — аналогичные инструменты для обработки высокопрочных и труднообрабатываемых материалов. Ввидудефицитности вольфрама инструмент из этих сталей делают во многихслучаях составным, т. е. режущую часть из быстрорежущей стали, а корпусную или крепежно-присоединптельную — из конструкционной стали. Инструмент после термообработки имеет высокую твердость режущей части (до HR С 64 и выше).

Быстрорежущие стали появились почти сто лет назад. В СССР в качестве основных использовались марки РФ1 или РФ2, которые затем были заменены приведенными выше марками сталей, имеющими улучшенные качества.

Создаются новые марки быстрорежущих сталей с теплостойкостью более 700 СС, а также марки с малым содержанием вольфрама.

Твердые сплавы. Отечественная промышленность выпускает свыше 30марок твердых сплавов (ГОСТ 3882 — 74), в том числе около 20 марок дляизготовления режущих частей инструментов. Эти материалы представляют собой сплавы карбидов тугоплавких металлов с кобальтом, являющимсясвоеобразной связкой. Их получают методом прессования шихты и последующего спекания полученных элементов режущего инструмента (пластин, зубьев, коронок и т. п.).

Металлокерамические вольфрамовые твердые сплавы разделяют на одно-, двух- и трех карбидные. Однокарбидные сплавы производятся на базе карбида вольфрама и называются вольфрамокобальтовыми (группа ВК). В марках ВК2, ВК4, ВК6, ВК8 цифра показывает процентное содержание кобальта (остальное — карбиды вольфрама). Сплавы этой группы наиболее прочные. С увеличением содержания кобальта повышается сопротивление сплава ударным нагрузкам, но уменьшается его износостойкость. Применяются для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т.е. с температурой 950—1000°С.

Двухкарбидные твердые сплавы помимо компонентов группы ВК содержат карбиды титана н называются титановольфрамокобалтовые (группа ТВК или ТК). В марках Т5КЮ, Т14К8, Т15К6, T3QK4 цифры после буквы Т показывают процентное содержание карбидов титана, после К — содержание металлического кобальта (остальное — карбиды вольфрама). Сплавы этой группы более износостойки и менее прочны, чем сплавы группы ВК. Применяются при обработке углеродистых и легированных Конструкционных сталей точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т. е. температурой 1100 -1150 °С.

Трехкарбидные твердые сплавы по сравнению со сплавами группы ТВК включают еще и карбиды тантала и называются титанотанталовольфрамокобальтовыми (группа ТТК). В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед К показывает суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, после К — содержание кобальта (остальное — карбиды вольфрама). Сплавы этой группы имеют высокую прочность и применяются при обработке жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов.

В нашей стране и за рубежом ведутся работы по использованию особо мелкого зерна карбидов вольфрама в производстве вольфрамокобальтовых и титановольфрамокобальтовых сплавов. Особомелкозериистая структура (ОМ) способствует повышению износостойкости материала без существенного снижения его прочности. Сплавы ВК6-ОМ, ВК10-ОМ, ВК15-ОМ имеют основную массу зерен размером менее 1 мкм. ГОСТ 3882 — 74 предусматривает применение мелкозернистых (М) вольфрамокобальтовых сплавов ВКЗ-М, ВК6-М и др.

Имеются безвольфрамовые твердые сплавы ТМ1, ТМЗ, ТН-30, КНТ-16 и др. на основе карбидов или других соединений титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов. Например, сплав TM1 имеет износостойкость при обработке стали 50 в 2 раза выше, чем сплавТЗ0К4, сплав “Монитикар” на базе тех же компонентов имеет значительные перспективы применения.

Каждая марка твердого сплава может эффективно применяться лишь в конкретных условиях. Наша промышленность производит твердые сплавы для всех условий обработки. В табл. 2 приведены некоторые твердые сплавы, удовлетворяющие областям применения, разработанным международной организацией по стандартизации (ИСО). Сплавы группы Р предназначены для обработки материалов, дающих сливную стружку (в основном сталей), сплавы группы М — для обработки нержавеющих, жаропрочных сталей и титановых сплавов. Сплавы группы К применяют при обработке малопластичных материалов, цветных сплавов, пластмасс, древесины, чугуна.

Таблица 2

Группа сплавов по ИСО Основная подгруппа применения по ИСО Марка сплава Группа сплавов по ИСО Основная подгруппа применения по ИСО Марка сплава Группа сплавов по ИСО Основная подгруппа применения по ИСО Марка сплава
Р Р0М Р10 Р20 ТЗОК4 Т 15 Кб Т14КЗ М М01 М05 М10 ВК6-ОМ ВК6-М ТТ8К6 К К01 К05 К10 ВК3--М ВКб-ОМТТ8К6
Р25 Р30
ТТ20К9 Т5К10ТТ10К8-Б М20 М30
ТТ10К8Б В К 10-ОМ ВК-8 К15 К20
ВКб-М ВКб ВК4
Р40 Р50
T5KI2B ТТ7К12ТТ7К12 М40
ТТ7К12 ВК 10-ОМ К 30 К40
ВК4ВК8 ВК15

Применение твердых сплавов расширяется и составляет для резцов 95%, для фрез 4,5%, для осевого инструмента около 1 % общего выпуска этих инструментов. В ряде случаев режущие пластины сплавов покрывают тончайшим (5 — 10 мкм) слоем износостойкого материала (карбида, нитрида к карбонитрида титана и др.), что повышает стойкость пластин в 2—3 раза.

Минералокерамика, композиты и алмаз. Поиски инструментальных материалов, не содержащих дефицитных элементов, привели к созданиюв начале 50-х гг. минералокерамических режущих пластин на основе окиси алюминия. МХТИ им. Менделеева и ВНИИАШ были разработаны,а ВНИИ и ЦНИИТмашем испытаны минералокерамики марок ЦВ-14и ЦМ-332. Материал ЦМ-332 широко применялся для чистовых и финишных операций при обработке стальных и чугунных заготовок. Улучшение свойств минералокерамики достигается уменьшением размеров зерен структуры и добавлением карбидов тугоплавких материалов (вольфрама, титана), связующих элементов (никеля и др.).

ВНИИТС создана минералокерамика оксидно-карбидного типа-марки D3. Ее прочность при изгибе в 2,5 раза выше, чем у ТЦМ-ЗТ2 при той же твердости, теплостойкость около 1200 °С, что позволяет вести обработку при скорости резания более 25 м/с. Также освоен выпуск минералокерамики марок ВОК-60, ВОК-63 и др. Перспективными материалами для изготовления режущей части резцов являются поликристаллы кубического нитрида бора, известные под названием эльбор-Р, композит, исмит и гексанит-Р. При финишной обработке таким инструментом заготовок из чугуна и закаленных сталей высокой твердости достигается шероховатость поверхности, соответствующая шлифованию. Резцы и фрезы имеют режущие элементы из поликристаллов диаметром до 4 мм и длиной до 6 мм.

Для чистового точения деталей из цветных металлов и сплавов, пластмасс и других неметаллических материалов применяют резцы из природных алмазов массой 0,21—0,85 карата, закрепляемых механическим способом или напайкой в переходных державках диаметром до 20 мм и длиной до 50 мм. Для обработки твердых сплавов, высококремнистых материалов, стеклопластиков и других пластмасс применяют синтетические алмазы типа карбонадо и баласс (марки АСПК и АСБ),. которые по своим свойствам соответствуют природным алмазам тех же сортов.

Шлифующие материалы. Для изготовления шлифовальных кругов, лент, паст, шкурок и т. п. применяют различные шлифующие (абразивные) и связующие их материалы. Абразивные (от латинскогоabrasio — соскабливание) круги для машиностроения изготовляют из синтетических материалов, так как естественные материалы не обладают постоянством свойств. Материалы на базе окиси алюминия и карбида кремния обозначаются цифрами: нормальный электрокорунд — 1, белый электрокорунд — 2, хромистый и титанистый электрокорунд — 3, монокорунд — 4, карбид кремния черный — 5, зеленый карбид кремния — 6. Маркировка абразивного материала включает еще одну цифру, а также буквы А или С, обозначающие соответственно электрокорунд или карбид кремния. Например, электрокорунды имеют маркировку 16А, 15А, 14А и др., 25А, 24А и др., 34А, ЗЗА и др., 45А, 44А и др. Карбиды же кремния маркируются так: 64С, 65С и др., 55С, 54С и др.

Электрокорунды изготовляют в дуговых печах восстановительной плавкой шихты, а карбиды кремния — в электрических печах сопротивления си лидированием частиц углерода парами кремниевой кислоты. После плавки получают различными способами шлифпорошки, шлифзерна и микропорошки, которые используют для изготовления различных инструментов.

В СССР в качестве шлифующих материалов применяются также, синтетические алмазы, которые выпускают в виде порошков пяти марок АС (алмаза синтетического): АСО, АСР, АСВ, АСК и АСС и в виде микропорошков двух марок — АСМ и АСЫ. Алмаз АСО применяют для паст и порошков, алмаз АСР, имеющий повышенную прочность, применяют для инструментов на керамической, и металлической связках. Высокопрочный синтетический алмаз АСВ применяют для инструментов на металлической связке, работающих при повышенных ударных нагрузках. В особо тяжелых условиях работы применяют алмаз АСК. Самая высокая прочность у алмаза АСС, используемого для инструментов, правящих шлифовальные круги. Кроме синтетических алмазов, для абразивной обработки используют эльбор-Л, кубонит, а также дробленые естественные алмазы типа карбонадо и баласс. Виды и характеристики шлифовальных инструментов приведены в гл. IX.

Абразивно-алмазные инструменты состоят из режущего материала, пор и связки. Различают связки керамические, органические, металлические и др. Для алмазных и эльборовых кругов применяют органические связки (Б1, Б2, БЗ, Б4, Б8. БШ и др.) на основе фенолформальдегидных смол с наполнителями в виде карбида бора, талька, резиновой муки и др. Металлические связки (М5, М52. МСЗ, МО4, МП2, ОМКЗ и др.) представляют собой композиции на основе меди, олова, железа, алюминия, никеля и других металлов с наполнителем из электрокорунда, карбида бора или кремния и т. п. Керамические связки для алмазных и эльборовых кругов (К1, К16, СЮ, СК и др.) имеют те же наполнители. Для полировальных кругов применяют связки, содержащие каучук. Абразивные круги в основном выполняют на керамической связке (КО. К1, КЗ, К5, К8 и др.), а также применяют бакелитовую (Б, Б1, Б2, БУ и др.), вулканитовую (В, Bl, B2, ВЗ), глифта левую (ГФ) и поливини и форма левую (ПФ) связки.

Керамическую связку получают в результате обжига кругов, формированных из специальной массы, в которую кроме абразивного материала входят измельченные смеси из огнеупорной глины, полевого шпата, талька и других материалов, добавляемые для повышения пластичности, формуемости и других нужных свойств массы. Выбор круга по абразивному или алмазному материалу, связке и другим характеристикам производится в зависимости от вида шлифования, материала заготовки и прочих факторов.

© Проект «Ростовский станок»

Наши услуги:

  • восстановление изношенных деталей;
  • цветной и нержавеющий прокат со склада в Ростове-на-Дону;
  • механическая обработка металлов( токарные и фрезерные работы);
  • изготовление валов,валков,подшипников скольжения,втулок(баббитовых,бронзовых,латунных,фторопластовых) и др. деталей по вашим чертежам или изделиям.
"Российское станкостроение" 2000-2011. Россия, г.Ростов-на-Дону ул.Орская 9 тел.(863) 290 88 31, 290 88 30, г.Москва ул. Яна Райниса 18
Продажа б/у станков в Ростове
Rambler's Top100 рейтинг@Mail.ru