Инструментальные материалы, применяемые для изготовления режущей части инструментов.

 

Требования, предъявляемые к инструментальным материалам, определяются условиями, в которых находятся контактные поверхности инструмента при срезании детали припуска, оставленного на обработку. Для того чтобы режущий клин, не деформируясь, мог срезать слой обрабатываемого материала и превратить его в стружку, твердость инструментального материала должна значительно превосходить твердость обрабатываемого материала. Потому первым требованием является высокая твердость. Чем больше твердость инструментального материала по отношению к твердости обрабатываемого материала, тем эффективней процесс резания. Однако увеличение твердости, как правило, сопровождается хрупкостью, потому вторым требованием является высокая механическая прочность.

В процессе резания вследствие превращения механической энергии в тепловую со стороны детали на инструмент действует мощный тепловой поток, в результате чего на передней поверхности инструмента устанавливается весьма высокая температура, которая изменяет исходную твердость. Третьим требованием является высокая теплостойкость (красностойкость) – это способность материала не терять своей твердости при повышенных температурах. Теплостойкость инструментального материала можно характеризовать критической температурой, при которой инструментальный материал не теряет своих режущих свойств.

В результате перемещения стружки по передней поверхности и поверхности резания по задней поверхности рабочие поверхности инструмента изнашиваются. Четвертое требование – высокая износостойкость. Износостойкостью называют способность инструментального материала сопротивляться при резании удалению его частиц с контактных поверхностей инструмента. Износостойкость материала зависит от твердости, прочности и теплостойкости, возрастая при их увеличении. Пятым требованием является высокая теплопроводность. Чем выше теплопроводность материала, тем ниже температура резания и выше износостойкость инструмента. Шестое требование – экономичность изготовления. Всем перечисленным требованиям в той или иной степени отвечают следующие группы инструментальных материалов.

 

Углеродистые инструментальные стали

Стали с высоким содержанием углерода. Применяют следующие марки стали: У7А, У10А, У13 содержание углерода от 0,7 до 1,3%. Данные стали, обладают высокой твердостью, механической прочностью. В следствии отсутствия в стали легирующих элементов хорошо обрабатываются и являются дешевыми инструментальными материалами. Главным недостатком этих сталей является низкая теплостойкость (Qкр =200 – 250 С). Из углеродистых сталей изготовляют: ручные и машинные инструменты, работающие с малыми скоростями резания – шаберы и м., ножовочные полотна и зубила, ручные развертки и метчеки, сверла и зенкера и т. д. До 1898 года углеродистые стали были основным инструментальным материалом.

 

Легированные инструментальные стали.

Наибольшее распространение получили стали 9ХС,ХВГ, ХВСГ. Данные стали обладают высокой твердостью и прочностью, но низкой теплостойкостью (250).Из стали 9ХС изготавливают сверла малого диаметра, развертки, метчики и концевые фрезы. Стали ХВГ, ХВСГ применяются для изготовления протяжек, сверл и др. из-за того что имеют малые деформации после термообработки.

Высоколегированные инструментальные (быстрорежущие) стали.

 

По сравнению с углеродистыми и легированными сталями быстрорежущие стали, имеют более высокую твердость, прочность, теплостойкость, износостойкость. Быстрорежущие стали разделяются на:

а) стали нормальной производительности.

Вольфрамовые стали Р18, Р12, Р9 (18,12,9 % вольфрама). Из данных сталей изготавливают режущий инструмент всех видов для обработки углеродистых конструкционных сталей и чугунов. Эти стали самозакаливающиеся (самопал). Твердость HRC 63…64, теплостойкость 600 Сº. Вольфрамо-молибденовые стали Р6М3, Р6М5. Эти стали целесообразно применять для инструментов, работающими с ударными нагрузками и при тяжелом силовом режиме. Теплостойкость 600 Сº.

б) стали повышенной производительности.

Ванадиевые стали Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5. Увеличение содержания ванадия повышает вторичную твердость, теплостойкость сталей. Твердость ванадиевых сталей составляет HRC 66 – 67, теплостойкость 635 Сº. Из этих сталей изготавливают инструмент для обработки с небольшими сечениями срезаемого слоя (чистовая обработка) развертки, протяжки. Применяются при обработке материалов повышенной твердости и вязкости.

Кобальтовые стали Р9К5, Р9К10. Увеличение содержания кобальта повышает теплопроводность сталей. Они обладают пониженной механической прочностью и повышенной хрупкостью, чем ванадиевые стали. Кобальтовые стали целесообразно применять при высоких скоростях резания, при обработке нержавеющих и жаропрочных материалов.

Высоколегированные стали высокой теплостойкости (безуглеродистые стали). Р18М3К25, Р18М7К25, Р10М5К25. Твердость HRC 68…69, теплостойкость 700 – 720 С. Применяются для изготовления инструмента для обработки жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов и т.д.

Стали Р18Ф2К5, Р9М4К8, Р10Ф5К5. Теплостойкость 650 Сº – служат для обработки высокопрочных сталей с интенсивными режимами резания. До 1930 года быстрорежущие стали были основными инструментальными материалами.

 

Твердые сплавы.

Металлокерамические твердые сплавы получают методом порошковой металлургии. Исходными материалами для изготовления твердых сплавов являются карбиды вольфрама, титана, тантала и кобальт, не образующий карбидов. Порошки смешиваются в определенных пропорциях, прессуют в формах и спекают при температуре 1500 – 2000 Сº. Чем больше в сплаве карбидов вольфрама, титана, тантала, тем выше твердость, теплостойкость сплава и его механическая прочность. При увеличении кобальта увеличивается прочность, но снижается твердость и теплостойкость. Отечественная промышленность выпускает три группы твердых сплавов:

1 группа – вольфрамовые (однокарбидные) твердые сплавы, спекаемые из карбида вольфрама (WC) и кобальта.

ВК20, ВК15 – применяются при изготовлении металлов, строгальных и долбежных резцов.

ВК10, ВК8 – применяются для черновой обработки чугунов, нержавеющих и жаропрочных материалов, содержащих титан.

ВК6, ВК6М, ВК60М – для получистовой обработки.

ВК3, ВК3М, ВК2 – для чистовой обработки.

2 группа – титановольфрамовые (двухкарбидные) сплавы, спекаемые из карбидов вольфрама, титана и кобальта.

Т5К12В – применяются для черновой обработки с ударными нагрузками конструкционных сталей и жаропрочных материалов. Не содержащих титан.

Т5К10, Т14К8, Т15К6 – для получистовой обработки.

Т30К4 – для чистовой обработки с большими скоростями резания.

Преимуществом однокарбидных и двухкарбидных твердых сплавов по сравнению с быстрорежущими сталями является их значительно более высокая твердость, теплостойкость.

3 группа – титано- тантало- вольфрамовые (трехкарбидные) твердые сплавы по своим свойствам занимают промежуточное положение между сплавами группы ВК и ТК.

ТТ8К6, ТТ10К8 – они уступают сплавам ТК по теплостойкости, по но превосходят их по прочности. Применяются для черновой обработки сталей с высокими режимами резания. Теплостойкость 800 – 900⁰ С.

Безвольфрамовые твердые сплавы.

В последнее время вместо традиционных вольфрамокобальтовых, титано - вольфрамокобальтовых твердых сплавов все чаще применяют титановые твердые сплавы с никель- молибденовой связкой. Название “безвольфрамовые сплавы” является неудачным, так как оно не отражает главное в химическом составе титановых сплавов. Промышленностью выпускаются сплавы трех типов: на основе карбидов титана и ниобия (сплавы ТМ), карбонитрида титана (сплавы КНТ) и карбиды титана (сплавы ТН).

ТМ3 – основа карбида титана и ниобия.

КНТ-16, КНТ-20, КНТ-30 – основа карбонитрида титана (имеется азот и углерод).

16,20,30 – процентное содержание никеля и молибдена.

ТН30, ТН20, ТН40 – основа карбида титана, связка- никель и молибден.

Безвольфрамовые сплавы ТМ-3, КНТ-16 и ТН-20 по твердости и пределу прочности на изгиб близки к сплаву Т15К6 и применяются при чистовой и получистовой обработке конструкционных углеродистых и легированных сталей. Сплав КНТ-16 – пригоден для получистовой обработки. ТН-20 при чистовой (т. к. имеет повышенную хрупкость).