Углеродистые и легированные инструментальные стали

 

Для изготовления режущего инструмента применяют высокоуглеродистые, высококачественные стали с содержанием углерода 0,9…1,3% (У9А, У10А, У12А и т. д.). Углеродистые инструментальные стали обозначаются буквой У, за которой следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в стали, умноженная на 0,1. Так в стали марки У10 массовое содержание углерода составляет 1%. Буква А в обозначении соответствует высококачественным сталям с пониженным массовым содержанием примесей.

После полной термической обработки они имеют высокую твёрдость (61…63 HRC_э), что позволяет режущему инструменту, изготовленному из данных сталей, обрабатывать заготовки из углеродистых сталей и чугунов в отожжённом и нормализованном состоянии с твёрдостью 30…32 HRC_э. Из-за низкой теплостойкости (200 ^оС) режущий инструмент, изготовленный из них, работает на скоростях резания не выше 20…25 м/мин.

Износостойкость углеродистых сталей в указанном диапазоне скоростей резания может быть повышена путём легирования их небольшим количеством вольфрама, хрома, кремния и марганца. Такие инструментальные стали получили название легированных (9ХС, ХВГ, ХВ6 и др.).

Легированные инструментальные стали обозначаются цифрой, характеризующая массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода 1%), за которой следуют буквы, соответствующие легирующим элементам (Г-марганец, Х-хром, С-кремний, В-вольфрам, Ф-ванадий), и цифры, обозначающие содержание элемента в процентах. Они обладают повышенной твёрдостью (HRC_э 63…65), средняя теплостойкость – 250 ^оС. Из легированных сталей изготавливают сложнопрофильные мелкоразмерные инструменты: развёртки, фасонные резцы, метчики, плашки.

 

Быстрорежущие стали

 

Повышенная теплостойкость данных сталей предопределяется введением в их состав легирующих элементов (W, Mo, Cr, V и Co),количеством легирующих элементов (В11М7К23, В14М7К25). Они имеют твердость 69-70 НRC_э и теплостойкость 700-720^оС.

Инструмент, изготовленный из таких сталей, рекомендуют для обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов (титановых, хромо-никелевых сплавов и др.).

Экономнолегированные быстрорежущие стали. В связи с возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущих сталей, все большее применение находят стали с низким содержанием указанных элементов или не содержащие вольфрам, которые называют экономнолегированными. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3М3Ф2, которая обладает достаточно высокими показателями по твердости (НRC_э 63-64), прочности (σ_u=3,4 ГПа) и теплостойкости (до 620^оС).

Находит применение низколегированная безвольфрамовая сталь 11М5Ф (1,06% С; 5,5% Мо; 4,0% Сr; 1,5% V). Свойства стали 11М5Ф примерно на уровне соответствующих показателей стали Р6М5.

Сравнительные исследования режущих свойств инструмента из экономнолегированных сталей показали, что по режущим свойствам ближе всех к стали Р6М5 наряду с 11Р3АМ3Ф2 стоят Р2М5 и 11М5Ф.

Порошковые быстрорежущие стали. Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

В частности, были разработаны порошковые быстрорежущие стали ДИ 100 (Р7М2Ф6) и ДИ 106 (Р9М2Ф5К6-М1) по ГОСТ 28393-89. Инструменты, изготовленные из указанных сталей, показали высокую эффективность в ходе многочисленных промышленных испытаний.

Карбидостали отличаются от обычных быстрорежущих сталей высоким содержанием карбидной фазы (в основном, карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание карбидной фазы в карбидостали колеблется от 30 до 70%. Пластическим деформированием, главным образом экструзией, из спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет НRC_э 40-44, а после закалки и отпуска НRC_э 68-70.

При использовании в качества материала режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов.

количеством легирующих элементов (В11М7К23, В14М7К25). Они имеют твердость 69-70 НRC_э и теплостойкость 700-720^оС.

Инструмент, изготовленный из таких сталей, рекомендуют для обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов (титановых, хромо-никелевых сплавов и др.).

Экономнолегированные быстрорежущие стали. В связи с возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущих сталей, все большее применение находят стали с низким содержанием указанных элементов или не содержащие вольфрам, которые называют экономнолегированными. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3М3Ф2, которая обладает достаточно высокими показателями по твердости (НRC_э 63-64), прочности (σ_u=ГПа) и теплостойкости (до 620^оС).

Находит применение низколегированная безвольфрамовая сталь 11М5Ф (1,06% С; 5,5% Мо; 4,0% Сr; 1,5% V). Свойства стали 11М5Ф примерно на уровне соответствующих показателей стали Р6М5.

Сравнительные исследования режущих свойств инструмента из экономнолегированных сталей показали, что по режущим свойствам ближе всех к стали Р6М5 наряду с 11Р3АМ3Ф2 стоят Р2М5 и 11М5Ф.

Порошковые быстрорежущие стали. Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

В частности, были разработаны порошковые быстрорежущие стали ДИ 100 (Р7М2Ф6) и ДИ 106 (Р9М2Ф5К6-М1) по ГОСТ 28393-89. Инструменты, изготовленные из указанных сталей, показали высокую эффективность в ходе многочисленных промышленных испытаний.

Карбидостали отличаются от обычных быстрорежущих сталей высоким содержанием карбидной фазы (в основном, карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание карбидной фазы в карбидостали колеблется от 30 до 70%. Пластическим деформированием, главным образом экструзией, из спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет НRC_э 40-44, а после закалки и отпуска НRC_э 68-70.

При использовании в качества материала режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов.

 

5.4. Минералокерамика (режущая керамика)

 

Различают несколько групп минералокерамики: оксидную (белая керамика) на основе Al₂O₃ (Евростандарт – А1 – pure ceramic) (ЦМ332, ВШ75, ВО-13), оксиднокарбидную (черная керамика) на основе композиции Al₂O₃ (60 %)-TiC (40 %) (Евростандарт – А₂ – mixed ceramic) (ВОК-63, ВОК-71), оксидонитридную (кортинит) на основе Al₂O₃ (70 %)-TiN (30 %) (ОНТ- 20) и нитридокремниевую керамику на основе Si3N4 (Евростандарт – В – reinforced ceramic) (РК-30).

По сравнению с твердыми сплавами минералокерамика имеет более высокую твердость, теплостойкость, но меньшую прочность на изгиб. Основной особенностью режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания (теплостойкость порядка 12000С), повышает пластическую прочность, что и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава. Если предельный уровень скоростей резания для твердосплавного инструмента при точении сталей с тонкими срезами и малыми критериями затупления составляет 500-600 м/мин, то для инструмента, оснащенного режущей керамикой, этот уровень увеличивается до 900-1000 м/мин.

Отсутствие связующей фазы оказывает и отрицательное влияние на эксплуатационные свойства керамического инструмента. В частности, снижаются хрупкая прочность, ударная вязкость, трещиностойкость, прочность на изгиб (напряжение на изгиб 350…800 МПа). Это оказывает сильное влияние на характер изнашивания керамического инструмента.

В настоящее время керамический инструмент рекомендуют для чистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (HRCэ до 55-60), цветных сплавов, конструкционных полимерных материалов (К01-К05, Р01-Р05) при условии высоких требований к жесткости технологической системы и державок режущего инструмента. В указанных условиях инструмент, оснащенный пластинами из режущей керамики, заметно превосходит по работоспособности твердосплавный инструмент.

Применения керамического инструмента при обработке с повышенными значениями сечений среза (tS), при прерывистом резании резко снижает его эффективность вследствие высокой вероятности внезапного отказа из-за хрупкого разрушения режущей части инструмента. Во многом это объясняет сравнительно низкий объем используемого в промышленности страны керамического инструмента (до 0,5% от общего объема режущего инструмента), для развитых стран Запада этот объем составляет от 2 до 5%.

Высокоэффективная эксплуатация инструмента, оснащенного режущей керамикой, возможна только при тщательно обработанной технологии его заточки и доводки, так как внесение опасных поверхностных дефектов в процессе заточки может служить причиной резкого снижения прочности пластин из керамики. Вместе с тем следует отметить, что даже использование самых совершенных методов заточки и доводки керамического инструмента не исключает возможность появления на обработанной поверхности опасных дефектов (термических трещин, протяженных полей со сформированными полями растягивающих напряжений, микроскол и т.д.). В этом случае следует использовать методы дополнительной обработки керамического инструмента с целью ликвидации или «залечивания» поверхностных дефектов.

Одним из таких методов является нанесение на рабочие поверхности керамического инструмента износостойких покрытий. Для повышения надежности инструмента из режущей керамики используют также следующие методы: увеличение толщины пластин, формирование упрочняющей фаски на режущей кромке и изготовление слоистых режущих пластин (керамика – твердый сплав, керамика – твердый сплав – керамика и т.д.).

Анализ тенденций развития керамического режущего инструмента свидетельствует о больших перспективах этого инструмента в ближайшем будущем, причем увеличение общего объема выпуска керамического инструмента взаимосвязано с совершенствованием технологии производства, оптимизацией состава традиционных марок керамики, широким применением армированной керамики и расширением области применения инструмента на основе нитрида кремния.