Свойства и применение инструментальных материалов

Инструментальные материалы применяются для изготовления режущего, мерительного, штампового и другого инструмента.

Инструментальные материалы должны иметь:

- высокую твердость, значительно превышающую твердость обрабатываемого материала;

- высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки в процессе работы;

- достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломок инструмента при эксплуатации;

- теплостойкость, когда обработка выполняется с повышенной скоростью.

Углеродистые инструментальные стали предназначены для изготовления режущих инструментов, работающих без значительного разогрева режущей кромки (до 170 … 200^ОС) и штампов холодного деформирования.

Стали с меньшим содержанием углерода (У7, У7А), как более пластичные, идут для изготовления ударных инструментов: зубил, крейцмейселей, кернеров, кувалд, топоров, колунов; слесарно-монтажных инструментов: кусачек, плоскогубцев, острогубцев, отверток, молотков; для кузнечных штампов; игольной проволоки; инструментов для обработки дерева: фрез, зенковок, цековок и др.

Стали У8, У8А, У8ГА, У9, У9А - пластичные и идут для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; для обработки дерева: фрез, зенковок, цековок, топоров, стамесок, долот, продольных и дисковых фрез; для накатных роликов; для калибров простой формы и пониженных классов точности и т.д.

Стали У10,У10А - хорошо работают без больших ударных нагрузок и разогрева режущей кромки. Из них изготавливают столярные пилы, ручные ножовки, спиральные сверла, шаберы, напильники, ручные мелкоразмерные метчики, плашки, развертки, рашпили, надфили, матрицы для холодной штамповки, гладкие калибры и скобы и др.

Из сталей У12, У12А изготовляют инструменты повышенной износостойкости, работающие при умеренных и значительных давлениях без разогрева режущей кромки: напильники, бритвенные ножи, лезвия, острые хирургические инструменты, шаберы, гравировальные инструменты, гладкие калибры.

Легированные инструментальные стали по сравнению с углеродистыми имеют более высокую красностойкость (200 … 500^ОС), износостойкость, лучшую прокаливаемость по сравнению с углеродистыми.

Стали 9ХС, ХГС, ХВГ, ХВСГФ используют для изготовления режущего (метчики, плашки, развертки, протяжки, фрезы и др.), а также штампового инструмента более ответственного назначения, чем из углеродистых сталей, применяемого для обработки мягких материалов.

Стали 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 9ХФМ, 5ХНМ и другие используют для изготовления деревообрабатывающего инструмента (8ХФ), ножей для холодной резки металла (9ХФ), строительных пил, обрезных матриц и пуансонов для холодной обрезки заусенцев, хирургических инструментов и др.

Быстрорежущие стали обладают повышенной износостойкостью и теплостойкостью (600 … 650^ОС), что позволяет применять значительно более высокие скорости резания, чем при работе инструментов из углеродистых и легированных сталей, высокой прочностью на изгиб и хорошей шлифуемостью по сравнению со спеченными твердыми сплавами.

Быстрорежущие стали являются одним из основных материалов для изготовления многолезвийных инструментов, шлифование и заточка которых вызывает затруднения.

Стали Р18 и Р6М5 применяют для изготовления всех видов режущих инструментов обрабатывающих конструкционные стали.

Стали Р6М5Ф3 и Р12Ф3 – для чистовых и получистовых инструментов (резцов, зенкеров, разверток, сверл, протяжек, фрез и др.), обрабатывающих конструкционные и инструментальные стали.

Стали Р9К5, Р6М5К5,Р18К5Ф2 – для черновых и получистовых инструментов (фрез, долбяков, метчиков, сверл и др.), предназначенных для обработки конструкционных сталей.

Стали Р9 и 11Р3АМ3Ф2 – для инструмента простой формы, обрабатывающего углеродистые и малолегированные стали.

Стали Р9М4К8 и Р2АМ9К5 – для всех видов инструментов используемых при обработке высокопрочных коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов.

Спеченные твердые сплавы обладают рядом ценных свойств: большая твердость, сочетающаяся с высоким сопротивлением износу при треннии как о металлические, так и о неметаллические материалы; повышенная теплостойкость (до 800 … 900 ^ОС).

Твердые сплавы находят широкое применение в различных отраслях промышленности: режущий инструмент при лезвийной обработке материалов; буры для обработки твердых пород; зубки врубовых машин и комбайнов в угольной промышленности; рабочие части штампов.

Замена инструмента из быстрорежущей стали на твердосплавный инструмент, дает резкое повышение производительности.

Сплавы группы ТК более тверды, теплостойки и износостойки, чем соответствующие по содержанию кобальта сплавы группы ВК, но в то же время более хрупки и менее прочны. Поэтому они плохо выдерживают ударные нагрузки, прерывистое резание и обработку с переменным сечением среза.

Сплавы группы ТК рекомендуются для обработки пластичных материалов, к которым относятся конструкционные стали:

Т30К4 – для чистового точения с малым сечением среза;

Т15К6 – для получернового точения при непрерывном резании, чистового точения при прерывистом резании, получистового и чистового фрезерования, рассверливания и растачивания предварительно обработанных отверстий;

Т14К8 – для чернового точения, фрезерования и зенкерования при непрерывной обработке, получистового и чистового точения при прерывистом резании;

Т5К10 – для чернового точения, фрезерования, чистового строгания.

Сплавы группы ВК характеризуются наибольшей прочностью, но низкой твердостью.

Главное назначение вольфрамовых твердых сплавов (группы ВК) - обработка чугунов, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов, титановых сплавов, некоторых марок коррозионностойких, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов. Сплавы с небольшим количеством кобальта и мелкозернистыми карбидами вольфрама (ВК3, ВК6-ОМ) применяют при чистовой и получистовой обработке материалов. Сплавы со средним содержанием кобальта (ВК6, ВК8) – при черновой и получерновой обработке, а с большим содержанием кобальта (ВК10) – при черновой обработке материалов. Из сплавов типа ВК15 изготавливают режущие инструменты для обработки дерева.

Замена части карбидов титана карбидами тантала в сплавах группы ТТК повышает их прочность (вязкость), сопротивление трещинообразованию при резких перепадах температуры и прерывистом резании. По прочности они занимают промежуточное положение между сплавами групп ТК и ВК.

Сплавы группы ТТК используются при обработке как сталей, так и чугунов. Они хорошо зарекомендовали себя при черновой обработке с большим сечением среза, при работе с ударами (строгание, фрезерование) и сверлении.

Безвольфрамовые твердые сплавы отличаются высокой окалиностойкостью, сопротивлением агдезии, малым коэффициентом трения, но имеют пониженную прочность и теплопроводность.

Безвольфрамовые твердые сплавы показывают хорошие результаты при чистовой и получистовой обработке резанием вязких металлов и сталей взамен сплавов Т15К6, Т14К8. Эти сплавы дают значительный эффект при замене инструментальных сталей в штампах, измерительных инструментах: фильеры, вытяжные матрицы, прессформы, калибры измерительных инструментов и др. Они также эффективно используются в качестве режущих инструментов для обработки цветных металлов и сплавов.

Твердость алмазов в 6 раз превосходит твердость карбида вольфрама и в 8 раз – твердость быстрорежущей стали. Теплопроводность алмаза в несколько раз выше теплопроводности других инструментальных материалов, что компенсирует относительно невысокую теплостойкость – до 800 ^ОС (при большем нагреве алмаз графитизируется). Из крупных природных и синтетических алмазов размером до 120 мм изготавливют: резцы, наконечники для измерения твердости металлов, волоки, стеклорезы, наконечники для выглаживания и др. Алмазные инструменты из природных и синтетических алмазов могут эффективно применяться при обтачивании и растачивании изделий из цветных металлов и сплавов, а также из неметаллических материалов и пластмасс. Для обработки сталей их применять не рекомендуется из-за сильного химического взаимодействия.

Кубический нитрид бора ( КНБ ) обладает твердостью, близкой к твердости алмаза, более теплостоек и химически инертен по сравнению с алмазом, хотя и менее теплопроводен, обладает достаточной ударной вязкостью. Отсутствие у КНБ химического сродства к железу позволяет эффективно использовать его для обработки различных труднообрабатываемых сталей, в том числе цементованных и закаленных, высокими скоростями резания и малыми толщинами срезаемых стружек, что обеспечивает возможность замены шлифования точением или фрезерованием.

Корунд – минерал, уступающий по твердости только алмазу, имеющий температуру плавления 1750–2050^ОС. Наиболее чистые прозрачные корунды являются драгоценными камнями – красный рубин и синий сапфир. Технические корунды используют в качестве абразивов в производстве оптики. Синтетические корунды – электрокорунды – применяют при шлифовании сталей и чугунов, для заточки режущего инструмента из инструментальной стали, для доводки твердосплавного инструмента.

Оксидная и оксидно-карбидная керамика обладает достаточно большой твердостью и износостойкостью, однако имеет прочность значительно меньшую по сравнению с твердыми сплавами, из-за чего используется преимущественно для чистовой и частично получистовой обработки стали и чугна.

Оксидно – нитридная керамика предназначена для обработки закаленных сталей, ковких модифицированных и отбеленных чугунов, термоулучшенных сталей.