Инструментальные материалы
Классификация инструментальных материалов по назначению
Разнообразные виды инструментов по условиям работы можно классифицировать на режущий инструмент (резцы, фрезы, сверла, протяжки и т.п.) и инструмент для обработки давлением (штампы холодной и горячей штамповки). В соответствии с этим материалы для инструментов подразделяют на 2 основные группы: материалы для режущего инструмента и материалы для инструментов, применяемых при обработке давлением.
. Материалы для режущего инструмента.
В качестве материала для режущего инструмента используют углеродистые и легированные инструментальные стали, быстрорежущие стали, металлокерамические материалы (твердые сплавы), минералокерамические материалы, алмаз.
Применение более совершенных инструментальных материалов позволяет ускорить процесс обработки резанием. На рис.25 показана зависимость времени, затрачиваемого на обтачивание поверхности валика за один проход от используемого инструментального материала (по годам), а на рис.26 - зависимость максимальной скорости резания от теплостойкости материала инструмента.
Теплостойкость – максимальная температура, до которой инструмент может нагреваться при работе без резкого снижения твердости и режущих свойств. Увеличение скорости резания сопровождается повышением температуры.
. Основные требования.
Материал инструмента должен быть таким, чтобы:
- инструмент не разрушался под действием возникающих нагрузок;
- в процессе работы инструмент не имел значительных остаточных деформаций;
- в процессе эксплуатации поверхность инструмента не изменялась как можно дольше и была износо- и коррозионностойкой.
Поэтому основные требования к материалам для режущего инструмента следующие:
- высокая конструкционная прочность;
- твердость, достаточная для обеспечения процесса (не менее 60HRC).
- теплостойкость;
- износостойкость;
- технологичность (необходимая для изготовления инструментов сложной формы);
- экономичность (минимальное содержание дефицитных и дорогостоящих легирующих добавок).
Поэтому использование материала обычно ставится в зависимость от тех скоростей, которые применяются в производстве. Если углеродистая и низколегированная стали позволяют инструменту работать с небольшими скоростями, порядка 10-15 м/мин (n1, см. рис. 25), что ограничивается теплостойкостью в пределах 200-3000С, то применение быстрорежущих сталей позволило инструменту работать при скоростях 25-30 м/мин (n2), что обеспечивается теплостойкостью этих сталей до 600-6500С. Применение твердых сплавов позволило увеличить скорость резания до 100 м/мин (n3), доводя ее в ряде случаев до 200 м/мин и более, что обеспечивает их теплостойкость до 800-9000С.
В настоящее время успешно работают керамические материалы, обеспечивающие скорость резания 200-300 м/мин (n4), за счет теплостойкости 12000С.
Причиной ограниченности срока службы инструмента в большинстве случаев является срабатывание рабочих поверхностей и съем с них материала в результате износа.
В связи с этим инструментальные материалы должны обладать при соответствующей нагрузке максимально высокой износостойкостью.
Износостойкость характеризуется отрезком времени при непрерывной работе инструмента, в течение которого износ инструмента достигает определенной величины.
Износ не имеет четко выраженного характера (только механического, или физического, или химического), в большинстве случаев он является результатом одновременного действия разных видов износа. При обработке твердых материалов резанием срабатывание инструмента преимущественно происходит в результате абразивного (микроскола) и адгезионного (холодная сварка) износа.
В тесной связи с износостойкостью находится режущая способность инструмента. При формообразовании путем резания металлов (точение, сверление и т.д.) режущая способность вследствие износа снижается. Установлено, чем выше твердость, тем выше износостойкость, однако при этом обычно снижается вязкость инструмента и увеличивается опасность хрупкого излома.Поэтому в зависимости от требуемой вязкости для того или иного инструмента существует граница повышения износостойкости.
Износостойкость зависит не только от твердости, но и от количества карбидов в инструментальном материале. Однако при содержании в сталях >25% (по объему) карбидов достигается граница деформируемости, и резко возрастает склонность к хрупкому разрушению. Поэтому такой путь возможен только для инструментов простой формы, и не подверженных растягивающим нагрузкам.
Так как повышение износостойкости ограничивается химическим составом или термической обработкой, предпринимаются попытки повысить стойкость инструмента изменением поверхностного слоя. Хорошо показали себя твердое хромирование, азотирование и цементирование.Применяется также нанесение на поверхность инструмента карбида и нитрида титана. При этом износостойкость режущих инструментов возрастает в 4 раза.
Эксперименты по влиянию легирующих элементов на износостойкость показали, что наиболее сильно влияет на ее увеличение ванадий.
Инструментальные стали.
Углеродистые инструментальные стали обладают достаточно высокой прочностью и твердостью, но теряют эти качества уже при 180-2000С. Поэтому их применяют в основном для изготовления ручного инструмента.
Буква У в марке стали обозначает – углеродистая, цифра – содержание углерода в десятых долях процента, буква А (в конце марки) – высококачественная, с содержанием серы и фосфора не более 0,03%, буква Г – марганцовистая.
В таблице 5 приведены марки углеродистых сталей, применяемых для изготовления режущего инструмента.
Таблица 5.
Углеродистые стали для режущего инструмента.
Марка стали
Назначение
У7; У7А Инструмент, работающий с ударами (зубила, кернеры, ножи по металлу)
У8; У8А; У8Г; У8ГА Инструмент для обработки древесины (фрезы, зенковки, пилы продольные и поперечные)
У10; У10А Развертки, плашки, метчики, ножовочные пилы
У11; У11А; У12; У12А; У13; У13А Напильники, метчики, развертки
Легированные инструментальные стали имеют более высокую теплостойкость 350-4000С. Однако и их применение оправдано лишь при небольших скоростях резания.
В таблице 6 приведены марки таких сталей и область их применения.
Быстрорежущие стали легированы вольфрамом, хромом, ванадием и молибденом. Имеют высокую прочность, твердость и красностойкость. Они не теряют свои режущие свойства при нагреве до 600-6700С. Маркируются буквой Р и числом, показывающим среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание других элементов показывают цифры, проставляемые за буквами соответствующих элементов.
Быстрорежущие стали подразделяются на 2 группы
1. Стали нормальной производительности (Р18, Р9, Р12М3, Р18Ф2), пригодные для обработки с высокой скоростью резания чугуна и конструкционных сталей с твердостью до 260-280 НВ.
2. Стали повышенной производительности (Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р10К5Ф5), пригодные для обработки материалов указанной выше твердости со скоростью резания большей на 5-10%.
Инструментальная быстрорежущая сталь Р18 обладает высокой красностойкостью, твердостью в горячем состоянии и износостойкостью, а также хорошей вязкостью и удовлетворительной шлифуемостью.
Основные свойства распространенных марок быстрорежущих сталей по сравнению с Р18 и их примерное назначение представлены в табл.7.
Таблица 6.
Легированные стали для режущего инструмента.
Марка стали
Назначение
НRС после термообработки
11Х
Метчики с диаметром до 30 мм
13Х
Гравировальный инструмент
ХВ5
Гравировальные резцы и фрезы при обработке твердых материалов
В1
Сверла, метчики, развертки
9ХС
Сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки
ХВГ, ХВС
Протяжки, развертки длинные, специальные фрезы и плашки
7ХФ
8ХФ
9ХФ
Рамные, круглые и ленточные пилы, деревообрабатывающий инструмент (топоры, долота, стамески), инструмент для ударных нагрузок (зубила)
9Х5Ф
Ножи для фрезерования древесины, строгальные пилы
8Х4В4Ф1 (Р4)
Ножи для фрезерования древесины и другой деревообрабатывающий инструмент, работающий в тяжелых условиях с нагревом режущей кромки
Таблица 7
Основные свойства быстрорежущих сталей и их назначение.
Марка стали
Свойства по сравнению с Р18
Назначение
Теплостойкость, Износостойкость
Шлифуемость
Р18Ф2
Более высокие
Удовлетворительная
Обработка нержавеющих и жаропрочных сплавов
Р9К5; Р9К10; Р9Ф2К5
Несколько выше
Пониженная
Обработка твердых материалов при умеренных скоростях
Р10К5Ф5
Высокие
Низкая
Очень хороша при работе с ударом (высокая вязкость)
Р9Ф5
Износостойкость выше; красностойкость незначительно выше
Низкая
Для чистового инструмента. Для обработки пластмасс
Данные, позволяющие по свойствам обрабатываемых материалов выбрать инструментальную сталь для обработки резанием, приведены в табл.8.
В связи с широким использованием в последнее время инструментов из дальнего зарубежья в табл.9 приведены свойства и применение наиболее распространенных европейских и американских инструментальных сталей.
Термическая обработка инструментальных сталей
Быстрорежущие стали поступают от производителей в состоянии ковки от температур 1150-12000С и последующего изотермического отжига (с выдержкой 6-8 ч). При этом нагрев производится до 830-8600С, выдержка при 730-7600С. Получаемая твердость ~293 НВ.
После изготовления инструмента его подвергают термической обработке по одному из двух вариантов (рис.27).
Термическая обработка инструмента из быстрорежущей стали имеет ряд особенностей.
Нагрев под закалку производят с двумя подогревами в печах до 600 и 8000С, так как в связи с высокой степенью легированности сталь имеет низкую теплопроводность и при быстром нагреве могут образоваться трещины.
Окончательный нагрев до 1240-12800С проводят быстро в печах-ваннах с расплавом соли ВаСl2, которая раскисляется бурой или ферросилицием для предотвращения обезуглероживания. Очень высокая температура нагрева требуется для того, чтобы растворить карбиды вольфрама и ванадия в аустените.
Охлаждение обычно проводят в масле или расплаве КNО3 или NaNО3 нагретых до 500-5500С (ступенчатая закалка), дальнейшее охлаждение на воздухе.
После закалки структура стали состоит из мартенсита и значительного количества остаточного аустенита (до 30%). С целью уменьшения его количества инструмент подвергают обработке холодом с последующим отпуском при 5600С или трехкратному отпуску при 5600С - 1ч. В процессе такой обработки основная часть остаточного аустенита превращается в мартенсит, что является особенностью быстрорежущих сталей, и выделяются твердые карбиды вольфрама и ванадия. Твердость и режущие свойства повышаются.
Таблица 8.
Назначение инструментальных сталей и область их применения.
Наименование инструмента
Обрабатываемый материал
Сталь
НВ < 230
Чугун
НВ < 220
Сталь
НВ > 230
Чугун
НВ > 220
Резцы токарные и строгальные
Р9
Р9
Р9Ф2К5
Р9М5
Резцы фасонные
Р9
Р9
Р14Ф4
Р6М5
Сверла
Р9; 9ХС; У10А; У12А
Р9; 9ХС; У10А; У12А
Р10Ф5К5
Р10Ф2К10
Зенкеры
Р9; 9ХС
Р9; 9ХС
Р9
Р9
Развертки
Р9; 9ХС
Р9; 9ХС
Р6М5
Р9
Протяжки
Р18; Р9; ХВГ
Р18; Р9; ХВГ
Р6М5
Р18; Р9
Фрезы
Р9; 9ХС
Р9; 9ХС
Р18Ф2
Р9Ф2К5
Фрезы модульные
Р18; Р9
Р18; Р9
Р18Ф2
Р18; Р9
Долбяки, зубострогальные резцы
Р9; 9ХС; У12А
Р9; 9ХС; У12А
Р18; Р9
Р18; Р9
Плашки круглые
У10А
У10А
Р9
Р9
Для повышения коррозионной стойкости и некоторого улучшения режущих свойств инструмента иногда проводят обработку паром при 5500С. При этом на поверхности образуется тонкая (2-3,5 мкм) пленка окиси железа, которая предотвращает прилипание стружки.
Температурные режимы отжига и закалки и твердость наиболее распространенных легированных инструментальных сталей приведены в табл. 10, 11.
Таблица 10
Температурные режимы отжига и твердость легированных инструментальных сталей в состоянии поставки
Марка стали
Температура нагрева, 0С
Режим охлаждения
Твердость, НВ (не более)
7ХФ
8ХФ
9ХФ
770-800
Изотермическая выдержка при 670-7200С
ХВ5
800-820
то же
ХВСГ
770-790
то же
8Х4В4Ф1 (Р4)
840-860
Не более 300С/ч до 550-6000С, затем на воздухе или с печью
Таблица 11
Режимы термической обработки инструмента из легированных сталей
Марка стали
Закалка
Отпуск
Температура, 0С
Охлаждающая среда
Твердость, НRС
Температура,0С
Твердость, НRС
9Х5ВФ
950-1000 подогрев до 750-800
Масло, воздух, соли с температурой 200-4500С
230-300
56-59
8Х4В4Ф1 (Р4)
750-850
Масло
530-560
58-59
ХВСГ
840-860
Масло
160-180
59-61
ХВ5
800-820
Вода
100-120
64-66
7ХФ
8ХФ
9ХФ
820-840
Масло
140-160
58-60
Режимы термической обработки инструмента из быстрорежущих сталей приведены в табл.12.
Таблица 12
Режимы термической обработки инструмента из быстрорежущей стали
Марка стали
Закалка
Отпуск
Температура, 0С
Твердость,
НRC
Количество аустенита, %
Температура, 0С
Число отпусков
Твердость, НRC
Р18
1280-1290
62-63
2-3
62-64
Р9
1230-1240
62-63
2-3
62-64
Р14Ф4
1250-1260
62-64
3-4
64-66
Р9К5
1230-1240
63-64
3-4
64-66
Р9К10
1230-1240
63-64
3-4
64-66
Р10К5Ф5
1240-1250
64-65
3-4
64-66
Металлокерамические твердые сплавы
Металлокерамические твердые сплавы разделяют на 3 группы: вольфрамокобальтовые, титановольфрамокобальтовые и танталотитановольфрамокобальтовые. Эти сплавы отличаются высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью, сохраняя свои режущие свойства почти до 10000С.
Эти сплавы получают методом порошковой металлургии. Вначале получают порошки Со, WC, TiC, TaC, составляют из них шихту требуемого состава, прессуют для получения пластинок нужной формы и спекают при высокой температуре в атмосфере водорода (для предотвращения окисления). Полученные пластинки напаивают на инструмент латунным прибоем или закрепляют механическим путем. Строение такого сплава показано на рис.28.
Вольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбидов вольфрама (WС) и кобальта, служащего связкой. Сплавы обозначаются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Чем больше в сплаве кобальта, тем меньше твердость и больше вязкость. Эти сплавы предназначены в основном для обработки чугуна, сплавов цветных металлов и неметаллических материалов. Сплав ВК15 широко применяется для обработки древесины, так как из-за высокого содержания кобальта более вязкий и менее склонен к хрупким разрушениям при ударах в процессе работы.
Титановольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбидов вольфрама и титана, соединенных кобальтом. Марки сплавов обозначаются буквами ТК. Цифры показывают соответственно содержание карбида титана и кобальта в %. Остальная часть состава приходится на карбид вольфрама.
Танталотитановольфрамокобальтовые сплавы предназначены для обработки отливок и поковок и термически обработанных сталей. Эти сплавы содержат карбиды тантала, титана и вольфрама. Марки обозначают буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ, показывает суммарное содержание карбидов титана и тантала в процентах, цифра после К – содержание кобальта.
Рекомендуемые марки твердых сплавов, применяемых в зависимости от характера обработки и обрабатываемого материала, приведены в табл.13.
Минералокерамические твердые материалы
Минералокерамические твердые материалы применяются для получистой и чистой обработки чугуна, стали и цветных сплавов.
Они состоят в основном из окиси алюминия с небольшим количеством окиси магния, так называемая смешанная черная керамика (В3, ВОК-60, ВОК-63). Недостаток этих материалов – повышенная хрупкость. Для повышения их прочности применяют плакирование – покрытие защитными пленками. На основе плакирования созданы металлокерамические композиции – кермесы (керамика с металлической связкой), которая обеспечивает более высокую производительность при чистовой обработке. Более высокая прочность у безоксидной керамики (силинит Р(Si3N4)).
В США создан керамический материал СТУПАЛОКС, в Англии – СИНТОКС, имеющие теплостойкость до 16000С.
Таблица 13
Применение твердых сплавов в зависимости от вида обработки и обрабатываемого материала.
Характер обработки
Рекомендуемая марка твердого сплава для обработок
Углеродистые и легированные стали
Труднообра-
батываемые материалы
Чугуны,
НВ < 240
Цветные сплавы
Неметаллические
материалы
Черновое точение
Т5К10; Т5К12В; ВК8; ВК8В
ВК8В; ТТ7К12
ВК8; ВК4
ВК4; ВК6;
-
Чистовое точение при непрерывном резании
Т30К4; Т15К6
Т14К8; Т5К10; ВК4
ВК2; ВК3М
ВК2; ВК3М
ВК2; ВК3М
Сверление в сплошном материале
Т5К10; Т5К12В
ВК8; ВК8В; ТТ7К12
ВК4; ВК6; ВК8
ВК4; ВК6; ВК8
ВК2; ВК4
Черновое зенкерование
Т5К12В; ВК8
Т5К10; ВК4
ВК4; ВК6
ВК6; ВК8
ВК4
Нарезание резьбы
Т15К6
Т30К4; Т14К8
ВК2М
ВК3М
ВК3М
Алмазы и синтетические материалы.
Инструменты из искусственных алмазов, наиболее твердых из инструментальных материалов, находят широкое применение при тонком точении (без последующего шлифования), широко используют для обработки закаленных сталей, цветных сплавов. Для режущей части инструментов используют поликристаллы на основе синтетических алмазов типа баллас (марка АСБ) и карбонада (АСПК), а также кубического нитрида бора типа 01 (эльбор), 02 (бельбор), 05 (генсанит), поликристаллических алмазов типа СВ и СВС. Успешно применяют новый синтетический материал – кубический нитрид титана (КНТ-16).
В заключение отметим, что каждый материал для режущего инструмента имеет свои достоинства и недостатки. В табл.14 проведено сравнение различных материалов в зависимости от некоторых служебных характеристик и стоимости.
Таблица 14
Сравнение инструментальных материалов по служебным характеристикам и стоимости
Место
Твердость и теплостойкость
Вязкость и прочность
Наименьшая стоимость
Алмаз
Быстрорежущие стали
Минералокерамика
Минералокерамика
Легированные стали
Углеродистые стали
Металлокерамика
Углеродистые стали
Легированные стали
Быстрорежущие стали
Алмаз
Быстрорежущие стали
Легированные стали
Металлокерамика
Металлокерамика
Углеродистые стали
Минералокерамика
Алмаз