Классификация инструментальных материалов, их характеристика и область применения

Перечисленным требованиям в той или иной степени отвечают следующие инструментальные материалы:

- углеродистые и низколегированные инструментальные стали;

- быстрорежущие инструментальные стали;

- твердые сплавы;

- минералокерамика;

- сверхтвердые инструментальные материалы (СТМ).

Углеродистые инструментальные стали. Ранее других для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А, … У13, У13А. Основной химический элемент - углерод, образующий карбиды железа. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,2…0,4% марганца. В маркировке данных сталей цифры обозначают содержание углерода в десятых долях процента; буква У – нелегированная углеродистая сталь; буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь.

Инструменты из углеродистой инструментальной стали обладают высокой прочностью (пределы прочности: на изгиб – 2,8 ГПа, на растяжение – 1,8 ГПа, на сжатие – 3,5 ГПа), достаточной твердостью при комнатной температуре (НРС62…63), но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах их твердость резко уменьшается.

Характерной особенностью углеродистых сталей является их неглубокая прокаливаемость, что важно для инструментов, работающих в условиях ударных нагрузок.

Низколегированные инструментальные стали по своему химическому составу отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца и дополнительно легированы одним или несколькими элементами: хромом (увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость материала, понижает его пластичность); никелем (повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, прокаливаемость материала); вольфрамом (повышает твердость и теплостойкость материала); ванадием (повышает твердость и прочность материала, способствует образованию мелкозернистой структуры); кобальтом (увеличивает ударную вязкость и жаропрочность материала); молибденом (повышает упругость, прочность, теплостойкость материала).

Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Начальные цифры в маркировке обозначают количество углерода в десятых долях процента, буквы и следующие за ними цифры обозначают легирующие элементы и их процентное содержание. Отсутствие цифр соответствует содержанию указанного элемента в объеме 1…1,5%. Эти стали обладают боле высокими технологическими свойствами (лучшая закаливаемость и прокаливаемость, меньшая склонность к короблению), боле высокой прочностью (пределы прочности: на изгиб – 3 ГПа, на сжатие – 3,8 ГПа, на растяжение – 2 ГПа), твердостью (НРС 63…65) и температуростойкостью (в пределах ).

Указанную твердость углеродистые и низколегированные инструментальные стали приобретают после термообработки. Таким инструментом можно обрабатывать металлы твердостью до HRC 30. Инструментальные стали обладают наилучшим сочетанием прочностных характеристик. Однако низкая температуростойкость позволяет резать металлы только с малыми скоростями до 20…25 м/мин.

Практическое использование ограничено. Из углеродистых инструментальных сталей изготавливают напильники, надфили и ножовочные полотна. Из углеродистых и низколегированных инструментальных сталей изготавливают режущие инструменты, которые работают с малыми скоростями резания – мелкоразмерные сверла, зенкеры, развертки, метчики и круглые плашки.

Быстрорежущие инструментальные стали. Для быстрорежущих сталей (табл. 1) характерна высокая степень легирования. Основной легирующий элемент – вольфрам (закодирован буквой Р), присутствие которого повышает твердость, температуростойкость и износостойкость, но уменьшает теплопроводность. Другие легирующие элементы: молибден (действие аналогично вольфраму, кроме того уменьшает теплопроводность); ванадий (способствует увеличению контактной твердости, но уменьшает теплопроводность); кобальт (повышает износостойкость и теплопроводность); хром (незначительно повышает твердость и износостойкость). Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы:

- стали нормальной теплостойкости;

- стали повышенной теплостойкости;

- стали высокой теплостойкости.

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовые Р18, Р12, Р9 и вольфрамомолибденовые Р6М5, Р6М3, Р8М3. Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63…66 HRC, предел прочности при изгибе 2,9…3,4 ГПа, ударную вязкость 2,7…4,8 Дж/м и теплостойкость . Указанные марки сталей получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Они используются при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс. Иногда применяются быстрорежущие стали, дополнительно легированные азотом (Р6АМ5, Р18А и др.), которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает режущие свойства инструмента на 20…30%, твердость – на 1…2 единицы HRC.

Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода – 10Р8М3, 10Р6М5; ванадия – Р12Ф3, Р2М3Ф8, Р9Ф5; кобальта – Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9К5, Р9К10, Р9М4К8Ф, 10Р6М5Ф2К8 и др.

Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 66…70 HRC, они имеют более высокую теплостойкость . Это дает возможность использовать их для обработки нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности и закаленных. Период стойкости инструментов из таких сталей в 3…5 раз выше,чем из сталей Р18, Р6М5.

Стали высокой теплостойкости характеризуются пониженным содержанием углерода, но весьма большим количеством легирующих элементов – В11М7К23, В14М7К25, 3В20К20Х4Ф. Наиболее рациональная область их применения – резание труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов. В последнем случае период стойкости инструментов в 30…80 раз выше, чем из стали Р18, и в 8…15 раз выше, чем из твердого сплава ВК8. При резании конструкционных сталей и чугунов период стойкости возрастает менее значительно (в 3…8 раз).

Таблица 1 - Содержание легирующих элементов в быстрорежущих сталях, %

По пределу прочности на растяжение и на изгиб быстрорежущие стали превышают другие инструментальные материалы, сохраняя при этом упругость и вязкость. Способны выдерживать большие контактные напряжения.

Температуростойкость быстрорежущих сталей в 2,7…2,8 раза выше температуростойкости углеродистых и низколегированных инструментальных сталей, поэтому быстрорежущие инструменты работают со скоростями резания в 2…2,5 раза большими.

Из высоколегированных инструментальных сталей изготавливают все виды и типоразмеры инструментов для удовлетворения потребностей механообрабатывающих цехов машиностроительных заводов.

В связи с острым дефицитом вольфрама в России и за рубежом разрабатываются безвольфрамовые инструментальные материалы, в том числе быстрорежущие стали. К таким сталям относятся маловольфрамовые Р2М5, Р3М3Ф4К5, Р2М3Ф8, А11Р3М3Ф2 и безвольфрамовая 11М5Ф. Эксплуатационные свойства указанных сталей близки к свойствам традиционных быстрорежущих сталей соответствующих групп.

Перспективным направлением в повышении качества быстрорежущих сталей является получение их методами порошковой металлургии. Стали Р6М5К5-П (П – порошковая), Р9М4К8-П, Р12М3Ф3К10-П и другие имеют очень однородную мелкозернистую структуру, хорошо шлифуются, меньше деформируются при термообработке, отличаются стабильностью эксплуатационных свойств. Период стойкости режущих инструментов из таких сталей возрастает до 1,5 раз. Наряду с порошковыми быстрорежущими сталями хорошо зарекомендовали себя так называемые карбидостали, содержащие до 20% TiC, которые по служебным характеристикам занимают промежуточное положение между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Твердые сплавы. Эти сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин или коронок. Основными компонентами таких сплавов являются твердые и температуростойкие карбиды вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC и ниобия NbC, мельчайшие частицы которых соединены посредством сравнительно мягких и мене тугоплавких кобальта, находящегося в не связанном состоянии, или никеля в смеси с молибденом (табл. 2 и 3).

Твердые сплавы имеют высокую твердость – 88…92 HRA (72…76 HRC) и теплостойкость до . Это позволяет работать со скоростями резания в 3…4 раза большими, чем инструментами из быстрорежущих сталей.

Применяемые в настоящее время твердые сплавы делятся:

1) на вольфрамовые сплавы группы ВК: ВК3, ВК3-М, ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8 и др. В условном обозначении цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, обозначение ВК8 показывает, что в нем 8% кобальта и 92% карбидов вольфрама. Буквами М и ОМ обозначается мелкозернистая и особо мелкозернистая структура;

2) титановольфрамовые сплавы группы ТК: Т5К10, Т15К6, Т14К8, Т30К4, Т60К6 и др. В условном обозначении цифра, стоящая после буквы Т, показывает содержание карбидов титана, после буквы К – кобальта, остальное – карбиды вольфрама;

3) титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 и др. В условном обозначении цифры, стоящие после буквы Т, показывают суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К – кобальта, остальное – карбиды вольфрама;

4) безвольфрамовые твердые сплавы ТМ-1, ТМ-3, ТН-20, КНТ-16, ТС20ХН, состав которых приведен в табл. 3. Обозначения этой группы твердых сплавов условные.

Твердые сплавы выпускаются в виде стандартизованных пластин, которые припаиваются, приклеиваются или крепятся механически к державкам из конструкционной стали. Выпускаются также инструменты, рабочая часть которых целиком выполнена из твердого сплава (монолитные).

Правильным выбором марки твердого сплава обеспечивается эффективная эксплуатация режущего инструмента. Для конкретного случая обработки сплав выбирают исходя из оптимального сочетания его теплостойкости и прочности.

Таблица 2 - Марки, химический состав и свойства вольфрамосодержащих твердых сплавов

Таблица 3 - Марки, химический состав и свойства безвольфрамовых твердых сплавов

Например, сплавы группы ТК имеют более высокую теплостойкость, чем сплавы ВК. Инструменты, изготовленные из этих сплавов, могут использоваться при высоких скоростях резания, поэтому их широко применяют при обработке сталей.

Инструменты из твердых сплавов группы ВК применяют при обработке деталей из конструкционных сталей в условиях низкой жесткости системы СПИД, при прерывистом резании, при работе с ударами, а также при обработке хрупких материалов типа чугуна, что обусловлено повышенной прочностью этой группы твердых сплавов и невысокими температурами в зоне резания.

Такие сплавы используются также при обработке деталей из высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов. Это объясняется тем, что наличие в большинстве этих материалов титана вызывает повышенную адгезию со сплавами группы ТК, также содержащими титан. Кроме того, сплавы группы ТК имеют значительно худшую теплопроводность и более низкую прочность, чем сплавы ВК. Введение в твердый сплав карбидов тантала или карбидов тантала и ниобия (ТТ10К8-Б) повышает его прочность. Поэтому трех- и четырехкарбидные твердые сплавы применяются для оснащения инструментов, работающих с ударами и по загрязненной корке. Однако температура теплостойкости этих сплавов ниже, чем у двухкарбидных. Из твердых сплавов с существенно улучшенной структурой следует отметить особо мелкозернистые, применяемые для обработки материалов с большой истирающей способностью. Сплавы ОМ обладают плотной, особо мелкозернистой структурой, а также имеют малый (до 0,5 мкм) размер зерен карбидов вольфрама. Последнее обстоятельство позволяет затачивать и доводить инструмент, изготовленный из них, с наименьшими радиусами режущих кромок. Инструменты из сплавов этой группы применяются для чистовой и получистовой обработки деталей из высокопрочных вязких сталей с повышенной склонностью к наклепу.

Незначительное добавление в состав сплавов ОМ карбида тантала и кобальта способствует повышению их теплостойкости, что позволяет использовать эти сплавы при изготовлении инструментов, предназначенных для черновой обработки деталей из различных сталей. Весьма эффективна замена карбидов тантала карбидами хрома. Это обеспечивает получение сплавов с мелкозернистой однородной структурой и высокой износостойкостью. Представителем таких материалов является сплав ВК10-ХОМ.

Сплавы с низким процентным содержанием кобальта (Т30К4, ВК3, ВК4) обладают меньшей вязкостью и применяются для изготовления инструментов, срезающих тонкие стружки на чистовых операциях. Наоборот, сплавы с большим содержанием кобальта (ВК8, Т14К8,Т5К10) являются боле вязкими и применяются при снятии стружек большого сечения на черновых операциях.

Работоспособность твердых сплавов значительно возрастает при нанесении на них износостойких покрытий.

В целом твердые сплавы по прочности уступают инструментальным сталям. Могут работать только на изгиб и сжатие. Однако высокая природная твердость позволяет обрабатывать металлы твердостью до HRC 45…55. Высокая температуростойкость дает возможность вести твердосплавными инструментами обработку металлов с высокими скоростями резания при допустимой температуре свыше 1000^оС.

Твердосплавными пластинками оснащают все виды токарных резцов и значительную часть фрез. Их устанавливают на зенкерах, развертках, протяжках, зубонарезных и резьбонарезных инструментах. Для высокопроизводительной обработки специальных конструкционных материалов мелкоразмерные сверла, зенкеры, развертки и фрезы целиком изготавливают из твердых сплавов.

Наряду со сплавами группы ВК, ТК, ТТК в настоящее время находят все боле широкое распространение сплавы группы МС и ВП. Номенклатура этих сплавов достаточно разнообразна, и они могут использоваться при обработке различных материалов, заменяя старые марки твердых сплавов. Характерной чертой сплавов типа МС и ВП является их повышенная прочность, что особенно важно в условиях работы на современном автоматизированном оборудовании.

Следует отметить, что кроме представленной классификации твердых сплавов широко используется классификация международной системы ISO по назначению (табл. 4). Эта классификация включает три группы твердых сплавов: Р, М, К, в зависимости от условий резания.

Таблица 4 - Соответствие марок твердых сплавов международной классификации

Минералокерамика. Из современных инструментальных материалов минералокерамика заслуживает внимание тем, что не содержит дорогостоящих и дефицитных элементов. Основу ее составляет корунд (минерал кристаллического строения, состоящий из оксида алюминия Al₂ O₃) с небольшой добавкой (0,5…1%) оксида магния MgO. Иное название - электрокорунд (корунды получают из глинозема в электропечах). Высокая твердость минералокерамики, теплостойкость до , химическая инертность к металлам, сопротивление окислению во многом превосходят эти же параметры твердых сплавов. Однако минералокерамика уступает этим сплавам по теплопроводности, имеет более низкий предел прочности на изгиб.

Минералокерамику на основе оксида алюминия можно разделить на три группы: 1) оксидная керамика - кристаллы электрокорунда с добавлением стекла как связующего элемента (белые минералокерамические пластинки); 2) керамика, представляющая собой оксид алюминия с добавлением металлов (титан, ниобий и др.); 3) оксидно-карбидная керамика (керметы) – оксид алюминия с добавлением карбидов тугоплавких металлов (титана, вольфрама, молибдена) для повышения ее прочностных свойств и твердости (пластинки темного, практические черного цвета).

Отечественная промышленность в настоящее время выпускает оксидную керамику ЦМ-332, ВО-13 и оксидно-карбидную (керметы) В3, ВОК-60, ВОК-63, в состав которой входит до 40% карбидов титана, вольфрама и молибдена. Наряду с материалами на основе оксида алюминия выпускается материал на основе нитрида кремния – силинит-Р и кортинит ОНТ-20 (с добавками оксида алюминия и некоторых других веществ). Физико-механические свойства режущей минералокерамики приведены в табл. 5.

Таблица 5 - Физико-механические свойства режущей минералокерамики

Марка	Плотность, , не мене	Твердость, HRA	Предел прочности при изгибе, МПа, не мене
ЦМ-332	3,85	90…92	295…350
ВО-13	3,95	90…92	450…500
ОНТ-20	4,30	92…94	500…650
В3	4,50	92…94	560…600
ВОК-60	4,20	92…94	560…600
ВОК-63	4,20	92…93	635…700
Силинит-Р	-	94…96	500…700

Высокие режущие свойства инструментов из минералокерамики проявляются при скоростной обработке сталей и высокопрочных чугунов, причем получистовое и чистовое точение и фрезерование повышает производительность обработки деталей до 2 раз при одновременном возрастании периодов стойкости инструментов до 5 раз по сравнению с обработкой инструментами из твердых сплавов. Минералокерамика выпускается в виде неперетачиваемых пластин, что существенно облегчает условия е эксплуатации.

Сверхтвердые инструментальные материалы (СТМ). Одним из направлений совершенствования режущих свойств инструментов, позволяющим повысить производительность труда при механической обработке, является повышение твердости и теплостойкости инструментальных материалов. Наиболее перспективными в этом отношении являются синтетические сверхтвердие материалы на основе алмаза или нитрида бора.

Алмазы и алмазные инструменты широко используются при обработке деталей из различных материалов. Для алмазов характерны исключительно высокая твердость и износостойкость. По абсолютной твердости алмазы в 4…5 раз тверже твердых сплавов и в десятки и сотни раз превышает износостойкость других инструментальных материалов при обработке цветных сплавов и пластмасс. Кроме того, вследствие высокой теплопроводности алмазы лучше отводят теплоту из зоны резания, что способствует гарантированному получению деталей с бесприжоговой поверхностью. Однако алмазы весьма хрупки, что сильно сужает область их применения.

Лезвийные алмазные инструменты выпускаются на основе поликристаллических материалов типа «карбонадо» или «баллас». Эти инструменты имеют длительные размерные периоды стойкости и обеспечивают высокое качество обработанной поверхности. Применяются они при обработке титановых, высококремнистых алюминиевых сплавов, стеклопластиков и пластмасс, твердых сплавов и других материалов.

Но алмаз как инструментальный материал имеет существенный недостаток – при повышенной температуре он вступает в химическую реакцию с жедлезом и теряет работоспособность. Избежать этого недостатка позволяют материалы на основе нитрида бора. Нитрид бора – это искусственный инструментальный минерал темного цвета, не имеющий природного аналога; результат синтеза азота с бором в виде кристаллов кубического или гексагонального строения (более предпочтителен последний).

Поликристаллы плотных модификаций нитрида бора превосходят по теплостойкости все материалы, применяемые для лезвийного инструмента: алмаз в 1,9 раза, быстрорежущую сталь в 2,3 раза, твердый сплав в 1,7 раза, минералокерамику в 1,2 раза.

Эти материалы изотропны (одинаковая прочность во всех направлениях), обладают микротвердостью меньшей, но близкой к твердости алмаза, повышенной теплостойкостью, высокой теплопроводностью и химической инертностью по отношению к углероду и железу.

В настоящее время рассматриваемые материалы получили название «композит»: композит 01 (первоначальное название эльбор-Р), композит 02 (белбор), композит 03 (исмит), композит 05 (композит), композит 09 (ПТНБ), композит 10 (гексанит-Р).

Эффективность применения лезвийных инструментов из различных марок композитов связана с совершенствованием конструкции инструментов и технологии их изготовления и с определением рациональной области их использования: композиты 01 и 02 используют для тонкого и чистового точения и фрезерования без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 55…70 HRC, чугунов и твердых сплавов ВК15, ВК20 и ВК25; композит 05 применяют для чистового и получистового точения без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 40…58 HRC, чугунов твердостью до 300 НВ; композит 10 используют для тонкого, чистового и получистового точения и фрезерования с ударами деталей из закаленных сталей твердостью не выше 58 HRC, чугунов любой твердости, сплавов ВК15, ВК20, ВК25. При этом период стойкости инструментов возрастает в десятки раз по сравнению с другими инструментальными материалами.

Инструменты, изготовленные из монокристаллов корунда, рекомендуется использовать для тонкой обработки цветных металлов, сталей и чугунов.

Область применения СТМ до недавнего времени ограничивалась из-за сравнительно небольших размеров поликристаллов. В настоящее время освоен выпуск двухслойных неперетачиваемых пластин, состоящих из твердого сплава (основа) и слоя из поликристаллов алмаза или нитрида бора толщиной до 0,5 мм, что повысит общую эффективность использования инструментов из СТМ.