Технология машиностроения
Раздел 2. Основы теории резания.
Лекция 3. Инструментальные материалы.
Режущие инструменты работают в условиях больших переменных нагрузок, высоких температур, трения и износа. Поэтому к материалу рабочей части инструмента предъявляются особые эксплуатационные физико-механические свойства: высокие твердость, прочность, вязкость, теплостойкость и износостойкость.
Твердость материала режущей части инструмента должна быть значительно выше, чем твердости материала обрабатываемой заготовки; высокие прочностные свойства необходимы, чтобы инструмент сопротивлялся деформациям в процессе резания, и достаточная вязкость позволяющая воспринимать ударную динамическую нагрузку при прерывистом резании; высокая теплостойкость — способность сохранять постоянными твердость и режущие свойства при высоких температурах и износостойкость.
Инструменты изготавливают из различных материалов: инструментальных сталей, твердых сплавов, абразивных материалов и др.
Инструментальные стали
Углеродистые инструментальные стали содержат 1 —1,3% углерода (С). Для изготовления инструментов применяют стали марок У10А, У11А, У12А и др. После термической обработки твердость стали НRС 60 и теплостойкость 2000С. Допустимая скорость резания не превышает 15 м/мин. Из этих сталей изготавливают метчики, плашки, ножовочные полотна и т.д.
Легированные инструментальные стали. Основой их служат инструментальные углеродистые стали, легированные хромом (Cr), вольфрамам (W), ванадием (V), кремнием (Si) и другими элементами. Применяют стали марок 9ХВГ, ХВГ, 9ХС и др. После термообработки твердость легированных сталей HRC 62 и теплостойкость 2200С. Легированные стали по сравнению с углеродистыми сталями имеют более высокую прокаливаемость, меньшую склонность к деформации и появлению трещин при закалке и повышенную вязкость после закалки. Допустимая скорость резания 15 — 25 м/мин. Из легированных сталей изготавливают протяжки, сверла, метчики, плашки, развертки и т.д.
Быстрорежущие стали содержат, %: 5,5 - 19 W (вольфрама), 3,8 — 4,4 Cr (хрома), 2 - 10 Co (кобальта), V (ванадия) и М (молибдена). Применяют стали Р9, Р12, Р18, Р6М3, Р6М5 и др. После термической обработки сталь имеет твердость HRC 62—65 и теплостойкость 6000С. Инструмент из быстрорежущей стали обладает повышенной износостойкостью. Из быстрорежущей стали изготавливают инструмент простой формы (резцы, фрезы, сверла, зенкеры), фасонный и сложный (для нарезания резьб и зубьев, протяжки, развертки и др.).
Твердые сплавы и сверхтвердые композиционные материалы
Твердые сплавы и сверхтвердые композиционные материалы обладают большой твердостью и высоким сопротивлением их износу при трении как о металлы, так и о неметаллические материалы в том числе и при повышенных температурах. К ним относят порошковые вольфрамосодержащие, безвольфрамовые, минералокерамические, литые и наплавочные твердые сплавы, сверхтвердые алмазные абразивные и поликристаллические материалы.
Наибольшее практическое значение имеют порошковые вольфрамо-содержащие инструментальные материалы.
Порошковые твердые сплавы представляют собой гетерогенные материалы, в которых частицы высокотвердых тугоплавких соединений (карбиды вольфрама, титана, тантала, хрома, нитриды или бориды переходных металлов) сцементированы пластичным металлом-связкой (кобальтом, никелем, железом и их сплавами).
Существующие марки порошковых сплавов на основе карбидов вольфрама в зависимости от их состава можно разделить на три группы: — вольфрамовые твердые сплавы, состоящие из монокарбида вольфрама WC и кобальта сплавы ВК;
— титановольфрамокобальтовые твердые сплавы системы WC-TiC-Co (сплавы ТК), содержащие карбиды вольфрама (основа) и титана и кобальт;
— титанотанталовольфрамокобальтовые твердые сплавы системы WC-TiC-TaC-Co (сплавы ТТК), в состав которых входят карбиды вольфрама (основа), титана, тантала и кобальт.
В соответствии с рекомендациями Международной организации по стандартам (ИСО), твердые сплавы делятся на три группы в зависимости от характера материала, для обработки которого резанием они предназначены: К — для обработки чугуна, цветных металлов, пластиков и других материалов, образующих при резании стружку надлома;
М — универсальные для обработки нержавеющих, жаропрочных сталей, титановых сплавов и ковких легированных чугунов;
Р — для обработки стального литья и других материалов, дающих сливную стружку.
Эти основные группы режущих твердых сплавов далее подразделяются на подгруппы, обозначаемые двузначным индексом (например, Р01, Р10, Р50, М05, М10, М40, К01, К10, К40). Увеличение индекса означает, что при обработке резанием нужен твердый сплав большей прочности, понижение его значения — возрастание требований к твердости и сопротивлению сплава износу.
Сплавы ВК предназначены для изготовления режущего и горного инструмента, а также бесстружковой обработки металлов. Их промышленные марки различаются содержанием кобальта в пределах 2 — 30% (по ГОСТ3882— «Сплавы твердые спеченные». В зависимости от количества содержания кобальта, которое фиксируется в марке сплава цифрой (например, в марках ВК2, ВК3, ВК15, ВК30 содержание кобальта составляет соответственно 2, 3, 15, 30%, остальное до 100% —WC), выделяют три подгруппы сплавов: — малокобальтовые (2 — 8% Co), группа К по классификации ИСО, предназначены для чистового, чернового и получернового точения чугунов, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов (резины, фибры, пластмассы, стекла, стеклопластиков и т.д.), для бурения горных пород, для волочения проволоки и волочения, калибровки и прессования прутков и труб из стали, цветных металлов и их сплавов;
— среднекобальтовые (10—15%), применяются для обработки резанием дерева, черновой и получерновой обработки твердых легированных и отбеленных чугунов, некоторых марок сталей и сплавов и других труднообрабатываемых материалов, для бурения горных пород, для волочения, калибровки и прессования прутков и труб из стали, цветных металлов и их сплавов;
— высококобальтовые (20— 30% Co), используются при штамповке и высадке сталей при ударных нагрузках различной интенсивности.
Сплавы ТК применяются для оснащения инструмента, предназначенного для обработки резанием сталей. Карбид титана в сплаве повышает сопротивление образованию «лунки» на передней поверхности режущего инструмента при резании стали при высокой температуре. По прочности сплавы ТК уступают сплавам ВК.
По ГОСТ 3282— выпускаются пять промышленных марок сплавов ТК, содержащих 5—30% TiC, 4 — % Co, остальное WC: Т5К12, Т5К10, Т14К8, Т15К6 и Т30К4. Первая цифра обозначает соответственно количество в сплаве карбида титана (по массе), а вторая — кобальта: например, сплав Т15К6 содержит 15% TiC, 6% Co и 79% WC. Чем больше в сплаве ТК карбида титана, (при постоянном содержании кобальта), тем он более износостоек, но менее прочен. Наоборот, при возрастании содержания кобальта в сплаве (при постоянном количестве карбида титана) прочность его возрастает, но твердость и износостойкость снижается.
Условно выделяют три группы сплавов ТК: — малотитановые (Т5К12, Т5К10), наиболее прочные, предназначенные для чернового точения, в том числе тяжелого (Т5К12), при неравномерном сечении среза и наличии ударов, чернового фрезерования (Т5К10), строгания и других видов обработки углеродистых и легированных сталей;
— среднетитановые (Т14К8, Т15К6), применяемые для чернового (Т14К8) и получернового (Т15К6) точения при неравномерном резании, получистового и чистового точения при прерывистом резании, чернового (Т14К8), получистового и чистового (Т15К6) фрезерования, рассверливания, зенкерования, развертывания и других видов обработки резанием углеродистых и легированных сталей;
— высокотитановые (Т30К4), наиболее твердые, но малопрочные для чистового безударного точения с малыми сечениями среза, нарезания резьбы и развертывания отверстий при обработке незакаленных и закаленных углеродистых сталей.
Твердые сплавы группы ТТК являются более универсальными твердыми сплавами и предназначены для обработки резанием материалов с различными видами стружки. В сплавах ТТК введен карбид тантала (ТаС), что обеспечивает большую прочность и износостойкость по сравнению со сплавами ТК.
ГОСТ 3882— предусматривает промышленный выпуск четырех марок сплавов
ТТК: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8‑Б и ТТ20К9. Первая цифра обозначает содержание (% по массе) в сплаве карбидов титана и тантала, а вторая — количество кобальта; остальное до 100% — карбид вольфрама. Для указанных марок сплавов ТТК соответствующие суммарные содержания карбидов TiC и TaC), 10%(8% TiC+2% TaC), 10%(3% TiC+7% TaC) и 20%(8% TiC+12% TaC).
Сплавы ТТК применяют для следующих видов обработки: — ТТ7К12 —тяжелое черновое точение стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковинами при наличии песка, шлака и различных неметаллических включений, неравномерном сечении среза и наличии ударов; все виды строгания и тяжелого чернового фрезерования углеродистых и легированных сталей;
ТТ8К6 —чистовое и получистовое точение, растачивание, фрезерование и сверление серого и ковкого, а также отбеленного чугуна; непрерывное точение с небольшими сечениями среза стального литья, высокопрочных, нержавеющих сталей; обработка сплавов цветных металлов и некоторых марок титановых сплавов при малом и среднем сечении среза;
— ТТ10К8‑Б — черновая и получистовая обработка некоторых марок труднообрабатываемых материалов, нержавеющих сталей аустенитного класса, маломагнитных сталей и жаропрочных сталей и сплавов, в том числе и титановых;
—ТТ20К9 — фрезерование стали и другие виды обработки при повышенных требованиях к сопротивлению твердого сплава тепловым и механическим циклическим нагрузкам.
Синтетические сверхтвердые и керамические
инструментальные материалы
В настоящее время инструментальная промышленность выпускает сверхтвердые материалы (СТМ) на основе модификаций нитрида бора.
Композит 01 — эльбор РМ и композит 02 —белбор применяют для тонкого и чистового точения резцами при приложении безударной нагрузки и торцовом фрезеровании закаленных сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов с содержанием кобальта более 15%.
Композит 10 — гексанит‑Р и модификации композита 09 —ПТНБ, ПТНБ-ИК и др. применяют для предварительной и окончательной обработки сталей и чугунов любой твердости и твердых сплавов.
Композит 05, киборит и ниборит применяют для предварительной и чистовой обработки заготовок из чугуна любой твердости с наличием поверхностной литейной корки.
По износостойкости композиты не уступают алмазу. Преимуществом является то, что из этого материала можно изготовить режущий инструмент практически любой формы и размеров.
Инструментальные керамические материалы делят на три группы, различающиеся химическим составом:
— оксидная «белая» керамика состоит из Al2O3 с легирующими добавками MgO, ZrO2 и др. Марки ЦМ332 и ВО‑13 применяют для чистовой и получистовой обработки незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 15 м/c;
— оксидно-карбидная «черная» керамика состоит из Al2O3 (до 60%), TiC (до 20...40%), ZrO2 (до 20...40%) и других карбидов тугоплавких металлов. Марку ВОК‑60 применяют для чистовой и получистовой обработки ковких, высокопрочных, отбеленных модифицированных чугунов и закаленных сталей;
— керамику силит Р на основе нитрида кремния с легированием оксида иттрия, циркония используют при получистовой обработке чугунов.
Цельные и двухслойные круглые и многогранные режущие пластины из СТМ и керамических материалов применяют при создании резцов, фрез и другого режущего инструмента с механическими способами их закрепления.
Абразивные материалы
Абразивные материалы — мелкозернистые порошковые вещества (химические соединения элементов), которые используют для изготовления абразивных инструментов; шлифовальных кругов, головок, сегментов, брусков. В промышленности применяют искусственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды кремния, карбиды бора, оксид хрома, синтетические алмазы, борсилокарбид, славутич, эльбор, гексанит.
Абразивные материалы имеют высокие твердость, теплостойкость (12000С) и износостойкость. Инструменты из абразивных материалов позволяют обрабатывать заготовки со скоростью резания 15 — 80 м/с.
Абразивные материалы используют главным образом для окончательной обработки, когда предъявляются повышенные требования к точности и шероховатости обработанной поверхности.
Электрокорундовые шлифовальные круги применяются для
обработки материалов с высоким сопротивлением на разрыв.
Черный карбид кремния (КЧ) применяют для обработки
Порошок карбида бора применяют при притирочных и доводочных работах, для доводки твердосплавного инструмента и шлифования очень твердых материалов.
Для изготовления шлифовальных и полировальных паст используют оксид хрома и т.д.
Алмазный инструмент. В промышленности используют естрественные (А) и искуственные (синтетические) алмазы марок АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС, АСМ и АСН.
Алмазы считаются самым твердым материалом, имеет высокую теплостойкость износостойкость; у него практически отсутствует слипание со многими обрабатываемыми материалами. Недостатком алмазов является их повышенная хрупкость. Алмазные порошки используют для доводочных методов обработки.
Из кристаллов алмазов изготовляют режущий инструмент, который используется при тонком точении или растачивании деталей из сплавов алюминия, бронз, латуней, неметаллических материалов.