Применение в промышленности труднообрабатываемых материалов и постоянный рост производительности труда, особенно в процессах обработки металлов резанием, требует создания новых методов обработки и новых металлорежущих инструментов из более эффективных инструментальных материалов.

Производительность инструмента в значительной степени зависит от его способности сохранять определенное время режущие свойства. Режущие свойства ухудшаются не только под влиянием высокой температуры, повышающейся в процессе резания и вызывающей снижение твердости инструмента, но и таких явлений, как адгезия, диффузия, абразивно-механическое изнашивание режущей кромки и поверхностей инструмента.

Способность инструмента сопротивляться указанным явлениям называется износостойкостью . Стойкость инструмента измеряется временем, в течение которого сохраняются его режущие свойства и на определенных условиях работы. Во избежание преждевременного разрушения режущей кромки необходимо, чтобы инструментальный материал был также достаточно прочным.

Следовательно, инструментальные материалы независимо от их химического состава и способа производства, предназначенные для использования в качестве режущих элементов инструментов, должны иметь: твердость, превышающую твердость обрабатываемых металлов; высокую износостойкость; красностойкость; механическую прочность в сочетании с достаточной пластичностью. Перечисленные свойства определяют физико-механические характеристики инструментальных материалов. Однако не все инструментальные материалы обладают одинаково высокими физико-механическими свойствами. Они изменяются в зависимости от химического состава, структурного состояния, от условия взаимодействия инструментального материала с металлом обрабатываемой детали в процессе резания и от его устойчивости при изменяющихся температурах.

Классификация инструментальных материалов по химическому составу и физико-механическим свойствам

Классификация инструментальных материалов по химическому составу и физико-механическим свойствам приведена на рис. 1, из которого видно, что в настоящее время материалы режущих инструментов делятся на четыре группы и отличаются значительной номенклатурой, В соответствии с этим различные режущие материалы должны иметь свои рациональные области применения.

Материалы, относящиеся к II — IV группам, имеют повышенные режущие свойства и поэтому являются прогрессивными.

Прогрессивные режущие материалы благодаря повышенной теплостойкости и износостойкости, в сравнении с инструментальными сталями, обеспечивают при резании инструментом работу на повышенных скоростях резания, обработку металлов с высокой твердостью, чем способствуют повышению производительности труда и эффективности технологического процесса. Производительность процесса механической обработки зависит не только от скорости резания, но и от величины подачи и глубины резания. Эти параметры определяют площадь среза и соответственно силу резания, воздействующую на режущую часть инструмента, вызывая сложные напряжения в режущем клине. Поэтому одной из основных механических характеристик инструментального режущего материала является прочность на изгиб. Однако в природе не существует материалов, обладающих одновременно высокой, твердостью, износостойкостью и прочностью.

Относительное расположение инструментальных материалов по износостойкости и прочности показано на рис. 2.

Ученые материаловеды работают над созданием новых материалов и совершенствованием существующих в направлении одновременного повышения вышеуказанных свойств материалов.

Перед студентами-инструментальщиками и технологами стоит задача рационального выбора режущего материала для конкретного инструмента и вида обработки.

К основным достижениям последнего времени в области прогрессивных режущих материалов можно отнести:

1. повышение качества металлокерамических вольфрамотитанокобальтовых твердых сплавов;
2. разработку маловольфрамовых твердых сплавов;
3. разработку и совершенствование безвольфрамовых твердых сплавов;
4. повышение режущей способности сплавов за счет нанесения покрытий карбидом титана, нитридом титана, карбонитридами и оксидами различных металлов;
5. разработку и совершенствование оксидно-карбидной минералокерамики;
6. создание поликристаллов синтетических сверхтвердых материалов на основе углерода и нитрида бора.

Качество инструментального материала определяется комплексом механических и физико-химических свойств:

• пределом прочности при одноосном растяжении и сжатии;
• температурной зависимостью предела текучести или твердости;
• температурной зависимостью предела выносливости;
• температурной зависимостью интенсивности адгезии с обрабатываемым материалом;
• модулем упругости, температурным коэффициентом линейного расширения, коэффициентом Пуассона;
• тепло- и температуропроводностью;
• температурной зависимостью скорости взаимного растворения инструментального и обрабатываемого материалов;
• температурной зависимостью скорости окисления.

Сравнение основных физико-механических свойств групп режущих материалов приведено в табл. 1. Керметы, занимающие по режущим характеристикам промежуточное значение между твердым сплавом и быстрорежущей сталью, не включены в табл. 1.

Новые инструментальные материалы обычно имеют ограниченную область применения, – поэтому они будут дополнять, а не заменять основные виды инструментальных материалов. Сложность процесса стружкообразования, особенно в условиях прерывистого резания и при высоких температурах, не позволяет в настоящее время прогнозировать режущую способность новых инструментальных материалов при всех условиях обработки.

Усовершенствованные существовавшие и созданные новые прогрессивные режущие материалы обладают повышенными режущими свойствами и позволяют обрабатывать резанием все конструкционные материалы.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

2. Инструментальные стали

2.2 Быстрорежущие стали

3. Твердые сплавы

3.1 Вольфрамокобальтовые сплавы (группа ВК)

3.2 Титановольврамокобальтовые сплавы (группа ТК)

3.3 Титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы (группа ТТК)

4. Режущая керамика

5.2 Характеристика основных свойств и область применения поликристаллов синтетического алмаза (ПКА)

5.3 Характеристика основных свойств и область применения ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора BN

6. Инструментальные материалы с износостойким покрытием

1. Требования, предъявляемые к инструментальным материалам

При резании контактные площадки инструмента подвергаются интенсивному воздействию высоких силовых нагрузок и температур, величины которых имеют переменный характер, а взаимодействие с обрабатываемым материалом и реагентами из окружающей среды приводит к протеканию интенсивных физико-химических процессов: адгезии, диффузии, окисления, коррозии и др.

С учетом необходимости сопротивления контактных площадок режущего инструмента микро- и макроразрушению в указанных условиях, к свойствам инструментальных материалов предъявляется ряд специальных требований, выполнение которых определяет место их эффективного применения для режущих инструментов. Основные требования к инструментальным материалам следующие:

1. Инструментальный материал должен иметь высокую твердость.

Твердость инструментального материала должна быть выше твердости обрабатываемого не менее чем в 1,4 - 1.7 раза.

2. При резании металлов выделяется значительное количество теплоты и режущая часть инструмента нагревается. Поэтому, инструментальный материал должен обладать высокой теплостойкостью. Способность материала сохранять высокую твердость при температурах резания называется теплостойкостью.. Для быстрорежущей стали - теплостойкость еще называют красностойкостью (т.е. сохранение твердости при нагреве до температур начала свечения стали)

Увеличение уровня теплостойкости инструментального материала позволяет ему работать с большими скоростями резания (табл. 2.1).

Таблица 2.1 - Теплостойкость и допустимая скорость резания инструментальных материалов

3. Важным требованием является достаточно высокая прочность инструментального материала. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента не обеспечивается необходимой прочностью, то это приводит к поломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок.

Таким образом, инструментальный материал должен иметь достаточный уровень ударной вязкости и сопротивляться появлению трещин (т.е. иметь высокую трещиностойкость).

4. Инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость при повышенной температуре, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истиранию обрабатываемым материалом, которая проявляется в сопротивлении материала контактной усталости.

5. Необходимым условием достижения высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемого материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы) и изнашивание контактных площадок инструмента.

6. Инструментальный материал должен обладать технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей ими являются хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные особенности термической обработки (малая чувствительность к перегреву и обезуглероживанию, хорошие закаливаемость и прокаливаемость, минимальные деформирование и образование трещин при закалке и т.д.); хорошая шлифуемость после термической обработки.

На рис. 2.1 показано расположение основных групп инструментальных материалов по их свойствам. Из рисунка видно, что твердость и прочность инструментальных материалов это свойства антагонисты, т.е. чем выше твердость материала, тем ниже его прочность. Поэтому набор основных свойств и определяет область и условие рационального использования инструментального материала в режущем инструменте.

Например, инструмент из сверхтвердых инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора (СТМ) или из режущей керамики (РК), используют исключительно для суперчистовой обработки изделий на высоких и сверхвысоких скоростях резания, но при весьма ограниченных сечениях среза.

При обработке конструкционных сталей на малых и средних скоростях резания в сочетании со средними и большими сечениями среза большие преимущества получают инструменты из быстрорежущей стали.

Инструментальные материалы подразделяются на пять основных групп: инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие); металлокерамические твердые сплавы (группы ВК, ТК и ТТК); режущая керамика (оксидная, оксикарбидная и нитридная); абразивные материалы (см. абразивная обработка) и сверхтвердые материалы СТМ (на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ)).

1 - Принципиальная зависимость основных свойств инструментальных материалов (твердость - прочность)

Рисунок 2.1 - Классификация инструментальных материалов по их свойствам

Наиболее распространенная из этих групп - быстрорежущая сталь, из которой изготавливается около 60% инструмента, из металлокерамических твердых сплавов - около 30%, из остальных групп материалов - только около 10 % лезвийного инструмента.

Анализ основных направлений совершенствования инструментальных материалов (см. рис. 2.1) позволяет отметить, что они связаны с ростом твердости, теплостойкости, износостойкости при снижении прочностных характеристик, вязкости и трещиностойкости. Эти тенденции не соответствуют идее создания идеального инструментального материала с оптимальным сочетанием свойств по твердости, теплостойкости, ударной вязкости, трещиностойкости, прочности.

Очевидно, что решение этой проблемы должно быть связано с разработкой композиционного инструментального материала, у которого высокие значения поверхностной твердости, теплостойкости, физико-химической инертности сочетались бы с достаточными значениями объемной прочности при изгибе, ударной вязкости, предела выносливости.

В мировой практике указанные методы совершенствования инструментальных материалов находят все большее применение, особенно при производстве сменных многогранных пластин (СМП) для механического крепления на режущем инструменте.

2. Инструментальные стали

Для режущих инструментов применяют быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 0,7-1,3% и суммарным содержанием легирующих элементов (кремния, марганца, хрома и вольфрама) от 1,0 до 3,0%.

2.1 Углеродистые и легированные инструментальные стали

Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А…У13, У13А. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,2…0,4% марганца. Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200…250С) их твердость резко уменьшается.

Легированные инструментальные стали, по своему химическому составу, отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца, или наличием одного либо нескольких легирующих элементов: хрома, никеля, вольфрама, ванадия, кобальта, молибдена. Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами - лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонности к короблению, но теплостойкость их равна 350…400С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, метчики).

Следует отметить, что за последние 15-20 лет существенных изменений этих марок не произошло, однако наблюдается устойчивая тенденция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.

2.2 Быстрорежущие стали

В настоящее время быстрорежущие стали являются основным материалом для изготовления режущего инструмента, несмотря на то, что инструмент из твердого сплава, керамики и СТМ обеспечивает более высокую производительность обработки.

Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления сложнопрофильных инструментов определяется сочетанием высоких значений твердости (до HRC68) и теплостойкости (600-650С) при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости, значительно превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обрабатываются давлением и резанием в отожженном состоянии.

В обозначении быстрорежущей стали буква Р означает, что сталь быстрорежущая, а следующая за буквой цифра - содержание средней массовой доли вольфрама в %. Следующие буквы обозначают: М - молибден, Ф - ванадий, К - кобальт, А - азот. Цифры, следующие за буквами, означают их среднюю массовую долю в %. Содержание массовой доли азота составляет 0,05-0,1%.

Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы: нормальной, повышенной и высокой теплостойкости.

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовая Р18 и вольфрамомолибденовая Р6М5 стали (табл. 2.2). Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63…64 HRC, предел прочности при изгибе 2900…3400Мпа, ударную вязкость 2,7…4,8Дж/м 2 и теплостойкость 600…620С. Указанные марки стали получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Объем производства стали Р6М5 достигает 80% от всего объема выпуска быстрорежущей стали. Она используется при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс.

Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода, ванадия и кобальта.

Среди ванадиевых сталей наибольшее применение получила марка Р6М5Ф3.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия (VC), так как твердость последних не уступает твердости зерен электрокорундового шлифовального круга (Al 2 O 3). Обрабатываемость при шлифовании - "шлифуемость", - это важнейшее технологическое свойство, которое определяет не только особенности при изготовлении инструментов, но и при его эксплуатации (переточках).

Таблица 2.2Химический состав быстрорежущих сталей

По шлифуемости быстрорежущие стали можно разделить на 4 группы:

Порошковые быстрорежущие стали, независимо от содержания ванадия, относятся к группам 1 и 2 т.е. обладают хорошей шлифуемостью.

Стали с пониженной шлифуемостью склонны к прижогам, т.е. к изменению структуры приповерхностных слоев стали после шлифования или заточки, появлению вторичной закалки или зон вторичного отпуска с пониженной твердостью.

Следствием прижогов может быть значительное снижение стойкости инструмента.

Однако, проблема "шлифуемости" высокованадиевых быстрорежущих сталей, успешно решается если при заточке и доводке режущих инструментов применяются абразивные круги с зернами из СТМ на основе кубического нитрида бора (КНБ).

Ванадиевые быстрорежущие стали находят применение для инструментов несложных форм при чистовых и получистовых условиях резания для обработки материалов, обладающих повышенными абразивными свойствами.

Среди кобальтовых сталей наибольшее применение нашли марки Р6М5К5, Р9М4К8, Р18К5Ф2, Р9К5, Р2АМ9К5 и др. Введение кобальта в состав быстрорежущей стали наиболее значительно повышает ее твердость (до 66-68 HRC) и теплостойкость (до 640-650С). Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.

Это дает возможность использовать их для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности. 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. Они имеют твердость 69…70 HRC и теплостойкость 700…720С. Наиболее рациональная область их использования - резание труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов. В последнем случае период стойкости инструментов в 60 раз выше, чем из стали Р18, и в 8-15 раз выше, чем из твердого сплава ВК8.

Значительными недостатками этих сталей является их низкая прочность при изгибе (не выше 2400 МПа) и низкая обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 HRC) при изготовлении инструмента.

В связи со все более возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена - основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущей стали, все большее применение находят экономнолегированные марки. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3АМ3Ф2, которая используется при производстве инструмента, так как обладает достаточно высокими показателями по твердости (HRC 63-64), прочности (и -3400 МПа) и теплостойкости (до 620С).

Экономно легированные стали

Сталь 11Р3АМ3Ф2 технологична в металлургическом производстве, однако, из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

Порошковые быстрорежущие стали

Наиболее эффективные возможности повышения качества быстрорежущей стали, ее эксплуатационных свойств, и создания новых режущих материалов появились при использовании порошковой металлургии.

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 сталь аналогичных марок, полученных по традиционной технологии. Технологическая схема получения порошковых быстрорежущих сталей следующая: газовое распыление в порошок жидкой струи быстрорежущей стали, засыпка и дегазация порошка в цилиндрический контейнер, нагрев и ковка (или прокатка) контейнеров в прутки, окончательная резцовая обдирка остатков контейнера с поверхности прутков. Основным преимуществом порошковой технологии является резкое снижение размеров карбидов, образующихся при кристаллизации слитка в изложнице. Таким образом порошинка, полученная газовым распылением, и является микрослитком в котором не образуются крупные карбиды.

Новая технология позволяет существенно изменить схему легирования с целью направленного повышения тех или иных эксплуатационных характеристик, определяющих стойкость инструмента.

Основные примеры разработки новых составов порошковой быстрорежущей стали сводятся к возможности введения в состав до 7% ванадия и значительного, в связи с этим, повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости. А также введение углерода с "пересыщением" до 1,7%, позволяющего получить значительное количество карбидов ванадия и высокую вторичную твердость после закалки с отпуском. В Украине выпускают ряд марок порошковой стали: (Р7М2Ф6-МП, Р6М5Ф3-МП, Р9М2Ф6К5-МП, Р12МФ5-МП и др. ГОСТ 28369-89).

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидостали, которая по своим свойствам может быть классифицирована как промежуточная между быстрорежущей сталью и твердыми сплавами.

Карбидосталь отличается от обычной быстрорежущей стали высоким содержанием карбидной фазы (в основном карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание TiC в карбидостали составляет 20%. Пластическим деформированием спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет HRC 40-44, а после закалки и отпуска HRC 68-70.

При использовании в качестве 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 (деформирующие протяжки).

3. Твердые сплавы

Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием. Сейчас общее количество твердосплавного инструмента, применяемого в механообрабатывающем производстве, составляет до 30%, причем этим инструментом снимается до 65% стружки, так как скорость резания, применяемая при обработке этим инструментом в 2-5 раз выше, чем у быстрорежущего инструмента. Твердые сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC и ниобия NbC, мельчайшие частицы которых соединены посредством сравнительно мягких и менее тугоплавких связок из кобальта или никеля в смеси с молибденом. Твердые сплавы по составу и областям применения можно разделить на четыре группы: вольфрамокобальтовые (WC-Co), титановольфрамокобальтовые (WC-TiC-Co), титанотанталовольфрамокобальтовые (WC-TiC-TaC-Co), безвольфрамовые (на основе TiC, TiCN с различными связками).

3.1 Вольфрамокобальтовые сплавы (ВК)

Вольфрамокобальтовые сплавы (группа ВК) состоят из карбида вольфрама(WC) и кобальта. Сплавы этой группы различаются содержанием в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама и технологией изготовления. Для оснащения режущего инструмента применяют сплавы с содержанием кобальта 3-10%. В табл. 2.3 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств твердых сплавов, в соответствии с ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.3 - Состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов, на основе WC-Co (группа ВК)

В условном обозначении сплава цифра показывает процентное содержание кобальтовой связки. Например обозначение ВК6 показывает, что в нем 6% кобальта и 94% карбидов вольфрама. При увеличении в сплавах содержания кобальта в диапазоне от 3 до 10% предел прочности, ударная вязкость и пластическая деформация возрастают, в то время как твердость и модуль упругости уменьшаются. С ростом содержания кобальта повышаются теплопроводность сплавов и их коэффициент термического расширения.

Рисунок 2.2 - Влияние кобальта на свойства твердого сплава группы (ВК)

Из всех существующих твердых сплавов, сплавы группы ВК при одинаковом содержании кобальта обладают более высокими ударной вязкостью и пределом прочности при изгибе, а также лучшей тепло- и электропроводностью. Однако стойкость этих сплавов к окислению и коррозии значительно ниже, кроме того, они обладают большой склонностью к схватыванию со стружкой при обработке резанием. При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства сплавов в значительной мере определяются средним размером зерен карбида вольфрама (WC). Разработанные технологические приемы позволяют получать твердые

сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрометра до 10-15 мкм.

Сплавы с размерами карбидов от 3 до 5 мкм относятся к крупнозернистым и обозначаются буквой В (ВК6-В), с размерами карбидов от 0,5 до 1,5 мкм буквой М (мелкозернистым ВК6-М), а с размерами, когда 70% зерен менее 1,0 мкм - ОМ (особо мелкозернистым ВК6-ОМ). Сплавы с меньшим размером карбидной фазы более износостойкие и теплостойкие, а также позволяют затачивать более острую режущую кромку (допускают получение радиуса округления режущей кромки до 1,0-2,0 мкм).

Физико-механические свойства сплавов определяют их режущую способность в различных условиях эксплуатации.

Эти закономерности и положены в основу практических рекомендаций по рациональному применению конкретных марок сплавов. Так, сплав ВК3 с минимальным содержанием кобальта, как наиболее износостойкий, но наименее прочный рекомендуется для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, но с малыми подачей и глубиной резания, а сплавы ВК8, ВК10М и ВК10-ОМ - для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным сечением среза в условиях ударных нагрузок.

3.2 Титановольфрамокобальтовые сплавы (ТК)

Сплавы второй группы ТК состоят из трех основных фаз:твердого раствора карбидов титана и вольфрама (TiC-WC) карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки. Предназначены они главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей, дающих сливную стружку. По сравнению со сплавами группы ВК они обладают большей стойкостью к окислению, твердостью и жаропрочностью и в то же время меньшими теплопроводностью и электропроводностью, а также модулем упругости.

Способность сплавов группы ТК сопротивляться изнашиванию под воздействием скользящей стружки объясняется также и тем, что температура схватывания со сталью у сплавов этого типа выше, чем у сплавов на основе WC-Co, что позволяет применять более высокие скорости резания при обработке стали и существенно повышать стойкость инструмента.

В табл. 2.4 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов в соответствии с ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.4 - Состав и характеристики физико-механических свойств сплавов на основе WC-TiC-Co, группа ТК

Так же как у сплавов на основе WC-Co, предел прочности при изгибе и сжатии и ударная вязкость увеличиваются с ростом содержания кобальта.

Теплопроводность сплавов группы ТК существенно ниже, а коэффициент линейного термического расширения выше, чем у сплавов группы ВК. Соответственно меняются и режущие свойства сплавов: при увеличении содержания кобальта снижается износостойкость сплавов при резании, а при увеличении содержания карбида титана снижается эксплуатационная прочность (рис. 2.3).

1) Прочность на изгиб - изг; 2) Твердость - HRA

Рисунок 2.3 - Влияние кобальта на свойства твердого сплава группы ТК

Поэтому такие сплавы, как Т30К4 и Т15К6, применяют для чистовой и получистовой обработки стали с высокой скоростью резания и малыми нагрузками на инструмент. В то же время сплавы Т5К10 и Т5К12 с наибольшим содержанием кобальта предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

Путем введения легирующих добавок получены сплавы, применяемые для резания стали с большими ударными нагрузками.

Разработан сплав Т4К8 для замены стандартного сплава Т5К10. Предел прочности его при изгибе 1600 МПа, в то время как у сплава Т5К10 он составляет 1400 МПа. Предельная пластическая деформация Т4К8 1,6%, а у сплава Т5К10 - 0,4%.

Сплав Т4К8 в большей степени, чем сплав Т5К10, сопротивляется ударным нагрузкам и может применяться при черновой токарной обработке стальных отливок при скорости резания 30-70 м/мин, глубине резания до 40 мм и подаче 1-1,2 мм/об. Стойкость инструмента, оснащенного сплавом Т4К8 в 1,5-2,0 раза выше, чем стойкость инструмента, оснащенного сплавом Т5К10.

3.3 Титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы (ТТК)

Промышленные танталосодержащие твердые сплавы на основе TiC-WC-TaC-Co состоят из трех основных фаз: твердого раствора карбидов титана, вольфрама и тантала(TiC-TaC-WC), а также карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки.

Введение в сплавы добавок карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе при температуре 20С и 600-800С.

Сплав, содержащий карбид тантала, имеет более высокую твердость, в том числе и при 600-800С. Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также термостойкость и стойкость к окислению на воздухе. В табл. 2.5 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов в соответствии с ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.5 - Состав и характеристики физико-механических свойств сплавов на основе TiC-WC-TaC-Co(группа ТТК)

Увеличение в сплаве содержания карбида тантала повышает его стойкость при резании, особенно благодаря меньшей склонности к лункообразованию и разрушению под действием термоциклических и усталостных нагрузок. Поэтому танталосодержащие сплавы рекомендуются главным образом для тяжелых условий резания с большими сечениями среза, когда на режущую кромку инструмента действуют значительные силовые и температурные нагрузки, а также для прерывистого резания, особенно фрезерования. Наиболее прочным для обработки стали в особо неблагоприятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование) является сплав ТТ7К12. Применение его взамен быстрорежущей стали позволяет повысить скорость резания в 1,5-2 раза.

3.4 Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС)

В связи с дефицитностью вольфрама и кобальта промышленность выпускает безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой (табл. 2.6).

Таблица 2.6 - Состав и характеристики физико-механических свойств безвольфрамовых твердых сплавов

По твердости БВТС находятся на уровне вольфрамосодержащих сплавов (группы ВК), по прочностным характеристикам и особенно по модулю упругости им уступают. Твердость БВТС по Виккерсу при повышенных температурах в диапазоне температур 293-1073К несколько ниже, чем твердость вольфрамосодержащего сплава Т15К6.

БВТС имеют низкую окисляемость. Наибольшая термостойкость у сплава КНТ16, у сплава ТН20 она значительно ниже. Поэтому из сплава КНТ16 целесообразно изготовлять инструмент, работающий при прерывистом резании, например фрезеровании. Средняя "ломающая подача" (при которой происходит разрушение лезвия) составляет для сплава ТН20 - 0,3 мм/зуб, а для сплава КНТ16 - 0,54 мм/зуб. При выборе режимов резания подача не должна превышать этих значений, а глубина резания - 5мм.

Наибольшей износостойкостью обладает сплав ТН20. При точении стали 45 и стали 40Х при t=1мм и S=0,2мм/об стойкость сплава ТН20 выше стойкости сплава Т15К6, во всем диапазоне скорости резания (от 200 до 600 м/мин).

Нагрев инструмента из БВТС на установках ТВЧ, обычно применяемых при пайке инструмента, ухудшает его эксплуатационные характеристики. Поэтому для резания из БВТС изготовляют в основном сменные неперетачиваемые пластины (СМП).

В связи с пониженной теплопроводностью наибольшую стойкость БВТС имеют в случае применение четырех-, пяти- и шестигранных СМП, а не трехгранных. оптимальными геометрическими параметрами пластин при этом являются передний угол 10, задний угол 8-10, радиус при вершине 0,8 мм.

Эффективность применения БВТС зависит от правильности подготовки инструмента, выбора режимов резания и условий обработки. Пластины должны иметь высококачественную доводку по режущим кромкам и опорной поверхности и прилегать к опоре без зазора.

Обрабатываемая заготовка не должна иметь биения, превышающего половину припуска на обработку, а также следов газовой сварки, шлаковых включений.

При точении по возможности следует применять охлаждение.

Для предотвращения катастрофических поломок инструмента рекомендуется производить принудительный поворот пластинки после обработки определенного числа заготовок. Допустимый износ резцов по задней грани 1,5-1,8 мм.

При фрезеровании БВТС можно эксплуатировать до износа 2,5-3,0 мм по задней грани.

Обладая высокой прочностью, сплавы WC-Co лучше сопротивляются пульсирующей высокой нагрузке, имеющей место в данных условиях обработки. Превалирующим видом изнашивания в этом случае является адгезионно-усталостное, а при обработке белых чугунов и стеклопластиков - абразивное, при которых важным фактором, определяющим стойкость инструмента, является не только содержание кобальта в сплаве, но и размеры зерен фазы WC. И чем выше твердость обрабатываемого материала, тем существеннее влияние зернистости твердого сплава на стойкость инструмента.

Сплавы на основе Ni, обладающие высокой прочностью и значительным сопротивлением ползучести при высоких температурах, а также низкой теплопроводностью, с большим трудом обрабатываются резанием. На поверхности резания инструмент - заготовка генерируются очень высокие температуры и напряжения, происходят схватывание и последующий отрыв частиц твердого сплава. Лучшую стойкость в этих условиях показывают особомелкозернистые высококобальтовые сплавы.

Твердые сплавы на основе WC-TiC-Co рекомендуют в случае обработки стали при высоких скоростях резания, когда образуется сливная стружка. Стружка постоянно контактирует с передней поверхностью инструмента в условиях значительных температуры и давления, что приводит к интенсивному образованию лунки износа на передней поверхности резца. В этом случае превалирует диффузионное изнашивание. Раствор карбида вольфрама в карбиде титана растворяется в стали при более высокой температуре и гораздо медленнее, чем карбид вольфрама. Кроме того, присутствие фазы WC-TiC-Co способствует уменьшению скорости растворения зерен карбида вольфрама в стали, и тем самым снижает интенсивность изнашивания.

При диффузионном характере изнашивания его скорость, определяемая скоростью растворения карбидных зерен в стали, в большей степени зависит от химических свойств сплава, чем от его твердости, связанной с зернистостью. В таких условиях значительно большей стойкостью обладают безвольфрамовые сплавы, основой которых является карбид или карбонитрид титана. Они взаимодействуют со сталью менее интенсивно, чем сложный карбид WC-TiC.

Твердые сплавы на основе WC-TiC-TaC-Co рекомендуют при прерывистом резании, например фрезеровании, когда на рабочих поверхностях инструмента появляются многочисленные короткие трещины, перпендикулярные к режущей кромке. Эти трещины вызваны периодическим расширением при нагреве в процессе резания и сжатием при охлаждении поверхностных слоев твердого сплава. При дальнейшем развитии трещины приводят к выкрашиваниям и сколам и становятся главной причиной выхода инструмента из строя.

Поэтому, для оснащения фрезерного инструмента применяют твердые сплавы, наименее чувствительные к термической усталости и динамическим циклическим нагрузкам, сплавы содержащие в своем составе карбид тантала, т.е. сплавы на основе WC-TiC-TaC-Co.

3.6 Классификация современных твердых сплавов по международному стандарту ИСО513 и определение условий их эффективного использования

При определении областей применения твердых сплавов, обычно используют рекомендации международной организации стандартов ИСО (ISO), которые предусматривают их использование с учетом обрабатываемых материалов и типа стружки, типа обработки (чистовая, получистовая, легкая черновая и черновая), условий обработки (хорошие, нормальные и тяжелые), а также видов обработки (точение, растачивание, фрезерование и др.).

По (ISO) предусматривается деление всех обрабатываемых материалов на три группы: Р (обозначаются синим цветом), М (желтым) и К (красным). В группу Р входят стали и стальное литье, при обработке которых получают сливную стружку. В группу М входят нержавеющие стали, титановые и жаропрочные сплавы, при обработке которых получают стружку надлома и сливную. В группу К входят чугуны, цветные металлы и их сплавы, материалы с высокой поверхностной твердостью, при обработке которых получают стружку надлома и элементную (табл. 2.7).

Таблица 2.7 - Классификация обрабатываемых материалов по группам резания

Каждая группа применения делится на подгруппы, причем с увеличением индекса подгруппы от 01 до 40 (50), условия обработки становятся более жесткими, начиная от чистового резания и заканчивая черновым с ударами. Такое рассмотрение удобно для подбора рекомендуемых марок твердых сплавов по свойствам. Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже требуется износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость) и допустимая подача и глубина резания (табл. 2.8).

Таблица 2.8 Подгруппы применения твердых сплавов

* Работа с переменной глубиной резания, с прерывистой подачей, с ударами, вибрациями, с наличием литейной корки и абразивных включений в обрабатываемом материале

Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и теплостойкость, а большие индексы соответствуют черновым операциям, т.е. когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью. В связи с этим каждая марка имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность обработки.

Скорость резания, непрерывность обработки, жесткость системы СПИД, способ получения заготовки (состояние обрабатываемой поверхности) позволяет определить условие обработки и сформулировать требования к основным свойствам твердого сплава. Условия обработки могут быть хорошие, нормальные и тяжелые.

ХОРОШИЕ - Высокие скорости. Непрерывное резание. Предварительно обработанные заготовки. Высокая жесткость технологической системы СПИД.

Требования к твердому сплаву - высокая износостойкость.

НОРМАЛЬНЫЕ - Умеренные скорости резания. Контурное точение. поковки и отливки. Достаточно жесткая система СПИД.

Требования к твердому сплаву - хорошая прочность в сочетании с достаточно высокой износостойкостью.

ТЯЖЕЛЫЕ - Невысокие скорости. Прерывистое резание. Толстая корка на литье или поковках. Нежесткая система СПИД.

Требования к твердому сплаву - высокая прочность.

Кроме подгрупп применения необходимо знать тип обработки (чистовая, получистовая, легкая и черновая), который позволяет ориентироваться в величинах глубины резания (t, мм) и подачи (S 0 , мм/об). Тип обработки приведен в табл. 2.9.

Таблица 2.9 Тип обработки

Область применения твердых сплавов можно представить сводной таблицей 2.10.

Таблица 2.10 Определение области применения твердого сплава

Из табл. 2.10 видно, что область использования марки твердого сплава будет зависеть от обрабатываемого материала, условий и типа обработки. Области рационального применения твердых сплавов отечественного производства приведены в табл. 2.11.

Таблица 2.11 Области применения твердых сплавов

Примечание. Износостойкость сплавов возрастает снизу вверх, прочность - наоборот.

Твердые сплавы серии МС выпускаются на Московском комбинате твердых сплавов (МКТО) по технологии фирмы "Sandik Coromant".

4. Режущая керамика

Промышленность выпускает четыре группы режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе Al 2 O 3 , оксикарбидную (черная керамика) на основе композиции Al 2 O 3 -TiC, оксиднонитридную (кортинит) на основе Al 2 O 3 -TiN и нитридную керамику на основе Si 3 N 4 .

Основной особенность режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания, 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.

Составы основных типов режущей керамики и некоторые физико-механические свойства представлены в табл. 2.12.

Таблица 2.12 Состав, свойства и области применения керамики

Недостаток оксидной керамики - ее относительно высокая чувствительность к резким температурным колебаниям (тепловым ударам). Поэтому охлаждение при резании керамикой не применяют.

Указанное является главной причиной микро- или макровыкрашиваний режущей керамики и контактных площадок инструмента уже на стадиях приработочного или начального этапа установившегося изнашивания, приводящего к отказам из-за хрупкого разрушения инструмента. Отмеченный механизм изнашивания керамического режущего инструмента является превалирующим.

В последние годы появились новые марки оксидной керамики в состав которых введены окись циркония (ZrO 2) и армирование ее "нитевидными" кристаллами карбида кремния (SiC). Армированная керамика имеет высокую твердость (HRC А -92) и повышенную прочность (изг до 1000 МПа).

Параллельно с совершенствованием керамических материалов на основе оксида алюминия созданы новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния (силинит-Р). Такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиб (изг =800 МПа), низкий коэффициент термического расширения, что выгодно отличает его от оксидных керамических материалов. Это позволяет с успехом использовать нитридокремниевый инструмент при черновом точении, получистовом фрезеровании чугуна, а также чистовом точении сложнолегированных и термообработанных (до HRC 60) сталей и сплавов.

Режущую керамику выпускают в виде неперетачиваемых сменных пластин. Пластины изготавливают с отрицательными фасками по периметру с двух сторон. размер фаски f=0,2…0,8мм, угол ее наклона отрицательный от 10 до 30. Фаска необходима для упрочнения режущей кромки.

Допустимый износ керамических пластин намного меньше износа твердосплавных пластин. Максимальный износ по задней поверхности не должен превышать 0,3…0,5мм, а при чистовых операциях 0,25…0,30мм.

При назначении режимов резания для керамики имеются рекомендации:

1. Предпочтительна квадратная форма пластины с максимально возможным углом заострения и наибольшим радиусом при вершине пластины r b .

2. Ширину фаски f выбирают в зависимости от твердости обрабатываемого материала, чем тверже обрабатываемый материал, тем ширина фаски больше.

3. Скорость резания нужно назначать максимально допустимой исходя из жесткости системы СПИД и характеристик оборудования.

4. Заготовки, обрабатываемые пластинами из режущей керамики, должны иметь на входе и выходе резца фаски, ширина которых превышает припуски на обработку, а также канавки в местах перехода от цилиндрической поверхности к торцевой.

В настоящее время керамической инструмент рекомендуют для чистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (HRC до 55-60), цветных сплавов, конструкционных полимерных материалов (К01-К05, Р01-Р05). В указанных условиях инструмент оснащенный пластинами из режущей керамики, заметно превосходит по работоспособности твердосплавный инструмент.

Применение керамического инструмента при обработке с повышенными значениями сечений среза (txS), 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 Украины керамического инструмента (до 0,5% от общего объема режущего инструмента), для развитых стран Запада этот объем составляет от 2 до 5%.

5. Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы

Сверхтвердыми принято считать материалы, имеющие микротвердость, выше микротвердости природного корунда (Al 2 O 3) (т.е. твердость по Виккерсу более 20 ГПа). Материалы, твердость которых выше, чем металлов (т.е. 5-20 ГПа) можно рассматривать как высокотвердые. Из природных материалов к сверхтвердым относится только алмаз. В 2000 году в ИСМ АН Украины прямым превращением графитоподобного твердого раствора BN-C при давлении 25 ГПа и температуре 2100К была получена новая сверхтвердая фаза, кубический карбонитрид бора (BC 2 N), получившим обозначение КАНБ. Твердость и модуль упругости КАНБ является промежуточным между алмазом и кубическим нитридом бора, что делает его вторым по твердости материалом после алмаза, и открывает новые перспективы.

5.1 Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора

Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ).

Природный алмаз - самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX века с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т.п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки.

Подобные документы

Требования к конструкционным материалам. Экономические требования к материалу определяются. Марки углеродистой стали обыкновенного качества. Углеродистые качественные стали. Цветные металлы и сплавы. Виды термической и химико-термической обработки стали.

реферат , добавлен 17.01.2009


Виды сталей для режущего инструмента. Углеродистые, легированные, быстрорежущие, штамповые инструментальные стали. Стали для измерительных инструментов, для штампов холодного и горячего деформирования. Алмаз как материал для изготовления инструментов.

презентация , добавлен 14.10.2013


Требования к свойствам инструментальных материалов. Перечень марок нескольких основных нетеплостойких сталей для режущего инструмента. Закалка доэвтектоидных сталей. Быстрорежущие стали: маркировка, структура, технология термической обработки и свойства.

контрольная работа , добавлен 20.09.2010


Классификация металлов: технические, редкие. Физико-химические свойства: магнитные, редкоземельные, благородные и др. Свойства конструкционных материалов. Строение и свойства сталей, сплавов. Классификация конструкционных сталей. Углеродистые стали.

реферат , добавлен 19.11.2007


Твердые сплавы и сверхтвердые композиционные материалы: инструментальные, конструкционные, жаростойкие; их свойства и применение. Совершенствование технологии сплавов, современные разработки получения безвольфрамовых минералокерамических соединений.

реферат , добавлен 01.02.2011


Назначение и особенности эксплуатации инструментальных сталей и сплавов, меры по обеспечению их износостойкости. Требования к сталям для измерительного инструмента. Свойства углеродистых и штамповых сталей для деформирования в различных состояниях.

контрольная работа , добавлен 20.08.2009


Двухкарбидные твердые сплавы. Основные свойства и классификация твердых сплавов. Метод порошковой металлургии. Спекание изделий в печах. Защита поверхности изделия от окисления. Сплавы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама и титана.

контрольная работа , добавлен 28.01.2011


Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".

курсовая работа , добавлен 19.03.2013


Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества. Механические свойства горячекатаной стали. Стали углеродистые качественные. Легированные конструкционные стали. Низколегированный сплав, среднеуглеродистая или высокоуглеродистая сталь.

презентация , добавлен 19.12.2014


Характеристика оптических и механических свойств поликристаллических материалов. Изучение понятия, типов, технологий изготовления неорганического стекла. Ознакомление с масштабами производства керамики, определение перспективных направлений ее применения.

Инструментальные материалы должны иметь высокую твердость, остающуюся достаточной и при высокой температуре, чтобы осуществлять внедрение инструмента в менее твердый конструкционный материал. Твердость должна сохранятся и при высоких температурах, то есть инструментальные материалы должны обладать высокой красностойкостью. Исходя из особенностей нагружения инструментов (консольное закрепление, ударные нагрузки, изгиб, растяжение, сжатие), их основными прочностными показателями считают пределы прочности на кручение, изгиб и сжатие, а также ударную вязкость. Необходимость противостоять интенсивному истиранию ставит задачу создания износостойких инструментальных материалов. Кроме того, они должны быть технологичными и иметь невысокую стоимость.

Углеродистые инструментальные стали марок У7А, У8А, У10А и другие используют для изготовления инструментов с твердостью HRC = 60-62 после термообработки; красностойкость сталей - до 200-250 °С, допустимые скорости резания - 15-18 м/мин. Применяются в производстве напильников, зубил, метчиков, плашек, ножовочных полотен и других инструментов.

Красностойкость легированных инструментальных сталей достигает 250-300 °С, допустимые скорости резания - 15-25 м/мин. Эти стали незначительно деформируются при термической обработке, поэтому из них изготавливают сложные по конфигурации инструменты: плашки, зубила, метчики, развертки, сверла, резцы, фрезы, протяжки и др.

Из быстрорежущих сталей изготавливают режущий инструмент с твердостью HRC = 62-65. После термообработки красностойкость таких сталей сохраняется до 640 °С, скорость резания - до 80 м/мин. Из стали Р9 изготавливают инструменты простой формы (резцы, фрезы, зенкеры и др.), из стали Р18 - сложные инструменты с высокой износостойкостью (метчики, плашки, зуборезный инструмент). Широко распространена быстрорежущая сталь марки Р6М5. Имеются быстрорежущие стали с малым содержанием вольфрама (11АРМЗФ2) или без него (11М5Ф). Все шире применяют инструменты из быстрорежущих сталей с износостойкими покрытиями. Так, тонкие покрытия нитрида титана увеличивают срок службы инструмента в 2-5 раз.

Твердые сплавы , обладающие высокой износостойкостью, твердостью (HRA = 86-92) и красностойкостью (800-1000 °С), пригодны для скоростей обработки до 800 м/мин. Однокарбидные твердые сплавы марок ВК2, ВК4, ВК6, ВК8 имеют хорошее сопротивление ударным нагрузкам, используются для обработки чугунов, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов. Двухкарбидные твердые сплавы марок Т5К10, Т14К18, Т15К6, Т30К4 менее прочны, но более износостойки, чем сплавы первой группы. Находят применение при обработке пластичных и вязких металлов и сплавов, углеродистых и легированных сталей. Трехкарбидный твердый сплав марки ТТ7К12 обладает повышенной прочностью, износостойкостью и вязкостью, его применяют для обработки жаропрочных сталей, титановых сплавов и других труднообрабатываемых материалов.

С целью повышения износостойкости без снижения прочности твердых сплавов используют особо мелкие зерна карбида вольфрама (ВК6-ОМ). Инструменты оснащают также пластинками с тонкими покрытиями (толщиной 5-10 мкм) из износостойких материалов (карбида, нитрида или карбонитрида титана и др.). Это повышает их стойкость в 5-6 раз. Есть и безвольфрамовые твердые сплавы марок ТМ1, ТМЗ, ТН-20, КНТ-16, создаваемые на основе карбидов или других соединений титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов.

Минералокерамика - синтетический материал, основой которого служит глинозем (А1 2 О э), спеченный при температуре 1720-1750 °С. Минералокерамика марки ЦМ-332 характеризуется красностойкостью 1200 °С. Инструменты, приготовленные из этого материала, имеют высокую износостойкость и размерную стабильность, характеризуются отсутствием налипания металла на инструмент; их недостаток - низкая прочность и хрупкость. Пластинки из минералоке- рамики крепят механическим путем или пайкой, предварительно подвергнув их металлизации. С целью улучшения эксплуатационных свойств в минералокерамику добавляют вольфрам, молибден, титан, никель и др. Такие материалы называются керметами. Пластинки из минералокерамики применяют для безударной обработки заготовок из сталей и цветных сплавов.

Находят применение в инструментах и сверхтвердые материалы (СТМ). К ним относятся материалы на основе кубического нитрида бора, композиты. Режущими пластинками из композитов снабжаются резцы и фрезы.

Абразивные материалы представляют собой порошковые мелкозернистые вещества, используемые для производства абразивных инструментов: шлифовальных кругов, лент, брусков, сегментов, головок. Естественные абразивные материалы (наждак, кварцевый песок, корунд) характеризуются значительным разбросом свойств, поэтому применяются редко.

Абразивные инструменты в машиностроении изготавливают из искусственных материалов: электрокорундов, карбидов кремния, карбидов бора, оксида хрома и ряда новых материалов. Все они отличаются высокими свойствами: красностойкостью (1800-2000 °С), износостойкостью и твердостью. Так, микротвердость карбидов бора составляет 43% от микротвердости алмаза, карбидов кремния - 35% и электрокорунда - 25%. Обработку абразивными инструментами ведут на скоростях 15-100 м/с на завершающих этапах технологических процессов по изготовлению деталей машин.

Шлифовальные и полировальные пасты содержат в своем составе оксид хрома. Из новых материалов в качестве абразивов для обработки твердых сплавов используют эльбор, представляющий собой поликристаллические образования на основе нитрида бора кубического или гексагонального строения.

В промышленности широкое распространение получили различные алмазные инструменты. Используют естественные (А) и синтетические (АС) алмазы, отличающиеся высокими твердостью, красностойкостью, износостойкостью и размерной стойкостью. Обработка алмазными инструментами характеризуется высокой точностью, малой шероховатостью поверхности и повышенной производительностью.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

• 1. Какие движения осуществляются рабочими органами станка? Какое из них называют движением резания?
• 2. Какова геометрия токарного проходного резца?
• 3. Какие физические явления сопровождают процесс резания?

К атегория:

Слесарно-инструментальные работы

Основные свойства инструментальных материалов

Материалы, применяемые для изготовления режущих инструментов, можно разбить на три основные группы:
1) инструментальные стали;
2) твердые сплавы;
3) неметаллические инструментальные материалы.

Инструментальный материал должен обладать определенными эксплуатационными свойствами, соответствующими условиям работы режущего инструмента. Твердость и прочность инструментального материала должна быть выше аналогичных параметров обрабатываемого материала (стали и чугуна). При резании рабочая часть инструмента нагревается до высоких температур, а его режущие кромки подвергаются интенсивному износу, поэтому инструментальный материал должен обладать высокими теплостойкостью и износостойкостью.

Инструментальные стали. Сплав железа с углеродом (содержание последнего составляет 0,1-1,7%) называют сталью. Стали, содержащие более 0,65% углерода и отличающиеся благодаря этому высокой твердостью, называют инструментальными.

Для улучшения эксплуатационных или технологических свойств инструментальной стали в ее состав вводят легирующие (улучшающие) элементы. Такие стали называют легированными и в их обозначение (марку) включают русскую букву, соответствующую названию легирующего элемента: X - хром (Сг); Ф - ванадий (V); Н - никель (Ni); К - кобальт (Со); Г - марганец (Mn); Т - титан (Ti); М - молибден (Мо); Б - ниобий (No); С - кремний (Si); Та - тантал (Та); В - вольфрам (W) и т. д.

Углерод в марке стали буквенного обозначения не имеет, а его содержание (в десятых долях процента) указывают в начале маркировки. Содержание легирующего элемента указывают в процентах после соответствующей буквы. Например, легированная хромокремни-стая сталь марки 9ХС содержит 0,9% углерода, 1% хрома и 1% кремния. Если содержание в стали углерода или легирующего элемента равно или примерно равно 1%, то единица в маркировке опускается. Например, сталь марки ХВГ содержит 1% углерода, 1% хрома, 1% вольфрама и 1% марганца.

Углеродистым инструментальным сталям в зависимости от содержания углерода присваивают марки У7А, У8А, У9А, У10А, УНА , У12А, У13А. Например, сталь марки У7А: углеродистая (буква У), содержит 0,7% углерода (цифра 7); высококачественная (буква А), т. е. имеющая пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Теплостойкость (QK = = 180-Ь220°С) и износостойкость углеродистых инструментальных сталей ниже, чем аналогичные параметры других инструментальных материалов. Чем выше содержание углерода, тем выше эти параметры.

Твердость (после отжига) 187-207 НВ является невысокой, поэтому эти стали хорошо обрабатываются резанием.

Закаленные углеродистые стали хорошо шлифуются. Эти стали (наиболее дешевые из инструментальных материалов) применяют для изготовления инструментов, работающих в условиях низких температур резания: деревообрабатывающих и слесарно-монтажных инструментов; шаблонов и калибров пониженной точности; напильников, шаберов, накатных роликов, метчиков и др.

К низколегированным инструментальным сталям относятся стали марок 9ХС, ХГС , ХВГ , ХВГС и др. Эти стали, содержащие около 1% углерода, а также хром (1%), марганец (1%), кремний (1%) и вольфрам (1%), характеризуются лучшей закаливаемостью, повышенными прокаливаемостью и теплостойкостью, меньшей склонностью к росту зерна.

Теплостойкость этих сталей QK - 250-260 °С, прокаливаемость составляет 40-50 мм, твердость (после отжига) 241-255 НВ. Обрабатываемость низколегированных сталей несколько хуже, чем углеродистых, они более склонны к прижогам при шлифовании.

Указанные стали используют для изготовления плашек, метчиков, сверл, разверток и др., а также штампов холодной штамповки.

Быстрорежущие стали применяют для изготовления режущих инструментов, работающих при высоких скоростях, усилиях и температурах резания. Эти стали отличаются высокими износостойкостью, теплостойкостью, прочностью и вязкостью. Быстрорежущие стали подразделяют на две группы: 1) стали, легированные вольфрамом и молибденом и содержащие до 2% ванадия (Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6МЗ и др.); 2) стали, леги-, рованные вольфрамом и кобальтом и содержащие свыше 2% ванадия (Р18Ф2, Р14Ф5, Р9Ф5, Р10Ф5К5, Р9К5, Р9КЮ и др.).

Первую группу относят к сталям нормальной производительности, а вторую - к сталям повышенной производительности.

В начале маркировки этих сталей стоит буква Р (что означает быстрорежущая), следующая за ней цифра указывает среднее содержание вольфрама (), последующие буквы и цифры обозначают наименования других легирующих элементов и соответственно их среднее содержание (). Кроме того, в быстрорежущих сталях содержатся углерод (0,7-1,5%), хром (3-4,4%) и некоторые другие элементы, которые в маркировке не указывают. Например, быстрорежущая сталь марки Р18 содержит 0,7-0,8% углерода, 17-18,5% вольфрама, 3,8-4,4% хрома, 1 -1,4% ванадия.

Высокие эксплуатационные свойства быстрорежущих сталей обеспечиваются благодаря их легированию вольфрамом, ванадием и молибденом, которые, соединяясь с углеродом, образуют соответствующие карбиды (WC, VC и МоС). Износостойкость быстрорежущих сталей в 3-5 раз выше, чем у углеродистых и низколегированных; теплостойкость составляет 620 °С, а при легировании кобальтом 640 °С. Наличие ванадия способствует образованию мелкозернистой структуры, что повышает прочность и снижает хрупкость стали.

Быстрорежущие стали обладают также высокими технологическими свойствами: закаливаются в нагретом масле, расплавах солей и при охлаждении на воздухе (т.е. не требуют резкого охлаждения); прокаливаются по всему поперечному сечению вне зависимости от размера заготовки.

Недостатками этих сталей являются высокая твердость в состоянии поставки (255-269 НВ); склонность к карбидной неоднородности; пониженная шлифуемость (особенно у сталей, легированных ванадием).

Наиболее распространенной является сталь марки Р6М5, применяемая для изготовления всех видов режущих инструментов, предназначенных для обработки (со скоростью резания до 1 -1,2 м/с) углеродистых и средне-легированных конструкционных сталей.

Твердые сплавы представляют собой металлические материалы, отличающиеся высокими теплостойкостью, износостойкостью и твердостью. Теплостойкость и твердость этих сплавов соответственно в два раза и 1,3-1,4 раза выше аналогичных параметров быстрорежущей стали марки Р18. Поэтому и стойкость твердосплавных инструментов значительно выше стойкости быстрорежущих инструментов, причем это преимущество тем больше, чем выше скорость резания.

Твердые сплавы, изготовляемые методом порошковой металлургии (путем прессования в формах измельченных металлических порошков и последующего их спекания при высоких температурах), называют металлокерамиче-скими.

Основой металлокерамических твердых сплавов являются зерна карбидов вольфрама (WC), титана (TiC) и тантала (ТаС), которые связаны между собой кобальтом (прочным и пластичным материалом). Размеры зерен обычно не более 1-2 мкм. Кобальт заполняет все пространство между зернами, не оставляя пустот (пор), и цементирует их.

Твердые сплавы подразделяют на три группы: вольфрамовые (В); титановольфрамовые (ТВ); титанотан-таловольфрамовые (ТТВ ). Сплавы группы В состоят из карбидов вольфрама, связанных кобальтом. К этой группе относят сплавы марок ВК.З, ВК4, ВК6, ВК8 и др. Здесь буква В означает вольфрамовый; К - кобальт; цифра, следующая за буквой, содержание кобальта в . Например, сплав марки ВК8 содержит 8 кобальта и 92% карбидов вольфрама.

Твердые сплавы группы ТВ состоят из карбидов титана и карбидов вольфрама, связанных кобальтом. К этой группе относят сплавы марок Т5К.Ю, Т15К8, Т15К6, Т30К4. Сплав марки Т15К6 содержит 15% карбидов титана, 6% кобальта и 79% карбидов вольфрама.

К третьей группе относят твердые сплавы марок ТТ7К12, ТТ10К8, ТТ20К9 и др., состоящие из карбидов вольфрама, карбидов титана, карбидов тантала, связанных кобальтом. Твердый сплав марки ТТ7К12 содержит 12% кобальта, 7% карбидов титана и карбидов тантала и 81% карбидов вольфрама.

Твердость металлокерамических твердых сплавов составляет 87-92 HRA . С увеличением содержания кобальта твердость и износостойкость сплавов снижаются, но одновременно возрастают их вязкость и прочность.

Теплостойкость сплавов первой и второй группы составляет около 1000 °С; сплавов третьей группы - 1050- 1100 °С.

Твердые сплавы группы В применяют при обработке заготовок из чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов (пластмасс, стеклопластиков и др.); сплавы группы ТВ - при обработке углеродистых и легированных сталей; сплавы группы ТТВ - при обработке труднообрабатываемых материалов, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов, при черновом точении и фрезеровании стальных заготовок. Выпускаются два типа твердосплавных пластин - для напаивания на державки и корпуса инструментов и для механического закрепления на них (последний вид крепления предпочтительный). Назначение, форма, размеры и степень точности твердосплавных пластин установлены стандартом.

Минералокерамические твердые сплавы состоят из огнеупорных оксидов алюминия (А1203) или циркония (Zr02), связанных стекловидным веществом. Эти сплавы, изготовляемые методом прессования порошков указанных оксидов с последующим их спеканием, имеют высокие твердость (91-92 HRA ), теплостойкость (1300 °С) и износостойкость, но они очень хрупкие.

Несколько менее хрупкими являются керметы - твердые сплавы, у которых огнеупорные окислы связаны металлами (железом, никелем, титаном и др.), Минерало-керамику и керметы применяют для чистового точения (со скоростью 4-5 м/с) заготовок с равномерным припуском; при этом обязательным условием является высокая жесткость станка и технологической оснастки.

В последние годы в качестве инструментальных материалов для лезвийного инструмента (резцов, сверл, фрез) применяют монокристаллы природного алмаза и поликристаллы синтетического алмаза и кубического нитрида бора (эльбора). В зависимости от исходного сырья, легирующих добавок и технологии производства получают различные виды эльбора, называемые композитами.

Алмазные лезвийные инструменты применяют для высокопроизводительной чистовой и получистовой обработки (со скоростью резания 5-10 м/с) цветных металлов и сплавов, титана и неметаллических материалов.

Лезвийные инструменты из эльбора используют для чистовой обработки (со скоростью резания 0,7-1,7 м/с) закаленных легированных и закаленных инструментальных сталей. Такая производительность невозможна при резании другими инструментальными материалами. Например, при обработке резцами из эльбора скорость резания достигает 7-12 м/с, т. е. приближается к скорости шлифования.

Износ металлорежущего инструмента увеличивает погрешность на размер, влияет на качество обрабатываемой поверхности, увеличивает силы резания приводит к искажению поверхностного слоя детали.Износ и технологический период стойкости инструмента можно уменьшить за счет применения прогрессивных материалов и сборных инструментов оснащенных сменными многогранными пластинами.

Процесс резания сопровождается большим давлением на режущий инструмент, трением и тепловыделением. Такие условия работы выдвигают ряд требований, которым должны удовлетворять материалы, предназначенные для изготовления режущего инструмента.

Инструментальные материалы должны иметь высокую твердость, превышающую твердость обрабатываемого материала. Высокая твердость материала режущей части может быть обеспечена физико-механическими свойствами материала (алмазы, карбиды кремния, карбиды вольфрама и др.) или

его термической обработкой (закалка и отпуск).

В процессе резания срезаемый слой давит на переднюю поверхность инструмента, создавая в пределах площади контакта нормальное напряжение. При резании конструкционных материалов с установленными режимами резания нормальные контактные напряжения могут достигать значительных величин. Режущий инструмент должен выдерживать такие давления без хрупкого разрушения и пластического деформирования. Так как режущий инструмент может работать в условиях переменных значений сил, например из-за неравномерно снимаемого слоя металла заготовки, важно, чтобы инструментальный материал сочетал в себе высокую твердость с сопротивляемостью на сжатие и изгиб, обладал высоким пределом выносливости и ударной вязкостью. Таким образом, инструментальный материал должен отличаться высокой механической прочностью.

При резании со стороны заготовки на инструмент действует мощный тепловой поток, в результате чего на передней поверхности инструмента устанавливается высокая температура. При этом режущие элементы инструмента теряют свою твердость и изнашиваются из-за интенсивного разогревания. Поэтому важнейшим требованием, предъявляемым к инструментальному материалу, является его высокая теплостойкость – способность сохранять при нагреве твердость, необходимую для осуществления процесса резания.

Перемещение стружки по передней и задней поверхностям резания инструмента при высоких контактных напряжениях и температурах приводят к изнашиванию рабочих поверхностей. Таким образом, высокая износостойкость – важнейшее требование, предъявляемое к характеристике инструментального материала. Износостойкость – это способность инструментального материала сопротивляться при резании удалению его частиц с контактных поверхностей инструмента. Она зависит от твердости, прочности и теплостойкости инструментального материала.

Инструментальный материал должен обладать высокой теплопроводностью. Чем она выше, тем меньше опасность возникновения шлифовочных ожогов и трещин.

В промышленности используется большое количество инструмента, что требует соответствующего расхода инструментального материала. Инструментальный материал должен быть по возможности дешевым, не содержать дефицитных элементов, что не будет увеличивать стоимость инструмента и, соответственно, стоимость изготовления деталей.

В соответствии с химическим составом и физико-механическими свойствами инструментальные материалы делят на :

углеродистые инструментальные стали;

легированные инструментальные стали;

быстрорежущие стали и сплавы (высоколегированные);

твердые сплавы;

минералокерамику;

абразивные материалы;

алмазные материалы.

Наиболее распространенными из углеродистых инструментальных материалов являются марки: У9А, У10А, У12А, У13А.

Маркировка углеродистых инструментальных сталей расшифровывается так: буква «У» означает, что сталь углеродистая; цифра указывает на содержание в ней углерода в десятых долях процента; буква «А» говорит о том, что сталь высококачественная.

Углеродистые стали из-за отсутствия легирующих химических элементов хорошо шлифуются и являются дешевым инструментальным материалом. Вместе с тем инструмент, изготовляемый из углеродистой стали, сравнительно быстро изнашивается и теряет твердость, полученную при закалке.

Из этих сталей изготовляют инструменты малых габаритных размеров для работы по мягким материалам с малой скоростью резания. Из сталей марок У7А, У7, У8А, У8, У8ГА, У9А и У9 производят различные слесарные и кузнечные инструменты, инструменты для обработки дерева, кожи и др. Из этих же марок сталей изготовляют державки и корпуса инструментов, оснащенных пластинками из твердого сплава.

Легированные инструментальные стали получаются путем добавления в углеродистые стали небольшого количества легирующих элементов: хрома (Х), вольфрама (В), ванадия (Ф), кремния (С), марганца (Г). Наибольшее применение при изготовлении инструментов нашли стали марок ХВ5, ХВГ, 9ХС.

Сталь ХВ5 после термообработки приобретает весьма высокую твердость ( HRC 67…67), плохо прокаливается, но по прочности не уступает стали У12А, но из-за большой твердости обладает высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. Для изготовленных из нее инструментов характерна высокая формоустойчивость лезвий. Эта сталь применяется для изготовления инструментов, работающих при небольших скоростях резания.

Сталь ХВГ после закалки и отпуска приобретает твердость HRC 63…65 и достаточно высокую вязкость, отличается малыми объемными изменениями при закалке, хорошо прокаливается, но имеет пониженное сопротивление малым пластическим деформациям. Инструмент, изготовленный из этой стали, мало деформируется и хорошо поддается правке.

Сталь 9ХС после термообработки приобретает твердость HRC 63…64. Она обладает хорошей закаливаемостью. Инструмент из этой стали малодеформируется. Сталь также малочувствительна к перегреву. Сталь 9ХС особо пригодна для изготовления инструментов с тонкими режущими элементами.

Высоколегированные инструментальные (быстрорежущие) стали и сплавы получаются при добавлении в углеродистую сталь большого количества легирующих элементов: вольфрама, ванадия, молибдена, хрома. Введением в сталь вольфрама, ванадия, молибдена и хрома в значительных количествах получают сложные карбиды, связывающие почти весь углерод, что обеспечивает возрастание теплостойкости быстрорежущей стали.

В отличие от углеродистых и легированных инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают более высокими твердостью, прочностью, тепло- и износостойкостью, сопротивлением малым пластическим деформациям, хорошей прокаливаемостью. Благодаря высокой теплостойкости быстрорежущих сталей инструменты, изготовленные из этих сталей, работают со скоростями резания, в 2,5…3 раза более высокими, чем те, которые при равной стойкости допускают углеродистые инструменты. По уровню теплостойкости быстрорежущие стали разделяют на:

стали нормальной теплостойкости (Р18, Р9, Р12, Р6М3 и Р6М5);

стали повышенной теплостойкости, легированные ванадием (ванадиевые стали Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5) и кобальтом (кобальтовые стали Р9К5, Р9К10);

высоколегированные стали и сплавы высокой теплостойкости (быстрорежущие стали повышенной прочности) – безуглеродистые сплавы (Р18М3К25, Р18М7К25 и Р10М5К25), отличающиеся содержанием вольфрама и молибдена.

Кроме традиционных быстрорежущих сталей, получаемых плавкой, в последнее время освоено производство порошковых быстрорежущих сталей, имеющих более высокие режущие свойства за счет особой мелкозернистой структуры. Такие стали позволяют получить лезвия с очень малым начальным радиусом округления режущей кромки.

Широкое применение быстрорежущей стали при изготовлении самых разных инструментов объясняется ее хорошими режущими и технологическими свойствами. Из быстрорежущих сталей изготовляют различные режущие инструменты, в том числе и фрезы для обработки древесных и композиционных материалов. Ввиду высокой стоимости быстрорежущих сталей, их, в основном, применяют при изготовлении сборного инструмента в виде режущих пластин.

Твердые сплавы. Помимо сборного инструмента, с пластинами из быстрорежущих сталей широкое распространение получили конструкции фрез, оснащенных твердым сплавом. В отличие от углеродистых, легированных и быстрорежущих сталей, производимых методом выплавки в электроплавильных печах с последующей прокаткой, твердые сплавы получают металлокерамическим методом порошковой металлургии (спечением). Исходными материалами для изготовления твердых сплавов являются порошки карбидов тугоплавких металлов: вольфрама, титана, тантала и не образующего карбидов кобальта. Порошки смешивают в определенных пропорциях, прессуют в формах и спекают при температуре 1500…2000 0 С. При спекании твердые сплавы приобретают высокую твердость и в дополнительной термической обработке не нуждаются.

Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокими тугоплавкостью и твердостью. Они образуют режущую основу сплава, а кобальт, по сравнению с карбидами вольфрама, титана и тантала, значительно мягче и прочнее, и поэтому в сплаве он является связкой, цементирующей режущую основу. Увеличение количества карбидов вольфрама, титана, тантала приводит к увеличению твердости и теплостойкости сплава и снижает его механическую прочность. При увеличении содержания кобальта твердость и теплостойкость сплава снижаются, но возрастает его прочность.

Промышленность выпускает четыре группы твердых сплавов:

вольфрамовые однокарбидные (ВК), спекаемые из карбида вольфрама и кобальта: ВК2, ВК3М, ВК4, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В;

вольфрамовые двухкарбидные (титановольфрамовые ТК), спекаемые из карбида вольфрама, карбида титана и кобальта: Т30К4, Т5К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В;

вольфрамовые трехкарбидные (титанотанталовольфрамовые ТТК), спекаемые из карбида титана, карбида тантала и карбида вольфрама и кобальта: ТТ7К12;

безвольфрамовые (ТНТ – КНТ), спекаемые из карбида титана (ТНТ), нитрида титана (КНТ), никеля и молибдена.

Различные физико-механические и режущие свойства инструментов определяются химическим составом марок твердых сплавов. Основные свойства твердых сплавов представлены в табл. 1. 2 .

Сплавы группы ВК используют для обработки хрупких материалов.

Таблица 1.2

Основные свойства твердых сплавов

Сплавы группы ТК обладают высокими износо- и теплостойкостью, но более хрупкие, чем сплавы группы ВК. Основные свойства и химический состав некоторых сплавов группы ВК представлены в табл. 1. 3 .

Сплавы группы ТТК по применяемости универсальны и годятся для обработки многих конструкционных материалов. Сплавы отличаются меньшей хрупкостью, большей прочностью удержания карбидной фазы, лучшей сопротивляемостью высокотемпературной текучести и большим пределом прочности при циклическом характере нагружения, чем сплавы ТК и ВК. Поэтому, инструмент, оснащенный пластинами из ТТК, особенно эффективен в процессах прерывистого резания. В этих случаях повышенная прочность сплавов ТТК компенсирует их пониженную теплостойкость. Основные свойства и химический состав некоторых сплавов групп ТК и ТТК представлены в табл. 1. 4 .

Таблица 1.3

Основные свойства и химический состав некоторых сплавов группы ВК

Важнейшими правилами при выборе марки твердого сплава в пределах каждой группы являются:

при тяжелых условиях работы инструмента в силовом отношении твердый сплав должен содержать достаточно большой процент кобальта;

чем легче силовой режим работы, тем больше в сплавах должно содержаться карбидов титана и вольфрама.

Для изготовления режущих инструментов твердые сплавы поставляют в виде пластинок определенной формы и размеров.

Твердые сплавы в форме пластинок соединяют с крепежной частью пайкой или с помощью специальных высокотемпературных клеев. Многогранные твердосплавные пластины закрепляют прихватами, винтами, клиньями и др.

Таблица 1.4

Основные свойства и химический состав некоторых сплавов групп ТК и ТТК

Мелкоразмерные твердосплавные инструменты изготовляют в виде припаиваемых к хвостовикам твердосплавных стержней и коронок или целиком из твердого сплава.

Наряду с вольфрамовыми твердыми сплавами существуют также сплавы, не содержащие карбида вольфрама, и называются безвольфрамовыми твердыми сплавами.

Причиной полной или частичной замены карбида вольфрама другими твердыми материалами послужил дефицит вольфрама в качестве сырья для получения металлокерамических твердых сплавов.

Полная замена карбида вольфрама может осуществляться тремя путями :

Применение других твердых материалов, например нитридов, боридов, силицидов, окислов или карбидов неметаллов (карбидов бора и кремния);

Замена карбида вольфрама другими тугоплавкими карбидами металлов (карбидами ниобия, циркония, гафния, ванадия и др.) или их бинарными или тройными твердыми сплавами;

Простое исключение карбида вольфрама из состава твердого сплава.

Безвольфрамовые твёрдые сплавы по сравнению с вольфрамовыми имеют меньшую прочность на изгиб, но обладают более высокой твёрдостью и низкой схватываемостью со сталями. Инструменты из этих сплавов работают по сталям практически без наростообразования, что и определяет область их применения (чистовое и получистовое точение и фрезерование малолегированных, углеродистых сталей, чугуна и цветных сплавов). Износостойкость в 1,2 - 1,5 раза выше, чем у сплавов группы ТК. Основные физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов представлены в табл. 1. 7 .

Таблица 1.5

Физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов

Недостатком является то, что безвольфрамовые твердые сплавы плохо поддаются пайке и заточке вследствие неудовлетворительных термических свойств и поэтому применяются в основном в виде неперетачиваемых пластин.

Материалом для изготовления инструментов может служить также минералокерамика, представляющая собой кристаллический оксид алюминия ( Al 2 O 3 ). Широкое распространение получила минеральная керамика марки ЦМ-332.

В результате спекания минералокерамика становится поликристаллическим телом, которое состоит из мельчайших кристаллов корунда и межкристаллитной прослойки в виде аморфной стекловидной массы. Минералокерамика является дешевым и доступным инструментальным материалом, так как не содержит дефицитных и дорогих элементов, являющихся основой инструментальных сталей и твердых сплавов.

Кроме того, минералокерамика обладает высокой твердостью и исключительно высокой теплостойкостью. По теплостойкости минеральная керамика превосходит все распространенные инструментальные материалы, что позволяет минералокерамическому инструменту работать со скоростями резания, значительно превышающими скорости резания твердосплавных инструментов, и что является основным достоинством минеральной керамики.

Вместе с указанными достоинствами минералокерамики она имеет недостатки, ограничивающие ее применение: пониженную прочность на изгиб, низкую ударную вязкость, исключительно низкую сопротивляемость циклическому изменению тепловой нагрузки. В результате этого при прерывистом резании на контактных поверхностях инструмента возникают температурные усталостные трещины, являющиеся причиной преждевременного выхода инструмента из строя.

Низкая прочность на изгиб и высокая хрупкость минеральной керамики позволяют использовать ее лишь в инструментах для обработки конструкционных материалов на чистовых операциях с непрерывным точением и с малыми сечениями срезаемого слоя при отсутствии толчков и ударов.

Режущий инструмент оснащается пластинками из минералокерамики определенных форм и размеров. Пластинки крепятся к корпусу инструментов припаиванием, приклеиванием и механическим путем.

Все шире в деревообработке применяют алмазные и сверхтвердые материалы, которые можно разделить на три разновидности:

природные и синтетические алмазы в виде моно- и поликристаллов;

кубический нитрид бора, в виде моно- и поликристаллов;

синтетические поликристаллические композиционные материалы (композиты), получаемые путем синтеза или спекания.

Природные алмазы представляют собой особую группу материалов для оснащения режущих инструментов.

Разновидностями алмаза являются: баллас, карбонадо, борт. Полезным свойством алмазов является, в первую очередь, исключительно высокая их твердость. Высокая теплопроводность, намного превышающая теплопровод-

ность всех известных инструментальных материалов, и малый коэффициент линейного расширения алмаза позволяют проводить алмазным инструментом точную размерную обработку. Низкий коэффициент трения об обрабатываемый материал и малая склонность к адгезии обеспечивают при резании алмазными инструментами малую шероховатость поверхности.

В промышленности используют как природные (марки А), так и синтетические алмазы (марок АСО, АСР, АСВ и др.). Синтетические алмазы получают из графита и углеродистых веществ. Разновидности природного алмаза: борт и карбонадо – используют только в промышленности.

К синтетическим сверхтвердым материалом того же назначения, что и алмаз, относят кубический нитрид бора (эльбор). Он образуется в результате химического соединения бора и азота. Твердость эльбора ниже, чем алмаза, однако по теплостойкости кубический нитрид бора превосходит алмаз, но по теплопроводности примерно в 3 раза ниже его. Производство крупных поликристаллических образований кубического нитрида бора диаметром 3…4 и длиной 5…6 мм, обладающих высокой прочностью, позволяет оснащать им режущий инструмент.