Материалы для режущих инструментов
Требования к материалам режущих инструментов. Режущая часть (режущий клан) инструментов при работе подвергается истиранию, тепловым воздействиям и силовым нагрузкам, осуществляя непрерывное деформирование срезаемого слоя. Эти очень тяжелые условия работы определяют требования к материалам режущей части. Пригодность подобных материалов определяется их твердостью, теплостойкостью, механической прочностью, износостойкостью, технологичностью и стоимостью.
Понятно, что внедрение одного материалу (клина) в другой (заготовку) возможно лишь при преобладающей твердости первого. Из табл. 1 видно, что алмаз и кубический нитрид бора имеют наиболее высокую твердость, а твердые сплавы и минералокерамика значительно тверже закаленных инструментальных сталей. Твердость большинства конструкционных материалов ниже твердости соответствующего инструмента. Однако под воздействием высокой температуры при резании твердость многих материалов снижается и, в частности, твердость инструмента может оказаться недостаточной для осуществления резания. Свойство материала сохранять необходимую твердость при высокой температуре называется теплостойкостью, которая характеризуется критической температурой. Инструмент с температурой выше критической эффективно работать не будет (см. табл. 1). Очевидно, что эта температура определяет допустимую скорость резания.
Таблица 1
Материалы |
Марка |
Микротвердость, МПа |
Теплостойкость, К |
Предел прочности, МПа |
Ударная вязкость, Дж/м2·10-6 |
Коэффициент относительной скорости резания |
на изгиб |
на сжатие |
Твердые сплавы |
Т15К6 ВК8 |
27500 15700 |
1176 1123 |
1130 1570 |
3900 4410 |
2,94 5,88 |
4 3 |
Быстрорежущая сталь |
Р18 |
13200 |
888 |
3530 |
3530 |
9,81 |
1 |
Минералокерамика |
ЦМ332 |
22 500 |
1473 |
390 |
1470 |
0,98 |
5-7 |
Кубический нитрид бора |
Эльбор |
90700 |
1573 |
785 |
-- |
-- |
6-8 |
Легированная сталь |
ХВГ |
11800 |
503 |
3430 |
3430 |
9,81 |
0,6 |
Углеродистая сталь |
У10Л |
12800 |
493 |
2940 |
2940 |
9,81 |
0,4 |
Алмазы |
А |
98 700 |
973 |
290 |
1960 |
-- |
1,5 |
Важность механической прочности для инструментальных материалов обусловлена особенностью нагружения режущих зубьев: консольным расположением (закреплением) зуба, возможностью ударных нагрузок, работой режущих элементов на изгиб, растяжение и сжатие. Поэтому пределы прочности на изгиб и сжатие и ударная вязкость являются основными показателями прочности инструментальных материалов.
Способность противостоять изнашиванию при трении также является важным свойством материала инструмента, так как при работе он подвергается истиранию в местах контакта с заготовкой. Износостойкость характеризуется работой трения, отнесенной к величине стертой массы материала.
Технологичность инструментального материала, т.е. степень его соответствия технологии термической обработки, обработки давлением, механической обработки и др., является свойством, определяющим возможность использования его в конструкции режущего инструмента. Так, материалы с плохой шлифуемостыо будут неудобны при изготовлении и переточке инструмента; слишком узкий температурный интервал нагрева материала при термообработке может привести к бракуи т. п. Технологичность материала может оцениваться и такими его свойствами, как свариваемость, припаиваемость и др.
Понятно, что материал режущих инструментов не должен состоять лишь из дорогих и дефицитных элементов, поскольку это будет сказываться на его стоимости и широте применения.
Инструментальные стали. Стали применяют достаточно широко для изготовления корпусной и крепежно-присоединителыюй частей режущих инструментов, а во многих случаях и их режущей части. Если инструмент работает при низких скоростях резания и не нагревается свыше 200-220 °С, то его можно изготовлять из углеродистой инструментальной стали марок У7А, У8А, У10А, У13А и др. Обычно режущий инструмент для таких слесарных работ, как опиливание, шабрение, рубка, нарезание резьбы (т. е. напильники, шаберы, зубила, метчики, плашки и др.), делается из этих сталей и после термической обработки может иметь высокую твердость (до HRC 64). Закалка (охлаждение) сталей ведется в воде. Однако и в этом случае' ввиду высокой критической скорости закалки эти стали прокаливаются на небольшую глубину, и сердцевина инструмента остается вязкой. Для снятия внутренних напряжений применяют отпуск при температуре 120-150 °С. Химический состав и марки инструментальных углеродистых сталей приведены в ГОСТ 1435-74.
Для повышения тех или иных свойств углеродистых инструментальных сталей в их состав вводят так называемые легирующие элементы, обозначаемые соответствующими буквами в марках стали. Так, никель (Н) после соответствующей термообработки стали сообщает ей тонкую структуру, определяющую высокую пластичность и вязкость, увеличивает прокаливаемость. Марганец (Г) увеличивает прокаливаемость и прочность стали, ускоряет процесс цементации и повышает износостойкость. Хром (X) упрочняет сталь в результате его растворения в железной основе и образования карбидов. Вольфрам (В) повышает твердость путем образования сложных карбидов и сохраняет твердость сплава при отпуске, уменьшает его склонность к росту зерна при нагреве, повышает износостойкость и теплостойкость. Ванадий (Ф) резко уменьшает рост зерна при нагреве, увеличивает устойчивость против снижения твердости при отпуске, улучшает свариваемость, но ухудшает шлифуемость материала. Молибден (М) уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости, повышает прокаливаемость, придает повышенную прочность, пластичность и вязкость. Кремний (С) улучшает прокаливаемость стали, снижает ее чувствительность к перегреву, равномернее распределяет карбиды.
Марки и химический состав инструментальных легированных сталей определены ГОСТ 5950—73. Теплостойкость их не превышает 250-300 °С, что позволяет несколько увеличить скорость резания (см. табл. I) инструментами из этих материалов. Низколегированные стали X, В2Ф, 13Х и др. применяют для слесарных инструментов (плашек, разверток, метчиков, шаберов, зубил и др.). Высоколегированные стали ХВСГ, 9ХС, ХВГ и др. служат для изготовления разверток, фасонных резцов, сверл малого диаметра, концевых фрез, протяжек, метчиков и других инструментов, работающих при скоростях резания до 0,33 м/с.
Особую группу составляют быстрорежущие стали, имеющие содержание вольфрама от 6 до 18%, ГОСТ 19265 — 73 предусматривает более десяти марок этих сталей и их химический состав. Марки образуются в зависимости от содержания кобальта (К), молибдена (М), ванадия (Ф)и вольфрама (Р), причем все эти стали имеют 3,0—4,6% хрома и 0,7—1,3% углерода. Стали Р18, Р12, Р9 относятся к вольфрамовым быстрорежущим, РбМЗ и Р6М5 — к вольфрамомолибденовым, Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5 — к вольфрамованадиевым, Р9К5 и Р9К10 — к вольфрамокобальтовым, Р18К5Ф2, Р10К5Ф5 и др.— к сложнолегированным быстрорежущим.
Быстрорежущие стали отличаются высокой теплостойкостью, доходящей у лучших марок до 650°С. Они пригодны для режущей части инструментов, работающих при скоростях резания 0,8 — 1,0 м/с. Так, из стали нормальной производительности Р9, Р18, Р6М5 делают режущую частьавтоматных и фасонных резцов, сверл, зенкеров, фрез, разверток, зуборезного инструмента, а из быстрорежущих сталей повышенной производительности Р18Ф2, Р9Ф5, Р14Ф4-И др. — аналогичные инструменты для обработки высокопрочных и труднообрабатываемых материалов. Ввидудефицитности вольфрама инструмент из этих сталей делают во многихслучаях составным, т. е. режущую часть из быстрорежущей стали, а корпусную или крепежно-присоединптельную — из конструкционной стали.
Инструмент после термообработки имеет высокую твердость режущей части (до HR С 64 и выше).
Быстрорежущие стали появились почти сто лет назад. В СССР в качестве основных использовались марки РФ1 или РФ2, которые затем были заменены приведенными выше марками сталей, имеющими улучшенные качества.
Создаются новые марки быстрорежущих сталей с теплостойкостью более 700 СС, а также марки с малым содержанием вольфрама.
Твердые сплавы. Отечественная промышленность выпускает свыше 30марок твердых сплавов (ГОСТ 3882 — 74), в том числе около 20 марок дляизготовления режущих частей инструментов. Эти материалы представляют
собой сплавы карбидов тугоплавких металлов с кобальтом, являющимсясвоеобразной связкой. Их получают методом прессования шихты и последующего спекания полученных элементов режущего инструмента (пластин,
зубьев, коронок и т. п.).
Металлокерамические вольфрамовые твердые сплавы разделяют на одно-, двух- и трех карбидные. Однокарбидные сплавы производятся на базе карбида вольфрама и называются вольфрамокобальтовыми (группа ВК). В марках ВК2, ВК4, ВК6, ВК8 цифра показывает процентное содержание кобальта (остальное — карбиды вольфрама). Сплавы этой группы наиболее прочные. С увеличением содержания кобальта повышается сопротивление сплава ударным нагрузкам, но уменьшается его износостойкость. Применяются для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т.е. с температурой 950—1000°С.
Двухкарбидные твердые сплавы помимо компонентов группы ВК содержат карбиды титана н называются титановольфрамокобалтовые (группа ТВК или ТК). В марках Т5КЮ, Т14К8, Т15К6, T3QK4 цифры после буквы Т показывают процентное содержание карбидов титана, после К — содержание металлического кобальта (остальное — карбиды вольфрама). Сплавы этой группы более износостойки и менее прочны, чем сплавы группы ВК. Применяются при обработке углеродистых и легированных Конструкционных сталей точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т. е. температурой 1100 -1150 °С.
Трехкарбидные твердые сплавы по сравнению со сплавами группы ТВК включают еще и карбиды тантала и называются титанотанталовольфрамокобальтовыми (группа ТТК). В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед К показывает суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, после К — содержание кобальта (остальное — карбиды вольфрама). Сплавы этой группы имеют высокую прочность и применяются при обработке жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов.
В нашей стране и за рубежом ведутся работы по использованию особо мелкого зерна карбидов вольфрама в производстве вольфрамокобальтовых и титановольфрамокобальтовых сплавов. Особомелкозериистая структура (ОМ) способствует повышению износостойкости материала без существенного снижения его прочности. Сплавы ВК6-ОМ, ВК10-ОМ, ВК15-ОМ имеют основную массу зерен размером менее 1 мкм. ГОСТ 3882 — 74 предусматривает применение мелкозернистых (М) вольфрамокобальтовых сплавов ВКЗ-М, ВК6-М и др.
Имеются безвольфрамовые твердые сплавы ТМ1, ТМЗ, ТН-30, КНТ-16 и др. на основе карбидов или других соединений титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов. Например, сплав TM1
имеет износостойкость при обработке стали 50 в 2 раза выше, чем сплавТЗ0К4, сплав “Монитикар” на базе тех же компонентов имеет значительные перспективы применения.
Каждая марка твердого сплава может эффективно применяться лишь в конкретных условиях. Наша промышленность производит твердые сплавы для всех условий обработки. В табл. 2 приведены некоторые твердые сплавы, удовлетворяющие областям применения, разработанным международной организацией по стандартизации (ИСО). Сплавы группы Р предназначены для обработки материалов, дающих сливную стружку (в основном сталей), сплавы группы М — для обработки нержавеющих, жаропрочных сталей и титановых сплавов. Сплавы группы К применяют при обработке малопластичных материалов, цветных сплавов, пластмасс, древесины, чугуна.
Таблица 2
Группа сплавов по ИСО
|
Основная подгруппа применения по ИСО
|
Марка сплава
|
Группа сплавов по ИСО |
Основная подгруппа применения по ИСО
|
Марка сплава |
Группа сплавов по ИСО
|
Основная подгруппа применения по ИСО
|
Марка сплава |
Р |
Р0М
Р10
Р20 |
ТЗОК4
Т 15 Кб
Т14КЗ |
М |
М01
М05
М10 |
ВК6-ОМ
ВК6-М ТТ8К6 |
К |
К01
К05
К10 |
ВК3--М
ВКб-ОМТТ8К6 |
Р25
Р30
|
ТТ20К9
Т5К10ТТ10К8-Б |
М20
М30
|
ТТ10К8Б
В К 10-ОМ
ВК-8 |
К15
К20
|
ВКб-М
ВКб
ВК4 |
Р40
Р50
|
T5KI2B ТТ7К12ТТ7К12 |
М40
|
ТТ7К12
ВК 10-ОМ |
К 30
К40
|
ВК4ВК8
ВК15 |
Применение твердых сплавов расширяется и составляет для резцов 95%, для фрез 4,5%, для осевого инструмента около 1 % общего выпуска этих инструментов. В ряде случаев режущие пластины сплавов покрывают тончайшим (5 — 10 мкм) слоем износостойкого материала (карбида, нитрида к карбонитрида титана и др.), что повышает стойкость пластин в 2—3 раза.
Минералокерамика, композиты и алмаз. Поиски инструментальных материалов, не содержащих дефицитных элементов, привели к созданиюв начале 50-х гг. минералокерамических режущих пластин на основе окиси
алюминия. МХТИ им. Менделеева и ВНИИАШ были разработаны,а ВНИИ и ЦНИИТмашем испытаны минералокерамики марок ЦВ-14и ЦМ-332. Материал ЦМ-332 широко применялся для чистовых и финишных операций при обработке стальных и чугунных заготовок. Улучшение свойств минералокерамики достигается уменьшением размеров зерен структуры и добавлением карбидов тугоплавких материалов (вольфрама, титана), связующих элементов (никеля и др.).
ВНИИТС создана минералокерамика оксидно-карбидного типа-марки D3. Ее прочность при изгибе в 2,5 раза выше, чем у ТЦМ-ЗТ2 при той же твердости, теплостойкость около 1200 °С, что позволяет вести обработку при скорости резания более 25 м/с. Также освоен выпуск минералокерамики марок ВОК-60, ВОК-63 и др. Перспективными материалами для изготовления режущей части резцов являются поликристаллы кубического нитрида бора, известные под названием эльбор-Р, композит, исмит и гексанит-Р. При финишной обработке таким инструментом заготовок из чугуна и закаленных сталей высокой твердости достигается шероховатость поверхности, соответствующая шлифованию. Резцы и фрезы имеют режущие элементы из поликристаллов диаметром до 4 мм и длиной до 6 мм.
Для чистового точения деталей из цветных металлов и сплавов, пластмасс и других неметаллических материалов применяют резцы из природных алмазов массой 0,21—0,85 карата, закрепляемых механическим способом или напайкой в переходных державках диаметром до 20 мм и длиной до 50 мм. Для обработки твердых сплавов, высококремнистых материалов, стеклопластиков и других пластмасс применяют синтетические алмазы типа карбонадо и баласс (марки АСПК и АСБ),. которые по своим свойствам соответствуют природным алмазам тех же сортов.
Шлифующие материалы. Для изготовления шлифовальных кругов, лент, паст, шкурок и т. п. применяют различные шлифующие (абразивные) и связующие их материалы. Абразивные (от латинскогоabrasio — соскабливание) круги для машиностроения изготовляют из синтетических материалов, так как естественные материалы не обладают постоянством свойств. Материалы на базе окиси алюминия и карбида кремния обозначаются цифрами: нормальный электрокорунд — 1, белый электрокорунд — 2, хромистый и титанистый электрокорунд — 3, монокорунд — 4, карбид кремния черный — 5, зеленый карбид кремния — 6. Маркировка абразивного материала включает еще одну цифру, а также буквы А или С, обозначающие соответственно электрокорунд или карбид кремния. Например, электрокорунды имеют маркировку 16А, 15А, 14А и др., 25А, 24А и др., 34А, ЗЗА и др., 45А, 44А и др. Карбиды же кремния маркируются так: 64С, 65С и др., 55С, 54С и др.
Электрокорунды изготовляют в дуговых печах восстановительной плавкой шихты, а карбиды кремния — в электрических печах сопротивления си лидированием частиц углерода парами кремниевой кислоты. После плавки получают различными способами шлифпорошки, шлифзерна и микропорошки, которые используют для изготовления различных инструментов.
В СССР в качестве шлифующих материалов применяются также, синтетические алмазы, которые выпускают в виде порошков пяти марок АС (алмаза синтетического): АСО, АСР, АСВ, АСК и АСС и в виде микропорошков двух марок — АСМ и АСЫ. Алмаз АСО применяют для паст и порошков, алмаз АСР, имеющий повышенную прочность, применяют для инструментов на керамической, и металлической связках. Высокопрочный синтетический алмаз АСВ применяют для инструментов на металлической связке, работающих при повышенных ударных нагрузках. В особо тяжелых условиях работы применяют алмаз АСК. Самая высокая прочность у алмаза АСС, используемого для инструментов, правящих шлифовальные круги. Кроме синтетических алмазов, для абразивной обработки используют эльбор-Л, кубонит, а также дробленые естественные алмазы типа карбонадо и баласс. Виды и характеристики шлифовальных инструментов приведены в гл. IX.
Абразивно-алмазные инструменты состоят из режущего материала, пор и связки. Различают связки керамические, органические, металлические и др. Для алмазных и эльборовых кругов применяют органические связки (Б1, Б2, БЗ, Б4, Б8. БШ и др.) на основе фенолформальдегидных смол с наполнителями в виде карбида бора, талька, резиновой муки и др. Металлические связки (М5, М52. МСЗ, МО4, МП2, ОМКЗ и др.) представляют собой композиции на основе меди, олова, железа, алюминия, никеля и других металлов с наполнителем из электрокорунда, карбида бора или кремния и т. п. Керамические связки для алмазных и эльборовых кругов (К1, К16, СЮ, СК и др.) имеют те же наполнители. Для полировальных кругов применяют свках РўРў7Рљ12, РўРў8Рљ6, РўРў20Рљ9 цифра перед Рљ показывает суммарное процентное содержание карбидов титана Рё тантала, после Рљ — содержание кобальта (остальное — карбиды вольфрама). Сплавы этой РіСЂСѓРїРїС‹ имеют высокую прочность Рё применяются РїСЂРё обработке жаропрочных сталей Рё сплавов, титановых сплавов.
|