2. Инструментальные материалы

2.1. Требования, предъявляемые к инструментальным материалам

Инструментальные материалы предназначены для изготовления лезвий режущих инструментов. Они работают в условиях высоких температур и удельных нагрузок, обуславливающих их интенсивный износ и разрушение. Поэтому главнейшими требованиями, предъявляемыми к инструментальным материалам при их создании, являются обеспечение их максимальной твердости, теплостойкости, прочности и теплопроводности. Усовершенствование инструментальных материалов прежде всего направлено на повышение уровня этих показателей. Существенное значение имеют также химический состав и технологические свойства инструментальных материалов: обрабатываемость резанием, прокаливаемость, шлифуемость, свариваемость и др.

Химический состав инструментального материала важен с точки зрения содержания в материале дорогостоящих и дефицитных химических элементов, имеющих стратегическое значение.

Высокая твердость необходима для снижения интенсивности изнашивания инструмента и возможности обрабатывать материалы с высокой твердостью. Чем выше превосходство инструментального материала перед обрабатываемым в твердости, тем медленнее происходит изнашивание режущего инструмента и меньше расход режущего инструмента.

При обработке резанием происходит нагрев режущего инструмента тем больше, чем выше скорость резания. При этом важно сохранить твердость инструментального материала. При нагреве последние тем больше теряют в твердости, чем выше температура, Однако степень снижения твердости у различных материалов разная. Способность материала сохранять твердость при нагреве характеризуется теплостойкостью. Показателем теплостойкости является допустимая температура резания θд, под которой понимают предельную температуру нагрева инструмента при обработке. Превышение этой температуры при обработке недопустимо из-за чрезмерного уменьшения твердости инструментального материала.

Прочность инструментального материала характеризуется способность лезвия инструмента воспринимать нагрузки без разрушения при изгибе, ударе и т.п. Чем выше прочность инструментального материала, тем больший слой может срезать лезвие, тем меньше оно разрушается при ударных нагрузках. В качестве показателя прочности инструментального материала принимается предел прочности при изгибе σ_u.

Теплопроводность инструментального материала оказывает влияние на температуру его нагрева и на возникновение термических напряжений в лезвии при обработке. Она характеризуется коэффициентом теплопроводности. Малые значения его не только способствуют накоплению тепла в лезвии и повышению его температуры, но и неравномерному распределению ее в лезвии инструмента, что приводит к образованию трещин в режущем инструменте.

По химическому составу, физико-механическим свойствам, технологическим и другим признакам инструментальные материалы могут быть объединены в пять групп: инструментальные стали, твердые сплавы, дисперсионно твердеющие сплавы, минералокерамика, сверхтвердые материалы (СТМ).

2.2. Инструментальные стали

1. Углеродистые инструментальные стали

Основными марками инструментальных углеродистых сталей являются: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13, которые могут быть не только качественными, но и высококачественными. Число после буквы У указывает на содержание углерода в десятых долях процента, буква У означает, что сталь данной марки относится к углеродистой инструментальной. Эти стали характеризуются твердостью HRC 60...63, пределом прочности при изгибе σ_u = 2000...2200 МПа, допустимой температурой К. Углеродистые стали удовлетворительно обрабатываются резанием, удовлетворительно шлифуются, проявляют плохую прокаливаемость и склонность к короблению инструмента при термической обработке. Они рекомендуются для изготовления инструментов несложной формы, предназначенных для обработки при низких скоростях резания, не превышающих 0,1 м/с: ручные метчики, плашки, развертки и др. Производство инструментов из углеродистых инструментальных сталей составляет около 5% от общего производства инструментов в мире.