§ 11. Материалы для изготовления режущих инструментов

1. Основные инструментальные материалы. Режущий инструмент при снятии стружки находится под действием высоких давлений и температур. Поэтому к материалам, из которых изготавливается режущая часть инструмента, предъявляются очень высокие тре­бования. Они должны обладать такими свойствами: твердостью, превышающей твердость обрабатываемого материала; высокой из­носостойкостью; высокой теплостойкостью; значительной механи­ческой прочностью и достаточной вязкостью. Основные инструмен­тальные материалы: углеродистые инструментальные стали; леги­рованные инструментальные, стали; твердые сплавы; минералоке­рамические материалы.

2. Углеродистые инструментальные стали, используемые для изготовления режущих инструментов, содержат 0,9... 1,3 % С (У10, У11, У12, У13). Увеличение его содержания в стали повышает ее твердость и хрупкость. Твердость закаленной и отпущенной угле­родистой инструментальной стали достигает HRC₃ 60...63. Так как эта сталь обладает низкой теплостойкостью и теряет твердость при нагревании до 200...250 °С, то ее применение ограничено. Из угле­родистой стали изготавливают инструменты, работающие со ско­ростями резания, не превышающими 15...18 м/мин: метчики, плаш­ки, ручные развертки, напильники, шаберы, ножовочные полотна ^и Др.

3. Легированные инструментальные стали. Ввод в инструмен­тальную сталь легирующих добавок (Cr, V, Mo, W и др.) повышает ^ее прочность, прокаливаемость, вязкость, стойкость против износа, теплостойкость. Изготовленные из легированных сталей инструмен­ты обладают более высокими режущими свойствами, менее.склонны к деформациям и появлению трещин при закалке. Но в связи с тем что теплостойкость легированных инструментальных сталей обычно не превышает 300 °С, изготовленные из них инструменты можно использовать лишь для работы при умеренных скоростях резания (15...25 м/мин). Из них изготавливают сверла, развертки, метчики, плашки, протяжки и др.

4. Быстрорежущие стали — легированные инструментальные стали, содержащие значительное количество вольфрама (8,5... 19%), хрома —X (3,8...4,4 %), молибден — М, ванадий — Ф, кобальт — К, а также некоторые другие примеси, намного превосхо­дят по теплостойкости другие инструментальные стали. После за­калки и отпуска твердость быстрорежущей стали достигает HRC_S

62. .65 и ее режущие способности сохраняются до температуры

600. .650 °С, т. е. она обладает красностойкостью (сохранением твердости при нагреве до темно-красного каления). Поэтому ин­струменты, изготовленные из этих сталей, обладают значительно более высокими режущими свойствами. Они могут работать со скоростями резания в 3...4 раза большими, чем инструменты из углеродистых сталей.

Из вольфрамовых быстрорежущих сталей Р9 изготавливают инструменты сравнительно простой формы: резцы, зенкеры, фрезы. При изготовлении сложных инструментов, которые должны обла­дать более высокой стойкостью (фасонные резцы, зубообрабатыва­ющие инструметы и др.), используют сталь Р18.

Для изготовления инструментов, работающих в более тяжелых условиях (прерывистое резание, вибрации, обработка труднообра­батываемых нержавеющих и жаропрочных сталей), применяют кобальтовые быстрорежущие стали (Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2).

Для инструментов, используемых при чистовой обработке (протяжки, развертки, шеверы), используют ванадиевые (Р9Ф5, Р14Ф4), а для инструментов для черновой обработки — вольфрамо­молибденовые быстрорежущие стали (Р9М4, Р6МЗ).

Для экономии дорогих быстрорежущих сталей режущий инстру­мент делают составным. Режущая часть выполняется из быстроре­жущей стали, а тело или хвостовик — из конструкционной угле­родистой или малолегированной.

5. Металлокерамические твердые сплавы. Режущую часть высо­копроизводительных режущих инструментов оснащают металлоке­рамическими твердыми сплавами. Их высокая твердость, износо­стойкость, прочность, теплостойкость, достигающая 900...1000 °С, позволяют производить твердосплавными инструментами высоко­производительную обработку различных металлических и неметал­лических материалов. По своим режущим способностям инструмен­ты, оснащенные твердыми сплавами, намного превосходят инстру­менты из различных инструментальных сталей и допускают обра­ботку со скоростями резания, достигающими 800 м7мин.

Металлокерамические твердые сплавы изготавливают из мел­козернистых исходных порошков. Для получения тех или иных

__оК сплавов используют порошки весьма твердых и тугоплав­ких карбидов вольфрама (WC), титана (TiC), тантала (ТаС), сме­шанных в различных пропорциях с порошком кобальта, который служит связкой. Из полученной смеси прессуют стандартизованные пластинки, которые спекают при температуре 1500... 1900°С. Их припаивают к державкам или корпусам инструментов либо закреп­ляют на них механическим способом.

Выпускаемые в СССР твердые сплавы подразделяют на три груп­пы: вольфрамовые (ВК), титановольфрамовые (ТК) и титанотанта­ловольфрамовые (ТТК). Сплавы группы ВК состоят из зерен кар­бида вольфрама, сцементированных кобальтом (ВК2, ВКЗ, ВК4, В Кб, ВК8 и др.). Цифра после буквы К обозначает процентное содержание кобальта, остальное — карбид вольфрама. В связи с тем что свойства сплава определяются не только составом, но и раз­мером зерен порошка, из которого он изготовлен, выпускаются сплавы, у которых размер зерен строго регламентирован. Для крупнозернистых твердых сплавов с величиной зерен исходного порошка 3...5 мкм к обозначению марки прибавляется буква В, например ВК6В, а у мелкозернистых с величиной зерен 0,5... 1,5 мкм — буква М (например, ВК6М).

Сплавы группы ТК состоят из карбидов вольфрама и титана, сцементированных кобальтом (Т5К10, Т5К12В, Т14К8, Т15К6, Т30К4 и др.). Цифра после буквы Т обозначает процентное содер­жание карбида титана, а после К — процентное.содержание ко­бальта, остальное — карбид вольфрама.

В сплавах группы ТТК (ТТ7К12, ТТ7К15) цифра после второй буквы Т обозначает процентное содержание карбидов титана и тан­тала в сумме, после К — содержание кобальта, остальное — карбид вольфрама.

С увеличением содержания кобальта в сплаве прочность и вяз­кость его повышаются, а твердость и износостойкость снижаются. Поэтому сплавы с большим содержанием кобальта применяют для инструментов, работающих в тяжелых условиях, при больших и не­равномерных нагрузках. Сплавы с малым содержанием кобальта используют для инструментов, работающих при сравнительно небольшой и равномерной нагрузке, но с высокой скоростью ре­зания.

Из сплавов группы В К изготовляют инструменты, предназначен­ные для обработки чугуна, цветных сплавов, пластмасс, а из спла­вов группы ТК — для обработки сталей и других вязких материа- алов. Сплавы ТТК по своим свойствам занимают промежуточное место между сплавом Т5К10 и быстрорежущей сталью и предназна­чены для черновой обработки сталей с загрязненной коркой. Стой­кость резца с пластинкой из сплава ТТК в 3,5 раза превышает стой­кость резца из быстрорежущей стали Р18. Некоторые сплавы груп­пы ТТК особенно хороши при обработке труднообрабатываемых жаропрочных сталей.

Сложные по форме инструменты небольших размеров (сверла небольших размеров, прорезные фрезы, коронки концевых фрез и др.) часто изготавливают из пластифицированных твердых спла­вов, получаемых спеканием порошка карбида титана с металличе­скими сплавами. Заготовки из них перед спеканием могут прессо­ваться, обрабатываться резанием, продавливаться через фильеры. После придания инструменту необходимой формы и размеров его спекают, обрабатывают начисто и затачивают.

Описанные твердые сплавы содержат в значительном количе­стве дефицитный вольфрам. В последнее время ведется интенсивный поиск инструментальных материалов, не содержащих вольфрама и обладающих высокими режущими свойствами. Начат промыш­ленный выпуск безвольфрамовых твердых сплавов (БТТС) на основе карбидов и карбидонитридов титана с никель-молибденовой связ­кой (KHTi6, ТН20, ТН50). В Институте проблем материаловеде­ния УССР разработан гексанит-Р, являющийся монокристальным нитридом бора, получаемым ударным сжатием с помощью взрыва. Гексанит-Р изготавливают в виде вставок к проходным, расточным, подрезным резцам и торцевым фрезам. Отличительная особенность этого материала — способность работать в условиях сильных ударных нагрузок при обработке закаленных сталей, чугунов, спла­вов высокой твердости.

В последнее время все более широко применяются износостойкие покрытия режущих лезвий инструментов. Хорошие результаты дает ионно-плазменное напыление карбонитридом титана с помощью установок «ПУСК» и «БУЛАТ», используемое на многих машино­строительных предприятиях.

6. Минералокерамические материалы. Стремление получить инструментальные материалы, обладающие возможно более высо­кими режущими способностями, более высокой твердостью, тепло­стойкостью и износостойкостью, привело к созданию совершенно новых неметаллических инструментальных материалов, получив­ших название минералокерамических. Основой их является оксид алюминия А1₂0₃₎ из порошка которого прессованием с последующим спеканием изготовляют пластинки нужных размеров и формы, ко­торые затем закрепляют на державках режущего инструмента.

Основным преимуществом минералокерамики является высокая теплостойкость (1200 °С), дающая возможность обрабатывать ма­териалы со значительно большими скоростями, чем при пользова­нии инструментами из твердых сплавов. В то же время для минера­локерамики характерны высокая хрупкость и малое сопротивление изгибающим нагрузкам, что существенно ограничивает возможно­сти ее использования. Минералокерамику используют для инстру­ментов, работающих при чистовой обработке без ударов. Для повы­шения прочности пластин в минералокерамику добавляют вольфрам, молибден, бор, титан и др. Такие материалы называют керметами и используют их при обработке труднообрабатываемых матери­алов.

7. Абразивные материалы. Для изготовления абразивного ин­струмента используют искусственные материалы, преимущественно электрокорунд (кристаллический оксид алюминия А1₂0₃), карбо- ринд (карбид кремния SiC) и некоторые весьма твердые материалы: синтетический алмаз, эльбор и др.

Электрокорунд получают из глинозема плавкой в электропечах. В зависимости от содержания в нем чистого оксида алюминия элек­трокорунд делится на несколько сортов. Ввиду того что он обладает некоторой вязкостью, инструмент из него используется главным образом для обработки закаленной и термически необработанной стали, ковкого чугуна, бронзы и др.

Карбид кремния получают в электропечах из смеси, где основ­ными элементами являются антрацит и кварцевый песок. По сравне­нию с электрокорундом карбид кремния обладает более высокой твердостью и меньшей вязкостью. Поэтому его используют для из­готовления инструмента, предназначенного для шлифования более хрупких материалов, а также некоторых цветных сплавов. Черный карбид кремния, имеющий в составе не менее 95 % SiC, применяют при шлифовании чугуна, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов. Зеленый карбид кремния, содержащий не менее 97 % SiC и име­ющий еще большую твердость, используется для обработки инстру­ментов из металлокерамических твердых сплавов.

Для различных разновидностей электрокорунда и карбида кремния введена специальная маркировка, а именно: электроко­рунд нормальный — 12А, 13А, 14А, 15А, 16А; белый электроко­рунд — 22А, 23А, 25А; хромистый электрокорунд — 37А; моно­корунд — 43А, 44А, 45А; черный карбид кремния — 53С, 54С, 55С; зеленый карбид кремния — 63С, 64С.

После выплавки в электропечах электрокорунд и карбид крем­ния дробят, просеивают и получают шлифпорошки, шлифзерна и микропорошки, используемые для дальнейшего изготовления аб­разивного инструмента. Все более широко используются синтетиче­ские особо твердые абразивные материалы: синтетический алмаз, эльбор и др.

Синтетические алмазы получают из графита при температурах порядка 2500 °С и давлениях свыше 10⁴ МПа. Их дробят, сортируют на отдельные фракции и используют для изготовления различного алмазного инструмента: кругов, брусков, надфилей, напильников и Др. Применяются они для окончательного шлифования (доводки) твердосплавного инструмента, а также для особо тонкой чистовой обработки. Для доводочных работ используют также порошки и пас­ты из синтетических алмазов.

Эльбор представляет собой кубический нитрид бора, получаемый при давлении свыше 10⁵ МПа и температуре, близкой к 1700°С. Твердость его приближается к твердости алмаза, но по некоторым свойствам эльбор превосходит последний. Если алмаз сгорает при температуре порядка 870 °С, то эльбор сохраняет свою прочность ^пРи температуре до 930 °С. Стальные детали гораздо лучше шлифу­йся абразивными инструментами из эльбора, чем из алмаза, так ^как нитрид бора не обладает химическим сродством с железом и теп­лостойкость его выше. Институтом проблем материаловедения АН ^уССР на основе вюрцитоподобного нитрида бора разработан мате­риал гексанит-А, предназначенный для изготовления заточных кру­гов, шлифующих без охлаждения инструменты из быстрорежущей стали. >