4. Инструментальные материалы, их виды и основные требования

В настоящее время применяется пять основных групп инструментальных материалов, из которых изготовляется инструмент: инструментальные углеродистые и легированные стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамика и керметы, сверхтвердые материалы (алмазы, КНБ, композиты). Наиболее распространенным инструментальным материалом является быстрорежущая сталь. Из этого материала изготовляется около 66% инструмента, из твердых сплавов - около 32% инструмента, из остальных групп материалов - только 2%. Наиболее быстрыми темпами осуществляется развитие инструмента из сверхтвердых материалов и минералокерамики, в ближайшие годы удельный вес такого инструмента должен значительно возрасти.

Для того чтобы обеспечить качественную высокопроизводительную механическую обработку, материалы, применяемые при изготовлении режущей части инструментов, должны обладать следующими основными свойствами:

1) выс.твердостью, заметно превосходящей твердость обрабатываемого материала минимум в 1,5-2 раза;

2) выс.прочностью, т.к. как режущая часть при резании подвергается значительным нагрузкам, которые не должны вызывать разрушение и заметное пластическое деформирование режущей части;

3) выс.теплостойкостью, характеризующейся наивысшей температурой, при которой инструментальный материал сохраняет свою твердость (режущие свойства); теплостойкость дает представление о твердости инструментального материала при различных температурах его нагрева в процессе резания;

4) малочувствительностью к циклическим колебаниям температуры, возникающим в условиях прерывистого резания и неравномерного припуска на обработку и вызывающим термомеханическую усталость материала, способствующую появлению усталостных трещин на режущей части инструмента;

5) выс.износостойкостью — способностью инструментального материала сопротивляться износу инструмента по его передней и задней пов-тям в процессе резания.

Кроме перечисленных основных требований к инструментальным материалам к ним предъявляются и другие. Например, высокая теплопроводность, способствующая отводу теплоты из зоны резания, что, в свою очередь, снижает температуру резания и в известной мере препятствует возникновению прижогов и трещин на режущей части при заточке инструмента. Инструментальные материалы должны обладать и определенной технологичностью, к которой относят закаливаемость, прокаливаемость, устойчивость против перегрева, окисления, отсутствие склонности к образованию трещин при напайке, заточке и доводке, свариваемость, шлифуемость и т д., а также недефицитностью и экономичностью.

Перечисленные требования часто взаимно противоречивы: повышение твердости инструментального материала, как правило, сопровождается снижением прочности, ухудшением некоторых технологических свойств, высокая прочность — ухудшением обрабатываемости и некоторых других технологических свойств, повышением стоимости из-за использования дефицитных материалов.

К инструментальным материалам, удовлетворяющим в той или иной степени перечисленные требования, относятся как металлические, так и неметаллические материалы. К первым относятся твердые сплавы, быстрорежущие стали и сплавы, легированные и углеродистые инструментальные стали, ко вторым - сверхтвердые материалы и минералокерамика.

Углеродистые инструментальные стали содержат от 0,6 до 1,4% углерода. Для изготовления режущих инструментов обычно применяют инструментальные углеродистые стали марок У10А и У12А с содержанием углерода более 1%. Эти стали приобретают высокую твердость после термичес­кой обработки (НRС 60—62). Из этих сталей изготовляют метчики, плашки, развертки, напильники и другие режущие инструменты, работающие с малыми скоростями резания.

Легированные инструментальные стали вследствие наличия легирующих элементов — хрома, вольфрама, ванадия, кремния и марганца, обладают по сравнению с углеродистыми сталями повышенной вязкостью в закаленном состоянии, более глубокой прокаливаемостью, меньшей склонностью к деформациям и трещинам при закалке. Введение легирующих элементов повышает теплостойкость инструментальной стали до 250—300° С. Это позволяет повысить скорость резания по сравнению с инструментом из углеродистой стали в 1,2—1,4 раза. Наиболее широко применяют инструментальные легирован­ные стали марок ХВГ, ХГ и 9ХС.

Быстрорежущие стали

В зависимости от химического состава различают: а) вольфрамовые, вольфрамомолибденовые и вольфрамованадиевые стали, имеющие красностойкость 620° С; б) вольфрамокобальтовые, вольфрамовые, вольфрамомолибденовые и вольфрамомолибденованадиевые с кобальтом стали — (630—640° С; в) стали с интерметаллидным упрочнением —700— 725° С.

По сравнению с углеродистыми и легированными инструментальными сталями быстрорежущие стали обладают более высокой красностойкостью (до 625—640° С)и износостойкостью, сопротивляемостью малым пластическим деформациям и хорошей прокаливаемостью. Инструмент, изготовленный из них, позволяет повысить скорости резания в 2,5—3 раза по сравнению с инструментами из углеродистой и легированной инструментальной сталей в условиях равной стойкости.

Основными марками быстрорежущих сталей являются Р18 и Р9 (НRС 62—64), Р6М5, 10Р6М5.

Твердые (металлокерамические) сплавы преимущественно используют для оснащения резцов, сверл, зенкеров, разверток и некоторых конструкций фрез. (Теплостойкость 800-1150º)

Твердые сплавы по способу получения подразделяются на литые и полученные методом спекания.

Основными компонентами твердых сплавов являются карбиды вольфрама WС, титана ТiC и тантала ТаС. Кобальт Со в составе твердых сплавов является цементирующей связкой

Основное свойство инструмента, оснащенного пластинкой из твердого сплава, заключается в том, что его режущие свойства не уменьшаются при температуре нагрева до 800—900° С. Поэтому такие инструменты пригодны для обработки твердых металлов (включая закаленные стали) и неметаллических материалов (стекла, фарфора, кости, пластмасс). Недостаток твердых сплавов — их хрупкость.

В зависимости от состава карбидной фазы устанавлены три группы твердых сплавов: вольфрамовая ВК —однокарбидная, титано-вольфрамовая ТК —двухкарбидная и титано-тантало-вольфрамовая ТТК —трехкарбидная.

Сплавы группы ВК, как менее хрупкие, применяют при резании чугунов и других хрупких материалов (ВК8). В обозначении марок твердых сплавов этой группы цифра показы­вает массовую долю в процентах кобальта; остальное —WС.

Сплавы группы ТК в основном применяются при обработке пластичных материалов, к которым относятся конструкционные и легированные стали обычной обрабатываемости. (Т5К10). Сплавы группы ТК более тверды, теплостойки и износостойки, чем сплавы группы ВК, но в то же время и более хрупки и менее прочны, чем последние.

Группа трехкарбидных сплавов ТТК, содержащих карбиды вольфрама, титана и тантала, отличается повышенной износостойкостью, прочностью и вязкостью. Их применяют при обработке труднообрабатываемых сталей. Цифры после букв ТТ указывают на суммарную массовую долю карбидов титана и тантала в %.

Металлокерамические твердые сплавы имеют следующие фи­зико-механические свойства: коэффициент теплопроводности 0,065—0,169 калл см-сек-град; твердость НЦА 86,5—92; предел прочности при изгибе 90—155 кГ/мм² и предел прочности при сжатии 330—400 кГ/мм².

Новой группой твердых сплавов являются безвольфрамовые твердые сплавы, в которых карбид вольфрама заменен карбидом титана или карбонитридом титана, а в качестве связки используются никель, железо, молибден. Сплавы отличаются высокой окалиностойкостью, малым коэффициентом трения, пониженной склонностью к адгезии, меньшей плотностью, пониженной прочностью, склонностью к трещинообразованию при напайке. Они показывают хорошие результаты при получистовой обработке резанием вязких металлов, конструкционных и малолегированных сталей, меди, никеля и др.

К режущим сверхтвердым материалам относятся природные (алмаз) и синтетические материалы. Самым твердым из известных инструментальных материалов является алмаз. Он обладает вы­сокой износостойкостью, хорошей теплопроводностью, малыми коэффициентами линейного и объемного расширения, небольшим коэффициентом трения. Наряду с высокой твердостью алмаз обладает и большой хрупкостью (малой прочностью). Предел прочности алмаза при изгибе σ_и = 300 МПа, а при сжатии σ_СЖ = 2000 МПа. Алмаз обладает высокой теплопроводностью. Низкий коэффициент линейного расширения и размерная стойкость (малый размерный износ) алмаза обеспечивают высокую точность размеров и формы обрабатываемых деталей. К недостаткам алмаза относится и его способность интенсивно растворяться в железе и его сплавах с углеродом при температуре резания, достигающей 750°С (800° С); их высокая стоимость и дефицитность.

Различают природные (А) и синтетические (АС) алмазы. Природные алмазы применяются для изготовления лезвийного инст-та (резцы, сверла, фрезы).

Алмазные порошки м.б. след.видов:

АСО - алмаз синтетич-ий обычной прочности, имеет повыш.хрупкость, кристаллы алмаза имеют хорошо развитые реж.кромки. Используется при изготовлении шлифкругов, лент, брусков для шлифования, хонингования, доводки, суперфиниширования.

АСР- алмаз синтетический повышенной прочности, имеют меньшую хрупкость по сравнению с АСО, хорошо развиты реж.кромки. Такие порошки используют для шлифования. Шлифовальные круги из АСО и АСР изготовляют на органической и керамической связках.

АСВ- алмаз синтетич-ий высокой прочности, имеет еще меньшую хрупкость по сравнению с предыдущими, большую прочность.Пов-ть кристаллов алмаза более гладкая. Используется в шлифовальных кругах на металлической связке при черновом шлифовании, при заточке РИ.

АСК- еще более высокая прочность, меньшая хрупкость. Используется в шлифовальных кругах на металлических связках для более тяжелых работ. Изготавливают абразивный инструмент (шлифовальные, отрезные круги), сверла, используется для резки бетона, камня, керамических изделий, для сверления отверстий в синтетических и натуральных рубинах, можно также обработать закаленный чугун

АСС- алмаз синтетич-ий блочной формы, имеет максимальную прочность, из них изготавляют буровой инструмент. Служат для оправки абразивных кругов и для обработки особо твердых материалов. Можно изготавливать отрезные круги для резки корунда, рубина и т.д.

Поликристаллические синтетич.алмазы выпускают след.марок: АСБ-баллас, АСПК-карбонадо. Карбонадо- это цельные и двухслойные поликристаллы, получаемые синтезом или спеканием зерен синтетических алмазов со связующим веществом. Баллас высокоэффективен при точении цветных сплавов с повышенным содержанием кремния, стеклопластиков и пластмасс. Балласы применяют для оснащения режущей части резцов, сверл, фрез, а также для изготовления шлифкругов.

Широкое распространение получили синтетические режущие сверхтвердые материалы на основе кубического нитрида бора(КНБ). Он обладает выс.твердостью, уступая лишь синтетич.алмазу. Резцы, оснащенные КНБ, успешно применяют при тонком точении и растачивании закаленных сталей, что совершенно недоступно для работы алмазными резцами. КНБ выпускается 2-х марок: эльбор и кубонит. В обозначении материала ставится буква Л. Эльбор бывает 2-х марок:

ЛО- кристаллы обычной прочности с развитой режущей пов-тью;

ЛБ- выс.прочность, менее развита реж.пов-ть.

Из кубонита изготавливают порошки 2-х марок:

КО- обычной прочности;

КР- повышенной прочности.

На основе плотных модификаций кубического ни­трида бора создан и применяется в качестве инструментальных ряд материалов, носящих торговое название композиты. Все композиты разделяются на две группы: материалы с массовой долей кубического нитрида бора от 95% и выше и материалы с массовой долей кубического нитрида бора 75% с различными добавками (например, А1₂О₃). К первой группе относятся эльбор-Р (композит 01), гексанит-Р(композит 10), белбор (композит 02), исмит. Эльбор-Р применяется для изготовления пластинок для оснащения резцов, фрез и кольцевых сверл, для буровых колонок, при обработке легированных закаленных сталей и чугунов. Белбор получают без катализатора, используют для обработки сталей и чугунов, бетона, железобетона и горных пород. Гексанит-Р –это поликристаллический материал на основе бора и азота. Обладает высокой микротвердостью, пониженной хрупкостью, работает с ударами. изготавливают лезвийный инструмент, используется при обработке конструкционных, легированных и жаропрочных сталей, твердых сплавов типа ВК. Исмит- поликристаллический сверхтвердый материал на основе КНБ, получают при высоких температурах и давлениях; имеет 3 марки: исмит 1, исмит 2, исмит3. Изготавливают вставки любой формы для оснащения резцов, фрез, для точения и растачивания чугуна, закаленных сталей.

Ко второй группе материалов относится действительно композиционный материал композит 05 с массовой долей кубического нитрида бора 75% и А1₂О₃ 25%; композит 09, представляющий собой поликристаллы твердого нитрида бора(ПТНБ). Композит 09 используется для оснащения инст-та, работающего в условиях ударных нагрузок.

Кроме сверхтвердых материалов на основе нитрида бора, ал­мазов, керамики, в последние годы разработан и испытан ряд новых сверхтвердых материалов, показавших достаточно высокие эксплуатационные свойства. В числе этих материалов силинит-Р — новый инструментальный материал па основе нитрида крем­ния. Отличается отсутствием склонности к адгезии по отношению к большинству сталей, сплавов на основе меди, алюминия. Основ­ные физико-механические свойства силинита-Р: σ_сж = 2500 МПа, σ_изг =500—700 МПа, HRA 94—96. Получают силинит-Р методом горячего спекания в графитовых пресс-формах в виде пластин различной формы и габаритных размеров, заготовок фасонного режущего инструмента.

К новым сверхтвердым материалам следует также отнести и материалы на основе диборита титана, искусственных монокристаллов сапфира, рубина и т.д

Режущая минералокерамика.

Минералокерамические инструментальные материалы обладают высокой твердостью (HRA 90—94), теплостойкостью до 1200°С и износостойкостью и в ряде случаев значительно превосходят по стойкости и производительности твердые сплавы. Их основой является глинозем (А1₂О₃), в состав которого иногда входят такие металлы, как вольфрам, титан, молибден, тантал, хром или их карбиды. Главными недостатками режущей керамики являются ее высокая хрупкость, низкая ударная вязкость = 0,5-1,2 Н·м/см² и плохая сопротивляемость циклическим изменениям тепловой нагрузки. Они используются при получистовой и чистовой обточке и расточке деталей из высокопрочных чугунов,. Высокая теплостойкость режущей минералокерамики (1200° С) позволяет применять скорости резания, значительно превышающие скорости резания твердосплавным инструментом, что является ее основным достоинством.

В настоящее время наибольшее применение получила режущая керамика оксидного и оксидно-карбидного типов.

Оксидная режущая керамика имеет в своей основе до 99% и выше А1₂О₃. Наиболее высокие режущие свойства имеют пластинки из керамики марки ЦМ332, которую получают из электрокорунда.

Оксидно-карбидную керамику получают введением в состав ее основы (А1₂О₃) легирующих добавок карбидов хрома, титана, вольфрама, молибдена и сложных карбидов этих металлов. Серийно выпускается керамика марок В-З и ВОК-60 и опытными партиями марки ВОК-63, ВШ-75.

Режущая керамика изготовляется в виде пластинок, которые крепятся к корпусу инструмента механическим путем, напаиваются или соединяются с корпусом с помощью клея.