1.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, теплостойкость дает представление о твердости инструментального материала при различных температурах его нагрева в процессе резания;

4) малочувствительностью к циклическим колебаниям температуры

5) выс.износостойкостью.

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 σи = 300 МПа, а при сжатии σСЖ = 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).

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.

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.