2 Матеріали для виготовлення інструментів

Інструментальні сталі

Для ріжучих інструментів застосовують швидкорізальні стали, а також, в невеликих кількостях, заевтектоїдні вуглецеві стали із|із| змістом|вмістом| вуглецю 0,7-1,3% і сумарним змістом|вмістом| легуючих елементів (кремнію, марганцю, хрому і вольфраму) від 1,0 до 3,0%.

Вуглецеві і леговані інструментальні сталі

Раніше інших матеріалів для виготовлення ріжучих інструментів почали застосовувати вуглецеві інструментальні сталі марок У7, У7А.У13, У13А. Окрім заліза і вуглецю, ці сталі містять 0,2.0,4% марганцю. Інструменти з вуглецевих сталей володіють достатньою твердістю при кімнатній температурі, але теплостійкість їх невелика, оскільки при порівняно невисоких температурах (200.250С) їх твердість різко зменшується.

Леговані інструментальні стали, по своєму хімічному складу, відрізняються від вуглецевих підвищеним вмістом кремнію або марганцю, або наявністю одного або декількох легуючих елементів: хрому, нікелю, вольфраму, ванадію, кобальту, молібдену. Для ріжучих інструментів використовуються низьколеговані стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС і ін. Ці сталі володіють вищими технологічними властивостями – кращою загартовуваністю і прожарюваною, меншій схильності до викривлення, але теплостійкість їх рівна 350.400С і тому вони використовуються для виготовлення ручних інструментів (розгорток) або інструментів, призначених для обробки на верстатах з низькими швидкостями різання (дрібні свердла, мітчики).

Слід зазначити, що|слід відзначити , що| за останніх 15-20 років істотних|суттєвих| змін цих марок не відбулося, проте|однак| спостерігається стійка тенденція зниження їх частки|долі| в загальному|спільному| об'ємі|обсязі| використовуваних інструментальних матеріалів.

Швидкорізальні сталі

В даний час|нині| швидкорізальні сталі є|з'являються| основним матеріалом для виготовлення ріжучого інструменту, не дивлячись на те, що інструмент з|із| твердого сплаву, кераміки і СТМ забезпечує вищу продуктивність обробки.

Широке використання швидкорізальних сталей| для виготовлення складнопрофільних| інструментів визначається поєднанням високих значень твердості (до HRC|(68) і теплостійкості (600-650(С) при високому рівні крихкої міцності і в'язкості, що значно перевищують відповідні значення для твердих сплавів. Крім того, швидкорізальні сталі володіють достатньо|досить| високою технологічністю, оскільки|тому що| добре обробляються тиском|тисненням| і різанням в стані|достатку|, що відпалює|випалює|.

У позначенні швидкорізальної сталі буква|літера| Р означає, що сталь швидкорізальна, а наступна|слідуюча| за буквою|літерою| цифра – зміст|вміст| середньої масової частки|долі| вольфраму в %. Наступні|слідуючі| букви|літери| позначають|значать|: М|м-код| – молібден, Ф – ванадій, До – кобальт, А – азот. Цифри, наступні|слідуючі| за буквами|літерами|, означають їх середню масову частку|долю| в %. Зміст|вміст| масової частки|долі| азоту складає 0,05-0,1%.

Сучасні швидкорізальні сталі можна розділити на три групи: нормальній, підвищеній і високій теплостійкості.

До сталям нормальної теплостійкості відносяться вольфрамові Р18 і вольфрамомолібденові Р6М5 сталі . Ці сталі мають твердість в загартованому стані 63.64 HRC, межа міцності при вигині 2900.3400мПа, ударну в'язкість 2,7.4,8Дж/м2 і теплостійкість 600.620С .Вказані марки сталі набули широкого поширення при виготовленні ріжучих інструментів. Обсяг виробництва сталі Р6М5 досягає 80% від всього обсягу випуску швидкорізальної сталі. Вона використовується при обробці конструкційних сталей, чавунів, кольорових металів, пластмас.

Основні приклади|зразки| розробки нових складів порошкової швидкорізальної сталі зводяться до можливості|спроможності| введення|вступу| в склад до 7% ванадію і значного, у зв'язку з цим, підвищення зносостійкості без погіршення шліфуємости|. А також введення|вступ| вуглецю з|із| «пересиченням» до 1,7%, що дозволяє отримати|одержувати| значну кількість карбідів ванадію і високу вторинну|повторну| твердість після|потім| гарту|гартування| з|із| відпусткою|відпуском|. В Україні випускають ряд|лаву| марок порошкової сталі: (Р7М2Ф6-МП, Р6М5Ф3-МП, Р9М2Ф6К5-МП, Р12МФ5-МП і ін. ГОСТ 28369-89).

Технологія порошкової металургії також використовується для отримання|здобуття| карбідосталі|, яка по своїх властивостях може бути класифікована як проміжна між швидкорізальною сталлю і твердими сплавами.

Тверді сплави

Тверді сплави є|з'являються| основним інструментальним матеріалом, що забезпечує високопродуктивну обробку матеріалів різанням. Зараз загальна|спільна| кількість твердосплавного інструменту, вживаного в механооброблювальному| виробництві, складає до 30%, причому цим інструментом знімається до 65% стружки, оскільки|тому що| швидкість різання, вживана при обробці цим інструментом в 2-5 разів вище, ніж у|біля| швидкорізального інструменту.

Тверді сплави отримують методами порошкової металургії у вигляді пластин. Основними компонентами таких сплавів є карбіди вольфраму WC, титана TIC, танталу TAC і ніобію NBC, найдрібніші частинки яких сполучені за допомогою порівняно м'яких і менш тугоплавких зв'язок з кобальту або нікелю в суміші з молібденом .

Тверді сплави по складу і сферам застосування можна розділити на чотири групи: вольфрамокобальтові (WC-Co),титановольфрамокобальтові (WC-TiC-Co), титанотанталовольфрамокобальтові (WC-TiC-TaC-Co), безвольфрамові (на основі TIC, TICN з різними зв'язками).

Вольфрамокобальтові сплави (ВК)

Вольфрамокобальтовиє сплави (група ВК) складаються з карбіду вольфраму(WC|) і кобальту. Сплави цієї групи розрізняються вмістом в них кобальту, розмірами зерен карбіду вольфраму і технологією виготовлення. Для оснащення ріжучого інструменту застосовують сплави із|із| змістом|вмістом| кобальту 3-10%.

В умовному позначенні сплаву цифра показує процентний|відсотковий| зміст|вміст| кобальтової зв'язки|в'язки|. Наприклад позначення ВК6 показує, що в нім 6% кобальту і 94% карбідів вольфраму.

При збільшенні в сплавах змісту|вмісту| кобальту в діапазоні від 3 до 10% межа міцності, ударна в'язкість і пластична деформація зростають, тоді як твердість і модуль пружності зменшуються. Із |із| всіх існуючих твердих сплавів, сплави групи ВК при однаковому змісті|вмісті| кобальту володіють вищими ударною в'язкістю і межею міцності при вигині|згині|, а також кращою тепло- і електропровідністю. Проте|однак| стійкість цих сплавів до окислення|окислений| і корозії значно нижча, крім того, вони володіють великою схильністю до схоплювання|схвачування| із|із| стружкою при обробці різанням. При однаковому змісті|вмісті| кобальту фізико-механічні | і ріжучі властивості сплавів значною мірою визначаються середнім розміром зерен карбіду вольфраму (WC|). Розроблені технологічні прийоми дозволяють отримувати|одержувати| тверді сплави, в яких середній розмір зерен карбідної складової може змінюватися від доль мікрометра до 10-15 мкм|.

Сплави з|із| розмірами карбідів від 3 до 5 мкм| відносяться до грубозернистих|крупнозернистих| і позначаються|значать| буквою|літерою| В (ВК6-В), з|із| розмірами карбідів від 0,5 до 1,5 мкм| буквою|літерою| М|м-коду| (дрібнозернистим ВМ6-М), а з|із| розмірами, коли 70% зерен менше 1,0 мкм| – ОМ (особливо дрібнозернистим ВК6-ОМ). Сплави з|із| меншим розміром карбідної фази більш зносостійкі і теплостійкі, а також дозволяють заточувати гострішу|гостру| ріжучу кромку (допускають отримання|здобуття| радіусу округлення ріжучої кромки до 1,0-2,0 мкм|).

Фізико-механічні | властивості сплавів визначають їх ріжучу здатність|здібність| в різних умовах експлуатації.

Із|із| зростанням|зростом| змісту|вмісту| кобальту в сплаві його стійкість при різанні знижується, а експлуатаційна міцність росте|зростає|.

Ці закономірності і покладені в основу практичних рекомендацій по раціональному застосуванню|вживанню| конкретних марок сплавів. Так, сплав Вк3 з|із| мінімальним змістом|вмістом| кобальту, як найбільш зносостійкий, але|та| найменш міцний рекомендується для чистової обробки з|із| максимально допустимою швидкістю різання, але|та| з|із| малою подачею і глибиною різання, а сплави ВК8, ВК10М і ВК10-ОМ – для чорнової обробки із|із| зниженою швидкістю різання і збільшеним перетином зрізу в умовах ударних навантажень.

Тітановольфрамокобальтові сплави (ТК)

Сплави другої групи ТК складаються з трьох основних фаз: твердого| розчину карбідів титана і вольфраму (TIC-WC|) карбіду вольфраму (WC|) і кобальтової зв'язки|в'язки|. Призначені вони головним чином для оснащення інструментів при обробці різанням сталей|, що дають зливну стружку. В порівнянні із сплавами групи ВК вони володіють більшою стійкістю до окислення|окислений|, твердістю і жароміцністю і в той же час меншою теплопровідністю і електропровідністю, а також модулем пружності.

Здатність|здібність| сплавів групи ТК чинити опір зношуванню під впливом ковзаючої стружки пояснюється|тлумачить| також і тим, що температура схоплювання|схвачування| із|із| сталлю у|біля| сплавів цього типу|типа| вище, ніж у|біля| сплавів на основі WC-Co|, що дозволяє застосовувати вищі швидкості різання при обробці стали і істотно|суттєвий| підвищувати стійкість інструменту.

Так само як у|біля| сплавів на основі WC-Co|, межа міцності при вигині|згині| і стискуванні|стисненні| і ударна в'язкість збільшуються із|із| зростанням|зростом| змісту|вмісту| кобальту.

Теплопровідність сплавів групи ТК істотно|суттєвий| нижча, а коефіцієнт лінійного термічного розширення вищий, ніж у|біля| сплавів групи ВК. Відповідно міняються і ріжучі властивості сплавів: при збільшенні змісту|вмісту| кобальту знижується зносостійкість сплавів при різанні, а при збільшенні змісту|вмісту| карбіду титану знижується експлуатаційна міцністью

Тому такі сплави, як Т30К4 і Т15К6, застосовують для чистової і напівчистової обробки стали з|із| високою швидкістю різання і малими навантаженнями на інструмент. В той же час сплави Т5К10 і Т5К12 з|із| найбільшим змістом|вмістом| кобальту призначені для роботи в тяжких умовах ударних навантажень із|із| зниженою швидкістю різання.

Шляхом введення|вступу| легуючих добавок отримані|одержувати| сплави, вживані для різання стали з|із| великими ударними навантаженнями.

Розроблений сплав Т4К8 для заміни стандартного сплаву Т5К10. Межа міцності його при вигині|згині| 1600 мПа, тоді як у|біля| сплаву Т5К10 він складає 1400 мПа. Гранична пластична деформація Т4К8 1,6%, а у|біля| сплаву Т5К10 – 0,4%.

Сплав Т4К8 більшою мірою, чим сплав Т5к10, чинить опір ударним навантаженням і може застосовуватися при чорновій токарній обробці сталевих відливань|виливків| при швидкості різання 30-70 м|м-кодів|/хв, глибині різання до 40 мм і подачі 1-1,2 мм/об. Стійкість інструменту, оснащеного сплавом Т4к8 в 1,5-2,0 разу вище, ніж стійкість інструменту, оснащеного сплавом Т5К10.

Тітанотанталовольфрамокобальтові сплави (ТТК)

Промислові танталоутримуючи тверді сплави на основі TiC-WC-TaC-Co складаються з трьох основних фаз: твердого розчину карбідів титану, вольфраму і танталу(TiC-TaC-WC), а також карбіду вольфраму (WC) і кобальтової зв'язки.

Введення|вступ| в сплави добавок карбіду танталу покращує їх фізико-механічні| і експлуатаційні властивості, що виражається|виказує| в збільшенні міцності при вигині|згині| при температурі (|і 600-800С⁰).

Сплав, що містить|утримує| карбід танталу, має вищу твердість, у тому числі і при 600-800С⁰. Карбід танталу в сплавах знижує повзучість, істотно|суттєвий| підвищує межу втоми трифазних сплавів при циклічному вантаженні, а також термостійкість і стійкість до окислення|окислений| на повітрі.

Збільшення в сплаві змісту|вмісту| карбіду танталу підвищує його стійкість при різанні, особливо завдяки меншій схильності до лункоутворенню| і руйнування під дією термоциклічних і втомних навантажень.

Тому танталоутримуючи | сплави рекомендуються головним чином для важких|тяжких| умов різання з|із| великими перетинами зрізу, коли на ріжучу кромку інструменту діють значні силові і температурні навантаження, а також для переривистого|переривчастого| різання, особливо фрезерування.

Найміцнішими для обробки стали в особливо несприятливих умовах (переривисте|переривчасте| точіння, стругання, чорнове фрезерування) є|з'являється| сплав ТТ7К12. Застосування|вживання| його замість швидкорізальної сталі дозволяє підвищити швидкість різання в 1,5-2 рази.

Безвольфрамові тверді сплави (БВТС)

У зв'язку з дефіцитністю вольфраму і кобальту промисловість випускає безвольфрамові| тверді сплави на основі карбідів і карбонитридів| титану з|із| никельмолибденовою| зв'язкою|в'язкою| .

По твердості БВТС знаходяться|перебувають| на рівні вольфрамоутримуючих | сплавів (групи ВК), по прочностним| характеристиках і особливо по модулю пружності їм поступаються. Твердість БВТС по Віккерсу при підвищених температурах в діапазоні температур 293-1073К| декілька нижче, ніж твердість вольфрамоутримуючого | сплаву Т15К6.

БВТС мають низьку окислюваність. Найбільша термостійкість у|біля| сплаву КНТ16, у|біля| сплаву ТН20 вона значно нижча. Тому із|із| сплаву КНТ16 доцільно виготовляти інструмент, що працює при переривистому|переривчастому| різанні, наприклад фрезеруванні. Середня «ламаюча подача» (при якій відбувається|походить| руйнування леза) складає для сплаву ТН20 – 0,3 мм/зуб, а для сплаву КНТ16 – 0,54 мм/зуб. При виборі режимів різання подача не повинна перевищувати цих значень, а глибина різання – 5мм|.

Найбільшою зносостійкістю володіє сплав ТН20. При точінні сталі 45 і сталі 40Х| при t=1мм| і S=0,2мм/об стійкість сплаву ТН20 вища за стійкість сплаву Т15К6, у всьому діапазоні швидкості різання (від 200 до 600 м|м-кодів|/хв).

Нагрів інструменту з|із| БВТС на установках ТВЧ, зазвичай|звично| вживаних при паянні інструменту, погіршує його експлуатаційні характеристики. Тому для різання з|із| БВТС виготовляють в основному змінні непереточувані пластини (СМП).

У зв'язку із зниженою теплопровідністю найбільшу стійкість БВТС мають у випадку застосування|вживання| чотирьох-|, п’яти-| і шестигранyих СМП, а не тригранних. оптимальними геометричними параметрами пластин при цьому є|з'являються| передній кут|ріг| 10, задній кут|ріг| 8-10, радіус при вершині 0,8 мм.

Ефективність застосування|вживання| БВТС залежить від правильності підготовки інструменту, вибору режимів різання і умов обробки. Пластини повинні мати високоякісне доведення по ріжучих кромках і опорній поверхні і прилягати до опори без зазору.

Оброблювана заготовка|заготовка| не повинна мати биття, що перевищує половину припуска| на обробку, а також слідів газової зварки|зварювання|, шлакових включень|приєднань|.

При точінні по можливості слід застосовувати охолоджування|охолодження|.

Для запобігання катастрофічним поломкам інструменту рекомендується проводити|виробляти| примусовий поворот пластинки|платівки| після|потім| обробки певного числа заготовок. Допустимий знос різців по задній грані 1,5-1,8 мм. При фрезеруванні БВТС можна експлуатувати до зносу 2,5-3,0 мм по задній грані.

Ріжуча кераміка

Промисловість випускає чотири групи ріжучої кераміки: оксидну (біла кераміка) на основі Al 2 O3, оксикарбидную (чорна кераміка) на основі композиції Al2O3-TiC, оксиднонитридную (кортинит) на основі Al2O3-TiN і нитридную кераміки на основі Si3N4.

Основною особливістю ріжучої кераміки є|з'являється| відсутність фази, що пов'язує|єднальний|, що значно знижує ступінь|міру| її разупрочнения| при нагріві в процесі зношування, підвищує пластичну міцність, що і зумовлює можливість|спроможність| застосування|вживання| високих швидкостей різання, що набагато перевершують швидкості різання інструментом з|із| твердого сплаву. Якщо граничний рівень швидкостей різання для твердосплавного інструменту при точінні сталей| з|із| тонкими зрізами і малими критеріями затупления| складає 500-600 м|м-коди|/хв, то для інструменту, оснащеного ріжучою керамікою, цей рівень збільшується до 900-1000 м|м-кодів|/хв.

Недолік|нестача| оксидної кераміки – її відносно висока чутливість до різких температурних коливань (тепловим ударам). Тому охолоджування|охолодження| при різанні керамікою не застосовують.

Вказане є|з'являється| головною причиною мікро- або макровифарбовувань ріжучої кераміки і контактних майданчиків інструменту вже на стадіях прироботочного| або початкового етапу сталого зношування, що приводить|призводить| до відмов із-за крихкого руйнування інструменту.

Останніми роками з'явилися нові марки оксидної кераміки до складу яких введені окисел цирконію (ZrO2) і армування її «ниткоподібними» кристалами карбіду кремнію (SIC). Армована кераміка має високу твердість (HRCА-92) і підвищену міцність (_изг до 1000 мПа).

Паралельно з вдосконаленням керамічних матеріалів на основі оксиду алюмінію створені нові марки ріжучої кераміки на основі нітриду кремнію (силинит-Р). Такий керамічний матеріал має високу міцність на вигин (_изг=800мПа), низький коефіцієнт термічного розширення, що вигідно відрізняє його від оксидних керамічних матеріалів. Це дозволяє з успіхом використовувати нитридокремниевый інструмент при чорновому точінні, напівчистовому фрезеруванні чавуну, а також чистовому точінні сложнолегированных і термооброблених (до HRC 60) сталей і сплавів.

Ріжучу кераміку випускають у вигляді непереточуваних змінних пластин. Пластини виготовляють з негативними фасками по периметру з двох сторін. розмір фаски f=0,2-0,8мм, кут її нахилу негативний від 10 до 30. Фаска необхідна для зміцнення ріжучої кромки.

Допустимий знос керамічних пластин набагато менше зносу твердосплавних пластин. Максимальний знос по задній поверхні не повинен перевищувати 0,3-0,5мм, а при чистових операціях 0,25-0,30мм.

В даний час|нині| керамічний інструмент рекомендують для чистової обробки сірих, ковких, високоміцних і вибілених|відбілювати| чавунів, низко-| і високолегованих сталей|, зокрема покращуваних, термооброблених (HRC| до 55-60), кольорових сплавів, конструкційних полімерних матеріалів (К01-к05, Р01-р05). У вказаних умовах інструмент оснащений пластинами з|із| ріжучої кераміки, помітно перевершує по працездатності твердосплавний інструмент.