21. Требования, предъявляемые к инструментальным материалам. Основные группы инструментальных материалов для изготовления лезвийных и абра­зивных инструментов.

1. Высокая твердость, превышающая твердость обрабатываемого материала

2. Высокая теплостойкость, т.е. способность сохранять режущие свойства (рабочие характеристики) до определенной температуры

3. Высокая износостойкость, т.е. способность противодействовать воздействию абразивных частиц.

4. Высокая прочность, которая характеризуется пределом прочности при изгибе σ_изг, сжатии σ_сж ударной вязкостью. Прочностные характеристики инструментального материала должны исключать деформацию режущего инструмента под воздействием сил резания

5. Удовлетворительные технологические свойства (способность поддаваться ковке, штамповке, обработке резанием в отожженном состоянии и т.д.)

6. Инструментальный материал должен быть относительно дешев, недефицитен.

7. Иметь возможно более высокую теплопроводность

Группы инструментальных материалов

1. Инструментальные стали:

• углеродистые

• легированные

• быстрорежущие

• дисперсионнотвердеющие

2. Металлокерамические материалы (твердые сплавы)

3. Минералы (алмаз, рубин…)

4. Минералокерамика

5. Композитный материал (кубический нитрид бора, КНБ, силинит…)

22. Инструментальные стали: группы, примеры маркировки и состав наиболее распространенных марок сталей в каждой группе, область применения ста­лей.

1. Углеродистые

2. Легированные

3. Быстрорежущие

4. Углеродистые инструментальные стали

В качестве основного легирующего легирующего элемента для данного вида сталей применяют углерод, который придает высокую твердость. Основными марками углеродистых сталей являются следующие: У7А, У8А, У10А, У11А, У12А, У13А. При этом цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента. Например У7А -0,7%С. Буква А означает меньшее содержание вредных примесей (марганца, серы, фосфора, кремния). Недостатками данного вида инструментальных материалов являются невысокие прокаливаемость и теплостойкость (200÷250℃).

Применяется для изготовления Р.И., работающего в единичном и мелкосерийном производствах, диаметром до 20 мм, работающего при низких скоростях резания (10÷15 м/мин) (ручной инструмент, метчики, развертки, протяжки, сверла, долбяки). Твердость HRC_Э 61÷63, механические характеристики σ_и=2000÷2200 МПа.

Достоинства: невысокая стоимость, хорошая обрабатываемость резанием, шлифуемость (дает острую кромку).

Стандартная термообработка: нагрев под закалку до 780С, выдержка, охлаждение в воде и отпуск при 220 С.

2. Легированные стали

В их состав входят: углерод и легирующие элементы (Cr, W, V, Mo) в небольших количествах. Добавление легирующих элементов повышает теплостойкость до 250÷300С, что позволяет повысить скорость резания в 1,2÷1,4 раза, значительно улучшить закаливаемость и прокаливаемость.

Легированные стали делят на группы:

1. Стали неглубокой прокаливаемости 11Х, 11ХФ, ХВ4

2. Стали глубокой прокаливаемости ХВГ, 9ХС, ХВСГ

Примененяют при обработке материалов, имеющих невысокую температуру плавления (органическое стекло, пластмассы, деревообрабатывающий инструмент).

3. Быстрорежущие стали

Обладают повышенной твердостью HRC_Э 67, высокими: износостойкостью, механическими характеристиками σ_и=3500 МПа, теплостойкостью до 640С.

В их состав входят: (кроме углерода до 1,1%) хром до 4%, W, V, Mo до 5%. Легирующие элементы придают быстрорежущей стали следующие свойства:

• с увеличением содержания С% - увеличивается твердость, теплостойкость, но ухудшаются прочностные и технологические характеристики стали

• W – придает стали теплостойкость

• Cr – обеспечивает прокаливаемость

• V – повышает теплостойкось, но одновременно резко ухудшает шлифуемость стали

• Mo – повышает теплостойкость и теплопроводность

• Сo – повышает твердость и теплостойкость (при увеличении содержания Со свыше 5% повышается хрупкость).

Термообработка быстрорежущей стали:

Закалка (1250÷1300℃) + трехкратный отпуск (540÷580℃) или однократное цианирование (при 540÷580℃)

Особенностью структуры быстрорежущей стали является то, что при закалке сохраняется аустенит остаточный – А_ост. Структура закаленной быстрорежущей стали состоит: Мартенсит (первичный) + Аустенит (остаточный до 30%) + Карбиды до16%. Твердость при этом достигает 67 единиц HRC_Э.

Из-за малой теплопроводности быстрорежущей стали нагрев под закалку проводят ступенчато: до 400÷500С - в электропечи, 840÷860С и до температуры закалки - в соляной ванне. В качестве закалочных сред применяют масло или расплавы солей.

В процессе отпуска из легированного мартенсита выпадают мелкодисперсные карбиды, что приводит к повышению твердости на 1÷2 HRC. Этот эффект называется вторичной твердостью – дисперсионным твердением.

Быстрорежущие стали делят на группы:

1. Стали нормальной теплостойкости (нормальной производительности), международное обозначение HSS

Применяют при обработке конструкционных сталей (σ_в<1000 МПа), нелегированных чугунов. Суммарное содержание легирующих элементов 5÷18% по вольфрамовому эквиваленту. К быстрорежущим сталям нормальной теплостойкости относятся Р9, Р12, Р18, Р6М5, Р6М3, Р8М3 и т.д.

Теплостойкость этих сталей 620С, скорость резания до 40 м/мин, твердость 63÷65 HRC_Э.

2. Стали повышенной теплостойкости (производительности). Основное отличие – повышение суммарного уровня легирования свыше 18% и добавка кобальта. Международное обозначение HSS – E. Наиболее распространенными марками являются: Р12Ф3, Р18Ф2К5, Р3М3Ф4К5. Теплостойкость достигает 640С, твердость до 70HRC_Э, скорость резания 60м/мин.

Применяют при обработке труднообрабатываемых материалов (жаропрочных, нержавеющих, кислотоупорных сталей) и конструкционных сталей повышенной твердости (HRC 40÷45).

3. Стали высокой теплостойкости с интерметаллидным упрочнением, имеющие теплостойкость 700÷720С. Эта группа сталей характеризуется пониженным содержание углерода (0,1÷0,3%). В качестве примера можно привести В11М7К23, 3В20К20Х4Ф.

Эти стали имеют изначально удовлетворительную прочность (2500МПа). С нагревом сталей этой группы до 500С прочностные характеристики возрастают на 30÷50%. Основными легирующими элементами, входящими в состав стали являются: Co – 16÷25%, W – 11÷20%, Mo – 4÷7%. Основной упрочняющей фазой является интерметаллид Co₇W₆, причем количество Co₇W₆ увеличивается с уменьшением процентного содержания углерода в стали.

Областью применения является обработка труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов. При обработке титановых сплавов стойкость инструментов из дисперсионнотвердеющих сплавов в 30 – 80 раз выше, чем инструментов из стали Р18 и в 8 – 15 выше, чем из твердого сплава ВК8.

Литые быстрорежущие стали

Для литья применяют стали марок Р18, Р12Ф3, Р_л – 1…4. Теплостойкость литых и кованных сталей одинакова. Вязкость литого инструмента ниже, следовательно инструменты малых сечений из литых быстрорежущих сталей не изготавливают. Неоднородность структуры литой стали устраняется пластическим деформированием или отжигом при температуре выше 900С (диффузионный отжиг).

Порошковые быстрорежущие стали (ПБС).

Получают прессованием порошков, изготовленных распылением расплавленной быстрорежущей стали в инертной среде. Распыленные частицы имеют сферическую форму, малые размеры, что приводит к резкому охлаждению и равномерному распределению карбидов и легирующих элементов по обьему, причем распределение карбидов боле равномерное, чем по баллу № 1. Размеры частиц карбидов не превышают 1-2 мкм (у обычных сталей 8-10 мкм). Вследствии этого несколько повышаются теплостойкость и вторичная твердость. Однако, основное преимущество ПБС заключается в увеличении на 30-50 % механической прочности, меньшей деформации при термообработке, лучшей шлифуемости. Максимальный эффект от ПБС (повышение в 1,5-3 раза стойкости) получают при изготовлении мелкоразмерного инструмента.

Стали с повышенным содержанием углерода.

Имеют твердость на 1-5 HRC_Э выше твердости быстрорежущих сталей со стандартным содержанием углерода, повышенную теплостойкость, что позволяет обрабатывать закаленные конструкционные стали имеющие твердость HRC_э 40-45. Пример обозначения марки стали с повышенным содержанием углерода -10Р6М5.

Стали дополнительно легированные азотом.

Имеют увеличенную на 1-2 HRC вторичную твердость, повышенные на 20% режущие свойства. Пример обозначения АР6М5, АР18.

23. Твердые сплавы: группы, примеры маркировки и состав наиболее распро­страненных марок твердых сплавов, область применения твердых сплавов.

Твердые сплавы представляют собой смесь твердых карбидных зерен, связанных между собой пластичной металлической связкой. В качестве твердой составляющей применяют карбиды C_r, Т_i, W, M_o, T_a, N_b, нитриды и т.д…В качестве металлической связи применяются кобальт, железо, молибден, никель. Массовая доля карбидов в твердых сплавах составляет 75-97%. Теплостойкость различных групп твердых сплавов находится в интервале 800-1000°С, что позволяет работать со скоростью резания в 4-10 раз выше, чем у быстрорежущей стали. Твердость сплавов замеряют на приборе Роквелла по шкале А (HRA).

С увеличением процентного содержание карбидов и уменьшением их размеров твердость материала повышается. Предел прочности на изгиб находится в пределах σ_и=900-1600 МПа, предел прочности на сжатие σ_сж=4000-5000 МПа. Температура начала схватывания (приваривание частиц обрабатываемого метала к поверхности инструмента) зависит от состава сплава. Меньшей склонностью к схватыванию отличаются твердые сплавы с большим содержанием T_iC.

Рис Зависимость механических характеристик твердого сплава от температуры его нагрева

Теплопроводность инструментального материала определяет количество тепла, уходящего в инструмент. Если теплопроводность низкая, то температура в зоне резания повышается. Теплопроводность сплавов с содержанием T_iC меньше чем у однокарбидных (WC). Износостойкость твердых сплавов растет с ростом процентного содержания T_iC и уменьшается с повышением содержания кобальта (или другой металлической пластичной связки).

По химическому составу и механическим свойствам различают 3 группы твердых сплавов:

1. Вольфрамокобальтовые (однокарбидные), группа ВК. Марки ВК3; ВК4; ВК6; ВК8; ВК10.

2.Титано-вольфрамо-кобальтовые (двухкарбидные), группа ТК. Марки Т15К6; Т14К8; Т5К10; Т30К4.

3.Титано-тантало-вольфрамо-кобальтовые (трехкарбидные), группа ТК. Марки ТТ7К12; ТТ8К6; ТТ20К9. В обозначении марок данной группы твердых сплавов цифра после буквы К показывает процентное содержание кобальта, после букв ТТ-суммарное содержание карбидов титана и тантала, остальное карбид вольфрама.

Свойства твердого сплава зависят от процентного содержания кобальта и размеров зерен карбидной фазы. Сплавы с размером зерен 3-5 мкм относят к крупнозернистым и дополнительно маркируют В (ВК8-В).

Если размер зерен карбида вольфрама составляет 0,5-1,5 мкм –сплав относят к мелкозернистым и дополнительно маркируют буквой М (например сплав ВК3-М). Если 70% обьема карбидных зерен не превышают размер 1 мкм –твердый сплав относят к особомелкозернистым (например ВК10-ОМ). Сплавы М и ОМ рекомендуют для отделочной, чистовой обработки. Сплавы ВК рекомендуют применять при обработке материалов, дающих стружку надлома (чугуны, бронзы…), а также труднообрабатываемых сталей с σ_в>1600 МПа (жаропрочные, нержавеющие, кислотостойкие стали, титановые сплавы); при обработке цветных металлов и сплавов. Следует принимать во внимание тот факт что эффективность использования вольфрама в твердых сплавах в 5-8 раз выше, чем в быстрорежущих сталях. Твердые сплавы группы ТК применяют при обработке материалов, дающих сливную стружку (конструкционные, легированные стали с σ_в до 1000 МПа). Добавка карбида титана (5-30%) увеличивает твёрдость и теплостойкость сплавов, ослабляет адгезию к стальной стружке, уменьшает коэффициент трения, но одновременно понижает прочность ( увеличивает хрупкость). Поскольку сплавы группы TК имеют большое сродство к титановым сплавам, то, в случае обработки последних, рекомендуют применять твердый сплав группы ВК или дисперсионнотвердеющую быстрорежущую сталь.

Группа ТТК имеет, по сравнению с другими группами твердых сплавов, повышенную прочность (ударную вязкость) за счёт замены части карбида титана на карбид тантала. Введение в состав твердого сплава карбида тантала повышает сопротивление к трещинообразованию при резких перепадах температуры, прерывистом, импульсном нагружении режущего инструмента в процессе обработки.

Применяют при точении сталей и чугунов при черновой обработке, работе с ударом, точении по корке, неравномерном сечении срезаемого слоя.

Безвольфрамовые твердые сплавы

Безвольфрамовые твердые сплавы отличаются высокими теплостойкостью, износостойкостью, небольшим коэффициентом трения, пониженными склонностью к адгезии и механической прочностью, меньшей удельной плотностью.

Наиболее распространенными марками безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида титана являются ТН - 20;25;30 ; на основе КАРБОНИТРИДА ТИТАНА КНТ – 16 .Теплостойкость безвольфрамовых твердых сплавов несколько выше , твёрдость 92НрА, σ_{и на изгиб} =760 МПа.

Применяют ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ чистовых, получистовых, отделочных операциЙ при высоких скоростх резания.Современные сплавы марок МС, ВП имеют особо высокой прочность.

Согласно международной классификации ИСО, по обрабатываемости все твердые сплавы делятся на три группы:

1. Группа Р

Применяется при обработке вязких металлов, стального литья, ковкого чугуна, дающих сливную стружку.

2. Группа К

Применяется при обработке хрупких материалов, дающих стружку надлома(чугуны, закалённые стали, бронзы, пластмассы и др.).

3. Группа М

Применяется при обработке труднообрабатываемых материалов (жаропрочных сталей и сплавов, легированных сталей и чугунов, ковких чугунов).

С увеличением номера повышается прочность, понижается твёрдость, износостойкость и допускаемая скорость резания.

Р01 – Р50

К01 – К30

М01 – М40

Для эффективного применения хрупких марок твердых сплавов необходимо применять оборудование повышенной жёсткости.