Экзаменационный билет 2

1. Общие сведения о современных инструментальных материалах. Требования к механическим, физическим и химическим свойствам режущих материалов

2. Инструменты составной и сборной конструкции. Типовые конструкции крепления рабочих элементов

ОТВЕТЫ

1. Требования к механическим, физическим и химическим свойствам режущих материалов

Инструментальные стали предназначены для изготовления следующих основных групп инструмента: режущего, измерительного и штампов. По условиям работы инструмента к таким сталям предъявляют следующие требования: стали для режущего инструмента (резцы, сверла, метчики, фрезы и др.) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью; стали для измерительного инструмента должны быть твердыми, износостойкими и длительное время сохранять размеры и форму инструмента; стали для штампов (холодного и горячего деформирования) должны иметь высокие механические свойства (твердость, износостойкость, вязкость), сохраняющиеся при повышенных температурах; кроме того, стали для штампов горячего деформирования должны обладать устойчивостью против образования поверхностных трещин при многократном нагреве и охлаждении.

Инструментальная сталь по сравнению с конструкционными углеродистыми сталями обладает значительно большей твердостью (особенно после закалки), но является более хрупкой. По химическому составу инструментальные стали подразделяются на инструментальные углеродистые (ГОСТ 1435- 54), легированные инструментальные (ГОСТ 5952-51) и быстрорежущие (ГОСТ 5952-51).

Инструментальные углеродистые стали по содержанию углерода и твердости подразделяются на низкоуглеродистые, содержащие углерод до 0,25%; среднеуглеродистые - от 0,25% до 0,6% и высокоуглеродистые - от 0,6 до 2%.

Углеродистые инструментальные стали в соответствии с ГОСТ 1435-54 обозначаются следующими марками: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13. Буква У указывает, что сталь углеродистая, а следующая за ней цифра - среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г в марке показывает повышенное содержание марганца.

Углеродистые инструментальные стали бывают качественные и высококачественные.

• Инструментальные качественные углеродистые стали предназначены для изготовления режущего, мерительного и штамповочного инструмента небольших размеров. Марки этих сталей обозначаются буквой У и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9,...,У13).

• Высококачественные стали имеют низкое содержание серы (до 0,02 %) и фосфора (до 0,03%), меньше неметаллических включений, обладают повышенными механическими свойствам. В обозначениях марок высококачественных сталей в отличие от качественных ставится буква А (например, У7А, У8Аит. д.).

Легированная сталь — сталь, в которую в процессе легирования в определенных количествах вводят специальные элементы, обеспечивающие требуемые свойства. Такие элементы называют легирующими. Они могут повышать прочность и коррозионную стойкость стали и снижать опасность ее хрупкого разрушения. Эта сталь идет для изготовления различного инструмента: ударно-штампового, измерительного, режущего. Она имеет ряд преимуществ перед инструментальной углеродистой сталью. Штампы из углеродистой стали обладают высокой твердостью и прочностью, но плохо сопротивляются удару. Метчики, развертки и другие длинные и тонкие инструменты из углеродистой стали при закалке получаются хрупкими, они ненадежны в работе и часто ломаются.

Для легирования стали используются следующие химические элементы: марганец (Mn) — Г; кремний (Si) — С; хром (Cr) — Х; никель (Ni) — Н; медь (Cu) — Д; азот (N) — А; ванадий (V) — Ф; ниобий (Nb) — Б; вольфрам (W) — В; селен (Se) — Е; кобальт (Co) — К; бериллий (Be) — Л; молибден (Mo) — М; бор (B) — Р; титан (Ti) — Т; алюминий (Al) — Ю.

Классификация легированных сталей

По количеству легирующих элементов:

• высоколегированная — общая масса легирующих элементов более 10%;

• среднелегированная — общая масса легирующих элементов более 2,5-10%;

• низколегированная — общая масса легирующих элементов до 2,5%.

По назначению:

• I — для изготовления инструмента, используемого для обработки металлов и других материалов в холодном состоянии;

• II — для изготовления инструмента, используемого для обработки металлов давлением при температурах выше 300°С.

По качеству изготовления:

• обычная;

• высококачественная — А.

Марки инструментальной легированной стали

В низколегированных сталях X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ основной легирующий элемент - хром. Сталь X легирована только хромом. Повышенное содержание хрома значительно увеличивает ее прокаливаемость. Сталь X прокаливается в масле полностью в сечении до 25 мм, а сталь У10 - только в сечении до 5 мм. Применяют сталь X для изготовления токарных, строгальных и долбежных резцов. Сталь 9ХС кроме хрома легирована кремнием. По сравнению со сталью X,она имеет большую прокаливаемость - до 35 мм; повышенную теплостойкость - до 250 - 260°С (сталь X до 200-210°С) и лучшие режущие свойства. Из стали 9ХС изготовляют сверла, развертки, фрезы, метчики, плашки.

Сталь ХВГ легирована хромом, вольфрамом и марганцем; имеет прокаливаемость на глубину до 45 мм. Сталь ХВГ используют для производства крупных и длинных протяжек, длинных метчиков, длинных разверток и т. п.

Сталь ХВСГ - сложнолегированная сталь и по сравнению со сталями 9ХС и ХВГ лучше закаливается и прокаливается. При охлаждении в масле она прокаливается полностью в сечении до 80 мм. Она меньше чувствительна к перегреву. Теплостойкость ее такая же, как у стали 9ХС. Сталь ХВСГ применяют для изготовления круглых плашек, разверток, крупных протяжек и другого режущего инструмента.

Обозначение марки стали: первые цифры — массовая доля углерода в десятых долях процента, затем буквы — вещество, используемое в качестве легирующего элемента, цифры, стоящие после букв, — средняя массовая доля соответствующего легирующего элемента в целых единицах процентов. Начальную цифру опускают, если содержание углерода не менее 1%. Буква «А», в середине марки стали — содержание азота, в конце — сталь высококачественная. Например, сталь 5ХНМ — 0,5 С, 1 Cr, 1 N1, до 0,3 Mo.

Быстрорежущая сталь - это высоколегированная сталь, применяемая, главным образом, для изготовления режущего инструмента, работающего на скоростях, в 3-5 раз больших, чем инструмент из углеродистой инструментальной стали. Возможность получения такой скорости резания обусловлена красностойкостью. Инструмент из Быстрорежущей стали размягчается при нагреве выше 550-600°С, в то время как из углеродистой инструментальной стали - при 200 С. Красностойкость стали обеспечивают легирующие элементы - вольфрам (W), хром (Cr), ванадий (V), которые образуют карбиды высокой устойчивости.

В зависимости от назначения их можно разделить на две группы: 1) стали нормальной производительности; 2) стали повышенной производительности. К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, Р9М4; к сталям второй группы — Р9К5, Р9КЮ, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2. В обозначении марок буква Р указывает, что сталь относится к группе быстрорежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание ванадия в стали в процентах обозначается цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта -— цифрой, следующей за буквой К. Быстрорежущая сталь Р18, содержащая 18% вольфрама, долгое время была наиболее распространенной. Инструменты, изготовленные из этой стали, после термической обработки имеют твердость HRC 62—65, красностойкость 600* С и достаточно высокую прочность. Сталь Р18 сравнительно хорошо шлифуется. Существенным недостатком этой стали является большая карбидная неоднородность, особенно значительная в прутках большого сечения.

Сталь Р9 по красностойкости и режущим свойствам почти не уступает стали Р18. Недостатком стали Р9 является пониженная шлифуемость, вызываемая сравнительно высоким содержанием ванадия и присутствием в структуре очень твердых карбидов. Вместе с тем сталь Р9, по сравнению со сталью Р18, имеет более равномерное распределение карбидов, несколько большую прочность и пластичность, что облегчает ее деформируемость в горячем состоянии и имеет важное значение для инструментов,получаемых различными методами пластической деформации. Из-за пониженной шлифуемости сталь Р9 применяется в ограниченных пределах.

Быстрорежущие стали повышенной производительности Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 используются в основном при обработке жаропрочных сплавов, высокопрочных и нержавеющих сталей, других труднообрабатываемых материалов, а также конструкционных сталей с повышенными режимами резания. В настоящее время применяются кобальтовые и ванадиевые быстрорежущие стали. Легирование быстрорежущих сталей кобальтом и ванадием понижает прочность, но повышает красностойкость до 630—670*С. При этом возрастают их режущие свойства, т. е. повышается стойкость инструмента в 1,5—3,0 раза по сравнению со стойкостью инструментов из стали Р18. Вместе с тем быстрорежущие стали повышенной производительности, содержащие кобальт, имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию. Быстрорежущие стали повышенной производительности шлифуются хуже стали Р18 и требуют более точного соблюдения температур нагрева при термической обработке. В порядке ухудшения шлифуемости рассматриваемые стали располагаются в такой последовательности: Р18Ф2, Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р9Ф5, Р10К5Ф5. Ухудшение шлифуемости выражается в повышении износа абразивных кругов и увеличении толщины поверхностного слоя стали, повреждаемого при излишне жестком режиме шлифования. Твёрдые сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрама (WC), титана (TiC) и тантала (ТаС), мельчайшие частицы которых соединены сравнительно мягким и менее тугоплавким кобальтом. Карбиды придают сплаву высокую твёрдость и теплостойкость, кобальт - прочность на изгиб. Твердые сплавы имеют высокую твердость - 72...76 HRC и теплостойкость до 850... 1000 °С. Это позволяет работать со скоростями резания в 3 - 4 раза большими, чем инструментами из быстрорежущих сталей.

Вольфрамовые сплавы группы ВК: ВК3, ВК3-М, ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8 и др.

Инструменты из твердых сплавов группы ВК применяют при обработке деталей из конструкционных сталей в условиях низкой жесткости системы СПИД, при прерывистом резании, при работе с ударами, а также при обработке хрупких материалов типа чугуна, что обусловлено повышенной прочностью этой группы твердых сплавов и невысокими температурами в зоне резания.

Такие сплавы используются также при обработке деталей из высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов. Это объясняется тем, что наличие в большинстве этих материалов титана вызывает повышенную адгезию со сплавами группы ТК, также содержащими титан. Кроме того, сплавы группы ТК имеют значительно худшую теплопроводность и более низкую прочность, чем сплавы ВК.

Двухкарбидные твердые сплавы содержат карбиды вольфрама, и титана и называются титановольфрамовыми (группа ТВК или ТК). В марках Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 цифры после буквы Т показывают процентное содержание карбида титана TiC, буква К – Co, цифра после буквы К – содержание кобальта, остальное – WC.

 Пример расшифровки сплава Т5К10: 5% TiC + 10% Co + 85% WC.

Сплавы этой группы более износостойки и менее прочны, чем сплавы группы ВК. Применяются при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т. е. температурой 1100–1150 !.

Твердые сплавы представляют собой сплавы карбидов тугоплав-ких металлов с кобальтом, являющимся своеобразной связкой. Твердые сплавы обладают высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью до 1000 !.

Промышленностью выпускаются три группы вольфрамовых твердых сплавов (ГОСТ 3882–74): ВК – вольфрамовые, ТК – титановольфрамовые и ТТК – титанотанталовольфрамовые

Трехкарбидные твердые сплавы по сравнению со сплавами группы ТК включают карбиды тантала и называются титанотанталовольфрамовыми (группа ТТК).

В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед буквой К показывает суммарное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К – содержание Co, остальное – WC. Пример расшифровки сплава ТТ8К6: 8% (TiC + TaC) + 6% Co + + 86% WC.

Сплавы этой группы имеют высокую прочность и применяются при обработке жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов.