3. Инструментальные стали

Инструментальные стали разделяют на углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Углеродистые инструментальные стали применяют для изготовления инструмента, работающего при малых скоростях резания (8... 10 м/мин).

Марки таких сталей обозначают буквой У (углеродистая), затем цифрами, которые показывают содержание в стали углерода (в десятых долях процента), буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная (содержание серы и фосфора не более 0,03 % каждого элемента).

Основными свойствами углеродистых инструментальных сталей являются высокая твердость (HRC 62...65) и низкая температуростойкость.

Из стали марок У9 и У10А изготовляют пилы; из стали марок У11; У11А; У12 — ручные метчики и др.

Легированная инструментальная сталь в зависимости от основных легирующих элементов может быть хромистой (X), хромо-кремнистой (ХС), вольфрамовой (В), хромовольфрамомарганцевой (ХВГ) и др.

Марки таких сталей обозначают цифрами и буквами (первыми буквами названия легирующих элементов). Первая цифра слева от букв показывает содержание углерода в десятых долях процента (если содержание углерода менее 1 %), цифры справа от букв показывают среднее содержание легирующего элемента в процентах.

Из стали марки X изготовляют метчики и плашки, из стали 9ХС — сверла, развертки, метчики и плашки. Сталь В1 рекомендуется для изготовления мелких сверл, метчиков и разверток.

Температуростойкость легированных инструментальных сталей 350...400°С, поэтому допустимые скорости резания для инструмента из этих сталей в 1,2... 1,5 раза выше, чем для инструмента из углеродистых инструментальных сталей.

Быстрорежущие (высоколегированные) стали применяют чаще всего для изготовления сверл, зенкеров и метчиков. Марки быстрорежущих сталей обозначают буквами и цифрами, например Р6МЗ. Буква Р означает, что сталь быстрорежущая, цифры после нее показывают среднее содержание вольфрама в процентах, остальные буквы и цифры обозначают то же, что и в марках легированных сталей. Важнейшими компонентами быстрорежущих сталей являются вольфрам, молибден, хром и ванадий.

Быстрорежущие стали в зависимости от режущих свойств делят на стали нормальной и повышенной производительности. К сталям нормальной производительности относятся вольфрамовые стали марок Р18; Р9; Р9Ф5 и вольфрамомолибденовые стали марок Р6МЗ; Р6М5, сохраняющие твердость не менее HRC 58 до температуры 620 °С. К сталям повышенной производительности относятся стали марок Р18Ф2; Р14Ф4; Р6М5К5; Р9М4К8; Р9К5; Р9К10; Р10К5Ф5; Р18К5Ф2, сохраняющие твердость HRC 64 до температуры 630...640°С.

Все инструменты, изготовленные из инструментальных сталей, подвергают термической обработке. Инструменты из быстрорежущей стали могут работать при более высоких скоростях резания, чем инструменты из углеродистой и легированной инструментальных сталей.

4. Твердые сплавы и неметаллические инструментальные материалы

Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием. Стандартные марки твердых сплавов выполнены на основе карбидов вольфрама, титана, тантала. В качестве связки используется кобальт.

Бывают твердые сплавы однокарбидные: ВК8 – 8% кобальта, 92% карбидов вольфрама;

двухкарбидные: Т5К10 – 5% карбидов титана, 10% кобальта и 85% карбидов вольфрама;

трехкарбидные: ТТ8К6 – 6% кобальта, 8% карбидов титана и тантала, 86% карбидов вольфрама.

В зависимости от состава карбидной фазы и связки обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В - вольфрам, Т - титан, вторая буква Т - тантал) и связку (буква К- кобальт). Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой долей связки (цифра осле буквы К), например, сплав ВК4 содержит 4% кобальта и 96% WC. В двухкарбидных WC+TiC сплавах цифра после буквы карбидообразующего элемента определяется массовая доля карбидов этого элемента, следующая цифра - массовая доля связки, остальное - массовая доля карбида вольфрама (например, сплав Т5К10 содержит 5% TiC,10% Co и 85% WC).

В трехкарбидных сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Цифра за буквой К - массовая доля связки, остальное - массовая доля карбида вольфрама (например, сплав ТТ8К6 содержит 6% кобальта, 8% карбидов титана и тантала и 86% карбида вольфрама).

Классификация применяемости твердых сплавов по группам:

Р – сталь конструкционная и углеродистая, отливки и прокат стальной (синий);

М – нержавеющие, высоколегированные, труднообрабатываемые материалы (желтый);

К – чугун и чугунные отливки (красный);

N – алюминий и алюминиевые сплавы (зеленый);

S – жаропрочные и титановые сплавы (оранжевый);

Н – закаленные и высокотвердые стали (серый).

К неметаллическим инструментальным материалам относят:

– режущую керамику;

– природный алмаз;

– сверхтвердые инструментальные материалы (СТМ).

Промышленность выпускает четыре группы режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе Al2O3, оксикарбидную (черная керамика) на основе композиции Al2O3-TiC, оксиднонитридную (кортинит) на основе Al2O3-TiN и нитридную керамику на основе Si3N4.

Основной особенность режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания, повышает пластическую прочность, что и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава.

Недостаток оксидной керамики – ее относительно высокая чувствительность к резким температурным колебаниям (тепловым ударам). Поэтому охлаждение при резании керамикой не применяют.

Режущую керамику выпускают в виде неперетачиваемых пластин, что существенно облегчает условия ее эксплуатации.

Природный алмаз имеет наивысшую твердость среди всех известных материалов HV 98000 (для сравнения, твердость карбида вольфрама HV 17500), среднюю прочность на сжатие (s_-в = 1960 МПа) и очень низкую – на изгиб (s_и = 290 МПа).

Термостойкость природного алмаза около 800°С. При превышении этой температуры алмаз полностью и необратимо теряет режущие свойства, превращаясь в графит.

Технологичность природного алмаза – очень низкая, а относительная стоимость инструмента, оснащенного монокристаллами алмаза – высокая (из-за высокой стоимости монокристалла и низкой производительности тонкого точения).

Использование алмаза для обработки сталей невозможно из-за химического сродства по углероду.