ЛЕКЦІЯ 3 ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ МАТЕРІАЛИ
3.1 Вимоги, які ставляться до інструментальних матеріалів
Вимоги, які ставляться до інструментальних матеріалів, визначаються умовами, в яких знаходяться контактні поверхні інструменту під час зрізування з заготовки припуску, який був залишений під оброблення. Перш за все, щоб інструмент міг здійснювати різання, він повинен мати змогу проникати в оброблюваний матеріал без деформування. Як приклад, на рис. 3.1 показане лезо інструменту, яке зрізає шар металу товщиною а. Стружка прилягає до передньої поверхні леза в межах площадки контакту довжиною с. Вона переміщується по передній поверхні леза, а його задня поверхня контактує з поверхнею різання, яка також переміщується відносно леза. Зрізуваний шар через стружку тисне на передню поверхню з нормальною силою , завдяки чому в межах площадки контакту виникає нормальне напруження /(ab) (b – ширина зрізуваного шару), яке може досягати 500-700 МПа. Окрім цього, в умовах переривчастого різання або при зрізуванні нерівномірного припуску, сили різання будуть змінюватися, що приведе до виникнення циклічних напружень. В процесі різання внаслідок перетворення механічної роботи в теплоту з боку деталі на інструмент діє потужний тепловий потік, в результаті чого на передній поверхні леза встановлюється висока температура (до 800-900ºС).
Рисунок 3.1 – Умови роботи леза інструменту при точінні
Наведені особливості роботи інструменту обумовлюють такі основні вимоги до матеріалу робочих частин інструментів:
висока твердість, яка повинна перевищувати твердість оброблюваного матеріалу;
висока механічна міцність (тобто достатня в'язкість та здатність чинити опір стиску та вигину), висока границя витривалості;
висока теплостійкість (під теплостійкістю розуміють здатність матеріалу зберігати під час нагрівання твердість, достатню для виконання процесу різання. Теплостійкість характеризується температурою червоностійкості Θкр.);
малочутливість до циклічних температурних змін при переривчастому процесі різання;
висока теплопровідність, яка поліпшує умови відведення теплоти від зони різання;
стійкість проти зношування в умовах великих контактних навантажень, тертя та високих температур;
достатня надійність;
добра оброблюваність в холодному і гарячому стані, в тому числі і шліфуванням і т. ін.;
дешевизна, відсутність використання дефіцитних матеріалів.
Інструментального матеріалу, який би в рівній мірі задовольняв всім перерахованим вище вимогам, в природі не існує. В зв’язку з цим, необхідно підбирати область застосування для кожного інструментального матеріалу, яка б забезпечувала його найраціональнішу експлуатацію.
3.2 Вуглецеві та низьколеговані інструментальні сталі
3.2.1 Вуглецеві інструментальні сталі
У практиці зустрічається чимало способів оброблення металів, при яких не застосовуються високі швидкості різання (наприклад, слюсарне оброблення, протягування і т. ін.). Природно, що для таких видів оброблення різанням матеріали з високою теплостійкістю не потрібні, раціональніше застосовувати дешеві інструментальні матеріали. Основними вимогами до робочих частин інструментів з таких матеріалів є твердість, міцність і стійкість проти зношування. Ці інструменти, як правило, виготовляють із недорогих вуглецевих інструментальних сталей марок У7-У13А.
Вуглецеві інструментальні сталі – це сталі, які містять 0,7-1,3% вуглецю (У7-У13). Вони позначаються літерою У, цифри після якої визначають вміст вуглецю в десятих частках відсотка, тобто У7 –0,7%, У13 – 1,3% вуглецю.
Твердість і фізико-механічні властивості загартованих інструментальних сталей в основному визначаються процентним вмістом вуглецю. Зі збільшенням його кількості твердість сталі зростає, але зменшується її в'язкість. В результаті цього інструменти стають крихкими, погано витримують навантаження, насамперед ударне. Марки вуглецевих інструментальних сталей та їх хімічний склад встановлюються відповідним стандартом.
Добавлення марганцю поліпшує прогартовуваність сталі (гартування на певну глибину), але під час гартування у воді в такій сталі можуть виникати тріщини. В разі додержання правильних режимів термооброблення твердість НRС вуглецевих інструментальних сталей досягає 58-64 одиниць.
Бажано, щоб у вуглецевих інструментальних сталях була мінімальна кількість сірки та фосфору. Зменшення вмісту сірки знижує червоноламкість, тобто міцність сталі при підвищених температурах, а зменшення вмісту фосфору – холодноламкість сталі. Крім того, сталь зі зменшеним вмістом сірки та фосфору має меншу схильність до тріщиноутворення під час термооброблення. Наявність тріщин в інструменті різко знижує його працездатність. Високоякісні сталі зі зниженим вмістом сірки (до 0,02 %) і фосфору (до 0,03 %) краще протистоять дії ударних навантажень. Маркуються вони додатковою літерою А (наприклад, У12А). Літера Г в позначенні марки сталі вказує на те, що в її складі є марганець. Наприклад, у сталі марки У8ГА міститься до 1 % марганцю та (в середньому) 0,8 % вуглецю (У8).
Вуглецеві інструментальні сталі марок У7, У7А – У13, У13А призначені для виготовлення слюсарних інструментів.
Вуглецеві інструментальні сталі доцільно використовувати для виготовлення інструментів, що працюють з швидкостями різання (10-20 м/хв або 0,15-0,3 м/с). Теплостійкість таких інструментів лежить у межах 180-240 °С. При цих температурах втрачаються твердість і різальні властивості інструментів, що робить їх непридатними для застосування.