1.10. Выбор инструментального материала

Материалы, предназначенные для изготовления режущих инструментов, должны обладать следующими основными свойствами:

1) твердостью, превышающей твердость обрабатываемого материала;

2) достаточной вязкостью, при отсутствии которой режущие лезвия инструментов выкрашиваются от давления стружки, особенно если это давление переменное;

3) теплостойкостью, т. е. способностью сохранять исходную твердость после нагрева до определенной температуры;

4) износостойкостью, т. е. способностью инструментального материала сопротивляться износу (истиранию) при трении по обрабатываемому материалу;

5) достаточно высокими механическими свойствами - пределами прочности на изгиб, сжатие, кручение, растяжение.

Для изготовления режущих инструментов применяют: углеродистые инструментальные стали, легированные инструментальные стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамические материалы и др.

1. Углеродистые инструментальные стали содержат 0,7 - 1,2% углерода. После закалки твердость углеродистой инструментальной стали может быть доведена до Rc = 62 - 63. Эти стали обладают относительно хорошей вязкостью и высокими механическими свойствами. Недостатком их является сравнительно низкая теплостойкость. При нагреве до 200 - 250° эти стали теряют свою твердость, а, следовательно, и режущие свойства.

Наиболее распространенными из углеродистых сталей являются марки У10А и У12А.

2. Легированные инструментальные стали по химическому составу отличаются от обычных углеродистых инструментальных сталей наличием легирующих элементов - хрома, вольфрама и др. или повышенным содержанием кремния или марганца.

Легированные инструментальные стали содержат 0,9 - 1,1% углерода. После закалки твердость их может быть доведена до Rc= 62 - 63. Они обладают высокой вязкостью и примерно такими же механическими свойствами, как углеродистые стали. Теплостойкость легированных инструментальных сталей сохраняется до 200—220°.

Как углеродистые, так и легированные стали можно применять только при умеренных и низких скоростях резания.

Легированные стали марки 9ХС (хромокремнистая) и особенно ХВГ (хромовольфрамомарганцевая) имеют ценное качество — они мало деформируются при термической обработке. Поэтому эти стали употребляются для изготовления таких инструментов, как протяжки, сверла, развертки, метчики, плашки и т. п.

3. Быстрорежущие стали применяют для изготовления только ответственного режущего инструмента сложной формы (фасонные резцы, зуборезный инструмент, протяжки и др.) и отличаются большим сопротивлением износу.

Быстрорежущая сталь обладает “красностойкостью”, т. е. способностью сохранять свою твердость и режущие свойства при температуре 560 - 600°. Твердость быстрорежущей стали после закалки и отпуска Rc = 62 - 65.

Механические свойства быстрорежущей стали такие же, как сталей углеродистых и легированных.

Режущие инструменты из быстрорежущей стали работают при скоростях резания, в среднем в 2 - 4 раза больших, чем инструменты из углеродистой стали.

Современные быстрорежущие стали содержат 6 - 19% вольфрама; 3,6 - 4,6% хрома; 0,2 - 2,6% ванадия; 0,3 - 0,6% молибдена.

Основными марками быстрорежущей стали в России являются стали Р18 и Р9. Сталь марки Р9 по сравнению с Р18 имеет меньшую вязкость и хуже обрабатывается шлифованием.

Быстрорежущую сталь закаливают в масле после нагрева до 1280 - 1300°С и подвергают многократному отпуску (два - четыре раза) при 560 - 580°С с выдержкой по 1 часу или однократному отпуску с выдержкой 3 - 4 часа.

4. Твердые сплавы представляют собой карбиды вольфрама, тантала и титана, сцементированных кобальтом или иным связующим. Их получают путем спекания при 1500 - 1550°С порошков вольфрама, титана, тантала, кобальта и угля. Пластинки из твердого сплава обладают высокой твердостью, достигающей R_A=87 - 89.

Теплостойкость твердых сплавов намного выше теплостойкости быстрорежущей стали и доходит до 1000 - 1200°С. Твердые сплавы обладают высокой износоустойчивостью и допускают применение их при скоростях резания, превышающих в 3 - 5 раз и более предельные скорости резания для быстрорежущих сталей. Недостатком твердых сплавов является низкая вязкость и плохая сопротивляемость изгибу.

Твердые сплавы, выпускаемые в России, подразделяются на три группы - однокарбидные ВК (вольфрамокобальтовые марок ВК2, ВКЗ, ВК6, ВК8 и др.), более вязкие, но менее твердые и износостойкие, двухкарбидные ТК (вольфрамотитанокобальтовые марок Т5К10, Т15К6, Т30К4 и др.) - менее вязкие, но более твердые и износостойкие и трехкарбидные (в их состав входят карбиды вольфрама, титана и тантала). Трехкарбидные сплавы (марок ТТ15К6 и др.) отличаются очень высокой теплостойкостью, достигающей 1500°С.

Твердые сплавы группы ВК предназначаются для обработки чугуна, твердых хрупких металлов и неметаллических материалов - керамики, мрамора, стекла, пластмасс и др. Твердые сплавы группы ТК и ТТК предназначаются для обработки высокопрочных сталей.

5. Минералокерамические материалы применяют для изготовления режущих инструментов, предназначенных для скоростной обработки металлов. Их основой является окись алюминия А1₂О₃. Существенным достоинством минералокерамнческих материалов является то, что они не содержат вольфрама и других дефицитных материалов. Минералокерамические инструментальные материалы обладают высокой износостойкостью и теплостойкостью, которые в ряде случаев выше, чем у твердых сплавов. Недостаток - высокая хрупкость, пока препятствующая широкому внедрению их в промышленность.

Лучшей маркой минералокерамических материалов является ЦМ332. При чистовой обработке стали резцами, оснащенными пластинками этой марки, можно достичь скоростей резания до 2000 м/мин, что в 1,5 - 2 раза превышает возможности твердого сплава Т15К6 в таких же условиях.

Более подробные рекомендации по выбору инструментальных материалов можно найти в справочной литературе