714

рументов, предназначенных для черновой обработки деталей из различных сталей. Весьма эффективна замена карбидов тантала карбидами хрома. Это обеспечивает получение сплавов с мелкозернистой однородной структурой и высокой износостойкостью. Представителем таких материалов является сплав ВК10-XOM.

Сплавы с низким процентным содержанием кобальта (Т30К4, ВК3, ВК4) обладают меньшей вязкостью и применяются для изготовления инструментов, срезающих тонкие стружки на чистовых операциях. Наоборот, сплавы с большим содержанием кобальта (ВК8, Т14К8, Т5К10) являются более вязкими и применяются при снятии стружек большого сечения на черновых операциях.

Работоспособность твердых сплавов значительно возрастает при нанесении на них износостойких покрытий.

Минералокерамика

Из современных инструментальных материалов заслуживает внимания минералокерамика, которая не содержит дорогостоящих и дефицитных элементов. В основе минералокерамики лежит окись алюминия Аl2О3. Она дешевле других инструментальных материалов. Оксидная минералокерамика ЦМ-332 имеет более высокую твердость (на 2…5 единиц), а теплостойкость 1200 °С, а также повышенную износостойкость по сравнению с твердыми сплавами. Однако этот материал хрупок и малопрочен. Вследствие ее малой прочности (σb ~300 МПа) используемая до настоящего времени оксидная минералокерамика ЦМ-332 не нашла широкого применения в качестве режущего материала.

Всесоюзный научно-исследовательский институт абразивов и шлифования (ВНИИАШ) создал оксидную керамику марки ВШ-75. Ее рекомендуется применять при чистовой и получистовой обработке сталей и чугунов. Минералокерамика допускает скорость резания в 1,5…2 раза выше, чем твердые сплавы.

Всесоюзный научно-исследовательский институт тугоплавких металлов и твердых сплавов (ВНИИТС) разработал минералокерамку

201

оксидно-карбидного типа, полученную методом горячего прессования марок В-3, ВОК-60 и ВОК-63 и методом холодного прессования ВО-13, ВО-15, ВО-16. В основе ее лежат окись алюминия и добавки карбидов тугоплавких металлов – вольфрама, титана. Режущие свойства их выше керамики ВШ; стойкость в 3…5 раз выше, чем стойкость сплавов Т3ОК4.

Минералокерамика В-3, ВОК-60, ВОК-63 применяется для получистовой и чистовой обработки сталей и высокопрочных чугунов. Основу ее составляют оксиды алюминия Аl2O3 с небольшой добавкой оксида магния MgO (0,5...1 %). Высокая твердость минералокерамики, теплостойкость до 1200 °С, химическая инертность к металлам, сопротивление окислению во многом превосходят эти же параметры твердых сплавов. Однако минералокерамика уступает этим сплавам по теплопроводности, имеет более низкий предел прочности на изгиб. Современная минералокерамика, созданная в нашей стране и за рубежом, по прочности приближается к наиболее износостойким твердым сплавам. Минералокерамику на основе оксида алюминия можно разделить на три группы:

1)чисто оксидная керамика (белая), основу которой составляет оксид алюминия с незначительными примесями (АlО3 – до 99,7 %);

2)керамика, представляющая собой оксид алюминия с добавлением металлов (титан, ниобий и др.);

3)оксидно-карбидная (черная) керамика оксид алюминия с добавлением карбидов тугоплавких металлов (титана, вольфрама, молибдена) для повышения ее прочностных свойств и твердости.

Отечественная промышленность в настоящее время выпускает оксидную керамику ЦМ-332, ВО-13 и оксидно-карбидную В-3, ВОК-60, ВОК-63, в состав которой входит до 40 % карбидов титана, вольфрама и молибдена. Наряду с материалами на основе оксида алюминия выпускается материал на основе нитрида кремния – сили- нит-Р и кортинит ОНТ-20 (с добавками оксидов алюминия и некоторых других веществ). Физико-механические свойства режущей минералокерамики приведены в табл. 11.

202

Таблица 11 Физико-механические свойства режущей минералокерамики

Высокие режущие свойства инструментов из минералокерамики проявляются при скоростной обработке сталей и высокопрочных чугунов, причем чистовое и получистовое точение и фрезерование повышает производительность обработки деталей до 2 раз при одновременном возрастании периодов стойкости инструментов до 5 раз по сравнению с обработкой инструментами из твердого сплава.

Минералокерамика выпускается в виде неперетачиваемых пластин, что существенно облегчает условия ее эксплуатации.

Инструмент, оснащенный пластинами из керамики, прошел промышленные испытания. На ВАЗе режущую керамику применяют на семи позициях чистовой обработки деталей из серого чугуна. На КамАЗе режущую керамику широко используют при обработке тормозных барабанов, гильз деталей. На заводе «Красный пролетарий» при чистовой обработке деталей из серого чугуна резцы ВК3-М были заменены керамикой ВОК-60. Машинное время сократилось за счет увеличения скорости резания почти в 6 раз при одновременном увеличении стойкости в 5…6 раз.

Разработанные отечественные марки керамики не уступают по своим свойствам физико-механическим свойствам керамики зарубежных фирм. Применение режущих пластин из керамики позволило

203

повысить скорость резания в 2…4 раза при одновременном повышении стойкости до двух раз.

Абразивные материалы

Абразивные материалы – это вещества природного или синтетического происхождения, содержащие минералы высокой твердости и прочности, зерна и порошки которых способны обрабатывать поверхности других тел путем царапания, скобления или истирания. Их применяют для изготовления шлифовальных и заточных кругов, головок, брусков, хонов, доводочных порошков и паст.

Абразивные материалы разделяют на естественные и искусственные.

К первым относятся кварц, наждак и корунд. Все они имеют сравнительно низкие режущие свойства и поэтому мало применяются в абразивной промышленности. Кроме того, залежи корунда в природе ограничены.

Для абразивных инструментов в основном применяют искусственные абразивные материалы: электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, силикокарбид бора.

Электрокорунд получают методом электрической плавки в дуговых печах при температуре 2000…2500 °С из материалов, богатых окисью алюминия (бокситы, глинозем). В зависимости от процентного содержания А12О3 электрокорунд бывает нормальный, белый, легированный и монокорунд.

Карбид кремния SiC получают в печах при температуре 1800…1850 °С из нефтяного кокса, антрацита, т.е. из материалов, богатых кремнеземом и высоким содержанием углерода. Карбид кремния разделяется на черный 5С и зеленый 6С. Лучше из них зеленый: он имеет большую твердость и лучшие режущие кромки.

Карбид бора В4С получают при плавке борной кислоты В2О3 и нефтяного кокса в электропечах. Применяется в виде порошков или паст для доводки твердоплавкого инструмента.

204

Сверхтвердые инструментальные материалы

Одним из направлений совершенствования режущих свойств инструментов, позволяющих повысить производительность труда при механической обработке, является повышение твердости и теплостойкости инструментальных материалов. Наиболее перспективными в этом отношении являются синтетические сверхтвердые материалы (СТМ) на основе алмаза или нитрида бора.

Наряду с минералокерамикой разработаны сверхтвердые инструментальные материалы, предназначенные для чистовой обработки материалов с большой твердостью (НRС 60), а также для обработки материалов при высоких скоростях резания (свыше 10 м/с). К их числу относятся материалы на основе кубического нитрида бора

(КНБ).

Кубический нитрид бора – новый сверхтвердый материал. Он представляет собой соединение двух химических элементов – бора (43,6 %) и азота (56,4 %). КНБ – весьма твердый, теплостойкий и химически устойчивый материал. По твердости он близок к алмазу. Теплостойкость КНБ – 1300 °С. КНБ выпускается под названием

эльбор.

Для изготовления режущих инструментов основное применение получили искусственные алмазы, которые по своим свойствам близки к естественным. При больших давлениях и температурах в искусственных алмазах удается получить такое же расположение атомов углерода, как и в естественных. Масса одного искусственного алмаза обычно составляет 1/8…1/10 карата (1 карат = 0,2 г). Вследствие малости размеров искусственных кристаллов они непригодны для изготовления таких инструментов, как сверла, резцы и т.п., а поэтому применяются при изготовлении порошков для алмазных шлифовальных кругов и притирочных паст.

Лезвийные алмазные инструменты выпускаются на основе поликристаллических материалов типа «карбонадо» или «баллас». Эти инструменты имеют длительные размерные периоды стойкости и обеспечивают высокое качество обработанной поверхности. При-

205

меняются они при обработке титановых, высококремнистых алюминиевых сплавов, стеклопластиков и пластмасс, твердых сплавов и других материалов.

Алмаз как инструментальный материал имеет существенный недостаток: при повышенной температуре он вступает в химическую реакцию с железом и теряет работоспособность. Для обработки сталей, чугунов и других материалов на основе железа были созданы сверхтвердые материалы, химически инертные к нему. Такие материалы получены по технологии, близкой к технологии получения алмазов, но в качестве исходного вещества используется не графит, а нитрид бора.

Поликристаллы плотных модификаций нитрида бора превосходят по теплостойкости все материалы, применяемые для лезвийного инструмента: алмаз – в 1,9 раза, быстрорежущую сталь – в 2,3 раза, твердый сплав – в 1,7 раза, минералокерамику – в 1,2 раза. Эти материалы изотропны (одинаковая прочность в различных направлениях), обладают микротвердостью меньшей, но близкой к твердости алмаза, повышенной теплостойкостью, высокой теплопроводностью и химической инертностью по отношению к углероду и железу. Характеристики отдельных рассматриваемых материалов, которые

Алмазы

Алмазы и алмазные инструменты широко используются при обработке деталей из различных материалов. Для алмазов характерны исключительно высокая твердость и износостойкость. По абсолютной твердости алмаз в 4…5 раз тверже твердых сплавов и в десятки и сотни раз превышает износостойкость других инструментальных материалов при обработке цветных сплавов и пластмасс. Кроме того, вследствие высокой теплопроводности алмазы лучше других материалов отводят теплоту из зоны резания, что способствует гарантированному получению деталей с бесприжоговой поверхностью. Однако алмазы весьма хрупки, что сильно сужает область их применения.

Алмаз – самый твердый в природе минерал (105 МПа), устойчивый к физическим и химическим воздействиям. Теплостойкость алмаза сравнительно невысока ~ 700 °С (в среде кислорода). Природные алмазы кристаллизовались на большой глубине при огромном давлении земных недр и высокой температуре (2000–2500 °С) из расплавленной магмы, содержащей углерод.

Алмазы бывают естественные и искусственные, ювелирные и технические.

На технические цели используют 80 % природных алмазов. Они используются при изготовлении шлифовальных кругов и паст, а также для алмазно-металлических карандашей.

Технические алмазы разделяются на бортсы, балласы и карбонадо. Наилучшие из них – карбонадо. Это весьма тонкозернистые, твердые и плотные кристаллы, имеющие острые ребра.

Учитывая высокую стоимость природных алмазов, а также недостаточность их для промышленного использования, Институт физики высоких давлений Академии наук СССР в 1960 году синтезировал алмаз в лабораторных условиях, а Киевский институт сверхтвердых материалов в 1961 году начал промышленное производство искусственных алмазов из графита при высоких давлениях и температуре. Синтетические алмазы имеют те же химические и физикомеханические свойства, что и природные.

207

Наиболее эффективно алмазные инструменты применяются при обработке твердых сплавов, керамики, мрамора и стекла. Примерно 80 % алмазных порошков используют для изготовления шлифовальных кругов, притиров, хонов и др., а остальные 20 % – в виде порошков и паст.

Эффективность применения лезвийных инструментов из различных марок композитов связана с совершенствованием конструкции инструментов и технологии их изготовления и с определением рациональной области их использования: композиты 01 (эльбор-Р) и 02 (белбор) используют для тонкого и чистового точения и фрезерования без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 55...70 НRС, чугунов и твердых сплавов ВК15, ВК20 и ВК25 с подачами до 0,20 мм/об. и глубиной резания до 0,8 мм; композит 05 применяют для чистового и получистового точения без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 40...58 НRС, чугунов твердостью до 300 НВ с подачами до 0,25 мм/об. и глубиной до 2,5 мм; композит 10 (гексанит-Р) используют для тонкого, чистового и получистового точения и фрезерования с ударами деталей из закаленных сталей твердостью не выше 58 HRC, чугунов любой твердости, сплавов ВК15, ВК20, ВК25 с подачей до 0,15 мм/об. и глубиной резания до 0,6 мм. При этом период стойкости инструментов возрастает в десятки раз по сравнению с другими инструментальными материалами.

Область применения СТМ до недавнего времени ограничивалась из-за сравнительно небольших размеров поликристаллов. В настоящее время освоен выпуск двухслойных неперетачиваемых пластин, состоящих из твердого сплава (основа) и слоя из поликристаллов алмаза или нитрида бора толщиной до 0,5 мм, что повысит общую эффективность использования инструментов из сверхтвердых материалов. В зависимости от размера зерен эльбор выпускается в виде шлифпорошков и микропорошков.

Сверхтвердые синтетические материалы – это композиционные поликристаллические материалы, обладающие весьма высокой твердостью, приближающейся к твердости алмаза. Существует три их

208

разновидности: композиты (композит 01 – эльбор-Р; композит 05; композит 10 (гексонит-Р); исмит), карбонадо и силинит.

На основе кубического нитрида бора в нашей стране создана гамма сверхтвердых материалов под общим названием композит. Наиболее широкое применение получили композиты 01 (эльбор-Р), 10 (гексонит-Р), композиты 05 и 09. Композиты весьма теплостойки и применяются для резцов, фрез и т.д., для тонкой и чистовой обработки стальных и чугунных деталей. Применение инструмента, оснащенного композитом, позволяет в 2…5 раз повысить производительность обработки материалов с высокой твердостью заготовки.

Карбонадо – более плотные модификации синтетического алмаза. По твердости карбонадо превосходит композиты, но уступает по теплостойкости. Все карбонадо выпускаются в виде цилиндров диаметром 4…6 мм и высотой 3…6 мм или в виде пластин.

Силинит Р – новый сверхтвердый синтетический материал с НRА 94...96, но он недостаточно прочен. Применяется для лезвийных инструментов при чистовой и тонкой обработке.

Монокристаллические материалы

В последние годы в качестве инструментальных материалов находят применение синтетический корунд в виде рубина, а также монокристаллы бесцветного корунда, или лейкосапфиры.

Рубин представляет модификацию α-Аl2О3 с небольшими примесями хрома, а лейкосапфир – синтетический монокристалл в виде α-модификации, который почти не содержит примесей. Последний имеет более высокие механические свойства, чем рубин, в силу чего и находит более широкое применение. Инструменты, изготовленные из монокристаллов корунда, рекомендуется использовать для тонкой обработки цветных металлов, сталей и чугунов.

209

в настоящее время промышленностью, подтверждают данные рис. 96 и табл. 13.

4.2. Изнашивание и разрушение режущих инструментов

Изучение механизма и природы износа инструмента постоянно привлекало и привлекает внимание исследователей резания металлов. Выдвинутые гипотезы и теории износа относились вначале

кинструментам из углеродистых и быстрорежущих сталей, затем –

ктвердым сплавам, алмазу, минералокерамическим, сверхтвердым материалам и т.д.

Внастоящее время большинство исследователей считают, что режущий инструмент подвергается различным по природе видам износа – абразивному, адгезионному, диффузионному, химическому,

210