69

Министерство образования и науки российской федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«СТАНКИН»

КАФЕДРА МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Л.С. Кремнев

А.М. Адаскин

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИНСТРУМЕНТОВ

(Конспект лекций)

Москва 2006

АННОТАЦИЯ

Курс «Инструментальные материалы и термическая обработка инструментов» составлен в соответствии с учебным планом подготовки инженеров и магистров по специальностям….

Составитель: к.т.н., проф. кафедры «Металловедение» А.М.Адаскин.

Редактор: зав. кафедрой «Металловедение» д.т.н., проф. Л.С.Кремнев.

Оглавление

Стр.

Введение. Роль инструментальных материалов в металлобрабатывающей

промышленности.

1. Условия эксплуатации режущего инструмента. Требования к свойствам инстументальных материалов.

2. Механические свойства инструментальных материалов.

1. Твердость.

2. Прочность инструментальных материалов.

3. Ударная вязкость инструментальных материалов.

4. Взаимосвязь между твердостью, прочностью и ударной вязкостью инструментальных материалов.

5. Трешщиностойкость.

6. Теплостойкость.

1. Углеродистые и легированные инструментальные стали.

2. Быстрорежущие стали.

   1. Структура, термическая обработка и свойства быстрорежущих сталей.

   2. Влияние исходной (отожженной) структуры быстрорежущей стали на структуру закаленной стали.

   3. Состав и свой ства быстрорежущих сталей.

      1. Стали нормальной теплостойкости.

      2. Низколегированные быстрорежущие стали.

      3. Стали повышенной теплостойкости.

3. Технологические свойства инструментальных сталей.

   1. Литейные свойства.

   2. Обрабатываемость давлением инструментальных и быстрорежущих сталей.

   3. Свариваемость инструментальных и быстрорежущих сталей.

   4. Обрабатываемость резанием.

   5. Технологичность при термической обработке. Требования к технологии термической обработки.

      1. Чувствительность к перегреву. Стабильностьплавочных свойств.

      2. Склонность к обезуглероживаию. Способы определения и предупреждения.

      3. Деформации при термической обработке. Снижение деформаций.

      4. Дефекты термической обработки.

   6. Обрабатываемость шлифованием (шлифуемость).

4. Твердыесплавы и режущая керамика.

   1. Сведения о технологии порошковой металлургии.

   2. Твердые сплавы.

   3. Режущая керамика.

5. Сверхтвердые материалы (СТМ) на основе алмаза и кубического нитрида бора.

   1. Строение и свойства алмаза и кубического нитрида бора.

   2. Природные алмазы.

   3. Синтез алмаза и кубического нитрида бора.

   4. СТМ на основе алмаза и ку бического нитрида бора.

6. Технологические возможности повышения стойкости инструмента.

   1. Повышение стойкости инструмента за счет изменения структуры инструментальных материалов.

   2. Повышение стойкости инструмента за счет нанесения износостойких покрытий.

      1. Диффузионные покрытия.

      2. Электролитические (гальванические) покрытия.

      3. Адгезионные покрытия.

7. Обрабатываемость резанием конструкционных материалов

. Области рационального применения инструментальных материалов.

1. Обрабатываемость сталей.

9.1.1. Производительность обработки резанием.

9.1.2. Качество поверхности при обработке резанием

9.2.Обрабатывамость чугунов.

3. Материалы повышенной обрабатываемости.

9.4 Труднообрабатываемые матеиалы.

9.5.Области рационального применения инструментальных материалов.

9.5.1. Применение инструментальных и быстрорежущих сталей.

9.5.2. Применение твердых сплавов.

9.5.3. Применение режущей керамики.

9.5.4. Применение СТМ.

10. Абразивнные инструменты.

10.1. Абразивные материалы..

10.2. Связки шливовальных кругов.

10.2.1. Органические связки – бакелитовая и вулканитовая.

10.2.2. Керамические связки.

10.2.3. Абразивные пасты.

ВВЕДЕНИЕ.

Роль инструментальных материалов в металлообрабатывающей промышленности.

Развитие инструментальных материалов (ИМ) в ХХ веке явилось основой прогресса металлообрабатывающей промышленности.

В первую очередь свойства ИМ определяют производительность обработки (резания). Основное (машинное) время зависит, главным образом, от скорости резания. Допустимая скорость резания при обработке конкретного материала определяется только теплостойкостью инструментального материала (теплостойкость - способность сохранять твердость при нагреве).

В начале двадцатого века в качестве ИМ использовались инструментальные углеродистые и легированные стали. Эти стали не обладают теплостойкостью, их разупрочнение происходит при нагреве до 200 – 250^ОС. Поэтому допустимые скорости резания не превосходят 10 – 15м/мин. При таких скоростях наибольшие затраты времени (до70%) при обработке заготовок приходятся на основное время. Автоматизация технологического процесса в этом случае нецелесообразна, т.к. она позволяет сократить только вспомогательное время, доля которого невелика.

Основные исследования ХХ века в области ИМ были посвящены созданию новых материалов, позволяющих производить обработку с высокими скоростями резания. Структура инструментальных сталей представляет собой твердый раствор (мартенсит отпуска после окончательной термической обработки) с небольшим количеством карбидной фазы (около 15%), являющейся химическим соединением. В то же время именно химические соединения с сильным типом связи обладают высокой твердостью и термостойкостью (теплостойкостью), т.е. способностью сохранять свойства при нагреве.

Развитие ИМ пошло по пути создания материалов, в структуре которых увеличивалась доля химических соединений (от 15% в углеродистых сталях до 100% в режущей керамике), а также по пути как создания, так и использования природных материалов с весьма сильными межатомными связями – в первую очередь алмаза.

В настоящее время в качестве ИМ для обработки резанием используют:

1. углеродистые и легированные инструментальные стали;

2. быстрорежущие стали (созданы в 1914-18 г.г.);

3. твердые сплавы (созданы в 30-е годы ХХ века);

4. режущую керамику (первые марки созданы в 50-е годы ХХ века);

5. сверхтвердые материалы (СТМ) на основе алмаза и кубического нитрида бора (синтез освоен в 60 - 70-е годы ХХ века).

Применение этих материалов позволило весьма существенно повысить скорость резания (табл.1).

Таблица 1. Характеристика ИМ.

ИМ	Структура	Теплостойкость,ОС	Vм/мин
Углеродистые и легированные стали	Твердый раствор + карбиды (15%)	200 – 250	10 – 15
Быстрорежущие стали	Твердый раствор + карбиды (30%)	600 - 650	40 – 50
Твердые сплавы	Карбиды (более 90%) + твердый раствор	900 - 1000	До250
Режущая керамика и СТМ	Оксиды, карбиды, нитриды, алмаз	1100 – 1200	До 400 - 700

При обработке заготовок с высокими скоростями резания меняется баланс временных затрат – максимальным становится не основное, а вспомогательное время. Это определяет целесообразность автоматизации технологических процессов обработки резанием. При этом возникает и необходимость автоматизации, т.к. оператор уже не в состоянии правильно вручную управлять быстро перемещающимся инструментом или обрабатываемой заготовкой.

Использование ИМ высокой твердости и, таким образом весьма хрупких, потребовало создания станков, обладающих высокой жесткостью и виброустойчивостью.

Таким образом, развитие ИМ позволило значительно повысить производительность обработки резанием, сделало целесообразным и необходимым автоматизацию обработки, привело к созданию металлорежущих станков нового поколения.

Выбор ИМ для конкретных условий обработки определяется:

• условиями эксплуатации инструмента (обрабатываемый материал, тип производства и т.п.);

• конструкцией инструмента и технологией его изготовления;

• экономическими факторами.

1. УCЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ.

ТРЕБОВАНИЯ К СВОЙСТВАМ ИМ.

В процессе резания инструмент находится под воздействием очень высоких контактных напряжений, их значения могут превосходить 4000 Мпа. При этом создаются условия близкие к всестороннему неравномерному сжатию, для которого характерна высокая доля касательных напряжений. В таком напряженном состоянии материал склонен к пластическому деформированию. Эта склонность усугубляется нагревом. Сопротивление материала большим пластическим деформациям характеризуется твердостью. Таким образом, высокая твердостьявляется необходимым свойством инструментального материала. Именновысокая твердостьобеспечивает сопротивление смятию режущей кромки определяет, таким образом, принципиальную возможность использования материалов в качестве инструментальных. Высокая твердость определяет также сопротивление абразивному и усталостному износу.

Таким образом, инструментальными являются материалы, имеющие или получающие (в результате термической обработки) высокую твердость. Это инструментальные стали, твердость инструмента из сталей должна быть не менее 62HRC, а также простые вещества (алмаз) и химический соединения (карбиды, нитриды, оксиды), имеющие значительно более высокую твердость.

При резании происходит нагрев инструмента. Способность материала сохранять твердость при нагреве - теплостойкостьявляется важной характеристикой инструментальных материалов. При обработке резанием температура в зоне резания тем выше, чем больше скорость резания, таким образом,теплостойкостьопределяет производительность обработки.

В процессе резания инструменты подвергаются воздействию разнообразных напряжений (изгиба - многолезвийный режущий инструмент, кручения - осевой режущий инструмент и реже растяжения - протяжки), а также динамических нагрузок. Поэтому инструментальный материал должен обладать достаточно высокими механическими характеристиками - пределом прочности и ударной вязкостью. Эти свойства также влияют на производитеьность обработки. Чем выше прочность ИМ, тем больше допустимые подачи и глубины резания.

При этом надо иметь в виду, что инструментальные материалы, обладающие высокой твердостью, имеют хрупкий характер разрушения (т.е. практически без пластической деформации). Рост твердости таких материалов сопровождается снижением других механических свойств. Следовательно, твердость инструмента должна быть максимально допустимой, т.е. такой, при которой механические свойства материала обеспечивают работу инструмента без поломок и сколов режущей кромки.

Чем выше модуль упругости инструментального материала, тем больше его жесткость, соответственно, меньше упругие отжатия при резании, это обеспечивает большую точность обработки и меньшую шероховатость обрабатываемой поверхности.

Температура в зоне резания зависит от теплопроводности и теплоемкости инструментального материала. Чем выше теплопроводность, тем интенсивнее отвод тепла из зоны обработки. При более высокой теплоемкости материала для его нагрева до определенной температуры требуется большее количество теплоты. Поэтому при одинаковых условиях инструмент нагревается тем меньше, чем выше теплопроводность и теплоемкость инструментального материала.

Коэффициент теплового расширенияжелательно иметь минимальным. Объемные изменения, при нагреве и охлаждении инструмента в процессе обработки приводят к развитию термической усталости. Это уменьшает долговечность его работы. Кроме того, изменения размеров инструмента при нагреве могут лимитировать точность обработки.

Инструментальный материал должен иметь достаточно высокую химическую устойчивость.Это предотвращает или снижает вероятность появления адгезии (схватывания) и возникновения диффузионного износа. Для режущего инструмента эта опасность возникает при больших скоростях резания, из-за высоких температур в зоне обработки.