13.1. Инструментальные материалы.

Условия работы режущего инструмента определяют требования к свойствам инструментальных материалов. При значительных контактных напряжениях и высоких температурах создаются условия близкие к всестороннему неравномерному сжатию. В таком напряженном состоянии материал склонен к пластическому деформированию. Сопротивление материала большим пластическим деформациям характеризуется твердостью. Таким образом, высокая твердость является необходимым свойством инструментального материала. Именно высокая твердость обеспечивает сопротивление смятию режущей кромки инструмента и определяет, таким образом, принципиальную возможность использования материалов в качестве инструментальных.

13.1.1. Инструментальные материалы лезвийных инструментов.

Инструментальными являются материалы, имеющие или получающие (в результате термической обработки) высокую твердость, это:

- инструментальные и быстрорежущие стали, которые получают высокую твердость (62…65 HRC) в результате термической обработки;

- твердые сплавы, основой которых являются химические соединения – карбиды тугоплавких металлов, обладающие высокой твердостью (87…92 HRA);

- режущая керамика (до 96 HRA), основа разных марок керамики – также твердые химические соединения (оксиды, карбиды, нитриды);

- сверхтвердые материалы (СТМ) на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ) (9000…10000 HV).

При резании происходит нагрев инструмента. Способность материала сохранять твердость при нагреве - теплостойкость является важной характеристикой инструментальных материалов. Теплостойкость определяет допустимую скорость резания (температура в зоне резания тем выше, чем больше скорость резания) и, таким образом, производительность обработки (табл. 1).

Таблица 1.

Теплостойкость и допустимая скорость резания

V(м/мин) инструментальных материалов.

Инструментальный материал	Теплостойкость, ОС	Vм/мин
Углеродистые и легированные стали	200…250	10…15
Быстрорежущие стали	600…650	40…50
Твердые сплавы	900…1000	до 300
Режущая керамика и СТМ	1100…1200	400…700

Теплостойкость инструментальных и быстрорежущих сталей значительно ниже, чем у остальных инструментальных материалов. Это ограничивает производительность обработки при их использовании. Допустимые скорости резания для углеродистых и легированных сталей составляют 10…15 м/мин, а для быстрорежущих не превосходят 40…50 м/мин.

Область рационального применения инструментальных сталей определяется их важнейшим технологическим отличием от других инструментальных материалов, а именно, возможностью изменения их свойств за счет термической обработки. После разупрочняющей обработки (отжиг) твердость сталей невелика, их можно обрабатывать резанием с помощью лезвийного инструмента, получая при этом инструмент сложной формы - фасонный. Именно это обстоятельство определяет применение инструментальных сталей для - изготовления фасонного инструмента (червячные фрезы, протяжки и т.п.).

Твердые сплавы, режущую керамику и ряд сверхтвердых материалов (СТМ) на основе алмаза и кубического нитрида бора получают методом порошковой металлургии – спекания. После спекания материал получает окончательные свойства, т.е. высокую твердость. Обработка лезвийным инструментом невозможна, выполняется только абразивная обработка. Это определяет невозможность или очень высокую стоимость изготовления изделий сложной формы. Заготовки из этих материалов в виде пластинок припаиваются или механически крепятся к корпусу инструмента. Так же в виде вставок, закрепляемых в корпусе инструмента, используются моно- или поликристаллы из СТМ. Таким образом, основная область применения этих материалов - инструмент относительно простой формы, с прямолинейной режущей кромкой (резцы, фрезы).

Инструмент из углеродистых (семь марок от У7 до У13)и легированных (ХВГ, ХВСГ, 9ХС) инструментальных сталей получает твердость 61…64 HRC в результате закалки и низкого отпуска (~ 200°С). Предел прочности - 2000…2500 МПа. Из этих сталей изготавливают инструменты, работающие с низкими скоростями резания (до 5…10 м/мин). Это ручной слесарный инструмент (метчики, плашки, развертки, напильники). Легированные стали обладают большей прокаливаемостью, поэтому их используют для изготовления инструментов больших сечений.

Быстрорежущие стали. Основная особенность быстрорежущих сталей — теплостойкость. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до температур свыше 600°С. Это достигается за счет высокого уровня легирования быстрорежущих сталей сильными карбидообразующими элементами – вольфрамом и молибденом (основные легирующие), хромом, ванадием.

Маркировка быстрорежущих сталей: первая буква в марке - русская «Р» (буква «Р», принятая для обозначения быстрорежущих сталей — от английского «Rapid» — скорый), цифра после которой показывает содержание вольфрама в стали. Содержание хрома во всех быстрорежущих сталях составляет около 4% и в марке не указывается. Не указываются также ванадий при его содержании до 2% и углерод при содержании 0,7…0,9%. Покажем это на примере наиболее распространенных сталей. Сталь Р18 содержит 18%W, сталь Р6М5 — 6%W и 5%Мо, содержание углерода, хрома и ванадия в этих сталях находится в указанных пределах.

Упрочняющая термическая обработка быстрорежущих сталей, включает закалку и трехкратный отпуск. Закалку выполняют от высоких температур: 1270…1290°С для Р18 и 1210…1230°С для Р6М5, охлаждение – в масле или горячих средах. Отпуск – трехкратный, его проводят при 550…570°С, продолжительностью в один час.

Твердые сплавы — это материалы, состоящие из зерен карбидов тугоплавких металлов (W, Ti, Ta) в количестве 80% и более, соединенных металлической связкой (Co).

Твердые сплавы имеют высокие твердость 87…92 HRA (HRC=2HRA-104) и теплостойкость (800…1100°С), поэтому допустимые скорости резания при использовании твердосплавного инструмента также высокие — 100…300 м/мин. Основное применение в промышленности нашли сплавы ВК (WС+Со - связка); ТК (TiC + WС+Со); ТТК (TiC + TaC + WС+Со).

Сплавы ВК. Сплавы маркируются буквами «ВК» и цифрой, показывающей содержание кобальта (например, состав сплава ВК6 - 94% WС и 6% Со). Для режущего инструмента используют сплавы ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10. Сплавы ВК обладают повышенной прочностью, тем большей, чем больше в составе сплава кобальта.

Сплавы группы ВК применяются для обработки чугунов, а также цветных металлов, стеклопластиков и др. При обработке таких материалов возникают динамические нагрузки, что и предопределяет использование твердых сплавов с повышенной прочностью.

Сплавы ТК. Сплавы обозначаются комбинацией букв и цифр. Цифра после «Т» указывает на содержание в сплаве карбида титана, после «К» - кобальта (например, состав сплава Т15К6 - ТiC - 15%, Со - 6%, остальное, 81%, - WC). Используют сплавы Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10.

Твердость сплавов ТК больше, чем у ВК (твердость ТiC - 3220HV, WC - 2080HV), они также имеют преимущество по теплостойкости - 1000°С однако их прочность ниже.

Сплавы группы ТК используются для обработки сталей – большая температура в зоне резания, чем при обработке чугунов, но меньшие динамические нагрузки

Сплавы ТТК. Обозначение сплавов ТТК и ТК аналогично. Цифра после второй буквы «Т» указывает на суммарное содержание карбидов ТiC и ТаС.

Используют сплавы ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8 ТТ20К9. При равной теплостойкости (1000°С) сплавы ТТК превосходят сплавы ТК и по твердости, и по прочности. Поэтому они используются, в основном, для тяжелых условий резания с большими силовыми и температурными нагрузками — при больших глубинах резания, при обработке труднообрабатываемых (например, жаропрочных) материалов.

Режущая керамика состоит только из твердых химических соединений — оксидов, карбидов, нитридов и поэтому имеет весьма высокие теплостойкость (1200…1400°С) и твердость (до 96HRA). Инструментом, оснащенным режущей керамикой, возможно производить резание с очень высокими скоростями (400…600 м/мин), а также закаленных сталей с высокой твердостью (до 50…60 НRC).

Отсутствие в керамике пластичной фазы (металла - связки) определяет высокую хрупкость и низкую прочность режущей керамики. Поэтому область применения керамики – чистовые и, в ряде случаев, получистовые, но не черновые режимы.

По составу режущую керамику подразделяют на: оксидную (ЦМ-332, ВО-13, ВШ-75) — Al₂O₃ (99%) с добавками оксидов магния и циркония (белая); оксидно-карбидную (В3, ВОК60) -Al₂O₃ (60…80%) с оксидами и карбидами тугоплавких металлов (черная); оксидно-нитридную (ОНТ-20) - Al₂O₃ и TiN; на основе нитрида кремния Si₃N₄ – силинит Р.

Сверхтвердые материалы (СТМ) на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ). Алмаз — самый твердый из всех известных в природе минералов (твердость 10000 кгс/мм²), модуль упругости (Е) алмаза также выше, чем у всех известных твердых веществ (900000 Мпа). По этим свойствам кубический нитрид бора уступает только алмазу (твердость — 9250 кгс/мм², Е = 720000 Мпа). Высокая твердость определяет значительную хрупкость. Прочностные характеристики нитрида бора ниже, чем у алмаза.

Алмаз — природное вещество (кубический нитрид бора как вещество в природе не обнаружен). Масса алмаза и кубического нитрида бора измеряется в каратах (0,2 г). Алмаз массой в один карат имеет средний диаметр около 5 мм. Основная доля добываемых алмазов (80%) — технические. Развитие технологии высоких давлений позволило в середине 1950-х годов получить искусственные алмазы, несколько позже, в 1960-е годы был синтезирован кубический нитрид бора.

Для изготовления лезвийного инструмента в основном используются искусственные СТМ и реже природные алмазы. СТМ используют в виде кристаллов, а также получают путем спекания порошков. СТМ на основе нитрида бора получили название «композит» Инструменты, оснащенные СТМ, используют для чистовой и тонкой обработки.

Высокая диффузионная способность алмаза по отношению к сплавам на основе железа - сталям и чугунам (углерод диффундирует в железо, растворяется в нем) определяет нецелесообразность использования алмаза при обработке черных металлов из-за повышенного износа инструмента. Область рационального применения СТМ на основе алмаза - обработка цветных металлов и сплавов (в частности, твердых сплавов), неметаллических материалов.

Нитрид бора инертен к железу. Поэтому режущие инструменты из СТМ на основе нитрида бора применяют для обработки сталей и чугунов.

Износостойкие покрытия. Покрытия повышают износостойкость инструмента за счет высокой твердости. Используют методы физического (ФОП) или химического (ХОП) осаждения покрытий. На инструмент наносятся тонкие (несколько мкм) однослойные или многослойные покрытия нитридов, карбидов, оксидов. Эти химические соединения обладают весьма высокой твердостью (3200HV твердость TiC, 2500HV - TiN). ФОП методом конденсации ионной бомбардировкой (КИБ) выполняется при относительно низких температурах – около 500°С. ХОП – при высоких около 1000°С в газовых средах.

Для твердосплавного инструмента применимы и ФОП, и ХОП.

Для повышения стойкости инструмента из быстрорежущих сталей применяют химико-термическую обработку (ХТО) и ФОП (температура процесса ниже, чем температура отпуска быстрорежущих сталей, поэтому они не теряют твердость), использовать ХОП нельзя из-за высоких температур процесса.

Технологии ФОП и ХОП повышают стойкость инструмента в среднем в 2…4 раза.