Инструментальные материалы

Цель работы: изучить инструментальные материалы, их свойства, микроструктуру, обработку, химический состав и области применения этих материалов.

Краткие сведения из теории

Инструментальные материалы работают в тяжелых условиях, что обусловлено процессом резания (обработки) различных металлических ма­териалов. Резец представляет собой клин, который внедряется в обрабаты­ваемую заготовку, срезая с ее поверхности слой металла. Поэтому, чтобы клин внедрялся в заготовку, не деформируясь, он должен обладать значи­тельно большей твердостью, чем обрабатываемый материал. Следователь­но, первым требованием, которое предъявляют к инструментальным мате­риалам, является его высокая твердость.

Срезаемый слой стружки оказывает давление на переднюю по­верхность резца (или любого другого инструмента). Инструмент должен выдерживать эти давления без заметного деформирования, и не разрушаясь. Кроме того, из-за неравномерного припуска на заготовках в процессе реза­ния изменяются силы резания. Поэтому вторым требованием является вы­сокая механическая прочность инструментального материала. Кроме того, инструментальный материал должен обладать высоким пределом выносливости и ударной вязкостью, что особенно важно для материалов штампов.

В процессе резания вследствие образования стружки, трения сбе­гающей стружки о переднюю поверхность и главной задней поверхности о поверхность резания возникает большое количество тепла, из-за чего слой на передней поверхности резца может нагреваться до 900° С и более. При этом контактные поверхности резца теряют свою исходную твердость, размягчаются и быстро изнашиваются. Поэтому третьим требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является его высокая те­плостойкость.

Под теплостойкостью (красно­стойкостью) понимают способ­ность инструментального мате­риала сохранять при нагреве твердость, обеспечивающую процесс резания. В результате перемещения стружки по перед­ней поверхности и поверхности резания по задней поверхности возникают большие контактные напряжения, обуславливающие износ инструмента. Поэтому, четвертым требованием, предъ­являемым к инструментальным материалам, является его высокая износостойкость. Износостойкость ма­териала зависит от твердости, прочности и теплостойкости.

В металлообрабатывающей промышленности используется большое количество различных инструментов. Поэтому инструментальный матери­ал должен быть сравнительно дешевым и не содержать дорогостоящих элементов.

Инструментальные материалы делят на 5 типов:

1) углеродистые стали (с пониженной прокаливаемостью);

2) легированные стали (с повышенной прокаливаемостью);

3) быстрорежущие стали;

4) штамповые стали (в данной лабораторной работе не рассматриваются);

5) твердые сплавы.

1. Углеродистые и легированные инструментальные стали

Для изготовления режущих инструментов применяют качественные углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13 и высококачественные углеродистые инструментальные стали У7А, У8А, У9А и так далее. Качественные углеродистые инструментальные стали со­держат до 0,05% серы и фосфора. Высококачественные - до 0,025% серы и фосфора. Эти стали подвергают закалке от 760°С - 820°С и, как правило, низкому отпуску (в зависимости от назначения инструмента). После такой термической обработки инструменты имеют твердость HRС 62-64, структуру - отпущенный мартенсит + вторичный цементит + оста­точный аустенит (несколько процентов). Углеродистые инструментальные стали имеют высокие механические свойства, хорошо шлифуются.

К недостаткам углеродистых инструментальных сталей следует отне­сти низкую прокаливаемость (глубину проникновения закаленной зоны). Закалку инструментов производят в воде, что обуславливает большие внутренние напряжения, деформацию инструмен­тов и образование трещин. Вторым недостатком инструментальных угле­родистых сталей является их низкая теплостойкость 200°С. При более вы­соких температурах нагрева в процессе резания происходят структурные превращения, связанные с распадом мартенсита отпуска, обуславливающие снижение твердости режущего лезвия инструмента, а, следовательно, при­тупляемость и быстрый его износ. Поэтому из углеродистых инструмен­тальных сталей изготавливают металлорежущие инструменты, работающие с низкими скоростями резания: напильники, зубила, шаберы, ножницы по металлу, ручные развертки, метчики, плашки.

2. Легированные инструментальные стали имеют повышенную тепло­стойкость по сравнению с углеродистыми инструментальными (250° С). Марки наиболее распространенных легированных инстру­ментальных сталей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав инструментальных сталей

Марка стали	С	Mn	Si	Cr	W	V
X	0,95-1,1	0,4	0,35	1,3-1,6	-	-
9ХС	0,85-0,95	0,03-0,6	1,2-1,6	0,95-1,25	-	-
ХВГ	0,9-1,0	0,8-1,0	0,15-0,35	0,9-1,2	1,2-1,6	-
ХВ5	1,25-1,50	0,3	0,30	0,40-0,70	4,5-5,5	0,15-0,30

Эти стали обладают повышенной прокаливаемостью. Инструменты из этих сталей закаливают в масле (при ступенчатой закалке - в соли) и прокаливают насквозь. Меньшая скорость охлаждения при закалке умень­шает опасность образования трещин, деформации и коробления, что на­блюдается при закалке углеродистых инструментальных сталей. Из этих сталей изготавливают фасонные резцы, сверла, протяжки, метчики, плаш­ки, фрезы.