Глава 1. Современные инструментальные материалы

1.1 Эксплуатационные свойства инструментальных материалов

Эксплуатационные характеристики металлорежущих инструментов в значительной степени определяются свойствами материала, из которого эти инструменты изготовлены. На режущие инструменты при резании действуют силы резания, которые приводят к возникновению высоких контактных напряжений, составляющих от 400 до 700 МПа на передней и задней поверхностях клина инструмента. Одновременно в зоне резания и на границах контакта «инструмент-обрабатываемый материал» возникают температуры от 200º до 1400ºС. При этом режущие кромки клина испытывают интенсивное воздействие от возникающих в зоне контакта адгезионно-усталостных, коррозионно-окислительных и диффузионных процессов, а также подвергаются абразивному износу. Поэтому инструментальный материал должен обладать достаточным запасом прочности для восприятия при обработке сжимающих, изгибающих, ударно-импульсивных и знакопеременных нагрузок.

Напряжения, возникающие в инструментальном материале под действием этих нагрузок, часто являются взаимоисключающими. Поэтому создание универсального инструментального материала, обладающего идеальным комплексом прочностных свойств в объеме однородного тела, в настоящее время не представляется возможным.

По мере накопления теоретических знаний и практического опыта обработки материалов резанием создавались новые инструментальные материалы, совершенствовались методы термической и физико-технической обработки, позволяющие повышать производительность изготовления деталей. Так за последние сто лет скорость резания увеличилась примерно в 10 раз, а время обработки уменьшилось в 50 раз.

Для изготовления металлорежущих инструментов применяют следующие основные инструментальные материалы:

1) Инструментальные стали:

– быстрорежущие (ГОСТ 19265-73);

– легированные (ГОСТ 5950-73);

– углеродистые (ГОСТ 1435-74);

– дисперсионно-твердеющие сплавы;

2) Твердые спеченные сплавы ( ГОСТ 3882-86);

3) Минералокерамика (керметы);

4) Алмазы (природные и искусственные);

5) Сверхтвердые синтетические материалы (СТМ) – композиты.

Основные свойства инструментальных материалов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Механические, физические и режущие свойства инструментальных материалов (средние значения)

Марка материала	Механические свойства			ударная вязкость в Нм/см2	Физические свойства		Режущие свойства
	твердость, HRA	предел прочности в Н/мм2			теплопровод-ность в м×град	плотность в кг/м3×10 3	Теплостойкость в ºС	относительная величина скорости резания
		изгиб	сжатие					сталь	чугун
Инструментальная углеродистая сталь
У12А	80	3140	3920	–	63	7,8	220	0,5	0,5
Инструментальная легированная сталь
9ХС ХВГ	80	3140	3920	–	41,8	7,7	220	0,6	0,6
Быстрорежущая сталь
Р18	82	3620	3720	8,72	21	8,7	600	1,0	1,0
Вольфрамовые твердые сплавы
ВК8 ВК6	87,5 88,5	1370 1240	– 4900	5,88 5,88	58,7 63	14,6 14,8	850 900	– –	2,9 3,4
Титано-вольфрамовые твердые сплавы
Т5К5 Т14К8 Т15К6 Т30К4	88,5 89,5 90 92	1174 1174 1126 882	– 2940 3920 –	– 2,94 2,45 –	33,5 29,3 29,3 21	12,7 11,7 11,3 9,6	900 900 950 1000	3,0 3,5 4,5 5,5	– – – –
Минералокерамика
ЦМ-322	92	294-392	3430	0,784	16,7	3,9	1200	5,8	5,8
КНБ
Эльбор Гексанит	98 98	1500 н/д	н/д н/д	н/д н/д	н/д н/д	3,5 3,3	1200 900	8 8	8 8
Синтетический алмаз
АС	100	3500	2000	н/д	н/д	3,5	800	–	6

На выбор материала влияют назначение и тип инструмента, условия работы и технология изготовления режущей части инструмента. К инструментальным материалам предъявляют требования по следующим основным характеристикам:

1) режущая способность;

2) теплостойкость (красностойкость);

3) износостойкость в холодном состоянии;

4) механические свойства;

5) обрабатываемость в холодном и горячем состоянии.

Инструментальные материалы для изготовления режущих инструментов должны обладать следующими свойствами.

1. Материал должен иметь высокую твердость в состоянии поставки или достигаемую в результате термической обработки (не менее 63... 66 HRC).

2. Резание металлов сопровождается выделением значительного количества теплоты, что приводит к нагреву режущей части инструмента. Температура рабочих поверхностей и режущих кромок инструмента зависит от условий, при которых ведется обработка, поэтому необходимо, чтобы при значительных температурах резания твердость поверхностей инструментов существенно не уменьшалась.

Способность материала сохранять высокую твердость при повышенных температурах и исходную твердость после охлаждения называется теплостойкостью. Количественно теплостойкость характеризуется наибольшей температурой, нагрев до которой с достаточно длительной выдержкой, не приводит к необратимой потере материалом первоначальной твердости, т.е. твердость восстанавливается до исходного значения после охлаждения. Инструментальный материал должен обладать высокой теплостойкостью.

3. Инструментальный материал, наряду с теплостойкостью должен иметь высокую износостойкость при повышенной температуре, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истиранию при контакте с обрабатываемым материалом.

4. Высокая прочность является важным требованием к инструментальному материалу. Если при высокой твердости материала рабочей части инструмента формируется значительная хрупкость, то происходит поломка инструмента и выкрашивание режущих кромок, при резании трудообрабатываемых материалов повышенной прочности.

5. Инструментальный материал должен обладать хорошими технологическими свойствами, для изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей такими свойствами являются хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные условия термической обработки (малая чувствительность к перегреву и обезуглероживанию, хорошие закаливаемость и прокаливаемость, минимальные деформации и образование трещин при закалке и т.д.); хорошая шлифуемость материала после термической обработки.

Для твердых сплавов первые два требования менее существенны, но зато особое значение приобретают хорошая шлифуемость, а также отсутствие трещин и других дефектов, которые могут возникать в твердом сплаве при пайке пластин к корпусу инструмента или при шлифовании и заточке режущей части инструмента.

6. К важным требованиям относится экономичность инструментального материала. Он должен быть по возможности дешевым и не содержать дефицитных элементов.