1.2 Характеристика и область применения инструментальных материалов

Углеродистые и легированные инструментальные стали.Номенклатура инструментальных материалов разнообразна. Первоначально для изготовления режущих инструментов широко применялиуглеродистые инструментальные стали марокУ7, У7А...У13, У13А. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,15...0,6 % марганца 0,15…0,35% кремния, 0,15…0,2% хрома. Инструменты из углеродистых сталей обладают высокой твердостью 60…65HRCпосле термообработки, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200...250°С) она резко уменьшается и инструментальные материалы необратимо теряют свою твердость.

В зависимости от назначения и свойств инструментальные легированные стали подразделяют на две группы:

1) стали для производства режущего и мерительного инструмента;

2) стали для штампового инструмента.

Стали первой группы подразделяют на стали неглубокой прокаливаемости (7ХФ, 11Х, ХВ5, В1,Ф), глубокой прокаливаемости в холодном состоянии (9Х, Х6ВФ, Х12, Х12М, Х12М1) и в горячем состоянии (3Х2В8Ф, 7Х3, 5ХНМ, 5ХНСВ, 5ХГМ), а также для изготовления ударного инструмента (4ХС, 4ХВ2С, 6ХВ26,6ХВГ).

В обозначениях марок сталей первые цифры указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. Они могут и не указываться, если содержание углерода близко к единице или больше единицы. Буквы за цифрами обозначают: Г- марганец; С-кремний; Х-хром, В-вольфрам, Ф-ванадий, Н-никель, М-молибден.

Цифры, стоящие после букв, указывают среднее содержание соответствующего элемента в процентах Отсутствие цифр означает, что содержание этого легирующего элемента равно примерно 1%.

Содержание серы и фосфора в стали не должно превышать 0,03% (каждого элемента).

Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают повышенной вязкостью в закаленном состоянии и меньшей склонностью к деформациям появлению трещин при закалке. Режущие свойства легированных сталей примерно соответствуют углеродистым инструментальным. Они имеют аналогичную теплостойкость (200…500ºС). Хотя при максимальной концентрации вольфрама (5…8%) и марганца (1,5…2,5%) теплостойкость легированных инструментальных сталей может быть повышена до 350…400ºС. При этом охлаждение при закалке можно производить не в специальных охлаждающих средах, а на воздухе. Поэтому такую сталь называют самозакаливающейся.

Легированные инструментальные стали находят широкое применение при изготовлении инструментов и технологической оснастки.

Твердость легированной стали в состоянии поставки (после отжига) и твердость после закалки должны соответствовать параметрам, приведенным в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Нормы твердости легированной инструментальной стали

Марка стали	Сталь после отжига		Сталь после закалки
	твердость НВ	диаметр отпечатка при Dшар=10 мм и Р=3000 кгс	температура (ºС) и среда закалки	твердость HRC (не менее)
7ХФ	не более 229	не менее 4,0	820-840, масло 800-820, вода	58 58
8ХФ	не более 255	не менее 3,8	830-860, масло 810-830, вода	58 58
9ХФ	не более 255	не менее 3,8	850-880, масло 820-840, вода	60 60
11Х	217-179	4,1-4,5	810-830, масло	62
13Х	241-187	3,9-4,4	780-810, вода	62
ХВ5	285-229	3,6-4,0	800-820, вода	62
В1	229-187	4,0-4,4	800-850, вода	62
Ф	217-179	4,1-4,5	780-820, вода	62
Х	229-187	4,0-4,4	840-860, масло	62
9ХС	241-187	3,9-4,3	840-860, масло	62
ХВГ	255-207	3,8-4,2	830-850, масло	62
9ХВГ	241-197	3,9-4,3	820-840, масло	62
ХВСГ	241-196	3,9-4,3	840-860, масло	62
9Х5Ф	241-195	3,9-4,3	950-1000, масло	59
9Х5ВФ	241-195	3,9-4,3	950-1000, масло	59
8Х4В4Ф1(РЧ)	255-217	3,8-4,2	1150, масло	60
9Х	228-187	4,1-4,5	820-850, масло	62
Х6ВФ	255-207	3,9-4,3	1000, масло	61
Х12,Х12М	255-207	3,8-4,2	950-1000, масло	58
Х12Ф1	255-207	3,8-4,2	1050-1100, масло	58
3Х2В8Ф	255-207	3,8-4,2	1075-1125, масло	46
4Х8В2	255-207	3,8-4,2	1025-1075, масло	45
7Х3	229-187	4,0-4,4	850-880, масло	54
8Х3	255-207	3,8-4,2	850-880, масло	55

Окончание таблицы 1.2

Марка стали	Сталь после отжига		Сталь после закалки
	твердость НВ	диаметр отпечатка при Dшар=10 мм и Р=3000 кгс	температура (ºС) и среда закалки	твердость HRC (не менее)
5ХНМ	241-197	3,9-4,3	830-860, масло	47
5ХНВ	255-207	3,8-4,2	840-860, масло	56
5ХНСВ	255-207	3,8-4,2	860-880, масло	56
5ХГМ	241-197	3,9-4,3	820-850, масло	50
4Х5В2ФС	229-180	4,0-4,5	1030-1050, масло или воздух	50
4Х5В4ФСМ	не более 255	не менее 3,8	1035-1065, масло	50
4Х2В5ФМ	220-180	4,0-4,5	1060-1080, масло	50
4Х3В2Ф2М2	269-207	3,7-4,2	1090-1110, масло	50
4ХС	207-170	4,2-4,6	880-900, масло	47
6ХС	229-187	4,0-4,4	840-860, масло	56
5ХВ2С	255-207	3,8-4,2	860-900, масло	55
6ХВГ	217-179	4,1-4,5	850-900, масло	57
4ХВ2С	217-179	4,1-4,5	860-900, масло	53
6ХВ2С	285-229	3,6-4,0	860-900, масло	57

Их сталей марок 7ХФ, 8ХВ и 9ХВ изготавливают круглые ленточные пилы, ножи для холодной резки металлов, зубила, пуансоны, керны и другие инструменты, которые испытывают ударные нагрузки при обработке.

Из сталей марок ХВ5, 9ХС, ХВГ, В1 и ХВСГ изготавливают резцы и фрезы для обработки с невысокой скоростью резания твердых материалов, спиральные сверла, метчики, развертки, плашки, гребенки, протяжки. Особенно большое распространение получили стали марок ХВГ и 9ХС. Сталь ХВГ хорошо прокаливается и мало деформируется, но вместе с тем она чувствительна к образованию карбидной сетки. Поэтому могут возникать трещины, что приводит к выкрашиванию режущей кромки инструмента. Кроме того, инструменты из стали ХВГ, испытывающие при эксплуатации повышенные контактные давления (протяжки, сверла, ножи), быстро теряют форму рабочей кромки (тупятся). По этой причине сталь ХВГ не позволяет достигнуть высокой точности при изготовлении фасонных инструментов со сложной формой режущих кромок.

Легированные инструментальные сталипо своему химическому составу отличаются от углеродистых повышенным содержанием хрома, марганца, вольфрама, кремния, ванадия, молибдена. Хром увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость материала, понижает его пластичность. Никель повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, прокаливаемость материала, а вольфрам повышает твердость и теплостойкость материала, ванадий повышает твердость и прочность материала, способствует образованию мелкозернистой структуры. Кобальт увеличивает ударную вязкость и жаропрочность материала, а молибден повышает упругость, прочность, теплостойкость материала. Инструментальные стали при наличии в их составе одного или нескольких из перечисленных элементов получили название легированных инструментальных сталей. Из них изготавливают инструменты большого сечения, а также сложные по форме (сверла, фрезы, протяжки, метчики, плашки для обработки цветных металлов, малопрочных сталей и чугуна).

Химический состав наиболее распространенных легированных инструментальных сталей приводится в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Химический состав инструментальной легированной стали

Для изготовления режущих инструментов используют низколегированные инструментальные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и другие. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями.

Быстрорежущие инструментальные стали.Быстрорежущей называется сталь, содержащая в своем составе помимо углерода в качестве легирующих элементов вольфрам, хром, ванадий, молибден, которые образуют после термической обработки устойчивые карбиды. Кроме карбидообразующих элементов в некоторые марки быстрорежущих сталей входит кобальт.

Быстрорежущие стали получили широкое применение для изготовлении различных металлорежущих инструментов, что объясняется их высокой твердостью после закалки 62…66 HRCи теплостойкостью, которая составляет 600…650ºС. Быстрорежущие стали имеют самый высокий из всех инструментальных материалов предел прочности на изгиб до 2800…3600 МПа и самую высокую ударную вязкость до 2,7…4,9 Дж/м². Благодаря этим свойствам они успешно конкурируют с твердыми сплавами и даже превосходят их при резании материалов с большими динамическими нагрузками и с большими сечениями среза.

Быстрорежущие стали имеют в своем составе сравнительно высокое содержание углерода (0,7…1,4)% и карбидообразующих элементов: вольфрама (W), хрома (Cr), ванадия (V), молибдена (Mo). Некоторые марки сталей легируются достаточно большим количеством кобальта (Со).

С увеличением содержания углерода (С) улучшается закаливаемость стали, т.е. обеспечивается более высокая твердость после термообработки, но при этом несколько снижается пластичность.

Термообработка быстрорежущей стали включает закалку после нагрева до температуры 1200…1300ºС (в зависимости от марки стали и размеров инструмента) и последующий многократный (трех- или четырехкратный) отпуск при температуре 500…570ºС. После термической обработки твердость составляет 62…65 HRC. Структура закаленной быстрорежущей стали после отпуска состоит их игольчатого материала и избыточных карбидов.

Увеличение содержания ванадия в составе стали способствует повышению теплостойкости и твердости, получению мелкозернистой структуры, но снижает шлифуемость стали. При этом содержание ванадия должно быть согласовано с содержанием углерода, необходимого для образования карбидов ванадия. В современных быстрорежущих сталях с 12…13% W и повышенным содержанием углерода оптимальное содержание ванадия составляет около 3%.

Сталь марки Р12Ф3 из всех ванадиевых сталей обладает оптимальным сочетанием свойств для изготовления режущих инструментов. При высокой твердости 64…65 HRCона отличается повышенной прочностью и вязкостью, имеет высокие технологические свойства и высокую износостойкость. Инструменты, изготовленные из этой стали, при обработке материалов с повышенной истирающей способностью имеют на невысоких скоростях резания стойкость в 2…3 раза большую, чем инструменты из сталей Р18 и Р12.

Вольфрам повышает твердость и теплостойкость сталей, но ухудшает технологические свойства – ковкость и обрабатываемость резанием. В настоящее время выпускаются стали, содержащие 18, 12, 9, 8, 6, 2…0% вольфрама. В последнем случае вольфрам частично или полностью заменяется молибденом. Стали с 18% W незаменимы при обработке жаропрочных материалов, когда в зоне резания возникает высокая температура. Эти стали нечувствительны к перегреву при термической обработке. Поэтому интервал закалочных температур для них довольно широкий и составляет ±10ºС и термообработка таких сталей хорошо освоена. Однако, дефицит вольфрама обусловил в последние годы все более широкое применение быстрорежущих сталей, легированных молибденом.

Из группы высоколегированных сталей для изготовления режущих инструментов используются быстрорежущие стали с высоким содержанием вольфрама, молибдена, кобальта, ванадия. Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы.

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовые Р18, Р12, Р9 и вольфрамомолибденовые Р6М5, Р6МЗ, Р8МЗ (табл. 1.4). Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63...66HRC, предел прочности при изгибе 2900...3400 МПа, ударную вязкость 2,7...4,8 Дж/м²и теплостойкость 600... 650°С. Указанные марки сталей получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Они используются при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс. Иногда применяются быстрорежущие стали, дополнительно легированные азотом (Р6АМ5, Р18А и другие), которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает режущие свойства инструмента на 20...30%, твердость - на 1…2 единицыHRC.

Стали повышенной теплостойкостихарактеризуются повышенным содержанием углерода – 10Р8МЗ, 10Р6М5; ванадия – Р12ФЗ, Р2МЗФ8, Р9Ф5; кобальта – Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9К5, Р9К10, Р9М4К8Ф, 10Р6М5Ф2К8 и другие.

Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 66...70 HRC, они имеют более высокую теплостойкость (до 620...670 °С). Это дает возможность использовать их для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности и закаленных. Период стойкости инструментов из таких сталей в 3…5 раз выше, чем из сталей Р18,Р6М5.

Таблица 1.4 – Содержание легирующих элементов в быстрорежущих сталях, %

Марка стали	C	W		Сг	V	Мо	Со
Стали нормальной теплостойкости
Р18 Р12 Р9 Р6М5 Р6МЗ	0,70...0,8 0,8...0,9 0,85...0,95 0,8...0,9 0,85...0,95	17,0...18,5 12,0...13,0 8,5...10,0 5,5...6,5 5,5...6,5		3,8...4,4 3,8...4,4 3,8...4,4 3,8...4,4 3,0...3,5	1,0...1,4 1,5...1,9 2,0...2,6 1,7...2,1 2,0...2,5	До 1,0 До 1,0 До 1,0 5,0...5,5 3,0...3,6	— — — — —
Стали повышенной теплостойкости
10Р8МЗ 10Р6М5 Р12ФЗ Р9Ф5 Р18Ф2К5 Р6М5К5 Р9К5 Р9К10 10Р6М5Ф2К8	0,96...1,05 1,05 0,94...1,04 1,4...1,5 0,85...0,95 0,8...0,90 0,9...1,0 0,9...1,0 1,0	7,5...8,5 6,0 12,0...13,5 9,0...10,5 17,0...18,5 6,0...7,0 9,0...10,5 9,0...10,5 5,75		3,3...3,9 4,0 3,5...4,0 3,8...4,4 3,8...4,4 3,8...4,3 3,8...4,4 3,8...4,4 4,1	1,7...2,1 2,4 2,5...3,3 4,3...5,1 1,8...2,4 1,7...2,2 2,0...2,6 2,0...2,6 2,1	3,0...3,6 5,0 До 1,0 До 1,0 До 1,0 4,8...5,8 До 1,0 До 1,0 6,0	— — — — 5,0...6,0 4,8...5,3 5,0...6,0 9,5..10,5 8,0
Стали высокой теплостойкости
В11М7К23 В14М7К25 ЗВ20К20Х4Ф	0,1 0,1 0,25	11 14 20	— 4,0		0,5 0,5 1,0	7 7 —	23 25 20

Стали высокой теплостойкостихарактеризуются пониженным содержанием углерода, но весьма большим количеством легирующих элементов - В11М7К23, В14М7К25, ЗВ20К20Х4Ф. Они имеют твердость 69...70HRC_эи теплостойкость 700....720 °С. Наиболее рациональная область их использования - резание труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов. В последнем случае период стойкости инструментов в 30…80 раз выше, чем из стали Р18, и в 8…15 раз выше, чем из твердого сплава ВК8. При резании конструкционных сталей и чугунов период стойкости возрастает менее значительно (в 3…8 раз).

В связи с острым дефицитом вольфрама в России и за рубежом разрабатываются безвольфрамовые инструментальные материалы, в том числе быстрорежущие стали. К таким сталям относятся маловольфрамовые Р2М5, РЗМЗФ4К5, Р2МЗФ8, А11РЗМЗФ2 и безвольфрамовая 11М5Ф (см. табл. 1.4). Эксплуатационные свойства указанных сталей близки к свойствам традиционных быстрорежущих сталей соответствующих групп.

Перспективным направлением в повышении качества быстрорежущих сталей является получение их методами порошковой металлургии. Стали Р6М5К5-П (П - порошковая), Р9М4К8-П, Р12МЗФЗК10-П и другие имеют очень однородную мелкозернистую структуру, хорошо шлифуются, меньше деформируются при термообработке, отличаются стабильностью эксплуатационных свойств. Период стойкости режущих инструментов из таких сталей возрастает до 1,5 раза. Наряду с порошковыми быстрорежущими сталями хорошо зарекомендовали себя так называемые карбидостали, содержащие до 20 %TiC, которые по служебным характеристикам занимают промежуточное место между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Твердые сплавы.Эти сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин или коронок. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрамаWC, титана TiC, тантала TaC и ниобияNbC, мельчайшие частицы которых соединены посредством сравнительно мягких и менее тугоплавких кобальта или никеля в смеси с молибденом (табл. 1.5, 1.6).

Таблица 1.5 – Марки, химический состав и свойства вольфрамосодержащих твердых сплавов

Группа сплавов	Марка сплава	Состав сплава, %				Физико-механические свойства
		Карбид вольфрама	Карбид титана	Карбид тантала	Кобальт	Предел прочности при изгибе, МПа, не менее	Твердость HRA, не менее
ВК	ВКЗ	97	-	-	3	1176	89,5
	ВК-3М	97	-	-	3	1176	91,0
	ВК4	96	-	-	4	1519	89,5
	ВК4-В	96	-	-	4	1470	88,0
	ВК6	94	-	-	6	1519	88,5
	ВК6-М	94	-	-	6	1421	90,0
	ВК6-ОМ	92	-	2	6	1274	90,5
	ВК6-В	94	-	-	6	1666	87,5
	ВК8	92	-	-	8	1666	87,5
	ВК8-В	92	-	-	8	1813	86,5
ТК	Т5К10	85	5	-	10	1421	88,5
	Т15К6	79	15	-	6	1176	90,0
	Т14К8	78	14	-	8	1274	89,5
	ТЗОК4	66	30	-	4	980	92,0
ТТК	ТТ7К12	81	4	3	12	1666	87,0
	ТТ20К9	71	8	12	9	1470	89,0

Твердые сплавы имеют высокую твердость - 88...92 HRA (72...76 HRC) и теплостойкость до 850... 1000 °С. Это позволяет работать со скоростями резания в 3…4 раза большими, чем инструментами из быстрорежущих сталей.

Применяемые в настоящее время твердые сплавы делятся:

1) на вольфрамовые сплавыгруппы ВК: ВКЗ, ВКЗ-М, ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8 и другие В условном обозначении цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, обозначение ВК8 показывает, что в нем 8 % кобальта и 92 % карбидов вольфрама. Буквами М и ОМ обозначается мелкозернистая и особо мелкозернистая структура;

2) титановольфрамовые сплавыгруппы ТК: Т5К10, Т15К6, Т14К8, ТЗОК4, Т60К6 и другие В условном обозначении цифра, стоящая после буквы Т, показывает процентное содержание карбидов титана, после буквы К - кобальта, остальное - карбиды вольфрама;

3) титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 и другие. В условном обозначении цифры, стоящие после буквы Т, показывают процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К - кобальта, остальное - карбиды вольфрама;

4) безвольфрамовые твердые сплавыТМ-1, ТМ-3, ТН-20, КНТ-16, ТС20ХН, состав которых приведен в табл. 1.6. Обозначения этой группы твердых сплавов условные.

Таблица 1.6 – Марки, химический состав и свойства безвольфрамовых твердых сплавов

Марка сплава	Состав сплава, %					Физико-механические свойства
	Карбиды титана и ниобия	Карбонитриды титана	Карбиды титана	Никель	Молиден	Предел прочности при изгибе, МПа	Твердость HRA, не менее
ТМ-1	90	-	-	5	5	764	92
ТМ-3	64	-	-	21	15	1176	89
ТН-20	-	-	79	15	6	1050	90
КНТ-16	-	74	-	19,5	6,5	1200	89

Твердые сплавы выпускаются в виде стандартизованных пластин, которые припаиваются, приклеиваются или крепятся механически к державкам из конструкционной стали. Выпускаются также инструменты, рабочая часть которых целиком выполнена из твердого сплава (монолитные).

Правильным выбором марки твердого сплава обеспечивается эффективная эксплуатация режущих инструментов. Для конкретного случая обработки сплав выбирают исходя из оптимального сочетания его теплостойкости и прочности. Например, сплавы группы ТК имеют более высокую теплостойкость, чем сплавы ВК. Инструменты, изготовленные из этих сплавов, могут использоваться при высоких скоростях резания, поэтому их широко применяют при обработке сталей.

Инструменты из твердых сплавов группы ВК применяют при обработке деталей из конструкционных сталей в условиях низкой жесткости технологической системы, при прерывистом резании, при работе с ударами, а также при обработке хрупких материалов типа чугуна, что обусловлено повышенной прочностью этой группы твердых сплавов и невысокими температурами в зоне резания.

Такие сплавы используются также при обработке деталей из высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов. Это объясняется тем, что наличие в большинстве этих материалов титана вызывает повышенную адгезию со сплавами группы ТК, также содержащими титан. Кроме того, сплавы группы ТК имеют значительно худшую теплопроводность и более низкую прочность, чем сплавы ВК. Введение в твердый сплав карбидов тантала или карбидов тантала и ниобия (ТТ10К8Б) повышает его прочность. Поэтому трех- и четырехкарбидные твердые сплавы применяются для оснащения инструментов, работающих с ударами и по загрязненной корке. Однако теплостойкость этих сплавов ниже, чем у двухкарбидных. Из твердых сплавов с существенно улучшенной структурой следует отметить особомелкозернистые (ОМ) сплавы, применяемые для обработки материалов с большой истирающей способностью. Сплавы ОМ обладают плотной, особо мелкозернистой структурой, а также имеют малый (до 0,5 мкм) размер зерен карбидов вольфрама. Последнее обстоятельство позволяет затачивать и доводить инструмент, изготовленный из них, с минимальными радиусами режущих кромок. Инструменты из сплавов этой группы применяются для чистовой и получистовой обработки деталей из высокопрочных вязких сталей с повышенной склонностью к наклепу.

Незначительное добавление в состав сплавов группы ОМ карбида тантала и кобальта способствует повышению их теплостойкости, что позволяет использовать эти сплавы при изготовлении инструментов, 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-ХОМ.

Сплавы с низким процентным содержанием кобальта (ТЗОК4, ВКЗ, 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.

Наряду со сплавами групп ВК, ТК и ТТК в настоящее время находят все более широкое распространение сплавы групп МС и ВП. Номенклатура этих сплавов достаточно разнообразна, и они могут использоваться при обработке различных материалов, заменяя старые марки твердых сплавов. Характерной чертой сплавов типа МС и ВП является их повышенная прочность, что особенно важно в условиях работы на современном автоматизированном оборудовании. Как и на сплавы ВК, ТК и ТТК, на сплавы МС и ВП могут наноситься износостойкие покрытия. В соответствии с рекомендациями Международной Организации стандартов ИСО твердые сплавы разделены на группы (табл. 1.7). В этой же табл. 1.7 показано, как меняются свойства твердых сплавов в зависимости от их состава, а также области их применения.

Таблица 1.7– Соответствие марок твердых сплавов международной классификации

Минералокерамика. Из современных инструментальных материалов заслуживает внимание минералокерамика, которая не содержит дорогостоящих и дефицитных элементов. Основу ее составляют оксиды алюминияAl₂O₃с небольшой добавкой (0,5...1 %) оксида магнияMgO. 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 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 (А1₂0₃- до 99,7 %); 2) керамика, представляющая собой оксид алюминия с добавлением металлов (титан, ниобий и другие); 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 ВЗ, 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 - силинит-Р и кортинит ОНТ-20 (с добавками оксидов алюминия и некоторых других веществ). Физико-механические свойства режущей минералокерамики приведены в табл. 1.8.

Таблица 1.8 – Физико-механические свойства режущей минералокерамики

Марка	Плотность, г/см3, не менее	Твердость, HRA	Предел прочности при изгибе, МПа, не менее
ЦМ-332	3,85	90...92	295...350
BO-13	3,95	90...92	450...500
ОНТ-20	4,30	92...94	500...650
ВЗ	4,5	92...94	560...600
ВОК-60	4,2	92...94	560...600
ВОК-63	4,2	92...93	635...700
Силинит-Р	—	94...96	500 ..700

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.

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

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 отводят тепло из зоны резания, что способствует гарантированному получению деталей с бесприжоговой поверхностью. Однако алмазы весьма хрупки, что сильно сужает область их применения.

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 малых размеров искусственных кристаллов они непригодны для изготовления таких инструментов, как сверла, резцы и другие, 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 периоды стойкости и обеспечивают высокое качество обработанной поверхности. Применяются они при обработке титановых, высококремнистых алюминиевых сплавов, стеклопластиков и пластмасс, твердых сплавов и других материалов.

Алмаз как инструментальный материал имеет существенный недостаток - при температуре 750°С происходит интенсивное растворение алмаза в железе. При нагреве на воздухе до температур (700…800) °С вследствие графитизации алмаза наружные поверхности кристаллов превращаются в аморфный углерод. Высокая хрупкость и относительно низкая теплостойкость алмаза не позволяют применять его при обработке чёрных металлов (стали и чугуна). Для того чтобы обрабатывать стали, чугуны и другие материалы 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 нитрида бора (эльбор, боразон) 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 (850…940) МПа, меньшей, но близкой к микротвердости алмаза (1000…1060) МПа , повышенной теплостойкостью (1200…1300) ^оС, высокой теплопроводностью и химической инертностью по отношению к углероду и железу.

Характеристики отдельных из рассматриваемых материалов, которые в настоящее время получили название «композит», приведены в табл. 1.9.

Таблица 1.9 – Характеристики СТМ на основе нитрида бора

Марка	Первоначальное название	Твердость HV, ГПа	Теплостойкость, °С
Композит 01	Эльбор-Р	60… 80	1100 …1300
Композит 02	Белбор	60….90	900… 1000
Композит 03	Исмит	60	1000
Композит 05	Композит	70	1000
Композит 09	ПТНБ	60… 90	1500
Композит 10	Гексанит-Р	50… 60	750… 850

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 HRC, 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 HRC, 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.

Рубин представляет модификацию -Al₂O₃с небольшими примесями хрома, а лейкосапфир - синтетический монокристалл в виде-моди-фикации, 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. Разнообразие инструментальных материалов, используемых в настоящее время промышленностью, подтверждают данные рис. 1.1 и табл. 1.10.

Рис.1.1 – Использование инструментальных материалов в диапазоне допустимых скоростей резания и подач: 1- быстрорежущие стали;2 -твердые сплавы;3- твердые сплавы с покрытиями;4 –нитридная керамика;5- оксидно-карбидная керамика;6- оксидная керамика;7– нитрид бора

Таблица 1.10 – Распространенность инструментальных материалов

Показатель	Группа материала
	Быстрорежущие стали	Твердые сплавы	Керамика и СТМ
Объем выпуска, %	66	32	2
Объем снимаемого металла, %	28	68	4

В табл. 1.11 даны основные свойства инструментальных материалов.

Таблица 1.11– Основные свойства инструментальных материалов

Инструментальный материал	Предел прочности, МПа		Красностойкость, оС	Твердость		Микро-твердость, ГПа
	при изгибе	при сжатии		HRC	HRA
Легированная сталь Быстрорежущая сталь: нормальной красностойкости повышенной красностойкости Твердые сплавы: вольфрамовые титановольфрамовые Керамические Алмазы Композиты	2000-2500 До 3200 До 3700 1100-1165 950-1650 400-637 - -	- 3800 3800 3300 4150 - - -	До 260 610-615 До 650 800-850 850-900 1200 700-800 1200-1300	61-63 63-65 65-67 - - - - -	- - - 87-91 87-92 91-93 - -	- 7 7,5 16-17 16-17 15 100 78-95