Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Инструментальные материалы.docx
Скачиваний:
8
Добавлен:
03.08.2019
Размер:
33.36 Кб
Скачать

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Уральский государственный университет

путей сообщения

Кафедра

Лабораторная работа №1

«Инструментальные материалы для режущих инструментов»

Проверил: Выполнил:

Завьялова Г.Н. Красикова Е.Д.

Ст. гр. В-210

Екатеринбург

2011 г

Инструментальные материалы для режущих инструментов

  1. Цель работы: изучение принципов маркировки разных видов инструментальных материалов (и.М.), их свойств и специфики применения для обработки резанием.

  2. Задание: ознакомиться со сведениями из теории по этим методическим указаниям; дать полную характеристику и.М. Режущих инструментов, выданных на занятии.

  3. Необходимые пособия, оборудования и материалы: методические указания к лабораторной работе; набор режущих инструментов; справочники. Сведения из теории

Инструментальные материалы (и.м.) – это материалы, используемые для изготовления режущего инструмента, либо для оснащения его рабочей части.

Для корпусов составного и сборного инструмента применяют более дешевый материал: Ст5, Стали-10,45,40Х, 40ХН.

Свойства инструментального материалы:

  1. Высокая твердость (HRC, HRA, HRV), необходимая для внедрения в обрабатываемый материал и для того, чтобы исключить пластическое течение рабочих кромок инструмента при повышении температуры в зоне резания.

В любом случае твердость и.м. должна в 2-3 раза превышать твердость обрабатываемого материала.

  1. Высокая прочность σвсж ) и ударная вязкость KCU – для исключения поломки инструмента, т.к. работе инструментов сопутствуют высокие статистические напряжения, чаще всего изгиба ил кручения, а для фрез и обдирочных резцов – ударные нагружения.

  2. Теплостойкость θ – это способность и.м. сохранять неизменными структуру и твердость до рабочих температур, θ измеряется в Кельвинах или в градусах Цельсия; для различных и.м. θ=220о… 1800оС. Зависит от химического состава и.м. Чем выше θ, тем большие скорости резания допустимы при обработке, а значит, тем выше производительность резания.

  3. Износостойкость В – способность и.м. сопротивляться истирающему действию материала заготовки. Износостойкость не является каким-либо неизменным свойством и.м. и зависит от условий резания:

А) истирающих свойств обрабатываемого материала;

Б) скорости относительного скольжения пары трудящихся материалов.

В общем виде:

В= , где А – работа сил трения, затраченная на превращение массы лезвия в продукт износа при взаимодействии с определенным конструкционным материалом; m – масса продуктов износа.

  1. Теплопроводность λ – способность и.м. самоотводить тепло с лезвия в тело инструмента – в державку.

λ зависит от химического состава и.м. и температуры нагрева инструмента.

Присутствие в химическом составе и.м. вольфрама W и ванадия V снижает λ, а легирование Ti, молибденом и кобальтом Co – повышает λ.

Зачастую требуемое сочетание отдельных свойств (например, высокой твердости HRC и ударной вязкости KCU) обеспечить трудно. Предпочтение отдается одному или нескольким основным свойствами, которые для данного типа инструмента за его работоспособность. Для большинства режущих инструментов основными свойствами считается теплостойкость и износостойкость.

Классификация.

По химическому составу и основным свойствам выделяют 4 группы инструментальных материалов.

I

II

III

IV

Инструментальные стали (3 вида)

Твердые сплавы,

металлокерамика

(4 вида)

Керамические материалы (3 вида)

Сверхтвердые материалы

Композиты (2 вида)

Алмазы

(2 вида)

  • Углеродистые инструментальные стали.

У7, У8, У8Г, У9, …, У13; У7А, …, У13А (высококачественные)

Буква У в марке показывает, что сталь является углеродистой, цифра – это массовая доля углерода в десятых долях процента, буква Г обозначает присутствие Mn > 1%. HRC 58…64

Θ = 200о…220оС

Инструмент из этих сталей нельзя применять на высоких скоростях резания, вызывающих большое тепловыделение и высокий нагрев поверхностей элемента. Из этих сталей изготавливается ручной слесарный инструмент: зубила, напильники, метчики, плашки, пилы, развертки, которые подвергают неполной закалке и низкому отпуску при 150о…180оС на структуру мартенсита с включениями цементита. Несквозная закалка уменьшает деформацию закаленных инструментов и повышает, благодаря вязкой сердцевине, их устойчивость к ударам и вибрациям.

  • Легированные инструментальные стали

ХВ4; 9ХС; ХВГ; ХВСГ; В2Ф; Х.

Принцип маркировки аналогичен маркировке конструкционных легированных сталей.

HRC 63…65

Θ = 220о…250оС

Эти стали отличаются от углеродистых сталей наличием в них до 5% легирующих элементов: Cr, W, Mn, Si, V, следовательно – все эти стали являются низколегированными.

Введение легирующих элементов повышает теплостойкость инструментальной стали до 250оС. Это позволяет повысить скорость резания в 1,5 раза.

Cr – постоянный элемент низколегированных сталей.

Mn – (1…2%) обеспечивает минимальное изменение размеров инструментов при закалке.

Si – (1…1,5%) повышает сопротивление отпуску и способствует образованию легко отделяющейся окалины.

W – (1…5%) повышает износостойкость.

Эти стали применяют для инструментов, работающих при небольших скоростях резания не вызывающих нагрева инструмента свыше 250оС (сверла, протяжки, метчики, фрезы).

ХВ4 – высокая твердость и износостойкость, благодаря присутствию карбидов вольфрама, которые практически не растворяются при температуре закалки; её называют алмазной сталью и применяют для чистовой обработке твердых материалов.

ХВГ – малая деформация при закалке, применяется для длинных стержневых инструментов.

9ХС – высокая устойчивость к отпуску (до 260оС), применяется для фрез и резьбонарезных инструментов.

  • Быстрорежущие стали

Р8; Р9; Р6М5; Р6М5Ф3; Р12Ф3; Р6К5; Р18К5Ф2; Р9М4К8 и др.

Все быстрорежущие стали являются высоколегированными, т.к. сумма легирующих элементов в любой марке стали превышать 10%.

Маркировки быстрорежущих сталей начинаются с буквы Р, цифра после которой указывает массовую долю (в процентах) вольфрама W – основного легирующего элемента быстрорежущих сталей.

Стали нормальной производительности: характеризуются пониженной теплостойкостью (θ = 615о…620о) и к ним относят вольфрамовые стали Р9, Р18 и вольфраммолибденовую сталь Р6М5.

Стали повышенной производительности: к ним относят стали, содержащие кобальт и ванадий: Р6М5Ф3, Р12Ф3, Р9К5, Р18К5Ф2.

Vулучшает режущие свойства, но снижает шлифуемость, необходимую при изготовлении режущего инструмента.

Со – увеличивает θ и HRC, но способствует увеличению хрупкости стали и обезуглероживанию. Кобальтовые стали нельзя применять для мелкоразмерных инструментов.

Стали повышенной производительности превосходят стали первой группы по теплостойкости и износостойкости, но уступают им по прочности и пластичности.

Они отличаются высокой стоимостью и поэтому их применение оправдано только для обработки высокопрочных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и других труднообрабатываемых материалов.

Данные стали используют для изготовления сверл, зенкеров, разверток.

Новые быстрорежущие стали

Для снижения карбидной неоднородности быстрорежущие стали могут быть получены методом порошковой металлургии. В этом случае они имеют дополнительные обозначения МП (материал порошковый): Р12МФ5-МП, Р6М5К8Ф2-МП. Эти стали имеют в 2 раза большую прочность при изгибе и более высокую стойкость, что позволяет использовать их на повышенных подачах.

Особое место занимают быстрорежущие стали высокой производительности: В11М7К23, В24М12К23. Это инструментальные сплавы с высоким содержанием W, Mo,и особенно Со.

Твердость этих сплавов достигает HRC70, теплостойкость θ – 700оС, поэтому они занимают промежуточное место между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами, но превосходят последние по KCU и σв.

Их применяют для обработки титановых сплавов; при этом стойкость инструментов в 30 раз выше стойкости инструментов из Р18 и в 10 раз выше, чем ВК8.

К быстрорежущим сталям высокой производительности относят также стали нового класса – карбидостали.

Карбидостали – композиционный материал, в котором зерна тугоплавки карбидов (преимущественно TiC) равномерно распределены в связке из легированной стали.

Р6М5-КТ20, Р6М5К5-КТ20 (с массовой долей карбида титана TiC=20%). Используют для обработки труднообрабатываемых материалов на повышенных режимах резания.

Основу составляют зерна карбида вольфрама WC, сцементированные (при жидком спекании) кобальтом.

Карбидная фаза может состоять из одного WC, двух карбидов (TiC и WC) или трех (TiC, TaC, WC).

Увеличение содержания связки (Со) вызывает снижение твердости, но повышает прочность и вязкость.

Твердые сплавы имеют также высокий модуль упругости и σсж – предел прочности на сжатие. Недостатки – сложность изготовления фасонных изделий, высокая хрупкость, малая теплопроводность λ.

  • Вольфрамовые (ВК)

ВК3, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ,ВК8, ВК8-В, ВК10,ВК4-В,ВК-10, ВК4-В и др.

М - мелкозернистый (0,5-1,5мкм)

ОМ – особомелкозернистый (не менее 1мкм)

В – крупнозернистый (3-5мкм).

Вольфрамовую группу составляют сплавы системы WС – Со, т.е. однокарбидные твердые сплавы.

Эти сплавы маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей массовую долю кобальта в процентах.

Мелкозернистые сплавы применяют на чистовых операциях, крупнозернистые – на черновых и получистовых.

При обработке чугунов , когда получается «сыпучая» стружка надлома и имеет место ударная, пульсирующая нагрузка вблизи режущей кромки, необходимо применять более вязкие твердые сплавы. Также применяют при обработке цветных и легких металлов и сплавов, неметаллических материалов (резина, пластмасса, керамика, дерево и др.).

  • Титановольфрамовые (ТК)

Т30К4, Т15К6, Т5К10, Т14К8.

Двухкарбидные сплавы.

При обработке незакаленных углеродистых и легированных сталей

Когда процесс резания протекает более спокойно, центр давления стружки отстоит дальше от режущей кромки и сходящая по передней поверхности инструмента стружка оказывает большое истирающее действии.

ТК имеют более высокую твердость, теплостойкость и износостойкость, что способствует менее интенсивному износу режущего инструмента. Недостаток ТК – их высокая хрупкость.

Распространенное применение – обработка заготовок из пластичных и вязких металлов и сплавов.

  • Титанотантало-вольфрамвые (ТТК)

ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9, ТТ10К8Б

Трехкарбидные сплавы.

Имеют более высокую прочность и вязкость, чем сплавы ТК, но уступают им по твердости и теплостойкости. Их применяют для тяжелого чернового точения стальных поковок, штамповок и отливок п корке с раковинами при наличии песка, шлака и неметаллических включений.

В сплавах ТТК добавка карбида тантала увеличивает сопротивление сплава трещинообразованию при резких перепадах температуры при прерывистом точении, а также увеличивает его прочность.

  • Безвольфрамовые твердые сплавы

ТМ1, ТМ3, ТН12, КНТ16, ТН30, ТН40, КТН12, КНТ20, КНТ30.

Безвольфрамовые твердые сплавы – сплавы на основе карбида (TiC) и карбонитрида (TiN) титана, сцементированных никелемолибденовой связкой (Ni+Mo).

Недостаток – склонность к трещинообразованию при пайке.

Благодаря высокой плотности БВТС при заточке режущего инструмента можно получить острую кромку, что особенно ценно для инструмента, предназначенного для чистовой обработки. Инструменты из этих сплавов работают по сталям без наростообразования. Область применения – чистовое точение и фрезерование взамен шлифования.

К – предназначены для обработки легированных сталей и других материалов.

М – для обработки труднообрабатываемых материалов всех групп.

Р – для стальных отливок и материалов, дающих сливную стружку.

Керамические материалы относят к неметаллическим инструментальным материалам и в определенной степени решают проблему экономии дефицитного вольфрама.

  • Белая металлокерамика

Основа – корунд – минерал кристаллического строения белого цвета, состоящий из окиси алюминия Ai2O3 и называемый электрокорундом в случае получения в электропечах.

ЦМ332 и ВО-13.

Свойства: высокая прочность (приближающаяся к твердости алмаза); природная теплостойкость θ=1500оС; низкие σи и σсж; высокая хрупкость – существенный недостаток этой керамики.

Режущие лезвия белой металлокерамики могут выкрашиваться в процессе резания, поэтому она пригодна только для тонкой окончательной обработки с малыми подачами, но высокими скоростями резания (до 600 м/мин).

  • Керметы

Имеют состав белой металлокерамики с добавлением карбидов W, Ti, Mo, которые придают керметам практически черную окраску и частично устраняют склонность белой минералокерамики к выкрашиванию.

ВОК-60, В-3.

Свойства: низкая теплостойкость θ=1300оС; высокая прочность при изгибе; одинаковая с белой минералокерамикой твердость.

Применяют для чистовой и получистовой обработки без ударов закаленных сталей, всех видов чугунов со скоростями резания в 2-3 раза большими, чем для износостойких твердых сплавов.

  • Силинит-Р

Это керамика на основе нитрида кремния Si3N4 с легированием оксидами циркония, алюминия. По свойствам близок к ВОК-60. Применяют при получистовой обработке чугуна.

На основе алюмооксидной минералокерамики разработан материал ОНТ-20 (картинит). Картинит имеет мелкозернистую структуру и предназначен для получистового точения и фрезерования закаленных сталей.

Композиты – искусственные материалы темного цвета на основе синтеза азота с бором (BN).

  1. Композиты с массовой долей гексагонального нитрида бора

К01, К02, К09, К10, Исмит.

  1. Композиты с массовой долей кубического нитрида бора 75% и легирующими добавками

К05, К05И.

Свойства:

Высокая твердость, приближающаяся к твердости синтетического алмаза.

Высокая прочность, сравнимая с прочностью твердых сплавов.

Очень высокая теплостойкость θ=1800оС, превосходящая θ всех известных и.м.

Для оснащения инструментовиспользуют также технические алмазы, которые могут быть природными и синтетическими.

Синтетические алмазы – поликристаллы, содержащие примеси тугоплавких металлом – W, Ti,Mo, которые выполняют функции катализаторов синтеза. АС имеют различное строение и в зависимости от технологии выращивания и называются балласы (АСБ) и карбонадо (АСПК).

Алмазы обладают очень высокой твердостью, но чрезвычайно хрупки; имеют низкую теплостойкость θ=650оС, но очень высокую теплопроводность λ. При t=600о… 700оС алмазы химически активны в контакте с черныи металлами, поэтому черные металлы алмазами не обрабатываются. Тепло хорошо отводитс в глубь алмаза, благодаря чему допускаются очень высокие скорости резания (до 1200 м/мин).

Алмазы применяются как вставки – лезвия в инструмент, либо в виде порошков различной зернистости и предназначены для обработки: Вязких, пластичных металлов начисто; Пластмасс; стеклопластиков; Полупроводниковых материалов, а также для выглаживания закаленных стальных поверхностей.