Инструментальные материалы

Основная роль в срезании стружки при обработке резанием отведена инструменту. В процессе обработки он нагревается, испытывает механиче­ские нагрузки и контактное трение с обрабатываемым материалом. В систе­ме СПИД (станок — приспособление — инструмент — деталь) инструмент работает в наиболее тяжелых условиях и от него в первую очередь зависят надежность и качество обработки. Для обеспечения работоспособности инструментальные материалы должны обладать высокими значениями: до­пустимых напряжений на изгиб, растяжение, сжатие, кручение, удар; твердо­сти режущей части инструмента, обеспечивающей его режущие свойства; теплостойкости, т. е. способности сохранять свою твердость при высоких температурах; износостойкости. 572

Промышленность выпускает инструментальные материалы, по со­ставу, свойствам и области применения подразделяющиеся на следую­щие группы: углеродистые и легированные инструментальные стали; высоколегированные инструментальные (быстрорежущие) стали; твер­дые сплавы; оксидную, оксидно-нитридную, оксидно-карбидную кера­мику; сверхтвердые инструментальные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора.

1. Инструментальные стали. К этой группе материалов относят высо­
коуглеродные заэвтектоидные высококачественные стали с содержанием
углерода 0,9—1,3 % — это стали У9А, У10А, У12А, У13А. После термооб­
работки они приобретают твердость HRC 62—64, что позволяет использо­
вать их в качестве режущей части инструмента при обработке основных кон­
струкционных сталей, чугуна в отожженном состоянии (твердостью до HRC 32).
Однако их низкая теплостойкость (200—250 °С) допускает обработку при
скоростях резания не выше 10—15 м/мин. Эти стали используют для изго­
товления плашек, напильников, метчиков и другого инструмента, работаю­
щего с малыми скоростями резания.

Легирование углеродистых сталей небольшим количеством хрома, мар­ганца, вольфрама и кремния повышает износостойкость углеродистых ста­лей за счет повышения твердости (HRC 66—67,5) в результате образования сложных карбидов и высокой концентрации углерода в мартенсите, однако легированные стали, так же как и углеродистые, обладают низкой тепло­стойкостью, поэтому из них изготавливают мелкоразмерные сверла, метчи­ки, концевые фрезы и протяжки.

2. Быстрорежущие стали обладают высокой прочностью, ударной вяз­
костью и трещиностойкостью. Теплостойкость быстрорежущих сталей по
сравнению с легированными обеспечивается за счет введения вольфрама,
молибдена, ванадия и хрома, образующих сложные карбиды, связывающие
почти весь углерод стали. Коагуляция карбидов, снижающая теплостойкость
сталей, происходит только при 550—700 °С, что существенно повышает теп­
лостойкость быстрорежущих сталей.

Высокую твердость (HRC 63— 65) и прочность (2,5 ГПа) быстрорежу­щие стали, легированные вольфрамом, хромом и ванадием, приобретают после термической обработки — закалки и многократного отпуска.

По уровню допустимых скоростей резания быстрорежущие стали делят на две группы:

а) обеспечивающие нормальную производительность — это стали Р18,
Р12, Р9 (вольфрамовые) с содержанием вольфрама соответственно от 18 до
9% и стали Р6М5, Р8М5 (вольфрамо-молибденовые);

б) обеспечивающие повышенную производительность — это стали
Р12ФЗ, Р12ФЗМ8 (ванадиевые), Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9М5К5 (кобальтовые),
В11М7К23, В4М2К23 (с интерметаллидным упрочением).

Инструменты из сталей первой группы имеют универсальное примене­ние, они используются для обработки конструкционных сталей, чугунов с твердостью 200—280 НВ и цветных металлов нормальной обрабатываемости. Из них изготавливают фасонный инструмент (метчики, протяжки, фрезы и свер­ла) для машинной обработки. Эти стали обладают хорошей шлифуемостью.

Стали второй группы Р6М5К5, Р18М5Ф2, легированные вольфрамом, молибденом, кобальтом и ванадием, применяют для обработки жаропрочных сталей и сплавов, выполнения черновых операций, в том числе фрезерова­ния. Теплостойкость этих сталей составляет 630—640 °С, а теплопро­водность в 1,5 раза выше, чем у сталей первой группы. Они способны воспринимать высокий уровень термомеханических нагрузок, возни­кающих при обработке титановых и жаропрочных сплавов при точении, фрезеровании, строгании.

Однако у всех быстрорежущих сталей твердость и износостойкость резко снижаются с повышением температуры при увеличении скорости резания.

3. Твердые сплавы являются основным инструментальным материа­лом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку резанием. Инст­рументом из этих сплавов срезается до 65% всей стружки из-за использова­ния скоростей резания, в 2—3 раза превышающих скорости резания, приня­тые для инструментов из быстрорежущей стали.

Они представляют собой композиционный материал, состоящий из по­рошков карбидов титана, вольфрама, тантала, карбонитрида титана и свя­зующей фазы — матрицы, в качестве которой используется кобальт—ни­кель—молибден.

Твердые сплавы обладают высокой твердостью (HRC 82—92), которая сохраняется, обеспечивая высокие режущие свойства до 700—1000 °С; вы­сокой прочностью при сжатии, но невысокой прочностью при изгибе и удар­ной вязкостью. Поэтому инструменты из таких материалов пригодны для обработки высокопрочных металлов, включая закаленные стали, и неметал­лических материалов типа стеклофарфора, пластмасс и др. Недостатком твердых сплавов является их хрупкость.

По составу и области применения твердые сплавы делятся на четыре ос­новные группы: вольфрамовые (W—Со), титановольфрамовые (WC—TiC— Со), титано-тантало-вольфрамовые (WC—TiC—ТаС—Со) и безвольфрамо­вые (TiC—Ni—Mo, TiCN—Ni—Mo).

Вольфрамо-кобальтовые сплавы (группа BK) состоят из карбида вольфрама и связующего кобальта в количестве от 3 до 15%. Со­держание кобальта в сплаве определяет его вязкость. Наименьшим количест­вом кобальта и наименьшей вязкостью обладают сплавы ВК2, ВКЗ, Т30К4, их применяют для срезания тонкой стружки на чистовых операциях. Сплавы типа ВК8, Т14К8, содержащие наибольшее количество кобальта, обладают 574

наибольшей вязкостью. Их применяют на черновых операциях при снятии стружки большого сечения.

На износостойкость сплавов ВК оказывают влияние содержание карби­дов WC и размер карбидного зерна. При уменьшении размеров зерен возрас­тает износостойкость, но несколько снижается прочность. В обозначения марки сплава с мелким зерном добавляется буква М: ВКЗ-М, ВК6-М.

Инструмент из сплавов ВК в зависимости от своего состава с успехом используется при обработке чугунов, вольфрамовых, молибденовых, никеле­вых, титановых сплавов, цветных металлов и сплавов повышенной хрупко­сти, конструкционных полимерных материалов типа пластмасс, угле- и бо-ропластиков, дерева и др. В то же время они не рекомендуются для резания заготовок из высокоуглеродистых и легированных сталей, так как при этом интенсивно изнашиваются зерна карбида вольфрама.

Титано-вольфрамовые сплавы (группа ТК) по сравнению с со сплавами ВК обладают большей твердостью, тепло- и жаростойкостью, стойкостью к коррозии и окислению, но меньшей теплопроводностью и большей хрупкостью. Сплавы ТК лучше противостоят изнашиванию при обработке сталей, чем сплавы ВК, в то же время прочность удержания зерна карбида в матрице ниже, чем у сплавов ВК. В силу отмеченных отличий ин­струменты из сплавов ТК применяют при обработке конструкционных ста­лей на средних и высоких скоростях резания.

Титано-тантало-вольфрамовые сплавы (группа ТТК) состоят из зерен WC, зерен тройных карбидов (Ti, Та, W) и связующей ко­бальтовой фазы.

Сплавы ТТК отличаются меньшей хрупкостью, большей прочностью удержания карбидных зерен связкой, лучшей сопротивляемостью высоко­температурной текучести и большим пределом прочности при циклическом характере нагружений, чем сплавы ТК и ВК. Поэтому инструмент, оснащен­ный режущими пластинами из ТТК, особенно эффективен в процессах пре­рывистого резания (фрезеровании, строгании, прерывистом точении); для операций черновой обработки с большими сечениями срезаемого слоя и ко­лебаниями припуска. Группа сплавов ТТК применяется при обработке труд­нообрабатываемых сталей аустенитного класса.

4. Режущая керамика. В настоящее время выпускаются три основных вида керамических инструментальных материалов:

- белая оксидная керамика состоит на 90% из оксида алюминия А1₂0₃ и легирующих добавок (MgO, Zr₂0₂ и др.);

- черная оксидно-карбидная керамика изготавливается из смеси А1₂0₃ (до 60%), TiC (20—40%), Zr0₂ (20—40%) и других карбидов с легирующими добавками;

- керамика на основе нитридов кремния (Si₃N₄), легированная оксидами иттрия, циркония и аммония.

Керамические материалы не имеют связующей металлической фазы, что снижает их разупрочнение при перегреве и делает возможным их примене­ние при высоких скоростях резания. Если предельная скорость резания для твердосплавного инструмента составляет 500—600 м/мин, то для керамиче­ского инструмента она увеличивается до 900—1000 м/мин. Недостатками керамических материалов являются их низкая прочность при изгибе (0,3— 0,35 ГПа), повышенная хрупкость и низкая теплопроводность.

Высокая термостабильность при температуре до 1400 °С в сочетании с высокой твердостью и сопротивляемостью окислению обеспечили примене­ние керамического инструмента для чистовой обработки заготовок повы­шенной твердости и прочности на высоких скоростях резания. Керамический инструмент требует использования оборудования и приспособлений высокой жесткости, исключающих вибрацию инструмента.

5. Сверхтвердые материалы (СТМ). Ими принято называть материа­лы, имеющие твердость по Виккерсу при 20 °С свыше 35 ГПа. Это пластины на основе поликристаллических алмазов, кубического и гексагонального нитрида бора. На основе нитрида бора широко используется эльбор Р, полу­ченный в виде поликристаллов. По твердости он уступает только алмазу, а его теплостойкость в два раза выше теплостойкости алмаза (~1600 °С).

Для кубического нитрида бора (КНБ) характерны высокая химическая устойчивость, термостабильность при 1450 °С. Однако сравнительно низкая прочность и повышенная хрупкость КНБ позволяют применять инструмент только для чистовой обработки заготовок из хрупких, твердых материалов при ограниченном сечении срезаемого материала и повышенной жесткости СПИД. Применение инструмента из КНБ для чистовой обработки высоко­прочных чугунов, закаленных сталей (HRC > 40) и некоторых сплавов по­зволяет в 10—20 раз повысить скорость резания этих материалов по сравне­нию с обработкой твердосплавным инструментом.

СТМ на основе алмаза по технологии производства делятся на две груп­пы: поликристаллы алмаза, получаемые фазовым переходом графита в алмаз и получаемые спеканием алмазных зерен.

К первой группе относятся карбонадо (АСПК) и баллас (АСБ); ко вто­рой группе — СВБН, карбонит и СКМ.

Поликристаллы впаивают или механически закрепляют в инструментах, изготавливая резцы, торцевые фрезы и другие инструменты. Алмазные рез­цы широко используются при тонком точении или растачивании заготовок из сплавов алюминия, бронз, латуней и неметаллических материалов. Кроме того, они применяются для обработки заготовок из твердых материалов, германия, кремния, полупроводниковых материалов, керамики, жаропроч­ных сталей и сплавов. Обработку ведут со скоростями резания до 1200 м/мин. Поверхности деталей, обработанные в этих условиях, имеют низкую шероховатость и высокую точность размеров.