Глава 5. инструментальные материалы для обработки резанием

 В зоне резания инструмент испытывает воздействие ряда факторов: высокие температуры (300…800 ºС и выше); высокие давления (более 500 МПа); высокое истирающее давление стружки. Режущий инструмент находится в достаточно агрессивной физико-химической среде. Таким образом, инструментальные материалы должны обладать особыми физико-механическими и технологическими свойствами, из которых основными, как правило, являются: высокие твердость, прочность, теплостойкость; достаточная пластичность; высокое сопротивление схватываемости с обрабатываемой поверхностью; высокая износостойкость; низкая склонность к трещинообразованию; хорошая свариваемость или способность к соединению пайкой; низкая стоимость и хорошая технологичность. За основную характеристику инструментального материала принята скорость резания для стандартных условий резания: сталь 45, наружное точение, глубина резания 1 мм, подача 0,1 мм/об.

5.1. Инструментальные стали

Углеродистые стали относятся к инструментальным материалам общего назначения, применяемым, в основном, для изготовления ручного режущего инструмента (скорость резания до 3 м/мин). Они содержат 0,7–1,3 \% С, после термической обработки обладают твердостью 58…64 HRC, теплостойкостью 200–250  оС. Выше указанных температур твердость стали резко уменьшается, поэтому эти стали имеют ограниченное применение. Для режущего инструмента (шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, фрезы, зенкеры, сверла, спиральные пилы и другие) обычно применяют стали У9, У10, У11, У12.

Легированные, в основном, хромом, ванадием, кремнием, марганцем инструментальные стали (9XC, ХВГ, ХВГС, ШХ15, 11ХФ и др.) в отличие от углеродистых имеют более высокую прокаливаемость, и поэтому их применяют для инструмента более сложного по форме и большего сечения. После термической обработки их твердость 58…68 HRC, теплостойкость 200–400  ºС в зависимости от степени и характера легирования. Из них изготавливают ручной режущий инструмент, а также сверла, развертки, плашки, протяжки, метчики и другой инструмент.

Быстрорежущие стали широко применяются в промышленности для изготовления инструментов, работающих со скоростями резания 20…100 м/мин. Различают стали обычной производительности (скорость резания до 20 м/мин) (марки Р9, Р12, Р18, Р6М5, Р9К10), стали повышенной производительности (скорость резания до 70 м/мин) (марки Р6М5К5, 10Р6М5Ф3, Р10К5Ф5) и порошковые стали (скорость резания до 100 м/мин) (марки Р6М5К5-М, Р6М5К5-ОМ,       10Р6М5К5Ф3-ОМ). Буквы в конце марки порошковых сталей: М – мелкая структура, ОМ – особо мелкая структура. С 1980 г. в промышленности применяют быстрорежущие стали с интерметаллидным упрочнением марок В11М7К23, В4М12К23 и др. Эти стали применяются, в основном, для точения, фрезерования и строгания труднообрабатываемых материалов. По сравнению со сталью Р18 их стойкость выше: при обработке титановых сплавов в 20–35 раз; при обработке аустенитных и нержавеющих сталей в 8–15 раз, а при обработке чугунов в 3–4 раза.

В таблице 5 указаны основные стали для режущего инструмента различного назначения.

5.2. Твердые сплавы

Твердые спеченные сплавы состоят из тонкоизмельченных карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала), соединенных связкой – кобальтом. Благодаря наличию карбидов тугоплавких металлов сплавы имеют высокие теплостойкость, твердость и износостойкость, поэтому при работе с ними допускается скорость резания 100…150 м/мин. Существуют твердые сплавы четырех видов: вольфрамовые, вольфрамотитановые; вольфрамотитанотанталовые и безвольфрамовые.

В группу вольфрамовых входят твердые сплавы: ВК3, ВК3-М, ВК4,   ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8, ВК10-ОМ, ВК-10М, ВК15, – где буквы обозначают следующее: В – карбид вольфрама; К – кобальт; число после буквы К – содержание кобальта  (\%), остальное до 100 \% – содержание карбида вольфрама в марке не указывают; М – мелкозернистый; ОМ – особомелкозернистый. По сравнению  другими вольфрамосодержащими твердыми сплавами эти вольфрамовые твердые сплавы характеризуются наибольшими пределом прочности на изгиб и вязкостью, но наименьшими температуростойкостью и твердостью. Поэтому вольфрамовые твердые сплавы рекомендуются для обработки чугуна, цветных сплавов и труднообрабатываемых материалов с небольшими скоростями резания.

В группу вольфрамотитановых твердых сплавов входят сплавы: Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12, – где буква Т– карбид титана, последующее число – его содержание  (\%); К – кобальт, последующее число его содержание (\%); остальное (до 100 \%) – содержание карбида вольфрама (не указывается).

Таблица 5

 Применение инструментальных сталей

Продолжение таблицы 5

Эти сплавы характеризуются наибольшими твердостью, теплоостойкостью и износостойкостью, но как менее прочные, чем сплавы группы ВК, рекомендуются для обработки сталей.

В группу вольфрамотитанотанталовых твердых сплавов входят сплавы: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ30К4, ТТ20К9 (здесь буквы ТТ– карбиды титана и тантала, а число после букв ТТ– суммарное содержание карбидов титана и тантала (\%); буква К– кобальт, следующее за ней число – содержание кобальта (\%); остальное (до 100\%) – содержание карбида вольфрама (не указывается). Эти сплавы по своим показателям занимают промежуточное место между сплавами группы ВК и ТК, поэтому они очень эффективны при черновой обработке сталей и чугунов, в процессах строгания и фрезерования.

В группу безвольфрамовых твердых сплавов входят сплавы на основе карбидов титана (марка ТН- 20) и карбонитридов титана (марка КНТ-16). Число в маркировке обозначает содержание связки – молибдена и/или никеля. Эти сплавы рекомендуются для получистового и чистового точения и фрезерования чугуна, углеродистых и цветных сплавов.

5.3. Минералокерамика

Минералокерамика – инструментальный материал на основе оксида алюминия, обладающий большими, чем у твердых сплавов, твердостью и теплостойкостью, но меньшей ударной вязкостью. Поэтому инструменты из этого материала используют только для чистовых обтачивания и растачивания деталей из высокопрочных чугунов, закаленных сталей и для резания неметаллических материалов со скоростями до 200 м/мин. Различают оксидную (белую), оксидно-карбидную, оксидно-нитридную керамику и керметы. Оксидная керамика полностью состоит из оксида алюминия (марки ВО-13; ВШ-75). Инструменты из нее рекомендуют для чистового и получистового точения нетермообработанных сталей, серых и ковких чугунов твердостью менее 400 НВ. Оксидно-карбидная керамика  кроме оксида алюминия имеет в своем составе легирующие добавки в виде карбидов хрома, титана, вольфрама и молибдена (например, марки: В-3, ВОК-60, ВОК-63). Инструменты из нее рекомендуют для чистового и получистового точения и фрезерования закаленных сталей, отбеленных и серых чугунов, нержавеющих сталей. Оксидно-нитридная керамика состоит из нитридов кремния и тугоплавких материалов, включая и оксид алюминия (например марки: силинит-Р, ОНТ-20). Этот материал позволяет заменить вольфрамосодержащие твердые сплавы при изготовлении режущих инструментов, предназначенных для получистового и чистового точения ряда материалов. При точении закаленных сталей качество обработки соизмеримо со шлифованием. Керметы В-3, В-4 состоят из оксида алюминия находящегося, в металлической матрице. Материал матрицы: железо, никель, титан, цирконий, хром, молибден. Они рекомендуются для выполнения получистового и чистового точения хромоникельмолибденовых сталей твердостью 50…55 HRC со скоростью резания     110…200 м/мин.

Из минералокерамики изготавливают цельные и двухслойные режущие пластины, которые крепятся к резцам, фрезам, в основном, механическим способом.

5.4. Алмазы и композиты

При резании металлических материалов применяют синтетические алмазы и материалы на основе кубического нитрида бора (композиты). Алмаз обладает большей из всех известных материалов твердостью, малыми коэффициентами линейного расширения и трения. Но он обладает низкими прочностью на изгиб и ударной вязкостью. При 750 ºС алмаз растворяется в железе, что препятствует его применению  при обработке сплавов, содержащих железо. Выше 800 ºС он графитизируется. Балласы типа АБС применяют для обработки деталей из стеклопластика со скоростями резания 350…450 м/мин. Карбонадо типа АСПК применяется для обработки деталей из алюминиевых и медных сплавов. Композит – синтетический инертный к железу материал, немного уступающий по твердости алмазу и превосходящий его по теплостойкости и коррозионной стойкости. Выпускают следующие марки: композит 01 (эльбор-Р), композит 02 (белбор), композит 05 и 5И (исмит), композит 09 (ПТНБ-ИК); композит 10 (гексагонит-Р). Основная область применения композитов: чистовое и тонкое точение, фрезерование со скоростями резания 60…120 м/мин – для закаленных сталей, 400…1200 м/мин – для серых и высокопрочных чугунов;   8…12 м/мин – для твердых сплавов группы ВК.

Спеченные алмазные материалы применяются, например, в форме цилиндров с габаритными размерами около 4 мм, в качестве режущих элементов пил, резцов, сверл.

5.5. Абразивные материалы

Абразивные материалы – это мелкозернистые порошковые вещества (корунд и электрокорунд, карбиды бора, кремния, оксид хрома, синтетический и природный алмаз, эльбор, славутич, природные граниты и др.). Применяются в качестве абразивного материала шлифовального инструмента, в основном, для отделочной обработки. Их теплостойкость – 1200 …1800 оС, скорость резания –15…100 м/с.

5.6. Физико-механические и технологические свойства

инструментальных материалов

Физико-механические и технологические свойства инструментальных материалов сведены в таблицу 6.

Таблица 6

Свойства инструментальных материалов

Продолжение таблицы 6