Инструментальные материалы

2.1. Физико-механические свойства
инструментальных материалов

Работоспособность металлорежущего инструмента может быть обеспечена только в том случае, если его рабочая часть выполнена из материала, обладаю­щего комплексом определенных физико-механических свойств. Материалы, в той или иной мере отвечающие требованиям этого комплекса и способные осущест­влять резание, называются инструмен­тальными. Рассмотрим основные физико-механические свойства инструментальных материалов.

Твердость. Чтобы внедриться в по­верхностные слои обрабатываемой за­готовки, материал режущих лезвий рабо­чей части инструментов должен иметь высокую твердость. Твердость инструментальных материалов может быть природ­ная, т. е. свойственная этому материалу при его инструментальные стали поставляются с металлургических заводов в отожженном состоянии, и в этом состоянии они легко поддаются обработке резанием. Механи­чески обработанные инструменты подвергают термообработке, шлифованию и за­точке. В результате термообработки су­щественно повышаются прочность и твер­дость инструментальных сталей.

Температуростойкость. Интенсивное выделение теплоты в процессе резания металлов ведет к нагреву лезвий инструмента, причем наибольшая темпе­ратура развивается на контактных по­верхностях лезвий. Нагрев до температуры ниже некоторого ее критического зна­чения, разного для различных инструментальных материалов, не сказы­вается на их структурном состоянии и твердости. После нагрева вплоть до этой температуры и охлаждения инструментальные материалы не изменяют своих свойств. При нагреве выше критической температуры в инструментальных мате­риалах происходят структурные измене­ния и связанное с этим снижение твер­дости. Критическая температура назы­вается температурой красностойко­сти.

В основе термина «красностойкость» лежит физическое свойство металлов в нагретом до 600 °С состоянии излучать темно-красный свет. По сути своей термин «красностойкость» означает температуростойкость инструментальных материалов. Различные инструмен­тальные материалы имеют температуростойкость в широких пределах — от 220 до 1800 °С. В порядке убывания температуростойкости инструментальные ма­териалы располагаются в следующем по­рядке: а) синтетические инструментальные материалы; б) минералокерамика; в) твердые сплавы; г) инструментальные быстрорежущие стали; д) инструменталь­ные углеродистые стали.

Теплопроводность. Увеличение работоспособности режущего инструмен­та может быть достигнуто не только за счет повышения температуростойкости инструментального материала, но и бла­годаря улучшению условий отвода теп­лоты, выделяющейся в процессе резания на лезвии инструмента и вызывающей его нагрев до высоких температур. Чем большее количество теплоты отводится от лезвия в глубь массы инструмента, тем ниже температура на его контактных поверхностях.

Коэффициент трения. Значение коэффициента трения скольжения ц кон­струкционных металлов по инструментальным материалам зависит от хими­ческого состава и физико-механических свойств контактирующих пар, а также от контактных напряжений на трущихся по­верхностях и скорости скольжения.

Сравнивая кривые зависимости коэффициента сухого трения от скорости скольжения, можно отметить, что коэффициент трения в паре со сталью у быстро­режущих сталей (кривая 1) всегда больше, чем у твердых сплавов (кривая 2). Коэф­фициент трения твердого сплава по чугу­ну (кривая 3) с увеличением скорости скольжения монотонно уменьшается.

Рисунок 3 - Зависимость изменения коэффициента трения от скорости скольжения для различных пар материалов:

1 — сталь 45 — быстрорежущие стали; 2— сталь 45 — твердые сплавы под­группы ВТК; 3 — чугун — твердые спла­вы подгруппы ВК

Износостойкость. Взаимодействие инструмента с обрабатываемым материалом протекает в условиях подвижного контакта. При этом оба тела, образующих трущуюся пару, взаимно изнашивают друг друга. Материал каждо­го из взаимодействующих тел обладает:

а) свойством истирать материал, с которым он взаимодействует;

б) износостойкостью, выражающей способность мате­риала сопротивляться истирающему действию материала.

Практиче­ский интерес при изучении процессов резания представляет износ лезвий инструментов. Изнашивание лезвий инструментов происходит на протяжении всего периода их подвижного контакта с обрабатываемым материалом. В результате этого процесса лезвия теряют некоторую часть своей массы и на них отчетливо видны следы износа в виде нарушений формы рабочих поверхностей.