Материалы для режущих инструментов

Требования к материалам режущих инструментов. Режущая часть (режущий клин) инструментов при работе подвергается истиранию, тепловым воз­действиям и силовым нагрузкам, осуществляя непрерывное деформирова­ние срезаемого слоя. Эти очень тяжелые условия работы определяют тре­бования к материалам режущей части. Пригодность подобных материалов определяется их твердостью, теплостойкостью, механической прочностью, износостойкостью, технологичностью и стоимостью.

Понятно, что внедрение одного материала (клина) в другой (заготовку) возможно лишь при преобладающей твердости первого. Из табл. 1 видно, что алмаз и кубический нитрид бора имеют наиболее высокую твердость, а твердые сплавы и минералокерамика значительно тверже закаленных ин­струментальных сталей. Твердость большинства конструкционных мате­риалов ниже твердости соответствующего инструмента. Однако под воз­действием высокой температуры при резании твердость многих материа­лов снижается и, в частности, твердость инструмента может оказаться недостаточной для осуществления резания. Свойство материала сохранять Необходимую твердость при высокой температуре называется теплостой­костью, которая характеризуется критической температурой. Инструмент с температурой выше критической эффективно работать не будет (см. табл. 1).

Важность механической прочности для инструментальных материалов обусловлена особенностью нагружения режущих зубьев: консольным рас­положением (закреплением) зуба, возможностью ударных нагрузок, рабо­той режущих элементов на изгиб, растяжение и сжатие. Поэтому пределы прочности на изгиб и сжатие и ударная вязкость являются основными по­казателями прочности инструментальных материалов.

Способность противостоять изнашиванию при трении также является важным свойством материала инструмента, так как при работе он подвер­гается истиранию в местах контакта с заготовкой. Износостойкость харак­теризуется работой трения, отнесенной к величине стертой массы материа­ла.

Технологичность инструментального материала, т. е. степень его со­ответствия технологии термической обработки, обработки давлением, ме­ханической обработки и др., является свойством, определяющим возмож­ность использования его в конструкции режущего инструмента. Так, материалы с плохой шлифуемостью будут неудобны при изготовлении и переточке инструмента; слишком узкий температурный интервал нагрева материала при термообработке может привести к браку и т. п. Технологичность материала может оцениваться и такими его свойствами, как сва­риваемость, припаиваемость и др.

Таблица 1

Материал	Марка	Микро-твердость, МПа	Тепло-стойкость, К	Пределы прочности	Ударная вязкость, (Дж/м2)10-6	Коэффициент относительной скорости резания
на изгиб	на сжатие
Твердые сплавы	Т15К6 ВК8					2,94 5,88
Быстрорежущая сталь	Р18					9,81
Минералокерамика	ЦМ332					0,98	5-7
Кубический нитрид бора	Эльбор				-	-	6-8
Легированная сталь	ХВГ					9,81	0,6
Углеродистая сталь	У10А					9,81	0,4
Алмазы	А					-	1,5

 

Инструментальные стали. Стали применяют достаточно широко для из­готовления корпусной и крепежно-присоединительной частей режущих ин­струментов, а во многих случаях и их режущей части. Если инструмент ра­ботает при низких скоростях резания и не нагревается свыше 200- 220°С, то его можно изготовлять из углеродистой инструментальной стали марок У7А, У8А, У10А, У13А и др. Обычно режущий инструмент для таких сле­сарных работ, как опиливание, шабрение, рубка, нарезание резьбы (т. е. на­пильники, шаберы, зубила, метчики, плашки и др.), делается из этих сталей и после термической обработки может иметь высокую твердость (до HRC 64). Закалка (охлаждение) сталей ведется в воде. Однако и в этом случае ввиду высокой критической скорости закалки эти стали прокаливаются на небольшую глубину, и сердцевина инструмента остается вязкой. Для сня­тия внутренних напряжений применяют отпуск при температуре 120—150 °С. Химический состав и марки инструментальных углеродистых сталей приведены в ГОСТ 1435-74.

Для повышения тех или иных свойств углеродистых инструментальных сталей в их состав вводят так называемые легирующие элементы, обозначаемые соответствующими буквами в марках стали. Так, никель (Н) после соответствующей термообработки стали сообщает ей тонкую структуру, определяющую высокую пластичность и вязкость, увеличивает прокаливаемость. Марганец (Г) увеличивает прокаливаемость в прочность стали, ускоряет процесс цементации и повышает износостойкость. Хром. (X) упрочняет сталь в результате его растворения в железной основе и образо­вания карбидов. Вольфрам (В) повышает твердость путем образовании сложных карбидов и сохраняет твердость сплава при отпуске, уменьшает его склонность к росту зерна при нагреве, повышает износостойкость и те­плостойкость. Ванадий (Ф) резко уменьшает рост зерна при нагреве, увели­чивает устойчивость против снижения твердости при отпуске, улучшает свариваемость, но ухудшает шлифуемость материала. Молибден (М) уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости, повышает прокали­ваемость, придает повышенную прочность, пластичность и вязкость. Крем­ний (С) улучшает прокаливаемость стали, снижает ее чувствительность к перегреву, равномернее распределяет карбиды.

Марки и химический состав инструментальных легированных сталей определены ГОСТ 5950 — 73. Теплостойкость их не превышает 250 — 300°С, что позволяет несколько увеличить скорость резания (см. табл. 1) инстру­ментами из этих материалов. Низколегированные стали X, В2Ф, 13Х и др. применяют для слесарных инструментов (плашек, разверток, метчиков, ша­беров, зубил и др.). Высоколегированные стали ХВСГ, 9ХС, ХВГ и др. служат для изготовления разверток, фасонных резцов, сверл малого диаметра, концевых фрез, протяжек, метчиков и других инструментов, работающих при скоростях резания до 0,33 м/с.

Особую группу составляют быстрорежущие стали, имеющие содержа­ние вольфрама от 6 до 18%. ГОСТ 19265 — 73 предусматривает более деся­ти марок этих сталей и их химический состав. Марки образуются в зависи­мости от содержания кобальта (К), молибдена (М), ванадия (Ф) и вольфрама (Р), причем все эти стали имеют 3,0—4,6% хрома и 0,7 — 1,3% углерода. Стали Р18, Р12, Р9 относятся к вольфрамовым быстрорежущим, Р6МЗ и Р6М5-К вольфрамомолибденовым, Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5 - к вольфрамованадиевым, Р9К5 и Р9К10 — к вольфрамокобальтовым, Р18К5Ф2, Р10К5Ф5 и др.—к сложнолегированным быстрорежущим.

Быстрорежущие стали отличаются высокой теплостойкостью, доходя­щей у лучших марок до 650^С. Они пригодны для режущей части инстру­ментов, работающих при скоростях резания 0,8 — 1,0 м/с. Так, из стали нор­мальной производительности Р9, Р18, Р6М5 делают режущую часть автоматных и фасонных резцов, сверл, зенкеров, фрез, разверток, зуборез­ного инструмента, а из быстрорежущих сталей повышенной производи­тельности Р18Ф2, Р9Ф5, Р14Ф4 и др. - аналогичные инструменты для обра­ботки высокопрочных н труднообрабатываемых материалов. Ввиду дефицитности вольфрама инструмент из этих сталей делают во многих случаях составным, т. е. режущую часть из быстрорежущей стали, а кор­пусную или крепежно-присоединительную — из конструкционной стали. Инструмент после термообработки имеет высокую твердость режущей ча­сти (до HRC 64 и выше).

Быстрорежущие стали появились почти сто лет назад. В СССР в каче­стве основных использовались марки РФ1 или РФ2, которые затем была заменены приведенными выше марками сталей, имеющими улучшенные качества.

Создаются новые марки быстрорежущих сталей с теплостой­костью более 700 °С, а также марки с малым содержанием вольфрама.

Твердые сплавы. Отечественная промышленность выпускает свыше 30 марок твердых Сплавов (ГОСТ 3882—74), в том числе около 20 марок для изготовления режущих частей инструментов. Эти материалы представляют собой сплавы карбидов тугоплавких металлов с кобальтом, являющимся своеобразной связкой. Их получают методом прессования шихты и после­дующего спекания полученных элементов режущего инструмента (пластин, зубьев, коронок и т. п.).

Металлокерамические вольфрамовые твердые сплавы разделяют на одно-, двух- и трехкарбидные. Однокарбидные сплавы производятся на ба­зе карбида вольфрама и называются вольфрамокобальтовыми (группа ВК). В марках ВК2, ВК4, ВК6, ВК8 цифра показывает процентное содержа­ние кобальта (остальное — карбиды вольфрама). Сплавы этой группы наи­более прочные. С увеличением содержания кобальта повышается сопроти­вление сплава ударным нагрузкам, но уменьшается его износостойкость. Применяются для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов н не­металлических материалов точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окис­ления карбидов, т. е. с температурой 950—1000 °С.

Двухкарбидные твердые сплавы помимо компонентов группы ВК со­держат карбиды титана и называются титановольфрамокобальтовыми (группа ТВК или ТК). В марках Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 цифры после буквы Т показывают процентное содержание карбидов титана, после К — содержание металлического кобальта (остальное — карбиды вольфра­ма). Сплавы этой группы более износостойки и менее прочны, чем сплавы группы ВК. Применяются при обработке углеродистых и легированных, конструкционных сталей точением, фрезерованием и т. п. Предельная те­плостойкость этих материалов определяется началом, интенсивного окис­ления карбидов, т. е. температурой 1100-1150 °С.

Трехкарбидные твердые сплавы по сравнению со сплавами группы ТВК включают еще и карбиды тантала и называются титанотанталовольфрамокобальтовыми (группа ТТК). В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед К показывает суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, после К — содержание кобальта (остальное — карбиды вольфра­ма). Сплавы этой группы имеют высокую прочность и применяются при обработке жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов.

В нашей стране и за рубежом ведутся работы по использованию особо мелкого зерна карбидов вольфрама в производстве вольфрамокобальтовых и титановольфрамокобальтовых сплавов. Особомелкозернистая структура (ОМ) способствует повышению износостойкости материала без существенного снижения его прочности. Сплавы ВК6-ОМ, ВК10-ОМ, ВК15-ОМ имеют основную массу зерен размером менее 1 мкм. ГОСТ 3882—74 предусматривает применение мелкозернистых (М) вольфрамокобальтовых сплавов ВКЗ-М, ВК6-М и др.

Имеются безвольфрамовые твердые сплавы ТМ1, ТМЗ, ТН-30, КНТ-16 и др. на основе карбидов или других соединений титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов. Например, сплав ТМ1 имеет износостойкость при обработке стали 50 в 2 раза выше, чем сплавТ30К4, сплав «Монитикар» на базе тех же компонентов имеет значи­тельные перспективы применения.

Каждая марка твердого сплава может эффективно применяться лишь в конкретных условиях. Наша промышленность производит твердые сплавы для всех условий обработки. В табл. 2 приведены некоторые твердые сплавы, удовлетворяющие областям применения, разработанным международной организацией по стандартизации (ИСО). Сплавы группы Р предназначены для обработки материалов, дающих сливную стружку (в основном сталей), сплавы группы М — для обработки нержавеющих, жаро­прочных сталей и титановых сплавов. Сплавы группы К применяют при обработке малопластичных материалов, цветных сплавов, пластмасс, дре­весины, чугуна.

 

Таблица 2

 

Группа сплавов по ИСО	Основная подгруппа применения по ИСО	Марка сплава	Группа сплавов по ИСО	Основная подгруппа применения по ИСО	Марка сплава	Группа сплавов по ИСО	Основная подгруппа применения по ИСО	Марка сплава
Р	Р01 Р10 Р20	Т30К4 Т15К6 Т14К8	М	М01 М05 М10	ВК6-ОМ ВК6-М ТТ8К6	К	К01 К05 К10	ВК3-М ВК6-ОМ ТТ8К6
Р25 Р30	ТТ20К9 Т5К10 ТТ10К8-Б	М20 М30	ТТ10К8Б ВК10-ОМ ВК-8	К15 К20	ВК6-М ВК6 ВК4
Р40 Р50	Т5К12В ТТ7К12 ТТ7К12	М40	ТТ7К12 ВК10-ОМ	К30 К40	ВК4 ВК8 ВК15

 

 

Применение твердых сплавов расширяется и составляет для резцов 95%, для фрез 4,5%. для осевого инструмента около 1% общего выпуска этих инструментов. "В ряде случаев режущие пластины сплавов покрывают тончайшим (5 —10 мкм) слоем износостойкого материала (карбида, нитри­да и карбонитрида титана и др.), что повышает стойкость пластин в 2—3 раза.

Минералокерамика, композиты и алмаз. Поиски инструментальных материалов, не содержащих дефицитных элементов, привели к созданию в начале 50-х гг. минералокерамических режущих пластин на основе окиси алюминия. МХТИ им. Менделеева и ВНИИАШ были разработаны, а ВНИИ и ЦНИИТмашем испытаны минералокерамики марок ЦВ-14 и ЦМ-332. Материал ЦМ-332 широко применялся для чистовых и финишных операций при обработке стальных и чугунных заготовок. Улучшение свойств минералокерамики достигается уменьшением размеров зерен структуры и добавлением карбидов тугоплавких материалов (вольфрама,
титана), связующих элементов (никеля и др.). ВНИИТС создана минералокерамика оксидно-карбидного типа марки ВЗ Ее прочность при изгибе в 2,5 раза выше, чем у ЦМ-332 при той же твердости, теплостойкость около 1200 °С, что позволяет вести обработку при скорости резания более 25 м/с. Также освоен выпуск минералокерамики марок BОK-6О; ВОК-63 и др. Перспективными материалами для изготовления режущей части резцов являются поликристаллы кубического ни­трида бора, известные под названием эльбор-Р, композит, исмит и гексанит-Р. При финишной обработке таким инструментом заготовок из чугуна и закаленных сталей высокой твердости достигается шероховатость поверхности, соответствующая шлифованию. Резцы и фрезы имеют режу­щие элементы из поликристаллов диаметром до 4 мм и длиной до 6 мм. Для чистового точения деталей из цветных металлов и сплавов, пласт­масс и других неметаллических материалов применяют резцы из при­родных алмазов массой 0,21-0,85 карата, закрепляемых механическим способом или напайкой в переходных державках диаметром до 2U мм и длиной до 50 мм. Для обработки твердых сплавов, высококремнистых материалов, стеклопластиков и других пластмасс применяют синтетиче­ские алмазы типа карбонадо и баласс (марки АСПК и АСБ), которые по своим свойствам соответствуют природным алмазам тех же сортов.

Шлифующие материалы. Для изготовления шлифовальных кругов, лент, паст шкурок и т. п. применяют различные шлифующие (абразивные) и свя­зующие их материалы. Абразивные (от латинского abrasio - соскаблива­ние) круги для машиностроения изготовляют из синтетических материа­лов так как естественные материалы не обладают постоянством сеоиств. Материалы на базе окиси алюминия и карбида кремния обозначаются ци­фрами: нормальный электрокорунд-1, белый' электрокорунд - 2, хро­мистый и титанистый электрокорунд - 3, монокорунд - 4, карбид кремния черный - 5, зеленый карбид кремния - 6. Маркировка абразивного мате­риала включает еще одну цифру, а также буквы А или С, обозначающие соответственно элёктрокорунд или карбид кремния. Например, электрокорунды имеют маркировку 16А, 15А, 14А и др., 25А, 24А и др., 34А, ЗЗА и др., 45А, 44А и др. Карбиды же кремния маркируются так: ML, WC, 55С, 54С и др.

Электрокорунды изготовляют в дуговых печах восстановительной плавкой шихты, а карбиды кремния - в электрических печах сопротивле­ния силицированием частиц углерода парами кремниевой кислоты. После плавки получают различными способами шлифпорошки, шлифзерна и ми­кропорошки, которые используют для изготовления различных инструментов.

В СССР в качестве шлифующих материалов применяются также синтетические алмазы, которые выпускают в виде порошков пяти марок АС (ал­маза синтетического): АСО, АСР, АСВ, АСК и АСС и в виде микропорош­ков двух марок АСМ и АСН. Алмаз АСО применяют для паст и порошков, алмаз АСР, имеющий повышенную прочность, применяют для инструментов на керамической, и металлической связках, Высоко­прочный синтетический алмаз АСВ применяют для инструментов на ме­таллической связке, работающих при повышенных ударных нагрузках В особо тяжелых условиях работы применяют алмаз АСК. Самая высокая прочность у алмаза АСС, используемого для инструментов, правящих шлифовальные круга. Кроме синтетических алмазов, для абразивной обра­ботки используют эльбор-Л, кубонит, а также дробленые естественные ал­мазы типа карбонадо и баласс.

Абразивно-алмазные инструменты состоят из режущего материала, пор и связки. Различают связки керамические, органические, металлические и др. Для алмазных и эльборовых кругов применяют органические связки (Б1, Б2, БЗ, Б4, Б8, БП1 и др.) на основе фенолформальдегидных смол с на­полнителями в виде карбида бора, талька, резиновой муки и др. Металли­ческие связки (М5, М52, МСЗ, МО4, МП2, ОМКЗ и др.) представляют со­бой композиции на основе меди, олова, железа, алюминия, никеля и других металлов с наполнителем из электрокорунда, карбида бора или кремния и т. п. Керамические связки для алмазных и эльборовых кругов (К1, К16, СЮ, СК и др.) имеют те же наполнители. Для полировальных кругов при­меняют связки, содержащие каучук. Абразивные круги в основном выпол­няют на керамической связке (КО, К1, КЗ, К5, К8 и др.), а также приме­няют бакелитовую (Б, Б1, Б2, БУ и др.), вулканитовую (В, Bl, B2, ВЗ), глифталевую (ГФ) и поливинилформалевую (ПФ) связки.

Керамическую связку получают в результате обжига кругов, формиро­ванных из специальной массы, в которую кроме абразивного материала входят измельченные смеси из огнеупорной глины, полевого шпата, таль­ка и других материалов, добавляемые для повышения пластичности, формуемости и других нужных свойств массы. Выбор круга по абразивному или алмазному материалу, связке и другим характеристикам производится в зависимости от вида шлифования, материала заготовки и прочих факторов.