Инструментальные материалы

21.01.2016

История развития обработки металлов показывает, что одним из эффективных путей повышения производительности труда в машиностроении является применение новых инструментальных материалов. Например, применение быстрорежущей стали вместо углеродистой инструментальной позволило увеличить скорость резания в 2—3 раза. Это потребовало существенно усовершенствовать конструкцию металлорежущих станков, прежде всего увеличить их быстроходность и мощность.

Аналогичное явление наблюдалось также при использовании в качестве инструментального материала твердых сплавов.

Инструментальный материал должен иметь высокую твердость, для того чтобы в течение длительного времени срезать стружку.

Значительное превышение твердости инструментального материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при нагреве инструмента в процессе резания.

Способность материала инструмента сохранять свою твердость при высокой температуре нагрева определяет его красностойкость (теплостойкость).

Режущая часть инструмента должна иметь большую износостойкость в условиях высоких давлений и нагрева.

Важным требованием является также достаточно высокая прочность инструментального материала, так как при недостаточной прочности происходит выкрашивание режущих кромок, либо поломка инструмента, особенно при их небольших размерах.

Инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, т. е. легко обрабатываться в процессе изготовления инструмента и его переточек, а также быть сравнительно дешевыми.



В настоящее время для изготовления режущих элементов инструментов применяются следующие материалы:

1) инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие);

2) твердые сплавы;

3) минералокерамические материалы;

4) алмазы;

5) абразивные материалы.

Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных сталей У10А, У11А, У12А, обладают достаточной твердостью, прочностью и износостойкостью при комнатной температуре, однако теплостойкость их невелика. При температуре 200 — 250* их твердость резко уменьшается. Поэтому они применяются для изготовления ручных и машинных инструментов, предназначенных для обработки мягких металлов с низкими скоростями резания, таких как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и др. Углеродистые инструментальные стали имеют низкую твердость в состоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабатываемость резанием и давлением. Однако они плохо закаливаются и требуют применения при закалке резких закалочных сред, что усиливает коробление инструментов и опасность образования трещин.

Инструменты из углеродистых инструментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и потери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической обработке и плохой шлифуемости углеродистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасонных инструментов, подлежащих шлифованию, по профилю.

С целью улучшения свойств углеродистых инструментальных сталей были разработаны низколегированные стали. Они обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувствительностью к перегреву, чем углеродистые стали, и в то же время хорошо обрабатываются резанием и давлением. Применение низколегированных сталей уменьшает брак из-за деформации и трещин, по сравнению с получаемым при термической обработке углеродистых сталей. Примером низколегированных сталей может служить сталь У 11Х, которая представляет собой углеродистую сталь с небольшими добавками хрома.

Низколегированные стали не превосходят углеродистые стали по режущим свойствам, так как введение в сталь небольшого количества легирующих элементов не повышает теплостойкость стали. Поэтому область применения для низколегированных сталей рекомендуется та же, что и для углеродистых сталей.

Легированные инструментальные стали отличаются от углеродистых более высокой прокаливаемостью и закаливаемостью, что позволяет производить закалку инструментов с охлаждением в горячих средах и получать меньшую деформацию.

В производстве режущих инструментов из инструментальных легированных сталей наибольшее применение находят хромокремнистая сталь 9ХС и хромовольфрамомарганцовистая сталь ХВГ.

У стали 9ХС наблюдается равномерное распределение карбидов по сечению. Это позволяет использовать ее для резьбонарезных инструментов с мелким шагом резьбы, особенно для круглых плашек.

Вместе с тем сталь 9ХС имеет повышенную твердость в отожженном состоянии, пониженную обрабатываемость, высокую чувствительность к обезуглероживанию при нагреве.

Сталь ХВГ имеет повышенную карбидную неоднородность, что усиливает выкрашивание режущих кромок и не позволяет рекомендовать ее для инструментов, работающих в тяжелых условиях. Применяется она для изготовления таких инструментов, как длинные развертки, метчики, протяжки, для которых крайне нежелательна деформация при закалке.

Вместо сталей 9ХС и ХВГ можно применять сталь ХГСВФ. Она имеет меньшую твердость после отжига и обезуглероживается значительно меньше, чем сталь 9ХС.

По теплостойкости легированные инструментальные стали незначительно превосходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до 200— 260* С. Поэтому эти стали непригодны для резания с повышенной скоростью, а также для обработки твердых материалов.

В настоящее время для изготовления металлорежущих инструментов применяются быстрорежущие стали. В зависимости от назначения их можно разделить на две группы: 

1) стали нормальной производительности; 

2) стали повышенной производительности.

К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, Р9М4; к сталям второй группы — Р9К5, Р9КЮ, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2.

В обозначении марок буква Р указывает, что сталь относится к группе быстрорежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание ванадия в стали в процентах обозначается цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта -— цифрой, следующей за буквой К.

Быстрорежущая сталь Р18, содержащая 18% вольфрама, долгое время была наиболее распространенной. Инструменты, изготовленные из этой стали, после термической обработки имеют твердость HRC 62—65, красностойкость 600* С и достаточно высокую прочность. Сталь Р18 сравнительно хорошо шлифуется. Существенным недостатком этой стали является большая карбидная неоднородность, особенно значительная в прутках большого сечения.

При увеличении карбидной неоднородности прочность стали снижается и при работе наблюдается выкрашивание режущих кромок инструмента и снижение его стойкости.

Большое количество избыточной карбидной фазы делает сталь Р18 более мелкозернистой, менее чувствительной к перегреву при закалке, более износостойкой. Из стали Р18 могут изготовляться всевозможные инструменты, в том числе такие сложные как шеверы, долбяки, протяжки и др.

Сталь Р9 по красностойкости и режущим свойствам почти не уступает стали Р18.

Недостатком стали Р9 является пониженная шлифуемость, вызываемая сравнительно высоким содержанием ванадия и присутствием в структуре очень твердых карбидов. Вместе с тем сталь Р9, по сравнению со сталью Р18, имеет более равномерное распределение карбидов, несколько большую прочность и пластичность, что облегчает ее деформируемость в горячем состоянии и имеет важное значение для инструментов, получаемых различными методами пластической деформации. Из-за пониженной шлифуемости сталь Р9 применяется в ограниченных пределах.

Сталь Р12 равноценна по режущим свойствам стали Р18. По сравнению со сталью Р18 сталь Р12 имеет меньшую карбидную неоднородность, повышенную пластичность и пригодна для инструментов, изготовляемых методом пластической деформации.

По сравнению со сталью Р9 сталь Р12 лучше шлифуется, что объясняется более удачным сочетанием легирующих элементов.

Стали марок Р18М и Р9М отличаются от сталей Р18 и Р9 тем, что они в своем составе вместо вольфрама содержат до 0,6—1% молибдена (из расчета, что 1% молибдена заменяет 2% вольфрама). Эти стали имеют равномерно распределенные карбиды, но более склонны к обезуглероживанию. Поэтому закалку инструментов из этих сталей необходимо проводить в защитной атмосфере. По своим основным свойствам стали Р18М и Р9М не отличаются от сталей Р18 и Р9 и имеют ту же область применения.

Вольфрамомолибденовые стали типа Р6М3, Р6М5 являются новыми сталями, значительно повышающими как прочность, так и стойкость инструмента. Молибден обусловливает меньшую карбидную неоднородность, чем вольфрам, вследствие чего замена 6—10% вольфрама соответствующим количеством молибдена снижает карбидную неоднородность быстрорежущих сталей примерно на 2 балла и соответственно повышает пластичность. Недостаток молибденовых сталей заключается в том, что они имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию.

Вольфрамомолибденовые стали рекомендуется применять в промышленности наряду с вольфрамовыми для изготовления инструмента, работающего в тяжелых условиях, когда необходима повышенная износостойкость, пониженная карбидная неоднородность и высокая прочность.

Сталь Р18, особенно в крупных сечениях (диаметром более 50 мм], с большой карбидной неоднородностью целесообразно заменять на стали Р6М3 и Р12. Сталь Р12 пригодна для протяжек, сверл, особенно в сечениях диаметром менее 60—70 мм. Сталь Р6М3 целесообразно использовать для инструментов, изготовляемых способом пластической деформации, для инструментов, работающих с динамическими нагрузками, и для инструментов больших сечений с малыми углами заострения на режущей части.

Быстрорежущие стали повышенной производительности Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 используются в основном при обработке жаропрочных сплавов, высокопрочных и нержавеющих сталей, других труднообрабатываемых материалов, а также конструкционных сталей с повышенными режимами резания. В настоящее время применяются кобальтовые и ванадиевые быстрорежущие стали. Легирование быстрорежущих сталей кобальтом и ванадием понижает прочность, но повышает красностойкость до 630—670*С. При этом возрастают их режущие свойства, т. е. повышается стойкость инструмента в 1,5—3,0 раза по сравнению со стойкостью инструментов из стали Р18.

Вместе с тем быстрорежущие стали повышенной производительности, содержащие кобальт, имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию. Быстрорежущие стали повышенной производительности шлифуются хуже стали Р18 и требуют более точного соблюдения температур нагрева при термической обработке. В порядке ухудшения шлифуемости рассматриваемые стали располагаются в такой последовательности: Р18Ф2, Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р9Ф5, Р10К5Ф5. Ухудшение шлифуемости выражается в повышении износа абразивных кругов и увеличении толщины поверхностного слоя стали, повреждаемого при излишне жестком режиме шлифования.

Быстрорежущие стали повышенной производительности из-за технологических недостатков не являются сталями универсального назначения. Они имеют относительно узкие границы применения, более пригодны для инструментов, подвергаемых незначительному профильному шлифованию.

Твердые металлокерамические сплавы

В настоящее время для производства режущих инструментов широко используются твердые сплавы. Они состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных небольшим количеством кобальта. Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью. Инструменты, оснащенные твердым сплавом, хорошо сопротивляются истиранию сходящей стружкой и материалом заготовки и не теряют своих -режущих свойств при температуре нагрева до 750—1100* С.

Недостатком твердых сплавов, по сравнению с быстрорежущей сталью, является их повышенная хрупкость, которая возрастает с уменьшением содержания кобальта в сплаве. Скорости резания инструментами, оснащенными твердыми сплавами, в 3—4 раза превосходят скорости резания инструментами из быстрорежущей стали. Твердосплавные инструменты пригодны для обработки закаленных сталей и таких неметаллических материалов, как стекло, фарфор и т. п.

Производство металлокерамических твердых сплавов относится к области порошковой металлургии. Порошки карбидов смешиваются с порошком кобальта. Из этой смеси прессуются изделия требуемой формы и затем подвергаются спеканию при температуре, близкой к температуре плавления кобальта. Таким путем изготовляются пластинки твердого сплава различных размеров и форм, которыми оснащаются резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки и др.

Пластинки твердого сплава крепятся к державке или корпусу напайкой или механически при помощи винтов и прижимов. Наряду с этим в машиностроительной промышленности применяются мелкоразмерные, монолитные твердосплавные инструменты, состоящие из твердых сплавов. Они изготовляются из пластифицированных заготовок. В качестве пластификатора в порошок твердого сплава вводят парафин до 7—9%. Из пластифицированных сплавов прессуются простые по форме заготовки, которые легко обрабатываются обычным режущим,, инструментом. После механической обработки заготовки спекаются, а затем шлифуются и затачиваются.

Из пластифицированного сплава заготовки монолитных инструментов могут быть получены путем мундштучного прессования. В этом случае спрессованные твердосплавные брикеты помещаготся в специальный контейнер с твердосплавным профилированным мундштуком. При продавливании через отверстие мундштука изделие принимает требуемую форму и подвергается спеканию. По такой технологии изготовляются мелкие сверла, зенкеры, развертки и т. п.

Монолитный твердосплавный инструмент может также изготовляться из окончательно спеченных твердосплавных цилиндрических заготовок с последующим вышлифовыванием профиля алмазными кругами.

В зависимости от химического состава металлокерамические твердые сплавы, применяемые для производства режущего инструмента, разделяются на три основные группы.

Сплавы первой группы изготовляются на основе карбидов вольфрама и кобальта. Они носят название вольфрамо-кобальтовых. Это сплавы группы ВК.

Ко второй группе относятся сплавы, получаемые на основе карбидов вольфрама и титана и связующего металла кобальта. Это двухкарбидные титановольфрамокобальтовые сплавы группы ТК.

Третья группа сплавов состоит из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта. Это трехкарбидпые титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы группы ТТК.

К однокарбидиым сплавам группы ВК относятся сплавы: ВК2, ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15. Эти сплавы состоят из зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке сплавов цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, сплав ВК8 содержит в своем составе 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.

Рассматриваемые сплавы применяются для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов.

При выборе марки твердого сплава учитывают содержание кобальта, которое предопределяет его прочность. Из сплавов группы ВК сплавы ВК15, ВК10, ВК8 являются наиболее вязкими и прочными, хорошо противостоят ударам и вибрациям, а сплавы ВК2, ВК3 обладают наиболее высокой износостойкостью и твердостью при малой вязкости, слабо сопротивляются ударам и вибрациям. Сплав ВК8 применяется для черновой обработки при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, а сплав ВК2 — для чистовой отделочной обработки при непрерывном резании с равномерным сечением среза. Для получистовых работ и черновой обработки с относительно равномерным сечением срезаемого слоя применяются сплавы ВК4, ВК6. Сплавы ВК10 и ВК15 находят применение при обработке резанием специальных труднообрабатываемых сталей.

Режущие свойства и качество твердосплавного инструмента определяются не только химическим составом сплава, но и его структурой, т. е. величиной зерна. С увеличением размера зерен карбида вольфрама прочность сплава возрастает, а износостойкость уменьшается и наоборот.

В зависимости от размеров зерен карбидной фазы сплавы могут быть мелкозернистые, у которых не менее 50% зерен карбидных фаз имеет размер порядка 1 мкм, среднезернистые — с величиной зерна 1—2 мкм к крупнозернистые, у которых размер зерен колеблется от 2 до 5 мкм.

Для обозначения мелкозернистой структуры в конце марки сплава ставится буква М, а для крупнозернистой структуры — буква В.

Твердосплавные пластинки одного и того же химического состава, в зависимости от технологии их изготовления, могут иметь различную структуру. Например, вольфрамокобальтовый сплав ВК6, состоящий из 94% карбида вольфрама и 6 % кобальта, изготовляется трех модификаций: со среднезернистой структурой — ВК6, с мелкозернистой структурой — ВК6М и крупнозернис¬той структурой — ВК6В.

Крупнозернистые сплавы, в частности сплав ВК8В, применяют при резании с ударами для черновой обработки жаропрочных и нержавеющих сталей с большими сечениями среза. Мелкозернистые сплавы, такие как сплав ВК6М, используют для чистовой обработки при тонких сечениях среза стальных, чугунных, пластмассовых и других деталей. Из пластифицированных заготовок мелкозернистых сплавов ВК6М, ВК10М, ВК15М получают цельные инструменты. Крупнозернистые сплавы ВК4В, ВК8В, более прочные, чем обычные сплавы, применяют при обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов.

При обработке сталей инструментами, оснащенными вольфрамокобальтовыми сплавами, в особенности при повышенных скоростях резания, происходит быстрое образование лунки на передней поверхности, приводящее к выкрашиванию режущей кромки и сравнительно быстрому износу инструмента. Для обработки стальных заготовок применяют более износостойкие твердые сплавы группы ТК.

Сплавы группы ТК {Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12Б) состоят из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке сплава цифра после буквы К показывает процентное содержание кобальта, а после буквы Т — процентное содержание карбидов титана. Так, сплав Т30К4 содержит 4% кобальта, 30% карбидов титана и остальное — карбиды вольфрама. Буква В в конце марки обозначает, что сплав имеет крупнозернистую структуру. Сплавы Т5К12В и Т5К10 являются наиболее вязкими и прочными и наименее красностойкими. Поэтому сплав Т5К12В рекомендуется применять при работе с ударными нагрузками для обтачивания стальных поковок и отливок по корке, а сплав Т5К10— для чернового точения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании.

Сплав Т30К4, содержащий большой процент карбидов титана, характеризуется высокой красностойкостью и износостойкостью, но является наименее прочным и вязким. Поэтому его применяют для чистового точения при непрерывном резании с малыми сечениями среза. Для обработки сталей наиболее применим сплав Т15К6, сочетающий достаточно высокую красностойкость и износостойкость с удовлетворительной прочностью.

Сплавы группы ТТК состоят из зерен твердого раствора карбида титана, карбида тантала, карбида вольфрама и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом.

К сплавам группы ТТК относятся ТТ7К12, ТТ10К8Б. Сплав ТТ7К12 содержит 12% кобальта, 3% карбида тантала, 4% карбида титана и 81% карбида вольфрама. Введение в состав сплава карбидов тантала значительно повышает его прочность, но снижает красностойкость. Сплав ТТ7К12 рекомендуется для тяжелых условий при обточке по корке и работе с ударами, а также для обработки специальных легированных сталей.

С целью экономии дефицитного вольфрама разрабатываются безвольфрамовые металлокерамические твердые сплавы на основе карбидов, а также карбидонитридов переходных металлов, в первую очередь, титана, ванадия, ниобия, тантала. Эти сплавы изготовляются на никелемолибденовой связке. Полученные твердые сплавы на основе карбидов. титана с содержанием 12—19% никеле-молибденовой связки по своим характеристикам примерно равноценны стандартным сплавам группы ТК.

Одним из путей повышения эксплуатационных характеристик стандартных твердых сплавов группы ВК является нанесение покрытий из карбида титана на режущую часть. В этом случае на неперетачиваемые пластины из твердых сплавов наносится слой покрытия толщиной 0,005—0,02 мм. В результате поверхностный слой получает высокую твердость и повышенную износостойкость, что приводит к значительному росту стойкости инструмента.

Проводятся работы по созданию и уточнению области целесообразного применения дисперсионно-твердых сплавов: В18М7К25, В18М3К25, В10М5К25. Эта сплавы занимают промежуточное положение между быстрорежущими сталями и металлокерамическими твердыми сплавами . Дисперсионно-твердеющие сплавы в зависимости от их марки содержат: W-10-19%, Со-25-26%, Мо- 3-7%, V-0,45-0,55%, Ti - 0,15-0,3%, С - до 0,06%, Mn -не более 0,23%, Si -не более 0,28%, остальное Fe.

В отличие от быстрорежущих сталей рассматриваемые сплавы имеют более высокую красностойкость (700—720* С) и твердость (HRC 68—69). Высокая твердость и теплостойкость обусловливают их повышенные режущие свойства.