Материалы применяемые при изготовлении режущего инструмента

Инструментальные стали предназначены для производства таких деталей, как резцы, сверла, метчики, протяжки, пилы и т. п. Такие стали должны обладать высокой твердостью режущей кромки (63. 66 HRC), высокой прочностью, износостойкостью, теплостойкостью. Для изготовления режущего инструмента в зависимости от условий его работы применяют стали нескольких групп теплостойкости.

Нетеплостойкими являются углеродистые стали У7—У13, наиболее дешевые. Они имеют невысокую прокаливаемость. Термообработка включает сфероидизирующий отжиг, закалку на мартенсит от температур выше Ac1 (760. 820 °С) и низкий отпуск при значениях температуры 150. 250 °С. После термообработки твердость сталей составляет 62. 69 HRC. Из углеродистых нетеплостойких сталей изготовляют детали небольшого сечения (табл. 20.1).

К нетеплостойким легированным относят стали марок 9ХФ, 11ХФ, 9ХС, ХВГ, ХГС и др. Закалку сталей проводят от значений температуры 820. 870 °С, а отпуск — при 130. 250 °C (твердость 57. 63 HRC). Прокаливаемость этих сталей выше, чем углеродистых, вследствие того, что в их составе присутствуют хром, марганец, кремний, вольфрам. Данные стали применяют для изготовления фрез, сверл, протяжек, пил, ножей, штампов холодного деформирования и др. (см. табл. 20. 1).

Стали повышенной теплостойкости называются быстрорежущими. Они содержат значительное количество самого тугоплавкого металлического элемента — вольфрама (6. 18 %). Именно при легировании вольфрамом твердые растворы (мартенсит и аустенит) приобретают теплостойкость, а карбиды вольфрама W2C, (Fe, W)6C обеспечивают повышенную износостойкость при высоких температурах. Легирование кобальтом способствует повышению рабочей температуры инструментов из быстрорежущих сталей (табл. 20.2).

Быстрорежущие стали имеют специальную маркировку: за буквой P указывают процентное содержание вольфрама в стали, затем следуют буква M и содержание молибдена, %, буква К и содержание кобальта, %. Содержание хрома и ванадия не приводят. Например, сталь Р6М6К5 содержит, %: 6 W; 6 Mo; 5 Co.

Быстрорежущие стали подвергают сложной термообработке. Сначала проводят высокотемпературную закалку (от 1 270. 1 290 °С), а затем трехкратный отпуск при значениях температуры 550. 570 °С. Высокая температура нагрева под закалку необходима для того, чтобы растворить в аустените тугоплавкие карбиды вольфрама и хрома MC, M2C, М7С3, M23C6. После растворения карбидов аустенит становится высоколегированной фазой, у которой точка Mк окончания мартенситного превращения находится существенно ниже значения комнатной температуры. Вследствие этого после закалки быстрорежущие стали содержат кроме мартенсита и остаточный аустенит Aост, причем содержание последнего может достигать 80 %. Проведение последующего трехкратного отпуска вызвано необходимостью устранения остаточного аустенита. При высоком отпуске последовательность фазовых превращений является следующей:

При каждом последующем отпуске эти фазовые превращения повторяются, что приводит после третьего нагрева к уменьшению остаточного аустенита до 5. 10 %. Проведение высокого отпуска устраняет вероятность сколов инструмента при высокой скорости резания. После термообработки твердость сталей составляет 58. 64 HRC (см. табл. 20.2).

Инструмент из быстрорежущих сталей (резцы, сверла, фрезы) выдерживает большие усилия и скорости обработки при резании, а значения рабочей температуры достигают 640 °С. Обычно инструмент из этих сталей применяют для обработки резанием заготовок из легированных, высокопрочных и жаропрочных материалов.

Твердые сплавы применяют при изготовлении режущей части инструмента для труднообрабатываемых материалов. Получаемые методом порошковой металлургии, эти сплавы состоят из карбидов тугоплавких металлов, связанных кобальтом. Твердые сплавы изготовляют трех видов: вольфрамовые, титановольфрамовые, титанотанталовольфрамовые.

Вольфрамовые сплавы содержат карбид WC и кобальтовую связку. Эти сплавы маркируют буквами BK и цифрами, означающими количество кобальта, %, например: ВКЗ, BK10 и др. Сплавы имеют твердость 88. 90 HRC, обладают высокой износостойкостью, теплостойкостью (до 800 °С), что позволяет применять высокие скорости резания при обработке чугуна, цветных сплавов и неметаллических материалов.

Титановолъфрамовые твердые сплавы содержат карбиды WC и TiC. В маркировке указывают букву T и процентное содержание карбида титана, затем букву К и количество кобальта, %, например: Т15К6, Т5К10 и др. Твердость сплавов составляет 87. 92 HRC; они теплостойки до 900. 1000 °С. Из этих твердых сплавов изготовляют инструмент, применяемый для высокоскоростного резания сталей.

Титанотанталовольфрамовые сплавы содержат карбиды TiC, TaC, WC. Маркировка сплавов включает буквы TT с последующими цифрами, соответствующими суммарному содержанию карбидов TiC и TaC, %, и буквой К с указанием количества кобальта, %, например: ТТ7К12, ТТ10К8 и др. Сплавы имеют твердость 87. 90 HRC; обладают умеренной теплостойкостью, хорошим сопротивлением ударным нагрузкам. Инструмент из этих сплавов применяют для черновой и чистовой обработки жаропрочных сплавов (точения, фрезерования, строгания). Твердые сплавы изготавливают в виде стандартных пластин, которыми оснащаются резцы, фрезы, сверла и др.

Сверхтвердые инструментальные материалы изготовляют на основе синтетического алмаза и нитрида бора. Эти материалы подразделяют на две группы: порошкообразные — для изготовления абразивного инструмента; поликристаллические — для оснащения лезвийного металлорежущего инструмента.

Поликристаллы на основе алмаза теплостойки до 800 °С. Основные марки этих материалов — «баллас» (АСБ1, АСБ5 и др.) и карбонадо (АСПК, АМК, CMK и др.). Поликристаллы на основе нитрида бора (ПСТМ) обладают высокой теплостойкостью (до 1500 °С): ими оснащают лезвийный инструмент для обработки резанием закаленных и цементованных сталей и чугунов. Также их впаивают в качестве режущей кромки в одну из вершин сменных неперетачиваемых пластин.

Керамику используют как режущую кромку инструментов. Оксидную керамику производят на основе оксидов алюминия (Al2O3) с добавлением 6 % оксида магния (MgO) или оксида хрома (Cr2O3). Основные марки: ЦМ322, ВО-13, В014 и др. Оксиднокарбидную керамику получают методами порошковой металлургии, для чего используют смесь из WC, Мо2С или Мо2С + TiC. Такая керамика по свойствам занимает промежуточное положение между твердыми сплавами и оксидной керамикой.

Для того чтобы режущий инструмент мог резать его материал должен обладать в той или иной мере следующим комплексом свойств: он должен быть значительно тверже обрабатываемого материала; он должен быть теплостоек, то есть обладать способностью сохранять высокую твердость при нагреве, сопровождающим процесс резания; он должен быть прочным и износостойким.

В настоящее время для изготовления режущего инструмента применяются инструментальные стали, твердые сплавы, металлокерамика и синтетические сверхтвердые материалы.

Инструментальные сталидля режущего инструмента подразделяются на: углеродистые (У10, У12); легированные (9ХС, ХВГ); быстрорежущие (Р6М5, Р6М5К5). Стали после термообработки имеют примерно одинаковую твердость — НRC_Э63 … 67. Однако углеродистые стали сохраняют эту твердость при нагреве лишь до 250 0 С, легированные — до 350 0 С, а быстрорежущие до 630 0 С. Теплостойкость быстрорежущих сталей обусловлена легированием их вольфрамом, молибденом и кобальтом. Из инструментальных сталей углеродистые самые дешевые, а быстрорежущие наиболее дорогие.

Из углеродистых сталей изготавливают инструмент малых размеров, работающий с малыми скоростями резания (преимущественно слесарный инструмент). Легированные стали используют для изготовления среднего и крупного по размерам инструмента, работающего с малыми скоростями резания, например – протяжки. Быстрорежущие стали применяются для изготовления инструмента, как правило сложной формы) работающего с значительными скоростями резания – сверла, метчики, фрезы, некоторые виды резцов

Твердые сплавыполучают методом порошковой металлургии. Твердые сплавы содержат зерна карбидов вольфрама, титана и тантала, а в качестве связки используется кобальт. Эти компоненты, приготовленные в виде порошка, смешивают, спрессовывают в виде пластин и затем спекают.

Однокарбидные твердые сплавы (ВКЗ, ВК6-М, ВК10-ОМ) называются вольфрамокобальтовыми Они содержат карбид вольфрама (В) и кобальт (К). Цифра после К обозначает процентное содержание кобальта, а массовая доля карбида вольфрама определяется разностью между 100% и массовой долей кобальта

Двухкарбидные твердые сплавы (Т5К10, Т15К6) называются вольфрамотитановыми. Буква Т и цифра после нее обозначают массовую долю карбида титана в твердом сплаве, а буква К и цифра после нее — массовую долю кобальта, остальное — массовая доля карбида вольфрама.

Трехкарбидные твердые сплавы (ТТ7К12, ТТ10К8) называются вольфрамотитанотанталовыми Буквы ТТ и цифра после них обозначают массовую долю карбидов титана и тантала, цифра за буквой К — массовая доля кобальта, остальное — массовая доля карбида вольфрама.

Безвольфрамовые твердые сплавы состоят из карбидов и карбо-нитридов титана с никельмолибденовой связкой (КНТ-16 и ТН-20). Твердый сплав КНТ-16 состоит из карбонитрида титана TiCN — 74%, никеля Ni — 19,5%, молибдена Мо … 6,5%. Твердый сплав ТН-20 — из карбида титана TiC — 79%, никеля Ni — 15%, молибдена Мо — 6%.

Сплавы имеют твердость НRА 87 … 92 и сохраняют ее при нагреве до 800 … 850 0 С, однако они уступают быстрорежущим сталям в прочности и значительно их дороже.

Из твердосплавных пластинок делается режущая часть большинства резцов и многих фрез.

Минералокерамика.Минералокерамические инструментальные материалы изготовляют из глинозема Аl₂О₃(ЦМ-332 — оксидная керамика) или из смеси Аl₂О₃с карбидами, нитридами и другими соединениями титана, хрома, молибдена (В-3, ВОК-60 — керметы). Металлокерамические материалы обладают высокой твердостью, тепло- и износостойкостью, но имеют низкие механические свойства. Они используются для чистовой и получистовой обработки без ударных нагрузок.

Синтетические сверхтвердые материалыподразделяются на материалы на основе искусственных алмазов (АС2, АС4) и кубического нитрида бора (КНБ): композит 01 (эльбор-Р), композит 02 (белбор), композит 03 (исмит), композит 05 (композит), композит 010 (гексанит-Р). Синтетические материалы поставляются в виде заготовок или готовых сменных пластин, используемых при чистовой обработке цветных металлов, закаленной стали и высокопрочных чугунов. Не уступая металлокерамике по теплостойкости и прочности, синтетические материалы несопоставимо более твердые, но они и самые дорогие из инструментальных материалов.

Для изготовления режущего инструмента применяют специальные материалы, обладающие комплексом определенных физикомеханических свойств: высокими показателями твердости, износостойкости, прочности, теплостойкости и др. Это инструментальные углеродистые, легированные и быстрорежущие стали.

Инструментальные углеродистые стали У10А, УНА и У12А (ГОСТ 1435-90) позволяют обрабатывать сравнительно мягкие материалы при низких скоростях резания.

Легированные инструментальные стали обладают большей износостойкостью и теплостойкостью, чем углеродистые. К их числу от-

Рис. 2.23. Механическая обработка отливки крышки генератора:

• 7 — отливка; 2 — предварительная расточка посадочного диаметра и диаметра под подшипник с подрезкой торцов; 3 — расточка канавки; 4 — окончательная расточка посадочного диаметра и диаметра под подшипник с подрезкой торцов;
• 5 и б — сверление крепежных отверстий

носятся стали 9ХС и ХВГ (ГОСТ 5950-2000). Допустимые скорости резания для инструмента из этих сталей в 1,2—1,5 раза выше, чем для инструмента из инструментальных углеродистых сталей.

Инструментальные быстрорежущие (высоколегированные) стали в зависимости от режущих свойств подразделяют на стали нормальной и повышенной производительности. К сталям нормальной производительности относятся вольфрамовые стали марок Р18 и Р9, а также вольфрамомолибденовые стали марки Р6М5, служащие основными материалами для изготовления сверл, зенкеров, разверток, протяжек, метчиков фрез и режущего инструмента других видов.

Все инструменты, изготовленные из инструментальных сталей, подвергают термической обработке.

Металлокерамическими твердыми сплавами называются сплавы, состоящие из карбидов вольфрама и титана, сцементованных металлической связкой. Сильно измельченные частицы карбидов связываются между собой кобальтом.

Карбиды вольфрама и особенно титана обладают высокой твердостью, но хрупки. Поэтому металлокерамические сплавы, содержащие 70—98% карбидов, также имеют высокую твердость (HRC 86—92) и износостойкость, но хрупки, плохо сопротивляются изгибу и растяжению. При работе, связанной с ударами и толчками, сплав легко выкрашивается.

Твердые сплавы сохраняют высокую твердость и сопротивление износу до температуры 800—1000 °С. При работе инструментами из твердых сплавов можно допустить разогрев режущей кромки до более высоких температур, чем у инструмента из быстрорежущей стали, т.е. инструмент из твердых сплавов может работать при более высоких скоростях резания. Скорость резания этими сплавами в 5—10 раз превышает допустимую скорость резания быстрорежущими сталями. Промышленность выпускает твердые сплавы трех групп (ГОСТ 3882).

Группа В К — вольфрамокобальтовые, на основе карбида вольфрама WC (система WC—Со). Цифры после букв указывают содержание в сплаве кобальта. По своему структурному составу сплавы представляют собой частицы карбида вольфрама WC, связанные кобальтом. Эти сплавы наиболее прочные: sb = 100—200 кг/мм 2 .

Наибольшей твердостью (HRA 90—89) и износостойкостью, но пониженными прочностью и сопротивлением удару обладают сплавы ВК2 и В КЗ. Они используются для чистового и получисто- вого фрезерования сплошных поверхностей, для чистового зенкеро- вания и т.д., при обработке чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов. Сплавы ВК6 и ВК8, содержащие повышенное количество кобальта, имеют по сравнению со сплавами ВК2 и ВКЗ пониженную твердость (HRA 88—87,5) и износостойкость, но обладают высокой эксплуатационной прочностью и сопротивляемостью ударам, вибрациям и выкрашиванию (особенно ВК8). Эти сплавы применяют для чернового точения, строгания, фрезерования и сверления чугуна, цветных металлов и их сплавов, а также неметаллических материалов. Сплавы с высоким содержанием кобальта ВК20, ВК30 применяют для штампов и инструментов для горных работ.

Вторая группа сплавов — ТК — титановольфрамокобальтовые (система WC-TiC-Co) Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т10К6. Цифры после буквы Т указывают весовое количество карбида TiC, цифры после буквы К — весовое содержание кобальта (остальное WC). Структура этих сплавов состоит из карбидов вольфрама WC и титана TiC, связанных кобальтом, а при высоком содержании TiC (Т30К4) — из карбида титана и кобальта, так как вольфрам и углерод растворяются в карбиде титана. Сплавы ТК менее прочны, чем сплавы ВК, но обладают большей износостойкостью. Чем больше сплав содержит TiC, тем выше износостойкость, но ниже прочность. Титановольфрамовые сплавы применяют главным образом при обработке сталей. Кроме того, в обозначении сплава может стоять буква В — крупнозернистый сплав (размер зерен карбидов 3—5 мкм) и М — мелкозернистый (размер зерен 0,1—0,16 мкм).

Наибольшей эксплуатационной прочностью, сопротивляемостью ударным нагрузкам и выкрашиванию, но пониженной износостойкостью обладают сплавы Т 5К10 и Т 14К8. Напротив, сплавы Т60К6 и Т30К4 обладают высокой износостойкостью, но пониженной эксплуатационной прочностью и сопротивляемостью ударам и выкрашиванию. Твердость этой группы сплавов — от HRA 88,5 (Т5К10) до HRA 92 (Т30К4). Для чистовой и получистовой обработки сталей используют сплавы Т30К4, Т15К6, для получистовой и черновой обработки — Т14К8 и Т5К10, а для черновой обработки и обдирки стальных слитков и поковок — Т5К12В.

Третья группа сплавов — ТТК — титанотанталовольфрамокобальтовые (система WC—TiC—ТаС—Со), например сплав ТТК 12. Цифра после букв ТТ показывает суммарное содержание TiC + ТаС, а после буквы К количество кобальта. Сплав ТТ7К12 используется для тяжелой черновой обработки стальных поковок. Эти сплавы имеют более высокую прочность, чем сплавы ТК. Твердые сплавы изготовляют в виде пластин, прикрепленных к державке, изготовленной из обычной стали, или инструментов простой формы.

Металлокерамические твердые сплавы получают не сплавлением, а спеканием. Для этой цели сначала приготовляют порошки WC и TiC, которые смешивают в определенной пропорции с порошком кобальта. Смесь порошков прессуют под давлением 500—2000 кг/мм 2 в формах, соответствующих размерам и форме пластинок (заготовки инструмента). Затем пластинки подвергают спеканию при высокой температуре (1400—1450 °С).