2.4.2 Сучасні інструментальні матеріали для металорізальних інструментів

 

Різальна частина інструмента під час роботи піддається зношенню, тепловим впливам і силовим навантаженням. Тому інструментальний матеріал повинен мати високу твердість, теплостійкість, зносостійкість, достатню міцність та ударну в'язкість.

Твердість інструмента повинна значно перевищувати твердість матеріалу заготовки         .

До інструментальних матеріалів належать сталі, тверді сплави, мінералокераміка і надтверді матеріали (див. таблицю. 2.6).

 

Таблиця 2.6 - Інструментальні матеріали

          Властивість матеріалу зберігати необхідну твердість при високій температурі називається теплостійкістю (червоностійкістю). Під впливом високої температури під час різання твердість інструмента знижується і може виявитися недостатньою для здійснення різання. Від теплостійкості залежить допустима швидкість різання. Ударна в'язкість необхідна для інструментів ударної дії.

Технологічні властивості деяких марок інструментальних матеріалів наведені у таблиці 2.7.

Таблиця 2.7- Властивості інструментальних матеріалів

 

Вуглецеві інструментальні сталі (ДСТ 1435–90) містять 0,65–1,35% C. Вони маркуються літерою “У” і однією-двома цифрами: У7-У13, У7А-У13А. Літера “У” позначає, що сталь вуглецева, число показує вміст вуглецю в десятих частках відсотка, літера “А” позначає, що сталь високоякісна, тобто зі зниженим змістом шкідливих домішок, сірки і фосфору.

Приклад розшифрування сталі марки У10А: сталь вуглецева, високоякісна, містить » 1,0% вуглецю.

Вуглецеві інструментальні сталі мають високу твердість, міцність, добре шліфуються, дешеві і недефіцитні.

Найбільш поширене їх використання наведено у таблиці 2.8.

Леговані інструментальні сталі (ДСТ 5950–73) звичайно містять 0,9–1,4% С. Сумарний вміст легуючих елементів (Cr, W, Mn, Si, V і ін.) не перевищує 5%. Усі сталі цієї групи роблять високоякісними.

Таблиця 2.8 - Використання вуглецевих сталей

 

Висока твердість і зносостійкість визначаються процентним вмістом вуглецю. Легування використовується головним чином для підвищення прогартовування, а також для збереження дрібного зерна, міцності і в'язкості.

Сталі даної групи маркуються цифрами і літерами. На початку марки цифра показує середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка. Відсутність цифри означає, що вміст вуглецю становить близько 1%. Літери за цифрами – відповідний легуючий елемент, цифра за літерою – середній вміст цього елемента в цілих відсотках. Відсутність цифри означає, що даного елемента міститься ~ 1%. При маркуванні використовують такі літерні позначення легуючих елементів: В – вольфрам; Г – марганець; К – кобальт; М – молібден; Н – нікель; С – кремній; Т–титан; Ф–ванадій; Х–хром.

Приклад розшифрування сталі марки ХВГ: сталь інструментальна, легована, високоякісна, містить ~ 1% вуглецю, ~ 1% хрому, ~ 1% вольфраму, ~ 1% марганцю.

Сталі марок Х, У2Ф, 13Х, ХВСГ, 9ХС, ХВГ використовують для виготовлення плашок, розверток, мітчиків, шаберів та інших інструментів, що працюють при швидкостях різання до 25 м/хв.

Швидкорізальні сталі мають більш високу теплостійкість (550–650 0С).

Швидкорізальні сталі (ДСТ 19265–73) містять 0,7–1,5% C, до 18% W та інші елементи. У позначенні марок наявна літера Р (від англ. слова «Rapid»), що в перекладі означає “швидкий”.

Цифри за цією літерою показують середній вміст вольфраму, який є основним легуючим елементом, тому що забезпечує високу теплостійкість.

Приклад розшифрування сталі Р18: сталь швидкорізальна, високоякісна, містить 18% вольфраму.

За останні роки все більшого поширення набувають безвольфрамові сталі М6Ф1, М6Ф3, М5Ф1С, М5Ф1С4 та ін.

Із швидкорізальних сталей виготовляють фасонні різці, свердла, фрези, у тому числі для обробки зубчастих коліс, тощо.

 

Тверді сплави являють собою сплави карбідів тугоплавких металів з кобальтом, що є своєрідним зв'язуванням. Тверді сплави мають високу твердість, зносостійкість і теплостійкість до 1000 0С.

При цьому вони мають меншу ударну в'язкість і теплопровідність у порівнянні зі швидкорізальними сталями. Тверді сплави випускають у вигляді пластинок різних форм і розмірів, виготовлених методом порошкової металургії.

Промисловість випускає три групи вольфрамових твердих сплавів (ДСТ 3882–74): ВК – вольфрамові, ТК – титановольфрамові і ТТК – титанотанталовольфрамові.

Крім того, існує ще група безвольфрамових твердих сплавів на основі карбідів інших сполук титану з додаванням молібдену, нікелю та інших тугоплавких металів.

Однокарбідні тверді сплави виготовляють на основі карбіду вольфраму і називають вольфрамовими (група ВК). У марках ВК2, ..., ВК30 літера К означає кобальт Co, а цифра показує його вміст у відсотках. Друга складова таких сплавів - карбід вольфраму WC.

Приклад розшифрування сплаву ВК8: 8% Co + 92% WC.

Сплави цієї групи найміцніші. Зі збільшенням вмісту кобальту підвищується опір сплаву ударним навантаженням, але зменшується його зносостійкість. Застосовуються однокарбідні сплави для обробки чавуну, нержавіючих сталей, кольорових металів і їхніх сплавів, неметалевих матеріалів.

Гранична теплостійкість цих матеріалів визначається початком інтенсивного окиснювання карбідів, тобто температурою 950–1000 0С.

 

Двокарбідні тверді сплави містять карбіди вольфраму та титану і називаються титановольфрамовими (група ТК).

У марках Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 цифри після літери Т означають відсоток карбіду титану TiС, літера К – Co, цифра після літери К– процентний вміст кобальту, інше – карбіди вольфраму WC.

Приклад розшифрування сплаву Т5К10: 5% TiС + 10% Co + + 85% WC.

Сплави цієї групи більш зносостійкі, але менш міцніші за сплави групи ВК. Їх застосовують при обробці вуглецевих і легованих конструкційних сталей.

Гранична теплостійкість цих матеріалів визначається початком інтенсивного окиснювання карбідів, тобто температурою 1100–1150 0С.

 

Трикарбідні тверді сплави у порівнянні зі сплавами групи ТК включають карбіди танталу і називаються титанотанталовольфрамовими (група ТТК).

У марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед літерою К показує сумарний вміст карбідів титану і танталу, після літери К – вміст Co, інше – WC.

Так, сплав ТТ8К6 містить: 8% (TiС+TaС)+6%Co+86%WC.

Сплави цієї групи мають високу міцність і застосовуються при обробці жароміцних сталей і сплавів, титанових сплавів.

При призначенні матеріалу різальної частини інструмента, оснащеного твердим сплавом, технолог повинен враховувати, що для чорнової обробки вміст кобальту має бути максимальним, а для чистової – навпаки.

Тверді сплави випускають у вигляді багатогранних пластин, які закріплюють на різальному інструменті паянням або механічним кріпленням.

Мінералокераміка створена на основі окису алюмінію (99%) з додаванням легуючих елементів. До неї належать марки ЦМ-332, ВШ-75, ВОК 60 тощо.

Ці матеріали широко застосовуються для чистових і фінішних операцій при обробці сталевих і чавунних заготовок підвищеної міцності (наприклад, вибілений чавун).

 

Штучні та природні алмази масою 0,2–0,85 карата закріплюють на інструменті механічним способом або напаюванням.

Алмази застосовують для виготовлення абразивного інструмента, для чистового точіння заготовок з кольорових металів і сплавів, пластмас та інших неметалевих матеріалів, обробки твердих сплавів, а також інструмента для ППД.

Алмаз не дуже теплостійкий матеріал (до 600 С). При більшому нагріванні він перетворюється на графіт.

Галузь застосування алмазних інструментів обмежується високою адгезією до заліза, що є причиною його низької зносостійкості при точінні сталей і чавунів.

 

Кубічний нітрид бору (КНБ), відомий за назвами Ельбор-Р, Композит, Боразон, Кубоніт та Гексаніт-р, застосовують для виготовлення різальної частини різців, фрез тощо.

Випускається у вигляді пластин круглої форми діаметром до 30 мм і довжиною до 8 мм. Маючи хімічну інертність до вуглецю і заліза, КНБ успішно використовується при обробці сталей і чавунів. КНБ за твердістю наближається до алмаза і приблизно вдвічі перевершує його за теплостійкістю (1600 С).

При фінішній обробці таким інструментом заготовок із чавуну або загартованих сталей високої твердості досягається шорсткість поверхні, що відповідає шліфуванню.

Значного підвищення працездатності інструмента (від 1,5 до 3 разів) можна досягти нанесенням на різальну частину тонкого (5-10 мкм) шару спеціального покриття.

          Найбільш поширеними є одно-та багатошарові покриття не тільки на основі карбідів, нітридів та карбонітридів титану, а і на основі сполук інших тугоплавких металів(Nb, Ta, Cr, Zr, Mo) та їх композицій (TiZrN, TiAlCN, TiMoN, TiAlN, TiMoCN тощо).

          Такі покриття наносять шляхом осадження із газової фази на робочі поверхні різальної частини методами CVD (метод хімічного осадження – Chemical Vapour Deposition) та  PVD (метод фізичного осадження – Physical Vapour Deposition).

          Метод CVD практично не має обмежень марок покриттів за їх хімічним складом.

          Для зменшення негативного впливу на властивості інструментальних матеріалів високої температури (до 1100 °С), яка необхідна для методу CVD, використовують метод МТ–CVD із зменшеною до 800°С температурою реалізації.

          Для нанесення покриття електрофізичними способами існують спеціальні установки типу “Булат”.