 |
Вопрос. Классификация инструментальных материалов
|
|
|
|
Изучить классификацию, маркировку, основные свойства и об-
ласть применения инструментальных материалов.
1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯПо характеру работы инструменты можно разделить на измери-ельные, режущие и штамповые.
Режущая часть инструментов при работе подвергается истиранию,тепловым воздействиям и силовым нагрузкам. Поэтому инструмен-точной для осуществления резания. От теплостойкости зависит допус-тимая скорость резания. Ударная вязкость необходима для инстру-ментов ударного действия. инструментальным материалам относятся стали, твердые спла-вы, минералокерамика и сверхтвердые материалы (табл. 1.1).Свойства инструментальных материалов и допустимые скоростирезания в зависимости от их теплостойкости приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.1Инструментальные материалы
Стали Твердые сплавы Минерало- Сверхтвердые керамика Материалы
Углеродистые WC–Co Al2O3 Алмаз Легированные WC–TiC–Co SiC Кубический нитрид бора
Быстрорежущие WC–TiC–TaC–Coт Штамповые TiC–Ni
1.2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
Углеродистые инструментальные сталиУглеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435–90) содержат0,65–1,35% C. Они маркируются буквой «У» и одной-двумя цифрами:У7–У13, У7А–У13А. Буква У означает, что сталь углеродистая, число показывает содержание углерода в десятых долях процента, буква Аозначает, что сталь высококачественная, т. е. с пониженным содержа-нием вредных примесей, серы и фосфора.Пример расшифровки стали марки У10А: сталь углеродистая, ин-струментальная, высококачественная, содержит ≈ 1,0% углерода.Углеродистые инструментальные стали обладают высокой твер-достью, прочностью, хорошо шлифуются при изготовлении инстру-мента, дешевы и недефицитны. Теплостойкость этих сталей составля-ет 150–250 °С.Окончательная термическая обработка включает закалку и отпуск.Структура закаленной стали состоит из мартенсита с мелкими карби-дами.Инструменты из этих сталей могут работать лишь при небольшихскоростях резания до 15–18 м/мин. Область применения данных ста-лей приведена в табл. 1.3.Легированные инструментальные сталиЛегированные инструментальные стали (ГОСТ 5950–73) обычносодержат 0,9–1,4% С. Суммарное содержание легирующих элементовCr, W, Mn, Si, V и др.) не превышает 5%. Все стали этой группы производят высококачественными.Высокая твердость и износостойкость определяются содержаниемуглерода. Легирование используется главным образом для повышенияпрокаливаемости, а также для сохранения мелкого зерна, прочности и вязкости.Стали данной группы маркируются цифрами и буквами. В началемарки цифра показывает среднее содержание углерода в десятых до-лях процента. Отсутствие цифры означает, что содержание углеродасоставляет около 1%. Буквы за цифрами – соответствующий леги-рующий элемент, цифра за буквой – среднее содержание этого эле-мента в целых процентах. Отсутствие цифры означает, что данногоэлемента содержится ≈ 1%.
|
|
|
При маркировке используют следующие буквенные обозначениялегирующих элементов: В – вольфрам, Г – марганец, К – кобальт, М –молибден, Н – никель, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром.Пример расшифровки стали марки ХВГ: сталь инструментальная,легированная, высококачественная, содержит ≈ 1% углерода, ≈ 1%хрома, ≈ 1% вольфрама, ≈ 1% марганца. Окончательная термическаяобработка – закалка и отпуск. Структура закаленной стали – легированный мартенсит, карбиды и остаточный аустенит. Теплостойкость этих сталей не превышает 250–350 °С.Низколегированные стали Х, В2Ф, 13Х и др. применяют для слесар-ных инструментов (плашек, разверток, метчиков, шаберов, зубил и др.).Среднелегированные стали ХВСГ, 9ХС, ХВГ и др. служат для из-готовления разверток, фасонных резцов, сверл малого диаметра, кон-цевых фрез, протяжек, метчиков и других инструментов, работающихпри скоростях резания до 25 м/мин (табл. 1.4).Быстрорежущие сталиИнструменты из быстрорежущих сталей имеют высокую тепло-стойкость (550–650 °С), что позволяет им работать со скоростями ре-зания в 3–4 раза большими (до 100 м/мин), чем инструментом, изготовленным из углеродистых и легированных сталей.Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265–73) содержат 0,7–1,5% C, до18% W и др. элементы. В обозначении марок стоит буква Р (от англ.слова «Rapid»), что в переводе означает «быстрый»: цифры за этойбуквой показывают среднее содержание вольфрама. Вольфрам явля-ется основным легирующим элементом, так как обеспечивает высо-кую теплостойкость. Добавление ванадия повышает износостойкостьинструмента до 650 °С (табл. 1.5).Пример расшифровки стали Р18: сталь быстрорежущая, высоко-качественная, содержит 18% вольфрама.В последние годы нашли применение безвольфрамовые сталиМ6Ф1, М6Ф3, М5Ф1С, М5Ф1С4 и др.
|
|
|
Штамповые стали
Штамповые стали применяют для изготовления инструмента, ра-ботающего при обработке металлов давлением (штампы, пуансоны,матрицы, валики и т. д.). Эти стали подразделяются на стали дляштампов холодного деформирования и стали для штампов горячегодеформирования.К сталям для штампов холодного деформирования относятся такие,как У10, У12, Х, 9ХС, Х12М, Х12Ф, 4ХС4, 5ХГМ и др.Стали для штампов горячего деформирования: 5ХНМ, 5ХНТ,3Х2В8, 4Х5В2ФС, 6ХВ2С и др.
1.3. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Твердые сплавы представляют собой сплавы карбидов тугоплав-ких металлов с кобальтом, являющимся своеобразной связкой. Твер-дые сплавы обладают высокой твердостью, износостойкостью и теп-лостойкостью до 1000 °С. При этом они обладают меньшей ударнойвязкостью и теплопроводностью по сравнению с быстрорежущимисталями. Твердые сплавы выпускают в виде пластинок различныхформ и размеров, получаемых методом порошковой металлургии.Промышленностью выпускаются три группы вольфрамовых твер-дых сплавов (ГОСТ 3882–74): ВК – вольфрамовые, ТК – титановольф-рамовые и ТТК – титанотанталовольфрамовые. Кроме того, существу-ет еще группа безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбидовили других соединений титана с добавками молибдена, никеля и дру-гих тугоплавких металлов.Однокарбидные сплавы производят на базе карбида вольфрама иназывают вольфрамовыми (группа ВК). В марках ВК2,..., ВК30 букваК означает кобальт Co, цифра показывает его содержание в процентах,остальное – карбид вольфрама WC.
|
|
|
Пример расшифровки сплава ВК20: 20% Co + 80% WC.Сплавы этой группы наиболее прочные. С увеличением содержа-ния кобальта повышается сопротивление сплава ударным нагрузкам,но уменьшается его износостойкость. Применяются однокарбидныесплавы для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неме-таллических материалов точением, фрезерованием и т. п. Предельнаятеплостойкость этих материалов определяется началом интенсивногоокисления карбидов, т. е. температурой 950–1000 °С.Двухкарбидные твердые сплавы содержат карбиды вольфрама, ититана и называются титановольфрамовыми (группа ТВК или ТК). Вмарках Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 цифры после буквы Т показы-вают процентное содержание карбида титана TiC, буква К – Co, циф-ра после буквы К – содержание кобальта, остальное – WC.Пример расшифровки сплава Т5К10: 5% TiC + 10% Co + 85% WC.Сплавы этой группы более износостойки и менее прочны, чемсплавы группы ВК. Применяются при обработке углеродистых и ле-гированных конструкционных сталей точением, фрезерованием и т. п.
Предельная теплостойкость этих материалов определяется началомнтенсивного окисления карбидов, т. е. температурой 1100–1150 °С.Трехкарбидные твердые сплавы по сравнению со сплавами груп-пы ТК включают карбиды тантала и называются титанотанталовольф-рамовыми (группа ТТК). В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифраперед буквой К показывает суммарное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К – содержание Co, остальное – WC.
Пример расшифровки сплава ТТ8К6: 8% (TiC + TaC) + 6% Co +
+ 86% WC.
Сплавы этой группы имеют высокую прочность и применяются
при обработке жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов.
Особомелкозернистая структура (ОМ) способствует повышению
|
|
|
износостойкости материала без существенного снижения его прочно-
сти. Сплавы ВК6-ОМ, ВК10-ОМ, ВК15-ОМ имеют основную массу
зерен размером менее 1 мкм. ГОСТ 3882–74 предусматривает приме-
нение мелкозернистых (М) и крупнозернистых (В) вольфрамокобаль-
товых сплавов ВК3-М, ВК6-В и др.
В соответствии с Международной Организацией Стандартов
(ИСО) твердые сплавы разделены на три группы К, М и Р (табл. 1.7).
Безвольфрамовые твердые сплавы ТМ1, ТМ3, ТН-30, КТН-16 и др.
производят на основе карбидов или других соединений титана с до-
бавками молибдена, никеля и других тугоплавких соединений.
Пример расшифровки сплава ТН-30: 30% Ni + 70% TiC.
Каждая марка твердого сплава может эффективно применяться
лишь в конкретных условиях. Наша промышленность производит
твердые сплавы для всех условий обработки (табл. 1.6). В ряде случа-
ев режущие пластины сплавов покрывают тонким (5–10 мкм) слоем
износостойкого материала (карбида, нитрида, карбонитрида титана и
др.), что повышает стойкость пластин в 2–3 раза и позволяет вести об-
работку со скоростями резания до 800–1000 м/мин.
1.4. МИНЕРАЛОКЕРАМИКА
Минералокерамика создана на основе окиси алюминия (99%) с
добавлением легирующих элементов. К ней относятся марки ЦМ-332,
ВШ-75, ВО-13 и др.
Материал ЦМ-332 широко применяется для чистовых и финиш-
ных операций при обработке стальных и чугунных заготовок. Улуч-
шение свойств минералокерамики достигается уменьшением размеров
зерен структуры и добавлением карбидов тугоплавких материалов
(вольфрама, титана), связующих элементов (никеля и др.).
Всесоюзным научно-исследовательским институтом твердых
сплавов создана минералокерамика оксидно-карбидного типа марки
В-3. Ее прочность при изгибе в 2,5 раза выше, чем у ЦМ-332 при той
же твердости, теплостойкость около 1200 °С, что позволяет вести об-
работку при скорости резания до 1500 м/мин. Также освоен выпуск
минералокерамики марок ВОК-60, ВОК-63 и др. (табл. 1.8).
1.5. СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Алмазы
Резцы из природных алмазов массой 0,21–0,85 карата закрепляют
механическим способом или напайкой в переходных державках диа-
метром до 10 мм и длиной до 50 мм. Их применяют для чистового то-
чения деталей из цветных металлов и сплавов, пластмасс и др. неме-
таллических материалов.
Синтетические алмазы применяют для обработки твердых сплавов,
высококремнистых материалов, стеклопластиков и других пластмасс.
Синтетические алмаза типа карбонадо и баллас (марки АСПК и АСБ)
по своим свойствам соответствуют природным алмазам тех же сортов.
Обработку ведут со скоростями резания 200–300 м/мин.
Алмаз теплостоек до 800 °С (при большем нагреве он графитизи-
|
|
|
руется). Область применения алмазных инструментов ограничивается
высокой адгезией к железу, что является причиной его низкой износо-
стойкости при точении сталей и чугунов.
Нитрид бора
Поликристаллы кубического нитрида бора (КНБ), известные под
названием эльбор-Р, композит, исмит, боразон, кубонит и гексанит-Р,
применяют для изготовления режущей части резцов. Выпускается в
виде пластин круглой формы диаметром до 30 мм и длиной до 8 мм.
Обладая химической инертностью к углероду и железу, КНБ успешно
используется при обработке сталей и чугунов. КНБ по твердости при-
ближается к алмазу и примерно вдвое превосходит его по теплостой-
кости (1600 °С).
При финишной обработке таким инструментом заготовок из чугу-
на и закаленных сталей высокой твердости достигается шерохова-
тость поверхности, соответствующая шлифованию.
|
|
|
