Инструментальные материалы

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ  МАТЕРИАЛЫ

Уровень производительности механической обработки в значительной степени зависит от качества применяемого режущего инструмента,  и особенно его режущей части. Свойства материала, из которого выполнена режущая часть инструмента, определяют допустимый предел механической и тепловой нагрузок на режущую кромку, а следовательно, диапазон скоростей резания и сечений срезаемого слоя.

В настоящее время в мировой  практике используется очень большая  номенклатура инструментальных материалов, различающихся по своей структуре, химическому составу и свойствам. Правильный выбор инструментального материала для конкретных условий работы невозможен без знания основных физических явлений, сопровождающих процесс резания в данных условиях, а также без знания основных свойств инструментальных материалов. Поскольку в большинстве стран используются различные маркировки материалов, рассмотрим основные закономерности, определяющие свойства инструментальных материалов.

СВОЙСТВА  ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Область рационального применения любого инструментального материала определяется совокупностью его эксплутационных свойств, а также экономическими факторами. К важнейшим эксплутационным свойствам инструментальных материалов относятся: твердость, прочность, износостойкость и теплопроводность.

Твердость контактных поверхностей инструмента должна быть выше твердости  обрабатываемого материалов. Однако с увеличением твердости ухудшается сопротивляемость инструментального материала хрупкому разрушению. Поэтому для каждой пары обрабатываемого и инструментального материалов существует оптимальное значение отношения твердости инструментального материала к твердости обрабатываемого материала, при котором интенсивность износа инструмента минимальная.

Прочность  инструментального материала представляет собой способность материала сопротивляться пластическому и хрупкому разрушению  в условиях механических и тепловых, в том числе знакопеременных нагрузок. Прочность зависит от ударной вязкости, предела выносливости и предела текучести в условиях сжатия и изгиба, а также от законов изменения этих характеристик при увеличении температуры.

Износостойкость измеряется отношением работы, затраченной на удаление определенной массы инструментального материала, к величине этой массы. При абразивном изнашивании износостойкость определяется твердостью контактных поверхностей; при адгезионном – микропрочностью  поверхностных слоев и склонностью к адгезии; при диффузионном изнашивании -  степенью инертности инструментального материала по отношению к обрабатываемым.

Для характеристики режущих  свойств инструментальных материалов при повышенных температурах пользуются понятиями красностойкости, теплостойкости, сопротивления тепловому удару и теплопроводности.

Под красностойкостью понимается температура, вызывающая снижение твердости инструментального материала не ниже заданного значения. Красностойкость быстрорежущих сталей составляет 620-640⁰С. Контрольная норма твердости после нагрева до таких температур, выдержки в течение 4 часов и последующего охлаждения составляет HRC 58.

Под теплостойкостью  инструментального материала понимают его способностью сохранять при нагреве твердость, достаточную для осуществления процесса резания. Теплостойкость характеризуется так называемой критической температурой. Критическая температура – это температура, устанавливающаяся в процессе резания, при которой инструментальный материал еще не теряет своих режущих свойств, и инструмент, из которого он изготовлен, способен резать.

Сопротивление тепловому  удару характеризует возможность разрушения инструмента в результате действия термических напряжений. Эта характеристика особенно важна в условиях использования относительно хрупких инструментальных материалов при прерывистом резании.

Теплопроводность инструментального материала определяет интенсивность теплоотвода из зоны резания, а следовательно, влияет на температуру контактных поверхностей инструмента.

Наиболее важным из технологических  свойств инструментальных материалов является их обрабатываемость в горячем (ковка, штамповка, литье, сварка и др.)  и холодном (резание) состояниях. Для закаливаемых материалов не меньшую значимость имеют условия их термической обработки: интервал закалочных температур, деформации при термообработке, склонность к перегреву и др.

Стоимость инструментального  материала относится к экономическим  факторам. Инструментальный материал должен быть по возможности дешевым.  Однако, это требование условно, поскольку в ряде случаев более дорогой, но более качественный материал может обеспечить более экономичную обработку.

Невозможно создать  такой универсальный инструментальный материал, который был бы одинаково  пригоден для всего многообразия условий механической обработки. Поэтому в промышленности используется широкая номенклатура инструментальных материалов, объединенных в следующие основные группы: углеродистые и легированные инструментальные стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы, режущая керамика, сверхтвердые инструментальные материалы.

УГЛЕРОДИСТЫЕ  И ЛЕГИРОВАННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

В группу углеродистых инструментальных сталей входят стали с содержанием углерода от 0,6 до 1,4%. В результате закалки (температура 760-820⁰С) и последующего отпуска достигается твердость  HRC 61-63. Структура стали после термообработки состоит из мартенсита, карбидов (цементит) и некоторого количества остаточного аустенита.

Углеродистые стали  отличаются высокой механической прочностью на изгиб (200-220 кгс/мм²), достаточно хорошей обрабатываемостью резанием и шлифованием, а также сравнительно низкой стоимостью.

К недостаткам следует  отнести низкую закаливаемость, склонность к перенапряжению и деформациям при закалке. Основным недостатком  этих сталей является их низкая теплостойкость (критическая температура 200-250⁰С). При более высоких температурах в зоне резания в результате структурных превращений снижается твердость и увеличивается интенсивность износа инструмента.

Поэтому область применения этих сталей ограничивается ручными  инструментами, а также машинами инструментами, работающими с малыми  скоростями резания (ножовочные полотно, напильники, метчики, плашки, развертки).

Легированные инструментальные стали отличается от углеродистых присадкой легирующих элементов: вольфрама, ванадия, хрома, кремния, марганца и др. Легирующие элементы снижают критическую скорость закалки, поэтому дл получения мартенсита эти стали закаливают в масле, что позволяет снизить термические напряжения и деформации, улучшить прокаливаемость и получить  более однородную структуру по сравнению с углеродистыми сталями, закаливаемыми в воде.

Кроме того, карбиды большинства  легирующих элементов более устойчивы, чем карбид железа (цементит), поэтому легированные инструментальные стали обладают  несколько большей теплостойкостью, чем углеродистые. Твердость легированных сталей после термообработки в зависимости от химсостава колеблется в пределах HRC 63-67, теплостойкость 250-260⁰С.

Используются легированные стали для изготовления разверток, фасонных резцов, плашек, метчиков и других инструментов, работающих с невысокими скоростями резания. 

БЫСТРОРЕЖУЩИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Быстро режущие стали  представляют собой группу инструментальных сталей с повышенным содержанием  вольфрама, молибдена и хрома. Кроме  того, в ряде марок сталей, отличающихся повышенной теплостойкостью, дополнительно вводится определенное количество ванадия и кобальта.

В настоящее время  в России выпускается более 30 марок  быстрорежущих сталей, в США –  более 25 марок, большое количество марок  и в других странах. В большинстве случаев (за исключением России, Германии и некоторых других  стран) обозначение марки быстрорежущей стали не несет информации о ее химическом составе, определяющем режущие свойства инструмента из этой стали. Например, в США быстрорежущие стали делятся на две группы: М (молибденовые) и Т (вольфрамовые). Разные марки сталей обозначаются этими буквами с соответствующими индексами.

 В России принято буквенно-цифровое  обозначение, отражающее примерное процентное содержание основных легирующих элементов. Например, P12Ф2К8М3 означает: Р - сталь быстрорежущая; буквы Ф, К, М означают, соответственно, ванадий, кобальт, молибден; цифра, стоящая после буквы Р, означает примерное содержание вольфрама, остальные цифры означают содержание соответствующих легирующих элементов.

Наряду с обозначениями, принятыми в национальных стандартах, согласно стандарту  ISO в специальной технической литературе  широко используется условное обозначение быстрорежущих сталей виде набора цифр, расположенных в строго определенном порядке и показывающих среднее содержание основных легирующих элементов: W – Мо – V – Co. Например, сталь Р6М5К5 обозначается 6-5-2-5. Для сталей с повышенным содержанием углерода впереди ставится буква С. Большинство марок быстрорежущих сталей содержат в своем составе хром в количестве 3,5-5,0%.

Основным  легирующим элементом  в большинстве быстрорежущих  сталей является вольфрам. Теплостойкость стали тем выше, чем больше растворяется карбидов в аустените при нагреве под закалку. Однако растворимость карбидов ограничена. Так, максимальное количество вольфрама в виде растворенных карбидов вольфрама составляет около 7%, а максимальное растворенное количество карбидов углерода – 0,4%. Остальное количество вольфрама и углерода находится в виде избыточной карбидной фазы. Поэтому состав твердого раствора у таких сталей, как  18-1-1 (Р18) и 9-1-2 (Р9), примерно одинаков, и инструменты из этих сталей в диапазоне высоких скоростей резания обладают примерно одинаковой стойкостью,  что  объясняется их примерно одинаковой теплостойкостью. При низких скоростях резания, например,  протягивании, инструменты из стали 18-1-1 обладают большей износостойкостью, что объясняется большим содержанием свободных карбидов.

Стали с высоким содержанием  карбидов вольфрама (12-18%) и малым  содержанием других легирующих элементов отличаются широким интервалом закалочных температур, малой чувствительностью к перегреву и хорошей обрабатываемостью. Однако вольфрам является дорогостоящим и дефицитным материалом, запасы которого постоянно и быстро уменьшаются во всем мире. Поэтому во всех странах в последнее время создаются быстрорежущие стали, в которых часть вольфрама заменяется другими легирующими элементами, в частности, молибденом. 

Молибден и вольфрам образуют однотипные карбиды. Замену вольфрама молибденом проводят обычно в сочетании 2:1. Одной из наиболее распространенных в мировой практике сталей такого типа является сталь 6-5-2 (Р6М5). С уменьшением содержания вольфрама и увеличением содержания молибдена уменьшается карбидная неоднородность стали, увеличивается ее прочность, вязкость и теплопроводность. Однако вольфрамомолибденовые стали обладают большей склонностью к обезуглероживанию, меньшей стабильностью режущих свойств и допускают более узкий интервал закалочных температур, т.е. требует более высокой технологии инструментального производства.

Для улучшения режущих  свойств быстрорежущих сталей в  их состав вводятся ванадий и кобальт. При содержании ванадия более 1% он находится в стали в виде несвязанных карбидов, обладающих большей твердостью, чем карбиды вольфрама. Поэтому ванадиевые стали отличаются более высокой износостойкостью при сравнительно низких скоростях резания. Однако с увеличением содержания ванадия уменьшается теплопроводность стали, поэтому при высоких скоростях резания они практически не имеют преимуществ перед вольфрамовым и молибденовым сталями.

Кроме того, низкая теплопроводность может быть причиной образования  дефектного слоя в процессе заточки  контактных поверхностей инструмента, что также приводит к снижению его стойкости. Содержание ванадия в сталях может доходить до 5%. Ванадиевые стали  наиболее эффективны для инструментов, предназначенных  для чистовой обработки, а также для инструментов, работающих с низкими скоростями резания (развертки, протяжки, шеверы и д.р.).

Быстрорежущие стали  с содержанием кобальта более 5% называются кобальтовыми. Кобальт не образует карбидов, однако способствует большему растворению карбидов вольфрама и молибдена, а также образует с этими металлами очень твердые интерметаллические соединения. Теплостойкость кобальтовых сталей доходит до 650⁰С, теплопроводность на 25-30%выше, чем у ванадиевых сталей. Однако, этим сталям присуща повышенная хрупкость и склонность к обезуглероживанию при нагреве. Кроме того, кобальт, как и вольфрам, является дефицитным материалом. Поэтому содержание кобальта в быстрорежущих сталей редко превышает 10%.

Увеличение содержания углерода на 0,1-0,2% позволяет увеличить  теплостойкость сталей на 15-20⁰С и твердость на 2-2,5 HRC. Однако при этом увеличивается склонность к обезуглероживанию при нагреве.

Следует отметить, что  во всех случаях химический состав быстрорежущих сталей должен быть хорошо сбалансирован. Повышение концентрации кобальта, ванадия, углерода и других элементов затрудняет их металлургический передел, операции обработки давлением и приводит к увеличению карбидной неоднородности.

Коренное улучшение  структуры быстрорежущих сталей, практически однородное распределение карбидов при малых размерах зерен (до 1-2мкм) стали возможными при освоении производства порошковых сталей включает в себя следующие этапы: получение мелкозернистого порошка путем путем распыления расплава быстрорежущей стали; получение цельного слитка из порошка путем горячего или холодного прессования в специальных тонкостенных контейнерах; пластическая деформация слитка для получения требуемого профиля заготовки.