Инструментальные материалы

Порошковые стали по сравнению с обычными того же состава  характеризуется повышенной вязкостью, прочностью, плотностью, более низкими температурами, меньшими размерными деформациями и лучшей шлифуемостью. В этих сталях содержание ванадия может быть доведено до 7-8,5% и углерода до 2-2,8% без увеличения карбидной неоднородности. Однако, эти стали обладают худшей обрабатываемостью резанием и имеют в 1,5-2 раза большую стоимость.

Из порошковых быстрорежущих сталей изготавливают  инструменты сложного профиля, больших размеров, с минимальными деформациями после термической обработки (фасонные резцы, протяжки, червячные фрезы и т.п.).

Как  правило, инструмент из быстрорежущей стали приобретает  свои режущие свойства в результате термической обработки и последующих операций шлифования и заточки. Тем не менее, существуют методы дальнейшего улучшения режущих свойств таких инструментов путем химико-термической обработки. Такие методы (например, азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом; цианирование – насыщение одновременно азотом и углеродом) позволяют увеличить твердость поверхностных слоев при достаточно вязкой сердцевине, повысить износостойкость и снизить коэффициент трения. Химико-термическая обработка проводится в твердых, жидких или газообразных средах при температурах, не вызывающих фазовых превращений в закаленных быстрорежущих сталях.

Увеличение работоспособности  инструментов из быстрорежущих сталей достигается в ряде случаев нанесением  на контактные поверхности износостойких покрытий  карбидов и нитридов тугоплавких металлов пластическим деформированием, хромированием поверхностей, обработкой холодом и другими методами.

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Твердые сплавы представляют в настоящие время наиболее широкий класс инструментальных материалов. Они обладают высокой твердостью и износостойкостью (сохраняющимися при высоких температурах), значительным пределом  прочности при сжатии, хорошей теплопроводностью. Замена инструмента из быстрорежущей стали твердосплавными позволяет повысить уровень скоростей резания в 2-3 раза или увеличить стойкость в 3-5 раз. На передовых промышленных предприятиях доля токарного твердосплавного инструмента достигает 80%, фрезерного 60%.

Твердые сплавы представляют собой продукты порошковой металлургии, состоящие из зерен карбидов тугоплавких металлов (WС, TiC, TaC), скрепленных вязкой металлической связкой. В качестве связки чаще всего используется кобальт, отличающейся хорошей способностью смачивать карбиды вольфрама. В твердых сплавах, не содержащих WC, в качестве связки используется никель с добавками молибдена. Карбиды WC, TiC, TaC обладают высокой твердостью и тугоплавкостью. Чем больше в твердом сплаве карбидов, тем выше его твердость и теплостойкость, но ниже механическая прочность. При увеличении содержания кобальта увеличивается прочность, но твердость и теплостойкость снижаются.

Все твердые сплавы можно  разделить на 4 группы: вольфрамовые, спекаемые из карбидов вольфрама и кобальта; титано-вольфрамовые, состоящие из карбидов титана, карбидов вольфрама и кобальта; титано–тантало–вольфрамовые, спекаемые из карбидов титана, карбидов тантала, карбидов вольфрама и кобальта; безвольфрамовые,  не содержащие карбидов вольфрама (в западной технической литературе последнюю группу называют титановыми сплавами).

Технологии изготовления всех видов инструментальных твердых сплавов примерно одинаковы. Прежде всего необходимо  получить исключительно чистое сырье – карбиды и металлы в виде тонкодисперсных порошков. Затем производятся размол и смешивание порошков в необходимой концентрации. После добавления пластификатора из приготовленной смеси прессуются заготовки. Окончательной операцией является спекание, заключающееся в нагреве заготовок до 1350-1550⁰С, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. При спекании плавится металлическая фаза, обволакивая и частично растворяя зерна карбидов. После остывания получается монолитное изделие с минимальной пористостью и относительно равномерными свойствами по объему. В случае необходимости поверхности режущих пластин или заготовок инструментов подвергаются шлифованию и доводке.

Вольфрамовые твердые сплавы состоят из твердого раствора кобальта в карбиде вольфрама и избыточных кристаллов карбидов вольфрама. В России сплавы этой группы обозначаются буквами ВК, где В означает вольфрам, К – кобальт. Цифра, стоящая за буквой К, означает процентное содержание кобальта, остальное – карбиды вольфрама. Например, ВК6 означает 6% Со,  94%WC. Буквы, стоящие за цифрой, означают: М – мелкозернистый сплав, ОМ – особо мелкозернистый, К – крупнозернистый.

Сплавы группы ВК могут содержать  от 98 до 80% WC при соответствующем увеличении содержания кобальта, что приводит к уменьшению твердости, но увеличивает прочность и ударную вязкость. Критическая температура, допускаемая сплавами ВК, составляет 800-850⁰С.

Эти сплавы используются в условиях обработки, характеризующихся  сравнительно низкими температурами  и меняющейся во времени нагрузкой. Это обработка чугуна, бронзы, а также резание высокопрочных нержавеющих никелевых  и титановых сталей и сплавов.

Увеличение размеров зерен карбидов по сравнению с  обычными (3-5мкм) приводит к увеличению относительной толщины прослойки  кобальтовой фазы, а следовательно, к увеличению прочности сплава. При уменьшении размеров зерен увеличивается твердость и износостойкость. Кроме того, у инструментов из мелкозернистых сплавов удается получить более острую режущую кромку.

Титано-вольфрамовые твердые сплавы при содержании TiC менее 15% имеют структуру, состоящую из твердого раствора  WC в TiC, твердого раствора Co в WC и TiС, а также избыточных карбидов WC. Если в сплаве более 15% TiC, то весь вольфрам растворяется в TiC и структура состоит из твердого раствора WC  в TiC и твердого раствора  Со в WC и TiC.

В России сплавы этой группы обозначаются буквами ТК, где  Т  со следующей за ней цифрой означают процентное содержание TiC, К – процентное содержание Со, остальное WC.

Твердость и теплостойкость твердых сплавов группы ТК выше, чем у сплавов ВК. Критическая температура достигает 850-900⁰С. Содержание TiC меняется в разных сплавах от 5 до 30%, при этом содержание кобальта соответственно меняется от 4 до 12%. С увеличением содержания кобальта увеличивается прочность, но уменьшается твердость.

Твердые сплавы группы ТК используются при чистовой и черновой обработке сталей в условиях образования сливной стружки. При неравномерной нагрузке, больших припусках и повышенных требованиях к надежности инструмента используются  сплавы с большим содержанием кобальта.

Титано-тантало-вольфрамовые твердые сплавы являются универсальными и могут использоваться при обработке сталей и чугунов, особенно в условиях прерывистого резания.

Критическая температура  для сплавов этой группы равна 750⁰С. Основными их преимуществами являются более высокая прочность по сравнению по сплавами ТК и меньшая стоимость по сравнению со сплавами ВК.

Принятое в России обозначение группы ТТК означает: ТТ со следующей за ними цифрой – процентное содержание TiC и TaC, К - процентное содержание Со, остальное WC.

Безвольфрамовые твердые сплавы имеют в своем составе в качестве износостойкой фазы карбиды и карбонитриды титана, а  в качестве связки применяют никель с добавками молибдена и ниобия. Кроме того количестве карбиды других элементов.

Безвольфрамовые сплавы обладают примерно одинаковой твердостью с титано-вольфрамовыми, но превосходят их по окалино-стойкости. Образующаяся на их поверхности при резании пленка окислов прочно сцеплена с основой и играет роль твердой смазки. Кроме того, безвольфрамовые сплавы мало склонны к адгезионному взаимодействию, что особенно важно при обработке никелевых и других вязких материалов.

К недостаткам безвольфрамовых  сплавов следует отнести более  низкие по сравнению с титано-вольфрамовыми сплавами значения модуля упругости, теплопроводности, а также более высокий коэффициент термического расширения, что предопределяет их более высокую чувствительность к ударным и тепловым нагрузкам. Поэтому при изготовлении инструментов из этих сплавов необходимо тщательно подбирать условия пайки и заточки.

В России наибольшее распространение  получили безвольфрамовые сплавы КНТ016 и ТН020, применяемые вместо сплавов Т15К6, Т14К8 и ВК8 при обработке конструкционных, нержавеющих и инструментальных сталей. В США фирма «Adamas Carbide Co»  выпускает безвольфрамовые сплавы Titan 50,60,80,100 на основе карбидов титана и молибдена. В порядке увеличения номера увеличивается прочность сплавов Titan. Сплавы Titan 100 имеет прочность 1000 МПа и по своим режущим свойствам конкурирует с режущей керамикой.

Увеличение объема производства и потребления безвольфрамовых  твердых сплавов связано  с дефицитом вольфрама и кобальта. Поэтому в США, Германии, Японии, России и других промышленно развитых странах постоянно проводятся исследования в целях разработки новых безвольфрамовых твердых сплавов и замены ими традиционных инструментальных материалов.

В настоящее время  более 120 заводов-изготовителей во всем мире производят более 2500 сортов твердых сплавов для режущего инструмента. Международной организацией стандартов ИСО разработана система классификаций твердых сплавов по группам применяемости. Система ИСО твердые сплавы классифицируют на три основные группы резания Р, М, K, которые, в свою очередь делятся на подгруппы применения в зависимости от условий обработки. Все ведущие фирмы-изготовители наряду с товарной маркой своего сплава указывают его соответствие той или иной группе (и подгруппе) применяемости по ИСО. Увеличение индекса соответствует увеличению прочности и уменьшению износостойкости твердого сплава.

Основными путями улучшения  качества твердых сплавов являются совершение технологии их изготовления и совершенствование состава. Так, легирование сплавов ВК карбидами хрома и ванадия позволяет резко ограничить рост зерен при спекании, а следовательно, увеличить прочность кобальтовой связки. Замена карбидов тантала карбидами гафния и ниобия, имеющими более высокую износостойкость при равной прочности, позволяет увеличивать работоспособность твердых сплавов и снизить их стоимость. Легирование рутением позволяет расширить диапазон применяемости сплавов группы Р30 от Р25 до Р40, особенно в условиях прерывистого резания.

Появление качественно  новой группы инструментальных материалов характеризуется, прежде всего, резким ростом оптимальных скоростей резания. Хотя сверхтвердые материалы и минералокерамика известны достаточно давно, объективные предпосылки для дальнейшего расширения областей и увеличения объемов применения режущего инструмента, оснащенного минералокерамикой,  ПСТМ на основе кубического нитрида бора (ПКНБ) и поликристаллического алмаза (ПКА), особенно активно формируются именно в настоящее время.

Широкое применение режущих  инструментов из ПСТМ и минералокерамики на современном этапе предопределяют три основных фактора:

- интенсивная автоматизация процессов механической обработки и прямо связанная с этим возможность реализации высоких скоростей резания (500-5000 м/мин), оптимальных для ПСТМ и минералокерамики, на современных станках с ЧПУ, обрабатывающих центрах и автоматических линиях;

- неуклонное уменьшение  припусков на механическую обработку  деталей за счет развития малоотходных заготовительных технологий (точное литье, порошковая металлургия, обработка давлением);

- повышение эксплуатационных  характеристик конструкционных  материалов (неизбежно сопряжено с ухудшением их обрабатываемости инструментом из традиционных материалов и требует применения новых, более износостойких инструментальных материалов).

РЕЖУЩАЯ КЕРАМИКА

Режущая керамика, как  инструментальный материал появилась  в 30-годах ХХ столетия, однако настоящее промышленное применение она получила лишь в последние 15-20 лет.

Высокая прочность и  прочность на сжатие, сохраняющиеся  при высоких температурах, высокая  износостойкость и сопротивление  окислению, но существенно более низкая прочность на изгиб по сравнению с твердыми сплавами – таковы типичные свойства режущей керамики. Теплостойкость ее достигает  1200⁰С.

По составу режущую  керамику разделяют на группы: оксидную, оксидно-карбидную (смешанную) и нитридную.

Оксидная керамика обычно содержит не менее 99,7% окиси алюминия Al₂O₃. Оксидно-карбидная керамика кроме Al₂O₃ содержит в своем составе 30-40% карбидов тугоплавких металлов (TiC, TaC и др.), добавляемых с целью увеличения ее прочности. Основу нитридной керамики составляет нитрид кремния Si₃N₄ с добавлением различных окислов, чаще всего Al₂O₃.

Разработан новый материал ОНТ-20 (кортинит), имеющий мелкозернистую структуру. К этой группе относится и материал силинит-Р (смешанная керамика на основе нитрида кремния Si₃W₄)

Износостойкость режущего инструмента, оснащенного минералокерамикой, в 5–10 раз выше, чем у твердых сплавов Т30К4, ВК3М и ВК6М при увеличении производительности в 2 раза.

Существенное влияние  на свойства режущей керамики оказывает  наличие примесей  и размер зерен. С уменьшением размера зерен твердость увеличивается.

Режущую керамику получают путем холодного прессования  с последующим спеканием или путем горячего изостатического прессования в виде блоков, которые в дальнейшем разрезают алмазными кругами на режущие пластины. Режущая керамика выпускается в основном, в виде механически закрепляемых режущих пластин для оснащения токарных резцов, фрез и других инструментов. Предпочтительной областью применения является обработка закаленных конструкционных сталей в условиях получистового и чистового точения, а также точения и фрезерования чугунов.