Основные свойства инструментальных материалов

Категория:
Слесарно-инструментальные работы


Основные свойства инструментальных материалов

Материалы, применяемые для изготовления режущих инструментов, можно разбить на три основные группы:
1) инструментальные стали;
2) твердые сплавы;
3) неметаллические инструментальные материалы.

Инструментальный материал должен обладать определенными эксплуатационными свойствами, соответствующими условиям работы режущего инструмента. Твердость и прочность инструментального материала должна быть выше аналогичных параметров обрабатываемого материала (стали и чугуна). При резании рабочая часть инструмента нагревается до высоких температур, а его режущие кромки подвергаются интенсивному износу, поэтому инструментальный материал должен обладать высокими теплостойкостью и износостойкостью.

Инструментальные стали. Сплав железа с углеродом (содержание последнего составляет 0,1-1,7%) называют сталью. Стали, содержащие более 0,65% углерода и отличающиеся благодаря этому высокой твердостью, называют инструментальными.

Для улучшения эксплуатационных или технологических свойств инструментальной стали в ее состав вводят легирующие (улучшающие) элементы. Такие стали называют легированными и в их обозначение (марку) включают русскую букву, соответствующую названию легирующего элемента: X — хром (Сг); Ф — ванадий (V); Н — никель (Ni); К — кобальт (Со); Г — марганец (Mn); Т — титан (Ti); М — молибден (Мо); Б — ниобий (No); С — кремний (Si); Та — тантал (Та); В — вольфрам (W) и т. д.

Углерод в марке стали буквенного обозначения не имеет, а его содержание (в десятых долях процента) указывают в начале маркировки. Содержание легирующего элемента указывают в процентах после соответствующей буквы. Например, легированная хромокремни-стая сталь марки 9ХС содержит 0,9% углерода, 1% хрома и 1% кремния. Если содержание в стали углерода или легирующего элемента равно или примерно равно 1%, то единица в маркировке опускается. Например, сталь марки ХВГ содержит 1% углерода, 1% хрома, 1% вольфрама и 1% марганца.

Углеродистым инструментальным сталям в зависимости от содержания углерода присваивают марки У7А, У8А, У9А, У10А, УНА, У12А, У13А. Например, сталь марки У7А: углеродистая (буква У), содержит 0,7% углерода (цифра 7); высококачественная (буква А), т. е. имеющая пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Теплостойкость (QK = = 180-Ь220°С) и износостойкость углеродистых инструментальных сталей ниже, чем аналогичные параметры других инструментальных материалов. Чем выше содержание углерода, тем выше эти параметры.

Твердость (после отжига) 187—207 НВ является невысокой, поэтому эти стали хорошо обрабатываются резанием.

Закаленные углеродистые стали хорошо шлифуются. Эти стали (наиболее дешевые из инструментальных материалов) применяют для изготовления инструментов, работающих в условиях низких температур резания: деревообрабатывающих и слесарно-монтажных инструментов; шаблонов и калибров пониженной точности; напильников, шаберов, накатных роликов, метчиков и др.

К низколегированным инструментальным сталям относятся стали марок 9ХС, ХГС, ХВГ, ХВГС и др. Эти стали, содержащие около 1% углерода, а также хром (1%), марганец (1%), кремний (1%) и вольфрам (1%), характеризуются лучшей закаливаемостью, повышенными прокаливаемостью и теплостойкостью, меньшей склонностью к росту зерна.

Стали, содержащие марганец, отличаются малой деформацией при термической обработке. Легирование хромом и вольфрамом повышает износостойкость и другие эксплуатационные свойства.

Теплостойкость этих сталей QK — 250-260 °С, прокаливаемость составляет 40—50 мм, твердость (после отжига) 241—255 НВ. Обрабатываемость низколегированных сталей несколько хуже, чем углеродистых, они более склонны к прижогам при шлифовании.

Указанные стали используют для изготовления плашек, метчиков, сверл, разверток и др., а также штампов холодной штамповки.

Быстрорежущие стали применяют для изготовления режущих инструментов, работающих при высоких скоростях, усилиях и температурах резания. Эти стали отличаются высокими износостойкостью, теплостойкостью, прочностью и вязкостью. Быстрорежущие стали подразделяют на две группы: 1) стали, легированные вольфрамом и молибденом и содержащие до 2% ванадия (Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6МЗ и др.); 2) стали, леги-, рованные вольфрамом и кобальтом и содержащие свыше 2% ванадия (Р18Ф2, Р14Ф5, Р9Ф5, Р10Ф5К5, Р9К5, Р9КЮ и др.).

Первую группу относят к сталям нормальной производительности, а вторую — к сталям повышенной производительности.

В начале маркировки этих сталей стоит буква Р (что означает быстрорежущая), следующая за ней цифра указывает среднее содержание вольфрама (), последующие буквы и цифры обозначают наименования других легирующих элементов и соответственно их среднее содержание (). Кроме того, в быстрорежущих сталях содержатся углерод (0,7—1,5%), хром (3—4,4%) и некоторые другие элементы, которые в маркировке не указывают. Например, быстрорежущая сталь марки Р18 содержит 0,7—0,8% углерода, 17—18,5% вольфрама, 3,8—4,4% хрома, 1 —1,4% ванадия.

Высокие эксплуатационные свойства быстрорежущих сталей обеспечиваются благодаря их легированию вольфрамом, ванадием и молибденом, которые, соединяясь с углеродом, образуют соответствующие карбиды (WC, VC и МоС). Износостойкость быстрорежущих сталей в 3—5 раз выше, чем у углеродистых и низколегированных; теплостойкость составляет 620 °С, а при легировании кобальтом 640 °С. Наличие ванадия способствует образованию мелкозернистой структуры, что повышает прочность и снижает хрупкость стали.

Быстрорежущие стали обладают также высокими технологическими свойствами: закаливаются в нагретом масле, расплавах солей и при охлаждении на воздухе (т.е. не требуют резкого охлаждения); прокаливаются по всему поперечному сечению вне зависимости от размера заготовки.

Недостатками этих сталей являются высокая твердость в состоянии поставки (255—269 НВ); склонность к карбидной неоднородности; пониженная шлифуемость (особенно у сталей, легированных ванадием).

Чем выше содержание редких легирующих элементов (особенно вольфрама), тем выше стойкость быстрорежущих сталей.

Наиболее распространенной является сталь марки Р6М5, применяемая для изготовления всех видов режущих инструментов, предназначенных для обработки (со скоростью резания до 1 —1,2 м/с) углеродистых и средне-легированных конструкционных сталей.

Твердые сплавы представляют собой металлические материалы, отличающиеся высокими теплостойкостью, износостойкостью и твердостью. Теплостойкость и твердость этих сплавов соответственно в два раза и 1,3—1,4 раза выше аналогичных параметров быстрорежущей стали марки Р18. Поэтому и стойкость твердосплавных инструментов значительно выше стойкости быстрорежущих инструментов, причем это преимущество тем больше, чем выше скорость резания.

Твердые сплавы, изготовляемые методом порошковой металлургии (путем прессования в формах измельченных металлических порошков и последующего их спекания при высоких температурах), называют металлокерамиче-скими.

Основой металлокерамических твердых сплавов являются зерна карбидов вольфрама (WC), титана (TiC) и тантала (ТаС), которые связаны между собой кобальтом (прочным и пластичным материалом). Размеры зерен обычно не более 1—2 мкм. Кобальт заполняет все пространство между зернами, не оставляя пустот (пор), и цементирует их.

Твердые сплавы подразделяют на три группы: вольфрамовые (В); титановольфрамовые (ТВ); титанотан-таловольфрамовые (ТТВ). Сплавы группы В состоят из карбидов вольфрама, связанных кобальтом. К этой группе относят сплавы марок ВК.З, ВК4, ВК6, ВК8 и др. Здесь буква В означает вольфрамовый; К — кобальт; цифра, следующая за буквой, содержание кобальта в . Например, сплав марки ВК8 содержит 8 кобальта и 92% карбидов вольфрама.

Твердые сплавы группы ТВ состоят из карбидов титана и карбидов вольфрама, связанных кобальтом. К этой группе относят сплавы марок Т5К.Ю, Т15К8, Т15К6, Т30К4. Сплав марки Т15К6 содержит 15% карбидов титана, 6% кобальта и 79% карбидов вольфрама.

К третьей группе относят твердые сплавы марок ТТ7К12, ТТ10К8, ТТ20К9 и др., состоящие из карбидов вольфрама, карбидов титана, карбидов тантала, связанных кобальтом. Твердый сплав марки ТТ7К12 содержит 12% кобальта, 7% карбидов титана и карбидов тантала и 81% карбидов вольфрама.

Твердость металлокерамических твердых сплавов составляет 87—92 HRA. С увеличением содержания кобальта твердость и износостойкость сплавов снижаются, но одновременно возрастают их вязкость и прочность.

Теплостойкость сплавов первой и второй группы составляет около 1000 °С; сплавов третьей группы — 1050— 1100 °С.

Твердые сплавы группы В применяют при обработке заготовок из чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов (пластмасс, стеклопластиков и др.); сплавы группы ТВ — при обработке углеродистых и легированных сталей; сплавы группы ТТВ — при обработке труднообрабатываемых материалов, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов, при черновом точении и фрезеровании стальных заготовок. Выпускаются два типа твердосплавных пластин — для напаивания на державки и корпуса инструментов и для механического закрепления на них (последний вид крепления предпочтительный). Назначение, форма, размеры и степень точности твердосплавных пластин установлены стандартом.

Минералокерамические твердые сплавы состоят из огнеупорных оксидов алюминия (А1203) или циркония (Zr02), связанных стекловидным веществом. Эти сплавы, изготовляемые методом прессования порошков указанных оксидов с последующим их спеканием, имеют высокие твердость (91—92 HRA), теплостойкость (1300 °С) и износостойкость, но они очень хрупкие.

Несколько менее хрупкими являются керметы — твердые сплавы, у которых огнеупорные окислы связаны металлами (железом, никелем, титаном и др.), Минерало-керамику и керметы применяют для чистового точения (со скоростью 4—5 м/с) заготовок с равномерным припуском; при этом обязательным условием является высокая жесткость станка и технологической оснастки.

В последние годы в качестве инструментальных материалов для лезвийного инструмента (резцов, сверл, фрез) применяют монокристаллы природного алмаза и поликристаллы синтетического алмаза и кубического нитрида бора (эльбора). В зависимости от исходного сырья, легирующих добавок и технологии производства получают различные виды эльбора, называемые композитами.

Алмазные лезвийные инструменты применяют для высокопроизводительной чистовой и получистовой обработки (со скоростью резания 5—10 м/с) цветных металлов и сплавов, титана и неметаллических материалов.

Лезвийные инструменты из эльбора используют для чистовой обработки (со скоростью резания 0,7—1,7 м/с) закаленных легированных и закаленных инструментальных сталей. Такая производительность невозможна при резании другими инструментальными материалами. Например, при обработке резцами из эльбора скорость резания достигает 7—12 м/с, т. е. приближается к скорости шлифования.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум