Материалы для лезвийных и абразивных инструментов

 

Содержание

 

 

Введение

В данной работе рассматривается процесс резания металла, в общем, а так же материалы, используемые при изготовлении инструментов. Обработка резанием является наиболее важным процессом в производстве и применяется при изготовлении почти любой продукции.

Условиями, которые сопровождают процесс резания, являются: трение, большое давление на режущий инструмент, тепловыделение.Материал, из которого изготавливается инструмент, должен соответствовать некоторым требованиям, связанным с условиями процесса резания. В реферате рассматриваются материалы для лезвийных и абразивных инструментов.

Все материалы для лезвийных инструментов можно условно разбить на следующие группы: 1) инструментальные стали; 2) быстрорежущие стали; 3) твердые сплавы; 4) минералокерамические материалы; 5) сверхтвердые материалы.

Абразивные материалы — это материалы, обладающие высокой твердостью, и используемые для обработки поверхности различных материалов.

Цели: изучить материалы, используемые для изготовления лезвийных и абразивных инструментов.

Задачи: рассмотреть особенности процесса резания; рассмотреть материалы для лезвийных инструментов и их применение; рассмотреть материалы для абразивных инструментов и их применение.

1.Процесс резания металлов

Процесс резания металлов заключается в срезании с заготовки поверхностного слоя для получения детали нужной формы, требуемых размеров и качества обработанной поверхности. Срезаемый слой металла называется стружкой. Обработка резанием является наиболее важным процессом в производстве и применяется при изготовлении почти любой продукции. Даже в случае, если процессы резания не используются

в основном

Рис. 1 Схема процесса резания                                 производстве, они используются косвенно при изготовлении технологической оснастки и при ремонте оборудования.

Основными видами обработки резанием являются точение, фрезерование, сверление, строгание, шлифование и др. Различные виды обработки или их сочетание выполняются на металлорежущих станках: токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных, строгальных, протяжных, агрегатных и специальных и на автоматических линиях с помощью различных инструментов — резцов, сверл, фрез, протяжек, шлифовальных кругов и др.

Условиями, которые сопровождают процесс резания, являются:

• трение
• большое давление на режущий инструмент
• тепловыделение

Таким образом, материал, из которого изготавливается инструмент, должен соответствовать некоторым требованиям, связанным с условиями процесса резания.

 В процессе резания, в пределах площади контакта слоя, который срезается, и передней части инструментавозникает нормальное напряжение. Режущий инструмент должен выдерживать напряжение без хрупкого разрушения и без пластического деформирования.

Поэтому материалы должны иметь достаточно высокую твердость, причем превышающую твердость обрабатываемого материала. Такая твердость может обуславливаться физико-механической свойствами материала, или же обеспечивается его термической обработкой.

Так как условия, в которых используется режущий инструмент, носят непостоянным характер, инструментальный материал должен отличаться высокой механической прочностью. К примеру, из-за неравномерно снимаемого слоя металла заготовки, кроме высокой твердости материал должен обладать высокой сопротивляемостью на сжатие и изгиб, а так же высоким пределом выносливости и ударной вязкости.

Из-за постоянного действия теплового потока, режущие элементы инструмента теряют свою твердость и изнашиваются. Поэтому высокая теплостойкость - способность сохранять при нагреве твердость – это одно из важнейших требований, Рис 2. Распределение теплоты резания предъявляемых к материалу.

в зависимости от скорости резания.Кроме того, существует понятие прерывистого резания, что вызывает циклические температурные изменения. В результате таких изменений возникает термомеханическая усталость инструментального материала и образуются усталостные трещин. Поэтому материал должен быть малочувствительным к циклическим температурным изменениям.

Напряжение и температура способствуют изнашиванию рабочих поверхностей при движении стружки по передней и задней поверхности резания инструмента. Поэтому высокая износостойкость – это важнейшее требование, предъявляемое к характеристике инструментального материала.

Кроме того, инструментальный материал должен обладать высокой теплопроводностью, так как это уменьшает опасность возникновения шлифовочных ожогов и трещин. Так же именно высокая теплопроводность улучшает условия отвода теплоты из зоны резания, повышает износостойкость инструмента.

Инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. легко обрабатываться в процессе изготовления инструмента и его переточек, а также быть сравнительно дешевыми.

Таким образом, все вышеперечисленные требования характеризуют физико-механические свойства инструментальных материалов. Но не все инструментальные материалы обладают одинаково высокими физико-механическими свойствами. Эти свойства меняются в зависимости от химического состава, структурного состояния, устойчивости этого структурного состояния при повышающихся температурах, от условий взаимодействия инструментального материала с обрабатываемым в процессе резания.

В настоящее время для изготовления режущих элементов инструментов применяются инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие), твердые сплавы, минералокерамические материалы, алмазы и другие сверхтвердые и абразивные материалы.

 

 

2 Материалы для лезвийных  инструментов

 

2.1.Виды и марки материалов для изготовления режущего лезвийного инструмента, их состав и свойства  ……

 

Все материалы для лезвийных инструментов можно условно разбить на следующие группы: 1) инструментальные стали; 2) быстрорежущие стали; 3) твердые сплавы; 4) минералокерамические материалы; 5) сверхтвердые материалы.

2.1.1.Инструментальные углеродистые стали - это стали с содержанием углерода свыше 0,65 % и не более 1,35 %. Для изготовления режущих инструментов используются следующие марки углеродистых сталей: УЮ, У11, У12, У12А, У13. Буква У означает, что сталь углеродистая; цифрами указано содержание углерода в десятых долях процента. Если в конце обозначения добавляется буква А, то это означает, что сталь высокого качества с минимальным содержанием вредных примесей. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость, достигающая после термообработки значений 61...65 HRC; при этом прочность стали уменьшается.

Теплостойкость углеродистых сталей невысока (200...250 °С), поэтому их можно использовать только для изготовления ручных инструментов или инструментов, работающих при низких скоростях резания, а также применяемых для обработки легкообрабатываемых материалов.

Кроме высокой твердости, к числу положительных свойств углеродистых сталей можно также отнести: низкую стоимость, высокие технологичность и прочность при изгибе (sи= 2000...2300 МПа). К числу недостатков, кроме низкой теплостойкости, - плохую прокаливаемость по сечению, склонность к перегреву при шлифовании и к объемным дефор­мациям при закалке.

С целью улучшения свойств углеродистых сталей в их состав вводят в небольших количествах легирующие элементы: хром, вольфрам, марганец, кремний, ванадий и др. Это позволяет повысить их теплостойкость до 250...300 °С и за счет этого увеличить скорость резания в 1,2... 1,4 раза. Из этих сталей наибольшее применение в производстве режущих инструментов получили сталь 9ХС (С = 0,9 %, Si = 1,4 %, Сr = 1,1 %, Мn = 0,4 %) и сталь ХВГ (С = 1,0 %, Мn = 0,95 %, Сr = 1,1 %, W = 1,4 %). Последняя марка стали, дающая малые объемные деформации при закалке, приме­няется главным образом для изготовления протяжек и других инструментов с малой поперечной жесткостью (длинные развертки, метчики и др.).

Для изготовления резьбонакатных инструментов (плашки, ролики) применяется сталь Х6ВФ (С = 1,6 %, Сr = 6,0 %, W = 1,3 %, V = 0,7 %), обладающая наибольшей износостойкостью.

2.1.2.Быстрорежущие стали были изобретены в начале XX столетия и вызвали качественный скачок в развитии машиностроения. Благодаря высокой теплостойкости (600...650 °С), они позволили увеличить скорости резания в 3-5 раз. В быстрорежущих сталях при том же количестве углерода, что и в инструментальных сталях, повышение теплостойкости было достигнуто за счет введения в их состав в больших количествах вольфрама, молибдена, хрома и ванадия, образующих тепло- и износостойкие карбиды.

Одним из важных свойств быстрорежущих сталей при их высокой твердости после термообработки (62...65 HRC) является высокая прочность при изгибе (аи = 2900...3100 МПа), наибольшая из всех известных инструментальных материалов. Благодаря этим свойствам, а также хорошей технологичности быстрорежущие стали в настоящее время остаются основными материалами для изготовления режущих инструментов, особенно сложнопрофильных, имеющих фасонные режущие кромки.

Первой из большого числа марок быстрорежущих сталей была разработана сталь Р18, содержащая 18 % вольфрама. Ее недостатками являются высокая стоимость из-за большого содержания дефицитного вольфрама, пониженные пластичность и прочность, поэтому были предприняты попытки замены вольфрама молибденом. Было установлено, что введение 1 % молибдена эквивалентно введению 1,5...2 % вольфрама. Благодаря этому удалось повысить пластичность и прочность быстрорежущей стали. В настоящее время в мировой практике наибольшее применение нашла быстрорежущая сталь марки Р6М5 (W = 6 %, Мо = 5 %, Сr = 4 %, V = 2 %), составляющая около 70 % от общего выпуска быстрорежущих сталей; относится к сталям нормальной производительности.

В ГОСТ 5950 содержится 8 марок быстрорежущих сталей различных составов. В их числе находятся стали повышенной производительности, дополнительно легированные кобальтом (до 10 %) и с повышенным содержанием ванадия (до 5 %). Они имеют повышенные теплостойкость (до 650. ..700 °С) и твердость (до 64...67 HRC), но пониженные прочность и технологичность, стоимость существенно выше стоимости стали Р6М5. Применяют эти стали главным образом для изготовления инструментов, предназначенных для обработки жаропрочных и коррози­онно-стойких сталей, титановых сплавов, а также для изготовления наиболее сложных и дорогих инструментов, таких как протяжки и зуборезные инструменты. Из получивших наибольшее применение марок сталей повышенной производительности можно отметить экономно легированные стали Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф4.

Дальнейшее повышение режущих свойств быстрорежущих сталей возможно путем: 1) выплавки сталей в вакуумно-дуговых печах с использованием метода электрошлакового переплава и др.; 2) использования методов порошковой металлургии с целью получения сталей мелкозернистой структуры повышенной прочности и высокой степени легированности; 3) применения термомеханической и химико-термической обработки, а также поверхностного пластического упрочнения; 4) нанесения износостойких покрытий из карбидов и нитридов титана, ниобия и других элементов.

Твердые сплавы, или так называемые металлокерамические сплавы, - это материалы, состоящие из карбидов вольфрама (однокарбидные), вольфрама и титана (двухкарбидные) и с добавлением тантала, ниобия и др. (трехкарбидные), связанных между собой связкой - кобальтом. Металлокерамическими их называют по способу изготовления из мелкодисперсных порошков прессованием с последующим спеканием при температуре 1000...2000 °С, что традиционно при производстве керамики.

С появлением в 30-х годах XX столетия твердых сплавов произошел второй скачок роста скоростей резания (в 4-5 раз). Этот переворот в металлообработке и станкостроении стал возможен благодаря значительному повышению теплостойкости (до 800...900 °С) и износостойкости этих материалов по сравнению с быстрорежущими сталями. Однако внедрение этих сплавов сопровождалось большими трудностями, так как их прочность оказалась значительно ниже, чем у быстрорежущих сталей; потребовалось создание новых скоростных и мощных станков с высокими жесткостью и виброустойчивостью.

Предел прочности при сжатии у твердых сплавов примерно того же уровня, что и у быстрорежущей стали, а предел прочности при изгибе меньше в 1,5-2 раза, причем двухкарбидные сплавы из-за высокой хрупкости карбидов титана имеют более низкую прочность, чем однокарбидные. Твердые сплавы имеют твердость, равную 88...96 HRA, что на 11... 12 % выше твердости быстрорежущей стали.

В ГОСТ 3882 содержится 7 марок однокарбидных, 5 марок двухкарбидных и 4 марки трехкарбидных твердых сплавов, которые отличаются по своему составу, физико-механическим свойствам и назначению.

Наиболее часто применяемые однокарбидные сплавы марок ВК4, ВК6, ВК8, ВК10 (по применяемости группа К) рекомендуются для обработки главным образом хрупких материалов, образующих элементную стружку, например чугунов, медных сплавов, алюминиевых сплавов с высокими абразивными свойствами и т.п. С увеличением содержания кобальта как связки (показана последней цифрой в обозначении) прочность таких сплавов повышается, но одновременно снижается износостойкость, поэтому ВК4, ВК6, ВК8 рекомендуются для чистовой и получистовой обработки, а ВК10 - для черновой обработки, работе по корке, с ударной нагрузкой и т.п.

У двухкарбидных сплавов марок Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10 (по применяемости группа Р) первое число означает процентное содержание карбидов титана, второе - кобальта, остальное - карбиды вольфрама. Эти сплавы рекомендуются для скоростной обработки углеродистых сталей, так как введение карбида титана позволило значительно повысить сопротивление адгезионному износу, имеющему место при образовании сливной стружки.

Трехкарбидные сплавы (группа М) помимо карбидов вольфрама и титана содержат карбид тантала. Марки этих сплавов - ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ20К9. Здесь первое число означает сумму взаиморастворенных карбидов титана и тантала. Из-за повышенного сопротивления разрушению при ударной нагрузке сплав марки ТТ7К12 рекомендуется для чернового точения стальных поковок, а также для строгания и фрезерования. Другие марки трехкарбидных твердых сплавов рекомендуются для резания труднообрабатываемых сталей и титановых сплавов.

На режущие свойства и прочность твердых сплавов влияет не только химический состав, но и структура, в частности размеры зерен карбидов. С увеличением размера зерен карбида вольфрама прочность сплава возрастает, а износостойкость несколько снижается. С уменьшением размера зерна имеет место обратная картина изменения свойств твердого сплава.