Материалы для лезвийных и абразивных инструментов

Разработано несколько марок мелкозернистых и особо мелкозернистых сплавов с размером зерен карбидов 1 мкм и менее. Для обозначения структуры в конце маркировки таких сплавов ставятся буквы М или ОМ, например ВК6-М, ВК 10-ОМ и др. Эти сплавы дают хорошие результаты при точении жаропрочных и коррозионно-стойких сталей, чугунов высокой прочности и алюминиевых сплавов. Благодаря уменьшению размеров зерен карбидов вольфрама и дополнительному введению карбидов хрома у сплава марки ВК10Х-ОМ удалось, например, обеспечить хорошую износоустойчивость режущих кромок при высоких скоростях резания. Поэтому такой сплав можно успешно применять как при чистовой, так и при черновой обработке.

Благодаря мелкозернистой и плотной структуре твердых сплавов можно проводить заточку и доводку инструментов с наименьшим радиусом скругления режущего клина, приближающимся к достигнутому у инструментов из быстрорежущей стали. Это позволяет получить более низкую шероховатость обработанной поверхности и более высокую размерную стойкость.

Крупнозернистые сплавы с размером зерна карбидов вольфрама З...5мкм, например твердые сплавы марок ВК4В, ВК8В, имеют большую прочность, чем обычные сплавы, и рекомендуются для черновой обработки и для резания с ударами.

В результате совершенствования технологии получения твердых сплавов была разработана группа сплавов с добавкой тантала, обозначаемых буквами МС (Москва - Сандвик) и несколькими цифровыми значениями, которые показали повышение стойкости примерно в 1,5 раза, высокую надежность и стабильность режущих свойств.

С целью экономии дефицитных вольфрама и кобальта в нашей стране и за рубежом разработана группа безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой (до 12... 19 %). В их числе отечественные сплавы марок ТН20, КТН-16, КТН-20, КТН-30. Они обладают низким коэффициентом трения, высокими износо- и окалиностойкостью, но имеют низкую прочность, чувствительны к ударным и тепловым нагрузкам, поэтому их рекомендуется использовать на чистовых операциях взамен сплавов группы ТК.

Эффективным путем повышения эксплуатационных характеристик твердых сплавов является нанесение на твердосплавные сменные многогранные пластины (СМП) тонких износостойких покрытий на основе карбидов и нитридов титана, молибдена, ниобия, гафния и других элементов, а также окиси алюминия. Толщина одно- и многослойных покрытий (четыре и более слоев) колеблется в пределах от 5 до 200 мкм. Практика применения таких покрытий показала, что они обеспечивают значительный рост износостойкости инструмента при одновременном повышении прочности за счет использования в качестве основы твердых сплавов более прочных марок.

2.1.3.Режущая минералокерамика впервые была создана в 50-е годы XX столетия. Отечественная керамика марки ЦМ-332 была изготовлена на основе глинозема (А12О3) с добавкой оксида магния (0,5... 1,0 %) в качестве связующего средства. При этом удалось не только исключить использование дефицитных металлов, но и получить режущий материал с теплостойкостью 1200 °С, большей, чем у твердых сплавов. К сожалению, ее прочность при изгибе оказалась низкой (sи= 350...400 МПа), поэтому из-за большой хрупкости и нестабильности свойств это приво­дило при работе к выкрашиванию и поломке пластин.

В результате интенсивных исследований были разработаны новые марки минералокерамики - керметы, в состав которых с целью повышения прочности вводили добавки карбидов, нитридов, оксидов вольфрама, титана, молибдена и циркония. Менялась технология получения керамики, например, использовалось горячее прессование, уменьшалась зернистость до 2 мкм и др. Благодаря этому, например, у отечественной керамики марки ВШ75 удалось повысить прочность при изгибе до sи = 500...600 МПа, а у оксидно-карбидной керамики марок ВЗ, ВОК-60, ВОК-63 - до sи = 600.. .700 МПа. Вследствие этого стало возможным использовать эти, по сути композиционные, материалы не только при чистовом точении закаленных сталей и высокопрочных чугунов, но и при ударных нагрузках, например при фрезеровании.

К числу новых, более эффективных марок режущей керамики относятся оксидно-нитридная керамика на основе нитрида титана (ОНТ-20) и нитридная керамика на основе нитрида кремния (силинит-Р). По сравнению с керамикой ВОК-63 они позволили добиться повышения стойкости в 6-8 раз при прерывистом точении чугуна на режимах: v = 300... 400 м/мин, S = 0,3 мм/об, / = 1 мм.

Наибольшая эффективность режущей керамики при ее стоимости, меньшей, чем стоимость твердых сплавов, достигается при точении на высокоскоростных и мощных станках, имеющих высокие жесткость, точность и виброустойчивость.

Сверхтвердые материалы включают в себя синтетические алмазы и материалы на основе кубического нитрида бора (композиты).

 Алмаз как инструментальный  материал бывает двух разновидностей: баллас (АБС), который применяют для обработки деталей из стеклопластика со скоростями резания 450 м/мин, и карбонадо (АСПК) — для обработки алюминиевых и медных сплавов

 Композиты — синтетический  материал, по твердости не уступающий  алмазу, превосходящий его по  температуростойкости и инертный к железу.

 

2.2.Области применения материалов различных марок.

Титановольфрамовые сплавы применяют для обработки всех видов сталей.

Вольфрамотитанотанталовые сплавы применяют на черновых операциях со снятием толстых стружек.

Безвольфрамовые твердые сплавы используют для получистового и чистового точения и фрезерования чугуна, углеродистых сталей и цветных сплавов.

Быстрорежущие стали применяют, 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.

Минералокерамика обладает большими, чем у твердых сплавов, твердостью и температуростойкостьто, но меньшей ударной вязкостью. Поэтому инструмент из минералокерамики используют только для чистовой обточки и расточки деталей из высокопрочных чугунов, закаленных сталей и для резания неметаллических материалов со скоростями до 200 м/мин.

Алмазы применяют для обработки деталей из стеклопластика со скоростями резания 450 м/мин, и карбонадо (АСПК) — для обработки алюминиевых и медных сплавов

 

3 Материалы для абразивных инструментов

 

3.1.Виды и марки абразивных материалов, их состав и свойства

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

Абразивные материалы делятся по твердости (сверхтвёрдые, твёрдые, мягкие), и химическому составу, и по величине шлифовального зерна (крупные или грубые, средние, тонкие, особо тонкие), величина зерна измеряется в микрометрах или мешах.

Зерном абразива называют отдельный кристалл, сростки кристаллов или их осколки при отношении их наибольшего размера к наименьшему не более 3:1.

Пригодность абразивных материалов зависит от физических и кристаллографических свойств; особенно важное значение имеет их способность при истирании разламываться на остроугольные частицы. У алмаза это свойство максимальное. Выбор абразивного материала зависит от физических свойств обрабатываемого и обрабатывающего материала, а также от стадии обработки (грубая обдирка, шлифовка и полировка), причём твёрдость абразивного материала должна быть выше твёрдости обрабатываемого (за исключением алмаза, который обрабатывается алмазом).

Абразивные материалы характеризуются твёрдостью, хрупкостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью.

Твёрдость — способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого материала. Твёрдость абразивных материалов характеризуется по минерологической шкале твёрдости Мооса 10 классами, включающей в качестве эталонов: 1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — полевой шпат, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз.

Абразивная способность характеризуется количеством материала, сошлифованного за единицу времени.

Механическая стойкость — способность абразивного материала выдерживать механические нагрузки, не разрушаясь при резке, шлифовке и полировке. Она характеризуется пределом прочности при сжатии, который определяют, раздавливая зерно абразивного материала, фиксируя нагрузку в момент его разрушения. Предел прочности абразивных материалов при повышении температуры снижается.

Химическая стойкость — способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств, будучи во взаимодействии с растворами щелочей, кислот, а также в воде и органических растворителях.

Абразивные материалы, применяемые для механической шлифовки и полировки полупроводниковых материалов, отличаются между собой размером (крупностью) зёрен, имеющих номера 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25,20, 16, 10, 8, 6, 5, 4, 3, М40, М28, М20, М14, М10, М7 и М5 и подразделяются на четыре группы:

• шлифзерно (от № 200 до 15),
• шлифпорошки (от № 12 до 3),
• микропорошки (от М63 до М14)
• тонкие микропорошки (от М10 до М5).

Классификацию абразивных материалов по номерам зернистости проводят рассеиванием на специальных ситах, номер которого характеризует размер зерна. Номер зернистости абразивных материалов характеризуется фракцией: предельной, крупной, основной, комплексной и мелкой. Процентное содержание основной фракции обозначают индексами В, П, Н и Д.

В настоящее время абразивные материалы добываются и производятся синтетически, причём новые синтетические материалы, как правило, более эффективны, чем природные. Ниже приведены списки известных абразивных материалов.

3.1.1.Природные абразивы

Алмаз: Алмазоподобная кубическая аллотропическая форма элементарного углерода, добывается в коренных (кимберлитовые трубки) и россыпных месторождениях. Наиболее ценный по своим абразионным свойствам материал. Лучшим считается его чёрная разновидность — карбонадо (карбонат), добываемая в Бразилии и на острове Борнео. Второе место занимает борт — радиально-лучистая разновидность алмаза. На рынке под именем борта продаётся всякий непригодный для огранки алмаз. Из общего количества 20 % карбонадо, 20 % настоящий борт, остальное — алмазный порошок и осколки. Применяется при обработке твердого камня, а также для шлифовки и полировки самого алмаза.

Гранат: Природный минерал, состоит из: R2+3 R3+2 [SiO4]3, где R2+ — Mg, Fe, Mn, Ca; R3+ — Al, Fe, Cr.

Инфузорная земля: осадочная горная порода, состоящая преимущественно из останков диатомовых водорослей. Химически кизельгур на 96 % состоит из водного кремнезёма (опала). Применяется в виде тонкого порошка для полировки камня и металла.

Кварц: Кристаллическая двуокись кремния, один из наиболее дешевых и доступных абразивных материалов. В сухом виде вызывает силикоз. Использование только совместно с подачей воды. Кварц и кремень с раковистым изломом при раскалывании дают остроугольные частицы. Применяются в порошке для обработки мягких камней (мрамор), в пескоструйных аппаратах для обработки металла, для очистки камней в строительном деле и для изготовления шлифовальных шкурок. Из кремневых конкреций изготавливали шары для шаровых мельниц.

Корунд: Кристаллический оксид алюминия, то же и сапфир, добывается в россыпях и иногда в рудах. Добытая корундовая руда измельчается, обогащается и сортируется по величине зерна. Применяется в порошке и для изготовления из него искусственных кругов, брусков и шкурок.

Красный железняк: широко распространённый минерал железа Fe2O3. В особо чистых разновидностях применяется для полирования железа и стекла.

Мел: Карбонат кальция, для тонких видов абразивной обработки (притирка, полирование).

Наждак: Природный минерал, состоит из: корунда и магнетита — черного магнитного оксида железа Fe3O4

Пемза: пузыристое вулканическое стекло. Для шлифовки пригодна пемза с тонкими пластинками стекла, образующими перегородки между ячейками. Самая лучшая пемза — с острова Липари, близ Сицилии. Применяется для шлифовки дерева, мягких камней и металлов.

Полевой шпат: группа породообразующих минералов из класса силикатов. Большинство полевых шпатов — представители твёрдых растворов тройной системы изоморфного ряда К[АlSi3O8] — Na[АlSi3O8] — Са[Аl2Si2O8], конечные члены которой соответственно — альбит (Ab), ортоклаз (Or), анортит (An). В размолотом виде, наклеенный на полотно или бумагу, применяется в тех случаях, когда требуется мягкий шлифовальный материал.

Трепел: рыхлая или слабо сцементированная, тонкопористая опаловая осадочная порода. Применяется в виде тонкого порошка для полировки камня и металла.

3.1.2.Синтетические абразивы

Минеральный шлак (купрошлак или никельшлак): применяются для наружной очистки металлических, каменных, бетонных, кирпичных, деревянных поверхностей.

Колотая стальная дробь: Применяется для удаления плотной окалины и обработки мягкого камня.

Искусственный алмаз: Синтез при высоком давлении, обработка твердых сплавов, камня, стекла, цветных металлов.

Кубический нитрид бора боразон (В России кубический нитрид бора знают как эльбор): Синтез при высоком давлении, применяют при шлифовании деталей из различных сталей и сплавов.

Сплав бор-углерод-кремний: Сплавление бора с углеродом и кремнием в дуговой печи, обработка черных, и цветных металлов, камня, стекла и др.

Карбид бора (B4C): тугоплавкое соединение, по твёрдости уступает лишь алмазу.Применяется для обработки твердых сплавов, стекла, черных металлов.

Карбид кремния (SiC) или Карборунд: Химическое соединение кремния с углеродом. Впервые получен в электрической печи в 1891 году. Лучшим считается американский — Carborundum С°, Norton; немецкий из-за примесей хуже. Чем меньше размеры его зёрен, тем больше их прочность. Применяется в порошке для изготовления искусственных кругов и шкурок для обработки твёрдых сплавов, цветных металлов и титана.

Нитрид кремния: обработка черных и цветных металлов.