Инструментальные материалы

Быстрорежущие стали повышенной производительности из-за технологичских, недостатков не являются сталями универсального назначения. Они имеют относительно узкие границы применения, более пригодны для инструментов, подвергаемых незначительному профильному шлифованию.

Основной  маркой быстрорежущей стали повышенной производительности является сталь Р6М5К5. Она применяется для изготовления различных инструментов, предназначенных для обработки конструкционных сталей на повышенных режимах резания, а также нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов. 

Перспективным способом получения быстрорежущих сталей является метод порошковой металлургии. Главной отличительной особенностью порошковых сталей является равномерное распределение карбидов по сечению, которое не превышает первого балла шкалы карбидной неоднородности ГОСТ 19265–73. В определенных условиях, как показывают эксперименты, стон-кость режущих инструментов из порошковых сталей в 1,2...2,0 раза выше стойкости инструментов, изготовленных из сталей обычного производства. Наиболее рационально порошковые стали использовать при обработке труднообрабатываемых сложнолегированных материалов и материалов, имеющих повышенную твердость (НRСэ≥32), а также для изготовления крупногабаритных инструментов диаметром более 80 мм.

Проводятся  работы по созданию и уточнению области  целесообразного применения быстрорежущих сплавов дисперсионного твердения типа Р18М7К25, Р18МЗК25, Р10М5К25, которые представляют собой железоко-бальтовые вольфрамовые сплавы. В зависимости от марки они содержат:W–10...19%, Со–20...26%, Мо–3...7%, V–0,45...0,55%, Тi–0,15...0,3%, С–до 0,06%, Мn–не более 0,23%, Si–не более 0,28%, остальное железо. В отличие от быстрорежущих сталей, рассматриваемые сплавы упрочняются вследствие выделения при отпуске интерметаллидов, имеют более высокую красностойкость (700-720 °С) и твердость (68-69 НRСЭ). Высокая теплостойкость у них сочетается с удовлетворительной прочностью, что обусловливает повышенные режущие свойства этих сплавов. Эти сплавы дорогостоящие, и применение их целесообразно лишь при резании труднообрабатываемых материалов. 

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

В настоящее  время для производства режущих  инструментов широко используются твердые  сплавы. Они состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных небольшим количеством кобальта. Карбиды вольфрама, титана и тантала  обладают высокой твердостью, износостойкостью. Инструменты, оснащенные твердым сплавом, хорошо сопротивляются истиранию сходящей стружкой и материалом заготовки и не теряют своих режущих свойств при температуре нагрева до 750-1100 °С

Установлено что твердосплавным инструментом, имеющим в своем составе килограмм вольфрама, можно обработать в 5 раз больше материала, чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же содержанием вольфрама.

Недостатком твердых сплавов, по сравнению с  быстрорежущей сталью, является их повышенная хрупкость, которая возрастает с уменьшением содержания кобальта в сплаве. Скорости резания инструментами, оснащенными твердыми сплавами, в 3-4 раза превосходят скорости резания инструментами из быстрорежущей стали. Твердосплавные инструменты пригодны для обработки закаленных сталей и таких неметаллических материалов, как стекло, фарфор и т. п.

Производство  металлокерамических твердых сплавов  относится к области порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают  с порошком кобальта. Из этой смеси  прессуют изделия требуемой формы и затем подвергают спеканию при температуре, близкой к температуре плавления кобальта. Так изготовляют пластинки твердого сплава различных размеров и форм, которыми оснащаются резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки и др.

Пластинки твердого сплава крепят к державке или корпусу напайкой или механически при помощи винтов и прижимов. Наряд с этим в машиностроительной промышленности применяют мелкоразмерные, монолитные твердосплавные инструменты, состоящие из твердых сплавов. Их изготовляют из пластифицированных заготовок. В качестве пластификатора в порошок твердого сплава вводят парафин до 7-9 %. Из пластифицированных сплавов прессуют простые по форме заготовки, которые легко обрабатываются обычным режущим инструментом. После механической обработки заготовки спекают, а затем шлифуют и затачивают.

Из пластифицированного  сплава заготовки монолитных инструментов могут быть получены путем мундштучного прессования. В этом случае спрессованные  твердосплавные брикеты помещают в  специальный контейнер с твердосплавным профилированным мундштуком. При продавливании через отверстие мундштука изделие принимает требуемую форму и подвергается спеканию. По такой технологии изготовляют мелкие сверла, зенкеры, развертки и т. п.

Монолитный  твердосплавный инструмент может также изготовляться из окончательно спеченных твердосплавных цилиндрических заготовок с последующим вышлифовыванием профиля алмазными кругами.

В зависимости  от химического состава металлокерамические  твердые сплавы, применяемые для  производства режущего инструмента, разделяются на три основные группы.

Сплавы  первой группы изготовляют на основе карбидов вольфрама и кобальта. Они  носят название вольфрамокобальтовых. Это сплавы группы ВК.

Ко второй группе относятся сплавы, получаемые на основе карбидов вольфрама и титана и связующего металла кобальта. Это двухкарбидные титано-вольфрамокобальтовые сплавы группы ТК.

Третья  группа сплавов состоит из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта. Это трехкарбидные титано-танталовольфрамокобальтовые сплавы группы ТТК.

К однокарбидным  сплавам группы ВК относятся сплавы: ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15. Эти сплавы состоят из зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке  сплавов цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, сплав ВК8 содержит в своем составе 92 % карбида вольфрама и 8 % кобальта.

Рассматриваемые сплавы применяются для обработки  чугуна, цветных металлов и неметаллических  материалов. При выборе марки твердого сплава учитывают содержание кобальта, которое предопределяет его прочность. Из сплавов группы ВК сплавы ВК15, ВК10, ВК8 являются наиболее вязкими и прочными, хорошо противостоят ударам и вибрациям, а сплавы ВК2, ВКЗ обладают наиболее высокой износостойкостью и твердостью при малой вязкости, слабо сопротивляются ударам и вибрациям. Сплав ВК8 применяется для черновой обработки при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, а сплав ВК2 - для чистовой отделочной обработки при непрерывном, резании с равномерным сечением среза. Для получистовых работ и черновой обработки с относительно равномерным сечением срезаемого слоя применяются сплавы ВК4, ВК6. Сплавы ВК10 и ВК15 находят применение при обработке резанием специальных труднообрабатываемых сталей.

Режущие свойства и качество твердосплавного  инструмента определяются не только химическим составом сплава, но и его структурой, т. е. величиной зерна. С увеличением размера зерен карбида вольфрама прочность сплава возрастает, а износостойкость уменьшается, и наоборот.

В зависимости  от размеров зерен карбидной фазы сплавы могут быть мелкозернистые, у которых не менее 50 % зерен карбидных  фаз имеют размер порядка 1 мкм,среднезернистые - с величиной зерна 1-2 мкм и  крупнозернистые, у которых размер зерен колеблется от 2 до 5 мкм.

Для обозначения  мелкозернистой структуры в конце  марки сплава ставится буква М, а  для крупнозернистой структуры - буква К. Буквы ОМ указывают на особо мелкозернистую структуру  сплава. Буква В после цифры  указывает на то, что изделия из твердого сплава спекаются в атмосфере водорода. Твердосплавные изделия одного и того же химического состава могут иметь различную структуру.

Получены  особо мелкозернистые сплавы  ВК6ОМ,  В10ОМ,  ВК150М. Сплав ВК6ОМ дает хорошие  результаты при тонкой обработке  жаропрочных и нержавеющих сталей, чугунов высокой твердости, алюминиевых сплавов. Сплав ВК10ОМ  предназначен червовой  и  получерновой,  а сплав ВК15ОМ - для особо  тяжелых  случаев обработки нержавеющих сталей, а также сплавов вольфрама, молибдена, титана и никеля.

Мелкозернистые  сплавы, такие, как сплав ВК6М, используют для чистовой обработки при тонких сечениях среза стальных, чугунных, пластмассовых и других деталей. Из пластифицированных заготовок мелкозернистых сплавов ВК6М, ВК10М, ВК15М получают цельные инструменты. Крупнозернистые сплавы ВК4В, ВК8В, более прочные, чем обычные сплавы, применяют при резании с ударами для черновой обработки жаропрочных и нержавеющих сталей с большими сечениями среза.

При обработке  сталей инструментами, оснащенными  вольфрамокобальтовыми сплавами, в особенности при повышенных скоростях резания, происходит быстрое образование лунки на передней поверхности, приводящее к выкрашиванию режущей кромки сравнительно быстрому износу инструмента. Для обработки стальных заготовок применяют более износостойкие твердые сплавы группы ТК.

Сплавы  группы ТК (ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12) состоят  из зерен твердого раствора карбида  вольфрама в карбиде титана и  избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке  сплава цифра после буквы К показывает процентное содержание кобальта, а после буквы Т – процентное содержание карбидов титана. Буква В в конце марки обозначает, что сплав имеет крупнозернистую структуру.

Сплавы  группы ТТК состоят из зерен твердого раствора карбида титана, карбида тантала, карбида вольфрама и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. К сплавам группы ТТК относятся ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ20К9. Сплав ТТ7К12 содержит 12% кобальта, 3% карбида тантала, 4% карбида титана и 81% карбида вольфрама. Введение в состав сплава карбидов тантала значительно повышает его прочность, но снижает красностойкость. Сплав ТТ7К12 рекомендуется для тяжелых условий при обточке по корке и работе с ударами, а также для обработки специальных легированных сталей. 

Сплав ТТ8К6 применяют для чистовой и  получистовой обработки чугуна, для  непрерывной обработки с малыми сечениями среза стального литья, высокопрочных нержавеющих сталей, сплавов цветных металлов, некоторых  марок титановых сплавов.

Все марки  твердых сплавов разбиты по международной классификации (ИСО) на группы: К, М и Р. Сплавы группы К предназначены для обработки чугуна и цветных металлов, дающих стружку надлома. Сплавы группы М – для труднообрабатываемых материалов, сплавы группы Р – для обработки сталей.

С целью  экономии дефицитного вольфрама  разрабатываются безвольфрамовые  металлокерамические твердые сплавы на основе карбидов, а также карбидонитридов  переходных металлов, в первую очередь  титана, ванадия, ниобия, тантала. Эти  сплавы изготовляют на никелемолибденовой  связке. Полученные твердые сплавы на основе карбидов по своим характеристикам примерно равноценны стандартным сплавам группы ТК. В настоящее время промышленностью освоены безвольфрамовые сплавы ТН-20, ТМ-3, КНТ-16 и др. Эти сплавы обладают высокой окалиностойкостью, низким коэффициентом трения, меньшим по сравнению с вольфрамсодержащими сплавами удельным весом, но имеют, как правило, более низкую прочность, склонность к разрушению при повышенных температурах. Изучение физико-механических и эксплуатационных свойств безвольфрамовых твердых сплавов показало, что они успешно могут быть использованы для чистовой и получистовой обработки конструкционных сталей и цветных сплавов, но значительно уступают сплавам группы ВК при обработке титановых и нержавеющих сталей.

Одним из путей повышения эксплуатационных характеристик твердых сплавов  является нанесение на режущую часть  инструмента тонких износостойких  покрытий на основе нитрида титана, карбида титана, нитрида молибдена, окиси алюминия. Толщина наносимого слоя покрытия колеблется от 0,005 до 0,2 мм. Опыты показывают, что тонкие износостойкие покрытия приводят к значительному росту стойкости инструмента, 

МИНЕРАЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ  МАТЕРИАЛЫ

Минералокерамические  материалы для изготовления режущих  инструментов стали применять с 50-х годов. В СССР был создан минералокерамический материал марки ЦМ-332, состоящий в основном из оксида алюминия А12О3 с небольшой добавкой (0,5–1,0%) оксида магния МgО. Оксид магния препятствует росту кристаллов во время спекания и является хорошим связующим средством.

Минералокерамические  материалы изготовляются в форме  пластинок и присоединяются к  корпусам инструментов механическим путем, приклеиванием или припаиванием.

Минералокерамика  ЦМ-332 обладает высокой твердостью, ее красностойкость достигает 1200°С. Однако она отличается низкой прочностью при изгибе (350-400 МН/м2) и большой хрупкостью, что приводит к частым выкрашиваниям и поломкам пластинок при работе.