5. Инструментальные материалы

Режущие инструменты изготовляют целиком или частично из инструменталь­ных сталей и твердых сплавов.

Инструментальные стали разделяют на углеродистые, легированные и быстро­режущие. Углеродистые инстру­ментальные стали применяют для изго­товления инструмента, работающего при малых скоростях резания. Из углероди­стой стали марок У9 и У10А изготовляют ножи, ножницы, пилы, из У11, УНА, У12—слесарные метчики, напильники и др. Буква У в марке стали обозначает, что сталь углеродистая, цифра после бук­вы указывает на содержание в стали угле­рода в десятых долях процента, а буква А — на то, что сталь углеродистая высо­кокачественная, так как содержит серы и фосфора не более 0,03 % каждого.

Основными свойствами этих сталей яв­ляется высокая твердость (HRC 62—65) и низкая теплостойкость. Под теплостой­костью понимается температура, при кото­рой инструментальный материал сохраня­ет высокую твердость (HRC 60) при мно­гократном нагреве. Для сталей У10А — У13А теплостойкость равна 220°С, поэто­му рекомендуемая скорость резания ин­струментом из этих сталей должна быть не более 8—10 м/мин. Легированные инструменталь­ные стали бывают хромистыми (X), хромистокремнистыми (ХС) и хромовольфрамомаоганцовистыми (ХВГ) и др.

Из стали марки X изготовляют метчи­ки, плашки, резцы; из стали 9ХС, ХГС — сверла, развертки, метчики и плашки; из стали ХВ4, ХВ5 — сверла, метчики, раз­вертки; из стали ХВГ — длинные метчики и развертки, плашки, фасонные резцы. Теплостойкость легированных инстру­ментальных сталей достигает 250—260°С и поэтому допустимые скорости резания для них в 1,2—1,5 раза выше, чем для углеродистых сталей.

Быстрорежущие (высоколеги­рованные) стали применяют для изготов­ления различных инструментов, но чаще сверл, зенкеров, метчиков. Быстрорежущие стали обозначают буквами и цифрами, например Р9, Р6МЗ и др. Первая Р (рапид) означает, что сталь быстрорежущая. Цифры после нее указывают среднее содержание воль­фрама в процентах. Остальные буквы и цифры обозначают то же, что и в марках легированных сталей.

Разные группы быстрорежущих сталей от­личаются по своим свойствам и областям применения. Стали нормальной произво­дительности, имеющие твердость до HRC 65, теплостойкость до 620°С и прочность на изгиб 3000-4000 МПа, предназначены для обработки углеродистых и низколеги­рованных сталей с пределом прочности до 1000 МПа, серого чугуна и цветных ме­таллов. К сталям нормальной производи­тельности относят вольфрамовые марок Р8, Р12, Р9, Р9Ф5 и вольфрамо-молибденовые марок Р6МЗ, Р6М5, сохраняющие твердость не ниже HRC 62 до температуры 620°С.

Быстрорежущие стали повышенной производительности, легированные кобальтом или ванадием, с твердостью до НRC 73-70 при теплостойкости 730-650°С и с прочностью па изгиб 2500-2800 МПа предназначены для обработки сталей и сплавов с пределом прочности свыше 1000 МПа, титановых сплавов и др. Улучшение режу­щих свойств этой стали достигается повы­шением содержания в ней углерода с 0,8 до 1 %, а также дополнительным легированием цирконием, азотом, ванади­ем, кремнием и другими элементами. К этой группе сталей относят I0P6M5K5, Р2М6Ф2К8АТ, Р18Ф2, Р14Ф4, Р6М5К5, Р9М4ЕВ, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2 и др.

Твердые сплавы делят на металлокерамические и минералокерамические, их изготавливают по керамической технологии в виде пластинок раз­ной формы. Твердосплавный инструмент позволя­ет обрабатывать практически все конструкционные материалы и обеспечивает более высокую производительность и качество обработки.

Металлокерамические твердые сплавы бывают на вольфрамо­вой, титановольфрамовой, титанотанталовольфрамовой основе.

Вольфрамовые сплавы группы ВК состоят из порошка карбидов вольфрама и ко­бальтовой связки. Наибольшее применение имеют сплавы марок ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК6, ВК60М, ВК8, ВК10М. Буква В означает карбид вольфрама, К — кобальт, цифра — процентное содержание кобальта (остальное — карбид вольфра­ма). Буква М, означает, что сплав мелко­зернистый. Такая структура сплаве повы­шает износостойкость инструмента, но снижает сопротивляемость ударам. При­меняются вольфрамовые сплавы для обра­ботки чугуна, цветных металлов и их спла­вов и неметаллических материалов (рези­ны, пластмассы, фибры, стекла и др.).

Титановольфрамовые спла­вы группы ТК изготавливаются на основе карбидов вольф­рама и титана. К этой груп­пе относят сплавы марок Т5К10, Т5К12, TI4K8, Т15К6, Т30К4. Буква Т и цифра за ней указывают на процентное содержание карбида титана, буква К и цифра за ней — процентное содержание карбида кобальта, остальное — карбид вольфрама. Применяются эти сплавы для обработки всех видов сталей.

Титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта. К этой группе относят сплавы марок ТТ7К12 и ТТ10КВ-Б содержащие соответственно 7 и 10 % карбидов титана и тантала, 12 и 8 % кобальтовой связки, остальное — карбид вольфрама. Это сплавы для особо тяжелых условий обработки, когда применение других инструментальных материалов не эффективно.

Сплавы, имеющие меньшее содержание кобальта, марок ВКЗ, ВК4 обладают пониженной вязкостью и применяют для обработки со снятием тонкой стружки на чистовых операциях. Сплавы с большим содержанием кобальта марок ВК8 Т14К8 Т5К10 более вязкие и ударопрочные, их применяют для черновой обработки.

Мелкозернистые твердые сплавы марок ВКЗМ, ВК6М, ВК10М и крупнозернистые сплавы марок ВК4 и Т5К12 применяют в условиях пульсирующих нагрузок и при обработке труднообрабатываемых нержавеющих, жаропрочных и титановых сплавов

Твердые сплавы обладают высокой теплостойкостью. Так, вольфрамовые и титановольфрамовые твердые сплавы сохраняют твердость при температуре в зоне обработки 800—950°С, что позволяет работать при высоких скоростях резания (до 500 м/мин при обработке сталей и 2700 м/мин при обработке алюминия).

Для обработки нержавеющих жаропрочных и других труднообрабатываемых сталей и сплавов предназначены особо мелкозернистые вольфрамокобальтовые сплавы группы ОМ: ВК6-ОМ — для чистовой обработки, а сплавы ВК10ОМ и ВК15ОМ — для получистовой и черновой обработки. Дальнейшее развитие и совершенствование сплавов для обработки труднообрабатываемых материалов вызвало появление сплавов марок ВК10ХОМ и ВК15ХОМ, в которых карбид тантала заменен карбидом хрома. Легирование сплавов карбидом хрома увеличивает их твердость и прочность при повышенных температурах. Для повышения прочности пластинок из твердого сплава применяют плакирование — покрытие их защитными пленками. Широко применяют износостойкие покрытия из карбидов, нитридов и карбонитридов титана, нанесенные на поверхность твердосплавных пластин в виде тонкого слоя толщиной 5—10 мкм. При этом на поверхности твердосплавных пластин образуется мелкозернистый слой карбида титана, обладающий высокой твердостью, износостойкостью и химической устойчивостью при высоких температурах. Стойкость твердосплавных пластин с покрытием в 1,5—3 раза выше стойкости обычных пластин, скорость резания ими может быть увеличена на 25—80 %. В тяжелых условиях резания, когда наблюдаются выкрашивание и сколы у обычных пластин, эффективность пластин с покрытием снижается.

Промышленностью освоены экономичные безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбида титана и ниобия, карбонитридов титана на никелемолибденовой связке марок ТМ1, ТМЗ, ТН-20, ТН-30, КНТ-16. Они обладают более высокой окалиностойкостью, превышающей стойкость сплавов на основе карбида тита­на более чем в 5—10 раз. При обработке на высоких скоростях резания на поверхности сплава образуется тонкая оксидная пленка, выполняющая роль твердой смазки, что обеспечивает повышение износостойкости инструмента и снижение шероховатости обработанной поверхности. Вместе с тем безвольфрамовые твердые сплавы имеют более низкие ударную вяз­кость и теплопроводность, а также стойкость к ударным нагрузкам, чем сплавы группы ТК. Это позволяет применять их в основном при чистовой и получистовой обработке конструкционных и низколегированных сталей и цветных металлов.

Основным компонентом минералокерамических материалов является оксид алюминия, карбиды и нитриды металлов с добавкой вольфрама, титана, тантала и кобальта.

Оксидная (белая) керамика марок ЦМ-332, ВО-13, ВШ-75 и др. отличается высокой теплостойкостью (до 1200°С) и износостойкостью, что позволяет обрабатывать металлы на высоких скоро­стях резания (при чистовом обтачивании чугуна - до 3700 м/мин), которые в 2 ра­за выше, чем для твердых сплавов.

В настоящее время для изготовления режущих инструментов применяют также черную керамику марок ВЗ, ВОК-60, ВОК-63, ВОК-71, которая пред­ставляет собой композит из оксида алюминия, 30-40% карбидов вольфрама и молибдена или мо­либдена и хрома и тугоплавких связок. Введение в состав минералокерамики ме­таллов или карбидов металлов улучшает ее физико-механические свойства, а также снижает хрупкость. Это позволяет увели­чить производительность обработки за счет повышения скорости резания. Полу­чистовая и чистовая обработка деталей из серых, ковких чугунов, труднообрабатыва­емых сталей, некоторых цветных металлов и сплавов производится со скоростью ре­зания 435—1000 м/мин без смазочно-охлаждающей жидкости. Режущая керами­ка отличается высокой теплостойкостью.

Оксидно-нитридная керамика состоит из нитридов кремния и тугоплавких мате­риалов с включением оксида алюминия и других компонентов (силинит-Р и кортинит ОНТ-20). Так, силинит-Р по прочности не уступает оксидно-карбидной минералокерамике, но обладает большей твердостью (HRA94—96) и стабильностью свойств при высокой температуре. В процессе резания он не взаимодействует с большинством сталей и сплавов на основе алюминия и меди. Эффективен на операциях получистового и чистового точения различных материа­лов, а также при обработке закаленных сталей.

Закаленные и цементированные стали (HRC40—67), высокопрочные чугуны, твердые сплавы типа ВК25 и ВК15, стек­лопластики и другие материалы обрабаты­вают инструментом, режущая часть кото­рого изготовлена из крупных поликристал­лов (диаметр 3-6 мм, длина 4-5 мм) на основе кубического нитрида бора (эльбор-Р, белбор, кубонит-Р, гексанит-Р). По твердо­сти они мало уступают алмазу, а их теплостойкость в 2 раза выше (~ 1600^ОС). Эльбор-Р химически инер­тен к материалам на основе железа. Про­чность поликристаллов на сжатие достига­ет 4000- 5000 МПа, па изгиб — 700 МПа, теплостойкость — 1350—1450 "С.

Из других сверхтвердых материалов распространены синтетические алмазы ти­па баланс (марка АСБ), карбонадо (марка АСПК). Карбонадо химически более акти­вен к углеродсодержащим материалам, по­этому применяется для точения цветных металлов, высококремнистых сплавов, твердых сплавов типа ВК10 — ВКЗО, не­металлических материалов. Стойкость рез­цов из карбонадо в 20—50 раз выше стой­кости резцов из твердых сплавов.

К абразивным материалам относят электрокорунд нормальный марок 14A, 15А и 16A, электрокоруид белый ма­рок 23А, 24А и 25А, монокорунд марок 43А, 44А и 45А. Карбид кремния зеленый марок 63С и 64С и черный марок 53С и 54С, карбид бора, эльбор, синтетический алмаз и др.

Абразивные материалы характеризу­ются зернистостью — линейными размера­ми зерен и подразделяются на шлифзерно № 200 – 16 (соответственно от 2500 до 160 мкм); шлифпорошки № 12 – 4 (соответственно от 160 до 40 мкм); микропорошки от М63 до М14 (соответственно от 63 до 10 мкм).

Из абразивных материалов изготовля­ют порошки, которые предназначены для обработки резанием в свободном и в свя­занном состоянии в виде абразивного ин­струмента (шлифовальных кругов, брусков, шкурок, лент и др.) и паст.

В процессе резания металла абразивными инструментами участвует большое число одинаковых по размеру абразивных зерен, скрепленных связующим веществом (связкой). Связка определяет прочность и твердость инструмента, влияет на режи­мы, производительность и качество обра­ботки. Связки бывают неорганическими и органическими. К первым относят кера­мическую и металлическую, ко вторым — бакелитовую и вулканитовую.

Керамическая связка (К) создается на основе огнеупорной глины, обладает высокой прочностью, жесткостью, тепло­стойкостью и химической стойкостью, хо­рошо сохраняет профиль круга.

Бакелитовая связка (Б) создается на основе смол и обладает хорошей самоза­тачиваемостью и полирующим свойством, уступает керамической связке по тепло­стойкости и стойкости к щелочам. Вулканитовая связка (В) создается на основе синтетического каучука и обладает высокой упругостью и плотностью, уступа­ет по прочности и теплостойкости.

Металлическая связка (М) создается на основе сплава меди, олова, цинка, ни­келя и других элементов и используется и основном для алмазных и эльборовых кругов, обладает высокой стойкостью, прочностью и теплопроводностью.

По степени твердости керамической связки различают мяг­кие (Ml, M2, МЗ), среднемягкие (СМ1, СМ2), средние (Cl, C2), среднетвердые (СТ1, СТ2, СТЗ), твердые (TI, T2) и дру­гие шлифовальные круги.

Зернистость, связка, степень твердости и другие параметры маркируют на каждом абразивном инструменте, которые состав­ляют его характеристику. Например, на шлифовальном круге может быть приведена следующая характеристика: 14А40ПС26К5, где 14А — марка абразив­ного материала, 40 — номер зернистости, П — индекс зернистости, С2 — степень твердости, 6 — номер структуры, К5 — вид керамической связки.

Шлифовальные круги могут иметь раз­личный профиль в осевом сечении: прямоугольный, чашечный (цилиндриче­ский и конический), тарельчатый и др.

Шлифовальные бруски изготовляют из белого электрокорунда зернистостью от 25 до М7 и зеленого карбида кремния зернистостью от 16 до М7. По форме по­перечного сечения различают квадратные (БКв), прямоугольные (БП), треугольные (БТ) и другие шлифовальные бруски.

Шлифовальные шкурки вы­пускают на тканевой и бумажной основе, абразивный слой закрепляется на основе водостойкими или неводостойкими связка­ми. На шлифовальные шкурки может на­носиться электрокорунд белый и нормаль­ный, карбид кремния, эльбор, алмаз и др. Зернистость абразивного материала может быть от 80 до М4.

Абразивные пасты состоят из абразивных материалов, связки и повер­хностно-активных веществ. В качестве аб­разивных материалов применяют электро­корунд, карбид кремния, карбид бора, ал­маз, оксиды железа, хрома, алюминия и др. Абразив­ные пасты подразделяют по консистенции на твердые (Т) и мазеобразные (М), по смываемости — на смываемые органиче­скими растворителями (О), водой (В), а также водой и органическими раствори­телями (ВО); по концентрации — на по­вышенные (П) и нормальные (Н). В качестве связки могут быть использованы, в зависимости от выполняемой работы, животные жиры, стеарин, парафин, вазе­лин, веретенное масло и др. Повышение активности паст достига­ется введением поверхностно-активных элементов; к ним относят олеиновую и сте­ариновую кислоты.