Инструментальные Материалы

Выполняя резание металлов, инструмент работает в очень сложных условиях. Давление на рабочих поверхностях здесь иногда достигает 4000 МПа (≈400 кгс/мм2), а температура превышает 1300 К (≈1000°С). При резании также происходит адгезионное схватывание материала инструмента с обрабатываемым материалом, наблюдается диффузия легирующих элементов инструмента в стружку, контакт элементов инструмента с обрабатываемой поверхностью и стружкой сопровождается значительными силами трения и т. д. Эти обстоятельства и определяют требования, предъявляемые к инструментальному материалу.

Главные из них:

• Высокая износостойкость в зоне повышенных температур. Чем лучше инструментальный материал сопротивляется изнашиванию, тем большее время он сохраняет работоспособность или тем выше уровень максимально допустимой скорости резания.
• Износостойкость материала в первом приближении определяется его твердостью.
• Достаточная прочность при повышенных температурах.
• Теплостойкость. Применительно к режущему инструменту под теплостойкостью (иногда употребляют термины «температуростойкость», «красностойкость» и др.) понимают способность инструментального материала сохранять прочность и износостойкость в зоне повышенных температур.
• Сопротивление механическому и тепловому удару. Это требование особенно важно для инструмента, работающего в условиях прерывистого резания.
• Хорошие технологические свойства. Это значит, что при обработке резанием, термической обработке и затачивании режущих элементов инструмента (при его изготовлений) не должно возникать технологических затруднений.

Проектирование металлорежущих инструментов тесно связано с достижениями в области инструментальных материалов. Основным направлением работ по созданию новых инструментальных материалов является создание высокостойких и надёжных в эксплуатации инструментальных материалов с малым содержанием вольфрама.

Быстрорежущие стали содержат 9-19% вольфрама, а твердые сплавы - 66-98% карбида вольфрама; стойкость инструментов из этих материалов не превышает 15-30 мин.

Высокоавтоматизированные производства с ограниченным числом обслуживающего персонала требуют применения режущего инструмента высокой стойкости и стабильного качества; этим требованиям не удовлетворяют инструменты из быстрорежущих сталей и твердых сплавов. Поэтому в промышленности стали широко применяться инструменты на основе искусственных алмазов, композиты на основе нитрида бора, минералокерамика и др. (рис. 1).

Рис. 1. Физико-механические характеристики инструментальных материалов

Безвольфрамовый твердый сплав МНТ-A2 по сравнению со сплавами Т15К6 и ВК8 имеет более низкий модуль упругости, более низкую теплопроводность и более высокий коэффициент термического расширения, что предопределяет его чувствительность к ударам и тепловым нагрузкам. Коэффициент трения у сплава МНТ-А2 по стали примерно в 1,5 раза ниже, чем у сплава ВК8. Безвольфрамовые сплавы типа МНТ-А2 могут заменить сплавы типа ТК (Т15К6, Т30К4) при чистовой и получистовой обработке пластичных и вязких материалов, нержавеющих и углеродистых сталей.

Минералокерамические инструментальные материалы ЦМ-332 и В3 получают специальной обработкой порошкообразных минералов (окиси алюминия Al2O3). Большая твердость и теплостойкость минералокерамики обеспечивает ее высокие режущие свойства. Однако минералокерамика имеет низкий предел прочности и отличается хрупкостью и чувствительностью к перепаду температур. Этот материал может применяться, например, на станках с ЧПУ в условиях безударного резания (при отсутствии вибраций и равномерном припуске).

Лезвийный инструмент из эльбора-P находит широкое применение благодаря высокой твердости и теплостойкости поликристаллического кубического нитрида бора, предопределяющего высокие эксплуатационные свойства материала (прежде всего высокую износостойкость).

Резцы, оснащенные режущим элементом из эльбора-Р, особенно эффективны при обработке деталей из закаленных сталей и чугунов. При растачивании деталей из закаленных сталей достигается шероховатость поверхности Rα≤0,16 мкм, точность обработки по 4-6-му квалитетам, а также гарантируется отсутствие структурных изменений в поверхностном слое. Особенно эффективен эльбор-Р при точении сталей высокой твердости (HRC 45 и выше). При точении деталей из чугунов (при v=80÷120 м/мин) резцы из эльбора-P превосходят по стойкости твердосплавные резцы в 1,3-1,5 раза.

Рекомендуемые области применения лезвийного инструмента из эльбора: растачивание отверстий диаметром 6-30 мм в деталях из закаленной стали; растачивание отверстий с одновременным подрезанием торца в деталях из закаленной стали; обработка деталей из высокопрочных сталей, работающих в тяжелых условиях при значительных знакопеременных нагрузках; прецизионное растачивание деталей из чугуна различной твердости; чистовое и тонкое фрезерование плоскостей деталей из закаленных сталей и чугунов на расточных и фрезерных станках.

Материал на основе нитрида кремния - силинит-Р - обладает большей твердостью, чем карбиды вольфрама и титана. Он отличается высокой стабильностью физических свойств, дешевизной и доступностью исходного продукта, простотой изготовления. Износ резцов из силинита-Р меньше износа из твердого сплава и почти одинаков с износом резцов из эльбора-Р.

Упрочнение инструмента методом покрытия на установке «Булат». Одним из наиболее перспективных методов повышения стойкости инструмента является нанесение на его рабочие поверхности тонких твердых пленок путем конденсации веществ в вакууме с ионной бомбардировкой. Этот метод обеспечивает высокую сцепляемость пленки с инструментальной подложкой и позволяет наносить упрочняющее покрытие на основе соединений молибдена или титана C азотом (Mo2N, TiN) толщиной 6-10 мкм как на твердосплавный, так и на стальной инструмент. При таком упрочнении срок службы инструмента увеличивается в 2,5-3 раза.

Неперетачиваемые твердосплавные пластины, полученные методом прессования с последующим спеканием, имеют форму трех-, четырех-, пяти- и шестигранника, ромбическую и круглую. Для крепления пластины имеют центральное отверстие. Для обеспечения положительного переднего угла, а также для дробления стружки вдоль каждой режущей кромки пластины предусмотрены выкружки, формируемые при прессовании.

Многогранные пластины после спекания имеют достаточно правильную геометрическую форму и шероховатость боковых поверхностей Rα=1,25÷0,63 мкм.

В отличие от инструмента с напаянными твердосплавными пластинами многогранные пластины не подвергаются переточке. После затупления одной режущей кромки пластина поворачивается, а после затупления всех режущих кромок - заменяется.

Применение многогранных твердосплавных неперетачиваемых пластин дает возможность: по сравнению с напайным твердосплавным инструментом повысить стойкость на 25-30%; в 4-4,5 раза сократить потери вольфрама и кобальта; значительно сократить вспомогательное время на смену инструмента; упростить инструментальное хозяйство.

Сплав ВК-8 имеет высокую эксплуатационную прочность и сопротивляемость ударам, вибрациям и выкрашиванию при хорошей износостойкости и допустимой скорости резания. Обрабатываемый материал чугун, цветные металлы и их сплавы. Данный инструментальный материал предназначен для чернового точения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, чернового фрезерования, сверления, растачивания литых нормальных и глубоких отверстий.

Сплав Т15К6 имеет высокую износостойкость и допустимую скорость резания при большой эксплуатационной прочности и сопротивляемости ударам, вибрациям и выкрашиванию. Обрабатываемый материал - углеродистые и легированные стали. Этот инструментальный материал предназначен для чернового и получистового точения при непрерывистом резании, чистового точения при прерывистом резании, получистового и чистового фрезерования сплошных поверхностей, рассверливания и растачивания предварительно обработанных отверстий, чистового зенкерования и развертывания.

Титанотанталовый сплав ТТ7K12 имеет высокую прочность и сопротивляемость ударам, выкрашиванию и вибрациям. Обрабатываемый материал - отливки и поковки из углеродистых и легированных сталей. Материал предназначен для тяжелого чернового точения и фрезерования стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковинами при наличии песка, шлака и различных неметаллических включений, неравномерного среза и при наличии ударов.

Совершенствование процессов механической обработки металлов во многом связано с появлением и использованием инструментальных материалов (рис. 2).

Рис. 2. Этапы начала применения инструментальных материалов для обработки металлов резанием

До 1900-х гг. основным инструментальным материалом в механообработке являлись углеродистые стали с содержанием 0,8-1,4% углерода, позволяющие обрабатывать заготовки со скоростью резания 6-8 м/мин. Инструментальный материал, включающий вольфрам (17...18%) и хром (5%) получил название быстрорежущей стали и позволил поднять скорости резания до 20...30 м/мин. Металлокерамические твердые сплавы, на базе карбидов, вольфрама и титана, сцементированные кобальтом, сохраняют режущие свойства при температуре до 1100 К. Скорость резания при точении чугунных и стальных заготовок может достигать 100 м/мин и более. Поиск более дешевых и более теплостойких инструментальных материалов привел к использованию в качестве режущей части инструментов минералокерамики. Разработка этого материала была начата в 1932 г. на Ленинградском фарфоровом заводе им. Ломоносова. Созданные на основе окиси алюминия минералокерамические сплавы (например, ЦМ-322) обладают более высокими режущими свойствами, чем твердые сплавы, и сохраняют эти свойства при нагреве до 1500 К. Недостатком минералокерамики является низкая прочность этих сплавов при изгибе: она в 4-5 раз меньше, чем у твердых сплавов, и в 10-12 раз меньше, чем у быстрорежущей стали. Однако при точении стали и чугуна инструментом с минералокерамическими неперетачиваемыми пластинами может быть достигнута скорость резания 400-600 м/мин и более.

Большое значение для совершенствования обработки резанием имело создание синтетических (искусственных) алмазов. Алмазы обладают большей твердостью, низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью. Однако теплостойкость их сравнительно невысока, она не превышает 950 К. Алмазные резцы и фрезы применяют в основном, при резании цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Кубический нитрид бора является синтетическим сверхтвердым материалом (СТМ) для изготовления режущего инструмента. Этот материал почти не уступает алмазу по твердости, но значительно превосходит его по теплостойкости, которая достигает 1400 К. Для оснащения фрез перспективным инструментальным материалом являются поликристаллы кубического нитрида бора, известные под названиями: композит 01 (эльбор-Р), композит 05, композит 10 (гексанит-Р) и др. Спеченные пластины из этих материалов толщиной от 4 до 8 мм и диаметром до 8 мм уже широко применяются в торцовых фрезах.

Режущие элементы фрез в основном изготовляются либо из быстрорежущих сталей различных марок, либо из твердых сплавов:

• T30K4 - Чистовое фрезерование углеродистых, легированных и нержавеющих сталей;
• T15K6 - чистовое и получистовое фрезерование тех же материалов;
• T14K8 - получистовое и черновое фрезерование тех же материалов;
• Т5К10, ТТ10К8Б - черновое фрезерование тех же материалов;
• ТТ7К12, Т5К12Б - черновое фрезерование углеродистых сталей и стального литья с большой глубиной резания и подачей на зуб;
• BK10-OM - черновое и чистовое фрезерование отливок из аустенитной нержавеющей стали;
• ВК3, ВКЗМ - чистовое фрезерование чугуна, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов;
• ВК6М - чистовое фрезерование высоко- и низколегированных чугунов, отбеленного чугуна, закаленной стали, жаропрочных сплавов;
• BK6-OM - фрезерование вольфрама и молибдена, закаленных сталей, алюминиевых сплавов;
• ВК6, ВК8 - черновое фрезерование чугуна, жаропрочных сплавов, меди, бронзы, цветных сплавов;
• BK15-OM - черновое фрезерование некоторых марок нержавеющих сталей, титановых и никелевых сплавов и особенно сплавов вольфрама и молибдена.

Твердые сплавы допускают обработку со скоростями резания, превышающими в 5-10 раз скорости обработки быстрорежущими инструментальными сталями. При этом они не теряют режущих свойств при нагреве до температуры 1100 К и выше. Металлокерамические твердые сплавы состоят из карбидов вольфрама, титана или тантала и кобальта, связывающего эти вещества. Различают вольфрамокобальтовые металлокерамические сплавы (ВК2, ВК3, ВК3М, BK6, BK6М, ВК5Н, ВК10, ВК10М, ВК15М, ВК8, ВК6-ОМ, ВК8-ОМ, ВК10-ОМ ВК15-ОМ и др.) и титано-вольфрамокобальтовые (Т5К10, Т14К8, Т15К6, T30K4, T60K6 и др.). В этих обозначениях цифры после букв указывают на процентное содержание кобальта и титана в сплаве. Например, сплав Т14К8 состоит из 14% карбида титана, 8% кобальта и 78% карбида вольфрама.

Существуют трехкарбидные твердые сплавы, состоящие из кобальта (связки) и карбидов вольфрама, титана, тантала. Эти сплавы характеризуются высокой прочностью. Твердый сплав марки ТТ7К12 допускает работу в 1,5-2 раза с большими подачами на зуб, чем сплав Т5К10. Твердые сплавы выпускаются в виде пластинок стандартных форм и размеров.

Вольфрамокобальтовые сплавы применяют для обработки хрупких материалов: чугуна, бронзы, закаленной стали, пластмасс, фарфора и т. п. Твердые сплавы титановольфрамовой группы используют главным образом для обработки жаропрочных сталей. Сплав ТТ20К9 предназначен специально для фрезерования глубоких пазов. Он отличается повышенным сопротивлением тепловым и механическим циклическим нагрузкам.

С уменьшением размеров зерен карбидов вольфрама износостойкость и твердость сплава увеличиваются. Эту закономерность используют при создании сплавов различного назначения с требуемыми свойствами. Первыми мелкозернистыми сплавами были сплавы марок ВКЗМ и ВК6М. В последнее время разработаны твердые сплавы с особой мелкозернистой (ОМ) структурой ВК6-ОМ, ВК10-ОМ и ВК15-ОМ. При выборе марок твердого сплава можно руководствоваться данными приведенными выше.

Стойкость твердосплавного инструмента повышается при нанесении на его поверхность износостойких слоев (5-15 мкм) карбидов (титана, ниобия), боридов, нитридов и др. Благодаря применению покрытия в получаемых твердых сплавах удается оптимально сочетать их износостойкость, прочность и вязкость. Работоспособность комбинированного материала определяется соответствующим сочетанием параметров твердосплавной основы, твердого поверхностного слоя и переходной зоны.

Опыт эксплуатации твердосплавного инструмента с покрытиями показывает, что стойкость инструмента с покрытием повышается в 1,5-3 раза по сравнению с инструментом без покрытия.

Безвольфрамовые твердые сплавы создаются на основе карбидов титана с добавлением молибдена, никеля и других металлов. К безвольфрамовым относятся марки твердых сплавов ТМ1, ТМ3, TH30, КНТ16 и др.

В оснащении фрез быстрорежущие стали занимают значительное место. Это объясняется не только их повышенной вязкостью по сравнению с твердыми сплавами, но и большой однородностью и надежностью.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73) подразделяют на стали нормальной производительности и стали повышенной производительности. К первой группе относят стали марок Р18, Р12, Р9, Р6М5. Приняты следующие обозначения быстрорежущих сталей: буква Р проставляется на первом месте и показывает, что сталь быстрорежущая. Цифра, которая следует за буквой Р, указывает на содержание вольфрама в процентах. Например, Р18 - быстрорежущая сталь с содержанием вольфрама 18%; РО - безвольфрамовая сталь. Другие буквы характеризуют наличие легирующего элемента: К - кобальт, М - молибден, Ф - ванадий, а цифры, проставленные после буквы, указывают на содержание данного элемента в стали (в %). Фрезы из стали Р18 находят применение при фрезеровании труднообрабатываемых материалов на чистовых операциях и при профильном фрезеровании. Фрезы из стали Р9, вследствие трудной их шлифуемости, применяют при предварительной обработке. Сталь Р12 занимает промежуточное положение.

К группе сталей повышенной производительности относят быстрорежущие стали, легированные кобальтом, благодаря чему на 15-25° повышается их теплостойкость, а также легированные ванадием, наличие которого увеличивает износостойкость. Фрезы из сталей этой группы Р18Ф2, Р12Ф5, Р9К5, P9K10, P10К5Ф5, Р12К5Ф4 и других целесообразно применять при фрезеровании труднообрабатываемых материалов.

Безвольфрамовые быстрорежущие стали содержат большой процент молибдена, ванадия, хрома и других износостойких элементов, имеют меньшую стоимость по сравнению с быстрорежущими и незначительно уступают им в стойкости. Известны марки: 15М5Ф5Х5С, 65Х6М2Ф3Б, 11М5Ф и др