Инструментальные стали
Министерство образования и науки Украины
Запорожский национальный технический университет
Текст лекций для самостоятельной работы
по курсу“Теория резания“
.Тема 2 Инструментальные материалы
для студентов специальностей:
7.090202 “Технология машиностроения”,
7.090203 “Металлорежущие станки и системы”
Текст лекций для самостоятельной работы по курсу “Теория резания“. .Тема 2Инструментальные материалы для студентов специальностей: 7.090202 “Технология машиностроения”, 7.090203 “Металлорежущие станки и системы” // Сост. Внуков Ю.Н, . - Запорожье: ЗНТУ, 2004. – 31 с.
Составители: Внуков Ю.Н., д.т.н., профессор
Левченко Б.Н., ст. преподаватель
Ответственный
за выпуск: Ивщенко Л.И., зав. каф. МС и И
Утверждено
Редакционно-издательским
советом университета
Протокол №___________
От_____________2004 г.
©ЗНТУ 2004
Содержание
Тема 2 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1Требования, предъявляемые к инструментальным материалам
2.2Инструментальные стали
2.2.1Углеродистые и легированные инструментальные стали
2.2.2Быстрорежущие стали
2.3Твердые сплавы
2.3.1Вольфрамокобальтовые сплавы (группа ВК)
2.3.2Титановольврамокобальтовые сплавы (группа ТК)
2.3.3Титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы (группа ТТК)
2.3.4Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС)
2.3.5Краткие рекомендации по выбору твердых сплавов
2.3.6Классификация современных твердых сплавов по международному стандарту ИСО513 и определение условий их эффективного использования
2.4Режущая керамика
2.5Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы
2.5.1Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора
2.5.2Характеристика основных свойств и область применения поликристаллов синтетического алмаза (ПКА)
2.5.3Характеристика основных свойств и область применения ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора BN
2.6Инструментальные материалы с износостойким покрытием
Контрольные вопросы по теме 2
Литература к теме 2
Тема 2 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1 Требования, предъявляемые к инструментальным материалам
При резании контактные площадки инструмента подвергаются интенсивному воздействию высоких силовых нагрузок и температур, величины которых имеют переменный характер, а взаимодействие с обрабатываемым материалом и реагентами из окружающей среды приводит к протеканию интенсивных физико-химических процессов: адгезии, диффузии, окисления, коррозии и др.
С учетом необходимости сопротивления контактных площадок режущего инструмента микро- и макроразрушению в указанных условиях, к свойствам инструментальных материалов предъявляется ряд специальных требований, выполнение которых определяет место их эффективного применения для режущих инструментов. Основные требования к инструментальным материалам следующие:
1. Инструментальный материал должен иметь высокую твердость.
Твердость инструментального материала должна быть выше твердости обрабатываемого не менее чем в 1,4 - 1.7 раза.
2. При резании металлов выделяется значительное количество теплоты и режущая часть инструмента нагревается. Поэтому, инструментальный материал должен обладать высокой теплостойкостью. Способность материала сохранять высокую твердость при температурах резания называется теплостойкостью.. Для быстрорежущей стали – теплостойкость еще называют красностойкостью (т.е. сохранение твердости при нагреве до температур начала свечения стали)
Увеличение уровня теплостойкости инструментального материала позволяет ему работать с большими скоростями резания (табл. 2.1).
Таблица 2.1 - Теплостойкость и допустимая скорость резания инструментальных материалов.
| Материал | Теплостойкость, К | Допустимая скорость при резании Стали 45 м/мин |
| Углеродистая сталь | 473 – 523 | 10 – 15 |
| Легированная сталь | 623 – 673 | 15 – 30 |
| Быстрорежущая сталь | 873 – 823 | 40 – 60 |
| Твердые сплавы: | ||
| Группа ВК | 1173 – 1200 | 120 – 200 |
| Группы ТК и ТТК | 1273 – 1300 | 150 – 250 |
| безвольфрамовые | 1073 – 1100 | 100 – 300 |
| с покрытием | 1273 – 1373 | 200 – 300 |
| Керамика | 1473 – 1500 | 400 – 600 |
3. Важным требованием является достаточно высокая прочность инструментального материала. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента не обеспечивается необходимой прочностью, то это приводит к поломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок.
Таким образом, инструментальный материал должен иметь достаточный уровень ударной вязкости и сопротивляться появлению трещин (т.е. иметь высокую трещиностойкость).
4. Инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость при повышенной температуре, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истиранию обрабатываемым материалом, которая проявляется в сопротивлении материала контактной усталости.
5. Необходимым условием достижения высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемого материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы) и изнашивание контактных площадок инструмента.
6. Инструментальный материал должен обладать технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей ими являются хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные особенности термической обработки (малая чувствительность к перегреву и обезуглероживанию, хорошие закаливаемость и прокаливаемость, минимальные деформирование и образование трещин при закалке и т.д.); хорошая шлифуемость после термической обработки.
На рис. 2.1 показано расположение основных групп инструментальных материалов по их свойствам. Из рисунка видно, что твердость и прочность инструментальных материалов это свойства антагонисты, т.е. чем выше твердость материала, тем ниже его прочность. Поэтому набор основных свойств и определяет область и условие рационального использования инструментального материала в режущем инструменте.
Например, инструмент из сверхтвердых инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора (СТМ) или из режущей керамики (РК), используют исключительно для суперчистовой обработки изделий на высоких и сверхвысоких скоростях резания, но при весьма ограниченных сечениях среза.
При обработке конструкционных сталей на малых и средних скоростях резания в сочетании со средними и большими сечениями среза большие преимущества получают инструменты из быстрорежущей стали.
Инструментальные материалы подразделяются на пять основных групп: инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие); металлокерамические твердые
 | 1 – Принципиальная зависимость основных свойств инструментальных материалов (твердость – прочность) Рисунок 2.1 – Классификация инструментальных материалов по их свойствам. |
сплавы (группы ВК, ТК и ТТК); режущая керамика (оксидная, оксикарбидная и нитридная); абразивные материалы (см. абразивная
обработка) и сверхтвердые материалы СТМ (на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ)).
Наиболее распространенная из этих групп – быстрорежущая сталь, из которой изготавливается около 60% инструмента, из металлокерамических твердых сплавов – около 30%, из остальных групп материалов – только около 10 % лезвийного инструмента.
Анализ основных направлений совершенствования инструментальных материалов (см. рис. 2.1) позволяет отметить, что они связаны с ростом твердости, теплостойкости, износостойкости при снижении прочностных характеристик, вязкости и трещиностойкости. Эти тенденции не соответствуют идее создания идеального инструментального материала с оптимальным сочетанием свойств по твердости, теплостойкости, ударной вязкости, трещиностойкости, прочности.
Очевидно, что решение этой проблемы должно быть связано с разработкой композиционного инструментального материала, у которого высокие значения поверхностной твердости,теплостойкости, физико-химической инертности сочетались бы с достаточными значениями объемнойпрочности при изгибе, ударной вязкости, предела выносливости.
В мировой практике указанные методы совершенствования инструментальных материалов находят все большее применение, особенно при производстве сменных многогранных пластин (СМП) для механического крепления на режущем инструменте.
Инструментальные стали
Для режущих инструментов применяют быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 0,7-1,3% и суммарным содержанием легирующих элементов (кремния, марганца, хрома и вольфрама) от 1,0 до 3,0%.
2.2.1Углеродистые и легированные инструментальные стали.
Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А…У13, У13А. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,2…0,4% марганца. Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200…250°С) их твердость резко уменьшается.
Легированные инструментальные стали, по своему химическому составу, отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца, или наличием одного либо нескольких легирующих элементов: хрома, никеля, вольфрама, ванадия, кобальта, молибдена. Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонности к короблению, но теплостойкость их равна 350…400°С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, метчики).
Следует отметить, что за последние 15-20 лет существенных изменений этих марок не произошло, однако наблюдается устойчивая тенденция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.
2.2.2 Быстрорежущие стали.
В настоящее время быстрорежущие стали являются основным материалом для изготовления режущего инструмента, несмотря на то, что инструмент из твердого сплава, керамики и СТМ обеспечивает более высокую производительность обработки.
Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления сложнопрофильных инструментов определяется сочетанием высоких значений твердости (до HRC@68) и теплостойкости (600-650°С) при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости, значительно превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обрабатываются давлением и резанием в отожженном состоянии.
В обозначении быстрорежущей стали буква Р означает, что сталь быстрорежущая, а следующая за буквой цифра – содержание средней массовой доли вольфрама в %. Следующие буквы обозначают: М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, А – азот. Цифры, следующие за буквами, означают их среднюю массовую долю в %. Содержание массовой доли азота составляет 0,05-0,1%.
Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы: нормальной, повышенной и высокой теплостойкости.
К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовая Р18 и вольфрамомолибденовая Р6М5 стали (табл. 2.2). Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63…64 HRC, предел прочности при изгибе 2900…3400Мпа, ударную вязкость 2,7…4,8Дж/м2 и теплостойкость 600…620°С. Указанные марки стали получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Объем производства стали Р6М5 достигает 80% от всего объема выпуска быстрорежущей стали. Она используется при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс.
Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода, ванадия и кобальта.
Среди ванадиевых сталей наибольшее применение получила марка Р6М5Ф3.
Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали
обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия (VC), так как твердость последних не уступает твердости зерен электрокорундового шлифовального круга (Al2O3). Обрабатываемость при шлифовании – «шлифуемость», - это важнейшее технологическое свойство, которое определяет не только особенности при изготовлении инструментов, но и при его эксплуатации (переточках).
Таблица 2.2Химический состав быстрорежущих сталей
| Марка стали | Массовая доля, % | ||||||
| Углерод | Хром | Вольфрам | Ванадий | Кобальт | Молибден | Азот | |
| Стали нормальной теплостойкости | |||||||
| Р18 | 0,73-0,83 | 3,80-4,40 | 17,00-18,50 | 1,00-1,40 | н.б. 0,50 | н.б. 1,00 | - |
| Р6М5 | 0,82-0,90 | 3,80-4,40 | 5,50-6,50 | 1,70-2,10 | н.б. 0,50 | 4,80-5,30 | - |
| Стали повышенной теплостойкости | |||||||
| 11РЗАМ3Ф2 | 1,02-1,12 | 3,80-4,30 | 2,50-3,30 | 2,30-2,70 | н.б. 0,50 | 2,50-3,00 | 0,05-0,10 |
| Р6М5Ф3 | 0,95-1,05 | 3,80-4,30 | 5,70-6,70 | 2,30-2,70 | н.б. 0,50 | 4,80-5,30 | - |
| Р12Ф3 | 0,95-1,05 | 3,80-4,30 | 12,0-13,0 | 2,50-3,00 | н.б. 0,50 | н.б. 0,50 | - |
| Р18К5Ф2 | 0,85-0,95 | 3,80-4,40 | 17,0-18,50 | 1,80-2,20 | 4,70-5,20 | н.б. 1,00 | - |
| Р9К5 | 0,90-1,0 | 3,80-4,40 | 9,00-10,00 | 2,30-2,70 | 5,00-6,00 | н.б. 1,00 | - |
| Р6М5К5 | 0,94-0,92 | 3,80-4,30 | 5,70-6,70 | 1,70-2,10 | 4,70-5,20 | 4,80-5,30 | - |
| Р9М4К8 | 1,0-1,10 | 3,00-3,60 | 8,50-9,50 | 2,30-2,70 | 7,50-8,50 | 3,80-4,30 | - |
| Р2АМ9К5 | 1,0-1,10 | 3,80-4,40 | 1,50-2,00 | 1,70-2,10 | 4,70-5,20 | 8,00-9,00 | 0,05-1,10 |
| Стали высокой теплостойкости | |||||||
| В11М7К23 | 0,10 | - | 11,00 | 0,50 | 23,00 | 7,00 | - |
| В14М7К25 | 0,10 | - | 14,00 | 0,50 | 25,00 | 7,00 | - |
| 3В20К20Х4ф | 0,25 | 4,00 | 20,00 | 1,00 | 20,00 | - | - |
По шлифуемости быстрорежущие стали можно разделить на 4 группы:
Группа 1 Содержание ванадия до 1,4% и относительная шлифуемость 0,9-1 (за единицу принята «обрабатываемость при шлифовании» стали Р18, обладающая наилучшей шлифуемостью).
Группа 2 Содержание ванадия 1,7-2,2%, относительная шлифуемость 0,5- 0,95, в эту группу, в частности, входят стали Р6М5, Р6М5К5, Р2АМ9К5 и др.
Группа 3 Содержание ванадия 2,3-3,3%, относительная шлифуемость 0,3-0,5 (11РЗАМ3Ф2, Р6М5Ф3, Р12Ф3, Р9, Р9М4К8 и др.)
Группа 4 Содержание ванадия более 4%, относительная шлифуемость 0,2-0,3 (Р12Ф4К5 и др.).
Порошковые быстрорежущие стали, независимо от содержания ванадия, относятся к группам 1 и 2 т.е. обладают хорошей шлифуемостью.
Стали с пониженной шлифуемостью склонны к прижогам, т.е. к изменению структуры приповерхностных слоев стали после шлифования или заточки, появлению вторичной закалки или зон вторичного отпуска с пониженной твердостью.
Следствием прижогов может быть значительное снижение стойкости инструмента.
Однако, проблема «шлифуемости» высокованадиевых быстрорежущих сталей, успешно решается если при заточке и доводке режущих инструментов применяются абразивные круги с зернами из СТМ на основе кубического нитрида бора (КНБ).
Ванадиевые быстрорежущие стали находят применение для инструментов несложных форм при чистовых и получистовых условиях резания для обработки материалов, обладающих повышенными абразивными свойствами.
Среди кобальтовых сталей наибольшее применение нашли марки Р6М5К5, Р9М4К8, Р18К5Ф2, Р9К5, Р2АМ9К5 и др. Введение кобальта в состав быстрорежущей стали наиболее значительно повышает ее твердость (до 66-68 HRC) и теплостойкость (до 640-650°С). Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.
Это дает возможность использовать их для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности. Период стойкости инструментов из таких сталей в 3-5 раз выше, чем из сталей Р18, Р6М5.
Стали высокой теплостойкости характеризуются пониженным содержанием углерода, но весьма большим количеством легирующих элементов – В11М7К23, В14М7К25, 3В20К20Х4Ф. Они имеют твердость 69…70 HRC и теплостойкость 700…720°С. Наиболее рациональная область их использования – резание труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов. В последнем случае период стойкости инструментов в 60 раз выше, чем из стали Р18, и в 8-15 раз выше, чем из твердого сплава ВК8.
Значительными недостатками этих сталей является их низкая прочность при изгибе (не выше 2400 МПа) и низкая обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 HRC) при изготовлении инструмента.
В связи со все более возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущей стали, все большее применение находят экономнолегированные марки. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3АМ3Ф2, которая используется при производстве инструмента, так как обладает достаточно высокими показателями по твердости (HRC 63-64), прочности (sи-3400 МПа) и теплостойкости (до 620°С).