Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-74) выпускают среднего качества и высококачественные, содержащие меньше серы и фосфора. Наибольшее применение из них получили стали марок У10А-У12А, содержащие 1…1,2 % углерода. Буква «А» означает, что сталь высококачественной плавки. Углеродистые стали имеют низкую теплостойкость = 200…250 , твердость 60…62 НRC_Э и предел прочности при изгибе = 2000… 2500 МПа. Эти стали хорошо обрабатываются резанием, но имеют низкую прокаливаемость. Инструмент из этих сталей имеет, как правило, высокую твердость на поверхности и мягкую сердцевину, поэтому при значительных усилиях резания возможна деформация инструмента. В связи с этим данный инструментальный материал применяют для изготовления ручного режущего инструмента.

Легированные инструментальные стали

Легированные стали (ГОСТ 5950-73) содержат примерно такое же количество углерода, как и углеродистые, но дополнительно легированы небольшими количествами (~ 1 %) вольфрама (В), хрома (Х), ванадия (Ф) и других элементов. Введение этих элементов позволяет улучшить физико-механические свойства: = 250… 300 , 62…64 НRC_Э, = 2200…3000 МПа. Легированные инструментальные стали хорошо обрабатываются, позволяют получить у инструмента острые кромки и достаточно хорошо прокаливаются при термообработке, а следовательно, мало деформируются в процессе резания. Из этих сталей изготавливают сложный фасонный инструмент для механической обработки – метчики, плашки, развертки и т.п. Наиболее распространенные марки инструментальных легированных сталей: 9ХС, ХВГ, ХГСВФ, ВСГ и др.

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали являются основными инструментальными материалами, их которых изготавливается примерно 60 % всего лезвийного режущего инструмента. Важнейшим легирующим элементом, входящим в состав быстрорежущих сталей, является вольфрам (6…18 %). Кроме вольфрама быстрорежущие стали содержат в значительных количествах хром, молибден (М), кобальт (К), ванадий. Эти стали обладают следующими физико-механическими свойствами: = 620…730 , 62…70 НRC_Э, = = 2500…4200 МПа.

Быстрорежущие стали делятся на стали умеренной, повышенной и высокой теплостойкости.

Стали умеренной теплостойкости (620…630 ) составляют 75…80 % от общего производства быстрорежущих сталей. К ним относятся: Р9, Р12, Р18, Р6М3, Р6М5, Р8М3, Р18Ф2 и т.д. Буква «Р» означает, что сталь быстрорежущая, а число после этой буквы – процентное содержание вольфрама. Эти стали имеют твердость 62…65,5 HRC_Э и предназначены в основном для обработки конструкционных материалов с МПа.

Стали повышенной теплостойкости (630…650 ) дополнительно легированы кобальтом и ванадием. Наиболее распространенными марками быстрорежущих сталей повышенной теплостойкости (67…70 HRC_Э) являются: Р9К5, Р9К10, Р6М5К5, 10Р8М3, Р8М3К6С, Р10К5Ф5 и др. Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости предназначены для обработки труднообрабатываемых материалов: жаропрочных и титановых сплавов, нержавеющих сталей, а также конструкционных сталей 1000 МПа.

Стали высокой теплостойкости – это стали с пониженным содержанием углерода (0,05…0,15 %). Они обладают высокими твердостью (68…70 НRC_Э), теплостойкостью (700…730 ), износостойкостью, теплопроводностью и удовлетворительной прочностью. Данные стали упрочняются вследствие выделения интерметаллидов, а не карбидов. Поэтому они называются сталями с интерметаллидным упрочнением (дисперсионно-твердеющие). К ним относятся стали марок В11М7К23, В3М12К23, В18М7К25, В14М7К25 и др. Наиболее эффективно использовать эти стали при резании труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов.

Твердые сплавы

Твердые сплавы изготавливаются методом порошковой металлургии. Основными компонентами твердых сплавов являются

карбиды вольфрама WC, титана TiC, и тантала TaC. В качестве связки в твердых сплавах используют кобальт, никель, молибден.

Теплостойкость твердых сплавов различных марок составляет 800…1000 , что позволяет значительно повысить скорость резания по сравнению с быстрорежущими сталями. Недостатком твердых сплавов является относительно низкая прочность при изгибе = 900…1600 МПа. Прочность при сжатии твердых сплавов значительна, = 4000…6000 МПа, поэтому необходимо так располагать режущие пластины, что они работали на сжатие, а не на изгиб. Твердые сплавы имеют твердость 86…90 HRA.

В зависимости от состава карбидной фазы твердые сплавы (ГОСТ 3882-74 и ГОСТ 4872-75) делятся на три группы: однокарбидные, двухкарбидные и трехкарбидные.

Однокарбидные (группа ВК) сплавы содержат WC+Co. Наиболее распространенными марками этой группы являются ВК3, ВК4 (96 % WC + 4 % Сo), ВК6, ВК8, ВК10. С увеличением содержания кобальта уменьшается твердость сплава и увеличивается его пластичность. Поэтому сплавы ВК3, ВК4, как наиболее хрупкие, применяются при чистовой обработке, а сплавы ВК8, ВК10, как наиболее вязкие, - при черновой обработке. Физико-механические свойства твердых сплавов во многом определяются размером зерен порошков, применяемых для спекания. Большой износостойкостью отличаются мелкозернистые и особомелкозернистые (размер зерен до 0,5 мкм) сплавы (обозначаются соответственно буквами М и ОМ), например, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК10-ОМ.

Легирование мелкозернистых и особомелкозернистых однокарбидных сплавов хромом (ВК6-ХОМ, ВК10-ХОМ, ВК15-ХОМ) позволяет дополнительно повысить их режущие свойства. Для изготовления инструментов, работающих с ударными нагрузками, применяются крупнозернистые твердые сплавы, например, ВК6В.

Областью применения однокарбидных твердых сплавов является обработка труднообрабатываемых материалов, включая титановые сплавы.

Двухкарбидные твердые сплавы (группа ТК) содержат WC+TiC+Co. Наиболее распространенные марки этой группы Т30К4 (30% TiC + 4 % Co + 66 % WC), Т15К6, Т14К8, Т5К10. Сплавы ТК при одинаковом содержании кобальта имеют большую твердость и хрупкость, чем однокарбидные. Поэтому их целесообразно применять при получистовой и чистовой обработке труднообрабатываемых материалов.

Трехкарбидные твердые сплавы (группа ТТК) содержат WC + (TiC + TaC) + Co, их марки ТТ7К12; ТТ20К9. Цифра после букв ТТ указывает на суммарную долю TiC + TaC в процентах. Например, сплав ТТ20К9 содержит: 20 % (TiC + TaC) + 9 % Co + 71 % WC. Твердые сплавы группы ТТК превосходят двухкарбидные сплавы по прочности ( = 1300..1600 МПа). Они характеризуются высокой износостойкостью, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам и вибрациям. Поэтому их используют при черновой обработке с большими сечениями срезаемого слоя, при работе с ударами.

Минералокерамика

Режущие инструменты, оснащенные минералокерамикой, обладают высокой твердостью (92…94 HRA), теплостойкостью (до 1200 ) и износостойкостью. Наибольшее распространение в настоящее время получила керамика оксидного и оксидно-карбидного типов.

Оксидная керамика содержит до 99 % Al₂О₃. Среди марок керамики этого типа можно выделить ЦМ332. Низкая изгибная прочность ( 300…400 МПа) и термоциклическая усталость позволяют применять эту керамику только на чистовых и получистовых операциях, при наличии виброустойчивого оборудования. Оксидно-карбидную керамику получают добавление к ее основе (Al₂О₃) одинарных или сложных карбидов титана, вольфрама и молибдена (до 40 %). В результате этого значительно повышается изгибная прочность керамики (до 600…700 МПа), что позволяет значительно расширить область ее применения. Серийно выпускают керамики марок В3, ВО13, ВОК-60, ВОК-63 в виде пластин, которые крепятся к корпусу инструмента.