Материалы для режущего инструмента. Требования к ним и их классификация.
Для изготовления режущих инструментов применяется широкая номенклатура инструментальных материалов, которые подразделяется на четыре основные группы.
1) Инструментальные стали – углеродистые, легированные, быстрорежущие (БРС).
2) Твёрдые сплавы – вольфрамо-кобальтовые (ВК), титано-вольфрамовые (ТК), безвольфрамовые, титано-тантало-вольфрамовые (ТТК).
3) Керамика – оксидная (Al203), оксидно-карбидная (Al203+TiC), оксидно-нитридная (Al203+TiN), нитридная (Si3N4).
4) Сверхтвёрдые материалы – на основе алмаза (C), на основе нитрида бора (BN).
В процессе обработки металлов резанием рабочие поверхности инструментов подвергаются интенсивному воздействию высоких контактных давлений и
температур, а взаимодействие с обрабатываемым материалом и реагентами из
окружающей среды приводит к протеканию интенсивных физико-химических
процессов – адгезии, диффузии, окисления. Чтобы инструменты могли сопротивляться этим процессам и действующим на них нагрузкам, инструментальные материалы должны соответствовать следующим требованиям.
1. Для того чтобы режущий инструмент без контактной пластической деформации мог срезать необходимые объемы обрабатываемого материала, твердость инструментального материала должна значительно (более чем в 2,5раза) превосходить твердость обрабатываемого. Поэтому одним из главных требований, предъявляемых к инструментальным материалам, является их высокая твердость. Однако чрезмерное увеличение твердости, как правило, приводит к увеличению хрупкости инструментальных материалов. Поэтому в зависимости от условий обработки существует оптимальное соотношение между твердостью инструментального и обрабатываемого материалов, обеспечивающее приемлемое соотношение твердости и других механических характеристик инструментальных материалов.
2. Способность режущего инструментов сопротивляться разнообразным напряжениям (изгибу, кручению, растяжению), а также динамическим нагрузкам без хрупкого разрушения и пластического деформирования определяется их прочностью и ударной вязкостью. Поэтому инструментальные материалы должны обладать достаточной механической прочностью при изгибе, растяжении и кручении, а также ударной вязкостью.
3. Способность инструментального материала сохранять свою твердость при повышенных температурах, возникающих в процессе резания, называется теплостойкостью. С учетом необходимости использования инструментальных материалов в условиях периодического изменения температуры (например, прерывистое резание), инструментальные материалы должны быть малочувствительны к циклическим изменениям температуры. Поэтому очень важным требованием является высокая теплостойкость инструментального
материала.
4. Чтобы режущие инструменты могли сопротивляться удалению частиц с их контактных площадок при взаимодействии с обрабатываемым материалом, инструментальные материалы должны обладать высокой износостойкостью. Этот показатель является комплексным свойством и зависит от всех вышеперечисленных свойств – твердости, прочности и теплостойкости.
5. Важным условием нормальной работы режущего инструмента является снижение вероятности появления локальных термических напряжений на контактных площадках инструмента. Такая вероятность снижается по мере роста теплопроводности инструментального материала. Поэтому последний должен обладать достаточной теплопроводностью.
6. Наряду с требованиями к физико-механическим и теплофизическим
свойствам инструментального материала, необходимым условием достижения
достаточно высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-
химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального
материала (геометрические и структурные особенности кристаллического строения, теплофизические свойства, структурные и термодинамические особенности фазового состава и т.д.) должны существенно отличаться от соответствующих свойств инструментального материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы), и изнашивание контактных площадок инструмента.
7. Важным свойством инструментального материала является его технологичность. Под технологичностью понимается комплекс свойств, характеризующих поведение инструментальных материалов при изготовлении режущего инструмента. Технологичность определяет возможность использования марки инструментального материала в конструкции конкретного режущего инструмента.
8. Немаловажной характеристикой инструментальных материалов является их экономичность, которая в основном зависит от химического состава инструментальных материалов. Введение большого количества дорогостоящих легирующих элементов (вольфрама, кобальта и т.д.) существенно увеличивает стоимость инструментальных материалов.
17. Объёмная усадка. Виды брака в отливках при проявлении объёмной усадки. Меры по предотвращению этих видов брака.
Литейными называют технологические свойства металлов и сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и дальнейшем охлаждении отливки. Наиболее важные технологические литейные свойства - жидкотекучесть, усадка (объемная и линейная), склонность сплавов к ликвации, образованию горячих и холодных трещин, поглощению газов, образованию газовой и усадочной пористости.
Усадка - свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадки. I
Объемная усадка - уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме от температуры заливки до температуры окружающей среды (20 °С).
Полная объемная усадка складывается из усадки металла в жидком состоянии , усадки при затвердевании и усадки металла в твердом состоянии , т.е. = + +
Усадка в жидком состоянии - уменьшение объема жидкого металла при его охлаждении в форме от температуры заливки до температуры начала кристаллизации. Величина этой усадки зависит от природы сплава (химического состава) и перегрева металла перед заливкой выше температуры ликвидуса. С увеличением перегрева металла возрастает и объемная усадка в жидком состоянии.
Усадка при затвердевании - изменение объема и линейных размеров отливки при охлаждении металла от температуры ликвидуса до температуры солидуса . В некоторых металлах и сплавах в этих интервалах температур происходят фазовые превращения или выделение газов из расплава, например, у чугуна - графитизация, у стали – выделение газов, растворенных в расплаве. Эти явления способствуют увеличению объема и и размеров отливки. Такое увеличение размеров называется предусадочным расширением.
Усадка в твердом состоянии - уменьшение объема и линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры полного затвердевания сплава до температуры окружающей среды (20 °С). На величину усадки влияют химический состав сплава и скорость охлаждения. Например, увеличение содержания углерода и кремния в сером чугуне приводит к уменьшению усадки; возрастание скорости охлаждения отливки увеличивает усадку.
Коэффициент объемной усадки определяют соотношением, %, , где и — объемы полости формы и отливки при температуре 200С.