Материалы для изготовления режущих инструментов

Режущая часть инструментов работает при высоких температурах, на нее действуют высокие статические и динамические нагрузки. Поэтому инструментальные материалы должны обладать высокими твердостью, прочностью, износостойкостью, теплостойкостью, теплопроводностью и др.

Углеродистые инструментальные стали для изготовления режущих инструментов содержат 0,9…1,3 % С (У10, У11, У12, У13). Увеличение его содержания в стали повышает ее твердость и хрупкость. Твердость закаленной и отпущенной углеродистой инструментальной стали 60…63 HRC. Эти стали обладают низкой теплостойкостью (до 200…250 °С), применение их ограничено. Из них изготавливают инструменты, работающие со скоростями резания, не превышающими 15…18 м/мин: (метчики, плашки, ручные развертки, напильники, шаберы, ножовочные полотна и др.).

Легированные инструментальные стали имеют более высокие прочность, прокаливаемость, вязкость, стойкость против износа, теплостойкость. Изготовленные из них инструменты обладают более высокими режущими свойствами, менее склонны к деформациям и появлению трещин при закалке. Теплостойкость легированных инструментальных сталей не превышает 300 °С, поэтому изготовленные из них инструменты можно использовать лишь для работы при умеренных скоростях резания (15…25 м/мин). Из них изготавливают сверла, развертки, метчики, плашки, протяжки и др.

Быстрорежущие стали - легированные инструментальные стали, содержащие значительное количество вольфрама (8,5…19 %), хрома (3,8…4,4 %), молибдена, ванадия, кобальта и некоторых других элементов, имеют теплостойкость 600…650 °С. Такие стали могут работать со скоростями резания в 3…4 раза большими, чем инструментальные углеродистые стали. После закалки и отпуска твердость быстрорежущей стали достигает 62…65 HRC и высокие режущие свойства.

Из вольфрамовых быстрорежущих сталей (Р9) изготавливают резцы, зенкеры, фрезы. При изготовлении сложных инструментов, которые должны обладать более высокой стойкостью (фасонные резцы, зубообрабатывающие инструменты и др.), используют сталь Р18.

Для изготовления инструментов, работающих в более тяжелых усло-

виях (прерывистое резание, вибрации, обработка труднообрабатываемых нержавеющих и жаропрочных сталей), применяют кобальтовые быстрорежущие стали (Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2).

Инструменты, используемые для чистовой обработки (протяжки, развертки, шеверы), изготавливают из ванадиевых сталей (Р9Ф5, Р14Ф4),
а для черновой обработки - из вольфрамомолибденовых быстрорежущих сталей (Р9М4, Р6М3).

Металлокерамические твердые сплавы. Высокая твердость, износостойкость, прочность, теплостойкость, достигающая 900…1000 °С, позволяют обрабатывать твердосплавными инструментами различные металлические и неметаллические материалы со скоростями резания до 800 м/мин.

Металлокерамические твердые сплавы изготавливают из мелкозернистых исходных порошков весьма твердых и тугоплавких карбидов вольфрама (WC), титана (TiC), тантала (TaC), смешанных в различных пропорциях с порошком кобальта, который служит связкой. Из полученной смеси прессуют стандартизованные пластинки и спекают при температуре 1500…1900 °С. Их припаивают к державкам инструментов либо закрепляют механическим способом.

Твердые сплавы подразделяют на три группы: вольфрамовые (ВК), титановольфрамовые (ТК) и титанотанталовольфрамовые (ТТК). В сплавах группы ВК (ВК2, ВК3, ВК4, ВК6, ВК8 и др.) цифра после буквы К обозначает процентное содержание кобальта, остальное - карбид вольфрама.

Для крупнозернистых твердых сплавов с величиной зерен исходного порошка 3…5 мкм к обозначению марки прибавляется буква В, например ВК6В, а у мелкозернистых с величиной зерен 0,5…1,5 мкм - буква М (например ВК6М).

В сплавах группы ТК (Т5К10, Т5К12В, Т14К8, Т15К6, Т30К4 и др.) цифра после буквы Т обозначает процентное содержание карбида титана,
а после К - процентное содержание кобальта, остальное - карбид вольфрама.

В сплавах группы ТТК (ТТ7К12, ТТ7К15) цифра после второй буквы Т обозначает процентное содержание карбидов титана и тантала в сумме, после К - содержание кобальта, остальное - карбид вольфрама.

С увеличением содержания кобальта в сплаве прочность и вязкость его повышаются, а твердость и износостойкость снижаются. Поэтому сплавы с бóльшим содержанием кобальта применяют для инструментов, работающих в тяжелых условиях, при больших и неравномерных нагрузках. Сплавы с малым содержанием кобальта используют для инструментов, работающих при сравнительно небольшой и равномерной нагрузке,
но с высокой скоростью резания.

Инструменты из сплавов ВК предназначены для обработки чугуна, цветных сплавов, пластмасс, а из сплавов группы ТК - для обработки сталей и других вязких материалов. Сплавы ТТК по своим свойствам занимают промежуточное место между сплавом Т5К10 и быстрорежущей сталью и предназначены для черновой обработки сталей с загрязненной коркой. Стойкость резца с пластинкой из сплава ТТК в 3,5 раза превышает стойкость резца из быстрорежущей стали Р18. Некоторые сплавы группы ТТК используют при обработке труднообрабатываемых жаропрочных сталей.

Сложные по форме инструменты небольших размеров (сверла, прорезные фрезы, коронки концевых фрез и др.) часто изготавливают из пластифицированных твердых сплавов, получаемых спеканием порошка карбида титана с металлическими сплавами.

Описанные твердые сплавы содержат в значительном количестве дефицитный вольфрам. Поэтому начат промышленный выпуск безвольфрамовых твердых сплавов (БТТС) на основе карбидов и карбидонитридов титана с никель-молибденовой связкой (КНТ16, ТН20, ТН50).

Разработан гексанит-Р, являющийся монокристальным нитридом бора. Гексанит-Р изготавливают в виде вставок к проходным, расточным, подрезным резцам и торцевым фрезам. Гексанит-Р способен работать в условиях больших ударных нагрузок при обработке закаленных сталей, чугунов, сплавов высокой твердости.

Широко применяются износостойкие покрытия режущих лезвий инструментов, например ионно-плазменное напыление карбонитридом титана используют на многих машиностроительных предприятиях.

Минералокерамические материалы. Основой минералокерамических материалов является оксид алюминия Al₂O₃, из порошка которого прессованием с последующим спеканием изготовляют пластинки нужных размеров и формы, которые затем закрепляют на державках режущего инструмента. Высокая теплостойкость (1200 °С) инструментов из минералокерамики, их высокая твердость, тепло- и износостойкость, высокие режущие способности дают возможность обрабатывать материалы со значительно большими скоростями, чем инструментами из твердых сплавов.
Но минералокерамика имеет высокую хрупкость и малое сопротивление изгибающим нагрузкам, поэтому ее используют для инструментов, работающих при чистовой обработке без ударов. Для повышения прочности пластин в минералокерамику добавляют вольфрам, молибден, бор, титан и др. Такие материалы называют керметами, используют их при обработке труднообрабатываемых материалов.

Абразивные материалы. Для изготовления абразивного инструмента используют искусственные материалы.

Электрокорунд используется для обработки закаленной и термически необработанной стали, ковкого чугуна, бронзы и др.

Карбид кремния по сравнению с электрокорундом обладает более высокой твердостью и меньшей вязкостью, поэтому его используют
для шлифования более хрупких материалов, а также некоторых цветных сплавов. Черный карбид кремния, имеющий в составе не менее 95 % SiC, применяют при шлифовании чугуна, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов. Зеленый карбид кремния, содержащий не менее 97 % SiC и имеющий еще большую твердость, используют для обработки инструментов из металлокерамических твердых сплавов.

После выплавки в электропечах электрокорунд и карбид кремния дробят, просеивают и получают шлифпорошки, шлифзерна и микропорошки
и используют для изготовления абразивного инструмента.

Синтетические алмазы высокой твердости получают из графита
при температурах порядка 2500 °С и давлении свыше 10⁴ МПа. Используют для изготовления кругов, брусков, надфилей, напильников и др. Применяются они для окончательного шлифования (доводки) твердосплавного инструмента, а также для особо тонкой чистовой обработки.

Эльбор - кубический нитрид бора получают при давлении свыше 10⁵ МПа и температуре, близкой к 1700 °С. Твердость его приближается к твердости алмаза. Эльбор сохраняет свою прочность при температуре до 930 °С. Стальные детали гораздо лучше шлифуются абразивными инструментами из эльбора, чем из алмаза, так как теплостойкость его выше.