Углеродистые инструментальные стали

Институт машиностроения

БИТЮКОВ Р.Н.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебное пособие

для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения

направления 151900.62 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств

по дисциплине

"ПРОЦЕССЫ И ОПЕРАЦИИ ФОРМОБРАЗОВАНИЯ"

Санкт-Петербург

ОГЛАВЛЕНИЕ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ... 3

ЦЕЛЬ РАБОТЫ... 3

1. ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЯВЛЯЕМЫЕ К ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ... 3

МАТЕРИАЛАМ... 3

2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ.. 4

3. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ... 9

4. МИНЕРАЛОКЕРАМИКА.. 16

5. СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ... 18

6. МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ... 21

7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА.. 21

8. ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ.. 22

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ.. 24

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 25

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить классификацию, маркировку, химический состав, основные физико-механические свойства и область применения инструментальных материалов.

ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЯВЛЯЕМЫЕ К ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ

МАТЕРИАЛАМ

Высокие эксплуатационные характеристики режущих инструментов в значительной степени зависят от каче­ства материала, из которого эти инструменты изготовле­ны. Материалы, предназначенные для режущих инстру­ментов, должны по ряду показателей значительно превос­ходить материалы, применяемые в машиностроении для изготовления различных деталей. Основные требования к инструментальным материалам следующие.

1. Инструментальный материал должен иметь высокую твердость в состоянии поставки или достигаемую в ре­зультате его термической обработки — не менее 63... 66 HRC_Э, по Роквеллу (шкала С).

2. При резании металлов выделяется значительное количество теплоты и режущая часть инструмента нагре­вается. Температура рабочих поверхностей и режущих кромок инструмента зависит от условий, при которых ведется обработка, и может достигать нескольких сот градусов. Необходимо, чтобы при значительных темпе­ратурах резания твердость поверхностей инструментов существенно не уменьшалась.

Способность материала сохранять высокую твердость при повышенных температурах и исходную твердость после охлаждения называется теплостойкостью. Инстру­ментальный материал должен обладать высокой тепло­стойкостью.

3. Наряду с теплостойкостью, инструментальный ма­териал должен иметь высокую износостойкость при повы­шенной температуре, т. е. обладать хорошей сопротивля­емостью истиранию обрабатываемым материалом.

4. Важным требованием является достаточно высокая прочность инструментального материала. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента сопро­вождается значительной хрупкостью, это приводит к по­ломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок.

5. 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.

Для твердых сплавов первые два требования менее существенны, но зато особое значение приобретает хоро­шая шлифуемость, а также отсутствие трещин и других дефектов, которые возникают в. твердом сплаве после припайки пластин, при шлифовании и заточке инстру­мента.

К инструментальным материалам относятся инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие), твердые сплавы (одно-карбидные, двух-карбидные, трех-карбидные и безвольфрамовые), минералокерамика (оксидная и нитридная), сверхтвердые материалы (алмаз и кубический нитрид бора) и монокристаллические материалы.

Свойства инструментальных материалов и допустимые скорости резания в зависимости от их теплостойкости приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Некоторые свойства инструментальных материалов

Материал	Марка	Твердость	Теплостойкость,0С	Допустимая скорость резания, м/мин
Углеродистая сталь	У12А	HRCЭ 61…63	150…200	15…18
Легированная сталь	9ХС	HRCЭ 62…64	200…260	20…25
Быстрорежущая сталь	Р6М5	HRCЭ 63…66	600…650	≈ 100
Твердый сплав	Т14К8	HRА 87…92	≈ 1000	≈ 1000
Режущая керамика	ЦМ-332	HRА 91…95 (HV 22500)	≈ 1200	≈ 1500
Кубический нитрид бора	Эльбор	HV 90700	≈ 1600	≈ 1500
Алмаз природный Алмаз искусств.	АП АСБ	HV 100000 HV 98700	≈ 800	≈ 300

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Таблица 1.2 Область применения

Таблица 1.3 Область применения

Быстрорежущие стали

Инструменты из быстрорежущих сталей имеют высокую теплостойкость (550…650 °С), что позволяет им работать со скоростями резания в 3…4 раза большими (до 100 м/мин), чем инструментом, изготовленным из углеродистых и легированных сталей.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265–73) содержат 0,7..1,5% C, до 18% W и др. элементы. В обозначении марок стоит буква "Р"(от англ. слова "Rapid"), что в переводе означает "быстрый": цифры за этой буквой показывают среднее содержание вольфрама. Вольфрам является основным легирующим элементом, так как обеспечивает высокую теплостойкость. Добавление ванадия повышает теплосостойкость инструмента до 650 °С.

Пример расшифровки стали Р9: сталь быстрорежущая, высококачественная, содержит 9% вольфрама.

Таблица 1.4 Область применения

Таблица 1.5. Некоторые свойства быстрорежущих сталей

Нормальной теплостойкости.

Марка стали	ρ, г/см3	Твердость	После закалки	Температура, С	Теплостойкость, оС
После отжига, НВ	После закалки и отпуска, НRСэ	, МПа	105, Дж/м2	Закалки	Отпуска
Р18	8,75			2,9…3,1	3,0
Р9	8,3			3,35	2,0
Р6М5; Р6АМ5	8,15			3,3…3,4	4,8
11Р3АМ3Ф2	7,9			2,9…3,1	4,5
Р6М5Ф3	8,15			-	4,0
Р12Ф3	8,39			3,0…3,1	2,7
Р9К5	8,25			2,5	0,7
Р6М5К5	8,15			3,0	2,75
Р9М4К8	8,3			2,5	2,6

Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода — 10Р8МЗ, 10Р6М5; ванадия — Р12ФЗ, Р2МЗФ8, Р9Ф5; кобальта — Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9К5, Р9К10, Р9М4К8Ф, 10Р6М5Ф2К8 и др.

Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 66...70 НRС_э, они имеют более высокую теплостойкость (до 620...670 °С). Это дает возможность использовать их для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышен­ной прочности и закаленных. Период стойкости инстру­ментов из таких сталей в 3…5 раз выше, чем из сталей Р18, Р6М5.

Таблица 1.6. Некоторые составы высокованадиевых сталей.

Марка стали	Химический состав, % (масса)
С	W	Мо	Сr	V
Р12Ф4 Р6М5Ф3 Р6М5Ф4	1,27 1,2 1,3	5,8 5,8	до 1 5,0 5,0	4,0 4,2 4,2	4,0 3,0 4,0

Таблица 1.7. Составы наиболее применяемых кобальтовых

Быстрорежущих сталей.

Марка стали	Химический состав, % по массе
C	W	Mo	Cr	V	Co
Р9К5 Р9К10 Р18Ф2К5 Р6М5К5 Р6М5К8 Р2М9К8 Р12Ф4К5	0,9 0,9 0,77 0,88 0,90 0,90 1,35	9,0 9,0 18,0 6,2 6,2 1,8 12,2	до 1,0 до 1,0 до 1,0 5,0 5,0 8,6 до 1,0	4,0 4,0 4,0 4,0 4,1 4,0 4,5	2,3 2,3 1,5 1,9 1,9 2,0 4,0	5,0 10,0 5,0 5,0 8,0 8,2 4,8

Стали высокой теплостойкости характеризуются пони­женным содержанием углерода, но весьма большим коли­чеством легирующих элементов — Bl1M7K23, В14М7К25, ЗВ20К20Х4Ф. Они имеют твердость 69...70 HRC_Э, и тепло­стойкость 700....720 °С. Наиболее рациональная область их использования — резание труднообрабатываемых ма­териалов и титановых сплавов. В последнем случае период стойкости инструментов в 30…80 раз выше, чем из стали Р18, и в 8…15 раз выше, чем из твердого сплава ВК8. При резании конструкционных сталей и чугунов период стойкости возрастает менее значительно (в 3…8 раз).

Таблица 1.8. Составы некоторых сталей высокой теплостойкости.

Марка стали	Химический состав, % по массе
C	W	Mo	Cr	V	Co
В11М7К23 В14М7К25	0,1 0,1	11,0 14,0	7,0 7,0	- -	0,5 0,5	23,0 25,0

Безвольфрамовыестали

В связи с острым дефицитом вольфрама в СССР и за рубежом разрабатываются безвольфрамовые инструмен­тальные материалы,в том числе быстрорежущие стали.

К таким сталям относятся маловольфрамовые Р2М5, РЗМЗФ4К5. Р2МЗФ8, А11РЗМЗФ2 и безвольфрамовая 11М5Ф. Эксплуатационные свойства указанных сталей близки к свойствам традиционных быстрорежущих сталей соответствующих групп.

В последние годы нашли применение безвольфрамовыестали М6Ф1, М6Ф3, М5Ф1С, М5Ф1С4 и др.

Перспективным направлением в повышении качества быстрорежущих сталей является получение их методами порошковой металлургии. Стали Р6М5К5-П (П — по­рошковая), Р9М4К8-П, Р12МЗФЗК10-П и другие имеют очень однородную мелкозернистую структуру, хорошо шлифуются, меньше деформируются при термообработке, отличаются стабильностью эксплуатационных свойств. Период стойкости режущих инструментов из таких ста­лей возрастает до 1,5 раза.

Наряду с порошковыми бы­строрежущими сталями хорошо зарекомендовали себя так называемые карбидостали, содержащие до 20 % TiC, которые по служебным характеристикам занимают про­межуточное место между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Твердые сплавы представляют собой сплавы карбидов тугоплавких металлов с кобальтом, являющимся своеобразной связкой. Твердые сплавы обладают высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью до 1000 °С. При этом они обладают меньшей ударной вязкостью и теплопроводностью по сравнению с быстрорежущими сталями. Твердые сплавы выпускают в виде пластинок различных форм и размеров, получаемых методом порошковой металлургии.

Промышленностью выпускаются три группы вольфрамовых твердых сплавов (ГОСТ 3882–74): ВК – вольфрамовые, ТК – титановольфрамовые и ТТК – титанотанталовольфрамовые. Кроме того, существует еще группа безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбидов и карбонитридов титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов.

Однокарбидные вольфрамокобальтовые сплавы производят на базе карбида вольфрама и называют вольфрамовыми (группа ВК). В марках ВК2, ..., ВК30 буква К обозначает кобальт Co, цифра показывает его содержание в процентах, остальное – карбид вольфрама WC.

Пример расшифровки сплава ВК8: 8% Co + 92% WC.

Сплавы этой группы наиболее прочные. С увеличением содержания кобальта повышается сопротивление сплава ударным нагрузкам, но уменьшается его износостойкость. Применяются однокарбидные сплавы для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т. е. температурой 950…1000 °С.

Двухкарбидные титановольфрамокобальтовые твердые сплавы содержат карбиды вольфрама, и титана и называются титановольфрамовыми (группа ТК). В марках Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 цифры после буквы Тпоказывают процентное содержание карбида титана TiC, буква К– Co, цифра после буквы К– содержание кобальта в %, остальное – WC.

Пример расшифровки сплава Т15К6: 15% TiC + 6% Co + 79% WC.

Таблица 1.9. Физико-механические характеристики

Таблица 1.10. Физико-химические характеристики

Таблица 1.11. Состав и характеристики физико-механических свойств титанотанталовольфрамокобольтовых марок твердых сплавов

Для резания (ГОСТ 3882-74)

Марка сплава	Состав, %	, МПа	Плотность ρ, г/см3	НRA, не менее
WC	TiC	TaC	Co
ТТ7К12						13,0…13,8	87,0
ТТ8К6						12,8…13,3	90,5
ТТ10К8-Б						13,5…13,8	89,0
ТТ20К9		9,4	14,1	9,5		12,0…13,0	91,0

Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) ТМ1, ТМ3, ТН-30, КТН-16 и др. производят на основе карбидов или других соединений титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких соединений.

Пример расшифровки сплава ТН-30: 30% Ni + 70% TiC.

Таблица 1.12. Состав и основные свойства

Промышленных марок БВТС

Марка сплава	Содержание основных компонентов в % (по массе)	Физико-механические характеристики
, МПа	Плотность , г/см3	НRA, не менее
TiC	TiCN	Ni	Mo
ТН20 КНТ16	-	-	15,0 19,5	6,0 6,5		5,5-6,0 5,5-6,0	90,0 89,0

Таблица 1.13. Характеристики БВТС повышенной прочности

Марка	Состав, %	, МПа	, г/см3	НRA, не менее
TiCN	TiC	NbC	Ni	Mo
НТН30 (ТУ 48-4206-331-88)				19,5	10,5		6,0-6,5	89,5
ЦТУ (ТУ 48-4206-365-89)					12 МоС		6,2-6,8	89,5
ТВ4 (ТУ 48-19-429-87)	56,3				8,7		6,3-6,7	89,0

Твердые сплавы выпускаются в виде стандартизо­ванных пластин, которые припаиваются, приклеиваются или крепятся механически к державкам из конструк­ционной стали. Выпускаются также инструменты, рабо­чая часть которых целиком выполнена из твердого спла­ва (монолитные).

Правильным выбором марки твердого сплава обеспе­чивается эффективная эксплуатация режущих инструмен­тов. Для конкретного случая обработки сплав выбирают исходя из оптимального сочетания его теплостойкости и прочности. Например, сплавы группы ТК имеют более высокую теплостойкость, чем сплавы ВК. Инструменты, изготовленные из этих сплавов, могут использоваться при высоких скоростях резания, поэтому их широко при­меняют при обработке сталей.

Инструменты из твердых сплавов группы ВК приме­няют при обработке деталей из конструкционных сталей в условиях низкой жесткости системы СПИД, при пре­рывистом резании, при работе с ударами, а также при обработке хрупких материалов типа чугуна, что обуслов­лено повышенной прочностью этой группы твердых спла­вов и невысокими температурами в зоне резания.

Такие сплавы используются также при обработке деталей из высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов. Это объясняется тем, что наличие в большинстве этих материалов титана вызывает повышенную адгезию со сплавами группы ТК, также содержащими титан. Кроме того, сплавы группы ТК имеют значительно худшую теплопроводность и более низкую прочность, чем сплавы ВК.

Введение в твердый сплав карбидов тантала или кар­бидов тантала и ниобия (ТТ10К8-Б) повышает его проч­ность. Поэтому трех- и четырехкарбидные твердые сплавы применяются для оснащения инструментов, работающих с ударами и по загрязненной корке. Однако температура теплостойкости этих сплавов ниже, чем у двухкарбидных. Из твердых сплавов с существенно улучшенной струк­турой следует отметить особомелкозернистые, применя­емые для обработки материалов с большой истирающей способностью. Сплавы ОМ обладают плотной, особо-мелкозернистой структурой, а также имеют малый (до 0,5 мкм) размер зерен карбидов вольфрама. Последнее обстоятельство позволяет затачивать и доводить инстру­мент, изготовленный из них, с наименьшими радиусами режущих кромок. Инструменты из сплавов этой группы применяются для чистовой и получистовой обработки деталей из высокопрочных вязких сталей с повышенной склонностью к наклепу.

Незначительное добавление в состав сплавов группы ОМ карбида тантала и кобальта способствует повыше­нию их теплостойкости, что позволяет использовать эти сплавы при изготовлении инструментов, предназначенных для черновой обработки деталей из различных сталей. Весьма эффективна замена карбидов тантала карбидами хрома. Это обеспечивает получение сплавов с мелкозер­нистой однородной структурой и высокой износостойко­стью . Представителем таких материалов является сплав ВК10-XOM.

Сплавы с низким процентным содержанием кобальта (ТЗОК4, ВКЗ, ВК4) обладают меньшей вязкостью и при­меняются для изготовления инструментов, срезающих тонкие стружки на чистовых операциях. Наоборот, спла­вы с большим содержанием кобальта (ВК8, Т14К8„ Т5К10) являются более вязкими и применяются при сня­тии стружек большого сечения на черновых операциях.

В ряде случаев режущие пластины сплавов покрывают тонким (5…10 мкм) слоем износостойкого материала (карбида, нитрида, карбонитрида титана), что повышает стойкость пластин в 2…3 раза и позволяет вести обработку со скоростями резания до 800…1000 м/мин. Работоспособность твердых сплавов значительно воз­растает при нанесении на них износостойких покры­тий.

Область применения твердых сплавов представлена в табл. 1.14.

Каждая марка твердого сплава может эффективно применяться лишь в конкретных условиях.

Таблица 1.14 Область применения твердых сплавов.

Марка сплава	Область применения
ВК3	Чистовое точение, нарезание резьбы, развертывание чугуна, цветных металлов и сплавов и неметаллических материалов.
ВК4	Фрезерование, черновое точение, зенкерование, рассверливание и растачивание чугуна, цветных металлов и сплавов.
ВК6	Черновое и получистовое точение, предварительное нарезание резьб, растачивание и зенкерование серого чугуна, цветных металлов и сплавов и неметаллических материалов.
ВК8	Чистовое точение, фрезерование, рассверливание, зенкерование, строгание и сверление серого чугуна, коррозионно-стойких, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов, цветных сплавов.
ВК15	Деревообрабатывающий инструмент.
Т30К4	Чистовое точение с малыми сечениями среза, нарезание резьб и развертывание в заготовках из незакаленных и закаленных углеродистых сталей.
Т15К6	Получистовое и чистовое точение, нарезание резьб, получистове и чистовое фрезерование углеродистых и легированных сталей.
Т5К10	Черновое точение и фрезерование заготовок из углеродистых и легированных сталей, полученных ковкой, штамповкой или литьем.
Т5К12 ТТ17К12	Черновое точение стальных поковок, штамповок и отливок, строгание стальных заготовок.
ТТ10К8	Черновая и получистовая обработка труднообрабатываемых материалов, коррозионно-стойких сталей аустенитного класса, жаропрочных сталей и сплавов.
ТН-20, ТН-30, ТН-40	Чистовая и получистовая обработка цветных металлов и сплавов.

При анализе областей применения марок твердых сплавов, обладающих различными свойствами, обычно используют рекомендации международной организации стандартов (ISO), которые предусматривают использование сплавов с учетом уровня основных свойств каждой марки (ГОСТ 3882-74) в зависимости от условия обработки (t, S, V, характер операции, обрабатываемый материал, тип формируемой стружки и т.п.). В соответствии с этими рекомендациями твердые сплавы классифицируют на три основные группы резания Р, М, К, которые, в свою очередь, делятся на подгруппы применения в зависимости от условий обработки (табл. 1.15).

Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допускаемая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость) и допустимая подача и глубина резания (табл.1.15). Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и малая прочность, а большие индексы – соответствуют черновым операциям, т.е. когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью. В связи с этим каждая марка имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность процесса обработки.

Границы подгруппы применения определяются ориентировочно и неоднозначно. Поэтому ряд марок твердых сплавов могут хорошо работать в двух-трех подгруппах применения (например, сплав Т15К6 – Р10, Р15, Р20) или даже в различных группах применения (например, сплав ВК8 – К30, К40, М30).

Таблица 1.15. Классификация современных твердых сплавов по

Стандарту ИСО 513

Основные группы резания	Группы применения	Марка твердого сплава по ГОСТ 3882-74
Обозначение	Цвет маркировки	Обозначение	Обрабатываемый материал и тип стружки	Вид обработки и условия применения
Р	Синий	Р01	Сталь, стальное литье, при обработке которых формируется сливная стружка	Чистовое точение, растачивание, развертывание, высокоточное резание без вибраций	Т30К4 МС101 ТН20
Р10	Точение, точение по копиру, нарезание резьбы, фрезерование, рассверливание, растачивание	Т15К6 МС111 КНТ16 ЦТУ
Р20	Сталь, стальное литье, ковкий чугун, цветные металлы, при обработке которых формируется сливная стружка	Точение, фрезерование	Т14К8 МС121 КНТ16 ЦТУ КТН30
Р25	Сталь нелегированная, низко- и среднелегированная	Фрезерование в т.ч. глубоких пазов, обработка при предъявлении требований к повышенной сопротивляемости сплава тепловым и механическим нагрузкам	ТТ20К9 МС137 ТВ4
Р30	Черновое точение, фрезерование и строгание	Т5К10 МС131 ТВ4
Р40 Р50	Сталь, стальное литье с включениями песка и раковинами	Для работ в неблагоприятных и особо неблагоприятных условиях*	ТТ7К12 МС146
М	Желтый	М05 М10	Сталь, стальное литье, высоколегированные аустенитные, жаропрочные труднообрабатываемые стали и сплавы, серый, ковкий и легированный чугуны	Точение, развертывание	ВК6-ОМ ВК6-М ТТ8К6 ВК6-ОМ
М20	Стальное литье, аустенитные, марганцовистые, жаропрочные, труднообрабатываемые стали и сплавы	Точение, фрезерование	ВК6-ВС ТТ10К8-Б МС221
М30	Сплавы, серый и ковкий чугуны, дающие как сливную, так и стружку надлома	Точение, фрезерование, строгание. Условия резания неблагоприятные*	ВК10-ОМ ВК10-ХОМ ВРК15 ВК8
М40	Низкоуглеродистая сталь с низкой прочностью, автоматная сталь и другие материалы, дающие как сливную, так и стружку надлома	Точение, фасонное точение, отрезка, преимущественно на станках-автоматах	ТТ7К12 МС146
К	Красный	К01	Серый чугун высокой твердости, алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния. Закаленная сталь, абразивные пластмассы, керамика, дающие стружку надлома	Чистовое точение, растачивание, фрезерование и шабрение	ВК3 ВК3-М МС301
К05	Легированные и отбеленные чугуны, закаленные стали, нержавеющие высокопрочные и жаропрочные стали и сплавы, дающие стружку надлома	Чистовое и получистовое точение, растачивание, развертывание, нарезание резьбы	ВК6-ОМ ТТ8К6 МС306
К10	Серый и ковкий чугуны преимущественно повышенной твердости, закаленная сталь, алюминиевые и медные сплавы, пластмассы, стекло, керамика, дающие стружку надлома	Точение, растачивание, фрезерование, сверление	Т8К6 ВК6-М ВК6-ОМ МС312 МС313
К20	Серый чугун, цветные металлы, сильно абразивная прессованная древесина, пластмассы	Точение, растачивание, фрезерование, сверление	Т8К6 ВК6-М ВК6-ОМ МС312 МС313
К30	Серый чугун низкой твердости и прочности, сталь низкой прочности, древесина, цветные металлы, пластмассы	Точение, фрезерование, строгание, сверление. Работа в неблагоприятных условиях*	ВК8 ВК10-ХОМ МС321
К40	Цветные металлы, древесина, пластмассы, дающие стружку надлома	Точение, фрезерование, строгание	ВК8 МС347

*Неблагоприятными и особо неблагоприятными называют условия обработки с переменной глубиной резания, прерывистой подачей, ударами, вибрациями, наличием литейной корки и абразивных включений в обрабатываемом материале.

МИНЕРАЛОКЕРАМИКА

Из современных инструменталь­ных материалов особое внимание заслуживает минералокерамика, которая не содержит дорогостоящих и дефицитных элементов. Основу ее составляют оксиды алюминия АOз с небольшой добавкой (0,5...1 %) оксида магния MgO. Высокая твердость минералокерамики, теплостой­кость до 1200°С, химическая инертность к металлам, сопротивление окислению во многом превосходят эти же параметры твердых сплавов. Однако минералокерамика уступает этим сплавам по теплопроводности, имеет более низкий предел прочности на изгиб.

Современная минералокерамика, созданная в России и за рубежом, по прочности приближается к наиболее износостойким твердым сплавам. Минералокерамику на основе оксида алюминия можно разделить на три группы:

1) чисто оксидная керамика (белая), основу которой составляет оксид алюминия с незначительными приме­сями (АlОз — до 99,7 %);

2) керамика, представляющая собой оксид алюминия с добавлением металлов (титан, ниобий и др.);

3) оксидно-карбидная (черная) керами­ка — оксид алюминия с добавлением карбидов тугоплав­ких металлов (титана, вольфрама, молибдена) для повы­шения ее прочностных свойств и твердости.

Отечественная промышленность в настоящее время выпускает оксидную керамику ЦМ-332, ВО-13 и оксидно-карбидную ВЗ, ВОК-60, ВОК-63, в состав которой входит до 40 % карбидов титана, вольфрама и молибдена.

Наряду с материалами на основе оксида алюминия выпускается материал на основе нитрида кремния — силинит-Р и кортинит ОНТ-20 (с добавками оксидов алюминия и неко­торых других веществ). Физико-механические свойства режущей минералокерамики приведены в табл. 1.16.

Высокие режущие свойства инструментов из минерало­керамики проявляются при скоростной обработке сталей и высокопрочных чугунов, причем чистовое и получистовое точение и фрезерование повышает производительность обработки деталей до 2 раз при одновременном возраста­нии периодов стойкости инструментов до 5 раз по сравнению с обработкой инструментами из твердого сплава.

Минералокерамика выпускается в виде неперета­чиваемых пластин, что существенно облегчает условия ее эксплуатации.

Таблица 1.16. Состав, свойства и области применения

Минералокерамики

Марки керамики	Состав	, ГПа	, г/см3	HRA, не менее	Область применения
ЦМ332	Al2O3-99%, MgO-1%	0,3…0,35	3,85…3,90		К01…К05
ВО-13	Al2O3-99%	0,45…0,5	3,92…3,95		Р01…Р10, К01…К05
ВШ-75	Al2O3	0,25…0,3	3,98	91-92	К01…К05
В-3	Al2O3-60%, TiC-40%	0,6	4,2		Р01…Р10
ВОК-63	Al2O3-60%, TiC-40%	0,65…0,7	4,2…4,6		Р01…Р05, К01…К05
ВОК-71	Al2O3-60%, TiC-40%	0,7…0,75	4,5…4,6		Р01…Р05, К01…К05
ОНТ-20 (кортинит)	Al2O3>70% TiN-30%	0,64	4,3	90-92	К01-К05
РК-30	Si3N4, Y2O3, TiC	0,7…0,8	3,2…3,4		К10-К20

Материал ЦМ-332 широко применяется для чистовых и финишных операций при обработке стальных и чугунных заготовок. Улучшение свойств минералокерамики достигается уменьшением размеров зерен структуры и добавлением карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана), связующих элементов (никеля и др.).

Всесоюзным научно-исследовательским институтом твердых сплавов создана минералокерамика оксидно-карбидного типа марки В-3. Ее прочность при изгибе в 2,5 раза выше, чем у ЦМ-332 при той же твердости, теплостойкость около 1200 °С, что позволяет вести обработку при скорости резания до 1500 м/мин. Также освоен выпуск минералокерамики марок ВОК-60, ВОК-63 и др. (табл. 1.17).

Таблица 1.17 Область применения минералокерамики

Марка материала	Область применения
ВШ-75, ВОК-60, ЦМ-332, ВО-13, В-3, кортинит	Серый и ковкий чугун (НВ 163…270)
ВОК-60, ВОК-63, кортинит	Отбеленный чугун (НВ 400…600)
ВО-13, ВШ-75, ВОК-60	Сталь конструкционная (НВ 229)
ВШ-75, ВОК-6, кортинит	Сталь улучшенная (НВ 229…380)
ВОК-60, В-3, кортинит	Сталь закаленная (HRC 36…64)
В-3, кортинит	Цветные сплавы на основе меди
Силинит-Р, кортинит	Сплавы на основе никеля

СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Одним из направлений совершенствования режущих свойств инструментов, позволяющим повысить произво­дительность труда при механической обработке, являет­ся повышение твердости и теплостойкости инструмен­тальных материалов. Наиболее перспективными в этом отношении являются синтетические сверхтвердые матери­алы на основе алмаза или нитрида бора.

Алмазы. Резцы из природных алмазов массой 0,21…0,85 карата закрепляют механическим способом или напайкой в переходных державках диаметром до 10 мм и длиной до 50 мм. Их применяют для чистового точения деталей из цветных металлов и сплавов, пластмасс и др. неметаллических материалов.

Синтетические алмазы применяют для обработки твердых сплавов, высококремнистых материалов, стеклопластиков и других пластмасс.

Синтетические алмаза типа карбонадо и баллас (марки АСПК и АСБ)

по своим свойствам соответствуют природным алмазам тех же сортов. Обработку ведут со скоростями резания 200…300 м/мин. Алмаз теплостоек до 800 °С (при большем нагреве он графитизируется). Область применения алмазных инструментов ограничивается высокой адгезией к железу, что является причиной его низкой износостойкости при точении сталей и чугунов. Для алмазов характерны исключительно высокая твер­дость и износостойкость. По абсолютной твердости алмаз в 4…5 раз тверже твердых сплавов и в десятки и сотни раз превышает износостойкость других инструментальных материалов при обработке цветных сплавов и пластмасс. Кроме того, вследствие высокой теплопроводности алма­зы лучше отводят теплоту из зоны резания, что способ­ствует гарантированному получению деталей с бесприжоговой поверхностью. Однако алмазы весьма хрупки, что сильно сужает область их применения.

Для изготовления режущих инструментов основное применение получили искусственные алмазы, которые по своим свойствам близки к естественным. При больших давлениях и температурах в искусственных алмазах удается получить такое же расположение атомов угле­рода, как и в естественных. Масса одного искусствен­ного алмаза обычно составляет 1/8…1/10 карата (1 ка­рат — 0,2 г). Вследствие малости размеров искусствен­ных кристаллов они непригодны для изготовления таких инструментов, как сверла, резцы и другие, а поэтому применяются при изготовлении порошков для алмазных шлифовальных кругов и притирочных паст.

Лезвийные алмазные инструменты выпускаются на основе поликристаллических материалов типа «карбонадо» или «баллас». Эти инструменты имеют длительные размерные периоды стойкости и обеспечивают высокое качество обработанной поверхности. Применяются они при обработке титановых, высококремнистых алюминие­вых сплавов, стеклопластиков и пластмасс, твердых сплавов и других материалов.

Алмаз как инструментальныйматериал имеет существенный недостаток — при повышенной температуреонвступает в химическую реакцию с железом и теряет работоспособность.

Для того чтобы обрабатывать стали, чугуны и другие материалы на основе железа, были созданы сверхтвердые материалы, химически инертные к нему. Такие материалы получены по технологии, близкой к технологии получения алмазов, но в качестве исходного вещества используется не графит, а нитрид бора.

Кубический нитрид бора. Поликристаллы кубического нитрида бора (КНБ), известные под названием эльбор-Р, композит, исмит, боразон, кубонит и гексанит-Р, применяют для изготовления режущей части резцов. Выпускается в виде пластин круглой формы диаметром до 30 мм и длиной до 8 мм.

Обладая химической инертностью к углероду и железу, КНБ успешно используется при обработке сталей и чугунов. КНБ по твердости приближается к алмазу и примерно вдвое превосходит его по теплостойкости (1600 °С). При финишной обработке таким инструментом заготовок из чугуна и закаленных сталей высокой твердости достигается шероховатость поверхности, соответствующая шлифованию.

Поликристаллы