Какие приняты характеристики качества поверхностного слоя, как оценивается степень наклепа?

Физико-механические свойства поверхностного слоя, лежащего под обратной поверхностью, во многом определяют качество деталей машин. К основным характеристикам этого слоя следует отнести микроструктуру, , остаточные напряжения (глубину залегания, знак и величину,харак­тер), упрочнение поверхностного слоя, степень и глубину наклепа.

Микроструктура тонкого поверхностного слоя материала обрабо­танной поверхности существенно отличается от микроструктуры его глу­бинных слоев, что следует учитывать при эксплуатации детали.

Остаточные напряжения, возникающие в поверхностном слое, и наклеп являются следствием силового поля, создаваемого силами резания, нагрева материала обрабатываемой заготовки и структурных превращений. При резании лезвийным инструментом (точение, фрезерование, сверление и др.) остаточные напряжения образуются главным образом под действием силового поля, а температура имеет второстепенное значение.

Эпюра остаточных напряжений а с увеличением глубины слоя А (расстояния от поверхности обработанной поверхности) для большинства пластичных материалов имеет три зоны (рис. 7.6):

— в зоне имеющей весь­ма малую глубину (1...4 мкм), действуют сжимающие (отрица­тельные) напряжения;

— в зоне 2 действуют растл­евающие (положительные) напряжения. Протяженность этой зоны I десятки раз больше протяженно­сти зоны 1, поэтому состояние и свойства поверхностного слоя об­работанной поверхности определяются характером и величиной напряжений именно в зоне 2;

— в зоне 3, являющейся результатом действия общего силового поля, имеются сжимающие напряжения, которые с увеличением глубины слоя сливаются с напряженным полем материала заготовки.

Наличие в поверхностном слое растягивающих напряжений значительно ухудшает качество этого слоя. В нем присутствуют микротрещины, го снижает его усталостную прочность, а если остаточные напряжения превосходят предел прочности материала обрабатываемой детали, то это приводит к образованию поверхностных трещин.

Поле остаточных напряжений зависит от многих факторов. Приве­тная зависимость (см. рис. 7.6) является характерной для пластичных сериалов. Но она существенно изменяется для материалов, склонных к 1ростообразованию, а также при изменении геометрии лезвия (переднего угла от +γ до -γ), величины подачи (толщины срезаемого слоя), скорости зания, степени износа лезвия (величины площадки с углом а =0°).

Наклеп поверхностного слоя в основном связан с деформацией и упрочнением ферритной фазы обрабатываемого материала.

Степень наклепа и толщина наклепанного слоя находятся в прямой зависимо­сти от степени деформации срезаемого слоя и действующих сил резания (рис. 7.7).

Под степенью наклепа ε_н, %, понимают отноше­ние разности наибольшей микротвердости наклепанного слоя Н_н и ненаклепанной под­ложки Но к микротвердости подложки Н₀:

ε_н=(( Н_н- Н₀)/ Н₀)100

Степень и глубина наклепа растут при уменьшении переднего угла лезвия, увеличении подачи (толщины срезаемого слоя). Глубина резания сравнительно мало влияет на степень и глубину наклепа. Влияние скоро­сти резания на степень и глубину наклепанного слоя аналогично ее влия­нию на коэффициент укорочения стружки. Увеличение износа лезвия ин­струмента приводит к увеличению наклепа и его глубины.

Таким образом, качество поверхностного слоя определяется его фи­зико-механическими характеристиками, к которым относят микрострукту­ру, остаточные напряжения и степень наклепа.

19. Что такое режим резания, структура формулы для определения скорости резания и её составляющие?

Режим резания, как было указано выше, - это совокупность таких величин, как глубина резания t, величина подачи S, скорости резания V и период стойкости инструмента Т.

Как правило, выбор режимов резания производится исходя из эконо­мических соображений с ориентацией на критерий оптимальности или его показатели, которыми могут быть наибольшая производительность оборудования, наибольшая стойкость инструмента, наименьшая себестои­мость (продукции), наименьшие приведенные затраты, определяемые нор­мативами прибыльности предприятия.

Но в каждом конкретном случае назначение режимов резания, опти­мальных по принятому критерию, является комплексной и достаточно сложной задачей.

При выборе или назначении элементов режима резания одним из важнейших является скорость главного движения.

Имеется следующее аналитическое выражение для расчета скорости резания:

,

где - обобщенный скоростной коэффициент, учитывающий влияние не­которых постоянных условий резания; T,t,s- элементы режима резания, о которых говорилось выше; т,х,у - показатели степеней с соотношением т>у>х, определяемые эмпирическим путем; K_v - коэффициент, учиты­вающий влияние различных факторов, которые определяются эмпирически:

K_ν=K_c· K_m· K_o· K_и· K_φ· K_δ· K_w (9.2)

Приведенные в формуле (9.2) коэффициенты учитывают влияние следующих факторов: К_с - состояние поверхности заготовки детали перед обработкой; К_м - механические свойства обрабатываемого материала; К_o- обрабатываемость материала заготовки; K_и - свойства материала режущего клина инструмента; K_φ - величина главного угла в плане; K_δ - степень из­ношенности задней поверхности лезвия; K_w - применяемая смазочно-охлаждающая жидкость.

Рассмотрим влияние различных факторов, входящих в выражение (9.2), структура которого имеет универсальный характер, но в данном случае оно будет записано для выполнения операции обтачивания или растачивания резцами из твердых сплавов.

Глубина резания t и величина подачи s со скоростью резания находят­ся в обратно пропорциональной зависимости. В выражении (9.1) с учетом условия т> у > х установлена степень влияния t и s на допускаемую ско­рость резания, которая носит универсальный характер и справедлива для любого вида обработки. Отсюда следует, что для получения максимально возможной скорости резания при заданном периоде стойкости Т и сечении срезаемого слоя необходимо работать с возможно большим соотношени­ем t/ s (или b/а). Это соотношение зависит от изменения угла в плане φ.

Период стойкости инструмента Т и скорость резания V находятся в сложной зависимости, характер которой во многом определяется склон­ностью материала к наростообразованию (рис. 9.1). Кривая 1, отражающая зависимость Т от V для материалов, не склонных к наростообразованию, а также участки аb и cd кривой 2 для материалов, склонных к наростообра­зованию, можно описать степенной функцией:

, (9.3)

в которой показатель степени m называют показателем относительной стойкости. Постоянная С характеризует обрабатываемый и инструменталь­ный материалы, применяемую СОЖ, геометрические параметры инструмента и ряд других факторов.

Величина показателя относительной стойкости является статисти­ческой величиной и также зависит от большого числа факторов. В наиболее явном виде на него влияет температура резания.

20. Какие требования предъявляются к инструментальным материалам и какие основные группы инструментальных материалов применяются для лезвийного инструмента, какова их теплостойкость?

Материал, из которого выполняется лезвие, во многом определяет полный период стойкости и надежность всего инструмента, в связи с этим к инструментальным материалам предъявляют следующие требования:

—высокая твердость. Для того чтобы режущий клин лезвия был способен срезать слой на заготовке, твердость инструментального мате­риала Н_и должна быть значительно больше твердости обрабатываемого материала Н_м;

— высокая механическая прочность. Она нужна для того, чтобы лезвие в условиях высоких и изменяющихся нагрузок не разрушилось. Не­обходимо, чтобы инструментальный материал обладал хорошей сопротив­ляемостью на сжатие и изгиб, а также высоким пределом выносливости и ударной вязкости;

— высокая теплостойкость. Это способность материала сохранять при нагреве твердость и прочность, а клина сохранять режущие свойства. Теплостойкость характеризуется критической температурой;

— малая чувствительность к циклическим температурным изме­нениям. В условиях прерывистого резания режущий клин периодически нагревается во время рабочего хода и остывает при холостом ходе, что вы­зывает термомеханическую усталость инструментального материала и об­разование усталостных трещин;

— высокая износостойкость. На клин оказывает воздействие струж­ка по передней поверхности, также происходит взаимодействие упруго восстановленного материалом по задней поверхности, что приводит к из­нашиванию режущего клина;

— хорошая теплопроводность. Она способствует отводу тепла из зоны резания и снижению температуры резания, что снижает опасность возникновения шлифовочных ожогов и трещин на лезвиях инструмента при заточке;

— экономичность инструментального материала. Она определяет­ся химическим составом и наличием в его составе дефицитных элементов.

Ниже, будут рассмотрены марки, свойства и области применения ос­новных групп инструментальных материалов.

Углеродистые инструментальные стали – теплостойкость 200…250°С

Легированные стали - теплостойкость не выше 250°С

Быстрорежущие инструментальные стали и сплавы - теплостойкость 600…720°С

Твердые (металлокерамические) сплавы - теплостойкость 750…1000°С

Минеральная керамика теплостойкость до 1200°С

Натуральные и синтетические алмазы

Сверхтвердые инструментальные материалы - теплостойкость 1200…1300°С

21. Как маркируются и каковы состав, теплостойкость и области применения углеродистых инструментальных сталей?

В качестве инструментальных материалов широко используются вы­сокоуглеродистые (заэвтектоидные) высококачественные стали с содер­жанием углерода от 0,9 до 1,3 % следующих марок: У7, У7А, У9, У9А, У10, У10А, У11,У11А, У12, У12А, У13, У13А. Обозначение марки включает бу­кву У, за ней следует цифра, указывающая среднее массовое содержание углерода в стали в десятых долях процента; буква А в конце соответствует высококачественным сталям с пониженным содержанием примесей.

Данные стали подвергаются закалке при температуре 760...820°С для получения высокой твердости (до HRC 61 ...63) с последующим отпус­ком для снятия остаточных напряжений, повышения прочности и вязкости. Структура углеродистой инструментальной стали после закалки и отпуска состоит из скрытокристаллического мартенсита и цементита с некоторым количеством остаточного аустенита.

Благодаря отсутствию в этих сталях легирующих элементов они хо­рошо шлифуются и являются дешевым инструментальным материалом.

Теплостойкость углеродистых инструментальных сталей составляет Θ = 200...250 °С. Потеря твердости при нагреве выше этой температуры объясняется интенсивной коагуляцией карбида железа, выделяющегося из мартенсита.

Углеродистые стали применяются для изготовления ручных (слесар­ных) инструментов и машинных инструментов с низкими скоростями резания. Например, стали У7, У9 используются при производстве зубил, стамесок, пил, кернов; стали У10, У10А,У11 - для мелкоразмерного режущегоинструмента; стали У12, У12А, У13, У13А–для ручных разверток, метчиков м плашек, машинных инструментов (метчиков, плашек, верток, сверл, зенкеров, концевых фрез, резцов).

Таким образом, углеродистые инструментальные стали находят широкое применение при резании, но из-за низкойкритической температуры(200…250°С) они используются только дляизготовления режущего ручного или машинного инструмента, работающего при малом тепловыделении.

22. Как маркируются и каковы состав, теплостойкость и области применения легированных инструментальных сталей?

Свойства углеродистых инструментальных сталей, особенно при невысоких скоростях резания, могут быть значительно улучшены при добав­лении в них в небольших количествах хрома, марганца, вольфрама, ванадия и кремния. Такие инструментальные стали получили название легированных например 11X 11ХФ, X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ, ХВ5, ХВГ, Х6ВФ.

Обозначение марки стали состоят из следующих элементов: первая цифра показывает массовое содержание углерода в десятых долях процен­та (если цифра отсутствует, то содержание углерода 0,95... 1,04 %); буквы соответствуют химическим элементам (Г - марганец, X - хром, С - кремний, В - вольфрам, Ф - ванадий); цифры после букв представляют массо­вое содержание соответствующего химического элемента в процентах.

Теплостойкость легированных инструментальных сталей превы­шает 250°С.

При изготовлении режущего инструмента наибольшее распростра­нение получили стали ХВ5, ХВГ, 9ХС. Рассмотрим их более подробно.

Сталь ХВ5 закаляется в воде при температуре 820...840°С и подвер­гается отпуску при температуре 150...180°С. Присутствие в стали большого числа сложных карбидов при высокой концентрации углерода в мартенсите позволяет получить весьма высокую твердость (HRC 65...67). Изготовлен­ные из этих сталей инструменты имеют формоустойчивость лезвий. Сталь ХВ5 применяется для изготовления таких инструментов, как развертки и фасонные резцы, работающие при невысоких скоростях резания.

Сталь ХВГ закаляется в масле при температуре 830...850°С и подвергается отпуску при температуре 150... 180°С. После закалки и отпуска достигается твердость HRC 63...65 и достаточно высокая вязкость. Сталь ХВГ хорошо прокаливается вследствие содержания в ней марганца, увин­чивающего количество остаточного аустенита, имеет малые объемные из­менения при закалке. Поэтому инструменты, изготовленные из этой стали, мало деформируются и хорошо поддается правке.

К недостаткам стали ХВГ следует отнести пониженное сопротивление малым пластическим деформациям, большую карбидную неоднородность и склонность к шлифовочным трещинам. Эта сталь применяется в основном для изготовления протяжек крупных размеров.

Сталь 9ХС закаляется в масле при температуре нагрева 865…875°С иотпускается при температуре 150...180°С,приобретая твердость HRC 63...64.Она обладает хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью. Благодаря закалке в масле деформация инструмента, изготовленного из стали 9ХС, уменьшается. Содержание в стали кремния также уменьшает чувствительность к перегреву, способствует сохранению мелкого зерна и обеспечивает равномерное распределение карбидов по сечению инструмента.

Кнедостаткам стали 9ХС следует отнести склонность к уменьшению содержания углерода и плохую обрабатываемость резанием. Ни высокая карбидная однородность этой стали делает ее особо пригодной для изготовления инструментов с тонкими режущими элементами лезвия (сверл малого диаметра, разверток, метчиков, плашек и концевых фрез).

Таким образом, легированные инструментальные стали обладают рядом положительных свойств, в том числе формоустойчивость лезвий, что позволяет использовать их для изготовления сложнопрофильного ин­струмента, но с последующей его эксплуатацией при малых скоростях (критическая температура - не выше 250°С).

23. Как маркируются и каковы состав, теплостойкость и области применения быстрорежущих (сложнолегированных) инструментальных сталей?

Быстрорежущие (высоколегированные) инструментальные стали от­личаются от легированных присутствием в них значительно большего ко­личества карбидообразующих элементов (вольфрама, ванадия, молибдена и хрома), существенно повышающих теплостойкость стали.

Обозначения марок быстрорежущих инструментальных сталей со­держат следующие буквы и цифры:

8. цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержа­ние углерода в десятых долях процента;

9. буквы обозначают легирующие элементы: Р - вольфрам, М - мо­либден, Ф - ванадий, А - азот, К - кобальт, Т - титан, Ц - цирконий;

10. цифра, которая стоит за буквой - среднее массовое содержание элемента в процентах;

11. содержание хрома не указывается, так как оно составляет около 4 % во всех сталях;

12. массовое содержание азота указывается в сотых долях процента.

Как было отмечено в п. 8.1, потеря твердости углеродистой инстру­ментальной стали при нагреве выше 200...250°С объясняется интенсивной коагуляцией карбида железа, выделяющегося из мартенсита. Введение в сталь вольфрама, ванадия, молибдена и хрома в определенных количествах и сочетаниях приводит к образованию сложных карбидов, связывающих почти весь углерод, в результате чего процесс коагуляции карбидов начи­нает происходить при значительно более высоких температурах и тепло­стойкость стали возрастает.

Теплостойкость высоколегированных сталей превышает Θ = 600°С.

Термообработка быстрорежущих сталей производится нагревом под закалку до температур порядка 1 300°С, охлаждением в масле в последующим троекратным отпуском при температурах 550...580°С. Высокие закалочные температуры способствуют растворению достаточного количества сложных карбидов и предельному насыщению аустенита углеродом илегирующими элементами. При отпуске происходит частичный распад: твердого раствора, превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных частиц карбидов, приводящее к повышению твердости

По сравнению с углеродистыми и легированными инструментальными сталями быстрорежущие стали имеют более высокую твердеть, прочность, теплостойкость и износостойкость, сопротивление малым пла­стическим деформациям и обладают хорошей прокаливаемостью. Высокая теплостойкость быстрорежущих сталей позволяет инструментам, изготов­ленным из них, работать со скоростями резания в 2,5...3,0 раза более вы­сокими, чем те, которые при равной стойкости допускают углеродистые инструменты.

По уровню теплостойкости быстрорежущие стали разделяются на две группы: первая группа - стали нормальной теплостойкости (Р18, Р9, P12, Р6М3 и Р6М5); вторая группа - стали повышенной теплостойкости с повы­шенным содержанием ванадия (Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5, Р12ФЗ, Р18М5Ф2л кобальта (Р9К5, Р9К10), а также высоколегированные безуглеродястые стали и сплавы.

Содержание легирующих элементов в сталях нормальной тепло­стойкости (сталях первой группы) следующее:

13. в сталях Р18, Р9, Р12-углерода 0,7...0,9%, вольфрама 19,0...8,5% (это цифра, стоящая в обозначении), молибдена 1 %, ванадия 1,0...2,6%;

14. в сталях Р6МЗ и Р6М5 - углерода 0,80...0,95 %, вольфрама 5,5...6,5 % (первая цифра в обозначении), молибдена 3,0...5,5 % (вторая цифра в обозначении), ванадия 2,0...2,5 %.

Критическая температура сталей первой группы при резаная Θ = 600°С.

Рассмотрим стали нормальной теплостойкости более подробно.

Сталь P18 обладает хорошими прочностными свойствами, а инст­румент, выполненный из нее, легко шлифуется и при термической обра­ботке малочувствителен к перегреву.

Основным недостатком стали Р18 является большое количество избы­точных карбидов, приводящее к значительной карбидной неоднородности. Карбидную неоднородность характеризуют карбидным баллом от 1 до 10: балл 1 соответствует равномерному распределению карбидов, балл 10 - литой структуре стали. Карбидная неоднородность вызывает неравномер­ное распределение легирующих элементов после закалки и отпуска, способствует возникновению закалочных трещин и дает склонность к выкрашиванию лезвий. Для уменьшения карбидной неоднородности заготовку инструмента подвергают неоднократной проковке, устраняющей литую структуру стали.

Стали Р9 и Р12 имеют в своем составе меньшее содержание вольф­рама, что компенсируется увеличением содержания ванадия, в связи с чем, к примеру, сталь Р9 в 2 раза дешевле стали Р18. Меньшее содержание вольфрама в этих сталях снижает их карбидную неоднородность по срав­нению со сталью Р18 на 2 балла.

Главным недостатком стали Р9 является ее плохая шлифуемость вследствие увеличения твердых карбидов ванадия, что служит причиной появления прижогов при заточке инструментов. Увеличение содержания вольфрама снижает ее теплопроводность, поэтому сталь Р9 более тепло­проводна, чем сталь Р18. А при режимах резания с интенсивным тепловы­делением инструмент из стали Р9 имеет более высокую стойкость благо­даря лучшему отводу тепла из зоны резания.

Сталь Р12 имеет наилучшее сочетание теплостойкости и прочности. Теплостойкость стали Р12 ниже, чем стали Р18, а прочность - выше. Шлифуемость стали Р12 почти такая же, как у стали Р18.

В сталях Р6МЗ и Р6М5 при снижении содержания вольфрама повы­шено содержание молибдена. Молибден является химическим аналогом вольфрама и на структурные превращения в быстрорежущей стали влияет так же, как и вольфрам. Увеличение содержания молибдена повышает теп­лопроводность стали, несколько снижая ее теплостойкость. Однако по прочности вольфрамомолибденовые стали превосходят сталь Р18. Они бо­лее пластичны и куются лучше, чем вольфрамовые стали, а их карбидная неоднородность на 2 балла ниже, чем у стали Р18. Стали Р6МЗ и Р6М5 целесообразно применять для изготовления инструментов, работающих при невысоких скоростях резания, но с большими сечениями срезаемого слоя, т. е. при тяжелом, силовом режиме.

Содержание легирующих элементов в составе быстрорежущих ста­лей повышенной теплостойкости (стали второй группы) следующее:

15. у ванадиевых сталей Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5, Р12ФЗ, Р18М5Ф2 - вольфрама 13... 19 % (первая цифра, стоящая в обозначении марки), мо­либдена 0,5...1,0 %, хрома 3,8...4,6 %, ванадия 1,8...5,1 % (это вторая цифра в обозначении марки);

16. у кобальтовых сталей Р9К5, Р9К10 - вольфрама 9,0... 10,5 % (это первая цифра в обозначении марки), молибдена до 1 %, ванадия 2,0...2,6 Ч, кобальта 5,0... 10,5 % (вторая цифра в обозначении марки).

Для ванадиевых сталей Р18Ф2. Р14Ф4, Р9Ф5 увеличение содержания ванадия в мартенсите повышает их вторичную твердость, теплостойкость и сопротивление малым пластическим деформациям. Поэтому ванадиевые ста­ли более твердые и теплостойкие, чем сталь Р18. Твердость ванадиевых ста­лей составляет HRC 66. ..67; критическая температура в Θ = 625…635°С.

Выделение карбидов ванадия при отпуске снижает прочность и вязкость ванадиевых сталей, делая их по сравнению со сталью P18 менее прочными. Большим недостатком ванадиевых сталей является их плохая шлифуемость, которая ухудшается с увеличением содержания твердых и малотеплопроводных карбидов ванадия.

У кобальтовых сталей Р9К5, Р9К10, в противоположность вольфраму, ванадию, молибдену и хрому, кобальт, входящий в состав стада карбидов не образует. Однако кобальт является элементом, наиболее сильно увеличивающим твердость и теплостойкость стали, в связи с тем, что образует в ее структуре интерметаллиды в дисперсном состоянии. После закалки и отпуска твердость стали Р9К5 HRC 65...66, твердость стали P9K10-HRC 67...68.

Весьма ценным свойством кобальта является его повышенная теплопроводность. Увеличение содержания кобальта до 5 % увеличивает тепло­проводность стали сильнее, чем введение молибдена в таком же количестве. Кобальтовые стали являются наиболее теплостойкими: их теплостойкость равна Θ = 640…670°С. Считается, что при увеличении содержания кобальта на 1 % можно повысить скорость резания инструмента также на 1 %. Шли­фуемость кобальтовых сталей лучше, чем ванадиевых.

К недостаткам кобальтовых сталей следует отнести пониженную по сравнению с ванадиевыми сталями механическую прочность и повышен­ную хрупкость. Кобальтовая сталь склонна к обезуглероживанию и является наиболее дорогой, ее стоимость в 2 раза превышаетстоимость стали Р18. Однако вследствие высокой теплостойкости и износостойко­сти стоимость обработки инструментами из кобальтовых сталей ниже, чем при использовании других быстрорежущих сталей.

По сравнению со сталями нормальной теплостойкости ванадиевые и кобальтовые стали допускают более высокие скорости резания, но из-за пониженной прочности инструменты из них должны работать при мень­ших сечениях срезаемого слоя.

Малая теплопроводность ванадиевых сталей по сравнению с кобаль­товыми делает их применение выгодным при резании с относительно не­высокими скоростями, при которых температура резания не превышает 400°С. В этом случае ванадиевые стали имеют значительно большую из­носостойкость, чем стали Р18 и Р9.

Кобальтовые стали целесообразно применять при более высоких скоростях резания, когда высокая теплопроводность этих сталей становит­ся особенно полезной. При обработке аустенитных сталей и сплавов, обла­дающих низкой теплопроводностью, более высокая теплопроводность ко­бальтовых сталей имеет решающее значение и по производительности эти стали значительно превосходят ванадиевые.

Влияние рода инструментального материала при расчете скорости резания учитывается поправочным скоростным коэффициентом К_и. При обработке углеродистых конструкционных сталей и чугунов этот коэффи­циент имеет следующие значения: для стали У12А К_и =0,50; стали 9ХС К_и =0,60; сталей Р18 и Р9 К_и =1,00; стали Р9 К_и =1,08; сталей Р9Ф5 и Р9К10 К_и =1,10; стали Р14Ф4 К_и =1,15.

Высоколегированные безуглеродястые стали и сплавы Р18М3К25, Р18М7К25, Р10М5К25, Р6М5Ф3, Р18М5Ф2, Р9М4К8, Р2АМ9К5, Р6М5К5 имеют в своем составе углерод (< 0,06 %) хром и титан (0,2 %), ванадий (0,5 %), вольфрам (первая цифра в обозначении марки), молибден (вторая цифра в обозначении марки), кобальт и ванадий (третья цифра в обозначении марки). Закалка при температуре 1 300°С и отпуск при температура 600°С обеспечивает дисперсионное твердение сплавов, повышающее твердость до HRC 68...69.

Теплостойкость высоколегированных безугдеродистых сталей и сплавов достигает Θ = 700…720°С. Высокая теплостойкость сплавов бла­годаря содержанию в них молибдена сочетается с удовлетворительной прочностью.

Применение сплавов высокой теплостойкости особенно целесооб­разно при резании труднообрабатываемых материалов (жаропрочных сталей и сплавов, высокомарганцовистых сталей, титановых сплавов), при об­работке которых скорость резания со сравнению со сталью Р18 может быть повышена в 1,5...2,0 раза.

Необходимо отметить, что вследствие повышенной стоимости большинства марок ванадиевых, кобальтовых сталей и сплавов следует применять их только при обработке высокопрочных и труднообрабатываемых материалов. Их использование при обработке углеродистых и умеренно легированных конструкционных материалов в экономическом отношении нецелесообразно.

Из быстрорежущих сталей изготовляют фасонные резцы, винтовые сверла, зенкеры, развертки, метчики, плашки, винторезные головки, ци­линдрические, осевые и концевые фрезы, фасонные и резьбовые фрезы, червячно-модульные и червячно-шлицевые фрезы, зуборезные долбяки, шеверы, протяжки.

Таким образом, достаточно высокая теплостойкость быстрорежущих сталей (600...720°С), хорошие режущие и технологические свойства яв­ляются причиной их широкого применения при изготовлении самых раз­нообразных инструментов.

24. Как маркируются и каковы состав, теплостойкость и области применения твёрдых сплавов (металлокерамика) как инструментальных материалов?

Исходными материалами для изготовления твердых сплавов метода­ми порошковой металлургии являются порошки карбидов тугоплавких ме­таллов: вольфрама, титана, тантала и не образующего карбидов кобальта (табл. 8.1).

Порошки смешивают в определенных пропорциях, прессуют в фор­мах и спекают при температуре 1500...2000°С. При спекании твердые сплавы приобретают высокую твердость и в дополнительной термической обработке уже не нуждаются. Карбиды вольфрама, титана и тантала обла­дают высокой тугоплавкостью. Они образуют твердый режущий скелет сплава.

По сравнению с ними кобальт значительно мягче, а потому в сплаве кобальта является связкой, цементирующей режущий скелет. Чем больше в сплаве карбидов вольфрама, титана, тантала, тем выше твердость и теплостойкость сплава и ниже его механическая прочность. А при увеличении содержания кобальта твердость и теплостойкость сплава снижается, но возрастает прочность.

Таблица 8.1

Компонент сплава	Температура плавления, °С	Микротвердость, МПа
WC
TiC
TaC
Co

Твердые сплавы для изготовления режущих инструментов поставляют в виде пластинок определенной формы и размеров. Эти пластинки твердых сплавов присоединяют к корпусу инструментов пайкой иди с помощью разнообразных устройств механического крепления (винтов, на­кладок, клиньев и т. п.).

Различают следующие группы твердых сплавов: вольфрамовые, титано-вольфрамовые, титано-тантало-вольфрамовые и безвольфрамовые. В зависимости от состава карбидной фазы и связки, обозначения, твердых сплавов включают буквы, характеризующие карбидообразуюше элементы: В - вольфрам, Т - титан, вторая буква Т - тантал, К - кобальт (связка)

В состав вольфрамовых (однокарбидных) сплавов ВКЗ, ВК3М, ВК4, ВК4В, ВК6, ВК6-М, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК 10М, BK10OM, BKI5 входят карбид вольфрама и кобальт (цифра в обозначении марки сплава показы­вает его процентное содержание). Структура вольфрамовых сплавав со­стоит из твердого раствора кобальта и карбида вольфрама, а также избы­точных свободных кристаллов карбида вольфрама

Теплостойкость этих сплавов составляет Θ = 800...850°С.

Состав титано-вол ъфрамовых (двухкарбидных) сплавов Т30К4, Т15К6, Т14К8, T5K10, Т15К12В включает карбид вольфрама, карбид тита­на (первая цифра в обозначении марки сплава показывает его процентное содержание) и кобальт (вторая цифра в обозначении марки сплава определяет его процентное содержание).

Структура титано-вольфрамовых сплавов несколько иная, чем вольфрамовых. Карбид вольфрама почти не растворяет титан, в то время как вольфрам интенсивно растворяется в карбиде титана. Поэтому данные сплавы имеют структуру, состоящую из твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана, твердого раствора кобальта в карбидах и избыточных кристаллов карбидов вольфрама. А если в сплаве более 15 % карбида титана, то весь вольфрам растворяется в карбиде титана и структура сплава состоит из твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана и кобальта.

Теплостойкость титано-вольфрамовых сплавов составляет Θ = 800...900°С.

Твердость и теплостойкость титано-вольфрамовых сплавов вышечем вольфрамовых, причем твердость этих сплавов возрастает с увели чением содержания карбидов титана и вольфрама и уменьшением содержания кобальта. Увеличение твердости и теплостойкости титано-вольфрамовых сплавов сопровождается снижением их прочности на изгиб и удар вой вязкости.

Основным преимуществом двухкарбидных и однокарбидных твер­дых сплавов по сравнению с быстрорежущей сталью является их значи­тельно более высокие твердость и теплостойкость, обеспечивающие повышенную износостойкость инструментов при высоких скоростях резания при равных периодах стойкости скорость резания для твердосплавных ин­струментов можно назначить в 3...5 раз более высокой, чем для инстру­ментов из быстрорежущих сталей.

Но по ряду показателей твердые сплавы все-таки уступают быстро­режущим сталям. В первую очередь это относится к прочности на изгиб и ударной вязкости. Предел прочности на изгиб твердых сплавов в среднем в 2,5 раза ниже, чем у стали Р18, а их ударная вязкость по сравнению со сталью Р18 значительно меньше: для вольфрамовых сплавов - в 1,5 раза, а для титано-вольфрамовых - в 3 раза. Поэтому твердосплавные инструмен­ты более склонны к авариям при тяжелом силовом режиме, ударном при­ложении нагрузки и малой жесткости системы ЗИПС.

Повышенная хрупкость твердых сплавов сочетается с высокой чув­ствительностью к местному перегреву и циклическому изменению тепло­вой нагрузки, что особенно негативно влияет на работу инструментов при прерывистом резании. Периодически повторяющееся возрастание темпе­ратуры при рабочем ходе лезвия и ее снижение при холостом ходе приво­дят к появлению усталостного износа твердого сплава.

При конструировании лезвия режущий клин твердосплавного инст­румента должен быть таким, чтобы действующие на инструмент нагрузки создавали в клине преобладающие напряжения не изгиба, а сжатии, кото­рые твердый сплав, как всякий хрупкий материал, воспринимает лучше.

При эксплуатации твердосплавные инструменты должны работать с меньшими подачами, чем быстрорежущие.

В состав титано-тантало-вольфрамовых (трехкарбидных) сплавов ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б входят карбид вольфрама, карбид титана, кар­бид тантала и кобальт.

Теплостойкость этих сплавов составляет Θ = 750°С.

Трехкарбидные титано-тантало-вольфрамовые сплавы, уступая сплавам предыдущей группы по теплостойкости, превосходят их по прочности. Так, скорость резания, допускаемая сплавом ТТ7К12 при малых сечениях срезаемого слоя в 1,5 раза ниже скорости резания для сплава T5K10.

Выбор группы вольфрамасодержащего твердого сплава при конструировании инструментов определяется родом и механическими свойствами материала обрабатываемой заготовки, а также условием работы:

¾ обработка хрупких материалов (чугунов) по сравнению с обработкой пластичных материалов (сталей, сплавов) характерна меньшими температурами резания. Поэтому при обработке чугуна используют менее теплостойкие, но более дешевые однокарбидные сплавы. Они также применяются при резании мягких цветных металлов, обработка которых сопровождается малой интенсивностью тепловыделения;

¾ при резании конструкционных углеродистых и легированных сталей и сплавов, когда температура резания высока, целесообразнееиспользовать более теплостойкие и износостойкие двухкарбидных твердые сплавы;

¾ трехкарбидные твердые сплавы являются универсальными и их можно использовать при обработке, как сталей, так и чугуна. Основная об­ласть их применения - это резание с очень большими сечениями срезаемого слоя (точение и строгание) и обработка с тяжелыми ударами. В этих случаях повышенная прочность титано-тантало-вольфрамовых сплавов компенсирует их пониженную теплостойкость.

При выборе марки твердого сплава в рамках каждой группы необхо­димо руководствоваться следующим основным правилом: чем тяжелее условия работы инструмента в силовом отношении, тем больше кобальта должен содержать сплав, и чем легче силовой режим, чем больше в сплавах должно содержаться карбидов титана и вольфрама.

Рассмотрим далее твердые сплавы, не содержащие вольфрама

Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) TM1, ТМЗ, ТН20, KНТ16, ТНЗО, ТН40, КНТ12, КНТ20, КНТ30, ЛЦК20 - это сплавы на основе карбида, карбонитрида титана, карбида хрома, титанониобиевого карбид, циркония и др., которые превосходят по твердости монокарбид вольфрама. Цементирующими компонентами в них являются никелемолибденовый сплав, никель, молибден и кобальт.

Безвольфрамовые твердые сплавы по сравнению с вольфрамовыми сплавами имеют меньшую прочность на изгиб, но отличаются повышенной теплостойкостью (Θ = 1000°С.) и низкой схватываемостью с обрабатываемыми материалами. Они обрабатывают стали практически без наростообразования.

Эти сплавы применяются для изготовления сменных многогранных пластин, которыми оснащаются режущие инструменты.

Номенклатура инструментов, изготовляемых из твердых сплавов, как монолитных, так и сборных, с применением сменных пластан весьма широка: резцы всевозможных типов (проходные, подрезные, отрезные, расточные), фасонные резцы с несложным фасонным контуром, сверла