Основные требования к инструментальным материалам следующие:

Инструментальный материал должен иметь высокую твердость в состоянии поставки или достигаемую в результате его термической обработки – не менее 63…66 HRCпо Роквеллу.

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.

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

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.

Инструментальный материал должен обладать технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей – это хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные особенности термической обработки; хорошая шлифуемость после термической обработки. Для твердых сплавов особое значение приобретает хорошая шлифуемость, а также отсутствие трещин и других дефектов, возникающих в твердом сплаве после припайки пластин, при шлифовании и заточке инструмента.

16 Виды инструментальных материалов и области их применения.

Ранее всех материалов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А … У13, У 13А. Кроме железа они содержат 0,2…0,4 % марганца, обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но их теплостойкость невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200…250С) их твердость резко уменьшается.

Легированные инструментальные стали по своему химическому составу отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца, или наличием одного или нескольких легирующих элементов: хрома (увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость материала, понижает его пластичность); никеля (повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, прокаливаемость материала); вольфрама (повышает твердость и теплостойкость материала); ванадия (повышает твердость и прочность материала, способствует образованию мелкозернистой структуры); кобальта (увеличивает ударную вязкость и жаропрочность материала); молибдена (повышает упругость, прочность, теплостойкость материала). Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонностью к короблению, но теплостойкость их практически равна теплостойкости углеродистых сталей 350…400С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, развертки).

Быстрорежущие инструментальные стали. Из группы высоколегированных сталей для изготовления режущих инструментов используются быстрорежущие стали с высоким содержанием вольфрама, молибдена, кобальта, ванадия. Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы.

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовые Р18, Р12, Р9 и вольфрамомолибденовые Р6М5, Р6М3, Р8М3. Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63…66HRC, предел прочности при изгибе 2900…3400Мпа, ударную вязкость 2,.7…4,8 Дж/м 2 и теплостойкость 600…650С. Они используются при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс. Иногда применяются быстрорежущие стали, дополнительно легированные азотом (Р6АМ5, Р18А и др.), которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает режущие свойства инструмента на 20…30%, твердость – на 1 – 2 единицыHRC.

Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода – 10Р8М3, 10Р6М5; ванадия – Р12Ф3, Р2М3Ф8; Р9Ф5; кобальта – Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9К5, Р9К10, Р9М4К8Ф, 10Р6М5Ф2К8 и др.

Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 66…70HRC, 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.

Стали высокой теплостойкости характеризуются пониженным содержанием углерода, но весьма большим количеством легирующих элементов – В11М7К23, В14М7К25, 3В20К20Х4Ф. Они имеют твердость 69…70HRC, 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).

Твердые сплавы. Эти сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин или коронок. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрамаWC, титанаTiC, танталаTaCи ниобияNbC, мельчайшие частицы которых соединены посредством сравнительно мягких и менее тугоплавких кобальта или никеля в смеси с молибденом.

Твердые сплавы имеют высокую твердость – 88…92 HRA(72…76HRC) и теплостойкость до 850…1000С. Это позволяет работать со скоростями резания в 3 – 4 раза большими, чем инструментами из быстрорежущих сталей.

Применяемые в настоящее время твердые сплавы делятся:

на вольфрамовые сплавы группы ВК: ВК3, ВК3-М, ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8 и др. В условном обозначении цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, обозначение ВК8 показывает, что в нем 8% кобальта и 92% карбидов вольфрама. Буквами М и ОМ обозначается мелкозернистая и особо мелкозернистая структура;

на титановольфрамовые сплавы группы ТК: Т5К10, Т15К6, Т14К8, Т30К4, Т60К6 и др. В условном обозначении цифра, стоящая после буквы Т, показывает процентное содержание карбидов титана, после буквы К – кобальта, остальное – карбиды вольфрама;

на титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9и др. В условном обозначении цифры, стоящие после буквы Т, показывают процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К – кобальта, остальное – карбиды вольфрама;

на безвольфрамовые твердые сплавы ТМ-1, ТМ-3, ТН-20, КНТ-16, ТС20ХН. Обозначения условные.

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).

Сплавы группы ТК имеют более высокую теплостойкость, чем сплавы ВК. Они 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 не высокими температурами в зоне резания. Их также используют 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. 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. Однако температура теплостойкости этих сплавов ниже, чем у двух карбидных.

Особомелкозернистые твердые сплавы применяют для обработки материалов с большой истирающей способностью. Их применяют для чистовой и получистовой обработки деталей из высокопрочных вязких сталей с повышенной склонностью к наклепу.

Сплавы с низким содержанием кобальта (Т30К4, ВК3, ВК4) применяют на чистовых операциях, с большим содержанием кобальта (ВК8, Т14К8, Т5К10) используют на черновых операциях.

Минералокерамика. Ее основу составляют оксиды алюминияAl 2 О 3 с небольшой добавкой (0,5…1%) оксида магнияMgO. Высокая твердость, теплостойкость до 1200С, химическая инертность к металлам, сопротивление окислению во многом превосходят эти же параметры твердых сплавов, но уступает по теплопроводности и имеет более низкий предел прочности на изгиб.

Высокие режущие свойства 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.

Сверхтвердые инструментальные материалы (СТМ) – наиболее перспективные – это синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза или нитрида бора.

Для алмазов характерны высокая твердость и износостойкость. По абсолютной твердости алмаз в 4-5 раз тверже твердых сплавов и в десятки и в сотни раз превышает износостойкость других инструментальных материалов при обработке цветных сплавов и пластмасс. Вследствие высокой теплопроводности алмазы лучше отводят теплоту из зоны резания, однако, из-за их хрупкости область их применения сильно ограничена. Существенный недостаток алмаза – при повышенной температуре он вступает в химическую реакцию с железом и теряет работоспособность.

Поэтому были созданы новые сверхтвердые материалы, химически инертные к алмазу. Технология получения их близка к технологии получения алмазов, но в качестве исходного вещества использовался не графит, а нитрид бора.

Лабораторная работа № 9

Применение инструментальных материалов»

Цель работы

Теоретический материал

Классификация инструментальных материалов

Инструментальными называют углеродистые и легированные инструментальные стали, а также твердые сплавы, обладающие высокой прочностью, износостойкостью, теплостойкостью.

Они предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования.

Для режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы и др.) применяются заэвтектоидные стали, структура которых после термообработки (закалка и низкий отпуск) мартенсит и избыточные карбиды.

Для инструментов, требующих повышенной вязкости (штампы горячего деформирования), применяют доэвтектоидные стали, которые после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температуре для получения структуры троостита.

Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов), кроме высокой твердости, износостойкости, должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Измерительный инструмент подвергают закалке в масле с целью получения минимального количества остаточного аустенита.

Материалы для режущих инструментов

Условия работы инструментов зависят от режимов резания (скорости, подачи и глубины снимаемой стружки) и свойств обрабатываемого материала – от твердости и вязкости.

Эти стали по теплостойкости подразделяются на три группы:

Не обладающие теплостойкостью (способность сохранять твердость при длительном нагреве) углеродистые и низколегированные стали (рабочие температуры до 200 0);

Полутеплостойкие (400 0 –500 0), содержащие свыше 0,6–0,7 % С и 4–18 % хрома;

Теплостойкие (до 550 0 –650 0) высоколегированные стали, содержащие хром, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт (650 0 –800 0).

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали - У7А, У8А…У13А.

Эти стали используют в качестве режущего инструмента для резания материалов с малой скоростью, так как их твердость падает при нагреве 190 0 –200 0 С.

Маркировка

Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой «У» (углеродистая), следующая за ней цифра У9, У10…У13 показывает среднее содержание цементита в десятых долях процента. Буква «А» в конце У10А указывает, что сталь высококачественная (содержание примесей серы < 0,04 % S и фосфора < 0,035 % P).

Например, У12А.

У – углеродистая инструментальная 12–1,2 % С, А – высококачественная.

Применение

Стали У7, У8, У9, обеспечивающие более высокую вязкость (по сравнению со сталями У10, У11, У 12), применяют для инструментов, подвергающихся ударам: зубила, долото, стамески. Твердость таких материалов после закалки и последующего отпуска при Т н =280…325 о HRC 48–58 и имеет структуру отпущенный троосто-мартенсит (в первом случае), или троостит (во втором случае).

Режущие инструменты (мелкие метчики, сверла, напильники, развертки) изготавливают из заэвтектоидных сталей У10, У11, У12 и У13.

Такие инструменты обладают повышенной износостойкостью и твердостью (HRC 60–64 на рабочих гранях). Но твердость падает при нагреве свыше 200 0 . В связи с этим инструменты из этих сталей пригодны для небольших скоростей резания.

Низколегированные стали

Эти стали, содержат до 5 % легирующих элементов, таблице 1, которые вводят для увеличения закаливаемости, уменьшения деформаций.

Таблица 1

Химический состав наиболее применяемых низколегированных

инструментальных сталей (ГОСТ 5950 – 73, ГОСТ 1263 – 73)

Структура низколегированных инструментальных сталей (мартенсит и избыточный карбид) обеспечивает высокую твердость (62–69 HRC) и износостойкость. Но из-за низкой теплостойкости имеет практически одинаковые с углеродистыми сталями эксплутационные свойства. В отличие от углеродистых эти стали менее склонны к перегреву и позволяют изготавливать инструменты больших размеров и сложной формы.

Маркировка

Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543 – 71 принято обозначать хром – Х, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, вольфрам – В, титан – Т, ванадий – Ф, алюминий – Ю, медь – Д, бор – Р, кобальт – К. Цифра, стоящая после буквы, указывает на среднее содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента меньше или около одного процента. Цифра в начале марки стали, показывает содержание цементита в десятых долях процента.

Например, 9ХС – цементита (в среднем) 0,9 %, Х – хром – 1 %, С – кремний – 1 %

Применение

Сталь ХВ4 отличается высокой твердостью и износостойкостью (67– 69 HRC) и применяется для чистовой обработки твердых материалов. Эту сталь называют алмазной.

Сталь 9ХС имеет более высокую устойчивость к разупрочнению (по сравнению со сталью Х) при нагреве до 260 о. Ее применяют для изготовления фрез, сверл, резьбонарезных инструментов (HRC – 62…65).

Стали ХВГ, ХВТ (имеет малую деформацию при закалке) применяют для длинных стержневых инструментов: сверла, развертки, протяжки (HRC – 62…65).

Сложнолегированная сталь ХВСГ отличается высокой твердостью, износостойкостью, из нее изготавливают инструменты большего поперечного сечения (до 100 мм): фрезы, сверла и др (HRC – 63…64).

Высоколегированные инструментальные стали

(быстрорежущие стали)

К этой группе относятся быстрорежущие стали, предназначенные для изготовления инструментов высокой производительности. Основное свойство этих сталей – высокая теплостойкость (обеспечивается введением большого количества вольфрама, молибдена, хрома, ванадия).

Инструменты из этой стали, сохраняют высокую твердость до 600 о и допускают в 2–4 раза более производительные режимы резания. По сравнению с углеродистыми и низколегированными по уровню допустимых скоростей обработки резанием быстрорежущие стали, делятся на две группы: нормальной и повышенной производительности.

К группе сталей нормальной производительности относятся вольфрамовые (Р18, Р12, Р9, Р9Ф5) и вольфрамомолибденовые (Р6М3, Р6М5). Теплостойкость до 600 о.

К группе сталей повышенной производительности относятся стали, содержащие кобальт и повышенное количество ванадия (Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5). Они превосходят стали первой группы по теплостойкости (630 0 –640 0), но уступают им по прочности и пластичности.

Механические свойства некоторых быстрорежущих сталей приведен в таблице 2.

Таблица 2

Маркировка

Быстрорежущие стали обозначают буквой «Р», после которой стоит число, указывающее содержание (основного легирующего элемента) вольфрама в процентах. Содержание ванадия до 2 % и хрома до 4 % (во всех сталях) в марке не указывается. Стали, легированные дополнительно молибденом, кобальтом или имеющие повышенное количество ванадия, содержат в марке буквы М, К, Ф и числа, показывающие их содержание в %.

Например, Р10К5Ф5 – углерод в среднем 0,9–1,2 %, вольфрам 10 %, кобальт 5 %, ванадий 5 %.

Для устранения неоднородности структуры быстрорежущей стали применяют технологию порошковой металлургии. Эти стали (Р6М5Ф3 – МП; Р12МФ5 – МП и др.) имеют повышенное содержание углерода (1,2–1,75%) и ванадия (2,3–3,7%). Буквы МП указывают, что инструмент изготовлен методом порошковой металлургии (что обеспечивает повышение его теплостойкости в 1,5 раза).

Применение

Быстрорежущие стали применяют для изготовления фасонных токарных резцов, сверл, фрез, протяжек, метчиков и др.

Таблица 3

Твердые сплавы

К твердым сплавам относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой. Они предназначены для изготовления режущих инструментов.

Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с кобальтом, выполняющим роль связки, прессуют и спекают при 1400 0 –1550 0 С.

Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащают режущие части инструмента. Такие инструменты сочетают высокую твердость (74–76 НRC) с высокой теплостойкостью (800 0 –1000 0 С). По своим эксплуатационным свойствам они превосходят инструменты из быстрорежущих сталей и применяются для резания с высокими скоростями.

В зависимости от состава карбидной основы порошковые сплавы выпускают трех групп, таблица 4.

Первую группу (однокарбидную-вольфрамовую) составляют сплавы системы карбид–вольфрама–кобальт (WC–Co), теплостойкость до 800 0 С.

Вторую (двухкарбидную–титановольфрамовую) группу образуют системы ТС–WC–Cо. Сплавы отличаются более высокой, чем у сплавов первой группы, теплостойкостью (900 0 –1000 0 С).

Третью группу (трехкарбидную – титанотанталовольфрамовую) группу образуют системы Tic–TaC–WC–Co. От сплавов предыдущих групп они отличаются большей прочностью и сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию.

Таблица 4

Маркировка

Твердые сплавы маркируют:

Сплавы вольфрамовой группы ВК3, ВК6, ВК25. Цифры, стоящие после буквы К, означают содержание кобальта в %, остальное карбиды вольфрама.

Например, ВК 6 – кобальт 6 %, карбида вольфрама остальные 94 %.

Титановольфрамовой группы Т15К6, Т5К10. К – кобальт, Т – карбиды титана.

Например, Т5 К10 – кобальта 10 %, карбидов титана– 5 %, остальное – карбиды вольфрама – 85 %.

Титанотанталовольфрамовой группы ТТ7 К 12, ТТ8 К6.

Например, ТТ7 К12.

К – кобальта 12 %, ТТ7 – суммарное значение карбидов тантала и титана 7 %, остальное – карбиды вольфрама – 81 %.

Применение

Сплавы В3, ВК8 применяют для режущих инструментов (токарные резцы, сверла, фрезы) при обработке чугунов, медных сплавов, а также фарфора, керамики и др.

Сплавы ВК10, ВК15, обладающие (из-за повышенного содержания кобальта (10–15 %)) более высокой вязкостью используют для волочильных и буровых инструментов. Сплавы с высоким содержанием кобальта (ВК20, ВК25) применяют для изготовления штампового инструмента – пуансонов, матриц.

Сплавы второй группы Т15К6, Т30 К4 применяют для инструментов (фасонные резцы, фрезы, протяжки) высокоскоростного резания твердых сталей.

Сплавы третьей группы ТТ7К12, ТТ8К6 применяют для инструментов при наиболее тяжелых условиях резания (черновая обработка слитков, отливок, поковок).

Сверхтвердые сплавы

К сверхтвердым материалам относятся алмазы, твердость которых 10000 НV, тогда как быстрорежущей стали 1300 HV и в шесть раз превосходят твердость карбида вольфрама.

Применение имеют синтетические алмазы. Нитрид BN – называемый кубическим нитридом бора. В зависимости от технологии его выпускают под названием – эльбор, эльбор – Р, боразон.

По твердости BN – не уступает алмазу (9000HV), но значительно превосходит по теплостойкости (алмаз – 800 0 С, нитрид бора – 1200 0 С).

Применение

Алмазными инструментами (протяжки, фрезы, развертки) обрабатывают цветные сплавы, пластмассы, керамику, обеспечивая при этом низкую степень шероховатости поверхности.

Эльбор, баразон применяют для изготовления инструментов (разверток, шлифовальных кругов и др.) для закаленных, цементированных (труднообрабатываемых) сталей. При этом высокоскоростное точение (фасонными резцами) закаленных сталей заменяет процесс шлифования.

Маркировка

ХГ, ХВГ, 9ХС – маркируют аналогично легированным инструментальным сталям.

Применение

Плоские инструменты (скобы, линейки, шаблоны) изготавливают из сталей 15Х, 20Х, ХГ, ХВГ, 12ХН3А после химикотермической обработки – цементации.

Для изготовления микрометров, калибров и др. (сложной формы и большого размера) применяют азотируемую сталь 38Х2МЮА.

Маркировка

Маркировка осуществляется аналогично углеродистым и легированным инструментальным сталям.

Например: У12 – углеродистая инструментальная сталь, содержание цементита (в среднем) 1,25 %С. 6ХВ2С – углерода – 0,6 %, Х – хром 1 %, В – вольфрам 2 %, С – кремний 1 %.

Применение

Низколегированные стали Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ так же, как и углеродистые У10, У11, У12, используют для вытяжных и высадочных штампов, которые работают при небольших ударных нагрузках.

Высокохромистые стали Х12, Х12М, Х12Ф1 применяют для изготовления крупных инструментов сложной формы: вырубных, обрезных, чеканочных штампов повышенной точности, калибровочных досок, накатных роликов и др.

Стали Х6ВФ, 6ХВ2С – обладающие повышенной вязкостью – используют для инструментов, подвергающихся ударам (зубила, гибочные штампы, обжимные матрицы).

Механические свойства сталей для инструментов холодной обработки давлением представлены в таблице 5.

Таблица 5

Таблица 6

Применение

Стали 5ХНМ, 5ХНВ применяют для изготовления молотовых штампов.

Стали 5ХГМ и 5ХНВС предназначены для изготовления средних штампов или более крупных простой формы (5ХНВС).

1 2 3 4 5

1. Х12 1. У12А 1. ТТ12К8 1. 15Х 1. 5ХНВ

2. 5ХНМ 2. Т15К8 2. Р6М5Ф3-МП 2. ВК25 2. Т15К6

3. Р18 3. ВК8 3. ХВСГ 3. 3Х2В8Ф 3. У12

4. Р5М9 4. 9ХС 4. У13А 4. У10А 4. 4Х5В5МФ

5. ХВГ 5. У8 5. 9ХС 5. Х12М5. Р5М9

6 7 8 9 10

1. Х12 1. Х12Ф1 1. Х6ВФ 1. ВК25 1. У12

2. ТТ7К8 2. Р9 2. У13А 2. 20Х 2. Р18К3Ф2

3. Р18 3. 3Х2В8Ю 3. ХВСГ 3. 9ХС 3. 5ХНМ

4. 4Х2В5Ф 4. У8 4. Р6М5 4. У10А 4. ТТ12К8

5. У7А 5. ВК6 5. Т30К4 5. Р9 5. 4Х5В2ФС

11 12 13 14 15

1. Х6ВФ 1. Р9 1. У13А 1. ХВСГ 1. 9ХС

2. УТА 2. Х12Ф1 2. ХВ4 2. У10 2. Т15К8

3. Р9М5 3. У10А 3. ХВСГ 3. Р5М9 3. У13А

4. Т15К8 4. ВК25 4. Р9 4. ТТ12К6 4. ХВГ

5. Х5В2ФС 5. 3Х2В8Ф 5. ТТ12К8 5. 3Х2В5М3Ф 5. ВК20

16 17 18 19 20

1. У12А 1. Х 1. ХВСГ 1. 48 1. ХВГ

2. ХВГ 2. У9А 2. Р18 2. Р9М5 2. ВК25

3. Р5М9 3. ВК20 3. ТТ12К8 3. Т15К8 3. У10А

4. 9ХС 4. 9ХС 4. У13А 4. 9ХС 4. Р9М5

5. ВК10 5. 6М5Ф3-МП 5.9ХС 5. ХВГ 5. 4Х5В2С

Лабораторная работа № 9

«Классификация, маркировка, свойства и

применение инструментальных материалов»

Цель работы

Изучение классификации, маркировки инструментальных материалов их свойств и областей применения. Привить навыки оценки свойств инструментальных материалов, а также подбора материалов для проектируемых деталей.

Теоретический материал

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 - не менее 63... 66 НRС по Роквеллу (шкала С).

2. При резании металлов выделяется значительное количество теплоты и режущая часть инструмента нагревается. Температура рабочих поверхностей и режущих кромок инструмента 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 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 :

Инструментальные материалы должны иметь высокую твердость, остающуюся достаточной и при высокой температуре, чтобы осуществлять внедрение инструмента в менее твердый конструкционный материал. Твердость должна сохранятся и при высоких температурах, то есть инструментальные материалы должны обладать высокой красностойкостью. Исходя из особенностей нагружения инструментов (консольное закрепление, ударные нагрузки, изгиб, растяжение, сжатие), их основными прочностными показателями считают пределы прочности на кручение, изгиб и сжатие, а также ударную вязкость. Необходимость противостоять интенсивному истиранию ставит задачу создания износостойких инструментальных материалов. Кроме того, они должны быть технологичными и иметь невысокую стоимость.

Углеродистые инструментальные стали марок У7А, У8А, У10А и другие используют для изготовления инструментов с твердостью HRC = 60-62 после термообработки; красностойкость сталей - до 200-250 °С, допустимые скорости резания - 15-18 м/мин. Применяются в производстве напильников, зубил, метчиков, плашек, ножовочных полотен и других инструментов.

Красностойкость легированных инструментальных сталей достигает 250-300 °С, допустимые скорости резания - 15-25 м/мин. Эти стали незначительно деформируются при термической обработке, поэтому из них изготавливают сложные по конфигурации инструменты: плашки, зубила, метчики, развертки, сверла, резцы, фрезы, протяжки и др.

Из быстрорежущих сталей изготавливают режущий инструмент с твердостью HRC = 62-65. После термообработки красностойкость таких сталей сохраняется до 640 °С, скорость резания - до 80 м/мин. Из стали Р9 изготавливают инструменты простой формы (резцы, фрезы, зенкеры и др.), из стали Р18 - сложные инструменты с высокой износостойкостью (метчики, плашки, зуборезный инструмент). Широко распространена быстрорежущая сталь марки Р6М5. Имеются быстрорежущие стали с малым содержанием вольфрама (11АРМЗФ2) или без него (11М5Ф). Все шире применяют инструменты из быстрорежущих сталей с износостойкими покрытиями. Так, тонкие покрытия нитрида титана увеличивают срок службы инструмента в 2-5 раз.

Твердые сплавы , обладающие высокой износостойкостью, твердостью (HRA = 86-92) и красностойкостью (800-1000 °С), пригодны для скоростей обработки до 800 м/мин. Однокарбидные твердые сплавы марок ВК2, ВК4, ВК6, ВК8 имеют хорошее сопротивление ударным нагрузкам, используются для обработки чугунов, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов. Двухкарбидные твердые сплавы марок Т5К10, Т14К18, Т15К6, Т30К4 менее прочны, но более износостойки, чем сплавы первой группы. Находят применение при обработке пластичных и вязких металлов и сплавов, углеродистых и легированных сталей. Трехкарбидный твердый сплав марки ТТ7К12 обладает повышенной прочностью, износостойкостью и вязкостью, его применяют для обработки жаропрочных сталей, титановых сплавов и других труднообрабатываемых материалов.

С целью повышения износостойкости без снижения прочности твердых сплавов используют особо мелкие зерна карбида вольфрама (ВК6-ОМ). Инструменты оснащают также пластинками с тонкими покрытиями (толщиной 5-10 мкм) из износостойких материалов (карбида, нитрида или карбонитрида титана и др.). Это повышает их стойкость в 5-6 раз. Есть и безвольфрамовые твердые сплавы марок ТМ1, ТМЗ, ТН-20, КНТ-16, создаваемые на основе карбидов или других соединений титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов.

Минералокерамика - синтетический материал, основой которого служит глинозем (А1 2 О э), спеченный при температуре 1720-1750 °С. Минералокерамика марки ЦМ-332 характеризуется красностойкостью 1200 °С. Инструменты, приготовленные из этого материала, имеют высокую износостойкость и размерную стабильность, характеризуются отсутствием налипания металла на инструмент; их недостаток - низкая прочность и хрупкость. Пластинки из минералоке- рамики крепят механическим путем или пайкой, предварительно подвергнув их металлизации. С целью улучшения эксплуатационных свойств в минералокерамику добавляют вольфрам, молибден, титан, никель и др. Такие материалы называются керметами. Пластинки из минералокерамики применяют для безударной обработки заготовок из сталей и цветных сплавов.

Находят применение в инструментах и сверхтвердые материалы (СТМ). К ним относятся материалы на основе кубического нитрида бора, композиты. Режущими пластинками из композитов снабжаются резцы и фрезы.

Абразивные материалы представляют собой порошковые мелкозернистые вещества, используемые для производства абразивных инструментов: шлифовальных кругов, лент, брусков, сегментов, головок. Естественные абразивные материалы (наждак, кварцевый песок, корунд) характеризуются значительным разбросом свойств, поэтому применяются редко.

Абразивные инструменты в машиностроении изготавливают из искусственных материалов: электрокорундов, карбидов кремния, карбидов бора, оксида хрома и ряда новых материалов. Все они отличаются высокими свойствами: красностойкостью (1800-2000 °С), износостойкостью и твердостью. Так, микротвердость карбидов бора составляет 43% от микротвердости алмаза, карбидов кремния - 35% и электрокорунда - 25%. Обработку абразивными инструментами ведут на скоростях 15-100 м/с на завершающих этапах технологических процессов по изготовлению деталей машин.

Шлифовальные и полировальные пасты содержат в своем составе оксид хрома. Из новых материалов в качестве абразивов для обработки твердых сплавов используют эльбор, представляющий собой поликристаллические образования на основе нитрида бора кубического или гексагонального строения.

В промышленности широкое распространение получили различные алмазные инструменты. Используют естественные (А) и синтетические (АС) алмазы, отличающиеся высокими твердостью, красностойкостью, износостойкостью и размерной стойкостью. Обработка алмазными инструментами характеризуется высокой точностью, малой шероховатостью поверхности и повышенной производительностью.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

• 1. Какие движения осуществляются рабочими органами станка? Какое из них называют движением резания?
• 2. Какова геометрия токарного проходного резца?
• 3. Какие физические явления сопровождают процесс резания?

Материалы для режущих инструментов 5.00 /5 (100.00%) проголосовало 5

Материалы для режущих инструментов.

Режущая способность инструмента для токарных работ определяется физико-механическими свойствами материала, из которого он изготовлен. К основным свойствам, определяющим работоспособность инструмента относятся твердость, теплостойкость, износостойкость, теплопроводность и адгезионная способность.

Твердость материала, из которого изготовлен инструмент, должна превышать твердость обрабатываемого материала. В связи с тем, что на рабочую часть инструмента действуют значительные силы резания, создающие деформации изгиба, инструментальный материал должен обладать прочностью. На твердость и прочность инструментального материала существенное влияние оказывает соотношение легирующих компонентов и углерода, входящих в их состав в виде карбидов. С увеличением количества карбидов и уменьшением их зернистости твердость и износостойкость инструмента повышается, а прочность понижается.

Теплостойкость инструмента определяется температурой, выше которой снижается твердость и возрастает износ.

Износостойкость инструмента характеризуется сопротивляемостью инструмента истиранию под действием сил трения, возникающих в процессах резания.

Теплопроводность инструмента определяется способностью его отводить возникающее в процессах резания тепло от режущих граней инструмента. Чем выше теплопроводность, тем лучше отводится тепло от режущих кромок, благодаря чему повышается стойкость инструмента.

Адгезионная способность инструментального и обрабатываемого материала характеризуется температурой, при которой происходит налипание обрабатываемого материала на режущие грани инструмента. Она зависит от молекулярных сил, развивающихся при высоких температурах и давлениях в точках контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью. Чем выше температура налипания обрабатываемого материала на инструмент, тем качественней должен быть материал, из которого инструмент изготовлен.

Инструментальные стали.

Инструментальные стали делят на:

• углеродистые;
• легированные;
• быстрорежущие.

Углеродистые инструментальные стали.

Для того, чтобы изготовить режущий инструмент применяют углеродистые стали марки У10А, У11А, У12А и У13А. Буква У означает, что сталь углеродистая инструментальная. Число после буквы указывает, сколько примерно углерода в десятых долях процента содержится в данной стали.

Если в конце названия марки стали есть буква А, то это говорит о том, что сталь относится к группе высококачественных (У10А; У12А).

После закалки и отпуска твердость инструмента из этих сталей составляет HRC 60-64. Однако при нагреве до температуры свыше 220-250°С твердость инструмента резко снижается. Поэтому в настоящее время на токарных станках такой инструмент используется только на работах, связанных с невысокими скоростями резания (некоторые типы метчиков, зенкеров и разверток).

Легированные инструментальные стали.

Легированные инструментальные стали - это такие, в состав которых с целью повышения физико-механических свойств вводятся специальные примеси (легирующие элементы).

При введении хрома, молибдена, вольфрама, ванадия, титана и марганца твердость стали повышается, так как они образуют с углеродом простые или сложные соединения (карбиды), которые обладают высокой твердостью (особенно карбиды вольфрама и ванадия). При этом у стали сохраняется достаточная вязкость. Никель, кобальт, алюминий, медь и кремний, растворяясь в железе, упрочняют сталь.

При соответствующей термообработке инструмент имеет твердость HRC 62-64 и сохраняет ее при нагреве до температуры 250-300°С. Зенкера, развертки, метчики, протяжки изготовляют из сталей марок 9ХС, ХВГ и ХВ5.

Быстрорежущие инструментальные стали.

Быстрорежущие инструментальные стали - это легированные стали со значительным содержанием вольфрама, кобальта, ванадия и молибдена. Они сохраняют полученную после термообработки твердость HRС 62 – 64 при нагреве до температуры 600°, а некоторые марки комплексно легированных сталей сохраняют свою твердость даже при нагреве до температуры 700-720°С.

Эти качества быстрорежущих сталей позволяют увеличивать в процессе обработки скорости резания в два-три раза по сравнению с инструментом, изготовленным из углеродистой и обычной легированной инструментальной стали.

Все марки быстрорежущей стали обозначаются буквой Р (Р9, Р12, Р18), число, проставленное после буквы Р, показывает среднее процентное содержание вольфрама в этой стали.

Широкое применение имеют быстрорежущие стали , содержащие 3-5% молибдена (Р6М3, Р6М5). Эти стали по прочности превосходят сталь Р18, хотя имеют несколько меньшую теплостойкость. Их обычно применяют для инструментов, работающих в условиях тяжелых силовых режимов.

При обработке легированных, жаропрочных и нержавеющих сплавов и сталей эффективно применение быстрорежущих сталей повышенной производительности, в состав которых входит ванадий и кобальт (Р10КФ5, Р18К5Ф2), или комплекснолегированных сталей (марки Р18МЗК25, Р18М7К25 и Р10М5К25). При наличии в стали 10% и более кобальта твердость ее после термообработки составляет 67-68 и сохраняется до температуры нагрева 640 – 720°С.

Быстрорежущие инструментальные стали применяются для изготовления резцов, сверл, зенкеров, разверток, метчиков, плашек и другого инструмента. .

Твердые сплавы.

Твердые сплавы состоят из карбидов тугоплавких металлов, которые равномерно распределены в кобальтовой связке. Их изготовляют методом прессования и спекания. Твердые сплавы имеют высокие показатели плотности и твердости, которая не снижается даже при нагреве до 800- 900°С. По составу твердые сплавы разделяются на три группы:

• вольфрамовые;
• титановольфрамовые;
• титанотантало-вольфрамовые.

Основными марками твердого сплава вольфрамовой группы, применяемыми для изготовления режущего инструмента являются ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК4М, ВК6 ВК6М ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10. В обозначении марки твердого сплава этой группы буква В обозначает группу, буква К и число, следующее за ней - процентное содержание кобальта, являющегося связывающим металлом. Буква М обозначает, что структура сплава мелкозернистая, а буква В - что она крупнозернистая.

Твердые сплавы титановольфрамовой группы.

Твердые сплавы титановольфрамовой группы состоят из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана, избыточных зерен карбида вольфрама и кобальта, являющегося связкой. Основными марками сплава этой группы являются Т5К10, Т5К12, Т14К8, Т15К6. В обозначении сплавов этой группы число после буквы Т показывает процентное содержание карбида титана, а число после буквы К - содержание кобальта в процентах. Остальное в сплаве - карбиды вольфрама.

Твердые сплавы титанотанталовольфрамовой группы.

Твердые сплавы титанотанталовольфрамовой группы состоят из зерен карбидов титана, тантала, вольфрама и связки, в качестве которой также использован кобальт. Марками этой группы сплавов являются ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б и ТТ20К9. В обозначении этой группы сплавов число после букв ТТ показывает содержание карбидов титана и тантала, а число после буквы К - содержание кобальта в процентах.

В зависимости от содержания карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала и кобальта твердые сплавы имеют различные свойства. Чем больше кобальта, тем сплав более вязок и лучше сопротивляется ударной нагрузке. Поэтому для изготовления инструментов, которыми выполняют обдирочные работы, используют сплавы с большим содержанием кобальта. При обработке стали применяют твердые сплавы, содержащие карбид титана, так как на инструмент из этих сплавов стальная стружка меньше налипает.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы.

Согласно ГОСТ 3882 – 74 твердые сплавы группы ВК (вольфрамокобальтовые) рекомендуются для обработки хрупких материалов (чугун, бронза). Сплавы группы ТК (титановольфрамокобальтовые) рекомендуются для обработки вязких материалов (сталь, латунь). Сплавы титанотанталовольфрамовой группы применяются при неблагоприятных условиях работы инструмента с ударными нагрузками, при обработке стальных отливок и поковок.

Минералокерамические материалы.

Минералокерамические материалы для режущего инструмента изготавливают в виде пластинок из окиси алюминия Al 2 O 3 (глинозема) методом прессования под большим давлением с последующим спеканием. Они имеют высокую твердость, температуростойкость (до 1200°С), износостойкость и достаточную прочность на сжатие. К недостаткам этих материалов относится большая хрупкость и малая ударная вязкость. Инструменты, оснащенные минералокерамикой, обычно используются при чистовой обработке при точении с постоянной нагрузкой и в случае отсутствия вибрации.

Синтетические материалы.

Синтетический алмаз характеризуется высокими твердостью и износостойкостью, химически мало активен. Имеет небольшой коэффициент трения и слабую склонность к налипанию стружек обрабатываемого материала. Недостатки алмаза его хрупкость и сравнительно низкая температуростойкость (750-850°). Алмазные резцы применяют для финишной обработки цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Кубический нитрид бора (КНБ) — синтетический сверхтвердый материал (эльбор, кубанит, гексанит) состоящий из соединений бора и азота. Твердость его несколько ниже твердости алмаза, но температуростойкость значительно выше (1200 – 1300°С). Он химически инертен к материалам, содержащим углерод, поэтому при обработке сталей и чугунов его износостойкость значительно выше износостойкости алмазов. Вставками из КНБ оснащаются токарные резцы для обработки закаленной стали и высокопрочных чугунов.