Инструментальные стали и сплавы — литые твердые сплавы
Твердые сплавы - материалы с высокой твердостью, прочностью, режущими и другими свойствами, сохраняющимися при нагреве до высоких температур. Различают литые и спеченные (порошковые) твердые сплавы.
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, а также ряда деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен и др. Часто из таких сталей изготавливают только рабочую (режущую) часть инструмента, а крепежные части выполняют из конструкционных сталей.
Основными потребительскими требованиями к инструментальным сталям являются высокие твердость, износостойкостъ и прочность при высокой (500...800°С) теплостойкости. Кроме эксплуатационных свойств, для инструментальных сталей большое значение имеют технологические свойства: прокаливаемость, малые объемные изменения при закалке, обрабатываемость давлением, резанием, шлифуемостъ.
Необходимые свойства инструментальным сталям придают карбидные фазы, так как именно их присутствие обуславливает высокие прочностные показатели и твердость (рис. 4).
Рис. 4. Влияние содержания хрома и типа карбидов в хромистых сталях на твердость НВ и износостойкостъ при трении по абразиву. Штриховые линии — сплавы, содержащие 0,4% С; сплошные линии — сплавы, содержащие 1% С; 1 - Fe, C; 2 — Cr7 C 3; 3 — Cr23 C 6
Для обеспечения необходимых свойств применяют специальное легирование и термическую обработку. Так обеспечение теплостойкости достигается легированием стали вольфрамом, молибденом, ванадием, а легирование хромом и марганцем повышают ее прокаливаемость.
Термическая обработка инструментальных сталей, как правило, включает закалку и низкий отпуск. В результате такой обработки достигаются твердость стали 60...65 HRC и предел прочности при изгибе s = 250...350 МПа. Режимы термической обработки в зависимости от химического состава сталей и требований к их твердости и прочности установлены ГОСТ 5950-73 и ГОСТ 19265-73.
Инструментальные стали классифицируются (ГОСТ 1435-74 и ГОСТ 5950-73) по основному потребительскому свойству на стали высокой твердости, стали повышенной вязкости и теплостойкие стали. Стали высокой твердости и повышенной вязкости используются как нетеплостойкие.
Инструментальные стали высокой твердости по химическому составу могут быть высокоуглеродистыми (0,68...1,35% С) и низколегированными (Mn, Si, Cr и др.). Структура после термообработки — мартенсит и перлит. Температура эксплуатации для изделий из таких сталей до 190… 225°С; при этом их твердость — 60...68 HRC.
Инструментальные стали высокой твердости (У10… У13, У10А… У13А, 13Х, ХВСГ, 9ХФ, 7ХГ2ВМ и др.) классифицируются по прокаливаемости на стали небольшой, повышенной и высокой прокаливаемости. Величина прокаливаемости определяет размер изделия. Так инструментальные стали небольшой прокаливаемости используют для изготовления тонкого инструмента диаметром менее 12...15 мм, а стали высокой прокаливаемости — для массивного инструмента и инструмента сложной формы.
Стали повышенной вязкости по химическому составу — среднеуглеродистые (0,60...0,74% С), среднелегированные (Mn, Si, Cr и др.). Для изделий из этих сталей температура эксплуатации, как правило, менее 200°С, а их твердость — 62 HRC. Стали повышенной вязкости (У7, У7А, 7ХФ, 6ХС) используются для изготовления инструментов для обработки древесины (пилы, ножи и др.).
Инструментальные теплостойкие стали по температуре эксплуатации в свою очередь делят на собственно теплостойкие (500...800°С) и полутеплостойкие (до 500°С). По химическому составу эти стали являются углеродистыми (0,22...1,65% С), высоколегированными (Мп, Si, Cr, W, Мо и др.).
Теплостойкие стали высокой твердости объединяют в группу так называемых быстрорежущих сталей, маркируемых по ГОСТ 19265-73, буквой Р (режущие). После буквы Р в марке следует цифра, указывающая среднее содержание в процентах вольфрама — главного легирующего элемента этих сталей (буква В — его условное обозначение — пропускается): затем указываются принятыми для обозначения как и в остальных сталях буквами другие легирующие элементы с цифрами, указывающими их содержания в процентах, если это содержание больше 1...2%. В состав всех быстрорежущих сталей непременно входят углерод (0,8...1,25%), хром (около 4%) и ванадий (1...2%), содержание которых в марке не указывается.
Фазовый состав быстрорежущих сталей в отожженном состоянии представлен легированным ферритом и карбидами МбС, МззСб, МС, МзС. Основным карбидом является М6 С. Количество карбидной фазы в стали Р18 достигает 25...30%, а в стали Р6М5 — 22%.
Обработка быстрорежущих сталей включает горячую ковку литых заготовок, отжиг,. закалку и многократный (чаще трехкратный) отпуск. Структура после закалки — мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Отпуск вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение. Это сопровождается увеличением до % HRC 64 твердости (вторичная твердость) за счет выделения частиц цементита. Для улучшения режущих свойств и повышения износостойкости некоторые виды инструментов подвергают низкотемпературному (540...570°С) цианированию, в результате которого на поверхности стали образуется тонкий слой высокой твердости (1000...1100 HV).
Полутеплостойкие (Х12М, 5ХНМ) и теплостойкие (Р12, Р6М5, Р18; Р12ФЗ, Р13Ф4К5, Р9М4К8, Bl 1M7K23, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 45ХЗВЗМФС, 2Х8В8М2К8) стали используются для изготовления режущих инструментов (например, фрезы, сверла) и штампов, пуансонов. Для инструментальных сталей при температуре эксплуатации до б50°С твердость должна быть 60...62 HRC, a для штамповых — 45...52 HRC до 700°С.
Инструментальные стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8… У12, X, ХВГ, Х12Ф1. Необходимые требования обеспечивают применением обработки холодом до — 60°С (нередко многократной) и отпуска при 120...130°С непосредственно после закалки.
Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.
www.ronl.ru
Инструментальные стали и сплавы - литые твердые сплавы
Твердые сплавы - материалы с высокой твердостью, прочностью, режущими и другими свойствами, сохраняющимися при нагреве до высоких температур. Различают литые и спеченные (порошковые) твердые сплавы.
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, а также ряда деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен и др. Часто из таких сталей изготавливают только рабочую (режущую) часть инструмента, а крепежные части выполняют из конструкционных сталей.
Основными потребительскими требованиями к инструментальным сталям являются высокие твердость, износостойкостъ и прочность при высокой (500...800°С) теплостойкости. Кроме эксплуатационных свойств, для инструментальных сталей большое значение имеют технологические свойства: прокаливаемость, малые объемные изменения при закалке, обрабатываемость давлением, резанием, шлифуемостъ.
Необходимые свойства инструментальным сталям придают карбидные фазы, так как именно их присутствие обуславливает высокие прочностные показатели и твердость (рис. 4).
Рис. 4. Влияние содержания хрома и типа карбидов в хромистых сталях на твердость НВ и износостойкостъ при трении по абразиву. Штриховые линии - сплавы, содержащие 0,4% С; сплошные линии - сплавы, содержащие 1% С; 1 -Fe,C ; 2 - Cr7C3 ; 3 - Cr23C6
Для обеспечения необходимых свойств применяют специальное легирование и термическую обработку. Так обеспечение теплостойкости достигается легированием стали вольфрамом, молибденом, ванадием, а легирование хромом и марганцем повышают ее прокаливаемость.
Термическая обработка инструментальных сталей, как правило, включает закалку и низкий отпуск. В результате такой обработки достигаются твердость стали 60...65 HRC и предел прочности при изгибе s = 250...350 МПа. Режимы термической обработки в зависимости от химического состава сталей и требований к их твердости и прочности установлены ГОСТ 5950-73 и ГОСТ 19265-73.
Инструментальные стали классифицируются (ГОСТ 1435-74 и ГОСТ 5950-73) по основному потребительскому свойству на стали высокой твердости, стали повышенной вязкости и теплостойкие стали. Стали высокой твердости и повышенной вязкости используются как нетеплостойкие.
Инструментальные стали высокой твердости по химическому составу могут быть высокоуглеродистыми (0,68...1,35% С) и низколегированными (Mn, Si, Cr и др.). Структура после термообработки - мартенсит и перлит. Температура эксплуатации для изделий из таких сталей до 190... 225°С; при этом их твердость - 60...68 HRC.
Инструментальные стали высокой твердости (У10...У13, У10А...У13А, 13Х, ХВСГ, 9ХФ, 7ХГ2ВМ и др.) классифицируются по прокаливаемости на стали небольшой, повышенной и высокой прокаливаемости. Величина прокаливаемости определяет размер изделия. Так инструментальные стали небольшой прокаливаемости используют для изготовления тонкого инструмента диаметром менее 12...15 мм, а стали высокой прокаливаемости - для массивного инструмента и инструмента сложной формы.
Стали повышенной вязкости по химическому составу - среднеуглеродистые (0,60...0,74% С), среднелегированные (Mn, Si, Cr и др.). Для изделий из этих сталей температура эксплуатации, как правило, менее 200°С, а их твердость - 62 HRC. Стали повышенной вязкости (У7, У7А, 7ХФ, 6ХС) используются для изготовления инструментов для обработки древесины (пилы, ножи и др.).
Инструментальные теплостойкие стали по температуре эксплуатации в свою очередь делят на собственно теплостойкие (500...800°С) и полутеплостойкие (до 500°С). По химическому составу эти стали являются углеродистыми (0,22...1,65% С), высоколегированными (Мп, Si, Cr, W, Мо и др.).
Теплостойкие стали высокой твердости объединяют в группу так называемых быстрорежущих сталей, маркируемых по ГОСТ 19265-73, буквой Р (режущие). После буквы Р в марке следует цифра, указывающая среднее содержание в процентах вольфрама - главного легирующего элемента этих сталей (буква В - его условное обозначение - пропускается): затем указываются принятыми для обозначения как и в остальных сталях буквами другие легирующие элементы с цифрами, указывающими их содержания в процентах, если это содержание больше 1...2%. В состав всех быстрорежущих сталей непременно входят углерод (0,8...1,25%), хром (около 4%) и ванадий (1...2%), содержание которых в марке не указывается.
Фазовый состав быстрорежущих сталей в отожженном состоянии представлен легированным ферритом и карбидами МбС, МззСб, МС, МзС. Основным карбидом является М6С. Количество карбидной фазы в стали Р18 достигает 25...30%, а в стали Р6М5 - 22%.
Обработка быстрорежущих сталей включает горячую ковку литых заготовок, отжиг,. закалку и многократный (чаще трехкратный) отпуск. Структура после закалки - мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Отпуск вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение. Это сопровождается увеличением до % HRC 64 твердости (вторичная твердость) за счет выделения частиц цементита. Для улучшения режущих свойств и повышения износостойкости некоторые виды инструментов подвергают низкотемпературному (540...570°С) цианированию, в результате которого на поверхности стали образуется тонкий слой высокой твердости (1000...1100 HV).
Полутеплостойкие (Х12М, 5ХНМ) и теплостойкие (Р12, Р6М5, Р18; Р12ФЗ, Р13Ф4К5, Р9М4К8, Bl 1M7K23, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 45ХЗВЗМФС, 2Х8В8М2К8) стали используются для изготовления режущих инструментов (например, фрезы, сверла) и штампов, пуансонов. Для инструментальных сталей при температуре эксплуатации до б50°С твердость должна быть 60...62 HRC, a для штамповых - 45...52 HRC до 700°С.
Инструментальные стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8...У12, X, ХВГ, Х12Ф1. Необходимые требования обеспечивают применением обработки холодом до - 60°С (нередко многократной) и отпуска при 120...130°С непосредственно после закалки.
Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.
www.coolreferat.com
История развития обработки металлов показывает, что одним из эффективныхпутей повышения производительности труда вмашиностроении является применение новых инструментальных материалов. Например, применение быстрорежущей стали вместо углеродистойинструментальной, позволило увеличитьскорость резания в 2...3 раза. Это потребовало существенно усовершенствовать конструкцию металлорежущих станков, прежде всего увеличитьих быстроходность и мощность. Аналогичноеявление наблюдалось также прииспользовании в качествеинструментального материала твердыхсплавов.
Инструментальный материал должен иметьвысокую твердость, чтобы в течениедлительного времени срезать стружку. Значительное превышение твердостиинструментального материала по сравнению ствердостью обрабатываемой заготовкидолжно сохраняться и при нагревеинструмента в процессе резания.Способность материала инструмента сохранять свою твердость при высокой температуре нагрева определяет его красностойкость (теплостойкость). Режущая часть инструмента должнаобладать большой износостойкостью в условиях высоких давлений и температур.
Важным требованием является также достаточно высокая прочность инструментального материала, так как при недостаточной прочности происходит выкрашивание режущих кромок либо поломка инструмента, особенно при их небольших размерах.
Инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическимисвойствами, т.е. легко обрабатыватьсяв процессе изготовления инструментаи его переточек, а также бытьсравнительно дешевыми.
В настоящее время для изготовления режущих элементов инструментов применяются инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие), твердые сплавы, минералокерамические материалы, алмазы и другие сверхтвердые и абразивные материалы.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных сталей У10А, У11А, У12А, У13А, обладаютдостаточной твердостью, прочностью иизносостойкостью при комнатнойтемпературе, однако теплостойкость ихневелика. При температуре 200-250 «С их твердость резко уменьшается. Поэтому они применяются для изготовления ручных и машинных инструментов, предназначенных для обработки мягких металлов с низкими скоростямирезания, таких, как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и др. Углеродистые инструментальные стали имеют низкую твердость всостоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабатываемость резанием и давлением. Однако они требуют применения при закалке резких закалочных сред, что усиливает коробление инструментов и опасность образования трещин.
Инструменты из углеродистых инструментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и потери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической обработке и плохой шлифуемости углеродистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасонных инструментов, подлежащих шлифованию по профилю.
С целью улучшения свойств углеродистых инструментальных сталей были разработанынизколегированные стали. Они обладаютбольшей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувствительностью к перегреву, чем углеродистые стали, и в то же время хорошообрабатываются резанием и давлением.Применение низколегированных сталей уменьшает количество бракованных инструментов.
Область применения низколегированных сталей та же, что и для углеродистых сталей.
По теплостойкости легированные инструментальные стали незначительно превосходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до 200-260°С и поэтому непригодны для резанияс повышенной скоростью, а также дляобработки твердых материалов.
Низколегированные инструментальные стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости.Для изготовления режущих инструментовиспользуются стали 11ХФ, 13Х, ХВ4,В2Ф неглубокой прокаливаемости истали X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ глубокой прокаливаемости.
Стали неглубокой прокаливаемости, легированные хромом (0,2-0,7%), ванадием (0,15-0,3%) и вольфрамом (0,5-0,8%) используются при изготовленииинструментов типа ленточных пил иножовочных полотен. Некоторые из нихимеют более специализированноеприменение. Например, сталь ХВ4рекомендуется для изготовленияинструментов, предназначенных дляобработки материалов, имеющих высокуюповерхностную твердость, при относительнонебольших скоростях резания.
Характерной особенностью сталей глубокойпрокаливаемости является более высокоесодержание хрома (0,8-1,7 %), а такжекомплексное введение в относительнонебольших количествах такихлегирующих элементов, как хром,марганец, кремний, вольфрам, ванадий,что существенно повышает прокаливаемость.В производстве инструментов израссматриваемой группы наибольшее применение находят стали 9ХС и ХВГ. У стали 9ХС наблюдается равномерное распределение карбидов по сечению. Это позволяет использовать ее для изготовления инструментовотносительно больших размеров, атакже для резьбонарезных инструментов,особенно круглых плашек с мелким шагомрезьбы. Вместе с тем сталь 9ХС имеетповышенную твердость в отожженном состоянии, высокую чувствительность к обезуглероживанию при нагреве.
Содержащие марганец стали ХВГ, ХВСГ мало деформируются при термической обработке. Это позволяет рекомендовать сталь для изготовления инструмента типа протяжек, длинных метчиков, к которым предъявляются жесткие требования относительно стабильности размеров при термической обработке. Сталь ХВГ имеет повышенную карбидную неоднородность, особенно при сечениях, больших 30...40 мм, что усиливает выкрашивание режущих кромок и не позволяет рекомендовать ее для инструментов, работающих в тяжелых условиях. В настоящее время для изготовленияметаллорежущих инструментов применяются, быстрорежущие стали. В зависимости от назначения их можно разделить на две группы:
1) стали нормальнойпроизводительности;
2) стали повышеннойпроизводительности.
К сталям первой группы относятся Р18, Р12,Р9, Р6МЗ, Р6М5, к сталям второй группы – Р6М5ФЗ,Р12ФЗ, Р18Ф2К5, Р10Ф5К5, Р9К5, Р9К10,Р9МЧК8, Р6М5К5 и др.
В обозначении марок буква Р указывает, что сталь относится к группе быстрорежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание ванадия в стали в процентах обозначается цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта -цифрой, следующейза буквой К.
Высокие режущие свойства быстрорежущей стали обеспечиваются за счет легирования сильными карбидообразующими элементами: вольфрамом, молибденом,ванадием и некарбидообразующимкобальтом. Содержание хромаво всех быстрорежущих сталях составляет3,0-4,5 % и в обозначении марокне указывается. Практически вовсех марках быстрорежущих сталей допускаетсясеры и фосфора не более 0,3% и никеля неболее 0,4%. Существенным недостаткомэтих сталей является значительнаякарбидная неоднородность, особенно впрутках большого сечения.
С увеличением карбидной неоднородности прочность стали, снижается, при работе выкрашиваются режущие кромки инструмента, иснижается его стойкость.
Карбидная неоднородность выражена сильнее в сталях с повышенным содержанием вольфрама, ванадия, кобальта. В сталях с молибденом карбидная неоднородность проявляется в меньшей степени.
Быстрорежущаясталь Р18, содержащая 18% вольфрама, долгоевремя была наиболеераспространенной. Инструменты,изготовленные из этой стали, послетермической обработки имеюттвердость 63-66 HRСЭ,красностойкость 600 °С идостаточно высокую прочность.Сталь Р18 сравнительно хорошошлифуется.
Большое количество избыточной карбидной фазы делает сталь Р18 более мелкозернистой, менее чувствительной к перегреву при закалке, болееизносостойкой.
Ввиду высокого содержания вольфрама сталь Р18 целесообразно использовать только для изготовления инструментов высокой точности, когда стали других марок нецелесообразно применять из-за прижогов режущей части при шлифовании и заточке.
Сталь Р9 по красностойкости и режущим свойствам почти не уступает стали Р18. Недостатком стали Р9 является пониженная шлифуемость, вызываемаясравнительно высоким содержаниемванадия и присутствием в структуре очень твердыхкарбидов. Вместе с тем сталь Р9, посравнению со сталью Р18, имеет болееравномерное распределение карбидов,несколько большую прочность ипластичность, что облегчает еедеформируемость в горячем состоянии.Она пригодна для инструментов,получаемых различными методами пластической деформации. Из-за пониженной шлифуемости сталь Р9 применяют в ограниченных пределах.
Сталь Р12 равноценна, по режущим свойствам стали Р18. По сравнению со сталью Р18 сталь Р12 имеет меньшую карбидную неоднородность, повышенную пластичность и пригодна для инструментов,изготовляемых методом пластическойдеформации. По сравнению состалью Р9 сталь Р12 лучше шлифуется,что объясняется более удачнымсочетанием легирующих элементов.
Стали марок Р18М, Р9М отличаются от сталей Р18 и Р9 тем, что они в своем составе вместо вольфрама содержат до 0,6-1,0 %'молибдена (из расчета, что 1 % молибдена заменяет 2 % вольфрама). Этистали имеют равномерно распределенные карбиды, но более склонны к обезуглероживанию. Поэтому закалкуинструментов из сталей необходимо проводить взащитной атмосфере. Однако по основнымсвойствам стали Р18М и Р9М. неотличаются от сталей Р18 и Р9 и имеютту же область применения.
Вольфрамомолибденовыестали типа Р6МЗ, Р6М5 являются новыми сталями, значительно повышающими как прочность, так истойкость инструмента. Молибден обусловливает меньшую карбидную неоднородность,чем вольфрам. Поэтому замена 6...10 %вольфрама соответствующим количеством молибденаснижает карбидную неоднородностьбыстрорежущих сталей примерно на 2 балла и соответственно повышает пластичность. Недостаток молибденовых сталей заключается в том, что они имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию.
Вольфрамомолибденовые стали рекомендуется применять в промышленности наряду с вольфрамовыми для изготовления инструмента, работающего в тяжелых условиях, когда необходимаповышенная износостойкость, пониженная карбиднаянеоднородность и высокая прочность.
Сталь Р18,особенно в крупных сечениях (диаметром более50 мм), с большой карбидной неоднородностью целесообразно заменить на стали Р6МЗ, Р12. Сталь Р12 пригодна для протяжек, сверл, особенно в сечениях диаметром менее 60 -70 мм. СтальР6МЗ целесообразно использовать для инструментов, изготовляемых способом пластической деформации,для инструментов, работающих с динамическими нагрузками, и для инструментов больших сечений с малыми углами заострения на режущей части.
Среди быстрорежущих сталей нормальной производительности доминирующее положение заняла сталь Р6М5. Ее применяют для изготовления всех видов режущих инструментов. Инструменты из стали Р6М5 имеют стойкость, равную или до 20 % более высокую, чем стойкость инструментов из стали Р18.
Быстрорежущие стали повышенной производительности используются в основном при обработке жаропрочных сплавов, высокопрочных и нержавеющихсталей, других труднообрабатываемыхматериалов и конструкционных сталей с повышенными режимами резания. В настоящее время применяются кобальтовые и ванадиевые быстрорежущие стали.
По сравнению со сталями нормальной производительности ысокованадиевыев стали повышенной производительности обладают в основном более высокой износостойкостью, а стали, содержащие кобальт, более высокой красностойкостью и теплопроводностью. Вместе с тем быстрорежущие сталиповышенной производительности, содержащие кобальт, имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию. Быстрорежущие стали повышеннойпроизводительности шлифуются хуже стали Р18и требуют более точного соблюдениятемператур нагрева при термической обработке. Ухудшение шлифуемости выражается вповышении износа абразивных кругов иувеличении толщины поверхностного слоястали, повреждаемого при излишне жесткомрежиме шлифования.
Быстрорежущие стали повышенной производительности из-за технологичских, недостатков не являются сталями универсального назначения. Они имеют относительно узкие границы применения, более пригодны для инструментов, подвергаемых незначительному профильномушлифованию.
Основной маркой быстрорежущей сталиповышенной производительности является сталь Р6М5К5. Она применяется для изготовления различных инструментов, предназначенных для обработки конструкционных сталей на повышенных режимах резания, а также нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов.
Перспективным способом получения быстрорежущих сталей является метод порошковой металлургии. Главной отличительной особенностью порошковых сталей является равномерное распределение карбидов по сечению, которое не превышает первого балла шкалы карбидной неоднородности ГОСТ 19265–73. В определенных условиях, как показывают эксперименты, стон-кость режущих инструментов из порошковых сталей в 1,2...2,0 раза выше стойкости инструментов, изготовленных из сталей обычного производства. Наиболее рационально порошковые стали использовать при обработкетруднообрабатываемых сложнолегированныхматериалов и материалов,имеющих повышенную твердость (НRСэ≥32), а также для изготовления крупногабаритных инструментов диаметром более 80 мм.
Проводятся работы по созданию и уточнению области целесообразного применения быстрорежущих сплавов дисперсионного твердения типа Р18М7К25, Р18МЗК25, Р10М5К25, которые представляют собой железоко-бальтовые вольфрамовые сплавы. В зависимости от марки они содержат:W–10...19%, Со–20...26%, Мо–3...7%, V–0,45...0,55%, Тi–0,15...0,3%, С–до 0,06%, Мn–не более 0,23%, Si–не более 0,28%, остальное железо. В отличие от быстрорежущих сталей, рассматриваемые сплавы упрочняются вследствие выделения при отпуске интерметаллидов, имеют более высокую красностойкость (700-720 °С) итвердость (68-69 НRСЭ). Высокая теплостойкость у нихсочетается с удовлетворительнойпрочностью, что обусловливает повышенные режущие свойства этих сплавов. Эти сплавы дорогостоящие, и применение их целесообразно лишь при резании труднообрабатываемых материалов.
ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
В настоящее время для производства режущих инструментов широко используются твердые сплавы. Они состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных небольшим количеством кобальта. Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокой твердостью, износостойкостью. Инструменты, оснащенные твердым сплавом, хорошосопротивляются истиранию сходящейстружкой и материалом заготовки и не теряют своих режущих свойств при температуре нагрева до 750-1100 °С.
Установлено что твердосплавным инструментом, имеющим в своем составе килограмм вольфрама, можно обработать в 5 раз больше материала, чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же содержанием вольфрама.
Недостатком твердых сплавов, по сравнению с быстрорежущей сталью, является их повышенная хрупкость, которая возрастает с уменьшением содержаниякобальта в сплаве. Скорости резанияинструментами, оснащенными твердымисплавами, в 3-4 раза превосходят скорости резания инструментами избыстрорежущей стали. Твердосплавныеинструменты пригодны для обработкизакаленных сталей и таких неметаллическихматериалов, как стекло, фарфор и т.п.
Производство металлокерамических твердых сплавов относится к области порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта. Из этой смеси прессуют изделия требуемой формы и затем подвергают спеканию при температуре, близкой к температуре плавления кобальта. Так изготовляют пластинки твердого сплава различных размеров и форм, которыми оснащаются резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки и др.
Пластинки твердого сплава крепят к державке или корпусу напайкой или механически при помощи винтов и прижимов. Наряд с этим в машиностроительной промышленности применяют мелкоразмерные, монолитные твердосплавные инструменты, состоящие из твердыхсплавов. Их изготовляют из пластифицированныхзаготовок. В качествепластификатора в порошок твердогосплава вводят парафин до 7-9 %. Из пластифицированных сплавов прессуют простые по форме заготовки, которые легко обрабатываются обычным режущим инструментом. После механической обработки заготовки спекают, а затемшлифуют и затачивают.
Из пластифицированного сплава заготовки монолитных инструментов могут быть получены путем мундштучного прессования. В этом случае спрессованные твердосплавные брикеты помещают в специальный контейнер с твердосплавным профилированным мундштуком. При продавливании через отверстие мундштука изделие принимаеттребуемую форму и подвергается спеканию. По такой технологии изготовляют мелкие сверла, зенкеры, развертки и т. п.
Монолитный твердосплавный инструмент может также изготовляться из окончательно спеченных твердосплавных цилиндрических заготовок с последующим вышлифовыванием профиля алмазными кругами.
В зависимости от химического составаметаллокерамические твердые сплавы,применяемые для производства режущегоинструмента, разделяются на триосновные группы.
Сплавы первой группы изготовляют на основе карбидов вольфрама и кобальта. Ониносят название вольфрамокобальтовых. Этосплавы группы ВК.
Ко второй группе относятся сплавы, получаемые на основе карбидов вольфрама и титана и связующего металла кобальта. Это двухкарбидные титано-вольфрамокобальтовые сплавы группы ТК.
Третья группа сплавов состоит из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта. Это трехкарбидные титано-танталовольфрамокобальтовые сплавы группы ТТК.
К однокарбидным сплавам группы ВК относятся сплавы: ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15. Эти сплавы состоят из зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке сплавовцифра показывает процентное содержание кобальта. Например, сплав ВК8 содержит в своем составе 92 % карбида вольфрама и 8 % кобальта.
Рассматриваемые сплавы применяются для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов. При выборе марки твердого сплава учитывают содержание кобальта, которое предопределяет его прочность. Из сплавов группы ВК сплавы ВК15, ВК10, ВК8 являются наиболее вязкими и прочными, хорошо противостоят ударам и вибрациям, а сплавы ВК2, ВКЗ обладаютнаиболее высокой износостойкостьюи твердостью при малой вязкости, слабосопротивляются ударам и вибрациям. СплавВК8 применяется для черновой обработки при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, а сплав ВК2 — для чистовой отделочной обработки при непрерывном, резании с равномерным сечением среза. Для получистовых работи черновой обработки с относительноравномерным сечением срезаемого слояприменяются сплавы ВК4, ВК6. СплавыВК10 и ВК15 находят применение при обработке резанием специальных труднообрабатываемых сталей.
Режущие свойства и качество твердосплавного инструмента определяются не только химическим составом сплава, нои его структурой, т. е. величиной зерна. Сувеличением размера зерен карбида вольфрама прочность сплава возрастает, аизносостойкость уменьшается, инаоборот.
В зависимости от размеров зерен карбидной фазы сплавы могут быть мелкозернистые, у которых не менее 50 % зерен карбидных фаз имеют размер порядка1 мкм, среднезернистые — с величиной зерна 1-2мкм и крупнозернистые, у которыхразмер зерен колеблется от 2 до 5 мкм.
Для обозначения мелкозернистой структуры в конце марки сплава ставится буква М, а для крупнозернистой структуры — буква К. Буквы ОМ указывают на особо мелкозернистую структуру сплава. Буква В после цифры указывает на то, что изделия из твердого сплава спекаются в атмосфере водорода. Твердосплавные изделия одного и того же химического состава могут иметь различную структуру.
Получены особо мелкозернистые сплавы ВК6ОМ, В10ОМ, ВК150М. Сплав ВК6ОМ дает хорошие результаты при тонкой обработке жаропрочных и нержавеющих сталей, чугунов высокой твердости, алюминиевыхсплавов. Сплав ВК10ОМ предназначен червовой и получерновой, а сплав ВК15ОМ — дляособо тяжелых случаев обработкинержавеющих сталей, а также сплавоввольфрама, молибдена, титана и никеля.
Мелкозернистые сплавы, такие, как сплав ВК6М, используют для чистовой обработки при тонких сечениях среза стальных, чугунных, пластмассовых и других деталей. Из пластифицированных заготовок мелкозернистых сплавов ВК6М, ВК10М, ВК15М получают цельные инструменты. Крупнозернистые сплавы ВК4В, ВК8В, более прочные, чем обычные сплавы, применяют при резании с ударами для черновой обработки жаропрочных и нержавеющих сталей с большими сечениями среза.
При обработке сталей инструментами, оснащенными вольфрамокобальтовыми сплавами, в особенности при повышенных скоростях резания,происходит быстрое образование лунки на передней поверхности, приводящее к выкрашиванию режущей кромки сравнительно быстрому износу инструмента. Дляобработки стальных заготовок применяютболее износостойкие твердые сплавыгруппы ТК.
Сплавы группы ТК (ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12) состоят из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке сплава цифра после буквы К показывает процентное содержание кобальта, а после буквы Т – процентное содержание карбидов титана. Буква В в конце маркиобозначает, что сплав имеет крупнозернистую структуру.
Сплавы группы ТТК состоят из зерен твердого раствора карбида титана, карбида тантала, карбида вольфрама и избыточных зерен карбида вольфрама,сцементированных кобальтом. К сплавамгруппы ТТК относятся ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ20К9. Сплав ТТ7К12 содержит 12% кобальта, 3% карбида тантала, 4% карбида титанаи 81% карбида вольфрама. Введение в состав сплава карбидов тантала значительноповышает его прочность, но снижаеткрасностойкость. Сплав ТТ7К12 рекомендуется для тяжелых условий при обточке по корке и работе с ударами, а также для обработки специальных легированных сталей.
Сплав ТТ8К6применяют для чистовой и получистовойобработки чугуна, для непрерывнойобработки с малыми сечениями срезастального литья, высокопрочных нержавеющих сталей, сплавов цветных металлов, некоторых марок титановых сплавов.
Все марки твердых сплавов разбиты по международной классификации (ИСО) на группы: К, М и Р. Сплавы группы К предназначены для обработки чугуна и цветных металлов, дающих стружку надлома. Сплавы группы М – длятруднообрабатываемых материалов, сплавыгруппы Р – для обработки сталей.
С целью экономии дефицитного вольфрамаразрабатываются безвольфрамовыеметаллокерамические твердые сплавы на основе карбидов, а также карбидонитридов переходных металлов, в первую очередь титана, ванадия, ниобия, тантала. Эти сплавы изготовляют на никелемолибденовой связке.Полученные твердые сплавы на основекарбидов по своим характеристикампримерно равноценны стандартным сплавамгруппы ТК. В настоящее время промышленностьюосвоены безвольфрамовые сплавы ТН-20,ТМ-3, КНТ-16 и др. Эти сплавыобладают высокой окалиностойкостью,низким коэффициентом трения, меньшим по сравнению с вольфрамсодержащими сплавами удельным весом, но имеют, как правило, более низкую прочность, склонность к разрушению при повышенных температурах. Изучение физико-механических и эксплуатационных свойств безвольфрамовых твердых сплавов показало, что они успешно могут быть использованы для чистовой и получистовойобработки конструкционных сталей ицветных сплавов, но значительно уступаютсплавам группы ВК при обработкетитановых и нержавеющих сталей.
Одним из путей повышения эксплуатационных характеристик твердых сплавов является нанесение на режущую часть инструмента тонких износостойких покрытий на основе нитрида титана, карбида титана, нитрида молибдена, окиси алюминия. Толщина наносимого слоя покрытия колеблется от 0,005 до 0,2 мм. Опыты показывают, что тонкие износостойкие покрытия приводят к значительному росту стойкости инструмента,
МИНЕРАЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Минералокерамические материалы для изготовления режущих инструментов стали применять с 50-х годов. В СССР был создан минералокерамический материал марки ЦМ-332, состоящий в основном из оксида алюминия А12О3 с небольшойдобавкой (0,5–1,0%) оксида магнияМgО. Оксид магния препятствует росту кристаллов во время спекания и является хорошим связующимсредством.
Минералокерамические материалы изготовляются в форме пластинок и присоединяются к корпусам инструментов механическим путем, приклеиванием или припаиванием.
Минералокерамика ЦМ-332 обладает высокой твердостью, ее красностойкость достигает 1200°С. Однако она отличаетсянизкой прочностью при изгибе (350-400 МН/м2)и большой хрупкостью, что приводит к частым выкрашиваниям и поломкам пластинок при работе.
Существенным недостатком минералокерамики является ее крайне низкое сопротивление циклическому изменениютемпературы. Вследствие этого даже принебольшом числе перерывов в работе на контактных поверхностях инструмента появляются микротрещины, которые приводят к его разрушению даже при небольших усилиях резания. Это обстоятельство ограничиваетпрактическое применение минералокерамическогоинструмента.
Минералокерамикауспешно может применяться для чистовогообтачивания чугуна, сталей,неметаллических материалов и цветныхметаллов с большими скоростями иограниченным числом перерывов в работе.
Минералокерамику марки ВШ наиболее эффективно применять для чистовоготочения углеродистых и малолегированныхсталей, а также чугунов с твердостью НВ≤260. При прерывистом точениикерамика марки ВШ даетнеудовлетворительные результаты. Вэтом случае целесообразно использовать керамику марки ВЗ.
Минералокерамику марокВОК-60, ВОК-63 используютсяпри фрезеровании закаленнойстали и высокопрочных чугунов.
Новым инструментальным материалом, созданным на основе нитрида кремния, является силинит-Р. Он используетсяпри чистовом точении сталей,чугуна, алюминиевых сплавов.
АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Большое место в современном производстве деталей машин занимают процессы шлифования, при которых используются различные абразивные инструменты. Режущими элементами этих инструментов служат твердые и теплоустойчивые зерна абразивного материала с острыми кромками.
Абразивные материалы подразделяются на естественные и искусственные. К естественным абразивным материалам относятся такие минералы, как кварц, наждак, корунд и др. Естественные абразивные материалы отличаются большой неоднородностью, наличиемпосторонних примесей. Поэтомупо качеству абразивных свойств онине удовлетворяют растущим потребностям промышленности.
Внастоящее время обработка искусственнымиабразивными материаламизанимает ведущее место в машиностроении.
Наиболеераспространенными искусственными абразивнымиматериалами являются электрокорунды, карбиды кремния и бора.
Кискусственным абразивным материалам относятся такжеполировально-доводочные порошки – оксиды хрома и железа.
Особуюгруппу искусственных абразивныхматериалов составляют синтетическиеалмазы и кубический нитрид бора.
Электрокорундполучают электрическойплавкой материалов, богатых оксидомалюминия, например, из боксита или глинозема в смеси с восстановителем (антрацитом или коксом).
Электрокорунд выпускается следующих разновидностей: нормальный, белый, хромистый, титанистый,циркониевый, монокорунд и сферокорунд. Электрокорунднормальный содержит 92-95 % оксида алюминияи подразделяется на несколько марок:12А, 13А, 14А, 15А, 16А. Зернаэлектрокорунда нормального наряду свысокой твердостью и.механической прочностью имеют значительную вязкость, необходимую при выполнении работ с переменными нагрузками при больших давлениях. Поэтому электрокорунд нормальный применяют для обработки различных материалов повышенной прочности:углеродистой и легированной сталей, ковкого и высокопрочного чугуна,никелевых и алюминиевых сплавов.
Электрокорунд белый марок 22А, 23А, 24А, 25А отличается высоким содержанием оксида алюминия (98-99%). По сравнению с электрокорундом нормальным он является более твердым, имеет повышенную абразивную способность и хрупкость. Электрокорунд белый может быть использован для обработки тех же материалов, что и электрокорунд нормальный. Однако из-за более высокой стоимости его применяют на более ответственных работах для операций окончательного и профильного шлифования, резьбошлифования, заточки режущего инструмента.
Электрокорунд хромистый марок 32А, ЗЗА, 34А наряду с оксидом алюминия А12О3 содержит до 2% оксида хрома Сr2О3.Добавка оксида хрома меняет его микроструктуру и строение. По прочности электрокорунд хромистый приближается к электрокорунду нормальному, а по режущим свойствам — к электрокорунду белому. Рекомендуется применять электрокорунд хромистый для круглого шлифования изделий изконструкционных и углеродистыхсталей при интенсивных режимах,где он обеспечивает повышение производительностина 20-30 % по сравнению сэлектрокорундом белым.
Электрокорундтитанистый марки 37А наряду с оксидом алюминия содержит оксид титана ТiO2. Он отличается от электрокорунда нормального большим постоянством свойств и повышенной вязкостью. Это позволяет использовать его в условиях тяжелых и неравномерных нагрузок. Электрокорунд титанистый применяется на операциях предварительного шлифования с увеличенным съемом металла.
Электрокорундциркониевый марки ЗЗАнаряду с оксидом алюминия содержит оксид циркония. Он имеет высокую прочность иприменяется в основном для обдирочных работ с большими удельными давлениями резания.
Монокорундмарок 43А, 44А, 45А получаетсяв виде зерна, имеющего повышеннуюпрочность, острые кромки ивершины с более выраженным свойствомсамозатачивания по сравнению с электрокорундом.Это обеспечивает емуповышенные режущие свойства. Монокорундпредпочтителен для шлифованиятруднообрабатываемых сталей исплавов, для прецизионного шлифованиясложных профилей и для сухогошлифования режущего инструмента,
Сферокорунд содержит более 99 % А1203 и получается в виде полых сфер. В процессе шлифования сферы разрушаются с образованием острых кромок. Сферокорунд целесообразно применять при обработке таких материалов, какрезина, пластмассы, цветные металлы.
Карбид кремния получается в результате взаимодействия кремнезема и углерода в электрических печах, а затем дробления на зерна. Он состоит из карбида кремния и незначительногоколичества примесей. Карбид кремния, обладает большой твердостью, превосходящейтвердость электрокорунда, высокоймеханической прочностью и режущейспособностью.
Карбид кремния черный марок 53С, 54С, 55С применяют для обработки твердых, хрупких и очень вязких материалов; твердых сплавов, чугуна, стекла, цветных металлов, пластмасс. Карбид кремния зеленый марок 63С, 64С используют для заточки твердосплавного инструмента, шлифования керамики.
Карбид бора В4С обладает высокой твердостью, высокой износоустойчивостью и абразивнойспособностью. Вместе с тем карбидбора очень хрупок, что иопределяет его применение впромышленности в виде порошков и паст для доводки твердосплавных режущихинструментов.
Абразивные материалы характеризуются такими основными свойствами, как формаабразивных зерен, зернистость, твердость,механическая прочность, абразивнаяспособность зерен.
Твердость абразивных материалов характеризуется сопротивлением зерен поверхностному измельчению,местному воздействию приложенных сил. Она должна быть выше твердости обрабатываемого материала. Твердость абразивных материалов определяют методом царапания острия одного тела по поверхности другого или методом вдавливания алмазной пирамиды под малой нагрузкой в абразивное зерно.
Механическаяпрочность характеризуетсядробимостью зерен под влиянием внешних усилий.
Оценкупрочности производят раздавливаниемнавески абразивных зерен в стальной форме подпрессом с помощью определенной статической нагрузки.
При обдирочных режимах с большим съемом металла требуются прочные абразивы, а при чистовом шлифованиии обработке труднообрабатываемых материалов предпочтительны абразивы с большей хрупкостью и способностью к самозатачиванию.
АЛМАЗЫ И ДРУГИЕ СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Алмаз как инструментальный материал получил в последние годы широкое применение в машиностроении.
В настоящее время выпускается большое количество разнообразного инструментас использованием алмазов: шлифовальныекруги, инструменты для правкишлифовальных кругов изэлектрокорунда и карбида кремния, пастыи порошки для доводочных и притирочныхопераций. Значительные по размерамкристаллы алмазов применяют для изготовления алмазных резцов, фрез, сверл и других режущих инструментов. Область применения алмазного инструмента с каждым годом вес более расширяется.
Алмаз представляет собой одну из модификаций углерода кристаллического строения. Алмаз – самый твердый из всех известных в природе минералов. Высокая твердость алмазаобъясняется своеобразием его кристаллическогостроения, прочностью связей атомов углеродав кристаллической решетке, расположенных на равных и очень малых расстояниях друг от друга.
Коэффициент теплопроводности алмаза в два и более раза выше, чем у сплава ВК8, поэтому тепло от зоны резания отводится сравнительно быстро.
Возросшие потребности в алмазном инструменте не могут быть полностью удовлетворены за счет природных алмазов. В настоящее время освоено промышленное производство синтетических алмазов из графита при больших давлениях и высоких температурах.
Синтетические алмазы могут быть различных марок, которые отличаются между собой прочностью, хрупкостью, удельной поверхностью и формой зерен. В порядкевозрастания прочности, снижения хрупкости и удельной поверхности маркишлифовальных порошковиз синтетических алмазов располагаютсятак: АС2, АС4, АС6, АС15,АС32.
Микропорошки из природных алмазов имеют марки АМ и АН, а из синтетических АСМ и АСН.
Микропорошки марок АМ и АСМ нормальной абразивной способности предназначены для изготовления абразивного инструмента, которым обрабатывают твердые сплавы и другие твердые и хрупкие материалы, а также детали из стали, чугуна, цветных металлов при необходимости получения высокой чистоты поверхности.
Микропорошки марок АН и АСН, имеющие повышенную абразивную способность, рекомендуются для обработки сверхтвердых, хрупких, труднообрабатываемых материалов.
С целью повышения эффективности работы алмазного абразивного инструмента применяют алмазные зерна, покрытые тонкой металлической пленкой. В качестве покрытий используют металлыс хорошими адгезионными и капиллярнымисвойствами по отношению калмазу – медь, никель, серебро, титан и их сплавы.
Эльбор имеет твердость, близкую к твердости алмаза, такую же прочность и большуютеплостойкость и не теряет режущих свойствпри нагреве до 1500-1600 °С.
Абразивные порошки эльбора выпускаются двух марок: ЛО и ЛП. Зерна ЛО имеют более развитую поверхность и меньшую прочность, чем зерна ЛП. Подобно зернам синтетических алмазов, абразивные порошки эльбора имеют три группы зернистости: шлифзерно (Л25-Л16), шлифпорошки (Л12-Л4) имикропорошки (ЛМ40- ЛМ1).
К числу новых видов инструментальных материалов относятся сверхтвердые поликристаллы на основе алмаза и кубического нитрида бора. Диаметр заготовок из сверхтвердых поликристаллов находится в пределах 4-8мм, а высота – 3-4мм. Такие размеры заготовок,а также совокупность физических,механических свойств позволяют суспехом использовать рассматриваемыематериалы в качестве материала дляизготовления режущей части такихинструментов, как резцы, торцевыефрезы и др.
Сверхтвердые поликристаллы на основе алмаза особенно эффективны при резании таких материалов, как стеклопластики, цветные металлы и их сплавы, титановые сплавы.
Значительное распространение рассматриваемых композитов объясняется рядом присущих им уникальных свойств – твердостью, приближающейся к твердости алмаза, высокой теплопроводностью, химической инертностью к железу. Однако они обладают повышенной хрупкостью, что делает невозможным их применение в условиях ударныхнагрузок. Более устойчивы кудару инструменты из композитов09 и 10. Они оказываются эффективными при обработке с тяжелыми режимами и ударными нагрузками закаленных сталей и чугунов. Применение сверхтвердых синтетических материалов оказывает существенное влияние на технологию машиностроения, открывая перспективу замены во многих случаях шлифования точением и фрезерованием.
Перспективным видом инструментального материала являются двухслойные пластины круглой, квадратной, трехгранной или шестигранной форм. Верхний слой пластин состоит из поликристаллического алмаза, а нижний из твердого сплава либо металлической подложки. Поэтому пластины можно применять для инструментов с механическим креплением в державке.
Сплав силинит-Р на основе нитрида кремния с добавками окиси алюминия и титана занимает промежуточное положение между твердыми сплавами на карбидной основе и сверхтвердыми материалами на основе алмаза и нитрида бора. Как показали исследования, он может применяться при чистовом точении сталей, чугуна, сплавов алюминия и титана. Преимущество этого сплава заключается и в том, что нитрид кремния никогда не станет дефицитным.
СТАЛИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСОВ ИНСТРУМЕНТОВ
У сборного инструмента корпуса и элементы крепления изготовляются из конструкционных сталей марок: 45, 50, 60, 40Х, 45Х, У7, У8, 9ХС и др. Наибольшее распространение получила сталь 45, из которой изготовляют державки резцов, хвостовики сверл, зенкеров, разверток, метчиков, корпуса сборных фрез, расточные оправки. Для изготовления корпусов инструментов, работающих в тяжелых условиях, применяют сталь 40Х. Она после закалки в масле и отпускаобеспечивает сохранение точности пазов, в которыевставляются ножи.
В том случае, когда отдельные части корпуса инструмента работают на износ, выбор марки стали определяется соображениями получения высокой твердости в местах трения.К таким инструментам относятся, например, твердосплавные сверла, зенкеры, у которых направляющие ленточки в процессе работы соприкасаются с поверхностью обработанного отверстия и быстро изнашиваются. Для корпуса подобных инструментов применяют углеродистую инструментальную сталь, а также легированную инструментальную сталь 9ХС. Корпуса алмазных кругов могут изготовляться из алюминиевых сплавов, а также алюмобакелитового пресс-порошка и керамики.
www.ronl.ru
Инструментальные стали и сплавы — литые твердые сплавы
Твердые сплавы - материалы с высокой твердостью, прочностью, режущими и другими свойствами, сохраняющимися при нагреве до высоких температур. Различают литые и спеченные (порошковые) твердые сплавы.
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, а также ряда деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен и др. Часто из таких сталей изготавливают только рабочую (режущую) часть инструмента, а крепежные части выполняют из конструкционных сталей.
Основными потребительскими требованиями к инструментальным сталям являются высокие твердость, износостойкостъ и прочность при высокой (500...800°С) теплостойкости. Кроме эксплуатационных свойств, для инструментальных сталей большое значение имеют технологические свойства: прокаливаемость, малые объемные изменения при закалке, обрабатываемость давлением, резанием, шлифуемостъ.
Необходимые свойства инструментальным сталям придают карбидные фазы, так как именно их присутствие обуславливает высокие прочностные показатели и твердость (рис. 4).
Рис. 4. Влияние содержания хрома и типа карбидов в хромистых сталях на твердость НВ и износостойкостъ при трении по абразиву. Штриховые линии — сплавы, содержащие 0,4% С; сплошные линии — сплавы, содержащие 1% С; 1 - Fe, C; 2 — Cr7 C 3; 3 — Cr23 C 6
Для обеспечения необходимых свойств применяют специальное легирование и термическую обработку. Так обеспечение теплостойкости достигается легированием стали вольфрамом, молибденом, ванадием, а легирование хромом и марганцем повышают ее прокаливаемость.
Термическая обработка инструментальных сталей, как правило, включает закалку и низкий отпуск. В результате такой обработки достигаются твердость стали 60...65 HRC и предел прочности при изгибе s = 250...350 МПа. Режимы термической обработки в зависимости от химического состава сталей и требований к их твердости и прочности установлены ГОСТ 5950-73 и ГОСТ 19265-73.
Инструментальные стали классифицируются (ГОСТ 1435-74 и ГОСТ 5950-73) по основному потребительскому свойству на стали высокой твердости, стали повышенной вязкости и теплостойкие стали. Стали высокой твердости и повышенной вязкости используются как нетеплостойкие.
Инструментальные стали высокой твердости по химическому составу могут быть высокоуглеродистыми (0,68...1,35% С) и низколегированными (Mn, Si, Cr и др.). Структура после термообработки — мартенсит и перлит. Температура эксплуатации для изделий из таких сталей до 190… 225°С; при этом их твердость — 60...68 HRC.
Инструментальные стали высокой твердости (У10… У13, У10А… У13А, 13Х, ХВСГ, 9ХФ, 7ХГ2ВМ и др.) классифицируются по прокаливаемости на стали небольшой, повышенной и высокой прокаливаемости. Величина прокаливаемости определяет размер изделия. Так инструментальные стали небольшой прокаливаемости используют для изготовления тонкого инструмента диаметром менее 12...15 мм, а стали высокой прокаливаемости — для массивного инструмента и инструмента сложной формы.
Стали повышенной вязкости по химическому составу — среднеуглеродистые (0,60...0,74% С), среднелегированные (Mn, Si, Cr и др.). Для изделий из этих сталей температура эксплуатации, как правило, менее 200°С, а их твердость — 62 HRC. Стали повышенной вязкости (У7, У7А, 7ХФ, 6ХС) используются для изготовления инструментов для обработки древесины (пилы, ножи и др.).
Инструментальные теплостойкие стали по температуре эксплуатации в свою очередь делят на собственно теплостойкие (500...800°С) и полутеплостойкие (до 500°С). По химическому составу эти стали являются углеродистыми (0,22...1,65% С), высоколегированными (Мп, Si, Cr, W, Мо и др.).
Теплостойкие стали высокой твердости объединяют в группу так называемых быстрорежущих сталей, маркируемых по ГОСТ 19265-73, буквой Р (режущие). После буквы Р в марке следует цифра, указывающая среднее содержание в процентах вольфрама — главного легирующего элемента этих сталей (буква В — его условное обозначение — пропускается): затем указываются принятыми для обозначения как и в остальных сталях буквами другие легирующие элементы с цифрами, указывающими их содержания в процентах, если это содержание больше 1...2%. В состав всех быстрорежущих сталей непременно входят углерод (0,8...1,25%), хром (около 4%) и ванадий (1...2%), содержание которых в марке не указывается.
Фазовый состав быстрорежущих сталей в отожженном состоянии представлен легированным ферритом и карбидами МбС, МззСб, МС, МзС. Основным карбидом является М6 С. Количество карбидной фазы в стали Р18 достигает 25...30%, а в стали Р6М5 — 22%.
Обработка быстрорежущих сталей включает горячую ковку литых заготовок, отжиг,. закалку и многократный (чаще трехкратный) отпуск. Структура после закалки — мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Отпуск вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение. Это сопровождается увеличением до % HRC 64 твердости (вторичная твердость) за счет выделения частиц цементита. Для улучшения режущих свойств и повышения износостойкости некоторые виды инструментов подвергают низкотемпературному (540...570°С) цианированию, в результате которого на поверхности стали образуется тонкий слой высокой твердости (1000...1100 HV).
Полутеплостойкие (Х12М, 5ХНМ) и теплостойкие (Р12, Р6М5, Р18; Р12ФЗ, Р13Ф4К5, Р9М4К8, Bl 1M7K23, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 45ХЗВЗМФС, 2Х8В8М2К8) стали используются для изготовления режущих инструментов (например, фрезы, сверла) и штампов, пуансонов. Для инструментальных сталей при температуре эксплуатации до б50°С твердость должна быть 60...62 HRC, a для штамповых — 45...52 HRC до 700°С.
Инструментальные стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8… У12, X, ХВГ, Х12Ф1. Необходимые требования обеспечивают применением обработки холодом до — 60°С (нередко многократной) и отпуска при 120...130°С непосредственно после закалки.
Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.
www.ronl.ru
