Ументальні матеріали
Твердість сталей у загартованому стані досягає 66...70 НRСе, вони мають більш високу теплостійкість (до 620...670 °С). Це дає можливість використовуватиїхдля обробки жароміцних та нержавіючих сталей та сплавів, а також конструкційних сталей підвищеної міцності та загартованих. Період стійкості інструментів із таких сталей у 3…5 разів вищий, ніж із сталей Р18, Р6М5.
Табл. 3.Зміст легуючих елементів у швидкорізальних сталях,%
У зв'язку з гострим дефіцитом вольфраму в СРСР і за кордоном розробляються безвольфрамові інструментальні матеріали, у тому числі швидкорізальні сталі.
До таких сталей відносяться маловольфрамові Р2М5, РЗМЗФ4К5. Р2МЗФ8, А11РЗМЗФ2 та безвольфрамова 11М5Ф (див. табл. 6.1). Експлуатаційні властивості зазначених сталей близькі до властивостей традиційних швидкорізальних сталей відповідних груп.
Перспективним напрямом підвищення якості швидкорізальних сталей є отримання їх методами порошкової металургії. Сталі Р6М5К5-П (П - порошкова), Р9М4К8-П, Р12МЗФЗК10-П та інші мають дуже однорідну дрібнозернисту структуру, добре шліфуються, менше деформуються при термообробці, відрізняються стабільністю експлуатаційних властивостей. Період стійкості різальних інструментів таких сталей зростає до 1,5 разу. Поряд з порошковими швидкорізальними сталями добре зарекомендували себе так звані карбідосталі, що містять до 20 % TiC, які за службовими характеристиками займають проміжне місце між швидкорізальними сталями і твердими сплавами.
Тверді сплави.Ці сплави отримують методами порошкової металургії у вигляді пластин або коронок. Основними компонентами таких сплавів є карбіди вольфраму WC, титану TiC, танталу ТаС та ніобію NbС, дрібнічастинки яких з'єднані за допомогою порівняно м'яких та менш тугоплавких кобальту або нікелю у суміші з молібденом (табл. 6.2, 6.3).
Тверді сплави мають високу твердість -88. 92 HRA (72. 76 HRCЭ,) та теплостійкість до 850. 1000 °С. Це дозволяє працювати зі швидкостями різання в 3-4 рази більшими, ніж інструментами зі швидкорізальних сталей.
Тверді сплави, що застосовуються в даний час, діляться:
2) натитановольфрамові сплавигрупи ТК:
Табл. 4.Марки, хімічний склад і властивості вольфрамосодержащих твердих сплавів
Табл. 5.Марки, хімічний склад та властивості безвольфрамових твердих сплавів
4) набезвольфрамові тверді сплавиТМ-1, ТМ-3, ТН-20, КНТ-16, ТС20ХН, склад яких наведено в табл. 6.3. Позначення цієї групи твердих сплавів є умовними.
Тверді сплави випускаються у вигляді стандартизованих пластин, які припаюються, приклеюються або механічно кріпляться до державок з конструкційної сталі. Випускаються також інструменти, робоча частина яких повністю виконана з твердого металу (монолітні).
Правильний вибір марки твердого сплаву забезпечує ефективну експлуатацію різальних інструментів. Для конкретного випадку обробки метал вибирають виходячи з оптимального поєднання його теплостійкості і міцності. Наприклад, сплави групи ТК мають вищу теплостійкість, ніж сплави ВК. Інструменти, виготовлені з цих сплавів, можуть використовуватися при високих швидкостях різання, тому широко застосовують при обробці сталей.
Інструменти із твердих сплавів групи ВК застосовують при обробці деталей із конструкційних сталей в умовах низької жорсткості системи СНІД, при переривчастому різанні, при роботі зударами, а також при обробці крихких матеріалів типу чавуну, що обумовлено підвищеною міцністю цієї групи твердих сплавів та невисокими температурами у зоні різання.
Такі сплави використовуються також при обробці деталей із високоміцних, жароміцних та нержавіючих сталей, титанових сплавів. Це тим, що у більшості цих матеріалів титану викликає підвищену адгезію зі сплавами групи ТК, також містять титан. Крім того, сплави групи ТК мають значно гіршу теплопровідність та нижчу міцність, ніж сплави ВК.
Введення в твердий сплав танталу карбідів або карбідів танталу і ніобію (ТТ10К8-Б) підвищує його міцність. Тому три- і чотирикарбідні тверді сплави застосовуються для оснащення інструментів, що працюють з ударами та забрудненою кіркою. Однак температура теплостійкості цих сплавів нижча, ніж у двокарбідних. З твердих сплавів з істотно поліпшеною структурою слід відзначити дрібнозернисті, що застосовуються для обробки матеріалів з великою стиральною здатністю. Сплави ОМ мають щільну, особливо-дрібнозернисту структуру, а також мають малий (до 0,5 мкм) розмір зерен карбідів вольфраму. Остання обставина дозволяє заточувати та доводити інструмент, виготовлений з них, з найменшими радіусами ріжучих кромок. Інструменти із сплавів цієї групи застосовуються для чистової та напівчистової обробки деталей із високоміцних в'язких сталей із підвищеною схильністю до наклепу.
Незначне додавання до складу сплавів групи ОМ карбіду танталу та кобальту сприяє підвищенню їхньої теплостійкості, що дозволяє використовувати ці сплави при виготовленні інструментів, призначених для чорнової обробки деталей з різних сталей. Дуже ефективна заміна карбідів танталу.карбідами хрому. Це забезпечує отримання сплавів з дрібнозернистою однорідною структурою та високою зносостійкістю. Представником таких матеріалів є сплавВК10-XOM.
Працездатність твердих сплавів значно зростає при нанесенні на них зносостійких покриттів.
Мінералокераміка.З сучасних інструментальних матеріалів заслуговує на увагу мінералокераміка, яка не містить дорогих і дефіцитних елементів. Основу її становлять оксиди алюмінію АOз із невеликою добавкою (0,5. 1 %) оксиду магнію MgO. Висока твердість мінералокераміки, теплостійкість до 1200°С, хімічна інертність до металів, опір окисленню багато в чому перевершують ці параметри твердих сплавів. Однак мінералокераміка поступається цим сплавам теплопровідності, має нижчу межу міцності на вигин.
Сучасна мінералокераміка, створена в СРСР та за кордоном, за міцністю наближається до найбільш зносостійких твердих сплавів. Мінералокераміку на основі оксиду алюмінію можна поділити на три групи:
1) чисто оксидна кераміка (біла), основу якої складає оксид алюмінію з незначними домішками (АlОз - до 99,7%);
2) кераміка, що є оксидом алюмінію з додаванням металів (титан, ніобій та ін.);
3) оксидно-карбідна (чорна) кераміка - оксид алюмінію з додаванням карбідів тугоплавких металів (титану, вольфраму, молібдену) для підвищення її властивостей міцності і твердості.
Вітчизняна промисловість нині випускає оксидну кераміку ЦМ-332, ВО-13 та оксидно-карбідну ВЗ, ВОК-60, ВОК-63, до складу якої входить до 40 % карбідів титану, вольфраму та молібдену. Поряд із матеріалами на основі оксиду алюмінію випускається матеріал на основі нітриду.кремнію - силініт-Р і кортиніт ОНТ-20 (з добавками оксидів алюмінію та деяких інших речовин). Фізико-механічні властивості ріжучої мінералокераміки наведені у табл. 6.4.
Високі ріжучі властивості інструментів з мінералокераміки виявляються при швидкісній обробці сталей та високоміцних чавунів, причому чистове та напівчистове точення та фрезерування підвищує продуктивність обробки деталей до 2 разів при одночасному зростанні періодів стійкості інструментів до 5 разів у порівнянні з обробкою інструментами із твердого сплаву.
Мінералокераміка випускається у вигляді пластин, що не переточуються, що істотно полегшує умови її експлуатації.
Табл. 6.Фізико-механічні властивості ріжучої мінералокераміки
Надтверді інструментальні матеріали (СТМ).
Одним із напрямків удосконалення ріжучих властивостей інструментів, що дозволяє підвищити продуктивність праці при механічній обробці, є підвищення твердості та теплостійкості інструментальних матеріалів. Найбільш перспективними щодо цього є синтетичні надтверді матеріали на основі алмазу або нітриду бору.
Алмази та алмазні інструменти широко використовуються при обробці деталей із різних матеріалів. Для алмазів характерні виключно висока твердість та зносостійкість. За абсолютною твердістю алмаз у 4-5 разів твердіший за тверді сплави і в десятки і сотні разів перевищує зносостійкість інших інструментальних матеріалів при обробці кольорових сплавів і пластмас. Крім того, внаслідок високої теплопровідності алмази краще відводять теплоту із зони різання, що сприяє гарантованому отриманню деталей з поверхнею без підпалу. Однак алмази дуже крихкі, що сильно звужує їх областьзастосування.
Для виготовлення різальних інструментів основне застосування отримали штучні алмази, які за своїми властивостями близькі до природних. При великих тисках і температурах у штучних алмазах вдається отримати таке саме розташування атомів вуглецю, як і природних. Маса одного штучного алмазу зазвичай становить 1/8 ... 1/10 карата (1 карат - 0,2 г). Внаслідок небагатьох розмірів штучних кристалів вони непридатні для виготовлення таких інструментів, як свердла, різці та інші, а тому застосовуються при виготовленні порошків для алмазних шліфувальних кругів та притиральних паст.
Лезо алмазні інструменти випускаються на основі полікристалічних матеріалів типу «карбонадо» або «балас». Ці інструменти мають тривалі розмірні періоди стійкості та забезпечують високу якість обробленої поверхні. Застосовуються вони для обробки титанових, висококремнистих алюмінієвих сплавів, склопластиків і пластмас, твердих сплавів та інших матеріалів.
Діамант як інструментальний матеріал має істотний недолік - при підвищеній температурі він вступає в хімічну реакцію із залізом і втрачає працездатність. Для того, щоб обробляти сталі, чавуни та інші матеріали на основі заліза, були створені надтверді матеріали, хімічно інертні до нього. Такі матеріали отримані за технологією, близькою до технології отримання алмазів, але як вихідна речовина використовується не графіт, а нітрид бору.
Полікристали щільних модифікацій нітриду бору перевершують по теплостійкості всі матеріали, що застосовуються для лезового інструменту: алмаз в 1,9 рази, швидкорізальну сталь в 2,3 рази, твердий сплав в 1,7 рази, мінералокераміку в 1,2 рази.
Ці матеріали ізотропні (однакова міцність у різнихнапрямках), мають мікротвердість меншу, але близьку до твердості алмазу, підвищену теплостійкість, високу теплопровідність і хімічну інертність по відношенню до вуглецю і заліза.
Характеристики окремих матеріалів, що розглядаються, які в даний час отримали назву «композит», наведені в табл. 6.5.
Табл. 7.Порівняльні характеристики СТМ на основі нітриду бору
Ефективність застосування лезових інструментів з різних марок композитів пов'язана з удосконаленням конструкції інструментів та технології їх виготовлення та з визначенням раціональної області їх використання: композити 01 (ельбор-Р) та 02 (белбор) використовують для тонкого та чистового точення та фрезерування без ударів деталей із загартованих сталей твердістю 55. 70 НRСе, чавунів та твердих сплавів ВК15, ВК20 та ВК25 з подачами до 0,20 мм/об та глибиною різання до 0,8 мм; композит 05 застосовують для чистового та напівчистового точення без ударів деталей із загартованих сталей твердістю 40. 58 НRСе, чавунів твердістю до 300 НВ з подачами до 0,25 мм/об та глибиною до 2.5 мм; композит 10 (гексаніт-Р) використовують для тонкого, чистового та напівчистового точення та фрезерування з ударами деталей із загартованих сталей твердістю не вище 58 HRCЕ, чавунів будь-якої твердості, сплавів ВК15, ВК20, ВК25 з подачею до 0,15 мм/об та глибиною різання до 0,6 мм. У цьому період стійкості інструментів зростає вдесятеро порівняно коїться з іншими інструментальними матеріалами.
Область застосування СТМ донедавна обмежувалася через порівняно невеликі розміри полікристалів. В даний час освоєно випуск двошарових пластин, що не переточуються, що складаються з твердого сплаву (основа) і шару з полікристалів алмазу або нітриду борутовщиною до 0,5 мм, що підвищить загальну ефективність використання інструментів надтвердих матеріалів.
Монокристалічні матеріали.В останні роки як інструментальні матеріали знаходять застосування синтетичний корунд у вигляді рубіну, а також монокристали безбарвного корунду, або лейкосапфіри.
Рубін представляє модифікацію α-Аl2О3 з невеликими домішками хрому, а лейкосапфір - синтетичний монокристал у вигляді а-модифікації, який майже не містить домішок. Останній має більш високі механічні властивості, ніж рубін, через що і знаходить ширше застосування. Інструменти, виготовлені з монокристалів корунду, рекомендується використовувати для тонкої обробки кольорових металів, сталей та чавунів.
Мал. 61. Використання інструментальних матеріалів у діапазоні допустимих швидкостей різання та подач:1—швидкорізальні сталі;2 —тверді сплави;3 -тверді сплави з покриттями;4; 5—оксидно-карбідна кераміка;6— оксидна кераміка;
Різноманітність інструментальних матеріалів, що використовуються нині промисловістю, підтверджують дані рис. 61 та табл. 6.6.