Реферат

Інструментальні матеріали

ВСТУП

Ефективність роботи різальних інструментів, а в кінцевому результаті і продуктивність праці при обробці матеріалів різанням в значній мірі залежить від властивостей інструментального матеріал. Основна вимога до матеріалу і геометрії різального інструменту - забезпечення гостроти леза (різальних властивостей) по-можливості довший час. Втрата працездатності може прийти через аварійне (випадкове) зношування і в результаті поступового монотонного зношування. Тому до інструментальних матеріалів ставляться такі вимоги:

1.Мати високі механічні властивості (твердість, міцність, ударну в’язкість…) мати високу зносостійкість.

2.Бути хімічно інертним до оброблюваних матеріалів.

3.Мати високу теплостійкість (зберігати твердість і, відповідно, різальні властивості при високих температурах),теплопровідність, бути малочутливим до циклічних коливань температури. Під теплостійкістю інструментального матеріалу розуміють максимальну температуру нагріву, при якій зберігається необхідна твердість (для інструментальних сталей Н_кс58).

4.Бути достатньо технологічним і відносно дешевим.

Відповідно до прийнятої концепції інструментальної програми України всі інструментальні матеріали класифікуються таким чином: інструментальні сталі; тверді сплави; абразиви; полікристалічні надтверді матеріали; інструментальна кераміка; абразивні надтверді матеріали.

Запроваджена наступна класифікація основних видів промислових інструментів за областями їх застосування: металообробні, деревообробні, для обробляння полімерних матеріалів, для обробляння каміння, для обробляння матеріалів в будівельній промисловості, для руйнування гірських порід і добування корисних копалин.

В даний час в металообробці і деревообробці найбільш широко використовуються інструментальні сталі, тверді сплави і абразивні інструменти.

1.1 ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ СТАЛІ

Інструментальні сталі, які використовуються для виготовлення різального інструменту, в залежності від хімічного складу поділяються на вуглецеві, леговані і швидкорізальні (високолеговані).

1.Вуглецеві інструментальні сталі (ГОСТ1435-74) випускаються середньої якості і високоякісні, що мають менший вміст сірки і фосфору. Найбільш широке розповсюдження одержали сталі марок У8;У8А;У10А;У12А, які містять 0,8;1,0-1,2% вуглецю. А-високоякісна сталь. Ці сталі мають низьку теплостійкість (200-250^оС), досить технологічні і недорогі. Вони використовуються для виготовлення ручного інструменту, який працює при невисоких швидкостях різання. Основними складовими тут є залізо, вуглець і марганець. Із збільшенням кількості вуглецю ростуть твердість і протизношувальна тривкість сталі, але знижується її пластичність. Сталі з збільшеним вмістом вуглецю краще гартуються. Маганець придає сталі такі ж властивості, як і вуглець, а також очищає її від сірки і робить метал більш щільним, але він сприяє росту зерна при гартуванні, що є причиною утворення тріщин, тому марганцю в сталі не більше 0,4%. У складі цих сталей є ще S_i,C_r,N_i, S iP. Сірка і фосфор шкідливі ,тому їх не більше 0.03%. Хром і нікель в комбінації з вуглецем і марганцем дещо покращують сталь, але не мають великого значення. Кремній підвищує пружність сталі, її твердість, стійкість проти корозії, але знижує пластичність, його у сталі не більше 0,35%.

Згідно з міжнародними нормами ISO4957 ці сталі позначаються WS.

2.Леговані інструментальні сталі (ГОСТ5950-73) мають до1% вуглецю і додатково леговані вольфрамом, хромом, ванадієм і іншими елементами (до 6%) які повищають теплостійкість сталі до 300⁰С. Найбільшого розповсюдження набули сталі 9ХС, ХВГ, Х6ВФ, 9ХФМ, 7ХНМФБ, 8Н1А, 6ХС, 9Х5ВФ, Х12, Х12Ф і інші. Використовуються вони для виготовлення інструменту, що працює при невисоких швидкостях різання (до 20 м/хв) – це мітчики, плашки, прошивки, протяжки, штампи, деревообробний інструмент. Ці сталі непогано обробляються відносно недорогі і після термообробки мають твердість Н_RC62-64//

Низьколеговані сталі мають міжнародне позначення згідно ISO4957 SP (Special alloy tool steel). Високолеговані сталі позначаються НР (High alloy tool steel) і містять більше 5% легуючих елементів, до 2% вуглецю і до 12% хрому і відповідають нашим Х12 і Х12Ф.

3.Швидкорізальні сталі (ГОСТ19265-73) мають вищу теплостійкість у порівнянні з вуглецевими і легованими сталями, тому можуть працювати при вищих швидкостях різання (45-60 м/хв). З них виготовляють біля 60% всіх лезових інструментів, що використовуються в машинобудуванні. Найважливішим легуючим елементом, який входить в склад цих сталей, є вольфрам (6-18%), крім того хром, молібден, кобальт, ванадій.

Для того, щоб ці сталі мали високі різальні властивості, вони повинні пройти спеціальну термообробку: гартування при температурі 1240-1280 ^оС з послідуючим потрійним високим (550-650 ^оС) відпуском, що забезпечує твердість 62-69 Н_RC, теплостійкість 620-720 ^оС і міцність на згин 2,5-4,0 гПа.

Швидкорізальні сталі в залежності від теплостійкості ділять на сталі нормальної, підвищеної і високої теплостійкості. Найбільш розповсюджені сталі нормальної теплостійкості (620-630 ^оС), їх кількість –75-80%. Це марки Р9, Р18, Р12, Р6М5,Р6АМ5, Р8М3, Р6М3. Вони використовуються для обробки конструкційних матеріалів з σ_в<1000мПа.

Сталі підвищеної теплостійкості (630-650 ^оС) додатково леговані кобальтом і ванадієм. Кобальт значно підвищує теплостійкість і твердість сталі. Це сталі Р9К10, Р9К5, Р9М4К8, Р6М5К5, Р10К5Ф5, Р18Ф2К8М, Р12Ф4К5, Р12М3Ф2К8 . Вони застосовуються для обробки жароміцних сталей, титанових сплавів, нержавіючих сталей, а також конструкційних сталей зσ_в>1000 мПа. Найкраща з них Р18Ф2К8М (18%W;2%V;8%C_o;1%M_о), вона має твердість Н_КС 67-68 і застосовується для обробки сталей з σ_в≥1600 мПа. Період стійкості її в 3-; рази вищий, ніж у сталей нормальної теплостійкості.

Сталі високої теплостійкості – це сталі з пониженим вмістом вуглецю (0,05-0,15%). Вони мають високу твердість (68-69 Н_КС), теплостікість(700-730 ^оС), зносостійкість, теплопровідність, при задовільній міцності.Основні легуючі елементи: С_о(16-25%), W(11-20%), M_o(4-7%). Зміцнення тут проходить за рахунок виділення інтерметалідів, а не карбідів, тому вони називаються сталями з інтерметалідним зміцненням. Це сталі В11М7К23; В18М7К25; В14М7К26 вони викоростовуються для обробки титанових сплавів і нержавіючих сталей. Зносостійкість їх в 30-50 раз вища стійкості інструментальної сталі Р18.

У зв’язку з дефіцитом вольфраму розроблено безвольфрамову сталь 11М5Ф (С=1,1%, М_о=5,5%, С_r=4%, V=1,5%). Вона має твердість 62-64 Н_КС, теплостійкість 620 ^оС, міцність на згин 3Б4-4,0 гПа і використовується для обробки відпалених вуглецевих сталей, легованих конструкційних сталей, кольорових металів.

Значний вплив на зносостійкість сталі має карбідна неоднорідність. Для інструментів годяться сталі 1; 2 і 3 балів карбідної неоднорідності (всього 14 балів). Досягнути цього трудно, особливо при великих розмірах інструменту, тому практикують одержання інструментальних сталей методами порошкової металургії. Порошок одержують розпиленням розтопленої інструментальної сталі в струмені нейтрального газу. Пресування ведеться при температурі 1150 ^оС. і тиску 9,8 мПа протягом 5-6 годин. Після цього проводиться кування або протягування заготовок. В результаті підвищуються однорідність матеріалу, його в’язкість, зменшуються термічні деформації, карбідна неоднорідність зводиться до мінімуму. Допускається легування кобальтом до 8% і ванадієм до 3%. Випробування показали, що сталі Р6М5К5 і Р9М4К8 мають в 1,2-2 рази вищу зносостійкість. В позначення таких сталей вводяться букви “МП”, наприклад Р6М5К5-МП.

Через дефіцит вольфраму для виготовлення дереворізального інструменту використовують безвольфрамову швидкорізальну сталь 8М3Ф3С.

Згідно з міжнародними нормами швидкорізальна сталь, яка має у своєму складі до 12% легуючих компонентів позначається SS, а коли більше 12%, то –НSS.

Швидкорізальні сталі були розроблені на початку ХХ століття. Але тоді використанню переваг цих сталей заважав низький технічний рівень верстатного парку, на якому використовувався інструмент з даних сталей. Необхідно було повністю замінити парк тихохідних малопотужних верстатів новими більш потужними і швидкохідними (п= 1000-1500 об/хв і N=6-8 квт). Це був перший скачок у розвитку сучасної технології механічної обробки деталей машин, викликаний появою більш досконалого інструменту.

Великі успіхи, досягнуті переходом від вуглецевих до швидкорізальних сталей, дали можливість приступити до пошуку нових композицій різних хімічних елементів з допомогою яких можна створити інструментальні матеріали з високими фізико-механічними властивостями. В ході пошуків були створені попередники нових матеріалів, які відомі зараз як тверді сплави.

1.2 ТВЕРДІ СПЛАВИ

Тверді сплави виготовляють методами порошкової металургії. Основні компоненти: карбід вольфраму (WC), карбід титану (Т_іС) і карбід танталу (Т_аС), зв’язкою служить металічний кобальт, нікель, або молібден. Теплостійкість твердих сплавів різних марок становить 800-1100 ^оС, що позволяє значно підняти швидкість різання (до 150-200 м/хв). Недолік їх – відносно низька міцність на згин σ_зг=0,9-1,6 гПа, а у швидкорізальної сталі σ_зг=3-3,5 гПа. Міцність на стиск σ_ст=4-6гПа, а твердість 90-96 Н_RA.

В залежності від хімічного складу тверді сплави поділяються на 4 групи: одно карбідні, двох карбідні трьох карбідні і безвольфрамові.

Однокарбідні тверді сплави (ВК) містять карбід вольфраму і кобальт. Широко відомі марки ВК3; ВК4; ВК6; ВК8; ВК10; ВК15. Цифрою вказано процентний вміст кобальту, а решта –карбід вольфраму. Із збільшенням кількості кобальту зменшується твердість сплаву і росте пластичність, тому для чорнової обробки застосовують марки ВК8. ВК10, а для чистової – ВК3, ВК4. Фізико-механічні властивості твердих сплавів залежать від розміру зерен. Вони можуть бути грубозернисті, нормальні, дрібнозернисті і дуже дрібнозернисті (розмір зерен до 0,5 мкм), позначаються вони відповідно, наприклад, ВК6В, ВК6 ВК6-М, ВК6-ОМ. Сплав ВК6-ОМ додатково легований до 2% Т_аС.

Однокарбідні тверді сплави добре зарекомендували себе при обробці чавунів. Для виготовлення інструменту, який працює з ударним навантаженням (обдирочні операції, переривисте точіння) застосовують грубозернисті тверді сплави (ВК6В). Згідно з нормами ІSO одно карбідні тверді сплави у своєму позначенні мають букву К (К01, К05, К10, К20, К30, К40) і фарбуються у червоний колір. Тут маркування ведеться не по хімічному складу, а по механічних (експлуатаційних) властивостях, тому деякі однокарбідні тверді сплави не обовязеоко будуть у марці мати букву К. В деякій технічній літературі зустрічається позначення НW.

Двохкарбідні тверді сплави (ТК) у своєму складі містять карбід вольфраму (основна складова), карбід титану і кобальт. Широко застосовуються марки Т30К4, Т5К10, Т15К6 (15% Т_іС; 5%С_о, 80%WC). При однаковому вмісті кобальту двох карбідні тверді сплави мають вищу твердість і хрупкість ніж одно карбідні, тому їх використовують для напівчистової і чистової обробки сталі. Згідно з нормами ІSО їх маркування починається з букви Р (Р01, Р10, Р15, Р20, Р30, Р40) і фарбуються в синій колір, в деякій літературі вони позначаються НТ.

Трьохкарбідні тверді сплави (ТТК) складаються з карбіду вольфраму, карбіду титану, карбіду танталу і металічного кобальту (зв’язки). Використо-вуються марки ТТ7К12 і ТТ20К4, вони характеризуються високою зносостійкістю і експлуатаційною міцністю (σ_в=1,3-1,6 мПа), добре витримують ударні навантаження, вібрації і використовуються при струганні і фрезеруванні. Згідно з нормами ІSO їх маркування починається з букви М (М10, М20, М30, М40), або НМ, колір жовтий.

Безвольфрамові тверді сплави створені на основі карбіду і карбонітриду титану, карбіду хрому і тугоплавких зв’язок, зокрема кобальт нікелевої. Ці сплави характеризуються окалиностійкістю, низьким коефіцієнтом тертя, пониженою схильністю до адгезії з оброблюваним матеріалом, але вони мають нижчу міцність, яку втрачають при підвищенні температури, мають низьку теплопровідність. Це сплави: КНТ16;ТН20;ТН30;ТМ1;ТМ3;КХН30. Вони застосовуються для напівчистової і чистової обробки конструкційних низьколегованих сталей і чавунів.

Інститутом надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України розроблені нові тверді сплави (ВН і ВКН), які за своїми властивостями близькі до сплавів ВК з однаковою кількістю зв’язки. Дослідження експлуатаційних властивостей цих сплавів при обробці різанням чавунів, сталей, в буровому і штамповому інструменті підтвердило їх добру якість. Це сплави ВН6;ВН8;ВН10;ВН15.