методичка Зубкова (Рк инструментальные материалы)

Инструментальные материалы для изготовлениялезвийных инструментов# 05, май 2013DOI: 10.7463/0513.0569432Зубков Н. Н.УДК 621.9.02Москва, МГТУ им. Н.Э. Бауманаzoubkovn@bmstu.ruВведениеТехнический уровень режущего инструмента определяет производительность исебестоимость обработки, точность получаемых размеров, качество поверхностногослоя и надежность операции.

Одним из основных факторов, определяющимтехнический уровень режущего инструмента, является инструментальный материал, изкоторого он изготовлен. Классификация современных инструментальных материаловпредставлена на рис. 1.Рис. 1. Инструментальные материалы для лезвийного инструментаhttp://technomag.bmstu.ru/doc/569432.html75Основными требованиями для инструментальных материалов являются твердость,прочность, теплостойкость, технологичность и экономичность. Прочностные свойстваинструментальных материалов характеризуются пределом прочности на изгиб и насжатие, ударной вязкостью и коэффициентом трещиностойкости. Теплостойкостьхарактеризуется температурой, при которой происходит существенное снижениестойкости инструмента. Комплексной характеристикой инструментального материалаявляется его износостойкость, которая определяет способность сохранения режущихсвойств инструмента, с заданной производительностью, при обеспечении точностиобработки и качества получаемой поверхности.

Износостойкость определяется, в первуюочередь, твердостью инструментального материала, его прочностью и теплостойкостью.На износостойкость инструментального материала значительно влияет также стойкость ктермическим ударам, теплопроводность, окислительная стойкость, а также адгезионные,диффузионные, химические свойства и коэффициент трения по отношению кобрабатываемому материалу. Под технологичностью понимается комплекс свойств,характеризующих поведение инструментальных материалов при изготовлении из негорежущего инструмента. Например, материалы, обладающие плохой шлифуемостью,неудобны при изготовлении и переточке сложнопрофильных инструментов, а слишкомузкий интервал закалочных температур материала при термообработке может привести кбраку и т.д.

[1]. Для инструментальных материалов характерно противоречие: болеетвердые и теплостойкие материалы обладают меньшей прочностью и стойкостью ктермическим ударам, что снижает их применимость для черновой обработки ипрерывистого резания. Рис. 2 представляет соотношение твердости и изгибной прочностиинструментальных материалов.10.7463/0513.056943276Рис.2. Соотношение твердости и прочности для инструментальных материалов.1 - инструментальные углеродистые, легированные и быстрорежущие стали, 2 - порошковыебыстрорежущие стали, 3 - инструментальные быстрорежущие стали с покрытием, 4 ультрамелкозернистые твердые сплавы, 5 - однокарбидные твердые сплавы (группа ВК), 6 - трехкарбидныетвердые сплавы (группа ТТК), 7 - двухкарбидные твердые сплавы (группа ТК), 8 - керметы(безвольфрамовые твердые сплавы), 9 - твердые сплавы и керметы с покрытием, 10 - нитридная керамика,11 - оксидная керамика, армированная нитевидными кристаллами Si3N4, 12 - смешанная керамика, 13 оксидная керамика, 14 - сверхтвердые материалы на основе нитрида бора, 15 - схверхтвердые материалына основе алмазаУглеродистые и легированные инструментальные сталиИз нетеплостойких инструментальных наибольшее применение для режущеголезвийного инструмента находят углеродистые стали марок У10А, У11А, У12А (ГОСТ1435-99) с теплостойкостью до 220°C и легированные инструментальные стали марок9ХС, 9Г2Ф, ХВ5, ХВГ, ХВСГ, ХГ (ГОСТ 5950-2000) с теплостойкостью до 250°C (длявысокохромистых сталей типа Х6ВФ, Х12М - до 510°С).Из углеродистых илегированных сталей изготавливают режущие инструменты, работающие при невысокихскоростях резания (до 15м/мин): метчики, плашки, малоразмерные сверла, развертки,напильники, ножовочные полотна и др.

Легированные инструментальные стали, посравнению с углеродистыми инструментальными, отличаются несколько большейтеплостойкостью, твердостью, большей прокаливаемостью и меньшими короблениямипри закалке. Основные области использования легированных инструментальных сталейприведены в ГОСТ 5950-2000.

В целом, практическое применение легированных иособенно углеродистых инструментальных сталей ограничено низкой теплостойкостью.http://technomag.bmstu.ru/doc/569432.html77Наблюдается устойчивая тенденция снижения их доли в общем объеме используемыхинструментальных материалов.Быстрорежущие сталиБыстрорежущие стали это высоколегированные стали с высоким содержаниемуглерода, вольфрама, хрома, молибдена, кобальта, ванадия. Высокая твердость,прочность, тепло- и износостойкость обусловлена двойным упрочнением: мартенситнымпри закалке и дисперсионным твердением при относительно высоком отпуске(500...620 °С), вызывающим выделение упрочняющих фаз [1].В марках быстрорежущей стали буквы и цифры означают: Р - быстрорежущая;цифра, следующая за буквой обозначает среднюю массовую долю вольфрама; М молибден, Ф - ванадий, К - кобальт, А - азот; цифры, следующие за буквами, означаютсоответственно массовую долю указанного элемента.

МП - материал порошковый. Вовсех быстрорежущих сталях обязательно присутствуют такие легирующие элементы, какуглерод, хром, молибден и ванадий, однако в обозначении никогда не обозначаетсясодержание хрома (составляет 3,1...4,4%), обычно не обозначается содержание углерода(0,73...1,12%),необозначаетсясодержаниемолибдена(домассовойдоли1%вкдючительно) и ванадия при его содержании менее 3% (за исключением экономнолегированных быстрорежущих сталей). Для азота обозначается его присутствие, но неуказывается его массовая доля, которая для сталей, легированных азотом составляет0,05...0,10%.Легирующие элементы, образуя карбиды, влияют на свойства быстрорежущейстали следующим образом: углерод - источник образования карбидов. Карбидывольфрама обеспечивают повышенную твердость, теплостойкостьснижают прочность,и износостойкость,существенно увеличивают цену стали. Хром - обеспечиваетповышенную закаливаемость, прокаливаемость, однородную мартенситную структуру,улучшает обрабатываемость резанием стали до закалки.

Молибден заменяет вольфрам,снижает карбидную неоднородность, повышает теплопроводность, прочность, вязкость,повышает склонность к окислению и чувствительность к обезуглероживанию (требуютсясоляные ванны при нагреве под закалку). Ванадий повышает теплостойкость, твердость,износостойкость, снижает вязкость и существенно ухудшает шлифуемость.

Кобальт –повышает твердость, теплостойкость, теплопроводностьи износостойкость, снижаетпрочность, вязкость, пластичность, улучшает шлифуемость, повышает чувствительность кобезуглероживанию. Повышенное содержание ванадия и кобальта увеличивает ценусталей.10.7463/0513.056943278По ГОСТ 19265-73 выпускаются прутки и полосы из следующих марокбыстрорежущих сталей нормальной производительности (теплостойкости): Р18, Р6М5,повышенной производительности: Р6М5Ф3, Р12ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8,Р2АМ9К5.

Также существуют быстрорежущие стали высокой производительности.Основной маркой стали нормальной производительности является универсальнаясталь Р6М5, которая пригодна для изготовления практически любых инструментов,предназначенных для резания углеродистых и низколегированных конструкционныхсталей и сплавов. Из сталей нормальной производительности широкое распространениеполучила также экономно-легированная сталь 11Р3АМ3Ф2, содержащая пониженноеколичество дефицитного вольфрама.Стали повышенной производительности имеют более высокую теплостойкость (до620...670°С) и твердость (до 64...67 HRC) за счет более высокого содержания углерода,ванадия (например, стали Р12Ф4, Р6М5ФЗ, Р6М5Ф4, Р12М6Ф5) или кобальта (напримерР18К10, Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р6М5К8).Ванадиевые стали, наряду с повышеннойтеплостойкостью и высокой износостойкостью, обладают плохой шлифуемостью ввидувысокой твердости карбидов ванадия.выражаетсявповышенииизносаНизкая шлифуемость сталей этой группыабразивныхкруговиувеличениитолщиныповерхностного слоя инструмента, повреждаемого при излишне жестком режимешлифования.

Частично проблема низкой шлифуемости ванадиевых сталей решаетсяиспользованием эльборовых шлифовальных кругов. Кобальтовыестали имеютотносительно низкую изгибную прочность и высокую склонность к обезуглероживанию,что требует их нагрева под закалку в соляных ваннах. Низкая технологичность и высокаястоимость сталей повышенной производительности сужают область их рациональногоиспользования: чистовые и получистовые операции при повышенных скоростях резания,обработка материалов, обладающих достаточно высокой прочностью и твердостью,обработкажаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов, а также в случаеповышенных требований по надёжности инструмента. Основной маркой быстрорежущихсталей повышенной производительности является сталь Р6М5Ф3.По требованию потребителя изготовляют стали марок Р6М5 и Р6М5Ф3 слегированием азотом.

В этом случае обозначения марок - Р6АМ5 и Р6АМ5ФЗ.Легирование азотом повышает режущие свойства инструмента на 20...30 % за счетповышения твердости на 1...2 единицы HRC.Стали высокой теплостойкости (дисперсионно-твердеющие с интерметаллиднымупрочнением) характеризуются пониженным содержанием углерода, но весьма большимколичествомлегирующихэлементов.http://technomag.bmstu.ru/doc/569432.htmlНапример,сталиВ11М7К23,В14М7К25,793В20К20Х4Ф имеют твердость 69…70 HRC и теплостойкость 700…720°С. Наиболеерациональная область их использования – резание трудноообрабатываемых сталей,жаропрочных и титановых сплавов.

Значительными недостатками этих сталей являютсяих низкая прочность при изгибе (не выше 2400 МПа) и низкая обрабатываемость резаниемв состоянии поставки ввиду их высокой твердости (38...40HRC).По ГОСТ 28393-89 выпускаются прутки и полосы из быстрорежущей стали,полученные методами порошковой металлургии изследующих марок Р6М5Ф3-МП,Р7М2Ф6-МП, Р12МФ5-МП, Р6М5К5-МП, Р9М4К8-МП, Р12М3К5Ф2-МП.

Методыпорошковой металлургии исключают образование карбидных неоднородностей, а такжепозволяют вводить в состав стали до 7% ванадия а также углерода с «пересыщением» до1,7%. Порошковые стали обладают лучшей шлифуемостью (по сравнению с непорошковой сталью того же состава), менее деформируются при закалке, обладаютбольшей прочностью и режущей способностью, показывают более стабильныеэксплуатационные свойства, позволяют формировать меньший радиус округлениярежущей кромки, но более дорогие.Технологияпорошковойметаллургиитакжеиспользуетсядляполучениякарбидостали, которая по своим свойствам может быть классифицирована какпромежуточнаямеждубыстрорежущейстальюитвердымисплавами.Карбидосталь отличается от обычной быстрорежущей стали высоким содержаниемкарбидной фазы, в основном карбидов титана.

В отожженном состоянии твердостькарбидостали составляет 40...44HRC, а после закалки и отпуска 68...70HRC (85...87 HRA).Карбидостали выпускаются на основе двух сталей Р6М5-КТ20 и Р6М5К5-КТ20 смассовой долей TiC 20% в виде заготовок различного сечения. В ряде случаевкарбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов.Из зарубежных марок быстрорежущей стали по DIN EN ISO 4957 наибольшуюприменяемость имеют HS6-5-2, HS6-5-3, HS6-5-2-5, HS10-4-3-10, HS2-9-2 и HS2-9-1-8.Обозначение и массовая доля легирующего элемента после букв HS (High Speed steel)идетвследующейпоследовательности:W-Mo-V-Co.Областиприменениябыстрорежущих сталей указаны в табл.1.Твердые сплавыПод твердыми сплавами понимают композиционный материал, полученныйметодами порошковой металлургии на основе высокотвердых и тугоплавких карбидоввольфрама, титана, тантала, ниобия соединенных металлической связкой (кобальт, никель,молибден и др.).