По курсу “Теория резания“

Таблица 2.1 - Теплостойкость и допустимая скорость резания инструментальных материалов.

3. Важным требованием является достаточно высокая прочность инструментального материала. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента не обеспечивается необходимой прочностью, то это приводит к поломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок.

Таким образом, инструментальный материал должен иметь достаточный уровень ударной вязкости и сопротивляться появлению трещин (т.е. иметь высокую трещиностойкость).

4. Инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость при повышенной температуре, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истиранию обрабатываемым материалом, которая проявляется в сопротивлении материала контактной усталости.

5. Необходимым условием достижения высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемого материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы) и изнашивание контактных площадок инструмента.

6. Инструментальный материал должен обладать технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей ими являются хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные особенности термической обработки (малая чувствительность к перегреву и обезуглероживанию, хорошие закаливаемость и прокаливаемость, минимальные деформирование и образование трещин при закалке и т.д.); хорошая шлифуемость после термической обработки.

На рис. 2.1 показано расположение основных групп инструментальных материалов по их свойствам. Из рисунка видно, что твердость и прочность инструментальных материалов это свойства антагонисты, т.е. чем выше твердость материала, тем ниже его прочность. Поэтому набор основных свойств и определяет область и условие рационального использования инструментального материала в режущем инструменте.

Например, инструмент из сверхтвердых инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора (СТМ) или из режущей керамики (РК), используют исключительно для суперчистовой обработки изделий на высоких и сверхвысоких скоростях резания, но при весьма ограниченных сечениях среза.

При обработке конструкционных сталей на малых и средних скоростях резания в сочетании со средними и большими сечениями среза большие преимущества получают инструменты из быстрорежущей стали.

Инструментальные материалы подразделяются на пять основных групп: инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие); металлокерамические твердые

1 – Принципиальная зависимость основных свойств инструментальных материалов (твердость – прочность) Рисунок 2.1 – Классификация инструментальных материалов по их свойствам.

Наиболее распространенная из этих групп – быстрорежущая сталь, из которой изготавливается около 60% инструмента, из металлокерамических твердых сплавов – около 30%, из остальных групп материалов – только около 10 % лезвийного инструмента.

Анализ основных направлений совершенствования инструментальных материалов (см. рис. 2.1) позволяет отметить, что они связаны с ростом твердости, теплостойкости, износостойкости при снижении прочностных характеристик, вязкости и трещиностойкости. Эти тенденции не соответствуют идее создания идеального инструментального материала с оптимальным сочетанием свойств по твердости, теплостойкости, ударной вязкости, трещиностойкости, прочности.

Очевидно, что решение этой проблемы должно быть связано с разработкой композиционного инструментального материала, у которого высокие значения поверхностной твердости, теплостойкости, физико-химической инертности сочетались бы с достаточными значениями объемной прочности при изгибе, ударной вязкости, предела выносливости.

В мировой практике указанные методы совершенствования инструментальных материалов находят все большее применение, особенно при производстве сменных многогранных пластин (СМП) для механического крепления на режущем инструменте.
2.2 Инструментальные стали
Для режущих инструментов применяют быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 0,7-1,3% и суммарным содержанием легирующих элементов (кремния, марганца, хрома и вольфрама) от 1,0 до 3,0%.

2.2.1Углеродистые и легированные инструментальные стали.

Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А…У13, У13А. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,2…0,4% марганца. Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200…250С) их твердость резко уменьшается.

Следует отметить, что за последние 15-20 лет существенных изменений этих марок не произошло, однако наблюдается устойчивая тенденция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.

В настоящее время быстрорежущие стали являются основным материалом для изготовления режущего инструмента, несмотря на то, что инструмент из твердого сплава, керамики и СТМ обеспечивает более высокую производительность обработки.

Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления сложнопрофильных инструментов определяется сочетанием высоких значений твердости (до HRC68) и теплостойкости (600-650С) при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости, значительно превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обрабатываются давлением и резанием в отожженном состоянии.

В обозначении быстрорежущей стали буква Р означает, что сталь быстрорежущая, а следующая за буквой цифра – содержание средней массовой доли вольфрама в %. Следующие буквы обозначают: М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, А – азот. Цифры, следующие за буквами, означают их среднюю массовую долю в %. Содержание массовой доли азота составляет 0,05-0,1%.

Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы: нормальной, повышенной и высокой теплостойкости.

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовая Р18 и вольфрамомолибденовая Р6М5 стали (табл. 2.2). Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63…64 HRC, предел прочности при изгибе 2900…3400Мпа, ударную вязкость 2,7…4,8Дж/м² и теплостойкость 600…620С. Указанные марки стали получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Объем производства стали Р6М5 достигает 80% от всего объема выпуска быстрорежущей стали. Она используется при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс.

Среди ванадиевых сталей наибольшее применение получила марка Р6М5Ф3.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали

обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия (VC), так как твердость последних не уступает твердости зерен электрокорундового шлифовального круга (Al₂O₃). Обрабатываемость при шлифовании – «шлифуемость», - это важнейшее технологическое свойство, которое определяет не только особенности при изготовлении инструментов, но и при его эксплуатации (переточках).

Порошковые быстрорежущие стали, независимо от содержания ванадия, относятся к группам 1 и 2 т.е. обладают хорошей шлифуемостью.

Стали с пониженной шлифуемостью склонны к прижогам, т.е. к изменению структуры приповерхностных слоев стали после шлифования или заточки, появлению вторичной закалки или зон вторичного отпуска с пониженной твердостью.

Следствием прижогов может быть значительное снижение стойкости инструмента.

Однако, проблема «шлифуемости» высокованадиевых быстрорежущих сталей, успешно решается если при заточке и доводке режущих инструментов применяются абразивные круги с зернами из СТМ на основе кубического нитрида бора (КНБ).

Ванадиевые быстрорежущие стали находят применение для инструментов несложных форм при чистовых и получистовых условиях резания для обработки материалов, обладающих повышенными абразивными свойствами.

Среди кобальтовых сталей наибольшее применение нашли марки Р6М5К5, Р9М4К8, Р18К5Ф2, Р9К5, Р2АМ9К5 и др. Введение кобальта в состав быстрорежущей стали наиболее значительно повышает ее твердость (до 66-68 HRC) и теплостойкость (до 640-650С). Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.

Это дает возможность использовать их для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности. Период стойкости инструментов из таких сталей в 3-5 раз выше, чем из сталей Р18, Р6М5.

Значительными недостатками этих сталей является их низкая прочность при изгибе (не выше 2400 МПа) и низкая обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 HRC) при изготовлении инструмента.

В связи со все более возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущей стали, все большее применение находят экономнолегированные марки. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3АМ3Ф2, которая используется при производстве инструмента, так как обладает достаточно высокими показателями по твердости (HRC 63-64), прочности (_и-3400 МПа) и теплостойкости (до 620С).

Экономно легированные стали

Сталь 11Р3АМ3Ф2 технологична в металлургическом производстве, однако, из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

Наиболее эффективные возможности повышения качества быстрорежущей стали, ее эксплуатационных свойств, и создания новых режущих материалов появились при использовании порошковой металлургии.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем сталь аналогичных марок, полученных по традиционной технологии. Технологическая схема получения порошковых быстрорежущих сталей следующая: газовое распыление в порошок жидкой струи быстрорежущей стали, засыпка и дегазация порошка в цилиндрический контейнер, нагрев и ковка (или прокатка) контейнеров в прутки, окончательная резцовая обдирка остатков контейнера с поверхности прутков. Основным преимуществом порошковой технологии является резкое снижение размеров карбидов, образующихся при кристаллизации слитка в изложнице. Таким образом порошинка, полученная газовым распылением, и является микрослитком в котором не образуются крупные карбиды.

Новая технология позволяет существенно изменить схему легирования с целью направленного повышения тех или иных эксплуатационных характеристик, определяющих стойкость инструмента.

Основные примеры разработки новых составов порошковой быстрорежущей стали сводятся к возможности введения в состав до 7% ванадия и значительного, в связи с этим, повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости. А также введение углерода с «пересыщением» до 1,7%, позволяющего получить значительное количество карбидов ванадия и высокую вторичную твердость после закалки с отпуском. В Украине выпускают ряд марок порошковой стали: (Р7М2Ф6-МП, Р6М5Ф3-МП, Р9М2Ф6К5-МП, Р12МФ5-МП и др. ГОСТ 28369-89).

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидостали, которая по своим свойствам может быть классифицирована как промежуточная между быстрорежущей сталью и твердыми сплавами.

При использовании в качестве материала режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов (деформирующие протяжки).