Инструментальные материалы

Особую группу металлических сплавов представляют инструментальные материалы, к которым относятся: углеродистые инструментальные стали, легированные и быстрорежущие стали, твердые (металлокерамические) сплавы.

К инструментальным материалам предъявляются по­вышенные требования. Материал рабочей части инстру­мента должен иметь большую твердость, значительно превышающую твердость обрабатываемых материалов, и вместе с тем обладать достаточной вязкостью, чтобы сопротивляться ударным нагрузкам, возникающим при обработке. Кроме того, инструментальные материалы должны обладать высокими износостойкостью и тепло­стойкостью (красностойкостью), т. е. способностью не те­рять своих рабочих (режущих) свойств при резком повы­шении температуры.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435 — 74) являются качественными, высокоуглеродисты­ми сталями с содержанием углерода от 0,7 до 1,2%. Они имеют относительно низкую теплостойкость. После тер­мообработки их твердость HRC 60 — 62, но при нагреве до 200 — 250 °С твердость таких сталей резко падает, ин­струмент теряет свои режущие свойства (затупляется). Выпускаются стали следующих марок: У7А, У8А, У9А, У10А, У12А. Из наиболее применимых инструмен­тальных углеродистых сталей У10А, У12А изготовляют инструменты, работающие с малыми скоростями резания (менее 10 м/мин): ножовочные полотна, напильники, мет­чики, плашки, ручные развертки и др.

Для изготовления деталей машин, испытывающих по­вышенный износ, применяют также инструментальные углеродистые стали марок У7, У8, У9, У10, У12. Легированные инструментальные стали, в которые вводятся обычные легирующие химические элементы (вольфрам, хром, молибден, никель, ванадий и др.), имеют твердость после термической обработки HRC 62 – 64. Их теплостойкости 300 -350 °С. Легированные стали применяют для инструмента по обработке металла с малыми и средними скоростями делания.

Основное преимущество легированных сталей по сравнению с углеродистыми — малая деформация при закалке, что особенно важно для длинных инструментов сложной формы (протяжек, разверток и др.). Наименьшей деформацией при закалке отличаются стали: хромовольфрамовая марганцовистая марки ХВГ и хромомарганцовистая ХГ. Широкое применение имеет также хромокремнистая сталь марки 9ХС.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73) составляют, особую группу высоколегированных инструментальных сталей, обладающих высокой теплостойкостью (600 —650 °С), большой твердостью после термообработ­ки HRC 62 — 65 и повышенной износостойкостью. Они допускают работу со скоростями резания, превышающи­ми в 3 — 4 раза скорости резания для обычных легиро­ванных сталей.

Наибольшее распространение имеют следующие шесть марок быстрорежущих сталей умеренной тепло­стойкости: Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р8МЗ, Р6МЗ, которые со­держат 9,0-18% вольфрама, 3,0-4,4% хрома, 1,0-5,0% молибдена и до 2,5% ванадия.

Высокую теплостойкость 600 —650 °С быстрорежущим сталям обеспечивает основной легирующий элемент вольфрам, являющийся весьма дорогим и дефицитным материалом. Поэтому для изготовления инструмента простой формы следует применять стали с меньшим со­держанием вольфрама, в частности сталь Р9 (9% воль­фрама). Сталь Р18 нужно использовать лишь для сложных, фасонных инструментов, которые должны обладать высокой износостойкостью (шеверов, зубо­резных инструментов малого модуля и т. п.).

Экономия быстрорежущих сталей обеспечивается применением сварного или сборного инструмента, в кото­ром его рабочая часть из быстрорежущей стали свари­вается со стержнем (хвостовиком) из конструкционной стали (45, 50 и др.) или монтируется в корпусе, державке инструмента (с помощью механического крепления или сварки).

Твердые (металл окерамические) сплавы получают из зерен порошков карбидов вольфрама, титана, тантала или их смесей методом порошковой металлургии путем прессования смеси с порошком кобальта при давлении 100-500 МПа и температуре 1400-1500JC Металличе­ский кобальт здесь служит связкой. Твердые сплавы при­меняются в виде пластин разных форм и размеров, ко­торые припаивают или механически закрепляют в корпусах, державках инструмента, изготовленных из конструкционных сталей или инструментальных углеро­дистых сталей У.7А, У8А.

ГОСТ 3882 — 74 предусматривает выпуск следующих марок твердых сплавов:

вольфрамовых - ВК2 (2 % кобальта), ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25 и др.;

титановольфрамовых — Т30К4 (30% карбида титана, 66% карбида вольфрама, 4% кобальта), Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В;

титанотанталовольфрамовых — ТТ7К12 и ТТ10К8Б.

Металлокерамические твердые сплавы имеют высо­кую теплостойкость 900—1000°С и обладают повышен­ной износостойкостью. Основной их недостаток — малая вязкость (большая хрупкость), что часто делает их непри­годными для изготовления инструмента, работающего с ударными, знакопеременными нагрузками.

Вольфрамовые сплавы более вязкие и их применяют для механической обработки чугунных заготовок, других хрупких металлических и неметаллических заготовок (из фарфора, стекла, керамики, ферритов).

Титановольфрамовые сплавы используются для обра­ботки стальных заготовок.

Для изготовления изделий или инструмента сложной формы применяют особый твердосплавный пластифици­рованный полуфабрикат (пластифицированные заготов­ки), которые легко обрабатываются металлорежущим ин­струментом. После необходимой механической обработ­ки пластифицированные заготовки окончательно спе­каются при высокой температуре. Полученные инстру­менты приобретают свойства, которые не отличаются от свойств твердых сплавов, приготовленных из пресс-по­рошков.

К инструментальным материалам относится также минералокерамика — синтетический материал, полу­ченный на основе оксида алюминия. Лучшая марка минералокерамики ЦМ-332, имеющая твердость HRC 91 — 93 и теплостойкость 1200 °С, используется для изготовления пластин, которые припаивают к державкам инструмента. Этот материал весьма хрупок, что ограничивает его применение.

В производстве находят очень широкое применение другие неметаллические инструментальные мате­риалы—абразивные (в том числе алмазы).

Чугуны

Различают серый чугун, в структуре которого имеется углерод в виде графита, и белый, в котором углерод на­ходится в виде цементита.

Наибольшее применение получили серые доэвтектические чугуны, содержащие 2,4 — 3,8% углерода. С повыше­нием количества углерода в чугуне увеличивается содер­жание графита, снижаются механические свойства. Хоро­шие литейные качества чугуна (жидкотекучесть) обеспечи­ваются необходимым количеством углерода (не менее 2,4%).

Серые чугуны маркируются двумя буквами СЧ, а так­же двумя двузначными цифрами, первая из которых указывает пределы прочности при растяжении, вторая — при изгибе, например СЧ12 —28.

В зависимости от структуры серого чугуна изменяют­ся его свойства и область применения.

Ферритные и ферритно-перлитные чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при небольших нагрузках (строительных колонн, фундаментных плит, литых деталей сельскохозяйственных машин, арматуры и др.).

Перлитные чугуны используют для отливки станин больших станков, поршней, цилиндров, других деталей, работающих на износ при больших давлениях. К пер­литным чугунам относятся также сталистые чугуны.

Для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих в условиях трения, приме­няют антифрикционные чугуны.

Подвергая отливки белого чугуна длительному нагре­ву при высоких температурах (отжигу), получают ковкий чугун, применяемый для различных деталей, работающих при больших нагрузках (ступиц, крюков, скоб и т. д.). Ковкий чугун маркируют двумя буквами КЧ, а также ци­фрами, например КЧ50 —4. Первые цифры характери­зуют средний предел прочности при растяжении, вто­рые — относительное удлинение.

Белый чугун, имеющий большую твердость и хруп­кость, для изготовления заготовок практически не приме­няется, а используется лишь в качестве передельного ма­териала при получении ковкого чугуна.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при литье, стабилизации размеров, снижения твердости и улучшения обрабатываемости, повышения механиче­ских свойств чугуны подвергают термической и химико-термической обработке: отжигу, нормализации, закалке и отпуску, азотированию.

В частности, азотируют детали, отлитые из высоко­прочного чугуна (коленчатые валы, втулки цилиндров ди­зелей тепловозов и др.).

Высокопрочные (или модифицированные) чугуны по­лучают при плавке с присадкой модификаторов, напри­мер магния, в присутствии которых графит приобретает шаровидную форму, благодаря чему прочность чугуна повышается. Эти чугуны маркируют буквами ВЧ и ци­фрами, например ВЧ50 —2,5. Из высокопрочных чугунов отливают детали кузнечно-прессового оборудования, ко­вочных материалов и других деталей, испытывающих большие нагрузки.

Кроме указанных применяют также легированные чу­гуны, имеющие по сравнению с обычными повышенное содержание кремния и марганца.

В промышленности применяют и специальные чугуны или доменные ферросплавы с большим содержанием марганца или кремния, например чугун «зеркальный». Ферросплавы применяют в производстве стали для ее раскисления, т. е. удаления вредной примеси — кислоро­да, и легирования, а это повышает качество стали.