Инструментальные стали

Характеристика свойств инструментальных материалов

Режущие инструменты работают в условиях больших силовых нагрузок, высоких температур и трения. Поэтому инструментальные материалы должны удовлетворять ряду особых эксплуатационных требований. Материал рабочей части инструмента должен иметь большую твердость и высокие допустимые напряжения на изгиб, растяжение, сжатие, кручение. Твердость материала рабочей части инструмента должна значительно превышать твердость материала заготовки.

Высокие прочностные свойства необходимы, чтобы инструмент обладал сопротивляемостью соответствующим деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала инструмента позволяла воспринимать ударную динамическую нагрузку, возникающую при обработке заготовок из хрупких материалов и заготовок с прерывистой поверхностью. Инструментальные материалы должны иметь высокую красностойкость, т.е. сохранять большую твердость при высоких температурах нагрева. Важнейшей характеристикой материала рабочей части инструмента является износостойкость. Чем выше износостойкость, тем медленнее изнашивается инструмент. Это значит, что разброс размеров деталей, последовательно обработанных одним и тем же инструментом, будет минимальным.

Инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали содержат 0,9— 1,3 % С. Для изготовления инструментов применяют качественные стали У10А, УНА, У12А. После термической обработки стали (HRC 60—62) имеют красностойкость 200—250 ⁰С. Выше этой температуры твердость стали резко уменьшается, и инструменты не могут выполнять работу резания. Стали имеют ограниченное применение, так как допустимые скорости резания не превышают 15—18 м/мин. Из них изготовляют метчики, плашки, ножовочные полотна.

Легированные инструментальные стали — это углеродистые инструментальные стали, легированные хромом (X), вольфрамом (В), марганцем (Г), кремнием (С) и другими элементами. После термообработки легированные стали (HRC 62—64) имеют красностойкость 250—300 ⁰С. Легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии, более высокую прокаливаемость, меньшую склонность к деформациям и появлению трещин при закалке. Допустимые скорости резания 15—25 м/мин. Для изготовления протяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток используют стали 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС и др.

Быстрорежущие стали содержат 8,5—19 % W, 3,8—4,4 % Сr, 2—10 % Со и V. Для изготовления режущих инструментов используют стали Р9, Р12, Р18, Р6М3, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5, Р9КЮ, РЮК5Ф2, Р10К5Ф5. Режущий инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (HRC 62—65) имеет красностойкость 600—630 ⁰С и обладает повышенной износостойкостью, может работать со скоростями резания до 80 м/мин.

Сталь Р9 рекомендуют для изготовления инструментов простой формы (резцов, фрез, зенкеров). Для фасонных и сложных инструментов (для нарезания резьб и зубьев), для которых основным требованием является высокая износостойкость, рекомендуют использовать сталь Р18. Кобальтовые быстрорежущие стали (Р9К5, Р9К10) применяют для обработки деталей из труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, в условиях прерывистого резания, вибраций, недостаточного охлаждения.

Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомендуют для изготовления инструментов для чистовой обработки (протяжки, развертки, шеверы). Их можно применять для обработки труднообрабатываемых материалов при срезании стружек небольшого поперечного сечения.

Вольфрамомолибдековые стали (Р9М4, Р6М3) используют для инструментов, работающих в условиях черновой обработки, а также для изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез.

Твердые сплавы

Твердые сплавы — это твердый раствор карбидов вольфрама (WC), карбидов титана (TiC) и карбидов тантала (ТаС) в кобальте (Со). Твердые сплавы применяют в виде пластинок определенной формы и размеров, изготовляемых методом порошковой металлургии. Пластинки предварительно прессуют, а затем спекают при температуре 1500—1900 ⁰С.

Различают твердые сплавы: вольфрамовые — ВК2, ВК3, ВК3М, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВКЮ, ВК15, ВК20, ВК25; титано-вольфрамовые — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титано-тантало-вольфрамовые — ТТ7К12, ТТ10К8Б. Пластинки твердого сплава (HRA 86—92) обладают высокой износостойкостью и красностойкостью (800—1000 ⁰С), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 800 м/мин. Пластинки припаивают к державкам или корпусам инструментов медными (латунными) припоями или крепят механическим способом.

В промышленности применяют многогранные неперетачиваемые твердосплавные пластинки (трех-, четырех-, пяти-, шестигранные и др.), которые крепят механическим способом. После износа одной из режущих кромок пластинки в работу вводят следующую. Недостатком твердых сплавов является пониженная пластичность.

Твердые сплавы группы ВК используют для обработки деталей из хрупких металлов, пластмасс, неметаллических материалов, а сплавы группы ТВК— для обработки деталей из пластических и вязких металлов и сплавов. Мелкозернистые твердые сплавы (ВК6М и др.) применяют для обработки деталей из труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, твердых чугунов, бронз, закаленных сталей, сплавов легких металлов, сплавов титана, фарфора, керамики, стекла, ферритов. Трех-карбидные сплавы ТТК отличаются от сплавов групп ВК, ТВК повышенной износостойкостью, прочностью и вязкостью, их применяют для обработки труднообрабатываемых сталей аустенитного класса..

Инструменты сложных форм (сверла, зенкеры, развертки, элементы протяжек), а также небольших размеров изготовляют из пластифицированных твердых сплавов. Пластифицированный твердый сплав представляет собой спрессованный порошок, погруженный в кипящий парафин при температуре 400 ⁰С и после остывания составляющий с ними однородную массу. Пластифицированные брикеты легко обрабатывать на металлорежущих станках, прессовать, выдавливать через фасонные фильеры.

Инструмент, изготовленный одним из этих методов, спекают при температуре 1300 ⁰С. После спекания он приобретает необходимую твердость и подвергается чистовой обработке и затачиванию.

Минералокерамика

Минералокерамика — синтетический материал, основой которого служит глинозем (А1₂О₃), подвергнутый спеканию при температуре 1720—1750 ⁰С. Минералокерамика марки В0К60 (HRA 91—93) имеет красностойкость 1200 ⁰C и высокую износостойкость. Ее применяют для изготовления инструментов, к которым предъявляют повышенные требования по размерной стойкости. Ее малое родство с металлами исключает слипание с металлом обрабатываемой детали. Недостатками минералокерамики являются низкая прочность и хрупкость.

Пластинки из минералокерамики крепят к державкам резцов или корпусам инструментов механическим способом либо пайкой, сделав металлизацию пластинок. Инструменты, оснащенные пластинками из минералокерамики, можно эффективно использовать при получистовой обработке деталей из сталей и цветных металлов в условиях безударной нагрузки. Для повышения эксплуатационных характеристик инструментов с пластинками из минералокерамики в нее добавляют W, Мо, В, Ti, Ni. Такие материалы называют керметами. Особое значение керметы приобретают при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов.