Інструментальними є
матеріали, основне призначення яких – це оснащення робочої частини інструментів.
До них відносяться:
-
інструментальні сталі (вуглецеві,
леговані і швидкорізальні),
-
тверді сплави (металокераміка),
-
мінералокераміка,
-
надтверді матеріали,
-
абразивні матеріали.
2.1. Інструментальні сталі
За хімічним складом,
ступеня легування інструментальні сталі поділяються на інструментальні вуглецеві, інструментальні
леговані і швидкорізальні сталі.
Фізико-механічні
властивості цих сталей при нормальній температурі досить близькі , розрізняються вони теплостійкістю і прокаливаємостью
при загартуванню.
Нетеплостійкі сталі (матеріали
теплостійкі до температури 200-240°С).
До цієї групи сталей
відносяться:
1. Вуглецеві інструментальні сталі
якісні ( У7 - У13 ) і високоякісні (У7А - У13А) або сталі неглибокого
прокалювання.
2. Низьколеговані сталі Х, 9Х ,
ХВГ, В1, В2Ф, 6ХС, 6ХВ2С, 7ХФ, ХГ2М.
Вуглецеві
сталі через малу стійкість переохолодженого аустеніту
мають невелику прокаливаємість (критичний діаметр 15 мм), тому їх застосовують
для виготовлення дрібних інструментів з поперечним перерізом до 25 мм з
незагартованої серцевиною. При ненаскрізьній прокаливаємості спостерігається
менша деформація інструмента при загартуванні. Інструмент з незагартованою
вузькою серцевиною володіє більшою стійкістю до ударів і вібрацій .
Переваги – дешевизна, невисока твердість після відпалу (
166-192 НВ) і хороша оброблюваність різанням і тиском в відпаленому стані.
Недоліки – вузький
інтервал гартівних температур і необхідність гартування з охолодженням у воді або у водних розчинах
лугів (солей ), що посилює деформацію і викривлення інструменту і сприяє
утворенню тріщин. Тому інструменти
складної форми з різкими переходами і великим співвідношенням довжини до
діаметра з вуглецевих сталей не виготовляють. Термічна обробка для цих сталей – гартування та низький відпустк ( 60-63
HRC).
Вуглецеві сталі
застосовують для дрібного інструменту, що працює через низьку їх теплостійкості
з малими швидкостями різання, так як при нагріванні вище 190-200°С
твердість інструменту значно знижується.
Низьколеговані
інструментальні сталі менше чутливі до перегріву, мають
велику прокаливаємість і дозволяють проводити охолодження при загартування в
маслі, що зменшує деформацію і викривлення інструменту. Тому з легованих сталей виготовляють інструменти складної форми з великим
відношенням довжини до діаметра (наприклад протяжки).
Так, сталі 9ХС і ХВСГ
характеризуються підвищеним загартуванням і тому вони отримують високу
твердість (HRC 62-63 ) як при охолодженні в олії, так і за ступінчатого
загартування. Крім того, інструмент з цих сталей зберігає високу твердість
ріжучої кромки при нагріванні до 225-250°С. При ступінчатому загартуванні деформація інструменту незначна.
Низьколеговані
інструментальні сталі використовують для виготовлення круглих плашок,
розгорток, зенкерів.
Такі леговані
інструментальні сталі, як 9ХС і ХВСГ, не володіють високою стійкістю проти
відпустки і придатні тільки для різання з невеликою швидкістю. Леговані сталі
гартують в маслі і піддають відпуску при 150-160°С для збереження
твердості НRC 61-64. Салі 9ХС, ХВС, Х , 11Х, ХВГ відрізняються малими
деформаціями при термічній обробці.
Інструментальні
вуглецеві (ГОСТ 1435-74) та леговані сталі (ГОСТ 5950-73). Ці
матеріали мають обмежені області застосування: вуглецеві йдуть, в основному,
для виготовлення слюсарних інструментів, а леговані - для різьбоутворюючих, деревообробних і довгомірних інструментів (
ХВГ ) - протяжок, розгорток і т.д.
Швидкорізальні
сталі позначаються згідно ГОСТ 19265-73 і містять 0,7-1,5 %С, поставляються
високоякісними. Матеріали теплостійкі до температури 615-725°С. У марках сталі букви і цифри позначають Р -
швидкорізальна (від англ. Слова " Rapid " - швидкий), цифра, наступна
за буквою − середню масову частку вольфраму, М - молібден , Ф - ванадій,
К - кобальт, А - азот; цифри , наступні за буквами , означають відповідно
масову частку молібден, ванадію, кобальту; Ш - електрошлаковий переплав. Марки
швидкорізальних сталей: Р9, Р12, Р18М5, Р6М3, Р8М3, Р18Ф2К8М.
2.2. Тверді сплави
Під
твердими сплавами розуміють сплави на основі
високотвердих і тугоплавких карбідів вольфраму, титану, танталу, з'єднаних
металевою зв'язкою, як правило, кобальтом. Тверді сплави є металокерамічними.
Тверді сплави
виготовляють методом порошкової металургії. Порошок карбідів змішують з
порошком кобальту, пресують цю суміш у вироби необхідної форми і піддають
спікання при 1400-1550 °С в захисній атмосфері (водень) або у
вакуумі.
При спіканні кобальт
плавиться і розчиняє частину карбідів, що дозволяє отримувати щільний матеріал
(пористість не перевищує 2 %), що
складається на 80-97 % з карбідних частинок, з'єднаних зв'язкою. Збільшення
зміст зв'язки викликає зниження твердості, але підвищення міцності.
Фізико -механічні
властивості одно- , двох - і трехкарбідних твердих сплавів. Такі матеріали
мають високу твердість HRA 80-92 ( HRCе 73-76, зносостійкість і
високу теплостійкість (до 800-1000°С). Їх недоліком є висока крихкість і складність
виготовлення фасонних виробів. Швидкість різання твердосплавним інструментом в
5-10 разів вище швидкості різання швидкорізальним.
У металообробці
стандартом ISO виділені три групи використання твердосплавного ріжучого
інструменту :
Тверді сплави, в
основному, випускаються у вигляді різних за формою і точності виготовлення
пластин: напайнимі ( наклеюються ) − по ГОСТ 25393-82 або змінних
багатогранних − по ГОСТ 19043-80 - 19057-80 та іншим стандартам.
Безвольфрамові
тверді сплави. Загальним недоліком розглянутих сплавів,
крім високої крихкості, є підвищена дефіцитність вихідного вольфрамового сировини-основного
компонента, що визначає їх підвищені фізико-механічні характеристики. Тому
перспективно напрямок використання безвольфрамових твердих сплавів. Добре себе
зарекомендували сплави, в яких в якості основи використовується карбід титану,
а в якості звязки –
нікель і молібден.
Вони маркуються буквами
КТС і ТН. Тверді сплави КТС- 1 і КТС- 2 містять 15-17 % Ni і 7-9 % Mo
відповідно, решта - карбід титану. У твердих сплавах типу ТН- 20, ТН- 25, ТН-
30 як сполучна металу застосовують в основному нікель у кількості 16-30 %.
Концентрація молібдену становить 5-9
%, решта - також карбід титану. Твердість подібних твердих сплавів становить
87-94 HRA, сплави мають високу зносо- і корозійну стійкість. Їх використовують
для виготовлення ріжучого інструменту і швидкозношуваних деталей технологічного
обладнання. Застосування керамічних інструментальних матеріалів − ГОСТ 26630-85.
2.3. Мінералокерамічні
інструментальні матеріали
Мінералокерамічні
інструментальні матеріали (ГОСТ26630-85) володіють високою
твердістю, тепло (1200-14000С) – і зносостійкістю. Їх основою є
глинозем А1203 (біла
оксидна кераміка, що містить 99,7 % А1203 ) або суміш окису
алюмінію і карбідів титану (Аl203 + ТiC) − чорна карбiдно
- оксидна кераміка.
На основі алюмооксидної
кераміки розроблений матеріал ОНТ - 20 (кортиніт ), що має дрібнозернисту
структуру. До цієї групи належить і матеріал сілініт-Р (змішана кераміка на
основі нітриду кремнію Si3Ni4). Використуються ці матеріали
для чистової і напівчистової обробки загартованих сталей до 55 НRС. Розрізняють
оксидно - карбідні ( ВОК71, ВОК95 ). До складу останніх марок входять карбіди
титану і окис алюмінію.
Мінералокераміка у
виробництво поставляється у вигляді непереточуваних багатогранних ріжучих
пластинок (табл.2.1).
Табл.
2.1–
Рекомедації щодо вибору марки мінералокераміки
|
Оброблювальний
матеріал |
Твердість |
Марка
кераміки |
|
Чавун сірий |
НВ 143-289 |
ВО-13, ВШ-75, ЦМ-332 |
|
Чавун ковкий |
НВ 163-269 |
ВШ-75, ВО-13 |
|
Чавун відбілений |
НВ 400-650 |
ВОК-60, ОНТ-20, В-3 |
|
Сталь конструкційна
вуглецева |
НВ 160-229 |
ВО-13, ВШ-75, ЦМ-332 |
|
Сталь конструкційна легована |
НВ 179-229 |
ВО-13, ВШ-75, ЦМ-332 |
|
Сталь покращена |
НВ 229-380 |
ВШ-75, ВО-13, ВОК-60 Сілініт-Р |
2.4. Синтетичні
надтверді матеріали
Виготовляються або на
основі кубічного нітриду бору – КНБ , або на основі алмазів. Матеріали групи КНБ мають високу
твердість, зносостійкість, низьким коефіцієнтом тертя і інертністю до заліза.
Фізико -механічні властивості СТМ на основі КНБ. Марки Композит
01, Композит 02,
Композит
05, Композит 09, Композит 10, Киборит, Вюрцин, Боразон, Амборит, Суміборон.
Останнім часом до цієї групи належать і
матеріали, що містять композицію Si- Al -ON (торгова марка " сіалон "),
в основі яких – нітрид
кремнію Si3N4.
Синтетичні матеріали
поставляються у вигляді заготовок або готових змінних пластин.
На основі синтетичних
алмазів відомі такі марки, як АСБ − алмаз синтетичний " баллас
", АСПК − алмаз синтетичний "карбонадо " та інші. Переваги
цих матеріалів: висока хімічна та корозійна стійкість, мінімальні радіуси
заокруглення лез і коефіцієнт тертя з оброблюваних матеріалом.
Проте, алмази мають
істотні недоліки: низька міцність на згин (210-480 МПа); хімічна
активність до деяких жирів, що містяться
в охолоджуючій рідині; розчинення в залізі при температурах 750-800 С, що
практично виключає можливість їх використання для обробки сталей і чавуну. В
основному, штучні алмази застосовуються для обробки алюмінію, міді й сплавів на
їх основі.
Нітрид бору ( b -NB )
по твердості ( HV9000 ) майже не поступається алмазу, але перевершує його по
теплостійкості (1200°С) та хімічній інертності. Застосовується для
обробки важкооброблюваних матеріалів: загартованих, цементованих сталей
(HRCе>>60), твердих сплавів, склопластиків та ін
Пластини
з штучним алмазом. CD10 – це пластина з полікристалічної
вставкою зі штучного алмазу, а CD1810 – пластина с алмазним покриттям.
Алмаз має твердість (
HV10000) в 6 разів вище твердості карбіду вольфраму ( HV1700). Переважно застосовують
синтетичні алмази (борт, баласc , карбонадо) полікристалічного будови, що
відрізняються меншою крихкістю і вартістю, ніж монокристали.
Алмазним інструментом
обробляють кольорові сплави, склопластики, кераміку, забезпечуючи при цьому
низьку шорсткість.
При обробці сталей і
чавунів застосування алмазу обмежується його високою адгезію до заліза і, як
наслідок, низькою зносостійкістю.
2.5. Абразивні
матеріали
Абразивні круги (від
латинського abrasio – зішкрябання) для машинобудування виготовляють із синтетичних матеріалів, так як
природні матеріали не володіють постійністю властивостей.
Матеріали на базі окису
алюмінію і карбіду кремнію позначаються цифрами: нормальний електрокорунд - 1, білий
електрокорунд - 2, хромистий і тітаністий електрокорунд - 3, монокорунд - 4, карбід
кремнію чорний - 5, зелений карбід кремнію - 6 .
Маркування абразивного матеріалу
включає ще одну цифру, а також літери А або С, що позначають відповідно електрокорунд
або карбід кремнію. Наприклад , електрокорунди мають маркування 16А, 15А, 14А
та ін, 25А, 24А та ін, 34А, ЗЗА та ін, 45А, 44А і ін Карбіди ж кремнію маркуються
так : 64С, 65С та ін, 55С, 54С та ін.
В якості шліфувальних матеріалів
застосовуються також, синтетичні алмази, які випускають у вигляді порошків
п'яти марок АС (алмаза синтетичного): АСО, АСР, АСВ, АСК і АСС і у вигляді
мікропорошків двох марок – АСМ і АСН. Алмаз АСО застосовують для паст і
порошків, алмаз АСР, що має підвищену міцність, застосовують для інструментів
на керамічній, та металевій зв'язках. Високоміцний синтетичний алмаз АСВ
застосовують для інструментів на металевій зв'язці, що працюють при підвищених
ударних навантаженнях. В особливо важких умовах роботи застосовують алмаз АСК.
Найвища міцність у алмазу АСС, використовуваного для інструментів, правлячих
шліфувальні круги. Крім синтетичних алмазів, для абразивної обробки використовують
ельбор -Л, кубоніт, а також подрібнені природні алмази типу карбонадо і баласс.
2.6. Нові
інструментальні матеріали
До нових інсрументальх
матеріалів відносяться:
-
порошкові
швидкорізальні сталі;
-
високолеговані сплави системи Fe - Co- W
-Mo з інтерметаллідним зміцненням;
-
карбідосталі.
Порошкова
технологія. Вихідна шихта, що
складається з порошку або тонко подрібненої стружки швидкорізальної сталі,
піддається холодному формуванню і подальшому твердофазному спіканню заготовок.
Спікання проводять при
1180°С у вакуумі протягом 3-5 годин. Для зменшення пористості
заготовки піддають гарячому штампуванні або пресуванню. Після цього заготовки
піддаються повному відпалу в захисному середовищі . Твердість після відпалу
становить 269-285 НВ в залежності від марки сталі. Застосування порошкових
швидкорізальних сталей для виготовлення інструменту не відрізняється від
отриманих за традиційною технологією. Приклади застосування порошкової
швидкорізальної сталі ГОСТ 28393-89. Марки Р6М5Ф3-МП, Р7М2Ф6-МП, Р7М2Ф6-МП.
Високолеговані
сплави з інтерметаллідним зміцненням. Структура сталей з
карбідним зміцненням ( сталі типу «Р» ) приблизно однакова для всіх груп. Після
остаточної термообробки (гартування + відпустку) їх структура складається з
мартенситу з виділенням дисперсних частинок легованих карбідів в основному типу
М6С і МС. Така структура забезпечує теплостійкість інструменту до 600-640°С.
Найбільш високу
теплостійкість (до 700-720°С ) мають високолеговані сплави системи Fe – Co – W –
Mo з інтерметаллідним
зміцненням ( марки В4М12К23 і В11М7К23 ). Після остаточної термообробки
структура цих сплавів складається з безвуглецевого (або маловуглецевого)
мартенситу з невисокою твердістю (30-40 HRCе) і дрібнодисперсних інтерметаллідів
(Fe, Co)7 ( W , Mo)6
, Fe3W2 ( Fe3Mo2 ) , (Fe, Co, Ni )7
( W, Mo)6 . Марки В11М7К23, В4М12К23.
Високі твердість (HRCе
68-70) і теплостійкість (720°С) забезпечуються:
а) більш високими
температурами (900-950°С) початок фазових перетворень, що на 100°С вище, ніж у
сталі з карбідним зміцненням;
б) великими кількостями
зміцнюючих фаз , що відрізняються високою дисперсністю (до 2-3 мкм ) і
рівномірністю розподілу в основній матриці.
Карбідосталі
- це матеріали, які з легованої матриці і
карбідів з масовою часткою від 20 до 70 % (переважно карбід титану).
В даний час розроблені
карбідосталі інструментального призначення, що містять близько 30 % карбідів
або карбонітридів титану, рівномірно розподілених у матриці з інструментальної
сталі. Компактування їх здійснюється методами гарячого ізостатичного пресування
і екструзії при температурах твердофазного спікання, що не перевищують 1180°С.
Карбідосталі після
гарту і відпуску мають високу твердість (
HRA 86-88 ) і зносостійкість. По комплексу властивостей вони займають проміжне
положення між твердими сплавами і швидкорізальними сталями. Марки: Р6М5К5-КТ20(КСТ-1), 6Х3В3МФС-КТ20
(КСТ-2).
Застосовуються
для виготовлення ріжучого інструменту ( протяжок, кінцеві фрези та ін), а також
штампового інструменту.