Основные требования к инструментальным материалам — наличие твердости, стойкости к изнашиванию, воздействию тепла и др. Соответствие этим критериям позволяет осуществлять резание. Чтобы осуществить внедрение в поверхностные слои изделия, подвергающегося обработке, лезвия для резки рабочей части должны быть сделаны из прочных сплавов. Твердость может быть природной или же приобретенной.
К примеру, инструментальные стали заводского изготовления режутся легко. После обработки механическим и термическим способом, а также шлифовки и затачивания, уровень их прочности и твердости повышается.
Как определяется твердость?
Характеристику можно определить разными способами. Инструментальные стали обладают твердостью по Роквеллу, твердость имеет цифровое обозначение, а также буквенное HR со шкалой А, В или С (например, HRC). Выбор инструментального материала зависит от вида обрабатываемого металла.
Самый устойчивый уровень функционирования и низкая изнашиваемость лезвий, которые прошли термическую обработку, может быть достигнута при показателе HRC 63 или 64. При более низком показателе свойства инструментальных материалов не столь высоки, а при высокой твердости они начинают крошиться из-за хрупкости.
Металлы, обладающие твердостью HRC 30—35, прекрасно подвергаются обработке железными инструментами, прошедшими термическую обработку с показателем HRC 63—64. Таким образом, соотношение показателей твердости составляет 1:2.
Для обрабатывания металлов с HRC 45—55 следует применять приспособления, основу которых составляют твердые сплавы. Показатель их составляет HRA 87—93. Материалы на основе синтетики можно применять при обрабатывании сталей, подвергшихся закалке.
Прочность инструментальных материалов
В процессе резки на рабочую часть воздействует сила в10 кН и выше. Она провоцирует высокое напряжение, которое может повлечь за собой разрушение инструмента. Чтобы этого не случилось, материалы для резки должны обладать высоким коэффициентом прочности.
Лучшим сочетанием характеристик прочности имеют инструментальные стали. Рабочая часть, выполненная из них, прекрасно выдерживает сильную нагрузку и может функционировать при сжатии, кручении, изгибе и растяжении.
Воздействие критической температуры нагрева на лезвия инструмента
При выделении теплоты при резке металлов нагреванию подвержены их лезвия, в большей степени - поверхности. При показателе температуры ниже критической отметки (для каждого материала она своя) структура и твердость не меняются. Если температура нагрева становится выше допустимой нормы, то уровень твердости падает. Критическую температуру называют красностойкостью.
Что обозначает термин «красностойкость»?
Красностойкостью называется свойство металла при нагревании до температуры в 600 °С светиться темно-красным цветом. Термин подразумевает сохранение металлом твердости и стойкости к изнашиванию. По своей сути это способность противостоять воздействию высокой температуры. Для различных материалов существует свой предел, от 220 до 1800 °С.
За счет чего может быть увеличена работоспособность режущего инструмента?
Инструментальные материалы режущего инструмента отличаются повышенной функциональностью при повышении температурной стойкости и улучшении отведения теплоты, выделяющейся на лезвии при резке. Теплота способствует повышению температуры.
Чем больше теплоты отведено от лезвия вглубь устройства, тем ниже показатель температуры на его контактной поверхности. Уровень теплопроводности зависит от состава и нагрева.
К примеру, содержание в стали таких элементов, как вольфрам и ванадий, вызывает снижение уровня ее теплопроводности, а примесь титана, кобальта и молибдена вызывает его повышение.
От чего зависит коэффициент трения скольжения?
Показатель коэффициента трения скольжения находится в зависимости от состава и физических свойств контактирующих пар материалов, а также от значения напряжения на поверхностях, подвергшихся трению и скольжению. Коэффициент влияет на стойкость к изнашиванию материала.
Взаимодействие инструмента с материалом, подвергшимся обработке, протекает при постоянном подвижном контакте.
Как себя ведут в этом случае инструментальные материалы? Виды их в равной степени изнашиваются.
Их характеризует:
- способность стирать металл, с которым он контактирует;
- способность проявлять стойкость к изнашиванию, то есть оказывать сопротивление стиранию другого материала.
Износ лезвий происходит постоянно. В результате этого приспособления утрачивают свои свойства, а также меняется форма их рабочей поверхности.
Показатель износостойкости может меняться в зависимости от условий, при которых протекает резка.
На какие группы подразделяются инструментальные стали?
Основные инструментальные материалы можно подразделить на следующие категории:
- металлокерамика (твердые сплавы);
- керметы, или минеральная керамика;
- нитрид бора на основе синтетического материала;
- алмазы на синтетической основе;
- инструментальные стали на углеродистой основе.
Инструментальное железо может быть углеродистым, легированным и быстрорежущим.
Инструментальные стали на углеродистой основе
Углеродистые вещества стали использовать для изготовления инструментов. Их скорость резания невелика.
Как маркируются инструментальные стали? Материалы обозначаются буквой (к примеру, «У» означает углеродистая), а также цифрой (показатели десятых доли процента содержания углерода). Присутствие буквы «А» в конце маркировки свидетельствует о высоком качестве стали (содержание таких веществ, как сера и фосфор, не превышает 0,03 %).
Углеродистый материал характеризует твердость с показателем HRC 62—65 и низкий уровень стойкости к температурам.
Марки инструментальных материалов У9 и У10А применяются при изготовлении пил, а серии У11, У11А и У12 предназначены для ручных метчиков и др. инструментов.
Уровень стойкости к температуре сталей серии У10А, У13А составляет 220 °С, поэтому инструмент из таких материалов советуется использовать при скорости резки 8—10 м/мин.
Легированное железо
Легированный инструментальный материал может быть хромистым, хромокремнистым, вольфрамовым и хромовольфрамовым, с примесью марганца. Такие серии обозначаются числами, а также они обладают буквенной маркировкой. Первая левая цифра свидетельствует о коэффициенте содержания углерода в десятых долях в случае, если содержание элемента составляет меньше 1%. Правые цифры символизируют средний показатель легирующей составляющей в процентах.
Марка инструментального материала Х пригодна для изготовления метчиков и плашек. Сталь В1 применима для изготовления сверл небольшого размера, метчиков и разверток.
Уровень стойкости к температуре у легированных веществ составляет 350—400 °С, поэтому скорость резки в полтора раза больше, чем для углеродистого сплава.
Для чего применяют высоколегированные стали?
Различные инструментальные материалы быстрой резки используются при изготовлении сверл, зенкеров и метчиков. Они маркируются буквами, а также цифрами. Важными составляющими материалов являются вольфрам, молибден, хром и ванадий.
Быстрорежущие стали делятся на две категории: нормальные и с повышенным уровнем производительности.
Стали с нормальной производительностью
К категории железа с нормальным уровнем производительности можно отнести марки Р18, Р9, Р9Ф5 и вольфрамовые сплавы с примесью молибдена серии Р6МЗ, Р6М5, которые сохраняют твердость не ниже HRC 58 при 620 °С. Материал пригоден для обрабатывания сталей с содержанием углерода и низколегированной категории, серого чугуна и цветных сплавов.
Стали с повышенной производительностью
К этой категории можно отнести марки Р18Ф2, Р14Ф4, Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2. Они способны сохранять показатель HRC 64 при температуре от 630 до 640 °С. В эту категорию входят сверхтвердые инструментальные материалы. Она предназначена для железа и сплавов, которые обрабатываются с трудом, а также для титана.
Твердые сплавы
Такие материалы бывают:
- металлокерамическими;
- минеральными керамическими.
Форма пластин находится в зависимости от свойств механики. Такие инструменты функционируют при высокой скорости резки по сравнению с быстрорежущим материалом.
Металлокерамика
Твердые сплавы из металлокерамики бывают:
- вольфрамовыми;
- вольфрамовыми с содержанием титана;
- вольфрамовыми с включением титана и тантала.
Серия ВК включает вольфрам и титан. Инструменты на основе этих составляющих обладают повышенной износостойкостью, но уровень сопротивления ударам у них низкий. Приспособления на такой основе используют для обрабатывания чугуна.
Сплав из вольфрама, титана и кобальта применим ко всем видам железа.
Синтез вольфрама, титана, тантала и кобальта используется в особенных случаях, когда другие материалы оказываются малоэффективными.
Твердые сплавы характеризуются высоким уровнем стойкости к температуре. Материалы из вольфрама могут сохранить свое свойство с показателем HRC 83—90, а вольфрамовые с титаном — с HRC 87—92 при температуре от 800 до 950 °С, что дает возможность функционирования на высокой скорости резки ( от 500 м/мин до 2700 м/мин при обрабатывании алюминия).
Для обрабатывания деталей, обладающих стойкостью к ржавлению и повышенной температуре, применяются инструменты из серии мелкозернистых сплавов ОМ. Марка ВК6-ОМ подходит для чистового обрабатывания, а ВК10-ОМ и ВК15-ОМ — для получистового и чернового.
Еще большей эффективностью при работе с «трудными» деталями обладают сверхтвердые инструментальные материалы серии BK10-XOM и ВК15-ХОМ. В них карбид тантала заменен на карбид хрома, что делает их более прочными даже при воздействии высокой температуры.
Чтобы повысить уровень прочности пластины из твердого вещества, прибегают к ее покрытию защитной пленкой. Применяется карбид, нитрид и карбонит титана, который наносится очень тонким слоем. Толщина составляет от 5 до 10 мкм. В результате образуется слой мелкозернистого карбида титана. Уровень стойкости таких пластин в три раза выше, чем у пластин без специального покрытия, что повышает скорость резки на 30%.
В некоторых случаях применяются материалы из металлокерамики, которые получаются из алюминиевой окиси с добавлением вольфрама, титана, тантала и кобальта.
Минеральная керамика
Для режущего инструмента применяют минеральную керамику ЦМ-332. Ей присуща стойкость к повышенной температуре. Показатель твердости HRC составляет от 89 до 95 при 1200 °С. Также материал характеризуется износостойкостью, что позволяет вести обработку стали, чугуна и цветных сплавов при высоких скоростях резания.
Чтобы изготовить режущие инструменты, также используют кермет серии В. Его основу составляют оксид и карбид. Введение в состав минеральной керамики карбида металла, а также молибдена и хрома, способствует оптимизации физико-механических свойств кермета и устраняет его ломкость. Повышается скорость резки. Получистовая и чистовая обработка приспособлением на основе кермета применяется для серого ковкого чугуна, трудно обрабатываемой стали и ряда цветных металлов. Процесс проводится со скоростью 435—1000 м/мин. Керамика для резки отличается стойкостью к воздействию температуры. Ее твердость по шкале составляет HRC 90—95 при 950—1100 °С.
Для обрабатывания железа, прошедшего закалку, прочного чугуна, а также стеклопластика используется орудие, режущая часть которого произведена из твердых веществ, содержащих нитрид бора и алмазы. Показатель твердости эльбора (нитрид бора) примерно такой же, как и у алмаза. Его стойкость к температуре в два раза выше, чем у последнего. Эльбор отличается инертностью к железным материалам. Предел уровня прочности его поликристаллов при сжимании составляет 4—5 ГПа (400—500 кгс/мм2), а при изгибании - 0,7 ГПа (70 кгс/мм2). Стойкость к температуре имеет до предела 1350—1450 °С.
Также следует отметить алмаз на синтетической основе баллас серии АСБ и карбонадо серии АСПК. Химическая активность последнего к содержащим углерод материалам более высокая. Именно поэтому он применяется при заточке деталей из цветных металлов, сплавов с высоким содержанием кремния, твердых материалов ВК10, ВК30, а также неметаллических поверхностей.
Показатель стойкости резцов карбонада - в 20—50 раз больше уровня стойкости твердых сплавов.
Какие сплавы получили распространение в промышленности?
Во всем мире выпускаются инструментальные материалы. Виды, употребляемые в России, США и в Европе, по большей части не содержат вольфрам. Они относятся к серии КНТ016 и ТН020. Эти модели стали заменой марок Т15К6, Т14К8 и ВК8. Они применяются для обрабатывания сталей для конструкций, нержавейки и инструментальных материалов.
Новые требования к инструментальным материалам обусловлены дефицитом вольфрама и кобальта. Именно с этим фактором связано то, что в США, странах Европы и России постоянно разрабатываются альтернативные методы получения новых твердых сплавов, не содержащих вольфрам.
К примеру, инструментальные материалы изготовления американской компании Adamas Carbide Co серии Titan 50, 60, 80, 100 содержат карбид, титан и молибден. Увеличение номера свидетельствует о степени крепости материала. Характеристика инструментальных материалов этого выпуска подразумевает высокий уровень прочности. К примеру, серия Titan100 обладает прочностью в 1000 МПа. Она является конкурентом керамики.
