Классификация инструментальных материалов. Требования к инструментальным материалам Инструментальные материалы и способы их приминения

Режущий клин при взаимодействии с материалом заготовки, осуществляя непрерывное деформирование и отделение материала, подвергается силовому и тепловому воздействию, а также истиранию. Эти условия работы позволяют сформулировать основные требования к материалу режущей части инструмента. Пригодность таких материалов определяется их твердостью, теплостойкостью, механической прочностью, износостойкостью, технологичностью и стоимостью.

1. Твердость. Внедрение одного материала (клина) в другой (заготовку) возможно лишь при преобладающей твердости материала клина, поэтому твердость инструментальных материалов, как правило, выше твердости обрабатываемых материалов. Однако при повышении температуры инструментального материала его твердость уменьшается и может оказаться недостаточной для осуществления деформирования и разделения материала. Свойства материалов сохранять необходимую твердость при высокой температуре называют теплостойкостью.

2. Теплостойкость. Она определяется критической температурой, при которой происходит изменение твердости. Если температура выше критической, инструмент работать не будет. В общем случае теплостойкость определяет новую скорость резания.

3. Механическая прочность. Важность механической прочности для инструментального материала объясняется его условиями работы, которые характеризуются нагрузками изгибающими, сжимающими и ударными, а следовательно пределы прочности материала на изгиб, сжатие и ударная вязкость являются основными показателями прочности инструментального материала.

4. Износостойкость. Способность материала противостоять изнашиванию определяет длительность работы материала инструмента. Износостойкость характеризуется работой силы трения отнесенной к величине стертой массы материала. Важность этой характеристики в том, что она определяет сохранение начальной геометрии инструмента во времени, т.к. в процессе работы происходит постоянное истирание инструмента (поверхности клина).

5. Технологичность. Технологичность материала - способность его соответствовать требованиям технологии термообработки, обработки давлением, механической обработки и т.д., является свойством, определяющим возможность изготовления инструмента, заданной конструкции.

6. Стоимость. Материал режущих инструментов не должен отличаться высокой стоимостью, т.к. это, в конечном счете, определяет ширину его использования.

════════════════════════════════════

Группы инструментальных материалов,
применяемые для изготовления режущего инструмента

1. Инструментальные стали

У7, У7А, У13,У13А

Углеродистые стали используются для изготовления инструмента, который работает при низких скоростях резания 15-18 м/мин, а также при температуре не ниже 200-230 о С. Это слесарный инструмент (зубило, напильники, метчики, плашки и т.д.). Твердость углеродистых сталей после термообработки достигает HRC 62-64.

2. Легированные стали

Для повышения технических или иных свойств углеродистых сталей в них вводят легирующие элементы. Так, к примеру:

· (Ni) Никель (H) - повышает пластичность и вязкость, увеличивает прокаливаемость

· (Mn) Марганец (Г) - увеличивает прочность, прокаливаемость, износостойкость

· (Cr) Хром (Х) - упрочняет сталь

· (W) Вольфрам (В) - повышает твердость, износостойкость, теплостойкость

· (V) Ванадий (Ф) ограничивает изменение свойств при нагреве, улучшает качество поверхности и свариваемость, но ухудшает шлифуемость.

· (Mo) Молибден (М) повышает прокаливаемость, прочность, пластичность, вязкость

· (Si) Кремний (С) повышает прокаливаемость.

Теплостойкость легированной стали не больше 300-350 о С. Низколегированные стали (Х) с хромом применяют для изготовления слесарного инструмента. Высоко легированные стали ХВГ, ХСВГ для фасонных резцов, сверл малого диаметра, протяжек, разверток и других инструментов, работающих при скоростях резания до 25 м/мин.

3. Быстрорежущие стали

Особую группу инструментальных сталей составляют быстрорежущие стали с содержанием вольфрама от 6-18% с высокой теплостойкостью (до 650 о С). Они пригодны для изготовления инструмента, работающего при скорости резания до 60 м/мин.

Из быстрорежущей стали нормальной производительности Р9, Р18 изготавливают сверла, метчики, фрезы, зенкеры, развертки, плашки и т.д., а из сталей повышенной производительности Р18Ф2, Р18Ф5, Р10К5Ф5 или Р9Ф5 делают инструмент для обработки высокопрочных и трудно обрабатываемых материалов, так как эти виды стали обладают повышенной износостойкостью и позволяют работать на скоростях до 100 м/мин.

В виду дефицитности вольфрама, как правило, из инструментального материала делают только режущую часть (пластинки, привариваемые к державкам), а корпусную - из обычной конструкционной стали. После термообработки твердость быстрорежущей стали достигает HRC 64 и больше.

4. Металлокерамические твердые сплавы

Эти материалы представляют собой сплавы карбидов тугоплавких металлов с чистым металлическим кобальтом, выступающим в качестве связки (TiC, TaC, WC).

Твердые сплавы получают прессованием с последующим спеканием отформованного материала. Их применяют в виде пластинок, получаемых спеканием при 1500 о -1900 о. Такой материал имеет теплостойкость 800 о -1000 о, что позволяет вести обработку при скорости 800 м/мин. В промышленности применяют многогранные пластинки (3, 4, 6). Недостатком является то, что материал плохо выдерживает ударные нагрузки из-за хрупкости (чем больше в составе кобальта, тем выше пластичность).

Все металлокерамические сплавы делят на три группы :

· Однокарбидные. Вольфрамокобальтовые твердые сплавы ВК2, ВК6, ВК8, где цифры после букв означает процентное содержание кобальта. Увеличение процентного содержания кобальта увеличивает ударную вязкость. Сплавы этой группы наиболее прочные. Применяются для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов. Теплостойкость 250-1000 о С.

· Двухкарбидные. В этих сплавах кроме компонентов сплавов групп ВК, включает карбид титана Т5К10, Т15К6, где 6-процентное содержание кобальта, 15-процентное содержание карбида титана, а остальное есть карбид вольфрама. Применяется при обработке углеродистых и легированных сталей. Предельная теплостойкость 1050 о С.

· Трехкарбидные. Дополнительно введен карбид тантала помимо тех, что перечислены выше. ТТ17К6, ТТ17К12, где 17- суммарное содержание карбидов титана и тантала, 12-содержание кобальта, т.о. 71-карбид вольфрама. Эти сплавы имеют высокую прочность, применяются при обработке жаропрочных сталей и титановых сплавов.

· Группа Р- (синяя)

Сплавы группы Р нужны для обработки материалов дающих сливную стружку (сталь)

· Группа М - (желтая)

При обработке нержавеющих, жаропрочных сталей и титановых сплавов

М40-ТТ7К12, ВК10-ОМ

М- мелкий, ОМ- очень мелкий

· Группа К - (красная)

Сплавы группы К применяются для обработки малопластичных материалов, цветных сплавов, пластмассы, древесины, чугуна

5. Минералокерамические инструментальные сплавы

Эти сплавы готовятся на основе окиси алюминия Al 2 O 3 c небольшими добавлениями окиси магния, подвергаются спеканию при 1700 о. Например, ЦМ332 используется при получистовой и чистовой обработке стальных и чугунных заготовок, обладает высокой износостойкостью, хорошими режущими свойствами, дешевле твердых сплавов, но хрупкий. Материал обладает теплостойкостью до 1200 о.

6. Сверхтвердые инструментальные материалы.

Это материалы на основе кубического нитрида бора КНБ, обладающие высокой твердостью и теплостойкостью. Примером может служить эльбор-Р, который используется при финишной обработке чугуна и закаленных сталей. При этом достигается шероховатость, характерная для шлифования. Режущая часть инструмента изготовляется из монокристаллов диаметром от 4 мм и длиной 6 мм.

Для изготовления режущей части инструмента применяются природные алмазы (А) и синтетические (АС) алмазы массой от 2 до 0,85 карата*. Природные алмазы применяются для чистового точения цветных металлов и сплавов пластмасс и других неметаллических материалов. Синтетические алмазы применяются при обрабработке высококремнистых материалов, стеклоплатика и пластмасс. Алмазы обладают высокой твёрдостью, малым коэффициентом трения и незначительной способностью к слипанию со стружкой, высокой износостойкостью. Недостатком является его низкая теплостойкость и дороговизна.

Сравнительная характеристика
инструментальных материалов

════════════════════════════════════

Геометрия токарного резца

При обработке материалов резанием различают следующие поверхности :

1- обрабатываемая

2 - обработанная

3 - поверхность резания

Распространенным инструментом для обработки наружних и внутренних поверхностей является токарный резец, он состоит из рабочей части - I и корпуса – II. Рабочая часть снабжается инструментальным материалом, корпус изготавливается из конструкционных сталей. Последний нужен для крепления инструмента в резодержателе.

Рабочая часть резца образуется рядом поверхностей, которые, пересекаясь, образуют режущую кромку и вершину резца–6. 1–поверхность, по которой сходит стружка. Задние поверхности 2 и 3 обращены к обрабатываемой заготовке. Пресекаясь с передней поверхностью 1 они образуют режущие кромки: главную–4 и вспомогательную–5. Соответственно задняя поверхность 2 (она обращена к поверхности резания) является главной, а 3–вспомогательной (направлена в сторону обработанной поверхности). Вершина резца есть точка пересечения режущих кромок.

Важную роль в физических процессах, происходящих в процессах резания, играют углы резца (углы резнаия)

a - задний угол уменьшает трение между задней поверхностью инструмента и рабочей поверхностью, увелитчение угла приводит к уменьшению прочности

a 1 – наличие данного угла уменьшает трение

g - передний угол может быть как положительным, так и отрицательным или нулевым, с уменьшением угла уменьшается деформация срезаемого слоя, так как инструмент легче врезается в материал, уменьшаются силы резания, улучшаются условия схода стружки, а при сильном увеличении угла снижается теплопроводность, увеличивается выкрашиваемость

b - угол заострения - угол между передней и главной задней поверхностями резца

d - угол резания - угол между передней поверхностью резца и плоскостью резания

j - главный угол в плане определяет шероховатость поверхности, сего уменьшением происходит улучшение качества поверхности, но одновременно усменьшается толщина и растет ширина срезаемого слоя материала, с уменьшением этого угла возможно возникновение вибрации

j 1 - вспомогательный угол в плане, при уменьшении угла возрастает прочность

e - угол при вершине резца угол между проекциями режущих кромок на основную плоскость= 180°- (j+j1)

l - угол наклона режущей кромки положителен тогда, когда вершина резца является высшей точкой, а отрицательным когда вершина резца является низшей точкой, оказывает влияние на направление схода стружки

Величины углов изменяются вследствие погрешности резца.

История развития обработки металлов показывает, что одним из эффективных путей повышения производительности труда в машиностроении является применение новых инструментальных материалов. Например, применение быстрорежущей стали вместо углеродистой инструментальной, позволило увеличить скорость резания в 2...3 раза. Это потребовало существенно усовершенствовать конструкцию металлорежущих станков, прежде всего увеличить их быстроходность и мощность. Аналогичное явление наблюдалось также при использовании в качестве инструментального материала твердых сплавов.

Инструментальный материал должен иметь высокую твердость, чтобы в течение длительного времени срезать стружку. Значительное превышение твердости инструментального материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при нагреве инструмента в процессе резания. Способность материала инструмента сохранять свою твердость при высокой температуре нагрева определяет его красностойкость (теплостойкость). Режущая часть инструмента должна обладать большой износостойкостью в условиях высоких давлений и температур.

Важным требованием является также достаточно высокая прочность инструментального материала, так как при недостаточной прочности происходит выкрашивание режущих кромок либо поломка инструмента, особенно при их небольших размерах.

Инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. легко обрабатываться в процессе изготовления инструмента и его переточек, а также быть сравнительно дешевыми.

В настоящее время для изготовления режущих элементов инструментов применяются инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие), твердые сплавы, минералокерамические материалы, алмазы и другие сверхтвердые и абразивные материалы.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных сталей У10А, У11А, У12А, У13А, обладают достаточной твердостью, прочностью и износостойкостью при комнатной температуре, однако теплостойкость их невелика. При температуре 200-250 "С их твердость резко уменьшается. Поэтому они применяются для изготовления ручных и машинных инструментов, предназначенных для обработки мягких металлов с низкими скоростями резания, таких, как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и др. Углеродистые инструментальные стали имеют низкую твердость в состоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабатываемость резанием и давлением. Однако они требуют применения при закалке резких закалочных сред, что усиливает коробление инструментов и опасность образования трещин.

Инструменты из углеродистых инструментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и потери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической обработке и плохой шлифуемости углеродистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасонных инструментов, подлежащих шлифованию по профилю.

С целью улучшения свойств углеродистых инструментальных сталей были разработаны низколегированные стали. Они обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувствительностью к перегреву, чем углеродистые стали, и в то же время хорошо обрабатываются резанием и давлением. Применение низколегированных сталей уменьшает количество бракованных инструментов.

Область применения низколегированных сталей та же, что и для углеродистых сталей.

По теплостойкости легированные инструментальные стали незначительно превосходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до 200-260°С и поэтому непригодны для резания с повышенной скоростью, а также для обработки твердых материалов.

Низколегированные инструментальные стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости. Для изготовления режущих инструментов используются стали 11ХФ, 13Х, ХВ4, В2Ф неглубокой прокаливаемости и стали X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ глубокой прокаливаемости.

Стали неглубокой прокаливаемости, легированные хромом (0,2-0,7%), ванадием (0,15-0,3%) и вольфрамом (0,5-0,8%) используются при изготовлении инструментов типа ленточных пил и ножовочных полотен. Некоторые из них имеют более специализированное применение. Например, сталь ХВ4 рекомендуется для изготовления инструментов, предназначенных для обработки материалов, имеющих высокую поверхностную твердость, при относительно небольших скоростях резания.

Характерной особенностью сталей глубокой прокаливаемости является более высокое содержание хрома (0,8-1,7 %), а также комплексное введение в относительно небольших количествах таких легирующих элементов, как хром, марганец, кремний, вольфрам, ванадий, что существенно повышает прокаливаемость. В производстве инструментов из рассматриваемой группы наибольшее применение находят стали 9ХС и ХВГ. У стали 9ХС наблюдается равномерное распределение карбидов по сечению. Это позволяет использовать ее для изготовления инструментов относительно больших размеров, а также для резьбонарезных инструментов, особенно круглых плашек с мелким шагом резьбы. Вместе с тем сталь 9ХС имеет повышенную твердость в отожженном состоянии, высокую чувствительность к обезуглероживанию при нагреве.

Содержащие марганец стали ХВГ, ХВСГ мало деформируются при термической обработке. Это позволяет рекомендовать сталь для изготовления инструмента типа протяжек, длинных метчиков, к которым предъявляются жесткие требования относительно стабильности размеров при термической обработке. Сталь ХВГ имеет повышенную карбидную неоднородность, особенно при сечениях, больших 30...40 мм, что усиливает выкрашивание режущих кромок и не позволяет рекомендовать ее для инструментов, работающих в тяжелых условиях. В настоящее время для изготовления металлорежущих инструментов применяются, быстрорежущие стали. В зависимости от назначения их можно разделить на две группы:

1) стали нормальной производительности;

2) стали повышенной производительности.

К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, к сталям второй группы – Р6М5ФЗ, Р12ФЗ, Р18Ф2К5, Р10Ф5К5, Р9К5, Р9К10, Р9МЧК8, Р6М5К5 и др.

В обозначении марок буква Р указывает, что сталь относится к группе быстрорежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание ванадия в стали в процентах обозначается цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта -цифрой, следующей за буквой К.

Высокие режущие свойства быстрорежущей стали обеспечиваются за счет легирования сильными карбидообразующими элементами: вольфрамом, молибденом, ванадием и некарбидообразующим кобальтом. Содержание хрома во всех быстрорежущих сталях составляет 3,0-4,5 % и в обозначении марок не указывается. Практически во всех марках быстрорежущих сталей допускается серы и фосфора не более 0,3% и никеля не более 0,4%. Существенным недостатком этих сталей является значительная карбидная неоднородность, особенно в прутках большого сечения.

С увеличением карбидной неоднородности прочность стали, снижается, при работе выкрашиваются режущие кромки инструмента, и снижается его стойкость.

Карбидная неоднородность выражена сильнее в сталях с повышенным содержанием вольфрама, ванадия, кобальта. В сталях с молибденом карбидная неоднородность проявляется в меньшей степени.

Быстрорежущая сталь Р18, содержащая 18% вольфрама, долгое время была наиболее распространенной. Инструменты, изготовленные из этой стали, после термической обработки имеют твердость 63-66 HRС Э, красностойкость 600 °С и достаточно высокую прочность. Сталь Р18 сравнительно хорошо шлифуется.

Большое количество избыточной карбидной фазы делает сталь Р18 более мелкозернистой, менее чувствительной к перегреву при закалке, более износостойкой.

Ввиду высокого содержания вольфрама сталь Р18 целесообразно использовать только для изготовления инструментов высокой точности, когда стали других марок нецелесообразно применять из-за прижогов режущей части при шлифовании и заточке.

Сталь Р9 по красностойкости и режущим свойствам почти не уступает стали Р18. Недостатком стали Р9 является пониженная шлифуемость, вызываемая сравнительно высоким содержанием ванадия и присутствием в структуре очень твердых карбидов. Вместе с тем сталь Р9, по сравнению со сталью Р18, имеет более равномерное распределение карбидов, несколько большую прочность и пластичность, что облегчает ее деформируемость в горячем состоянии. Она пригодна для инструментов, получаемых различными методами пластической деформации. Из-за пониженной шлифуемости сталь Р9 применяют в ограниченных пределах.

Сталь Р12 равноценна, по режущим свойствам стали Р18. По сравнению со сталью Р18 сталь Р12 имеет меньшую карбидную неоднородность, повышенную пластичность и пригодна для инструментов, изготовляемых методом пластической деформации. По сравнению со сталью Р9 сталь Р12 лучше шлифуется, что объясняется более удачным сочетанием легирующих элементов.

Стали марок Р18М, Р9М отличаются от сталей Р18 и Р9 тем, что они в своем составе вместо вольфрама содержат до 0,6-1,0 %"молибдена (из расчета, что 1 % молибдена заменяет 2 % вольфрама). Эти стали имеют равномерно распределенные карбиды, но более склонны к обезуглероживанию. Поэтому закалку инструментов из сталей необходимо проводить в защитной атмосфере. Однако по основным свойствам стали Р18М и Р9М. не отличаются от сталей Р18 и Р9 и имеют ту же область применения.

Вольфрамомолибденовые стали типа Р6МЗ, Р6М5 являются новыми сталями, значительно повышающими как прочность, так и стойкость инструмента. Молибден обусловливает меньшую карбидную неоднородность, чем вольфрам. Поэтому замена 6...10 % вольфрама соответствующим количеством молибдена снижает карбидную неоднородность быстрорежущих сталей примерно на 2 балла и соответственно повышает пластичность. Недостаток молибденовых сталей заключается в том, что они имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию.

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 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. 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 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 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 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 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 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 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/мм 2), а при изгибании - 0,7 ГПа (70 кгс/мм 2). 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.

Для обеспечения работоспособности металлорежущего инструмента необходимо изготовлять его рабочую часть из материала, обладающего комплексом определенных физико-механических свойств (высокими показателями твердости, износостойкости, прочности, теплостойкости и др.). Материалы, отвечающие требованиям этого комплекса и способные осуществлять резание, называются инструментальными материалами . Рассмотрим физико-механические свойства инструментальных материалов.

Чтобы внедриться в поверхностные слои обрабатываемой заготовки, режущие лезвия рабочей части инструментов должны быть выполнены из материалов, имеющих высокую твердость. Твердость инструментальных материалов может быть природной (т. е. свойственной материалу при его образовании) или достигнута специальной обработкой. Например, инструментальные стали в состоянии поставки с металлургических заводов легко поддаются обработке резанием. После механической обработки, термообработки, шлифования и заточки инструментов из стали их прочность и твердость резко повышаются.

Твердость определяется с помощью различных методов. Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими число твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости А, В или С (например, HRC). Твердость термообработанных инструментальных сталей измеряется по шкале С Роквелла и выражается в условных единицах HRC. Наиболее устойчивый режим работы и наименьшая изнашиваемость лезвий инструментов, изготовленных из инструментальных сталей и прошедших термообработку, достигается при твердости HRC 63...64. При меньшей твердости возрастает изнашиваемость лезвий инструмента, а при большей твердости лезвия начинают выкрашиваться из-за чрезмерной хрупкости.

Металлы, имеющие твердость HRC 30...35, удовлетворительно обрабатываются инструментами из термообработанных инструментальных сталей (HRC 63... 64), т. е. при отношении твердостей, примерно равном двум. Для обработки термообработанных металлов (HRC 45...55) необходимо использовать инструменты, изготовленные только из твердых сплавов. Их твердость измеряется по шкале А Роквелла и имеет значения HRA 87...93. Высокая твердость синтетических инструментальных материалов позволяет использовать их для обработки закаленных сталей.

В процессе резания на рабочую часть инструментов действуют силы резания, достигающие 10 кН и более. Под действием этих сил в материале рабочей части возникают большие напряжения. Чтобы эти напряжения не приводили к разрушению инструмента, используемые для его изготовления инструментальные материалы должны иметь достаточно высокую прочность .

Среди всех инструментальных материалов наилучшим сочетанием прочностных характеристик обладают инструментальные стали. Благодаря этому рабочая часть инструментов, выполненных из инструментальных сталей, успешно выдерживает сложный характер нагружения и может работать на сжатие, кручение, изгиб и растяжение.

В результате интенсивного выделения теплоты в процессе резания металлов нагреваются лезвия инструмента, причем в наибольшей степени - их поверхности. При температуре нагрева ниже критической (для различных материалов она имеет разные значения) структурное состояние и твердость инструментального материала не изменяются. Если температура нагрева превышает критическую, то в материале происходят структурные изменения и связанное с этим снижение твердости. Критическая температура называется также температурой красностойкости . В основе термина «красностойкость» лежит физическое свойство металлов при нагреве до 600 °С излучать темно-красный свет. Красностойкость - это способность материала сохранять при повышенных температурах высокие твердость и износостойкость. По своей сути красностойкость означает температуростойкость инструментальных материалов. Температуростойкость различных инструментальных материалов изменяется в широких пределах: 220...1800°С.

Увеличение работоспособности режущего инструмента может быть достигнуто не только за счет повышения температуростойкости инструментального материала, но и благодаря улучшению условий отвода теплоты, выделяющейся в процессе резания на лезвии инструмента и вызывающей его нагрев до высоких температур. Чем большее количество теплоты отводится от лезвия в глубь инструмента, тем ниже температура на его контактных поверхностях. Теплопроводность инструментальных материалов зависит от их химического состава и температуры нагрева.

Например, присутствие в стали таких легирующих элементов, как вольфрам и ванадий, снижает теплопроводящие свойства инструментальных сталей, а легирование их титаном, кобальтом и молибденом, наоборот, заметно повышает.

Значение коэффициента трения скольжения материала заготовки по инструментальному материалу зависит от химического состава и физико-механических свойств материалов контактирующих пар, а также от контактных напряжений на трущихся поверхностях и скорости скольжения.

Коэффициент трения связан функциональной зависимостью с силой трения и работой сил трения на пути взаимного скольжения инструмента и заготовки, поэтому значение этого коэффициента оказывает влияние на износостойкость инструментальных материалов.

Взаимодействие инструмента с обрабатываемым материалом протекает в условиях постоянного (подвижного) контакта. При этом оба тела, образующие пару трения, взаимно изнашиваются.

Материал каждого из взаимодействующих тел обладает:

• свойством истирать материал, с которым он взаимодействует;
• износостойкостью, т.е. способностью материала сопротивляться истирающему действию другого материала.

Изнашивание лезвий инструмента происходит на протяжении всего периода взаимодействия с обрабатываемым материалом. В результате этого лезвия инструмента теряют некоторую часть своих режущих свойств, изменяется форма рабочих поверхностей инструмента.

Износостойкость не является неизменным свойством инструментальных материалов, она зависит от условий резания.

Современные инструментальные материалы отвечают требованиям, рассмотренным выше. Они подразделяются на следующие группы:

• инструментальные стали;
• твердые сплавы (металлокерамика);
• минералокерамика и керметы;
• синтетические композиции из нитрида бора;
• синтетические алмазы.

Инструментальные стали разделяют на углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Углеродистые инструментальные стали применяют для изготовления инструмента, работающего при малых скоростях резания.

Марки таких сталей обозначают буквой У (углеродистая), затем цифрами, которые показывают содержание в стали углерода (в десятых долях процента), буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная (содержание серы и фосфора не более 0,03 % каждого элемента).

Основными свойствами углеродистых инструментальных сталей являются высокая твердость (HRC 62...65) и низкая температуростойкость.

Из стали марок У9 и У10А изготовляют пилы; из стали марок У11; У11А; У12 - ручные метчики и др.

Температуростойкость сталей марок У10А...У13А 220°С, поэтому инструмент из этих сталей рекомендуется применять при скорости резания 8...10 м/мин.

Легированная инструментальная сталь в зависимости от основных легирующих элементов может быть хромистой (X), хромокремнистой (ХС), вольфрамовой (В), хромовольфрамомарганцевой (ХВГ) и др.

Марки таких сталей обозначают цифрами и буквами (первыми буквами названия легирующих элементов). Первая цифра слева от букв показывает содержание углерода в десятых долях процента (если содержание углерода менее 1 %), цифры справа от букв показывают среднее содержание легирующего элемента в процентах.

Из стали марки X изготовляют метчики и плашки, из стали 9ХС - сверла, развертки, метчики и плашки. Сталь В1 рекомендуется для изготовления мелких сверл, метчиков и разверток.

Температуростойкость легированных инструментальных сталей 350...400°С, поэтому допустимые скорости резания для инструмента из этих сталей в 1,2... 1,5 раза выше, чем для инструмента из углеродистых инструментальных сталей.

Быстрорежущие (высоколегированные) стали применяют чаще всего для изготовления сверл, зенкеров и метчиков. Марки быстрорежущих сталей обозначают буквами и цифрами, например Р6МЗ. Буква Р означает, что сталь быстрорежущая, цифры после нее показывают среднее содержание вольфрама в процентах, остальные буквы и цифры обозначают то же, что и в марках легированных сталей. Важнейшими компонентами быстрорежущих сталей являются вольфрам, молибден, хром и ванадий.

Быстрорежущие стали в зависимости от режущих свойств делят на стали нормальной и повышенной производительности. К сталям нормальной производительности относятся вольфрамовые стали марок Р18; Р9; Р9Ф5 и вольфрамомолибденовые стали марок Р6МЗ; Р6М5, сохраняющие твердость не менее HRC 58 до температуры 620°С. К сталям повышенной производительности относятся стали марок Р18Ф2; Р14Ф4; Р6М5К5; Р9М4К8; Р9К5; Р9К10; Р10К5Ф5; Р18К5Ф2, сохраняющие твердость HRC 64 до температуры 630...640°С.

Стали нормальной производительности - твердость HRC 65, температуростойкость 620°С, предел прочности при изгибе 3...4 ГПа (300...400 кгс/мм 2) - предназначены для обработки углеродистых и низколегированных сталей с пределом прочности на изгиб до 1 ГПа (100 кгс/мм 2), серого чугуна и цветных металлов. Быстрорежущие стали повышенной производительности, легированные кобальтом или ванадием (твердость HRC 70...78, температуростойкость 630...650°С, предел прочности при изгибе 2,5...2,8 ГПа, или 250 ...280 кгс/мм 2), предназначены для обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов, а с пределом прочности при изгибе свыше 1 ГПа (100 кгс/мм 2) - для обработки титановых сплавов.

Все инструменты, изготовленные из инструментальных сталей, подвергают термической обработке. Инструменты из быстрорежущей стали могут работать при более высоких скоростях резания, чем инструменты из углеродистой и легированной инструментальных сталей.

Твердые сплавы делят на металлокерамические и минералокерамические. Форма пластин, изготовленных из этих сплавов, зависит от их механических свойств. Инструменты, оснащенные пластинами из твердых сплавов, позволяют работать на более высоких скоростях резания по сравнению с инструментами из быстрорежущей стали.

Металлокерамические твердые сплавы подразделяют на вольфрамовые, вольфрамотитановые и титановольфрамотанталовые. Вольфрамовые сплавы группы В К состоят из карбидов вольфрама и титана. Марки этих сплавов обозначают буквами и цифрой, например ВК2; ВКЗМ; ВК4; ВК6; ВК6М; ВК8; ВК8В. Буква В означает карбид вольфрама, буква К - кобальт, а цифра показывает содержание кобальта в процентах (остальное - карбид вольфрама). Буква М, приведенная в конце некоторых марок, означает, что сплав мелкозернистый. Инструмент, изготовленный из такого сплава, обладает повышенной износостойкостью, но его сопротивляемость ударам снижена. Инструменты из вольфрамовых твердых сплавов применяют для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов (резины, пластмассы, фибры, стекла и др.).

Вольфрамотитановые сплавы группы ТК состоят из карбидов вольфрама, титана и кобальта. Марки этих сплавов обозначают буквами и цифрами, например Т5К10; Т5К12В; Т14К8; Т15К6; Т30К4; Т15К12В. Буква Т означает карбид титана, цифра за ней - процентное содержание карбида титана, буква К - карбид кобальта, цифра за ней - процентное содержание карбида кобальта (остальное в данном сплаве - карбид вольфрама). Инструменты из этих сплавов применяют для обработки всех видов сталей.

Вольфрамотитанотанталовые сплавы группы ТТК состоят из карбидов титана, вольфрама, тантала и кобальта. Для изготовления металлорежущего инструмента используют сплавы марок ТТ7К12 и ТТ10К8Б, содержащие соответственно 7 и 10 % карбидов титана и тантала, 12 и 8 % карбидов кобальта (остальное - карбид вольфрама). Инструмент из этих сплавов применяют в особо тяжелых условиях обработки, когда использование других инструментальных материалов неэффективно.

Твердые сплавы обладают высокой температуростойкостью. Вольфрамовые твердые сплавы сохраняют твердость HRC 83...90, а вольфрамотитановые - HRC 87...92 при температуре 800...950 °С, что позволяет инструменту из сплавов работать при высоких скоростях резания (до 500 м/мин при обработке сталей и до 2700 м/мин при обработке алюминия).

Для обработки деталей из коррозионно-стойких, жаропрочных и других труднообрабатываемых сталей и сплавов предназначены инструменты из мелкозернистых сплавов группы ОМ: из сплава ВК6-ОМ - для чистовой обработки, а из сплавов ВКЮ-ОМ и ВК15-ОМ - для получистовой и черновой обработки. Еще более эффективно для обработки труднообрабатываемых материалов использование инструментов из твердых сплавов марок BKIO-XOM и ВК15-ХОМ, в которых карбид тантала заменен карбидом хрома. Легирование сплавов карбидом хрома увеличивает их твердость и прочность при высоких температурах.

Для повышения прочности пластины из твердого сплава плакируют, т.е. покрывают защитными пленками. Широко применяют износостойкие покрытия из карбидов, нитридов и карбонидов титана, нанесенные тонким слоем (толщиной 5... 10 мкм) на поверхность твердосплавных пластин. На поверхности этих пластин образуется мелкозернистый слой карбида титана, обладающий высокой твердостью, износостойкостью и химической устойчивостью при высоких температурах. Износостойкость твердосплавных пластин с покрытием в среднем в три раза выше износостойкости пластин без покрытия, что позволяет увеличить скорость резания на 25... 30 %.

При определенных условиях в качестве инструментального материала применяют минералокерамические материалы , получаемые из окиси алюминия с добавками вольфрама, титана, тантала и кобальта.

Для режущего инструмента используют минералокерамику марки ЦМ-332, которая отличается высокой температуростойкостью (твердость HRC 89...95 при температуре 1200°С) и износостойкостью, что позволяет вести обработку стали, чугуна и цветных сплавов при высоких скоростях резания (например, чистовое обтачивание чугуна при скорости резания 3700 мм/мин, что в два раза выше скорости резания при обработке инструментом из твердых сплавов). Недостатком минералокерамики марки ЦМ-332 является повышенная хрупкость.

Для изготовления режущих инструментов применяют также режущую керамику (кермет) марок ВЗ; ВОК-6О; ВОК-63, представляющую собой оксидно-карбидное соединение (окись алюминия с добавкой 30...40% карбидов вольфрама и молибдена). Введение в состав минералокерамики карбидов металлов (а иногда и чистых металлов - молибдена, хрома) улучшает ее физико-механические свойства (в частности, снижает хрупкость) и повышает производительность обработки в результате повышения скорости резания. Получистовая и чистовая обработка инструментом из кермета деталей из серых, ковких чугунов, труднообрабатываемых сталей, некоторых цветных металлов и сплавов производится со скоростью резания 435...1000 м/мин без подачи СОЖ в зону резания. Режущая керамика отличается высокой температуростойкостью (твердость HRC 90...95 при температуре 950...1100 °С).

Для обработки закаленных сталей (HRC 40...67), высокопрочных чугунов (НВ 200...600), твердых сплавов типа ВК25 и ВК15 и стеклопластиков применяют инструмент, режущая часть которого изготовлена из сверхтвердых материалов (СТМ) на основе нитрида бора и алмазов. При обработке деталей из закаленных сталей и высокопрочных чугунов применяют инструмент, изготовленный из крупных поликристаллов (диаметром 3...6 мм и длиной 4...5 мм) на основе кубического нитрида бора (эльбора Р). Твердость эльбора Р приближается к твердости алмаза, а его температуростойкость в два раза выше температуростойкости алмаза. Эльбор Р химически инертен к материалам на основе железа. Предел прочности поликристаллов при сжатии 4...5 ГПа (400... 500 кгс/мм 2), при изгибе - 0,7 ГПа (70 кгс/мм 2), температуростойкость 1350... 1450°С.

Из других СТМ, применяемых для обработки резанием, следует отметить синтетические алмазы балас (марка АСБ) и карбонадо (марка АСПК). Карбонадо химически более активен к углеродсодержащим материалам, поэтому его используют при точении деталей из цветных металлов, высококремнистых сплавов, твердых сплавов ВК10... ВК30, неметаллических материалов. Стойкость резцов из карбонадов в 20... 50 раз выше стойкости резцов из твердых сплавов.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют инструментальными?
2. На какие классы делят инструментальные материалы?
3. Какими свойствами обладают твердые сплавы?
4. Что такое твердые сплавы групп ВК и ТК?

Транскрипт

2 Ю. М. ЗУБАРЕВ СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДОПУЩЕНО Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности направления подготовки «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» САНКТ-ПЕТЕРБУРГ МОСКВА КРАСНОДАР 2008

3 ББК 34 З 91 Зубарев Ю. М. З 91 Современные инструментальные материалы: Учебник. СПб.: Издательство «Лань», с.: ил. (Учебники для вузов. Специальная литература). ISBN В книге рассмотрены составы и свойства современных отечественных и зарубежных инструментальных материалов, дана их классификация, изложены свойства и технологические рекомендации по их эффективному выбору и применению. Приведены методы упрочнения и повышения износостойкости лезвийного режущего инструмента. Книга будет полезна для студентов старших курсов машиностроительных специальностей, преподавателей и аспирантов. Также она рассчитана на инженерно-технических и научных работников машиностроительных предприятий, проектных институтов и НИИ, технологов, связанных с проектированием, изготовлением и использованием режущего инструмента. ББК 34 Рецензент: В. В. МАКСАРОВ зав. кафедрой Технологии автоматизированного машиностроения СЗТУ, профессор, доктор технических наук Обложка А. Ю. ЛАПШИН Охраняется законом РФ об авторском праве. Воспроизведение всей книги или любой ее части запрещается без письменного разрешения издателя. Любые попытки нарушения закона будут преследоваться в судебном порядке. Издательство «Лань», 2008 Ю. М. Зубарев, 2008 Издательство «Лань», художественное оформление, 2008

4 ВВЕДЕНИЕ Общий прогресс в машиностроении и металлообработке тесно связан с развитием конструкции режущего инструмента и совершенствованием инструментального материала. Инструментальными режущими называются материалы, из которых изготавливается рабочая часть режущих инструментов. Свойства инструментального режущего материала существенно сказываются на процессе стружкообразования и оказывают решающее влияние на режущие свойства инструмента и достижимый уровень скоростей резания. Эффективное резание одного материала другим возможно при удовлетворении следующих требований: Инструментальный материал должен обладать прочностью, достаточной для того, чтобы режущий инструмент противостоял без хрупкого разрушения (скола) нагрузкам, возникающим и действующим на него при резании данного обрабатываемого материала. Обладая достаточной способностью противостоять хрупкому разрушению, инструментальный материал должен в то же время обеспечивать достаточную формоустойчивость режущей части инструмента, т. е. способность не менять под действием возникающих при резании нагрузок сколько-нибудь существенно форму, приданную ей заточкой. Последнее предполагает наличие у инструментального материала достаточной вязкой прочности. При достаточной хрупкой и вязкой прочности инструментальный режущий материал должен обладать также возможно более высокой износоустойчивостью, т. е. способностью противостоять ВВЕДЕНИЕ 3

5 удалению с рабочей поверхности инструмента мелких частиц отходящей стружкой и обработанной поверхностью детали. Инструментальный материал удовлетворяет указанным требованиям, если ему присущи: высокая твердость, значительно превышающая твердость обрабатываемого материала, способность длительно сохранять твердость при нагреве, т. е. теплостойкость, и достаточная прочность на сжатие, изгиб и срез. Важной является также способность не разрушаться под действием так называемых тепловых ударов, т. е. многократно повторяющихся резких изменений температуры. Одновременно необходимо учитывать технологические свойства материала, т. е. те свойства, которые оказывают влияние на его способность подвергаться обработке на различных операциях технологического процесса изготовления режущих инструментов. Повышение качества и совершенствование инструментального материала являются важнейшими факторами повышения эффективности машиностроительного производства, т. к. именно режущий инструмент определяет достижимый уровень режимов резания и степень использования оборудования. Точность и качество режущего инструмента оказывают прямое влияние на точность и эксплуатационные характеристики работы деталей узлов машин, а также на общий ресурс работы агрегата или машины. Для инструментальных материалов понятие производительности процесса обработки следует дифференцировать. При оптимизации свойств инструментальных материалов следует принимать во внимание не только режущую способность инструмента, но и рассматривать в комплексе ряд критериев, оказывающих влияние на производственный процесс. В качестве основных свойств инструментальных материалов указываются следующие: низкая интенсивность износа, высокая стойкость при одновременном обеспечении качества, стабильность износа (низкая вариация стойкости). Использование заготовок с минимальными припусками и необходимость обработки закаленных материалов выдвигает новые задачи, связанные с обеспечением требуемой точности размеров и геометрической формы изделий, а также повышением качества их поверхности. Для выполнения подобных операций инструментальные материалы должны обеспечивать высокую прочность режущей кромки и основы, износостойкость и низкую вариацию стойкости. Если этими свойствами обладает один инструментальный материал, то его можно считать идеальным и универсальным в при- 4 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

6 менении. Однако из-за фундаментального противоречия между твердостью и прочностью такой материал не может быть создан. В связи с этим основное направление работ в инструментальной промышленности должно быть сконцентрировано на создании и оптимизации технологии производства таких материалов, которые бы в наибольшей степени отвечали конкретным задачам современного производства. Перед инструментальным производством стоит ответственная задача обеспечение всего машиностроительного комплекса высококачественным, высокопроизводительным и при этом износостойким инструментом. Качество и эффективность использования металлорежущего инструмента зависят от следующих основных факторов: а) выбора оптимальных конструкций и геометрических параметров его режущей части; б) правильного выбора материала режущей части инструмента; в) рациональной технологии его изготовления и особенности технологии финишных (заточных) операций; г) применения различных методов упрочнений и покрытий, повышающих работоспособность режущей части инструмента; д) назначения рациональных режимов его эксплуатации; е) контроля состояния режущей части инструмента в процессе его эксплуатации. Разработка технологических процессов производства металлорежущего инструмента базируется на общих принципах и закономерностях технологии машиностроения. Наряду с этим в технологии производства металлорежущих инструментов имеются специфические особенности, связанные с применением дорогостоящих и дефицитных инструментальных материалов. Режущие инструменты работают в условиях воздействия сложного комплекса факторов, например, высоких контактных напряжений и температур, а также в условиях активного протекания физико-химических процессов. Контактные напряжения, действующие на переднюю и заднюю поверхности инструмента при обработке различных материалов, могут колебаться от 700 до 4000 МПа. Одновременно в зоне резания и на границах контакта инструмент обрабатываемый материал возникают температуры, значения которых изменяются от 200 до 1400 С. При этом контактные площадки инструмента интенсивно изнашиваются в условиях абразивного, адгезионно-усталостных, коррозионно-окислительных и диффузионных процессов. В этих условиях инструментальный ВВЕДЕНИЕ 5

7 материал должен также одновременно обладать достаточным запасом прочности при сжатии и изгибе, приложении ударных импульсов и знакопеременных напряжений. Перечисленные свойства инструментальных материалов часто являются взаимоисключающими. Поэтому создание инструментального материала, обладающего идеальным комплексом указанных свойств в объеме однородного тела, в настоящее время пока не представляется возможным. По мере накопления теоретических знаний и практического опыта обработки материалов резанием человечеством создавались новые инструментальные материалы, совершенствовалась их термическая и физико-химическая обработка, что позволяло постоянно повышать производительность процесса изготовления деталей машин. История развития металлообработки показывает, какое резкое повышение производительности труда было достигнуто при переходе от инструментальной углеродистой и легированной инструментальной к быстрорежущей стали или от быстрорежущей стали к твердым сплавам. Например, повышение скорости резания при переходе от инструментальной легированной к быстрорежущей стали и далее к твердым сплавам соответственно характеризуется соотношениями 1 (1,6...1,8) (4,9...5,6), при этом скорость резания для инструмента из инструментальной легированной стали принимают за единицу. Следовательно, в результате замены материала инструмента повышается производительность труда. В настоящее время широко применяются кобальтовые и ванадиевые быстрорежущие стали марок Р9Ф5, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 и другие при обработке труднообрабатываемых материалов. За рубежом широкое развитие получили быстрорежущие стали, легированные молибденом или одновременно вольфрамом и молибденом. Полная или частичная замена вольфрама молибденом заметно изменяет технологические свойства быстрорежущей стали (меньшая карбидная неоднородность, хорошие шлифуемость и пластичность, меньшая склонность к выкрашиваниям режущей кромки инструмента). За последнее время ряд лабораторий в нашей стране и за рубежом проводили работу по совершенствованию существующих и изысканию новых материалов для изготовления инструментов. Исследования проводились во всех основных группах современных инструментальных материалов (рис. 1): 1) в области быстрорежущих и других инструментальных сталей; 2) в области спекаемых твердых сплавов; 6 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

8 Рис. 1 Развитие инструментальных материалов Рис. 2 Соотношение изменения скорости резания и производительности процесса при обработке сталей и сплавов Рис. 3 Классификация существующих инструментальных материалов 3) в области дисперсионно-твердеющих сплавов на базе Cr и Co; 4) в области минералокерамики; 5) в области сверхтвердых материалов (СТМ). Применение новых инструментальных материалов дало возможность повысить скорость обработки. Так, например, за последние сто лет скорость резания увеличилась примерно в 10 раз, при этом время обработки уменьшилось в 50 раз (рис. 2). ВВЕДЕНИЕ 7

9 Однако большинство известных на сегодняшний день инструментальных материалов обладает только частичным набором указанных выше свойств, что делает область их рационального применения весьма ограниченной. На рис. 3 представлена классификация существующих инструментальных материалов по их прочности и твердости. Механические, физические и режущие свойства инструментальных материалов (средние значения) твердость, HRA Механические свойства предел прочности в Н/мм 2 изгиб Ударная вязкость в Нм/см 2 Физические свойства Марка материала сжатие теплопроводность в м град плотность в кг/м Таблица 1 Режущие свойства теплостойкость в С относительная величина скорости резания сталь чугун Инструментальная углеродистая сталь У12А,5 0,5 Инструментальная легированная сталь 9ХС ХВГ,8 7,6 0,6 Быстрорежущая сталь Р,0 1,0 Вольфрамовые твердые сплавы ВК8 ВК6 87,5 88,88 5,88 58,6 14,9 3,4 Титано- вольфрамовые твердые сплавы Т5К5 Т14К8 Т15К6 Т30К4 88,5 89,94 2,45 33,5 29,3 29,7 11,7 11,3 9,0 3,5 4,5 5,5 ЦМ Минералокерамика,784 16,7 3,8 5,8 КНБ Эльбор Гексанит н/д н/д н/д н/д н/д н/д н/д 3,5 3, Синтетический алмаз АС н/д н/д 3, СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

10 Основные свойства отечественных инструментальных материалов приведены в табл. 1. В инструментальном производстве применяют следующие основные материалы: 1. Инструментальные стали: а) быстрорежущие (ГОСТ); б) легированные (ГОСТ); в) углеродистые (ГОСТ); г) дисперсионно-твердеющие сплавы. 2. Твердые спеченные сплавы (ГОСТ). 3. Минералокерамика (керметы). 4. Алмазы (природные и искусственные). 5. Сверхтвердые синтетические материалы (СТМ) композиты. На выбор материала влияют тип инструмента, его назначение, размеры и условия работы, а также технология изготовления инструмента. ВВЕДЕНИЕ 9

11 ГЛАВА 1 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ К инструментальным сталям предъявляют требования по следующим основным характеристикам: 1. Режущая способность. 2. Красностойкость (теплостойкость) Износостойкость в холодном состоянии. 4. Механические свойства. 5. Обрабатываемость в холодном и горячем состоянии. Стали, из которых изготавливают режущие инструменты, должны иметь: 1) высокую прочность, так как в процессе резания инструменты испытывают большие усилия; 2) высокую твердость, так как процесс резания можно осуществить только в том случае, если твердость материала инструмента значительно больше твердости обрабатываемого материала; 3) высокую износостойкость, так как стойкость инструмента зависит от степени истирания режущих кромок; 4) высокую теплостойкость, так как в процессе резания выделяется большое количество тепла, часть которого идет на нагрев режущих поверхностей инструмента, а последние, нагреваясь, теряют первоначальную твердость и быстро выходят из строя. Кроме того, циклическое воздействие температур при прерывистом 1 Количественно теплостойкость характеризуется той наибольшей температурой, при нагреве до которой и достаточно длительной выдержки материал не теряет необратимо свою твердость, т. е. восстанавливает ее до первоначального значения после охлаждения. 10 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

12 резании приводит к зарождению усталостных трещин в режущем клине инструмента и в конечном итоге к его разрушению (скалыванию). Инструментальные материалы неодинаково устойчивы против действия тепла: одни теряют свои режущие свойства при нагреве до температуры С, а другие способны резать при температуре до 1000 С и более. Стали для измерительных инструментов должны обладать высокой износостойкостью, необходимой для сохранения инструментами размеров и формы в процессе эксплуатации, а также хорошей обрабатываемостью для получения высокого качества поверхности. Требуемая износостойкость обеспечивается закалкой и отпуском сталей определенных марок, после чего они приобретают высокую твердость и сохраняют мартенситную структуру. При изготовлении штампов для холодного деформирования к сталям предъявляют два основных требования: 1. Высокая прочность. 2. Высокая износостойкость. По сравнению с режущими инструментами твердость деталей штампов, в зависимости от условий эксплуатации, выбирают в более широких пределах (HRC). Стали, из которых выполняют штамп для горячего деформирования, должны иметь: 1) высокую прочность, необходимую для сохранения формы штампа при высоких удельных давлениях и деформировании; 2) определенную теплостойкость для сохранения повышенных прочностных свойств при нагреве; 3) вязкость для предупреждения поломок и выкрашивания и получения высокой разгаростойкости; 4) разгаростойкость для предупреждения трещин, возникающих при многократном чередовании нагрева и охлаждения; 5) износостойкость; 6) окалиностойкость (если поверхностный слой деталей штампа нагревается выше температуры 600 С); 7) теплопроводность для лучшего отвода тепла, передаваемого от заготовки; 8) прокаливаемость должна быть получена по всему сечению, так как многие детали штампов имеют большие размеры и высокие прочностные свойства. ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 11

13 1.1. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ При зарождении машиностроения для изготовления режущих инструментов применялись простые углеродистые инструментальные стали с содержанием углерода от 0,65 до 1,35%. Для того чтобы углеродистая инструментальная сталь приобрела режущие свойства, она подвергается закалке с температурой С (температура закалки особо устанавливается для каждой марки стали) и отпуску при температуре С. Последний применяется для устранения хрупкости. В закаленном состоянии углеродистые инструментальные стали имеют структуру мартенсита (доэвтектоидная и эвтектоидная сталь) и мартенсита с избыточными карбидами (заэвтектоидная сталь) с небольшим количеством остаточного аустенита. Характер распределения карбидов существенно влияет на свойства стали: инструмент получается тем лучше, чем более равномерно распределены карбиды в структуре, или, как говорят, чем ниже карбидная неоднородность стали. Значительное местное скопление карбидов в структуре стали делает невозможным изготовление из нее качественных инструментов, так как при этом режущая поверхность из-за повышенной хрупкости получается неровной и малопрочной. Карбидную неоднородность можно устранить или уменьшить путем проковки инструментальной стали перед изготовлением из нее режущего инструмента. После термической обработки углеродистые инструментальные стали обладают вполне достаточной твердостью (HRC), но теплостойкость их низка: они уже при сравнительно невысоких температурах (С) необратимо теряют свою твердость. Кроме низкой теплостойкости, существенным недостатком углеродистых инструментальных сталей являются невысокая и неравномерная по сечению прокаливаемость, повышенная чувствительность к перегреву и относительно большое поверхностное обезуглероживание. Углеродистые стали подразделяются на качественные и высококачественные. Каждая из этих групп имеет восемь марок стали. Химический состав инструментальных углеродистых сталей приведен в табл. 2. Углеродистая качественная сталь У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13. Углеродистая высококачественная сталь У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. 12 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

14 Химический состав углеродистых сталей для режущих инструментов по ГОСТ (%) Марка стали Углерод Марганец Кремний Хром Углеродистая высококачественная сталь У7А 0,65 0,74 0,15 0,30 0,15 0,30 0,15 У8А 0,75 0,84 0,15 0,30 0,15 0,30 0,15 У8ГА 0,80 0,90 0,35 0,60 0,15 0,30 0,15 У9А 0,85 0,94 0,15 0,30 0,15 0,30 0,15 У10А 0,95 1,04 0,15 0,30 0,15 0,30 0,15 У11А 1,05 1,14 0,15 0,30 0,15 0,30 0,15 У12А 1,15 1,24 0,15 0,30 0,15 0,30 0,15 У13А 1,25 1,35 0,15 0,30 0,15 0,30 0,15 Углеродистая качественная сталь У7 0,65 0,74 0,20 0,40 0,15 0,35 0,20 У8 0,75 0,84 0,20 0,40 0,15 0,35 0,20 У8Г 0,80 0,90 0,35 0,60 0,15 0,35 0,20 У9 0,85 0,94 0,15 0,35 0,15 0,35 0,20 У10 0,95 1,04 0,15 0,35 0,15 0,35 0,20 У11 1,05 1,14 0,15 0,35 0,15 0,35 0,20 У12 1,15 1,24 0,15 0,35 0,15 0,35 0,20 У13 1,25 1,35 0,15 0,35 0,15 0,35 0,20 Таблица 2 Буквы и цифры в обозначении марок стали: У углеродистая, следующие за ней цифры среднее содержание углерода (в десятых долях процента). Кроме того, стали содержат марганец от 0,15 до 0,6%, кремний от 0,15 до 0,35%, хром от 0,15 до 0,20%. Буква Г сталь с повышенным содержанием марганца. Высококачественные стали более чистые, чем качественные, т. е. с меньшим содержанием серы, фосфора и остальных примесей, а также неметаллических включений. Увеличение в стали содержания углерода повышает ее твердость, но одновременно увеличивает и хрупкость. Углеродистые стали обладают высокой твердостью после термической обработки и низкой твердостью в отожженном состоянии, что обеспечивает их хорошую обрабатываемость резанием и давлением (см. табл. 3). ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 13

15 Марка стали Таблица 3 Нормы твердости углеродистой инструментальной стали твердость НВ (не более) После отжига диаметр отпечатка при Dmax = 10 мм и Р = 3000 кгс После закалки в воде температура закалки в C твердость HRC (не менее) У7 и У7А 187 4, У8 и У8А 187 4, У8Г и У8ГА 187 4, У9 и У9А 192 4, У10 и У10А 197 4, У11 и У11А 207 4, У12 и У12А 207 4, У13 и У13А 217 4, Стали марок У7, У7А, У8, У8ГА, У9, У9А служат для изготовления зубил, ножниц и пил для резки металлов и дерева, резцов для обработки меди и ее сплавов. Стали марок У8А и У10А применяются для производства пуансонов, матриц, ножниц и других деталей штампов. Из стали марок У10А, У11, У11А, У12 и У12А выполняют сверла малого диаметра, метчики, развертки, плашки, фрезы малого диаметра, пилы по металлу, ножовочные полотна, зубила для насечки напильников. Из стали марок У13 и У13А изготавливают инструменты особо высокой твердости: резцы, зубила для насечки напильников, шаберы, напильники и т. п. Углеродистые стали поставляются в отожженном состоянии в виде горячекатаных, кованых или калиброванных прутков различного сечения или в виде полос ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ Технологические свойства инструментальных сталей (а наряду с этим в равной мере и другие ее качества, в том числе: теплостойкость, твердость и вязкость) повышаются при добавлении в их состав одного или нескольких из следующих элементов: хрома, марганца, вольфрама, кремния и ванадия. Хром обеспечивает меньшую карбидную неоднородность, лучшую закаливаемость и глубокую прокаливаемость стали; 14 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

16 вольфрам также способствует более равномерному распределению карбидов, хотя и в меньшей степени, чем хром, и улучшению закаливаемости и прокаливаемости стали; положительное влияние марганца заключается в том, что он сильно понижает температуру закалки и увеличивает прокаливаемость; кремний является легирующим элементом, задерживающим вторую стадию распада мартенсита и повышающим теплостойкость стали; ванадий образует наиболее твердые и износоустойчивые карбиды, а также способствует получению мелкозернистой структуры. Инструментальные стали при наличии в их составе одного или нескольких из перечисленных элементов получили название легированных инструментальных сталей. Последние употребляются для изготовления режущих инструментов большого сечения, а также более сложных по форме; в частности, из них изготавливаются сверла, развертки, фрезы, протяжки, метчики и круглые плашки, предназначенные для обработки нетвердых материалов (цветных металлов, малопрочных сталей и чугуна). Химический состав наиболее распространенных легированных инструментальных сталей приводится в табл. 4 (с). При изготовлении режущих инструментов из легированных инструментальных сталей они подвергаются ступенчатой закалке с температурой С (в зависимости от марки стали) и отпуску при температурах С. Еще в 1960-х гг. прошлого столетия было установлено, что максимальное количество вольфрама и марганца, которое может быть введено в инструментальную сталь, если ее закалить с температурой С, соответственно составляет: 5...8% и 1,5 2,5%. Будучи добавлены в таком количестве, эти металлы придают стали значительную теплостойкость при нагреве до С и способность производить закалку при охлаждении не в специальных охлаждающих средах, а на воздухе. В связи с этим последним свойством такая сталь получила название самозакаливающейся. В зависимости от назначения и свойств инструментальные легированные стали подразделяют на две группы: 1. Стали для производства режущего и мерительного инструмента. 2. Стали для штампового инструмента. Стали 1-й группы делятся на стали: неглубокой прокаливаемости (7ХФ, 11Х, ХВ5, В1, Ф); глубокой прокаливаемости (Х, 9ХС, ХВГ, 9ХВГ, 9Х5ВФ). ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 15

17 Химический состав инструментальной Марка стали Углерод Марганец Кремний I. Стали для режущего а) неглубокой 7ХФ 0,63 0,73 0,30 0,60 0,15 0,35 8ХФ 0,70 0,80 0,15 0,40 0,15 0,35 9ХФ 0,80 0,90 0,30 0,60 0,15 0,35 11Х 1,05 1,14 0,40 0,70 0,15 0,35 13Х 1,25 1,40 0,30 0,60 0,15 0,35 ХВ5 1,25 1,45 0,15 0,40 0,15 0,35 В1 1,05 1,20 0,15 0,40 0,20 0,35 Ф 0,95 1,05 0,15 0,40 0,15 0,35 б) глубокой Х 0,95 1,10 0,15 0,40 0,15 0,35 9ХС 0,85 0,95 0,30 0,60 1,20 1,60 ХВГ 0,90 1,05 0,80 1,10 0,15 0,35 9ХВГ 0,85 0,95 0,90 1,20 0,15 0,35 ХВСГ 0,95 1,05 0,60 0,90 0,65 1,00 9Х5Ф 0,85 1,00 0,15 0,40 0,15 0,40 9Х5ВФ 0,85 1,00 0,15 0,40 0,15 0,40 8Х4В4Ф1 (РЧ) 0,75 0,85 0,15 0,40 0,15 0,40 II. Стали для а) для деформирования 9Х 0,80 0,95 0,15 0,40 0,25 0,45 Х6ВФ 1,05 1,15 0,15 0,40 0,15 0,35 Х12 2,00 2,20 0,15 0,40 0,15 0,35 Х12М 1,45 1,65 0,15 0,40 0,15 0,35 Х12Ф1 1,20 1,45 0,15 0,40 0,15 0,35 б) для деформирования 3Х2В8Ф 0,30 0,40 0,15 0,40 0,15 0,40 4Х8В2 0,35 0,45 0,15 0,40 0,15 0,35 7Х3 0,60 0,75 0,15 0,40 0,15 0,35 8Х3 0,75 0,85 0,15 0,40 0,15 0,35 5ХНМ 0,50 0,60 0,50 0,80 0,15 0,35 16 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

18 легированной стали (%) Таблица 4 Хром Вольфрам Ванадий Молибден Никель и измерительного инструмента прокаливаемости 0,40 0,70 0,15 0,30 0,40 0,70 0,15 0,30 0,40 0,70 0,15 0,30 0,40 0,70 0,40 0,70 0,40 0,70 4,0 5,0 0,15 0,30 0,40 0,70 0,80 1,20 0,15 0,30 0,20 0,35 0,20 0,40 прокаливаемости 1,30 1,65 0,95 1,25 0,90 0,80 1,20 1,60 0,50 0,80 0,50 0,80 0,60 1,10 0,70 1,00 0,05 0,15 4,50 5,50 0,15 0,30 4,50 5,50 0,80 1,20 0,15 0,30 4,00 5,00 4,00 5,00 0,90 1,40 штампового инструмента в холодном состоянии 1,40 1,70 5,50 7,00 1,10 1,50 0,40 0,70 11,50 13,00 11,00 12,50 0,15 0,30 0,4 0,6 11,00 12,50 0,70 0,90 в горячем состоянии 2,20 2,70 7,50 9,00 0,20 0,50 7,00 9,00 2,00 3,00 3,20 3,80 3,20 3,80 0,50 0,80 0,15 0,30 1,40 1,80 ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 17

19 Марка стали Углерод Марганец Кремний 5ХНВ 0,50 0,60 0,50 0,80 0,15 0,35 5ХНСВ 0,50 0,60 0,30 0,60 0,60 0,90 5ХГМ 0,50 0,60 1,20 1,60 0,25 0,65 4Х5ВЧФСМ 0,35 0,45 0,15 0,40 0,60 1,00 4Х3В2Ф2М2 0,35 0,45 0,30 0,50 0,15 0,35 4Х2В5ФМ 0,30 0,40 0,15 0,40 0,15 0,35 4Х5В2ФС 0,35 0,45 0,15 0,40 0,80 1,20 в) для ударного 4ХС 0,35 0,45 0,15 0,40 1,20 1,60 6ХС 0,60 0,70 0,15 0,40 0,60 1,00 4ХВ2С 0,35 0,44 0,15 0,40 0,60 0,90 5ХВ2С 0,45 0,54 0,15 0,40 0,50 0,80 6ХВ2С 0,55 0,65 0,15 0,40 0,50 0,80 6ХВГ 0,55 0,70 0,90 1,20 0,15 0,35 Стали 2-й группы делятся на стали: для деформирования в холодном состоянии (9Х, Х6ВФ, Х12, Х12М, Х12М1); для деформирования в горячем состоянии (3Х2В8Ф, 7Х3, 5ХНМ, 5ХНСВ, 5ХГМ); для ударного инструмента (4ХС, 4ХВ2С, 6ХВ2С, 6ХВГ). В обозначениях марок сталей первые цифры указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. Они могут и не указываться, если содержание углерода близко к единице или больше единицы. Буквы за цифрами обозначают: Г марганец; С кремний; Х хром; В вольфрам; Ф ванадий; Н никель; М молибден. Цифры, стоящие после букв, указывают среднее содержание соответствующего элемента в целых процента. Отсутствие цифр означает, что содержание этого легирующего элемента равно примерно 1%. Содержание серы и фосфора в стали не должно превышать 0,030% (каждого элемента). Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают повышенной вязкостью в закаленном состоянии, меньшей склонностью к деформациям и трещинам при закалке. Режущие свойства легированных сталей примерно такие же, как и углеро- 18 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

20 Продолжение табл. 4 Хром Вольфрам Ванадий Молибден Никель 0,50 0,80 0,40 0,70 1,40 1,80 1,30 1,60 0,40 0,70 0,80 1,20 0,60 0,90 0,15 0,30 4,00 5,00 3,50 4,20 0,30 0,60 0,40 0,60 3,00 3,70 2,00 2,70 1,50 2,00 2,00 2,50 2,00 3,00 4,50 5,50 0,60 1,00 0,60 1,00 4,50 5,50 1,60 2,40 0,60 1,00 инструмента 1,30 1,60 1,00 1,30 1,00 1,30 2,00 2,50 1,00 1,30 2,00 2,50 1,00 1,30 2,20 2,70 0,50 0,80 0,50 0,80 дистых инструментальных. Они имеют низкую теплостойкость (С). Легированные инструментальные стали находят широкое применение при изготовлении инструментов и технологической оснастки (приспособлений). Из легированных сталей производят круглые и ленточные пилы, ножи для холодной резки металлов, пуансоны, керны, резцы и фрезы для обработки с небольшими скоростями резания твердых материалов, спиральные сверла, метчики, плашки, развертки, гребенки, протяжки. Твердость легированной стали в состоянии поставки (после отжига) и твердость после закалки должны соответствовать нормам, указанным в табл. 5. Из сталей марок 7ХФ, 8ХФ и 9ХФ изготовляют круглые ленточные пилы, ножи для холодной резки металлов, зубила, пуансоны, керны и другие инструменты, работающие с ударными нагрузками. Из сталей марок ХВ5, 9ХС, ХВГ, В1 и ХВСГ изготовляют резцы и фрезы для обработки с небольшой скоростью резания твердых материалов, спиральные сверла, метчики, развертки, плашки, гребенки, протяжки. Особенно большое распространение получили стали марок ХВГ и 9ХС. Сталь ХВГ прокаливается и мало деформируется, но вместе с тем она чувствительна к образованию ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 19

21 Марка стали Таблица 5 Нормы твердости легированной инструментальной стали Сталь после отжига твердость НВ диаметр отпечатка при Dшар = 10 мм и Р = 3000 кгс 7ХФ Не более 229 Не менее 4,0 8ХФ Не более 255 Не менее 3,8 9ХФ Не более 255 Не менее 3,8 Сталь после закалки температура (С) и среда закалки, масло, вода, масло, вода, масло, вода твердость HRC (не менее) 11Х,1 4, масло 62 13Х,9 4, вода 62 ХВ,6 4, вода 62 В,0 4, вода 62 Ф,1 4, вода 62 Х,0 4, масло 62 9ХС,9 4, масло 62 ХВГ,8 4, масло 62 9ХВГ,9 4, масло 62 ХВСГ,9 4, масло 62 9Х5Ф,9 4, масло 59 9Х5ВФ,9 4, масло 59 8Х4В4Ф1(РЧ) ,8 4,2 1150, масло 60 9Х,1 4, масло 62 Х6ВФ,9 4,3 1000, масло 61 Х12, Х12М,8 4, масло 58 Х12Ф,8 4, масло 58 3Х2В8Ф,8 4, масло 46 4Х8В,8 4, масло 45 7Х,0 4, масло 54 8Х,8 4, масло 55 5ХНМ,9 4, масло 47 5ХНВ,8 4, масло 56 5ХНСВ,8 4, масло 56 5ХГМ,9 4, масло СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

22 Марка стали Сталь после отжига твердость НВ диаметр отпечатка при Dшар = 10 мм и Р = 3000 кгс 4Х5В2ФС,0 4,5 Продолжение табл. 5 Сталь после закалки температура (С) и среда закалки, масло или воздух твердость HRC (не менее) 4Х5В4ФСМ Не более 255 Не менее 3, масло 50 4Х2В5ФМ,0 4, масло 50 4Х3В2Ф2М,7 4, масло 50 4ХС,2 4, масло 47 6ХС,0 4, масло 56 5ХВ2С,8 4, масло 55 6ХВГ,1 4, масло 57 4ХВ2С,1 4, масло 53 6ХВ2С,6 4, масло карбидной сетки. По этой причине нередко возникают трещины и выкрашивание режущей кромки инструмента. Данная сталь требует строгого структурного контроля в состоянии поставки каждой партии заготовок и после закалки каждой партии инструмента. Кроме того, инструменты из стали ХВГ, работающие с повышенными удельными давлениями (сверла, протяжки, ножи), быстро теряют форму рабочей кромки (тупятся). Сталь ХВГ не может обеспечить высокой стойкости сложных фасонных инструментов. Сталь 9ХС наряду с хорошей прокаливаемостью отличается большой устойчивостью при нагреве. Она сохраняет высокую твердость и износоустойчивость при нагреве до 250 С. Благодаря равномерному распределению карбидов сталь 9ХС применяют при изготовлении инструментов с тонкой режущей кромкой. Однако сталь 9ХС трудно обрабатывается из-за высокой твердости в отожженном состоянии (НВ). Кроме того, она обладает повышенной чувствительностью к обезуглероживанию, в том числе и при нагреве в расплаве солей, что требует тщательного раскисления расплава. Из стали марки 9ХВГ изготовляют концевые режущие инструменты, резьбовые калибры, лекала сложной формы, сложные и точные штампы для холодного деформирования, которые при ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 21

23 термической обработке не должны подвергаться значительным объемным изменениям (короблению). Из стали марок Х6ВФ изготовляют резьбонакатные инструменты, ручные ножовочные полотна, матрицы, пуансоны и другие инструменты, предназначенные для холодного деформирования. Стали марок Х12М и Х12Ф1 меньше других инструментальных сталей деформируются в процессе термической обработки. Из них изготовляют штампы сложной формы и высокой износостойкости, эталонные шестерни, накатные плашки, волочильные матрицы. Из сталей марок 3Х2В8Ф и 4Х8В2 изготовляют пресс-литьевые формы для изготовления деталей из пластмасс, формы для литья под давлением деталей из алюминиевых сплавов. Из сталей марок 7Х3 и 8Х3 изготовляют матрицы для горячей высадки болтов на прессах и горизонтально-ковочных машинах со сменными рабочими вставками, формовочные и прошивные пуансоны при горячей гибке и обрезке. Из сталей марок 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНСВ и 5ХГМ выпускают молотовые штампы средних и больших размеров. Из сталей марок 4Х5В2ФС, 4Х5В4ФСМ, 4Х2В5ФМ и 4Х3В2Ф2М2 изготовляют инструменты для горячего деформирования нержавеющих, жаропрочных и других трудно деформируемых сплавов, а также формы для литья под давлением. Из сталей марок 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С изготовляют пневматические зубила, обжимки, ножницы для горячей и холодной резки металлов, детали штампов для холодного деформирования. Из сталей марок 5ХВ2С и 6ХВ2С изготовляют резьбонакатные плашки, формы для литья под давлением. Из стали марки 5ХВГ изготовляют пуансоны сложной формы для холодной прошивки преимущественно фигурных отверстий в листовом материале, небольшие штампы для горячей штамповки, главным образом, когда требуется минимальное изменение размеров при термической обработке. Из сталей марок 9Х5Ф, 9Х5ВФ, 8Х4В4Ф1 и 9Х изготовляют всевозможные режущие инструменты для обработки древесины. Выбор многокомпонентных сталей с высоким содержанием легирующих элементов для деревообрабатывающего инструмента вызван напряженными условиями его эксплуатации. Применяемые в современном оборудовании большие скорости резания (м/с) и подачи (до 100 м/мин) интенсивно изнашивают инструмент. Износ увеличивается особенно вследствие сильного ра- 22 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

24 зогрева инструмента (выше 400) при трении о древесину. В ряде случаев это приводит к необратимым структурным изменениям в поверхностных слоях лезвия. Выбор инструментального материала с весьма высокими показателями износостойкости, вязкости, прочности и теплостойкости продиктован еще и широким применением в настоящее время древесностружечных, волокнистых, клеевых заготовок. При их обработке возникают абразивное действие, повышенные изгибающие и ударные нагрузки. Существенно снижают прочность режущей кромки и малые углы заострения. Легирование инструментальной стали несколькими элементами стало одним из основных направлений улучшения ее свойств, так как комплекс необходимых свойств нельзя обеспечить только одним легирующим элементом, хотя бы и в повышенном количестве (6...12%). В состав стали вводят элементы, эффективно повышающие закаливаемость и прокаливаемость (Cr, Mn, Si), элементы, препятствующие росту зерна при нагреве и обеспечивающие высокие механические свойства (V, W, Mo). В МГТУ «СТАНКИН» создана сложнолегированная инструментальная сталь 7ХГ2ВМ. По данным испытаний, прочность стали 7ХГ2ВМ на 50% больше, а чувствительность к нагреву в два раза меньше, чем у высокохромистых сталей с % Cr (Х6ВФ и Х12М). Ударная вязкость новой стали в два три раза выше, чем стали Х6ВФ, и в пять шесть раз выше, чем сталей Х12М и Х12Ф1; износостойкость ее ниже износостойкости высокохромистых сталей. Теплостойкость стали 7ХГ2ВМ, при которой сохраняется твердость не меньше HRC57, составляет 250 С. Чувствительность к перегреву незначительна. Вследствие охлаждения на воздухе новая сталь имеет меньшие, чем высокохромистые стали, объемные изменения. Сталь 7ХГ2ВМ прошла промышленные испытания на ряде предприятий. Из нее были изготовлены пуансоны сложной формы, матрицы вырубных штампов и другие инструменты. Деформация при закалке не превысила 0,05% (меньше, чем стали Х12М), а стойкость на 25% выше. Для стали 7ХГ2ВМ рекомендуются следующие режимы термической обработки: изотермический отжиг (нагрев до С, выдержка при этой температуре ч, охлаждение со скоростью 30 град/ч до С, выдержка при этой температуре не менее ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 23

25 5 ч, охлаждение со скоростью до 30 град/ч до 600 С и дальнейшее охлаждение с печью; твердость НВ, структура зернистый перлит); закалка при С (пониженная температура позволяет нагревать детали в обычных печах и ваннах, применяемых для закалки углеродистых сталей) и отпуск при С для получения твердости HRC БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ Быстрорежущей сталью называется сталь, содержащая в своем составе, помимо углерода, в качестве легирующих элементов вольфрам, хром, ванадий, молибден, образующие после термической обработки устойчивые карбиды. Кроме карбидообразующих элементов в некоторые марки быстрорежущих сталей входит также кобальт. Быстрорежущие стали нашли очень широкое применение для изготовления самых различных инструментов. Это объясняется их высокой, по сравнению с другими инструментальными сталями, теплостойкостью () и высокой твердостью после термообработки (HR C), у некоторых новых марок HRC Быстрорежущие стали имеют самый высокий из всех инструментальных материалов предел прочности на изгиб (ó и = МПа) и самую высокую ударную вязкость. Благодаря этому они успешно конкурируют с твердыми сплавами и даже превосходят их в условиях резания с сильными динамическими нагрузками и с большими сечениями среза ЛЕГИРОВАНИЕ И СВОЙСТВА БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ Быстрорежущие стали имеют в своем составе сравнительно высокое содержание углерода (0,7...1,4%) и карбидообразующих элементов: вольфрама (W), ванадия (V), молибдена (Мо), хрома (Cr). Некоторые стали легируются достаточно большим количеством кобальта (Со). Ниже рассматривается характер влияния легирующих элементов на свойства быстрорежущих сталей. Увеличение содержания углерода улучшает закаливаемость стали, т. е. обеспечивает более высокую твердость после термообработки, но несколько снижает пластичность. До недавнего времени оптимальным содержанием углерода в быстрорежущих сталях с 18% вольфрама считалось 0,7...0,8%. Исследованиями последнего времени установлено, что содержание углерода можно 24 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

26 повысить до 1,3...1,4% без изменения содержания других легирующих элементов. При этом твердость стали повышается с HRC до,5 HRC (в отдельных случаях до 68 HRC), а ее теплостойкость с С до 630 С. В таких сталях не наблюдается заметного ухудшения вязкости, прочности, горячей пластичности и свариваемости. Шлифуемость ухудшается незначительно. Это обеспечивает увеличение стойкости инструментов при обработке, главным образом заготовок из простых конструкционных сталей, на невысоких скоростях резания примерно на %. Увеличение содержания ванадия способствует повышению теплостойкости и твердости, получению мелкозернистой структуры, но снижает шлифуемость стали. Содержание ванадия должно быть согласовано с содержанием углерода, необходимого для образования карбидов ванадия. Экспериментально установлено, что количественное соотношение между ванадием и углеродом должно находиться в интервале 2...2,7. В современных быстрорежущих сталях с % W и повышенным содержанием углерода оптимальное содержание ванадия составляет около 3%. Сталь Р12Ф3 из всех ванадиевых сталей обладает оптимальным сочетанием свойств. При высокой твердости HRC она имеет повышенную прочность и вязкость, хорошие технологические свойства и высокую износостойкость. Инструменты, изготовленные из стали Р12Ф3, при обработке материалов с повышенной истирающей способностью на невысоких скоростях резания имеют стойкость в раза больше, чем инструменты из сталей Р18 и Р12. Вольфрам повышает твердость и теплостойкость сталей, но ухудшает технологические свойства ковкость, обрабатываемость резанием. В настоящее время выпускаются стали, содержащие 18, 12, 9, 8, 6, 2...0% вольфрама. В последнем случае вольфрам частично или полностью заменяется молибденом. Стали с 18% вольфрама незаменимы при обработке жаропрочных материалов, когда в зоне резания возникает высокая температура. Эти стали нечувствительны к перегреву при термической обработке, благодаря чему интервал закалочных температур для них достаточно широк (10 С). Термообработка таких сталей хорошо освоена. Однако в последние годы все более широкое применение находят стали, легированные молибденом. Это объясняется как дефицитом вольфрама, так и рядом ценных качеств молибденовых сталей. Молибден увеличивает прочность и ударную вязкость сталей, улучшает ковкость, снижает карбидную неоднородность. ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 25

27 Недостатком молибденовых сталей является их склонность к обезуглероживанию поверхностного слоя и перегреву при закалке. Вследствие этого интервал закалочных температур для этих сталей эже, чем для вольфрамовых, и составляет 5 С. Эти стали в процессе термообработки более капризны, чем вольфрамовые. У нас в стране и за рубежом разработан целый ряд вольфрамовых сталей (0...8% W). Примером являются отечественная сталь Р6М5, стали групп АТ Т и М4О (США). Эти стали отличаются высокой твердостью и теплостойкостью при высоком уровне механических свойств и хорошей шлифуемости. Экспериментально установлено оптимальное содержание вольфрама и молибдена в быстрорежущих сталях: W + 2Мо = %. В составе обычных быстрорежущих сталей содержится около 4% хрома. Хром так же, как вольфрам, молибден и ванадий, является карбидообразующим элементом. Однако он не оказывает такого сильного влияния на свойства быстрорежущих сталей, как вышеперечисленные элементы. В настоящее время установлено, что уменьшение содержания хрома до 2% несколько увеличивает ударную вязкость и способствует измельчению зерна, но снижает твердость на 1,0...1,5 HRC и уменьшает прочность. В результате режущие свойства остаются неизменными. Легирование кобальтом в количестве % обеспечивает значительное повышение теплостойкости сталей до С и дает возможность получать твердость до 70 HRC. Стали, легированные кобальтом, являются сталями повышенной и высокой производительности, т. к. они обеспечивают увеличение скорости резания на % по сравнению со сталями нормальной производительности (Р18, Р12), особенно при резании труднообрабатываемых материалов. В первой половине ХХ столетия было установлено, что если температуру закалки вольфрамовых сталей повысить и довести приблизительно до 1300 С, количество вольфрама в стали можно увеличить до %, количество хрома до 4...5% и ванадия до 1...1,5%. Такая сильно легированная сталь, обладая теплостойкостью при нагреве до температур около 600, позволила в раза увеличить скорости резания по сравнению с допускаемым инструментом, изготовленным из инструментальной углеродистой стали. В связи с этим она была названа быстрорежущей. Первая марка 26 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

28 быстрорежущей стали по своему химическому составу соответствовала марке Р18 по ГОСТ В последнее время исследование и разработка новых марок быстрорежущих сталей ведется с большой интенсивностью во многих странах мира. В результате появились стали, легированные кобальтом, обладающие более высокой теплостойкостью, чем сталь Р18; выяснилась возможность частично заменить вольфрам молибденом (в соотношении 1% Мо вместо 4% W) или ванадием (в соотношении 1% V вместо 8% W) при сохранении теплостойкости на прежнем уровне. Установлено, что повышенное легирование стали ванадием (до 4...5%) способствует увеличению ее износоустойчивости. Термообработка быстрорежущей стали включает закалку после нагрева до температур порядка С (в зависимости от марки стали и размеров инструмента) и последующий высокий многократный (трех или четырехкратный) отпуск при С. После такой термической обработки твердость инструментов составляет HRC , а у сталей с добавкой кобальта или ванадия до HRC Структура закаленной и многократно отпущенной быстрорежущей стали состоит из игольчатого мартенсита и избыточных карбидов. В целях дальнейшего увеличения твердости и износоустойчивости поверхностных слоев инструмента из быстрорежущих сталей нормальной производительности в настоящее время применяют дополнительно некоторые специальные способы химико-термической обработки (цианирование, хромирование, поверхностное насыщение углеродом, сульфидирование, фосфатирование, отпуск в атмосфере пара при температуре С, а также электроупрочнение твердыми сплавами и обивку шариками). Исследованиями так же установлено, что небольшие добавки титана (Ti), бора (B) и азота (N) лишь незначительно увеличивают износостойкость сталей. Алюминий (Al) практически не оказывает влияния на свойства сталей. В последнее время появились стали с добавлением кремния (Р8М3К6С) и ниобия (Р3М3ФБ2) МАРКИ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ За последние годы в нашей стране, а также в зарубежных странах (США, Германии, Франции, Англии, Швеции, Японии и др.) производится большое количество различных быстрорежущих сталей. Химический состав сталей, выпускаемых в нашей стране ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 27

29 по ГОСТ, ГОСТ и по некоторым ТУ, представлен в табл. 6. В ней сталями нормальной теплостойкости называются стали, имеющие теплостойкость до 620 С, а сталями повышенной теплостойкости стали с теплостойкостью С. Таблица 6 Химический состав быстрорежущих сталей Содержание легирующих элементов, % Марка стали C W Мо Cr V Cо Стали нормальной теплостойкости 1. Вольфрамовые Р18 0,7 0,5 1 3,8 4,4 1 1,4 Р12 0,8 0, до 1 3,2 3,7 1,5 1,9 Р9 0,85 0,95 8,5 10 до 1 3,8 4,4 1,3 1,7 Р9Ф (ЭП347) 0,7 0,8 8,5 10 до 1 4 4,6 1,3 1,7 2. Вольфрамо-молибденовые Р6М3 0,85 0,95 5,5 6,5 3 3,6 3 3,6 2 2,5 Р6М5 0,8 0,9 5,5 6,5 4,5 5,5 3,8 4,4 1,8 2,2 Р9М1(ЭП344) 0,8 0,9 8,6 3,5 4,1 1,8 2,2 Стали повышенной теплостойкости А. Стали с повышенным содержанием ванадия Р18Ф2 0,85 0,5 1 3,8 4,4 1,8 2,4 Р14Ф4 1,2 1,5 до 1 4 4,6 3,4 4,1 Р12Ф3 (ЭП597) 0,94 1,5 0,5 1 3,5 4 2,5 3 Р9Ф5 1,4 1,5 9 10,5 до 1 3,8 4,4 4,3 5,1 Б. Кобальтовые стали 1. Вольфрамо-кобальтовые Р18Ф2К5 0,85 0,5 1 3,8 4,4 1,8 2,4 5 6 Р15Ф2К5 (ЭП599) 0,75 0,85 12,5 14 0,5 1 3,5 4 1,7 2,2 5 6 Р9К5 0,5 до 1 3,8 4,4 2 2,6 5 6 Р9К10 0,5 до 1 3,8 4,4 2 2,6 9,5 10,5 2. Вольфрамо-молибдено-кобальтовые Р6М3К5 (ЭП515) 0,8 0,9 5,5 6,5 3 3,6 3 3,6 2,1 2,5 5 6 Р6М5К5 0, Кобальтовые стали с повышенным содержанием ванадия Р10К5Ф5 1,45 1,55 10,5 11,5 до 1 4 4,6 4,3 5,1 5 6 Р12К5Ф4 1,25 1,4 12,5 14 0,5 1 3,5 4 3,2 3, СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

30 Кроме сталей, приведенных в табл. 6, за последние годы разработан целый ряд новых быстрорежущих сталей. Ниже приводится их краткая характеристика. Сталь повышенной производительности Р18Ф2К8М (ЭП379) имеет твердость после термообработки HRC при теплостойкости 640 С. При обработке титановых и жаропрочных сплавов инструменты из стали ЭП379 имеют стойкость в раза выше, чем из стали Р18, а при нарезании резьбы и сверлении закаленных сталей в раз выше. Сталь Р18Ф3К8М (ЭП380) может быть закалена до твердости HRC и имеет теплостойкость 650 С, однако она отличается плохой ковкостью и поэтому может применяться только для изготовления инструментов простой формы. Имея твердость HRC, сталь Р18Ф4К8М (ЭП381) несколько превосходит предыдущую по прочности и ударной вязкости. Еще более высокие прочностные свойства имеет сталь Р9Ф4К8М. Твердость ее равна HRC. Для обработки аустенитных сталей и жаропрочных сплавов рекомендуется применять сталь Р12М3Ф2К8 (ЭП657), имеющую твердость до 68,5 HRC и теплостойкость до 640 С при хороших технологических свойствах. Сталь Р6М5Ф2К8 (ЭП658) имеет твердость HRC при теплостойкости 640 С и предназначена для обработки высокопрочных сталей в условиях ударной нагрузки. Для этой же цели рекомендуется и сталь Р6М5К14Ф2 (ЭП804). Все эти стали разработаны в Санкт-Петербургском государственном техническом университете . Ряд новых марок быстрорежущих сталей разработан в МГТУ «СТАНКИН»: Р18Ф2К5М, Р12Ф4К8, Р8М3С, Р9МЧК8 (ЭП688), Р8М3К6С (ЭП722). Сталь ЭП688 имеет твердость до,5 HRC, а сталь ЭП722 до,5 HRC. Сталь ЭП688 рекомендуется применять для обработки жаропрочных сплавов, где стойкость инструментов из данной стали в раза выше, чем из сталей Р18 и Р12, и в 1,5...2,5 раза выше, чем из кобальтовых сталей Р9К5 и Р9К10. Инструменты из стали ЭП722 рекомендуются для резания высокопрочных сталей и титановых сплавов. Выпускаемые в последнее время стали 10Р6М5 и 10Р8М3 обладают повышенной износостойкостью и используются для резания закаленных конструкционных сталей твердостью HRC Стойкость инструмента из стали 10Р6М5 при обработке заготовок деталей машин прочностью В МПа в 1,3...2 раза выше, чем из стали Р6М5. Сталь Р6М5Ф3 рекомендуется для чистовой ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 29

31 и получистовой обработки легированных сталей, включая труднообрабатываемые, нержавеющие и аустенитные стали. Стойкость инструмента на % выше, чем у сталей Р18 и Р6М5. При оптимизации состава легирующих элементов в быстрорежущих сталях часто используют математическое моделирование для установления зависимости состав свойство. В качестве исследуемых факторов (входные параметры) выбирали содержание легирующих элементов, в качестве функций цели (выходные параметры) рассматривали твердость, прочность, ударную вязкость, тепло- и износостойкость, в качестве контролируемых параметров бал карбидной неоднородности и глубину обезуглероженного слоя. Оптимизация полученных моделей позволила выбрать состав стали со следующей концентрацией легирующих элементов: 1,05...1,15% углерода; 1,7...2,2% вольфрама; 3,3...3,8% молибдена; 5,0...5,5% хрома; 2,5...3,0% ванадия; 3,3...3,8% кобальта; 0,7...1,2% кремния; 0,2...0,5% ниобия; обозначена сталь маркой Р2М3Ф3К3СБ. Оптимальный режим термической обработки стали: закалка при С и двукратный отпуск при 560 С в течение 1 ч. После обработки сталь марки Р2М3Ф3К3СБ характеризуется следующими свойствами: твердость HRC , прочность МПа, ударная вязкость 0,23...0,28 МДж/м 2, красностойкость HRC 58, характеризуемая твердостью после четырехчасового нагрева при 630 С. В отожженном состоянии структура стали представляет собой полигонизированный феррит и карбид МС, М 6 С и М 23 С 6, распределение которых более однородное, чем в высоколегированных сталях марки Р6М5К5. Аустенизация при температуре 1220 С не вызывает заметного роста зерна в стали, т. к. более 90% избыточных карбидов на основе ванадия и ниобия МС остаются нерастворенными и служат барьером, сдерживающим рост зерна. Кобальт почти полностью содержится в твердом растворе, не перераспределяется между ним и карбидной фазой и не оказывает влияния на количество последней. Однако при отпуске кобальт совместно с кремнием значительно изменяет кинетику коагуляции карбидов. Этим объясняется то, что размеры выделяющихся при отпуске стали марки Р2М3Ф3К3СБ карбидов МС, М 2 С и М 3 С значительно меньше, чем в большинстве быстрорежущих сталей. 30 СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МГТУ им. Баумана Отчет по домашнему заданию ИШтх-7 Выполнил Константиниди Анастас Москва, 2016 год Данный материал. Для изготовления штампового инструмента для холодной обработки давлением в зависимости

Лекция 19 http://www.supermetalloved.narod.ru Инструментальные стали 1. Стали для режущего инструмента 2. Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435). 3. Легированные инструментальные стали 4. Быстрорежущие

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ Быстрорежущие стали СОДЕРЖАНИЕ Стр. МАРКИ СТАЛЕЙ И ПРОГРАММА ПОСТАВОК 3 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ВЫБОР СТАЛИ 4-5 THYRAPID 3202 6 THYRAPID 3207 7 THYRAPID 3243 8 THYRAPID 3245 9 THYRAPID

Лекция 14 Технологические особенности и возможности закалки и отпуска 1. Закалка 2. Способы закалки 3. Отпуск 4. Отпускная хрупкость Закалка Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения

Leс_14_TKMiM_1АА_AD_LNA_01.12.2016 Содержание 14.1. Износ режущего инструмента 14.2. Инструментальные материалы Контрольные вопросы Задания для самостоятельной работы Cписок литературы 14.1. Износ режущего

7.3. Классификация и маркировка углеродистых сталей Сталь сплав железа с углеродом, содержащий менее 2,14 % С. Углеродистые стали, принято классифицировать: по составу; назначению; структуре; раскисленности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЯЗАНСКОЙ ОБЛАСТИ ОГБПОУ «РЯЗАНСКИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ КОЛЛЕЖД» ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ «Я это знаю, а теперь можешь узнать и ты» Самостоятельные работы обучающихся по материаловедению

Тема 1.1 Инструментальные материалы 1. При выборе инструментальных материалов их обычно не сравнивают o по прочности o по твердости o по термостойкости o по плотности 2. Твердость сверхтвердых инструментальных

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ: ОТЖИГ, НОРМАЛИЗАЦИЯ, ЗАКАЛКА Цель работы Изучить влияние легирующих элементов на режимы термической обработки сталей, формирование структуры

Влияние легирующих элементов на структуру металла На механические, физические и химические свойства стали большое влияние оказывают присадки легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена, ванадия,

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ срезание режущим инструментом слоя металла с заготовки в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, шероховатости поверхности детали. Припуск

Особенности криогенной обработки технологической оснастки из различных сталей В углеродистых сталях с содержанием углерода более 0,6% в результате криогенной обработки твердость повышается независимо от

Термическая обработка включает следующие основные типы: отжиг I рода, отжиг II рода, закалка без полиморфного превращения, закалка с полиморфным превращением, отпуск и старение. Каждый из этих типов термической

32 Евдокимов В.Д., Клименко Л.П., Евдокимова А.Н. азотом. Отпуск и старение закаленных сталей Отпуск закаленных сталей процесс нагрева и выдержки закаленной стали при температуре на 2030 С ниже критической

ВЫБОР МАРКИ СТАЛИ И ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ НОЖЕЙ. Артюхина Д.А. Самарский государственный технический университет России, г.самара THE CHOICE OF GRADE

Лекция 3 Классификация. Материалы для режущих инструментов 1. Классификация и обозначение инструментов Весь дереворежущий инструмент подразделяется на ручной и машинный, а по способу крепления на станке

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Министерство образования и науки Российской федерации Калужский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный технический университет

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана Калужский филиал Е.В. Акулиничев Структура, свойства, применение легированных сталей. Методические указания к лабораторным работам по

Высокая популярность такого материала, как нержавеющая сталь, объясняется ее уникальными характеристиками, которыми не обладают обычные углеродистые стальные сплавы. Благодаря большому разнообразию марок

Лекция МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. МЕТАЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕДИЦИНСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛОВ Лектор: Беда Наталья Павловна 1 Материаловедение Материаловедение наука,

Сталь инструментальная Марка стали У7, У7А У8 У8, У8А У9, У9А У10, У10А У12, У12А 9Х1 ХВ4Ф 9ХС ХВГ Заменитель У7А, У7, У10А, У10 У7А, У7, У8А, У8 У11, У12, У12А У10А, У11А, У10, У11 9Х2 ХВГ, ХВСГ 9ХС,

Тестовые задания Напряжения, возникающие в процессе быстрого нагрева, в следствии неоднородного расширения поверхностных и внутренних слоев называются 1) внутренние остаточные 2) структурные 3) тепловые

ISSN 2076-2151. Обработка материалов давлением. 2012. 1 (30) 280 УДК 621.735.32 Хван А. Д. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ Х12М Повышение конкурентоспособности

Cварка легированных сталей Илья Мельников 2 3 Илья Мельников Cварка легированных сталей 4 ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Легированные стали подразделяют на низколегированные (с содержанием легирующих компонентов,

КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 2.1 Выбор инструментальных материалов при различных видах обработки и геометрических параметров резцов при токарной обработке. Задача 1. Выбрать материал режущей части инструментов

Влияние химического состава на механические свойства стали 24.11.2016 Каждый химический элемент, входящий в состав стали, по-своему влияет на ее механические свойства улучшает или ухудшает. Углерод (С),

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «МОГИЛЁВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНО- ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ» МНОГОУРОВНЕВЫЕ ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ по предмету «Материаловедение» РАЗРАБОТАЛ И СОСТАВИЛ Преподаватель

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N10 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ. ОТПУСК Цель работы Изучить влияние температуры отпуска на структурные превращения в легированных сталях и на их механические свойства.

3.5. Обработка поверхностным пластическим деформированием Подобные технологии вызывают упрочнение поверхностного слоя металла в холодном состоянии (механические методы) или при нагревании (термо-механические

Министерство образования Российской Федерации Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Кристаллическая структура, диаграммы состояния, маркировка материалов.

В.С. Палеев, 2012 г. ОАО «Уралмашзавод» М.А. Гервасьев, 2012 г. ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» г. Екатеринбург ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВАЛКОВ

Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Материаловедение в машиностроении» М.В. Ситкевич ТЕХНОЛОГИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Учебно-методическое

Нержавеющая хромоникелевая супераустенитная сталь, легированная молибденом и медью Обозначение по другим нормам EN 10088-3: 1.4539 / X1NiCrMoCuN 25-20-6 AISI: 904L ASME: 472/649 DIN: 1.4539 AFNOR: Z2NCDU25-20