Инструментальные стали

Для режущих инструментов применяют быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 0,7-1,3% и суммарным содержанием легирующих элементов (кремния, марганца, хрома и вольфрама) от 1,0 до 3,0%.

2.2.1Углеродистые и легированные инструментальные стали.

Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А…У13, У13А. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,2…0,4% марганца. Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200…250°С) их твердость резко уменьшается.

Легированные инструментальные стали, по своему химическому составу, отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца, или наличием одного либо нескольких легирующих элементов: хрома, никеля, вольфрама, ванадия, кобальта, молибдена. Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонности к короблению, но теплостойкость их равна 350…400°С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, метчики).

Следует отметить, что за последние 15-20 лет существенных изменений этих марок не произошло, однако наблюдается устойчивая тенденция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.

2.2.2 Быстрорежущие стали.

В настоящее время быстрорежущие стали являются основным материалом для изготовления режущего инструмента, несмотря на то, что инструмент из твердого сплава, керамики и СТМ обеспечивает более высокую производительность обработки.

Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления сложнопрофильных инструментов определяется сочетанием высоких значений твердости (до HRC@68) и теплостойкости (600-650°С) при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости, значительно превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обрабатываются давлением и резанием в отожженном состоянии.

В обозначении быстрорежущей стали буква Р означает, что сталь быстрорежущая, а следующая за буквой цифра – содержание средней массовой доли вольфрама в %. Следующие буквы обозначают: М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, А – азот. Цифры, следующие за буквами, означают их среднюю массовую долю в %. Содержание массовой доли азота составляет 0,05-0,1%.

Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы: нормальной, повышенной и высокой теплостойкости.

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовая Р18 и вольфрамомолибденовая Р6М5 стали (табл. 2.2). Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63…64 HRC, предел прочности при изгибе 2900…3400Мпа, ударную вязкость 2,7…4,8Дж/м² и теплостойкость 600…620°С. Указанные марки стали получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Объем производства стали Р6М5 достигает 80% от всего объема выпуска быстрорежущей стали. Она используется при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс.

Таблица 2.2Химический состав быстрорежущих сталей

Марка стали	Массовая доля, %
Углерод	Хром	Вольфрам	Ванадий	Кобальт	Молибден	Азот
Стали нормальной теплостойкости
Р18	0,73-0,83	3,80-4,40	17,00-18,50	1,00-1,40	н.б. 0,50	н.б. 1,00	-
Р6М5	0,82-0,90	3,80-4,40	5,50-6,50	1,70-2,10	н.б. 0,50	4,80-5,30	-
Стали повышенной теплостойкости
11РЗАМ3Ф2	1,02-1,12	3,80-4,30	2,50-3,30	2,30-2,70	н.б. 0,50	2,50-3,00	0,05-0,10
Р6М5Ф3	0,95-1,05	3,80-4,30	5,70-6,70	2,30-2,70	н.б. 0,50	4,80-5,30	-
Р12Ф3	0,95-1,05	3,80-4,30	12,0-13,0	2,50-3,00	н.б. 0,50	н.б. 0,50	-
Р18К5Ф2	0,85-0,95	3,80-4,40	17,0-18,50	1,80-2,20	4,70-5,20	н.б. 1,00	-
Р9К5	0,90-1,0	3,80-4,40	9,00-10,00	2,30-2,70	5,00-6,00	н.б. 1,00	-
Р6М5К5	0,94-0,92	3,80-4,30	5,70-6,70	1,70-2,10	4,70-5,20	4,80-5,30	-
Р9М4К8	1,0-1,10	3,00-3,60	8,50-9,50	2,30-2,70	7,50-8,50	3,80-4,30	-
Р2АМ9К5	1,0-1,10	3,80-4,40	1,50-2,00	1,70-2,10	4,70-5,20	8,00-9,00	0,05-1,10
Стали высокой теплостойкости
В11М7К23	0,10	-	11,00	0,50	23,00	7,00	-
В14М7К25	0,10	-	14,00	0,50	25,00	7,00	-
3В20К20Х4ф	0,25	4,00	20,00	1,00	20,00	-	-

2.3 Твердые сплавы

Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием. Сейчас общее количество твердосплавного инструмента, применяемого в механообрабатывающем производстве, составляет до 30%, причем этим инструментом снимается до 65% стружки, так как скорость резания, применяемая при обработке этим инструментом в 2-5 раз выше, чем у быстрорежущего инструмента.

Твердые сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC и ниобия NbC, мельчайшие частицы которых соединены посредством сравнительно мягких и менее тугоплавких связок из кобальта или никеля в смеси с молибденом.

Твердые сплавы по составу и областям применения можно разделить на четыре группы: вольфрамокобальтовые (WC-Co), титановольфрамокобальтовые (WC-TiC-Co), титанотанталовольфрамокобальтовые (WC-TiC-TaC-Co), безвольфрамовые (на основе TiC, TiCN с различными связками).

2.3.1 Вольфрамокобальтовые сплавы (ВК)

Вольфрамокобальтовые сплавы (группа ВК) состоят из карбида вольфрама(WC) и кобальта. Сплавы этой группы различаются содержанием в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама и технологией изготовления. Для оснащения режущего инструмента применяют сплавы с содержанием кобальта 3-10%.

В табл. 2.3 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств твердых сплавов, в соответствии с ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.3 - Состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов, на основе WC-Co (группа ВК)

Сплав	Состав сплава, %	Характеристики физико-механических свойств
WC	TaC	Co	Предел прочности при изгибе sизг, Мпа, не менее	Плотность r×10-3, кг/м3	HRA, не менее
ВК3		-			15,0-15,3	89,5
ВК3-М		-			15,0-15,3	91,0
ВК4		-			14,9-15,2	89,5
ВК6		-			14,6-15,0	88,5
ВК6-М		-			14,8-15,1	90,0
ВК6-ОМ					14,7-15,0	90,5
ВК8		-			14,4-14,8	87,5
ВК10		-			14,2-14,6	87,0
ВК10-М		-			14,3-14,6	88,0
ВК10-ОМ					14,3-14,6	88,5

В условном обозначении сплава цифра показывает процентное содержание кобальтовой связки. Например обозначение ВК6 показывает, что в нем 6% кобальта и 94% карбидов вольфрама.

При увеличении в сплавах содержания кобальта в диапазоне от 3 до 10% предел прочности, ударная вязкость и пластическая деформация возрастают, в то время как твердость и модуль упругости уменьшаются. С ростом содержания кобальта повышаются теплопроводность сплавов и их коэффициент термического расширения (рис. 2.2).

Прочность на изгиб sизг; 2) Твердость – HRA; 3) Теплопроводность - λ

Рисунок 2.2 – Влияние кобальта на свойства твердого сплава группы (ВК)

Из всех существующих твердых сплавов, сплавы группы ВК при одинаковом содержании кобальта обладают более высокими ударной вязкостью и пределом прочности при изгибе, а также лучшей тепло- и электропроводностью. Однако стойкость этих сплавов к окислению и коррозии значительно ниже, кроме того, они обладают большой склонностью к схватыванию со стружкой при обработке резанием. При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства сплавов в значительной мере определяются средним размером зерен карбида вольфрама (WC). Разработанные технологические приемы позволяют получать твердые

сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрометра до 10-15 мкм.

Сплавы с размерами карбидов от 3 до 5 мкм относятся к крупнозернистым и обозначаются буквой В (ВК6-В), с размерами карбидов от 0,5 до 1,5 мкм буквой М (мелкозернистым ВК6-М), а с размерами, когда 70% зерен менее 1,0 мкм – ОМ (особо мелкозернистым ВК6-ОМ). Сплавы с меньшим размером карбидной фазы более износостойкие и теплостойкие, а также позволяют затачивать более острую режущую кромку (допускают получение радиуса округления режущей кромки до 1,0-2,0 мкм).

Физико-механические свойства сплавов определяют их режущую способность в различных условиях эксплуатации.

С ростом содержания кобальта в сплаве его стойкость при резании снижается, а эксплуатационная прочность растет.

Эти закономерности и положены в основу практических рекомендаций по рациональному применению конкретных марок сплавов. Так, сплав ВК3 с минимальным содержанием кобальта, как наиболее износостойкий, но наименее прочный рекомендуется для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, но с малыми подачей и глубиной резания, а сплавы ВК8, ВК10М и ВК10-ОМ – для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным сечением среза в условиях ударных нагрузок.

2.3.2 Титановольфрамокобальтовые сплавы (ТК).

Сплавы второй группы ТК состоят из трех основных фаз:твердого раствора карбидов титана и вольфрама (TiC-WC) карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки. Предназначены они главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей, дающих сливную стружку. По сравнению со сплавами группы ВК они обладают большей стойкостью к окислению, твердостью и жаропрочностью и в то же время меньшими теплопроводностью и электропроводностью, а также модулем упругости.

Способность сплавов группы ТК сопротивляться изнашиванию под воздействием скользящей стружки объясняется также и тем, что температура схватывания со сталью у сплавов этого типа выше, чем у сплавов на основе WC-Co, что позволяет применять более высокие скорости резания при обработке стали и существенно повышать стойкость инструмента.

В табл. 2.4 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов в соответствии с ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.4 - Состав и характеристики физико-механических свойств сплавов на основе WC-TiC-Co, группа ТК

Сплав	Состав, %	sизг, Мпа	Плотность r×10-3, кг/м3	HRA не менее
WC	TiC	Co
Т30К4		30 -			9,5-9,8	92,0
Т15К6		15 -			11,1-11,6	90,0
Т14К8		14 -			11,2-11,6	89,5
Т5К10		6 -			12,4-13,1	88,5
Т5К12		5 -			13,1-13,5	87,0

Так же как у сплавов на основе WC-Co, предел прочности при изгибе и сжатии и ударная вязкость увеличиваются с ростом содержания кобальта.

Теплопроводность сплавов группы ТК существенно ниже, а коэффициент линейного термического расширения выше, чем у сплавов группы ВК. Соответственно меняются и режущие свойства сплавов: при увеличении содержания кобальта снижается износостойкость сплавов при резании, а при увеличении содержания карбида титана снижается эксплуатационная прочность (рис. 2.3).

1) Прочность на изгиб - sизг; 2) Твердость - HRA

Рисунок 2.3 – Влияние кобальта на свойства твердого сплава группы ТК

Поэтому такие сплавы, как Т30К4 и Т15К6, применяют для чистовой и получистовой обработки стали с высокой скоростью резания и малыми нагрузками на инструмент. В то же время сплавы Т5К10 и Т5К12 с наибольшим содержанием кобальта предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

Путем введения легирующих добавок получены сплавы, применяемые для резания стали с большими ударными нагрузками.

Разработан сплав Т4К8 для замены стандартного сплава Т5К10. Предел прочности его при изгибе 1600 МПа, в то время как у сплава Т5К10 он составляет 1400 МПа. Предельная пластическая деформация Т4К8 1,6%, а у сплава Т5К10 – 0,4%.

Сплав Т4К8 в большей степени, чем сплав Т5К10, сопротивляется ударным нагрузкам и может применяться при черновой токарной обработке стальных отливок при скорости резания 30-70 м/мин, глубине резания до 40 мм и подаче 1-1,2 мм/об. Стойкость инструмента, оснащенного сплавом Т4К8 в 1,5-2,0 раза выше, чем стойкость инструмента, оснащенного сплавом Т5К10.

2.3.3.Титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы (ТТК). Промышленные танталосодержащие твердые сплавы на основе TiC-WC-TaC-Co состоят из трех основных фаз: твердого раствора карбидов титана, вольфрама и тантала(TiC-TaC-WC), а также карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки.

Введение в сплавы добавок карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе при температуре 20°С и 600-800°С.

Сплав, содержащий карбид тантала, имеет более высокую твердость, в том числе и при 600-800°С. Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также термостойкость и стойкость к окислению на воздухе.

В табл. 2.5 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов в соответствии с

ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.5 - Состав и характеристики физико-механических свойств сплавов на основе TiC-WC-TaC-Co(группа ТТК)

Сплав	Состав, %	sизг, Мпа, не менее	r×10-3, кг/м3	HRA, не менее
WC	TiC	TaC	Co
TT7К12						13,0-13,3	87,0
ТТ8К6						12,8-13,3	90,5
ТТ10К8Б						13,5-13,8	89,0
ТТ20К9		9,4	14,1	9,5		12,0-13,0	91,0

Увеличение в сплаве содержания карбида тантала повышает его стойкость при резании, особенно благодаря меньшей склонности к лункообразованию и разрушению под действием термоциклических и усталостных нагрузок.

Поэтому танталосодержащие сплавы рекомендуются главным образом для тяжелых условий резания с большими сечениями среза, когда на режущую кромку инструмента действуют значительные силовые и температурные нагрузки, а также для прерывистого резания, особенно фрезерования.

Наиболее прочным для обработки стали в особо неблагоприятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование) является сплав ТТ7К12. Применение его взамен быстрорежущей стали позволяет повысить скорость резания в 1,5-2 раза.

2.3.4.Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС).

В связи с дефицитностью вольфрама и кобальта промышленность выпускает безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой (табл. 2.6).

Таблица 2.6 - Состав и характеристики физико-механических свойств безвольфрамовых твердых сплавов

Сплав	Состав, %	r, г/см3
Карбид титана	Карбонитрид титата	Никель	Молибден
КНТ16	-		19,5	6,5	5,5-6,0
ТН20		-		6,0	5,5-6,0

Продолжение таблицы 2.6

Сплав	l, Вт/(м×К)	a×106, К-1	sизг, Мпа, не менее	HRA, не менее
КНТ16	12,6-21,0	8,5-90
ТН20	8,4-14,7	8,5-90

По твердости БВТС находятся на уровне вольфрамосодержащих сплавов (группы ВК), по прочностным характеристикам и особенно по модулю упругости им уступают. Твердость БВТС по Виккерсу при повышенных температурах в диапазоне температур 293-1073К несколько ниже, чем твердость вольфрамосодержащего сплава Т15К6.

БВТС имеют низкую окисляемость. Наибольшая термостойкость у сплава КНТ16, у сплава ТН20 она значительно ниже. Поэтому из сплава КНТ16 целесообразно изготовлять инструмент, работающий при прерывистом резании, например фрезеровании. Средняя «ломающая подача» (при которой происходит разрушение лезвия) составляет для сплава ТН20 – 0,3 мм/зуб, а для сплава КНТ16 – 0,54 мм/зуб. При выборе режимов резания подача не должна превышать этих значений, а глубина резания – 5мм.

Наибольшей износостойкостью обладает сплав ТН20. При точении стали 45 и стали 40Х при t=1мм и S=0,2мм/об стойкость сплава ТН20 выше стойкости сплава Т15К6, во всем диапазоне скорости резания (от 200 до 600 м/мин).

Нагрев инструмента из БВТС на установках ТВЧ, обычно применяемых при пайке инструмента, ухудшает его эксплуатационные характеристики. Поэтому для резания из БВТС изготовляют в основном сменные неперетачиваемые пластины (СМП).

В связи с пониженной теплопроводностью наибольшую стойкость БВТС имеют в случае применение четырех-, пяти- и шестигранных СМП, а не трехгранных. оптимальными геометрическими параметрами пластин при этом являются передний угол 10°, задний угол 8-10°, радиус при вершине 0,8 мм.

Эффективность применения БВТС зависит от правильности подготовки инструмента, выбора режимов резания и условий обработки. Пластины должны иметь высококачественную доводку по режущим кромкам и опорной поверхности и прилегать к опоре без зазора.

Обрабатываемая заготовка не должна иметь биения, превышающего половину припуска на обработку, а также следов газовой сварки, шлаковых включений.

При точении по возможности следует применять охлаждение.

Для предотвращения катастрофических поломок инструмента рекомендуется производить принудительный поворот пластинки после обработки определенного числа заготовок. Допустимый износ резцов по задней грани 1,5-1,8 мм.

При фрезеровании БВТС можно эксплуатировать до износа 2,5-3,0 мм по задней грани.

Дата добавления: 2014-01-07