Классификация инструментальных материалов

Разработанные в настоящее время инструментальные материалы, в определенной степени отвечающие рассмотренным выше требованиям, подразделяются на следующие группы:

а) углеродистые и низколегированные инструментальные стали;

б) бы­строрежущие стали;

в) твердые сплавы (металлокерамика);

г) минералокерамика и керметы;

д) синтетические композиции из нитрида бора;

е) синтетические и при­родные алмазы.

Углеродистые и низколегиро­ванные инструментальные стали.

В состоянии поставки углеродистые, и низколегированные инструментальные стали имеют твердость НВ 220...240 и удовлетворительно под­даются обработке резанием. После термообработки их твердость повышается до HRC 63...65. Термообработанными инструментами из углеродистых и низколегированных сталей можно обрабатывать металлы твердостью до HRC 30.

Высокая твердость углеродистых инструмен­тальных сталей сохраняется только до температуры 220 °С. При более высоких температурах в сталях начинают протекать структурные превращения, в резуль­тате чего их твердость резко снижается и инструменты быстро теряют свои режущие свойства. Поэтому инструмен­тами, изготовленными из углеродистых и низколегированных сталей, можно ре­зать металлы только с малыми скоростями резания, обычно не превышающими 20...25 м/мин. Чтобы уменьшить темпера­туру лезвия, место контакта инструмента и заготовки поливают смазывающе-охлаждающими жидкостями.

В связи с низ­кой температуростойкостью практическое использование углеродистых и низколеги­рованных инструментальных сталей для изготовления из них режущих инстру­ментов весьма ограничено. Из углеро­дистых инструментальных сталей изго­товляют напильники, надфили и ножовочные полотна. Из углеродистых и низко­легированных инструментальных сталей изготовляют такие режущие инструменты, которые работают только с малыми скоростями резания, — мелкоразмерные сверла зенкеры, развертки, метчики и круглые плашки.

Быстрорежущие инструментальные стали.

Основным легирующим элементом многих марок быстрорежущих сталей является вольфрам, который входит в сос­тав всех марок в количестве 5,5... 19,5 %. Вольфрам, взаимодействуя с углеродом, образует карбиды вольфрама, которые при термообработке равномерно распре­деляются по всему объему и не склонны к концентрации на границах зерен или в виде конгломератов. Присутствие в стали вольфрама в указанных количествах при­водит к тому, что углерод целиком оказывается связанным в сложные кар­биды и благодаря этому сталь приоб­ретает высокую твердость, температуро- и износостойкость. К недостаткам легирования вольфрамом можно отнести лишь некоторое уменьшение теплопроводности стали.

Не­смотря на сложный химический состав и высокую степень легирования, механи­ческие свойства быстрорежущих сталей незначительно выше, чем у углеродистых и низколеги­рованных инструментальных сталей (табл. 1).

Таблица 1. Физико-механические свойства

По пределу прочности на растяжение и изгиб все марки быстрорежущих ста­лей превышают другие инструментальные материалы. В термообработанном состо­янии они не только имеют высокую прочность, но сохраняют упругость и вязкость. Изготовленные из них метал­лорежущие инструменты способны выдер­жать большие контактные напряжения, возникающие на лезвиях в процессе резания металлов.

По­вышенное содержание вольфрама, молиб­дена, ванадия и кобальта способствует достаточно высокой температуростойкости быстрорежущих сталей. При нагреве их до любой температуры, не превышающей критического значения, и последующем охлаждении до комнат­ной температуры они сохраняют свою исходную твердость, полученную при тер­мообработке. Температуростойкость бы­строрежущих сталей в 2,7...2,8 раза выше температуростойкости углеродистых и низколегированных инструментальных сталей, поэтому быстрорежущие инструменты работают со скоростями резания, в 2...2,5 раза большими.

Быстрорежущие инстру­ментальные стали в настоящее время практически полностью вытеснили угле­родистые и низколегированные стали. Из высоколегированных быстрорежущих ста­лей изготовляют все виды и типоразмеры инструментов для удовлетворения по­требностей механообрабатывающих цехов машиностроительных заводов.

Твердые сплавы.

Твердые сплавы делятся на три подгруппы: вольфрамокобальтовую, условно обозначаемую буквами ВК, вольфрамо-титанок-обалътовую ВТК и волфрамо-титано-тантало-кобалътовую ВТТК.

В состав твердых сплавов той или иной подгруппы входят вольфрам, титан, тантал, кобальт и углерод. При этом вольфрам, титан и тантал входят в состав твердых сплавов в химически свя­занном состоянии, образуя твердые и температуростойкие карбиды вольфрама, титана и тантала. Углерод в твердых сплавах также присутствует только в химически связанном в карбиды вышеуказанных элементов виде. Кобальт входит в состав твердых сплавов в химически не связанном (металлическом) состоянии, размещаясь между порошкообразными ча­стицами карбидов и связывая их в единый монолит. Содержание кобальта в твердом сплаве определяет его механи­ческую прочность. Увеличение кобальта в твердом сплаве уменьшает хрупкость, но вместе с этим уменьшает твердость и износостойкость.

Таблица 2. Физико-механические свойства

Неметаллические инструментальные материалы.

Некоторые металлорежущие инстру­менты, преимущественно резцы, изготовляют из минералов. Эти минералы име­ют различный химический состав, кристаллическое строение, физико-механические свойства, что и определяет разный уро­вень их режущих свойств. Для оснащения металлорежущих инструментов использу­ются как природные, так и синтети­ческие минералы промышленного произ­водства: минералокерамика, керметы, ни­трид бора и алмазы. С развитием на­уки и техники, надо ожидать, будут разработаны новые композиции синтетических минералов и будет совершенство­ваться технология их изготовления.

Минералокерамика имеет температуростойкость порядка 1500°С. Столь высокая температуростойкость позволяет обрабатывать металлы со скоростями резания 300...600 м/мин.

Существенным недостатком минералокерамических пластинок является их низкая механическая прочность. Кроме того, пластинки хрупки и их режущие лезвия могут выкрашиваться в процессе резания. Поэтому минералокерамика пригодна только для тонкой окончательной обработки.