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.
Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода, ванадия и кобальта.
Среди ванадиевых сталей наибольшее применение получила марка Р6М5Ф3.
Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали
обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия (VC), так как твердость последних не уступает твердости зерен электрокорундового шлифовального круга (Al2O3). Обрабатываемость при шлифовании – «шлифуемость», - это важнейшее технологическое свойство, которое определяет не только особенности при изготовлении инструментов, но и при его эксплуатации (переточках).
Таблица 2. Химический состав быстрорежущих сталей
3. Твердые сплавы В настоящее время для производства режущих инструментов широко используются твердые сплавы. Они состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных небольшим количеством кобальта. Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокой твердостью, износостойкостью. Инструменты, оснащенные твердым сплавом, хорошо сопротивляются истиранию сходящей стружкой и материалом заготовки и не теряют своих режущих свойств при температуре нагрева до 750-1100 °С. Установлено что твердосплавным инструментом, имеющим в своем составе килограмм вольфрама, можно обработать в 5 раз больше материала, чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же содержанием вольфрама. Недостатком твердых сплавов, по сравнению с быстрорежущей сталью, является их повышенная хрупкость, которая возрастает с уменьшением содержания кобальта в сплаве. Скорости резания инструментами, оснащенными твердыми сплавами, в 3-4 раза превосходят скорости резания инструментами из быстрорежущей стали. Твердосплавные инструменты пригодны для обработки закаленных сталей и таких неметаллических материалов, как стекло, фарфор и т. п. Производство металлокерамических твердых сплавов относится к области порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта. Из этой смеси прессуют изделия требуемой формы и затем подвергают спеканию при температуре, близкой к температуре плавления кобальта. Так изготовляют пластинки твердого сплава различных размеров и форм, которыми оснащаются резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки и др. Пластинки твердого сплава крепят к державке или корпусу напайкой или механически при помощи винтов и прижимов. Наряд с этим в машиностроительной промышленности применяют мелкоразмерные, монолитные твердосплавные инструменты, состоящие из твердых сплавов. Их изготовляют из пластифицированных заготовок. В качестве пластификатора в порошок твердого сплава вводят парафин до 7-9 %. Из пластифицированных сплавов прессуют простые по форме заготовки, которые легко обрабатываются обычным режущим инструментом. После механической обработки заготовки спекают, а затем шлифуют и затачивают. Из пластифицированного сплава заготовки монолитных инструментов могут быть получены путем мундштучного прессования. В этом случае спрессованные твердосплавные брикеты помещают в специальный контейнер с твердосплавным профилированным мундштуком. При продавливании через отверстие мундштука изделие принимает требуемую форму и подвергается спеканию. По такой технологии изготовляют мелкие сверла, зенкеры, развертки и т. п. Монолитный твердосплавный инструмент может также изготовляться из Окончательно спеченных твердосплавных цилиндрических заготовок с последующим вышлифовыванием профиля алмазными кругами. В зависимости от химического состава металлокерамические твердые сплавы, применяемые для производства режущего инструмента, разделяются на три основные группы. Сплавы первой группы изготовляют на основе карбидов вольфрама и кобальта. Они носят название вольфрамокобальтовых. Это сплавы группы ВК. Ко второй группе относятся сплавы, получаемые на основе карбидов вольфрама и титана и связующего металла кобальта. Это двухкарбидные титано- вольфрамокобальтовые сплавы группы ТК. Третья группа сплавов состоит из карбидов вольфрама, титана, танталаи кобальта. Это трехкарбидные титано-танталовольфрамокобальтовые сплавы группы ТТК. К однокарбидным сплавам группы ВК относятся сплавы: ВКЗ, ВК4, ВК6,ВК8, ВК10, ВК15. Эти сплавы состоят из зерен карбида вольфрама,сцементированных кобальтом. В марке сплавов цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, сплав ВК8 содержит в своем составе 92 %карбида вольфрама и 8 % кобальта. Рассматриваемые сплавы применяются для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов. При выборе марки твердого сплава учитывают содержание кобальта, которое предопределяет его прочность. Из сплавов группы ВК сплавы ВК15, ВК10, ВК8 являются наиболее вязкими и прочными, хорошо противостоят ударам и вибрациям, а сплавы ВК2, ВКЗ обладают наиболее высокой износостойкостью и твердостью при малой вязкости,слабо сопротивляются ударам и вибрациям. Сплав ВК8 применяется для черновой обработки при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, а сплав ВК2 -для чистовой отделочной обработки при непрерывном, резании с равномерным сечением среза. Для получистовых работ и черновой обработки с относительно равномерным сечением срезаемого слоя применяются сплавы ВК4, ВК6. Сплавы ВК10 и ВК15 находят применение при обработке резанием специальных труднообрабатываемых сталей. Режущие свойства и качество твердосплавного инструмента определяются не только химическим составом сплава, но и его структурой, т. е. величиной зерна. С увеличением размера зерен карбида вольфрама прочность сплава возрастает, а износостойкость уменьшается, и наоборот. В зависимости от размеров зерен карбидной фазы сплавы могут быть мелкозернистые, у которых не менее 50 % зерен карбидных фаз имеют размер порядка 1 мкм,среднезернистые - с величиной зерна 1-2 мкм и крупнозернистые, у которых размер зерен колеблется от 2 до 5 мкм. Для обозначения мелкозернистой структуры в конце марки сплава ставится буква М, а для крупнозернистой структуры - буква К. Буквы ОМ указывают на особо мелкозернистую структуру сплава. Буква В после цифры указывает на то, что изделия из твердого сплава спекаются в атмосфере водорода. Твердосплавные изделия одного и того же химического состава могут иметь различную структуру. Получены особо мелкозернистые сплавы ВК6ОМ, В10ОМ, ВК150М. Сплав ВК6ОМ дает хорошие результаты при тонкой обработке жаропрочных и нержавеющих сталей, чугунов высокой твердости, алюминиевых сплавов. Сплав ВК10ОМ предназначен червовой и получерновой, а сплав ВК15ОМ - для особо тяжелых случаев обработки нержавеющих сталей, а также сплавов вольфрама,молибдена, титана и никеля. Мелкозернистые сплавы, такие, как сплав ВК6М, используют для чистовой обработки при тонких сечениях среза стальных, чугунных, пластмассовых и других деталей. Из пластифицированных заготовок мелкозернистых сплавов ВК6М, ВК10М, ВК15М получают цельные инструменты. Крупнозернистые сплавы ВК4В, ВК8В, более прочные, чем обычные сплавы, применяют при резании с ударами для черновой обработки жаропрочных и нержавеющих сталей с большими сечениями среза. При обработке сталей инструментами, оснащенными вольфрамокобальтовыми сплавами, в особенности при повышенных скоростях резания, происходит быстрое образование лунки на передней поверхности, приводящее к выкрашиванию режущей кромки сравнительно быстрому износу инструмента. Для обработки стальных заготовок применяют более износостойкие твердые сплавы группы ТК. Сплавы группы ТК (ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12) состоят из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке сплава цифра после буквы К показывает процентное содержание кобальта, а после буквы Т – процентное содержание карбидов титана. Буква В в конце марки обозначает, что сплав имеет крупнозернистую структуру. Сплавы группы ТТК состоят из зерен твердого раствора карбида титана, карбида тантала, карбида вольфрама и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. К сплавам группы ТТК относятся ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ20К9. Сплав ТТ7К12 содержит 12% кобальта, 3% карбида тантала, 4% карбида титана и 81% карбида вольфрама. Введение в состав сплава карбидов тантала значительно повышает его прочность, но снижает красностойкость. Сплав ТТ7К12 рекомендуется для тяжелых условий при обточке по корке и работе с ударами, а также для обработки специальных легированных сталей. Сплав ТТ8К6 применяют для чистовой и получистовой обработки чугуна, для непрерывной обработки с малыми сечениями среза стального литья, высокопрочных нержавеющих сталей, сплавов цветных металлов, некоторых марок титановых сплавов. Все марки твердых сплавов разбиты по международной классификации (ИСО) на группы: К, М и Р. Сплавы группы К предназначены для обработки чугуна и цветных металлов, дающих стружку надлома. Сплавы группы М – для труднообрабатываемых материалов, сплавы группы Р – для обработки сталей. С целью экономии дефицитного вольфрама разрабатываются безвольфрамовые металлокерамические твердые сплавы на основе карбидов, а также карбидонитридов переходных металлов, в первую очередь титана,ванадия, ниобия, тантала. Эти сплавы изготовляют на никелемолибденовой связке. Полученные твердые сплавы на основе карбидов по своим характеристикам примерно равноценны стандартным сплавам группы ТК. В настоящее время промышленностью освоены безвольфрамовые сплавы ТН-20, ТМ-3,КНТ-16 и др. Эти сплавы обладают высокой окалиностойкостью, низким коэффициентом трения, меньшим по сравнению с вольфрамсодержащими сплавами удельным весом, но имеют, как правило, более низкую прочность, склонность к разрушению при повышенных температурах. Изучение физико-механических и эксплуатационных свойств безвольфрамовых твердых сплавов показало, что они успешно могут быть использованы для чистовой и получистовой обработки конструкционных сталей и цветных сплавов, но значительно уступают сплавам группы ВК при обработке титановых и нержавеющих сталей. Одним из путей повышения эксплуатационных характеристик твердых сплавов является нанесение на режущую часть инструмента тонких износостойких покрытий на основе нитрида титана, карбида титана, нитрида молибдена, окиси алюминия. Толщина наносимого слоя покрытия колеблется от 0,005 до 0,2 мм. Опыты показывают, что тонкие износостойкие покрытия приводят к значительному росту стойкости инструмента.
3.1.Минералокерамические материалы Минералокерамические материалы для изготовления режущих инструментов стали применять с 50-х годов. В СССР был создан минералокерамический материал марки ЦМ-332, состоящий в основном из оксида алюминия А12О3 с небольшой добавкой (0,5–1,0%) оксида магния МgО. Оксид магния препятствует росту кристаллов во время спекания и является хорошим связующим средством. Минералокерамические материалы изготовляются в форме пластинок и присоединяются к корпусам инструментов механическим путем, приклеиванием или припаиванием. Минералокерамика ЦМ-332 обладает высокой твердостью, ее красностойкость достигает 1200°С. Однако она отличается низкой прочностью при изгибе (350-400 МН/м2) и большой хрупкостью, что приводит к частым выкрашиваниям и поломкам пластинок при работе. Существенным недостатком минералокерамики является ее крайне низкое сопротивление циклическому изменению температуры. Вследствие этого даже при небольшом числе перерывов в работе на контактных поверхностях инструмента появляются микротрещины, которые приводят к его разрушению даже при небольших усилиях резания. Это обстоятельство ограничивает практическое применение минералокерамического инструмента. Минералокерамика успешно может применяться для чистового обтачивания чугуна, сталей, неметаллических материалов и цветных металлов с большими скоростями и ограниченным числом перерывов в работе. Минералокерамику марки ВШ наиболее эффективно применять для чистового точения углеродистых и малолегированных сталей, а также чугунов с твердостью НВ?260. При прерывистом точении керамика марки ВШ дает неудовлетворительные результаты. В этом случае целесообразно использовать керамику марки ВЗ. Минералокерамику марок ВОК-60, ВОК-63 используются при фрезеровании закаленной стали и высокопрочных чугунов. Новым инструментальным материалом, созданным на основе нитрида кремния, является силинит-Р. Он используется при чистовом точении сталей, чугуна, алюминиевых сплавов.
3.2.Металлокерамические материалы Металлокерамические материалы или детали получаются прессованием соответствующих смесей порошков в стальных пресс-формах под высоким давлением с последующим спеканием. Этим методом получаются пористые изделия. Для уменьшения пористости и повышения механических свойств металлокерамических изделий прибегают к калибровке давлением, а также к дополнительной Термообработке.
Главным преимуществом металлокерамической технологии является возможность получения:
сплавов из тугоплавких металлов (например, твердые сплавы);
«псевдосплавов», или композиций из металлов, не смешивающихся в расплавленном виде и не образующих твердых растворов (железо — свинец, вольфрам — медь);
композиций из металлов и неметаллов (железо — графит);
пористых материалов.
Методы порошковой металлургии позволяют получать материал в виде готовых изделий точных размеров бет последующей обработки резанием.
Основными видами металлокерамических изделий являются:
1.Антифрикционные материалы (железо — гр.чфит, бронза — графит, пористое железо).
2.Фрикционные материалы (металлическая основа + графит, асбест, кремний).
3.Металлокерамические детали (шестерни, шайбы, втулки и т. д.).
4.Медно-графитовые и бронзо-графитовые щетки для динамо-машин и электромоторов.
5.Магнитные материалы (постоянные магниты высокой подъемной силы из сплавов железа с алюминием).
6.Пористые металлокеоамическне изделия (фильтры, уплошепия).
7.Твердые сплавы.
Твердые сплавы
Твердые сплавы представляют самостоятельную группу инструментальных материалов. Они применяются для различных видов станочной обработки металлов, для изготовления штампового и волочильного инструмента, правки шлифовальных кругов и т. д.
В группу металлокерамических твердых сплавов (ГОСТ 3882—67) входят:
а) вольфрамовые твердые сплавы, состоящие на 85— У0% “З. зерен карбида вольфрама (\’С), скрепленных кобальтом, выполняющим в этих сплавах роль связующего вещества;
б) титановольфрамовые твердые сплавы, могущие состоять из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана (Т\С) н. избыточных зерен карбида вольфрама со связующим элементом — кобальтом или только из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана (связкой также является кобальт);
в) титапо-таптало-вольфрамовые твердые сплавы, структура которых состоит из зерен твердого раствора (карбид титана — карбид тантала — карбид вольфрама) и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом.
Химический состав некоторых металлокерамических твердых сплавов
Для использования в качестве режущего инструмента из твердых сплавов изготавливаются пластинки и головки различной формы, которые крепятся к державкам резцов, зенкеров, фрез, сверл, разверток и т. д. Металлокерамические материалы или детали получаются прессованием соответствующих смесей порошков в стальных пресс-формах под высоким давлением с последующим спеканием. Этим методом получаются пористые изделия. Для уменьшения пористости и повышения механических свойств металлокерамических изделий прибегают к калибровке давлением, а также к дополнительной термообработке.
3.3.Абразивные материалы Большое место в современном производстве деталей машин занимают процессы шлифования, при которых используются различные абразивные инструменты. Режущими элементами этих инструментов служат твердые и теплоустойчивые зерна абразивного материала с острыми кромками. Абразивные материалы подразделяются на естественные и искусственные. К естественным абразивным материалам относятся такие минералы, как кварц, наждак, корунд и др. Естественные абразивные материалы отличаются большой неоднородностью, наличием посторонних примесей. Поэтому по качеству абразивных свойств они не удовлетворяют растущим потребностям промышленности. В настоящее время обработка искусственными абразивными материалами занимает ведущее место в машиностроении. Наиболее распространенными искусственными абразивными материалами являются электрокорунды, карбиды кремния и бора. К искусственным абразивным материалам относятся также полировально- доводочные порошки – оксиды хрома и железа. Особую группу искусственных абразивных материалов составляют синтетические алмазы и кубический нитрид бора. Электрокорунд получают электрической плавкой материалов, богатых оксидом алюминия, например, из боксита или глинозема в смеси с восстановителем (антрацитом или коксом). Электрокорунд выпускается следующих разновидностей: нормальный, белый, хромистый, титанистый, циркониевый, монокорунд и сферокорунд. Электрокорунд нормальный содержит 92-95 % оксида алюминия и подразделяется на несколько марок: 12А, 13А, 14А, 15А, 16А. Зерна электрокорунда нормального наряду с высокой твердостью и .механической прочностью имеют значительную вязкость, необходимую при выполнении работ с переменными нагрузками при больших давлениях. Поэтому электрокорунд нормальный применяют для обработки различных материалов повышенной прочности: углеродистой и легированной сталей, ковкого и высокопрочного чугуна, никелевых и алюминиевых сплавов. Электрокорунд белый марок 22А, 23А, 24А, 25А отличается высоким содержанием оксида алюминия (98-99%). По сравнению с электрокорундом нормальным он является более твердым, имеет повышенную абразивную способность и хрупкость. Электрокорунд белый может быть использован для обработки тех же материалов, что и электрокорунд нормальный. Однако из-за более высокой стоимости его применяют на более ответственных работах для операций окончательного и профильного шлифования, резьбошлифования, заточки режущего инструмента. Электрокорунд хромистый марок 32А, ЗЗА, 34А наряду с оксидом алюминия А12О3 содержит до 2% оксида хрома Сr2О3. Добавка оксида хрома меняет его микроструктуру и строение. По прочности электрокорунд хромистый приближается к электрокорунду нормальному, а по режущим свойствам - к электрокорунду белому. Рекомендуется применять электрокорунд хромистый для круглого шлифования изделий из конструкционных и углеродистых сталей при интенсивных режимах, где он обеспечивает повышение производительности на 20- 30 % по сравнению с электрокорундом белым. Электрокорунд титанистый марки 37А наряду с оксидом алюминия содержит оксид титана ТiO2. Он отличается от электрокорунда нормального большим постоянством свойств и повышенной вязкостью. Это позволяет использовать его в условиях тяжелых и неравномерных нагрузок. Электрокорунд титанистый применяется на операциях предварительного шлифования с увеличенным съемом металла. Электрокорунд циркониевый марки ЗЗА наряду с оксидом алюминия содержит оксид циркония. Он имеет высокую прочность и применяется в основном для обдирочных работ с большими удельными давлениями резания. Монокорунд марок 43А, 44А, 45А получается в виде зерна, имеющего повышенную прочность, острые кромки и вершины с более выраженным свойством самозатачивания по сравнению с электрокорундом. Это обеспечивает ему повышенные режущие свойства. Монокорунд предпочтителен для шлифования труднообрабатываемых сталей и сплавов, для прецизионного шлифования сложных профилей и для сухого шлифования режущего инструмента, Сферокорунд содержит более 99 % А1203 и получается в виде полых сфер. В процессе шлифования сферы разрушаются с образованием острых кромок. Сферокорунд целесообразно применять при обработке таких материалов, как резина, пластмассы, цветные металлы. Карбид кремния получается в результате взаимодействия кремнезема и углерода в электрических печах, а затем дробления на зерна. Он состоит из карбида кремния и незначительного количества примесей. Карбид кремния, обладает большой твердостью, превосходящей твердость электрокорунда, высокой механической прочностью и режущей способностью. Карбид кремния черный марок 53С, 54С, 55С применяют для обработки твердых, хрупких и очень вязких материалов; твердых сплавов, чугуна, стекла, цветных металлов, пластмасс. Карбид кремния зеленый марок 63С, 64С используют для заточки твердосплавного инструмента, шлифования керамики. Карбид бора В4С обладает высокой твердостью, высокой износоустойчивостью и абразивной способностью. Вместе с тем карбид бора очень хрупок, что и определяет его применение в промышленности в виде порошков и паст для доводки твердосплавных режущих инструментов. Абразивные материалы характеризуются такими основными свойствами, как форма абразивных зерен, зернистость, твердость, механическая прочность, абразивная способность зерен. Твердость абразивных материалов характеризуется сопротивлением зерен поверхностному измельчению, местному воздействию приложенных сил. Она должна быть выше твердости обрабатываемого материала. Твердость абразивных материалов определяют методом царапания острия одного тела по поверхности другого или методом вдавливания алмазной пирамиды под малой нагрузкой в абразивное зерно. Механическая прочность характеризуется дробимостью зерен под влиянием внешних усилий. Оценку прочности производят раздавливанием навески абразивных зерен в стальной форме под прессом с помощью определенной статической нагрузки. При обдирочных режимах с большим съемом металла требуются прочные абразивы, а при чистовом шлифовании и обработке труднообрабатываемых материалов предпочтительны абразивы с большей хрупкостью и способностью к самозатачиванию.
4. Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора