1.5. Инструментальные материалы

Общие сведения. Рабочая часть инструмента изготовляется из сравнительно дорогостоящего материала. Вспомогательная или соединительная часть и корпус - из конструкционных сталей марок 45 или 40Х и реже из легированных инструментальных сталей 9ХС или ХВГ, а также из чугуна и пластмассы (хвостовик сверла).

Режущая, а также рабочая части инструментов при работе нагреваются до высоких температур. В связи с этим инструментальные материалы должны обладать достаточной прочностью и твердостью HRC 65...70, а также красностойкостью 670...1000°.

Все инструментальные материалы подразделяются на следующие группы [13, 28]: 1) углеродистая инструментальная сталь; 2) легированная инструментальная сталь; 3) быстрорежущая сталь; 4) твердый металлокерамический сплав; 5) минералокерамика; 6) абразивы, алмаз, боразон и другие синтетические сверхтвердые материалы.

В табл. 1.1 приводятся данные по температурам красностойкости, допускаемым скоростям резания и относительной стоимости указанных инструментальных материалов.

Углеродистая инструментальная сталь. Высококачественная углеродистая сталь марок У7А...У13А с содержанием 0,7...1,3% углерода и вредными примесями серы до 0,02% и фосфора до 0,03%, сообщающих стали красноломкость и хладноломкость. Применяются углеродистые стали весьма редко и только для ударных и ручных режущих инструментов.

Таблица 1.1

Данные об инструментальных материалах
	Температура	Допускаемая	Стоимость
Наименование материала	красностойкости	скорость резания, м/мин	1 т, руб.
Углеродистая сталь	200...220	3...5	140...170
Легированная сталь	250...350	10...15	-
Быстрорежущая сталь	610...670	30...40	1760...2560
Металлокерамический твер-
дый сплав	750...1000	150...300	10 500...21 500
Минералокерамика ЦМ	332...1200	200...500	-
Алмаз	800...850	500...3000	1...10 руб.
			за 1 карат
Боразон	1500...1900	-	-

Легированная инструментальная сталь. Режущие свойства легированных инструментальных сталей выше углеродистых благодаря наличию в их составе хрома Сг, ванадия V, молибдена Мо, марганца Мn, кремния Si и особенно вольфрама W. Все легированные инструментальные стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости. К сталям первой подгруппы относятся вольфрамовая В1 и хромовольфрамовая (алмазная) ХВ5 стали, которые иногда применяются для изготовления мерительного инструмента, метчиков и разверток. Из-за повышенной твердости (HRC 70) алмазная сталь рекомендуется для инструмента, применяемого при обработке твердых материалов с низкими скоростями резания.

Из сталей глубокой прокаливаемости для изготовления режущего инструмента применяются хромокремнистая 9ХС и хромовольфрамомарганцовистая ХВГ, а для накатного инструмента и рабочих деталей штампов - выcокохромистые стали Х12, Х12Ф1 и Х12ТФ. В настоящее время вместо сталей 9ХС и ХВГ применяется сталь ХГСВФ.

Быстрорежущие стали. Эти стали имеют более широкое применение в промышленности, чем легированные. Они содержат 6...8% вольфрама и 3,8...5% хрома, а также другие элементы.

Используемые в металлообработке быстрорежущие стали подразделяются на две подгруппы: а) нормальной производительности (Р6М5, Р6МЗ, Р9, Р12, Р18Ф2) с температурой красностойкости до 610°С; б) повышенной производительности (Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р10Ф5К5, Р18Ф2К5, Р9М4К8, Р18Ф2К8М) с температурой красностойкости до 670°С и HRC до 67...68. Широко применяется в инструментальной промышленности сталь Р6М5. Быстрорежущие стали повышенной производительности из-за наличия кобальта и повышенного содержания ванадия применяются при обработке жаропрочных сталей и сплавов.

Режущие свойства быстрорежущих сталей могут быть повышены за счет соответствующих режимов термообработки, а также применения различных методов облагораживания поверхностей инструментов (цианирование, сульфидирование, обработка в атмосфере перегретого пара, хромирование и т. д.). Для снижения балла карбидной неоднородности прутки быстрорежущей стали предварительно проковываются при 1150.. .870°С, а затем подвергаются изотермическому отжигу путем нагрева до 850...870°С с выдержкой не более 12 ч. После этого прутки снова охлаждают до 720...740°С с выдержкой, а затем медленно охлаждают вместе с печью до температуры окружающей среды. В результате такой термообработки поковки быстрорежущей стали имеют структуру сорбитообразного перлита не выше 3-го балла с относительно хорошей обрабатываемостью лезвийным инструментом.

После обработки на металлорежущих станках инструмент подвергается ступенчатому нагреву под закалку. Первый подогрев для крупных и сложных по форме инструментов производится при температуре 400...500°С в печи любой конструкции. Второй подогрев до 840°С, необходимый для превращения перлита в аустенит, во избежание обезуглероживания и окисления производится в печах с защитной атмосферой или ваннах. При этом скорость нагрева зависит от типа печей и металлоемкости заготовки.

Окончательный нагрев до температуры закалки 1260...1280°С производится относительно быстро, так как при длительной выдержке возможен рост зерен аустенита. Качество закалки во многом зависит от точности установления предела изменения закалочных температур. Интервал изменения закалочных температур должен быть уменьшен до 10...5°С, это повышает режущую способность инструмента в 1,5 раза.

Условия охлаждения нагретого до закалочной температуры инструмента зависят от его размера и формы. Можно применять непрерывную закалку в подогретом масле, ступенчатую или изотермическую закалку. Охлажденный инструмент должен иметь мелкозернистую структуру, состоящую из легированного мартенсита, высоколегированного остаточного аустенита (около 30%) и сложных карбидов. Дальнейшее превращение остаточного аустенита во вторичный более легированный мартенсит обеспечивается за счет многократного отпуска, который осуществляется путем неоднократного нагрева инструмента до 560...570°С, а затем охлаждением на воздухе до комнатной температуры.

Металлокерамические твердые сплавы. Эти сплавы получают методом порошковой металлургии в виде пластинок или коронок спеканием карбидов вольфрама, титана и тантала в электрических печах при 1500°С с металлическим кобальтом.

Для обработки резанием применяются четыре группы твердых сплавов:

1. вольфрамокобальтовые, или однокарбидные, - ВК2 (98% WC + 2% Со), ВКЗ, ВК4В, ВК6М, ВК8, ВК8В, ВКЮ, ВК100М и др.;

1. титановольфрамокобальтовые, или двухкарбидные, - Т5К12В (5% TiC + 83% WC+12% Со), Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 и др.;

2. танталотитановольфрамокобальтовые, или трехкарбидные, - ТТ7К12, ТТ7К15, ТТ10К8В (3% TiC + 7% (TaC + NeC)+82% WC + 8% Со);

4) безвольфрамовые на основе карбидов титана на никелевомолибденовой связке марки МНТА (74...87%) TiC+(10...18%) Ni+ (1,2...7,6%) Mo) по режущим свойствам занимают промежуточное положение между сплавами T15K6 и Т30К4.

Сплавы первой группы ВК применяются для обработки чугуна, а второй ТК — для сталей. Твердость сплавов составляет HRA 88...92 (или HRC 71...75). С увеличением содержания кобальта прочность сплавов повышается, а износостойкость уменьшается. Кроме того, однокарбидные сплавы прочнее двухкарбидных. Красностойкость сплавов группы ВК (t = 800°C) меньше, чем сплавов группы ТК (t = 900...1000° С).

Режущие свойства сплавов зависят также от их зернистости и структуры. Величина зерна карбидов составляет 0,5...1 мкм. Мелкозернистые сплавы ВК6М и особо мелкозернистые ВК10ОМ, а также крупнозернистые с особой скоагулированной структурой Т5К12В и ВК4В прочнее, чем обычные сплавы, и применяются для инструмента, работающего с ударом. Следует указать, что трехкарбидные сплавы ТТ7К12 и ТТ10К8В прочнее одно- и двухкарбидных.

Промежуточное место между твердыми сплавами и быстрорежущими сталями занимают дисперсионно-твердые сплавы В10М7К25, В18МЗК25, .В10М5К25 (W= 10...19%, Со = 25.. .26, Мо = 3...7, V = 0,45...0,55, Ti = 0,15...0,3, С до 0,06, Mn = 0,27, Si = 0,28%, остальное Fe). Красностойкость этих сплавов составляет 700...720° С, а твердость HRC 68...69.

Минералокерамика. Обычная минералокерамика ЦМ332 состоит из окиси алюминия А1₂О₃ и окиси магния MgO(0,5...1%). Температура красностойкости 1200°С, зернистость около 2 мкм. Прочность минералокерамики повышается при покрытии окисью меди или железа, а также при плакировании порошком титана.

Керметы являются улучшенным видом минералокерамики, состоящей из окиси алюминия А1₂О₃ и карбидов вольфрама и молибдена, например 60%А1₂О₃ + 40% (Mo₂C + +WC). Эти материалы получаются методом спекания в атмосфере водорода при 1860...1880° С. Кермет НС20М состоит из окиси А1₂О₃ и металлической связки, а оксидно-карбидная керамика, кроме окиси А1₂О₃(10...40%), имеет один или несколько карбидов. В ГДР керметы С40 имеют до 40% WC и МоС, а керметы А10 — до 10%Мо. Производительность обработки керметами на 30% выше, чем сплавом Т15К6 из-за увеличенной подачи.

Абразивные материалы. Эти материалы широко применяются для изготовления кругов, сегментов, головок, брусков, хонов, шкурок, паст, порошков и т. д. Они включают собственно абразивы, алмазные и боразоновые инструменты, а также инструменты, оснащенные рубином, лейкосапфиром и другими видами неметаллических синтетических материалов. Все перечисленные материалы применяются в виде различных абразивов, а их крупные кристаллы используются для оснащения чистовых лезвийных инструментов применяемых при алмазной или финишной обработке.

Абразивные инструменты, например круги, можно характеризовать по следующим признакам: форме и размерам; роду и виду материала абразивных зерен; номеру зернистости; твердости; роду связки и номеру структуры (табл. 1.2) [25].

Выбор формы кругов зависит от вида работ и профиля шлифуемой поверхности. Согласно ГОСТ 2474-67, круги бывают следующей формы или профиля: ПП-плоский прямой; ПВ-плоский с выточкой; Д-диск; ЧЦ-чашка цилиндрическая; ЧК-чашка коническая; 1T, 2T, ЗТ -тарелки; ГЦ, ГК-головки цилиндрическая и коническая; 1K, 2K-кольца и т. д.

Режущим элементом в абразивных кругах являются зерна, которые соединены связкой.

К природным абразивным материалам относятся: корунд, алмаз, наждак, гранит, кварц, песок и известь, к искусственным - электрокорунд, карбид кремния (карборунд), алмаз, боразон, карбид бора, окись хрома, окись железа и т. д.

Наиболее широко в промышленности применяются искусственные абразивы (ОСТ 2-115-71 и ОСТ 2-144-71).

Электрокорунд имеет твердость НВ 2200...2500, получают его из бокситов. Он различается по химическому составу (А1₂О₃ — 92...99,3%) и наличию легирующих добавок, бывает нормальный Э, белый ЭБ, хромистый ЭХ, титанистый ЭТ, монокорунд М7 и М8. Сведения об электрокорунде нормальном (Э2...Э5 по ОСТ 2-115-71 и ОСТ 2-144-71 как 12А...16А) и электрокорунде белом (Э8...Э9А-22А...25А) см. в табл. 1.2. Электрокорунд применяется для шлифования сталей и заточки быстрорежущего инструмента.

Карбид кремния SiC получается в результате сплавления кварцевого песка с угольным порошком. Он обладает высокой твердостью НВ 3100 и бывает двух разновидностей: карбид черный КЧ с содержанием 95...98% SiC и карбид зеленый КЗ-97...98,5% SiC. Зеленый карбид имеет более высокую твердость и более острые грани зерен, чем черный, поэтому применяется для заточки твердосплавного инструмента. Карбид черный используется для шлифования чугунов, бронзы и различных неметаллических материалов.

Круги карбидов кремния черного КЧ и кремния зеленого КЗ по новому ОСТу маркируются соответственно 52С-55С и 62С-64С (см. табл. 1.2).

Карбид бора В₄С обладает большей твердостью, чем электрокорунд и карбид кремния. Используется для доводки твердых сплавов, резки горных пород, притирочных работ и т. д.

Абразивные зерна по крупности подразделяются согласно ГОСТ 3647-71 на шлифзерно (200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16), шлифпорошки (12, 10, 8, 6, 5, 4, 3), микрошлифпорошки (М63, М50, М40, М28, М20, М14) и тонкие микрошлифпорошки (М10, М7, М5). Номер зернистости для шлифзерна и шлифпорошка соответствует величине отверстия (в сотых долях миллиметра), на котором задерживаются зерна основной фракции, а для группы микрошлифпорошков - линейному размеру зерен (в мкм).

В качестве связок абразивных кругов и других инструментов применяются неорганические (керамическая, магнезиальная, силикатовая) и органические (бакелитовая, вулканитовая, глифталевая). Из указанных связок наиболее широкое распространение имеют керамическая К1...К8 (ОСТ 2.МТ66-2—72), бакелитовая Б1...БЗ (ТУ 2.036-69) и вулканитовая В1...ВЗ (ТУ 2.036-57-69). Последние две связки более прочные, и круги более эластичные, а потому могут вращаться с большими скоростями и применяются при отрезке и на отделочных операциях.

Твердость - одна из важнейших характеристик кругов. Под твердостью подразумевается в основном сопротивление связки абразивного инструмента выравниванию зерен из его поверхности. Твердость кругов (мягкие Ml...МЗ, среднемягкие СМ1...СМ2, средние С1...С2, среднетвердые СТ1...СТЗ, твердые Т1...Т2, весьма твердые ВТ, чрезвычайно твердые ЧТ) регламентирована ГОСТ 18118—72.

Под структурой круга понимается строение абразивного инструмента, характеризуемое количественным соотношением объема абразивных зерен, связки и пор. Различаются три группы структур: плотная №1...4, средняя № 5...8 и открытая № 9...12. Выбор структуры зависит от объема снимаемой стружки, свойств обрабатываемого материала и требуемой шероховатости поверхности. При шлифовании мягких материалов необходимо применять абразивы с открытой структурой, а при обработке твердых - с плотной. При черновом шлифовании следует работать кругами с открытой структурой, а при чистовом - с плотной.

Кроме этих характеристик, на абразивных кругах указывается также допускаемая скорость резания при шлифовании (например, 35 м/с).

Пример маркировки абразивного круга соответственно по ста­рому и новому ГОСТам: ПП Э5 25С1 К 35 м/с и ПП 15А 25НС17 Kl A 35 м/с.

При маркировке по новым ГОСТам дополнительно указывается индекс зернистости Н, структура 7, разновидность связки К1 и класс круга А (ГОСТ 4785-64).

Выбор кругов зависит от геометрической формы и размеров шлифуемых поверхностей изделия; физико-механических свойств обрабатываемого материала; выбранного метода обработки; типа станка; требуемой точности и шероховатости обработанной поверхности.

Например, кругами на керамической и бакелитовых связках зернистостью 63П...40Н производится черновая, а кругами зернистостью 25Н...8Н чистовая заточка инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава. При выборе твердости следует учитывать, что более твердый материал (твердый сплав) затачивается более мягкими (МЗ...СМ2), а быстрорежущие инструменты - более твердыми (СМ1...С2) кругами.

Алмазы. Алмазы и алмазные инструменты находят широкое применение в промышленности. Алмаз является одной из разновидностей углерода с удельным весом 3,5...3,6. Вес алмаза измеряется в каратах (1 карат равен 0,205 г). От графита алмаз отличается пространственным расположением атомов углерода в кристалле. Элементарная ячейка содержит 18 атомов углерода, из которых восемь расположены в вершинах куба, шесть - в центре граней куба и четыре - в центре четырех из восьми квадратов, образованных делением кубической ячейки тремя взаимно перпендикулярными плоскостями. Каждый атом углерода прочно связан с четырьмя окружающими его атомами, чем и объясняются повышенные физико-механические свойства алмаза.

Алмаз является самым твердым материалом (в 4...5 раз тверже твердых металлокерамических сплавов). Однако он хрупок и может раскалываться при ударе. Алмаз теплопроводен.

Искусственный алмаз получают из графита при высоких температурах (1500...2000°С) и давлениях (несколько десятков тысяч атмосфер).

Табл. 1.2. Маркировка характеристики абразивных инструментов

Типы кругов (ГОСТ 2424—67)	Абразивные материалы (новые материалы по ОСТ 2-144—71)								Зернистость
	наименование		обозначение марки		наименование		обозначение марки		группа	номер
			старое	новое			старое	новое		по ГОСТ 3647—71	в дюймовой системе
ПП	Электрокорунд нормальный		—	16А	Монокорунд		—	45А	Шлифзерно	200	10
2П										160	12
			Э5	15А			М8	44А
ЗП										125	16
			Э4	14А			М7	43А
4П										100	20
ПВ			ЭЗ	НА	Карбид кремния	черный	—	55С		80	24
ПВК										63	30
			Э2	13А			КЧ8	54С
ПВД										50	36
ПВДК			—	12А			КЧ7	53С		40	46
ПР										32	54
		белый	—	25А			—	52С
ПН										25	60
Д			Э9А	24А		зеленый	—	64С		20	70
										16	80
К
			Э9	23А			К39	63С

Применяется алмаз в металлообрабатывающей промышленности в виде кристаллов и порошка. Кристаллами алмаза весом 0,5; 0,8 карат и более оснащаются резцы, сверла, фрезы, пилы и другие режущие лезвийные инструменты. Крепление алмазов производится зачеканкой, пайкой, заливкой или механическим путем. Геометрические параметры:

γ = 15... + 8°; α = 8...15°; β = 75...80°; φ = 45...90°. Несмотря на то, что алмаз при нагреве до температуры 800...850°С окисляется и разрушается на воздухе, однако высокие физико-механические свойства его обеспечивают возможность чистовой обработки резцами с весьма высокими скоростями (v до 3000 м/мин). При этом обеспечивается получение поверхностей малой шероховатости (R_а = 0,04...0,02 мкм).

Особенно широко применяются в промышленности алмазные шлифовальные инструменты (круги, бруски, хоны, пасты). Алмазные круги и другие инструменты, зерна которых имеют весьма малые радиусы округления вершин (ρ = 1...3,5 мкм) и большую твердость, отличаются особенно повышенной режущей способностью при заточке и доводке твердосплавного инструмента.

Алмазные круги, как обычные абразивные, различаются по форме и основным характеристикам. Они маркируются следующим образом: АЧЦ 125x10х3x32 АСП 12 Б1 50 24, где АЧЦ - алмазный круг, чашка цилиндрическая; 12х10х3х32 - соответственно наружный диаметр, ширина алмазного слоя, толщина слоя, внутренний диаметр; АСО, АСП, АСВ - алмаз синтетический обычный, повышенной и высокой прочности; 12 - зернистость; Б1 - бакелитовая связка; 50 - концентрация алмазного слоя, %; 24 - каратность.

Корпус алмазных кругов изготавливают из различных металлов или пластмасс. В зависимости от формы круга на его торцевые или периферийные поверхности наносится алмазный слой толщиной 1,5...3 мм, состоящий из алмазных зерен, связки и наполнителя из твердых минералов.

Различают следующие связки кругов: металлическая, бакелитовая Б1, Б2, БЗ, керамическая К.

Эффективность работы алмазными кругами зависит от концентрации алмазов в алмазном слое. Круги бывают 25, 50, 100, 150 и 200%-ной концентрации. При 100%-ной концентрации в 1 мм³ алмазного слоя содержится 0,878 · 10^-5 Н (0,878 мг) алмазного зерна. Твердость алмазных кругов изменяется в нешироких пределах (С2...М2), а зернистость в пределах А50...AM1. Обычная заточка твердосплавного инструмента производится кругами А16...А12, а окончательная А10...А6. Круги зернистостью АМ40... АМ10 используются для доводки инструмента, когда обеспечивается получение поверхностей малой шероховатости: R_a = 0,1...0,02 мкм.

Производительность алмазных кругов повышается в два-три раза с увеличением скорости круга от 25 до 50 м/с, а также за счет охлаждения зоны резания специальной пастой или охлаждающей жидкостью.

Эльбор (боразон или кубанит, т. е. КН, белбор). Кубический нитрид бора, состоящий из 43,6% бора и 56,4% азота, является искусственным сверхтвердым материалом. Его получают в виде порошка и поликристаллов ПКНБ (диаметр цилиндра 5 и длина 6 мм). Порошки применяются для изготовления эльборовых кругов, брусков, хонов и паст, а поликристаллы для оснащения резцов и других лезвийных инструментов. Эльбор, как и алмаз, имеет кубическую решетку, но с несколько большими межатомными расстояниями. Эльбор имеет большую красностойкость (t = 1200...1500°С) по сравнению с алмазом (t = 800...850°С). К недостаткам следует отнести сравнительно низкую теплопроводность эльбора.

Высокие физико-механические свойства позволяют обрабатывать эльборовыми резцами высокопрочные закаленные конструкционные жаропрочные стали и сплавы с HRC 48...64, а также легированный чугун, металлокерамику и стеклопластику. Крепление блоков или кристаллов эльбора в резцовой головке производится так же, как и алмаза, механическим путем или пайкой. Особенно широко применяются в промышленности эльборовые шлифовальные круги, бруски и другие абразивные инструменты, изготовленные из эльборовых шлифпорошков марки КО с зернистостью от 160...125 до 50...40, и микрошлифпорошки марки КМ зернистостью от 60...40 до 1. Классификация порошков по зернистости предусмотрена ГОСТ 9206-70, как и для алмазов. Кроме того, эльборовые круги ЛЧК 150x10x3x32 Л10 Б1 100 58 маркируются так же, как и алмазные.

Хорошо зарекомендовали себя эльборовые круги при заточке и доводке быстрорежущего инструмента, чистовой шлифовке дорожек подшипников и т. д. При затачивании быстрорежущего инструмента можно рекомендовать следующие режимы: υ_кр = 30 м/с, s_np = 1,0...1,5 м/мин, s_поп=0,01...0,03 мм/дв.х, а при доводке - 0_кр = 10...12 м/с, s_пр = 0,5...0,7 м/мин, t = 0,005...0,01 мм. При этом зернистость кругов составляла Л12-16 и Л-4, а обработанная поверхность имела шероховатость R_a= 1,0...0,20 мкм.

Лейкосапфир и рубин. Эти материалы используются для оснащения лезвийных инструментов, применяемых при обработке цветных металлов, сталей, стеклопластиков и т. д. Лейкосапфир представляет собой синтетический монокристалл А1₂О₃ в виде α-модификации, величина и вес которого указаны в ГОСТ 9678-61. Рубин, или качественный термокорунд, состоит из 97% А1₂О₃ и около 1,2% Сг₂О₃. Указанные инструментальные материалы особенно широко могут применяться на чистовых операциях. Режимы резания лейкосапфирами при обточке сталей: скорость υ-150...200 м/мин, подача s = 0,03 мм/об, глубина t до 0,15 мм, а при обработке цветных металлов - υ = 200...350 м/мин,

s = 0,03...0,05 мм/об и t = 0,15 мм. При этом соответственно обеспечивается получение поверхностей с малой шероховатостью R_а = 0,5...0,2 мкм и R_а= 0,3...0,08 мкм.