книги / Резание материалов

1)углеродистые инструментальные стали (200…230 °С);

2)легированные инструментальные стали (230…250 °С);

3)быстрорежущие стали (БРС) (650…670 °С);

4)металлокерамическиетвердые сплавы(ТС) (800…1000 °С);

5)минералокерамические материалы (1100…1200 °С);

6)абразивные материалы (1200…1500 °С);

7)сверхтвердые материалы (СТМ) (1000…1300 °С);

8)алмазы (900…950 °С).

Известно, что в процессе нагрева металла его прочность снижается. Под теплостойкостью (красностойкостью) материала понимается его способность сохранять свои физико-механи- ческие свойства, в частности твердость, при высокой температуре. В процессе резания температура поверхностных слоев инструмента может подниматься до 800–1000 °С, а при шлифовании – до 2000 °С. Это существенно снижает твердость и прочность поверхностного слоя инструмента. На рис. 138 приведены результаты исследований влияния температуры нагрева инструментальных материалов на их твердость.

Рис. 138. Влияние температуры нагрева на твердость инструментальных материалов

Установлено, что наилучшие режущие свойства при температурах резания 800…1000 °С имеют материалы из керамики, СТМ (кубическийнитридбора(КНБ) иполикристаллический алмаз(ПКА).

231

изгиб, по твердости, износостойкости, теплостойкости и рациональной скорости резания. Эту сложную взаимосвязь свойств инструментальных материалов можно проследить на объединенной диаграмме свойств инструментальных материалов различных групп (рис. 140).

На диаграмме ясно видно, что сегодня еще не создан идеальный материал по твердости и прочности. Например, инструменты из углеродистых и легированных сталей обладают высокой изгибной прочностью, но низкой теплостойкостью и твердостью. В то же время инструменты из керамики и СТМ (кубический нитрид бора) обладают высокой твердостью и теплостойкостью, однако имеют низкую изгибную прочность и выкрашиваются при прерывистой и ударной нагрузке.

Выбор наиболее рационального материала для любой заданной операции резания обусловлен большим числом параметров, связанных со свойствами обрабатываемой заготовки, заданной производительности, требованиямикачества и себестоимостиобработки.

Классификация, свойства и применение углеродистых и легированных инструментальных сталей. Номенклатура ин-

струментальных материалов разнообразна. Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали приме-

нять 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. Инструменты из этих сталей должны применяться, когда температура резания не превышает 200 °С.

Из-за низкой режущей способности углеродистые стали марок У7…У9 используют для изготовления слесарных, деревообрабатывающих и кузнечных инструментов; У10А…У13А – для ручных режущих инструментов (напильники, метчики, развертки), а также для машинных инструментов, работающих на низких скоростях резания (V < 0,15…0,25 м/с).

233

Легированные инструментальные стали по своему химиче-

скому составу отличаются от углеродистых с повышенным содержанием кремния или марганца. Также они могут отличаться наличием одного или нескольких легирующих элементов: хрома (увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость материала, понижает его пластичность); никеля (повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, прокаливаемость материала); вольфрама (повышает твердость и теплостойкость материала); ванадия (повышает твердость и прочность материала, способствует образованию мелкозернистой структуры); кобальта (увеличивает ударную вязкость и жаропрочность материала); молибдена (повышает упругость, прочность, теплостойкость материала). 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 склонностью к короблению. Но теплостойкость их практически равна теплостойкости углеродистых сталей (250 °С), поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, развертки).

Легированные стали имеют более высокие режущие свойства, чем углеродистые. Они более износостойки и меньше коробятся при термообработке. Стали применяются для изготовления штампов, режущего (сверл, плашек, фрез, метчиков, разверток, протяжек), измерительного и слесарного инструмента. Основные марки сталей – это 9ХС, ХВГ, ХВСГ, Х6ВФ и др. Наиболее распространены 9ХС и ХВГ. Недостаток стали 9ХС – плохо шлифуется (надиры на поверхности). Сталь ХВГ меньше коробится при термообработке, поэтому используется при изготовлении инструмента сравнительно большой длины и работающего с невысокими скоростями резания; это протяжки, длинные развертки, метчики и другой инструмент. Сталь Х6ВФ более износостойкая, поэтому ее целесообразно применять при изготовлении резьбонакатных роликов, ножовочных полотен и т.п.

235

следние годы созданы быстрорежущие стали Р6М3 и Р6М5. В настоящее время производство стали Р6М5 составляет около 75 % общего выпуска быстрорежущих сталей.

Иногда применяются быстрорежущие стали, дополнительно легированные азотом (Р6АМ5, Р18А и др.), которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает режущие свойства инструмента на 20...30 %, твердость – на 1…2 единицы НRС.

Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости можно разделить на вольфрамокобальтовые, вольфрамованадиевые, вольфрамокобальтованадиевыеи вольфрамокобальтомолибденовые.

Вольфрамокобальтовые (Р9К5, Р9К10) имеют более высокую теплостойкость (630...640 °С) и твердость после термообработки 64…67 НRС, их режущие свойства выше режущих свойств стали Р18. Однако они дороже Р18 и имеют еще ряд недостатков. Их рекомендуется применять при обработке жаропрочных и коррозионных сталей при достаточной жесткости системы станок– приспособление–инструмент–деталь.

Вольфрамованадиевые стали (Р12Ф3, Р9Ф5, Р18Ф2 и др.) более износостойкие и прочные, чем вольфрамовые и вольфрамомолибденовые. Теплостойкость их – 620…630 °С.

Вольфрамокобальтованадиевые стали (Р10Ф5К5, Р18Ф2К5 и др.) по своим режущим свойствам не уступают вольфрамокобальтовым сталям и имеют большую прочность и износостойкость. Стали эти характеризуются повышенным содержанием углерода (10Р8М3, 10Р6М5), ванадия (Р12Ф3, Р2М3Ф8,

Р9Ф5), кобальта (Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9К5, Р9К10, Р9М4К8Ф, 10Р6М5Ф2К8 и др.).

Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 66...70 НRС, они имеют более высокую теплостойкость (до 620...670 °С). Это дает возможность использовать их для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности и закаленных. Период стойкости инструментов из таких сталей в 3…5 раз выше, чем из сталей Р18, Р6М5.

237

Таблица 1 0 Содержание легирующих элементов в быстрорежущих сталях, %

Порошковые быстрорежущие стали. Перспективным направ-

лением в повышении качества быстрорежущих сталей является получение их методами порошковой металлургии. Порошковые быстрорежущие стали имеют очень однородную, равномерно распределенную мелкозернистую структуру (10–12-й балл), зерна карбидов имеют размеры 2…3 мкм, хорошо шлифуются, меньше деформируются при термообработке, отличаются стабильностью эксплуатационных свойств. Вследствие этого период стойкости выше в 1,5…3 раза, высокое сопротивление износу, более высокая прочность при изгибе в сравнении с полностью твердыми сплавами, хорошая прочность при вибрациях и особо острое резание, высокая стойкость к сколам кромок и к максимально высоким нагрузкам при фрезеровании высокопрочных и жаропрочных сталей с b ≥ 1000 Н/мм2. Применяются для изготовления сложного многолезвийного профильного инструмента (протяжки, шеверы, метчики, червячные, резьбовые фрезы, долбяки и др.) для обработки

239