Виды и марки материалов для изготовления режущего лезвийного инструмента, их состав и свойства

Углеродистые и легированные инструментальные стали

Из нетеплостойких инструментальных наибольшее применение для режущего лезвийного инструмента находят углеродистые стали марок У10А, У11А, У12А (ГОСТ 1435-99) с теплостойкостью до 220 °C и легированные инструментальные стали марок 9ХС, 9Г2Ф, ХВ5, ХВГ, ХВСГ, ХГ (ГОСТ 5950-2000) с теплостойкостью до 250 °C (для высокохромистых сталей типа Х6ВФ, Х12М - до 510 °С). Из углеродистых и легированных сталей изготавливают режущие инструменты, работающие при невысоких скоростях резания (до 15м/мин): метчики, плаш­ки, малоразмерные сверла, развертки, напильники, ножовочные полотна и др. Легированные инструментальные стали, по сравнению с углеродистыми инструментальными, отличаются несколько большей теплостойкостью, твердостью, большей прокаливаемостью и меньшими короблениями при закалке.Основные области использования легированных инструментальных сталей приведены в ГОСТ 5950-2000. В целом, практическое применение легированных и особенно углеродистых инструментальных сталей ограничено низкой теплостойкостью. Наблюдается устойчивая тенденция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали это высоколегированные стали с высоким содержанием углерода, вольфрама, хрома, молибдена, кобальта, ванадия. Высокая твердость, прочность, тепло- и износостойкость обусловлена двойным упрочнением: мартенситным при закалке и дисперсионным твердением при относительно высоком отпуске (500...620 °С), вызывающим выделение упрочняющих фаз [1].

В марках быстрорежущей стали буквы и цифры означают: Р - быстрорежущая; цифра, следующая за буквой обозначает среднюю массовую долю вольфрама; М - молибден, Ф - ванадий, К - кобальт, А - азот; цифры, следующие за буквами, означают соответственно массовую долю указанного элемента. МП - материал порошковый. Во всех быстрорежущих сталях обязательно присутствуют такие легирующие элементы, как углерод, хром, молибден и ванадий, однако в обозначении никогда не обозначается содержание хрома (составляет 3, 1...4, 4%), обычно не обозначается содержание углерода (0, 73...1, 12%), не обозначается содержание молибдена (до массовой доли 1% вкдючительно) и ванадия при его содержании менее 3% (за исключением экономно-легированных быстрорежущих сталей). Для азота обозначается его присутствие, но не указывается его массовая доля, которая для сталей, легированных азотом составляет 0, 05...0, 10%.

Легирующие элементы, образуя карбиды, влияют на свойства быстрорежущей стали следующим образом: углерод - источник образования карбидов. Карбиды вольфрама обеспечивают повышенную твердость, теплостойкость и износостойкость, снижают прочность, существенно увеличивают цену стали. Хром - обеспечивает повышенную закаливаемость, прокаливаемость, однородную мартенситную структуру, улучшает обрабатываемость резанием стали до закалки. Молибден заменяет вольфрам, снижает карбидную неоднородность, повышает теплопроводность, прочность, вязкость, повышает склонность к окислению и чувствительность к обезуглероживанию (требуются соляные ванны при нагреве под закалку). Ванадий повышает теплостойкость, твердость, износостойкость, снижает вязкость и существенно ухудшает шлифуемость. Кобальт – повышает твердость, теплостойкость, теплопроводность и износостойкость, снижает прочность, вязкость, пластичность, улучшает шлифуемость, повышает чувствительность к обезуглероживанию. Повышенное содержание ванадия и кобальта увеличивает цену сталей.

По ГОСТ 19265-73 выпускаются прутки и полосы из следующих марок быстрорежущих сталей нормальной производительности (теплостойкости): Р18, Р6М5, повышенной производительности: Р6М5Ф3, Р12ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р2АМ9К5. Также существуют быстрорежущие стали высокой производительности. Основной маркой стали нормальной производительности является универсальная сталь Р6М5, которая пригодна для изготовления практически любых инструментов, предназначенных для резания углеродистых и низколегированных конструкционных сталей и сплавов. Из сталей нормальной производительности широкое распространение получила также экономно-легированная сталь 11Р3АМ3Ф2, содержащая пониженное количество дефицитного вольфрама.

Стали повышенной производительности имеют более высокую теплостойкость (до 620...670°С) и твердость (до 64...67 HRC) за счет более высокого содержания углерода, ванадия (например, стали Р12Ф4, Р6М5ФЗ, Р6М5Ф4, Р12М6Ф5) или кобальта (например Р18К10, Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р6М5К8). Ванадиевые стали, наряду с повышенной теплостойкостью и высокой износостойкостью, обла­дают плохой шлифуемостью ввиду высокой твердости карбидов ванадия. Низкая шлифуемость сталей этой группы выражается в повышении износа абразивных кругов и увеличении толщины поверхностного слоя инструмента, повреждаемого при излишне жестком режиме шлифования. Частично проблема низкой шлифуемости ванадиевых сталей решается использованием эльборовых шлифовальных кругов. Кобальтовые стали имеют относительно низкую изгибную прочность и высокую склонность к обезуглероживанию, что требует их нагрева под закалку в соляных ваннах. Низкая технологичность и высокая стоимость сталей повышенной производительности сужают область их рационального использования: чистовые и получистовые операции при повышенных скоростях резания, обработка материалов, об­ладающих достаточно высокой прочностью и твердо­стью, обработка жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов, а также в случае повышенных требований по надёжности инструмента. Основной маркой быстрорежущих сталей повышенной производительности является сталь Р6М5Ф3.

По требованию потребителя изготовляют стали марок Р6М5 и Р6М5Ф3 с легированием азотом. В этом случае обозначения марок - Р6АМ5 и Р6АМ5ФЗ. Легирование азотом повышает режущие свойства инструмента на 20...30 % за счет повышения твердости на 1...2 единицы HRC.

Стали высокой теплостойкости (дисперсионно-твердеющие с интерметаллидным упрочнением) характеризуются пониженным содержанием углерода, но весьма большим количеством легирующих элементов. Например, стали В11М7К23, В14М7К25, 3В20К20Х4Ф имеют твердость 69…70 HRC и теплостойкость 700…720°С. Наиболее рациональная область их использования – резание трудноообрабатываемых сталей, жаропрочных и титановых сплавов. Значительными недостатками этих сталей являются их низкая прочность при изгибе (не выше 2400 МПа) и низкая обрабатываемость резанием в состоянии поставки ввиду их высокой твердости (38...40HRC).

По ГОСТ 28393-89 выпускаются прутки и полосы из быстрорежущей стали, полученные методами порошковой металлургии из следующих марок Р6М5Ф3-МП, Р7М2Ф6-МП, Р12МФ5-МП, Р6М5К5-МП, Р9М4К8-МП, Р12М3К5Ф2-МП. Методы порошковой металлургии исключают образование карбидных неоднородностей, а также позволяют вводить в состав стали до 7% ванадия а также углерода с «пересыщением» до 1, 7%. Порошковые стали обладают лучшей шлифуемостью (по сравнению с не порошковой сталью того же состава), менее деформируются при закалке, обладают большей прочностью и режущей способностью, показывают более стабильные эксплуатационные свойства, позволяют формировать меньший радиус округления режущей кромки, но более дорогие.

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидостали, которая по своим свойствам может быть классифицирована как промежуточная между быстрорежущей сталью и твердыми сплавами. Карбидосталь отличается от обычной быстрорежущей стали высоким содержанием карбидной фазы, в основном карбидов титана. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет 40...44HRC, а после закалки и отпуска 68...70HRC (85...87 HRA). Карбидостали выпускаются на основе двух сталей Р6М5-КТ20 и Р6М5К5-КТ20 с массовой долей TiC 20% в виде заготовок различного сечения. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов.                                                         Из зарубежных марок быстрорежущей стали по DIN EN ISO 4957 наибольшую применяемость имеют HS6-5-2, HS6-5-3, HS6-5-2-5, HS10-4-3-10, HS2-9-2 и HS2-9-1-8. Обозначение и массовая доля легирующего элемента после букв HS (High Speed steel) идет в следующей последовательности: W-Mo-V-Co. Области применения быстрорежущих сталей указаны в табл.1.

Твердые сплавы

Под твердыми сплавами понимают композиционный материал, полученный методами порошковой металлургии на основе высокотвердых и туго­плавких карбидов вольфрама, титана, тан­тала, ниобия соединенных металлической связ­кой (кобальт, никель, молибден и др.). Твердые сплавы производят в виде сменных мгногогранных пластин (СМП), которыми оснащаются режущие инструменты. На большую часть СМП наносят износостойкие покрытия. Выпускаются также цельные твердосплавные инструменты, в основном небольших размеров - концевые фрезы, сверла и др. Инструменты, изготовленные из твер­дых сплавов, обладают высокой твердостью (86...94HRA) и теплостойкостью (до 800...1000°С), обеспечивая высокую износостойкость на скоростях резания, значительно превосходящих допустимые для быстрорежущих сталей. Вместе с тем твердые сплавы имеют меньшую, чем у сталей изгибную прочность и ударную вязкость. У сборного инструмента корпуса и элементы крепления (державки резцов, хвостовики сверл, зенкеров, разверток, метчиков, корпуса сборных фрез, расточные оправки) изготовляются из конструкционных сталей марок: 45, 50, 60, 40Х, 45Х, У7, У8, 9ХС и др.

Однокарбидные сплавы (WC-Со)марок ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК8, ВК10, ВК10-ХОМ сохраняют теплостойкость до 800 °С. Массовая доля кобальтовой связкив процентах обозначается цифрой после буквы К. Сплавы ВК обладают высокой ударной вязкостью, пределом прочности при изгибе, теплопропроводностью.С увеличением содержания кобальта прочность этихсплавов (также как и сплавов других групп) повышается, но одновременно снижается износостойкость. Недостатком сплавов этой группы является высокое адгезионное взаимодействие со сталью при температурах выше 600 ⁰С, поэтому однокарбидные твердые сплавы не рекомендуются для обработки углеродистых и легированных сталей. Основная область использования - обработка цветных металлов и материалов, дающих дискретные типы стружек (чугуны, неметаллы).Прочность и твердость сплавов, помимо химического состава, зависит также от размера зерна, поэтому однокарбидные твердые сплавы отечественного производства с размером зерен, отличающихся от 1...2 мкм имеют дополнительную литеру " М" - мелкозернистые, " ОМ" - особо мелкозернистый, " ХОМ" - особо мелкозернистый сплав, легированный хромом, " В" - крупнозернистый (высокопрочный). Уменьшение размера зерна повышает твердость и износостойкость твердого сплава, позволяет формировать меньшие радиусы округления режущей кромки, однако для отечественных марок уменьшение размера зерна снижает прочность сплава.

Двухкарбидные сплавы (WC-TiC-Co) имеют более высокую теплостойкость (до 900... 1000 °С) и твердость. Первое число означает процентное содержание карбидов титана, массовую долю кобальтовой связки означает цифра после буквы К, остальное - карбиды вольфрама. Сплавы Т30К4, ТТ8К6, T15K6, Т14К8, Т5К10 рекомендуются для скоростной обработки углероди­стых сталей, так как введение карбида титана значительно повышает сопротивление адгезионно-усталостному износу, имеющему место при образовании сливной стружки при обработке сталей. Повышение содержания карбидов титана позволяет увеличитьизносостойкость сплава при падении его прочностных характеристик.

Трехкарбидные сплавы (WC-ТiC-TaC-Co)помимо карбидов вольфрама и карбидов титана содержат дополнительно карбид тантала. Марки этих сплавов - ТТ7К12, TT8K6, ТТ10К8Б, TT20K9, Т8К7. Здесь первое число означает сумму взаиморастворенных карбидов титана и тантала. Содержание связки обозначается также цифрой после буквы К. Остальное - карбид вольфрама. Последний сплав (Т8К7) относится к трехкарбидным, хотя ввиду малого содержания карбидов тантала (0, 5%) его обозначение аналогично обозначению двухкарбидных твердых сплавов. Сплавы этой группы отличаются высокими прочностными характеристиками и рекомендуются при тяжелых условиях обработки, прерывистого резания, для обработки жаропрочных сталей и сплавов, а также титановых сплавов.

С целью экономии дефицитного вольфрама и кобальта выпускаются безвольфрамовые твердые сплавы (керметы) на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой (до 30% для КНТ30). Наибольшее распространение получили отечественные марки ТН20 и КНТ16 (ГОСТ 26530-85). Они обладают низким коэффициентом трения, высокими износо- и окалиностойкостью, но имеют пониженную прочность, теплопроводность и ударную вязкость. Керметы, имея значительно меньшую стоимость, в ряде случаев позволяют успешно конкурировать с твердыми сплавами на основе карбида вольфрама при чистовой и получистовой обработке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с твердостью до 30...42HRC с высокой скоростью резания и относительно небольшими сечениями среза, а также для обработки цветных металлов. Указанные марки не рекомендуются при обработке труднообрабатываемых материалов, твердых чугунов и закаленных сталей. Наибольшей износостойкостью обладает сплав ТН20. При точении стали 45 и стали 40Х при t= 1 мм и S= 0, 2 мм/об стойкость сплава ТН20 выше стойкости сплава Т15К6, во всем диапазоне скорости резания (от 200 до 600 м/мин)[3]. В целом, сплав ТН20 предназначен для чистового точения и фрезерования углеродистых и низколегированных сталей, в отдельных случаях чугуна при высоких скоростях резания. Сплав КНТ16 рекомендуется для получистового точения и фрезерования сталей при средних скоростях резания. Относительно новые марки керметов ЛЦК20, ТВ4, ЦТУ и НТН30 имеют заметно более высокую прочность и теплостойкость за счет дополнительного легирования как связки, так и введением других карбидов в состав сплава [12]. Новая группа сплавов этого типа имеет повышенную эксплуатационную надёжность и расширенную область применения и может быть использована для чернового точения и фрезерования сталей (сплав ТВ4). Следует отметить пониженную технологичность керметов - трудность шлифования и пайки пластин, что предопределяет их использование практически только в виде СМП. В целом наблюдается мировая тенденция повышения доли использования керметов в номенклатуре твердых сплавов, поскольку 25...30% объема вольфрамсодержащих твердых сплавов может быть заменено на керметы при обеспечении стабильного уровня качественных показателей.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: