1. Инструментальные материалы, области
ИХ ПРИМЕНЕНИЯ И МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ
МОДИФИКАЦИИ
1.1. Классификация инструментальных материалов.
общие требования, предъявляемые
к инструментальным материалам
При изготовлении (РИ) для обработки металлов в отечественной промышленности применяется широкая номенклатура инструментальных материалов, которые подразделяются на четыре основные группы (рисунок 1).
Рис. 1. Классификация инструментальных материалов
В процессе обработки металлов резанием рабочие поверхности инструментов подвергаются интенсивному воздействию высоких контактных давлений и температур, а взаимодействие с обрабатываемым материалом и реагентами из окружающей среды приводит к протеканию интенсивных физико-химических процессов виде адгезии, диффузии, окисления, коррозии и др. Чтобы инструменты могли сопротивляться действующим на них нагрузкам, инструментальные материалы должны соответствовать целому комплексу требований и свойств [1, 2, 4, 5 и др.]
Твердость. Чтобы инструменты, могли срезать необходимые объемы обрабатываемых материалов, твердость инструментальных материалов HVИМ должна значительно (более чем в 2,5 раза) превосходить твердость обрабатываемых материалов HVOM. Поэтому одним из главных требований, предъявляемых к инструментальным материалам, является их высокая твердость. Однако чрезмерное увеличение твердости, как правило, приводит к увеличению хрупкости, снижению вязкости и образование трещин инструментальных материалов. Практика показывает, что в зависимости от условий обработки существует оптимальное отношение HVИМ/HVOM, обеспечивающее наилучшее соотношение твердости и вязкости инструментальных материалов.
Механическая прочность. Способность инструментов сопротивляться большим механическим нагрузкам без хрупкого разрушения и заметного пластического деформирования определяется их механической прочностью. Поэтому инструментальные материалы должны обладать достаточными значениями механической прочности при растяжении и изгибе (и). Очень важной является так называемая величина ударной вязкости, которая особенно важна при работе РИ при прерывистом резанье, ударной нагрузке и переменной глубиной. Инструментальные стали имеют ударную вязкость в несколько раз больше, чем твердые сплавы, минералокерамика и СТМ. Так как инструменты могут эксплуатироваться в условиях циклических нагрузок - прерывистое резание, резание с переменным припуском и т.д., то наряду с механической прочностью, инструментальные материалы должны обладать высоким сопротивлением разрушению при циклическом нагружении, обычно называемым пределом выносливости. (в). Очень важной является так называемая величина ударной вязкости, которая особенно важна при работе РИ при прерывистом резанье, ударной нагрузке и переменной глубиной. Инструментальные стали имеют ударную вязкость в несколько раз больше, чем твердые сплавы, минералокерамика и СТМ.
Теплостойкость. Это свойство определяет способность режущих инструментов сохранять свою твердость при повышенных температурах, возникающих в процессе резания. Именно от теплостойкости инструментальных материалов в первую очередь зависит максимально допустимая скорость резания, с которой могут работать инструменты. С учетом необходимости использования инструментальных материалов в условиях периодического изменения температуры (например, прерывистое резание), инструментальные материалы должны быть малочувствительны к циклическим изменениям температуры.
Износостойкость. Поверхности режущих инструментов должны сопротивляться удалению частиц с их рабочих поверхностей при взаимодействии с обрабатываемыми материалами, а инструментальные материалы должны обладать высокой износостойкостью. Этот показатель является комплексным свойством и зависит от всех вышеперечисленных свойств - твердости, прочности и теплостойкости.
Теплопроводность. Способность отводить тепло из зоны резания с целью снижения вероятности перегрева режущих кромок является важным условием
для нормальной работы режущих инструментов. Поэтому инструментальные материалы должны обладать достаточной теплопроводностью.
Сродство с обрабатываемым материалом. Необходимым условием достижения высоких режущих свойств инструментов является низкая физико-химическая активность инструментальных материалов по отношению к обрабатываемым материалам. Поэтому кристаллохимические свойства инструментальных материалов должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемых материалов. Степень такого отличия сильно влияет на адгезионно-усталостные, окислительные процессы, изнашивание рабочих поверхностей инструментов и качество обработанных поверхностей. Рекомендуется применять в РИ такой инструментальный материал, который не имел сродства с обрабатываемым материалом.
Технологичность. Под технологичностью понимается комплекс свойств, характеризующий поведение инструментальных материалов при изготовлении режущих инструментов. Технологичность определяет возможность использования марки инструментального материала в конструкции конкретного режущего инструмента. Например, материалы, обладающие плохой шлифуемостью, неудобны при изготовлении и переточке сложнопрофильных инструментов, а слишком узкий температурный интервал нагрева материала при термообработке может привести к браку и снизить общее качество инструмента. Рекомендуется применять в РИ такой инструментальный материал, который не имел сродства с обрабатываемым материалом.
Экономичность. Наряду с рассмотренными выше физико-механическими, кристаллохимическими и технологическими свойствами, очень важной характеристикой инструментальных материалов является экономичность, которая в основном зависит от их химического состава. Введение большого количества дорогостоящих легирующих элементов (вольфрама, кобальта и т.д.) существенно увеличивает стоимость инструментальных материалов и сужает область их применения. Поэтому очень важно сделать оценку экономической эффективности РИ с учётом стоимости и выбрать оптимальный инструментальный материал [1, 4].
Рис. 2. Классификация инструментальных материалов
по их свойствам
Данные представленные на рисунке 2, наглядно показывают, что ни один из существующих инструментальных материалов не сочетает в себе весь комплекс требований − высокую твердость, теплостойкость, механическую прочность и др. Именно поэтому инструментальные материалы не являются универсальными и их рекомендуется применять для конкретных условий обработки и требуемого качества изготовляемых деталей.