Карбидостали 10

Относятся к быстрорежущим сталям высокой производительности, которые применяются для обработки труднообрабатываемых материалов. Сочетают твёрдость и износостойкость твёрдых сплавов с прочностью и вязкостью легированных сталей.

По своим характеристикам занимают промежуточное положение между быстрорежущими сталями и твёрдыми сплавами.

Представляют собой композиционный материал, в котором зёрна карбидов титана равномерно распределены в связке из легированной стали. Материал термостоек, легче быстродействующих сталей на 13 %, а твёрдых – на 50 %.

Примеры марок: Р6М5-КТ20, Р6М5К5-КТ20

Маркировка подобна быстрорежущим сталям. Разница – в последней составляющей (КТ20), что определяет долю карбида титана (20 %).

ТВЁРДЫЕ СПЛАВЫ (металлокерамика)

В сравнении с инструментальными сталями твёрдые сплавы имеют более низкие коэффициенты теплопроводности и линейного расширения, несколько меньшую (но достаточно высокую, _и  2 500 МПа) прочность, низкую пластичность и высокую стоимость. Очень чувствительны к перепаду температур, переменным нагрузкам и удару, но имеют более высокие теплостойкость (до 900ºС и выше), твёрдость и износостойкость (в 10–20 раз выше, чем у быстрорежущей стали).

Применение твёрдых сплавов значительно повышает производительность обработки, за счёт высокой скорости резания (до 800 м/мин 6).

Режущие элементы из твёрдых сплавов выпускают в виде пластин различной формы, в том числе многогранных, которые крепятся механически или пайкой.

Стойкость твёрдосплавного инструмента во многом зависит от технологии его изготовления. В настоящее время разработаны и широко применяются алмазное шлифование и алмазная доводка пластин из твёрдого сплава.

Это обеспечивает стабильность режущих свойств твёрдого сплава благодаря отсутствию микротрещин, которые, как правило, возникают при абразивной обработке. Стойкость твёрдосплавного инструмента можно также существенно повысить термической обработкой.

Получают путём прессования и спекания при высокой температуре, в общем случае, карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта (последний является связкой).

При выборе марки твёрдого сплава для конкретного вида обработки следует учитывать, что с увеличением содержания кобальта повышается прочность, но снижается износостойкость. Твёрдые сплавы с невысоким содержанием кобальта рекомендуется применять для чистовой и получистовой обработки, с высоким – для черновой обработки.

Различают 4 группы твёрдых сплавов: вольфрамовые, титано-вольфрамовые, титано-тантало-вольфрамовые, безвольфрамовые (маловольфрамовые).

Вольфрамовые твёрдые сплавы

Обладают повышенной адгезией и повышенным износом при обработке заготовок из конструкционных сталей. Вследствие этого применяются, в основном, для обработки заготовок из чугунов и хрупких цветных металлов. Обладают более высокой прочностью среди других групп твёрдых сплавов, что позволяет их применять в условиях ударных нагрузок.

Примеры марок: ВК2, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК8В, ВК25.

Состоят из карбидов вольфрама и металлического кобальта, содержат в обозначении марок буквы «ВК» (название сплавов) и число, показывающее процентное содержание кобальта. Остальное – приходится на карбид вольфрама.

Буква «М» в конце означает мелкозернистую структуру сплава, что обеспечивает высокую износостойкость.

Буква «В» в конце означает крупнозернистую структуру сплава, что снижает износостойкость, но увеличивает прочность и сопротивляемость ударам, вибрациям и выкрашиванию.

Например, ВК6М: вольфрамовый мелкозернистый твёрдый сплав, 6% кобальта, остальное – карбид вольфрама.

Титано-вольфрамовые твёрдые сплавы

По сравнению с вольфрамовыми сплавами имеют меньший коэффициент теплопроводности и хорошо сопротивляются износу. Поэтому применяются для скоростной обработки заготовок из углеродистых и легированных сталей, а также пластичных и вязких сплавов.

Примеры марок: Т15К6, Т5К10, Т30К4, Т14К8.

Состоят из карбидов вольфрама, карбидов титана и металлического кобальта. С увеличением доли карбида титана увеличивается износостойкость, но уменьшается прочность.

Содержат в обозначении марок буквы «Т» (титан) и «К» (кобальт), после которых идут числа, означающие соответственно процентное содержание карбида титана и кобальта. Остальное – приходится на карбид вольфрама.

Например, Т15К6: титано-вольфрамовый твёрдый сплав, 6 % кобальта,

15 % карбида титана, остальное – карбид вольфрама.

Титано-тантало-вольфрамовые твёрдые сплавы

Имеют большую прочность и износостойкость, чем титано-вольфрамовые твёрдые сплавы. Предназначены для черновой и получистовой обработки сталей (в том числе, трудно обрабатываемых).

Примеры марок: ТТ7К12, ТТ10К8, ТТ20К9.

Состоят из карбидов титана, вольфрама, тантала и металлического кобальта, содержат в обозначении марок буквы «ТТ» и «К», после которых идут числа, означающие соответственно процентное содержание карбидов титана и карбидов тантала (в сумме) и кобальта.

Например, ТТ7К12: титано-тантало-вольфрамовый твёрдый сплав, 12 % кобальта, 7 % (карбида титана + карбида тантала), остальное – карбид вольфрама.

Безвольфрамовые и малофольфрамовые твёрдые сплавы

В настоящее время взамен дефицитных и дорогих вольфрамосодержащих твёрдых сплавов, в которых вольфрам составляет до 95 %, рекомендуется применять безвольфрамовые твёрдые сплавы.

Они несколько уступают традиционным твёрдым сплавам по прочности, теплопроводности и ударной вязкости. Однако отличаются повышенной жаростойкостью и низкой схватываемостью (адгезией) с обрабатываемым металлом. Обеспечивают меньшую шероховатость поверхности по сравнению с твёрдым сплавом, что даёт возможность заменять шлифование точением и способствует повышению производительности труда в 2,0–2,5 раза.

Износостойкость таких сплавов в 1,2–1,5 раза выше износостойкости титано-вольфрамовых сплавов 10.

Вследствие неудовлетворительных термических свойств безвольфрамовые сплавы плохо поддаются пайке и заточке, поэтому их применяют в основном в виде неперетачиваемых пластин.

Различают следующие группы таких сплавов:

1) на основе сложного карбида титана и ниобия (ТМ1, ТМ3);

2) на основе карбида титана (ТН20: 20 % никеля, остальное – карбид титана);

3) на основе карбонитрида титана (КНТ16).

В качестве связки чаще всего используют никель и молибден.

Исследования сплавов КНТ16 и ТН20 показали 2, что они обладают низкой теплопроводностью, вследствие чего наблюдается значительная концентрация теплоты около режущей кромки. Поэтому при резании с высокими скоростями и контактными нагрузками происходит пластическое деформирование клина из-за разупрочнения карбида титана (при температуре свыше 750ºС). Кроме того, отмечена низкая стойкость сплава ТН20 при циклических нагрузках.

В результате исследований установлено, что сплавы КТН16 и ТН20 целесообразно применять при обработке углеродистых и низколегированных сталей при скорости резания 150–250 м/мин, подаче 0,30–0,56 мм/об и глубине резания 1–3 мм.

Сплав ТН20 можно рекомендовать для чистового и получистового непрерывного точения, а сплав КНТ16 – для всех видов получистовой обработки. При этом особое внимание следует уделять оптимальной форме стружечных канавок на пластинах, а при необходимости вводить стружколом.

В настоящее время разработан маловольфрамовый твёрдый сплав ТВ4. Испытания показали, что применение этого сплава взамен аналога Т5К10 целесообразно только при обработке углеродистых и малолегированных сталей.

Эффективность применения безвольфрамовых твёрдых сплавов увеличивается при нанесении на них износостойких покрытий. В частности, нанесение карбидов и нитридов титана толщиной 5–7 мкм увеличивает срок службы инструмента в 3–4 раза 7.

МИНЕРАЛОКЕРАМИКА (режущая керамика)

Создаётся на основе глинозёма, содержащего более 90% оксида алюминия и, наряду с безвольфрамовыми твёрдыми сплавами, решает проблему экономии вольфрама.

Изготавливается трёх видов 6:

1) оксидная «белая» керамика (например, ЦМ-332, ВО-13) для чистовой и получистовой обработки незакалённых сталей и серых чугунов со скоростями резания до 900 м/мин;

2) оксидно-карбидная «чёрная» керамика (например, ВОК-60) для чистовой и получистовой обработки ковких, высокопрочных чугунов и закалённых сталей;

3) керамика силинит-Р (на основе нитрида кремния с легированием иттрия, циркония, алюминия) для чистовой и получистовой обработки чугунов.

Основное преимущество режущей керамики – высокая теплостойкость

(1 000–1 200ºС) высокая твёрдость и износостойкость, а недостаток – низкая прочность: _и  350 МПа (для ЦМ-332) и _и  750 МПа (для ВОК-60), что примерно в 4 раза ниже быстрорежущей стали.

Тем ни менее, инструмент, оснащённый пластинками из минералокерамики, даёт возможность работать со скоростью 2 000 м/мин 4.

СВЕРХТВЁРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ (СТМ)

К ним относятся алмазы и материалы на основе нитрида бора (композиты).

Алмаз обладает самой высокой твёрдостью из известных в природе металлов и минералов: он превосходит по твёрдости в 5 раз твёрдый сплав, а быстрорежущую сталь – в 14 раз.

Модуль упругости алмаза в 2 раза больше модуля упругости твёрдого сплава, а коэффициент линейного расширения ниже в 4 раза. Теплопроводность алмаза в 2 раза выше, чем у твёрдого сплава, однако он отличается повышенной хрупкостью и низким (в 3,5–5 раз меньшим, чем у твёрдого сплава) значением показателя предела прочности на изгиб (_и). Алмазы имеют высокую химическую и коррозионную стойкость.

Для оснащения инструментов применяют технические, природные и синтетические алмазы в виде поликристаллов и порошков различной зернистости. Синтетические поликристаллические алмазы марок АРВ1 (АСБ), АРК4 (АСПК), а также алмазы марки АРС3 по своим физико-механическим свойствам близки к природным алмазам. Их изготавливают диаметром 3,5–10 мм и массой 0,4–4,5 карата.

Теплостойкость природных алмазов лежит в пределах 700–750°С, а синтетических – 600–700°С. В интервале указанных температур алмаз химически активен в контакте с чёрными металлами, что ухудшает его режущие свойства, и потому его нельзя эффективно использовать при обработке таких металлов.

Алмаз применяют для чистовой и получистовой обработки твёрдых неметаллических материалов (стеклопластиков, керамики, камней), а также цветных металлов и сплавов.

Для чистовой и получистовой обработки чёрных металлов (включая закалённые стали) эффективно используют инструменты, оснащённые композитами (марки 01, 02, 05, 09, 10). Эти материалы по твёрдости близки к алмазу, а их теплостойкость в 1,5–1,7 раза выше, чем у алмаза. Однако композиты, как и алмаз, обладают повышенной хрупкостью, чувствительностью к вибрациям и имеют меньший, чем твёрдые сплавы, предел прочности на изгиб (примерно в 1,5–2,5 раза).

Оптимальные условия применения инструментов, оснащённых СТМ (в виде напайных пластин и сменных многогранных пластин – СМП) характеризуется очень высокой скоростью резания (до 2 500–3 000 м/мин при обработке серых чугунов и алюминиевых сплавов3):

• при малой толщине срезаемой стружки;

• большой мощности резания и сравнительно небольших удельных энергозатратах;

• малых силах резания и высокой точности обработки;

• значительном тепловыделении в зоне резания и отсутствии нагрева обрабатываемой заготовки;

• малой шероховатости и высоком качестве поверхностного слоя.

Эффективность применения инструмента, оснащённого СТМ, существенно зависит от его надёжности. Её можно существенно повысить путём усовершенствования технологии синтеза и спекания поликристаллов СТМ, путём тщательной отработки технологии пайки и заточки инструмента, шлифования СМП и обеспечения жёсткости узла СМП, а также строгим соблюдением режимов резания.

Причём установлено, что правильный выбор скорости резания является главным фактором повышения не только производительности и качества обработки, но и надёжности процесса резания.

Наиболее эффективно применение инструмента, оснащённого СТМ, на современном высокоскоростном, жёстком, мощном и виброустойчивом автоматизированном оборудовании, позволяющем полностью реализовать потенциальные возможности СТМ.

Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы

1. Каково основное требование к конструкционным материалам? Пути его достижения?

2. Каковы основные требования к инструментальным материалам? Пути их достижения?

3. Дать общую характеристику конструкционных металлов и неметаллов в сравнении.

4. Дать общую характеристику конструкционным сталям. Привести примеры.

5. Дать общую характеристику углеродистым и легированным качественным сталям. Привести примеры.

6. Дать общую характеристику автоматным сталям. Привести примеры.

7. Дать общую характеристику конструкционным литейным сталям. Привести примеры.

8. Дать общую характеристику чугунам. Привести примеры.

9. Дать общую характеристику алюминиевым сплавам. Привести примеры.

10. Дать общую характеристику латуням. Привести примеры.

11. Дать общую характеристику бронзам. Привести примеры.

12. Дать общую характеристику углеродистым инструментальным сталям. Привести примеры.

13. Дать общую характеристику легированным инструментальным сталям. Привести примеры.

14. Дать общую характеристику быстрорежущим сталям. Привести примеры.

15. Дать общую характеристику безвольфрамовым быстрорежущим сталям. Привести примеры.

16. Дать общую характеристику карбидосталям. Привести примеры.

17. Дать общую характеристику твёрдым сплавам. Привести примеры.

18. Дать общую характеристику безвольфрамовым твёрдым сплавам. Привести примеры.

19. Дать общую характеристику режущей керамики. Привести примеры.

20. Дать общую характеристику сверхтвёрдых материалов.

21. Расшифровать заданные преподавателем марки материалов.

22. Может ли материал быть одновременно конструкционным и инструментальным? Ответ пояснить.

Библиографический список к теме № 1.4

1. Мозберг, Р.К. Материаловедение: учеб. пособие/ Р.К. Мозберг. – 2-е изд., перераб. – М.: Высшая школа, 1991.

2. Андреев, В.Н. Современные направления в развитии инструментальных материалов/ В.Н. Андреев. // Станки и инструмент № 2, 1988, с. 13–15.

3. Боровский, Г.В. Оценка эффективности применения инструмента, оснащённого сверхтвёрдым материалом/ Г.В. Боровский. // Станки и инструмент № 2, 1988, с. 9–11.

4. Королёв, В.А. Справочник инструментальщика/ В.А. Королёв, П.М. Зотов, Л.С.Марголин. – Минск: Изд. «Беларусь», 1976.

5. Журавлёв, В.Н. Машиностроительные стали: справочник/ В.Н. Журавлёв, О.И. Николаева. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992.

6. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для вузов/ Под общ. ред. А.М. Дальского. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990.

7. Киселёв, А.С. Инструментальные материалы/ А.С. Киселёв. // Станки и инструмент № 9, 1988, с.35–37.

8. Материаловедение и технология металлов: учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов/ Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высшая школа, 2002.

9. Цветное литьё: справочник/ Под общ. ред. Н.М. Галдина. – М.: Машиностроение, 1989 (Технология литейного производства).

10. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: справочник/ Под общ. ред. В.И. Баранчикова. – М.: Машиностроение, 1990.