Глава 10. Инструментальные материалы
Практика обработки различных материалов, а также исследования теплообразования, деформации и трения при резании показывают, что материал режущей части инструмента находится во взаимодействии с обрабатываемым материалом и оказывает большое влияние на процесс резания и достижение высокой производительности труда.
В этой связи инструментальные материалы должны обладать определенными эксплутационными и технологическими свойствами, определяющими рациональную область их применения с учетом экономического фактора.
10.1. Требования, предъявляемые к инструментальным материалам
Чтобы обеспечить процесс резания металлов, инструментальный материал должен иметь высокую твердость. Твердость контактных поверхностей (Ни) инструмента должна быть выше твердости обрабатываемого материала (Нм). Это одно из основных требований, предъявляемых к материалу инструмента.
Но с повышением твердости инструментального материала, как правило, уменьшается его сопротивляемость хрупкому разрушению. Поэтому для каждой пары обрабатываемого и инструментального материалов существует оптимальное значение отношения Ни /Нм , при котором интенсивность износа инструментального материала будет минимальной.
В процессе резания на режущую часть инструментов действуют значительные силы резания, вызывающие большие напряжения. Чтобы эти напряжения не приводили к разрушениям, инструментальный материал должен быть достаточно прочным.
С точки зрения прочности инструмента важно, чтобы инструментальный материал сочетал высокую твердость при повышенных температурах с хорошей сопротивляемостью сжатию и изгибу, а также обладал высокими значениями предела выносливости и ударной вязкости. Из всех инструментальных материалов наилучшим сочетанием прочностных характеристик обладают инструментальные стали, которые могут работать на сжатие, кручение, изгиб и растяжение.
Взаимодействие инструмента с обрабатываемым материалом протекает в условиях подвижного контакта, которое приводит к изнашиванию режущей части. Износостойкость измеряется отношением работы сил трения, затраченной на удаление определенной массы инструментального материала, к величине этой массы.
Износ, наблюдаемый при резании (как общая потеря массы инструментального материала), имеет различную природу: адгезионно-усталостный, абразивный, диффузионный и др. Износостойкость инструментального материала при адгезионном износе зависит от прочности поверхностных слоев и интенсивности адгезии с обрабатываемым материалом. В качестве меры износостойкости инструментального материала при абразивном износе принимается его твердость. Характеристикой сопротивления диффузионному износу является степень инертности инструментального материала по отношению к обрабатываемому.
Твердость контактных поверхностей инструмента в холодном состоянии, т.е. измеренная при обычной температуре, недостаточно полно характеризует его режущую способность. Для характеристики режущих свойств инструментального материала при повышенных температурах пользуются такими понятиями как красностойкость и теплостойкость.
Под красностойкостью понимается температура, вызывающая снижение твердости инструментального материала не ниже заданного значения. Так красностойкость быстpopeжущей стали нормальной производительности составляет 620°С при твердости HRC 58.
Под теплостойкостью инструментального материала понимают способность материала сохранять при нагреве твердость, достаточную для осуществления процесса резания. Теплостойкость характеризуется так называемой критической температурой. Критическая температура - это температура, устанавливающаяся в процессе резания, при которой инструментальный материал еще не теряет своих режущих свойств, и инструмент, из которого он изготовлен, способен резать.
Зависимость работоспособности инструмента от температурных условий его работы выражается и такой характеристикой инструментального материала, как сопротивление тепловому удару. Эта характеристика определяет максимальный перепад температур, при котором материал сохраняет свою целостность, отражает возможность хрупкого разрушения инструмента в результате действия термических напряжений.
Знание характеристики сопротивления тепловому удару особенно важно при использовании относительно хрупких инструментальных материалов в условиях прерывистого резания. Величина термических напряжений зависит от теплопроводности, коэффициента линейного расширения, модуля упругости, коэффициента Пуассона и других свойств инструментального материала.
Теплопроводность - одно из важнейших физических свойств инструментальных материалов. Увеличение работоспособности режущего инструмента может быть достигнуто благодаря улучшению условий отвода теплоты, выделяющейся в процессе резания. Чем выше теплопроводность, тем ниже температура контактных поверхностей инструмента и выше допускаемые скорости резания.
Среди технологических свойств инструментальных материалов наибольшее значение имеет их обрабатываемость в горячем (ковка, штамповка, литье, сварка и др.) и холодном (обработка резанием, шлифованием) состояниях. Для инструментальных материалов, подвергаемых термообработке, также важны условия их термической обработки: интервал закалочных температур, деформация при термической обработке, чувствительность к перегреву и обезуглероживанию и др.
Стоимость инструментального материала относится к экономическим факторам. Инструментальный материал должен быть по возможности дешевым. Но это требование является условным, поскольку более дорогой материал может обеспечить более экономичную обработку. К тому же соотношение между стоимостью отдельных материалов непрерывно меняется. Важно, чтобы инструментальный материал не являлся дефицитным.
Идеального инструментального материала, одинаково пригодного для всего многообразия условий механической обработки, создать невозможно. Поэтому в промышленности применяется большая номенклатура инструментальных материалов, объединенных в следующие основные группы: углеродистые и легированные стали; быстрорежущие стали; твердые сплавы; режущая керамика; сверхтвердые материалы; инструменты с износостойкими покрытиями.