4.9 Инструментальные материалы

В настоящее время в деревообрабатывающей промышленности повышаются требования к эффективности производства и качеству производимой продукции. Качество продукции во многом зависит от материала лезвия режущего инструмента. Затупление режущей кромки приводит к увеличению сил и мощности резания, ухудшению качества обрабатываемой поверхности, т.е. к постепенной утере режущей способности инструмента. Поэтому сохранность геометрии режущего лезвия в процессе работы зависит от стойкости инструментального материала.

Материалы для режущего инструмента.

В качестве материала для режущего инструмента используют углеродистые и легированные инструментальные стали, быстрорежущие стали, металлокерамические материалы (твердые сплавы), минералокерамические материалы.

Основные требования к инструментальным материалам

Материал инструмента должен быть таким, чтобы:

- инструмент не разрушался под действием возникающих нагрузок;

- в процессе работы инструмент не имел значительных остаточных деформаций;

- в процессе эксплуатации поверхность инструмента не изменялась как можно дольше и была износо- и коррозионностойкой.

Поэтому основные требования к материалам для режущего инструмента следующие:

- высокая конструкционная прочность;

- твердость, достаточная для обеспечения процесса (не менее 60HRC).

- теплостойкость;

- износостойкость;

- технологичность (необходимая для изготовления инструментов сложной формы);

- экономичность (минимальное содержание дефицитных и дорогостоящих легирующих добавок).

Поэтому использование материала обычно ставится в зависимость от тех скоростей, которые применяются в производстве. Если углеродистая и низколегированная стали позволяют инструменту работать с небольшими скоростями, порядка 10-15 м/мин, что ограничивается теплостойкостью в пределах 200-300⁰С, то применение быстрорежущих сталей позволило инструменту работать при скоростях 25-30 м/мин , что обеспечивается теплостойкостью этих сталей до 600-650⁰С. Применение твердых сплавов позволило увеличить скорость резания до 100 м/мин, доводя ее в ряде случаев до 200 м/мин и более, что обеспечивает их теплостойкость до 800-900⁰С.

В настоящее время успешно работают керамические материалы, обеспечивающие скорость резания 200-300 м/мин , за счет теплостойкости 1200⁰С.

Причиной ограниченности срока службы инструмента в большинстве случаев является срабатывание рабочих поверхностей и съем с них материала в результате износа.

В связи с этим инструментальные материалы должны обладать при соответствующей нагрузке максимально высокой износостойкостью. Износ не имеет четко выраженного характера (только механического, или физического, или химического), в большинстве случаев он является результатом одновременного действия разных видов износа. При обработке твердых материалов резанием срабатывание инструмента преимущественно происходит в результате абразивного (микроскола) и адгезионного (холодная сварка) износа.

В тесной связи с износостойкостью находится режущая способность инструмента. При формообразовании путем резания металлов (точение, сверление и т.д.) режущая способность вследствие износа снижается. Установлено, чем выше твердость, тем выше износостойкость, однако при этом обычно снижается вязкость инструмента и увеличивается опасность хрупкого излома. Поэтому в зависимости от требуемой вязкости для того или иного инструмента существует граница повышения износостойкости.

Износостойкость зависит не только от твердости, но и от количества карбидов в инструментальном материале. Однако при содержании в сталях более 25% (по объему) карбидов достигается граница деформируемости, и резко возрастает склонность к хрупкому разрушению. Поэтому такой путь возможен только для инструментов простой формы, и не подверженных растягивающим нагрузкам.

Так как повышение износостойкости ограничивается химическим составом или термической обработкой, предпринимаются попытки повысить стойкость инструмента изменением поверхностного слоя. Хорошо показали себя твердое хромирование, азотирование и цементирование. Применяется также нанесение на поверхность инструмента карбида и нитрида титана. При этом износостойкость режущих инструментов резко возрастает.

Эксперименты по влиянию легирующих элементов на износостойкость показали, что наиболее сильно влияет на ее увеличение ванадий.

 

Инструментальные стали

 

Углеродистые инструментальные стали обладают достаточно высокой прочностью и твердостью, но теряют эти качества уже при 180-200⁰С. Поэтому их применяют в основном для изготовления ручного инструмента.

Буква У в марке стали обозначает – углеродистая, цифра – содержание углерода в десятых долях процента, буква А (в конце марки) – высококачественная, с содержанием серы и фосфора не более 0,03%, буква Г – марганцовистая.

В таблице 8 приведены марки углеродистых сталей, применяемых для изготовления режущего инструмента

Таблица 8 - Углеродистые стали для режущего инструмента

Марка стали	Назначение
У7; У7А	Инструмент, работающий с ударами (зубила, кернеры, ножи по металлу)
У8; У8А; У8Г; У8ГА	Инструмент для обработки древесины (фрезы, зенковки, пилы продольные и поперечные)
У10; У10А	Развертки, плашки, метчики, ножовочные пилы
У11; У11А; У12; У12А; У13; У13А	Напильники, метчики, развертки

 

Легированные инструментальные стали имеют более высокую теплостойкость 350-400⁰С. Однако и их применение оправдано лишь при небольших скоростях резания.

В таблице 9 приведены марки таких сталей и область их применения. Быстрорежущие стали легированы вольфрамом, хромом, ванадием и молибденом. Имеют высокую прочность, твердость и красностойкость. Они не теряют свои режущие свойства при нагреве до 600-670⁰С. Маркируются буквой Р и числом, показывающим среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание других элементов показывают цифры, проставляемые за буквами соответствующих элементов.

Быстрорежущие стали подразделяются на 2 группы

1. Стали нормальной производительности (Р18, Р9, Р12М3, Р18Ф2), пригодные для обработки с высокой скоростью резания

2. Стали повышенной производительности (Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р10К5Ф5), пригодные для обработки материалов со скоростью резания большей на 5-10%.

Инструментальная быстрорежущая сталь Р18 обладает высокой красностойкостью, твердостью в горячем состоянии и износостойкостью, а также хорошей вязкостью и удовлетворительной шлифуемостью.

 

Таблица 9 - Легированные стали для режущего инструмента

Марка стали	Назначение	НRС после термообработки
11Х	Метчики с диаметром до 30 мм	62
13Х	Гравировальный инструмент	64
ХВ5	Гравировальные резцы и фрезы при обработке твердых материалов	65
В1	Сверла, метчики, развертки	62
9ХС	Сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки	62
ХВГ, ХВС	Протяжки, развертки длинные, специальные фрезы и плашки	62
7ХФ 8ХФ 9ХФ	Рамные, круглые и ленточные пилы, деревообрабатывающий инструмент (топоры, долота, стамески), инструмент для ударных нагрузок (зубила)	59
9Х5Ф	Ножи для фрезерования древесины, строгальные пилы	60
8Х4В4Ф1 (Р4)	Ножи для фрезерования древесины и другой деревообрабатывающий инструмент, работающий в тяжелых условиях с нагревом режущей кромки	61

  

 

Металлокерамические твердые сплавы

Металлокерамические твердые сплавы разделяют на 3 группы: вольфрамокобальтовые, титановольфрамокобальтовые и танталотитановольфрамокобальтовые. Эти сплавы отличаются высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью, сохраняя свои режущие свойства почти до 1000⁰С.

Эти сплавы получают методом порошковой металлургии. Вначале получают порошки Со, WC, TiC, TaC, составляют из них шихту требуемого состава, прессуют для получения пластинок нужной формы и спекают при высокой температуре в атмосфере водорода (для предотвращения окисления). Полученные пластинки напаивают на инструмент латунным прибоем или закрепляют механическим путем.

Вольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбидов вольфрама (WС) и кобальта, служащего связкой. Сплавы обозначаются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Чем больше в сплаве кобальта, тем меньше твердость и больше вязкость. Сплав ВК15 широко применяется для обработки древесины, так как из-за высокого содержания кобальта более вязкий и менее склонен к хрупким разрушениям при ударах в процессе работы.

Титановольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбидов вольфрама и титана, соединенных кобальтом. Марки сплавов обозначаются буквами ТК. Цифры показывают соответственно содержание карбида титана и кобальта в %. Остальная часть состава приходится на карбид вольфрама.

Танталотитановольфрамокобальтовые сплавы. Эти сплавы содержат карбиды тантала, титана и вольфрама. Марки обозначают буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ, показывает суммарное содержание карбидов титана и тантала в процентах, цифра после К – содержание кобальта.

 

Минералокерамические твердые материалы

Они состоят в основном из окиси алюминия с небольшим количеством окиси магния, так называемая смешанная черная керамика (В3, ВОК-60, ВОК-63). Недостаток этих материалов – повышенная хрупкость. Для повышения их прочности применяют плакирование – покрытие защитными пленками. На основе плакирования созданы металлокерамические композиции – кермесы (керамика с металлической связкой), которая обеспечивает более высокую производительность при чистовой обработке. Более высокая прочность у безоксидной керамики (силинит Р(Si₃N₄)).