1

ЛЕКЦИЯ ПО КУРСУ

РЕЗАНИЕ МЕТАЛЛОВ И РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

2

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В истории развития производительных сил человеческого общества

важнейшее значение всегда имели орудия труда. Их роль еще больше

возрастает от перехода ручного труда к машинному. Рост производительности

труда, качество продукции, всегда находятся в прямой зависимости от качества

орудий труда.

Для того, чтобы резать металл, резец (инструмент) должен быть тверже

этого металла, должен производить в нем деформации не деформируясь сам.

Первые инструменты для обработки металлов изготавливались из стали,

которая состояла, из двух элементов: железа и углерода, при содержании

углерода от 0,6% до 1…1,1%. Помимо этих двух элементов, инструментальная

сталь содержала в себе, но не в больших количествах, исключительно для

улучшения плавления и качества стали, другие элементы, такие как: марганец,

кремний, и совсем в ничтожно малых количествах фосфор и серу. Последние

элементы могут быть рассмотрены как вредные примеси, ФОСФОР – особенно

вреден, он вызывает хладноломкость (способность металлов под влияние

внешних нагрузок, включая температуру переходить в хрупкое состояние),

СЕРА – затрудняет горячую обработку стали, т.к почти не растворяется в

железе и любое ее количество образует сернистое соединение FeS, которое

входит в состав эвтектики, образующийся при температуре 985С, а наличие

легкой плавкой и хрупкой эвтектики, расположенной как правило, по границам

зерен, делает сплав хрупким при 800С и выше, т.е в районе красного каления

(эффект красноломкости металла).

Такая инструментальная сталь, применявшаяся, в течении многих веков и

состоящая, главным образом из углерода и железа, в настоящее время

называется - углеродистой инструментальной сталью. Резцы и другие

предметы, изготавливаемые из углеродистой стали, после ковки настолько

мягкие, что не могут быть применяемы для обработки большинства металлов.

Чтобы их сделать годными для работы их нужно закалить. Резцы нагревают до

температур находящихся между 735С и 850С, затем их быстро охлаждают в

воде до температуры не выше 200С, а лучше до нормальной температуры

воздуха.

Закаленные, подобным образом, резцы и инструменты из углеродистой

стали делаются чрезвычайно хрупкими, уйти от этого недостатка помогает

вторичный нагрев до температур между 200С и 315С. Целью такого нагрева

является сделать сталь более мягкой после закалки и в тоже время увеличить

сопротивление резца нагрузке. Такой вид обработки стали – называется

отпуском.

Улучшение механических свойств углеродистой стали после закалки и

отпуска, объясняется изменением структуры при переходе от одной

температуры к другой, а именно изменением состояния содержащегося в ней

углерода. Нагрев стали выше критической точки, и быстрое охлаждение не

3

дают углероду перейти в аустенит, и в состояние свойственное обыкновенной

температуре - феррит и цементит, и структура стали остается аустенитной,

причем аустенит переходит в большей части в мартенсит, что делает сталь

более твердой. При отпуске закаленной стали, часть аустенита переходит в

форму феррита, перлита, цементита, что уменьшает хрупкость стали, но

инструмент из такой стали способен отпускаться, т.е. терять часть своей

твердости во время работы, в зависимости от высоты температуры резания. Это

не позволяет использовать резцы из углеродистой стали на больших скоростях,

и для обработки большого ряда материалов.

Маркировка таких сталей обозначается буквой У, за ней следует цифра,

характеризующая массовое содержание углерода в десятых долях процента,

буква А в конце соответствует высококачественным сталям с пониженным

содержанием вредных примесей.

ПРИМЕРЫ: У7, У7А, У8, У8А.

Сегодня углеродистая инструментальная сталь широко применяется для

изготовления зубил, лезвия ножниц для резки металлов, топоров, кувалд (У7,

У7А), для инструмента не вызывающих разогрева режущей кромки: фрез,

топоров, пил продольных и дисковых, накатных роликов, отверток,

плоскогубцев (У8,У8А), инструмент для обработки дерева, слесарно-

монтажный инструмент, калибры пониженной точности (У9,У9А).

Применяется для изготовления ручных метчиков для нарезания резьбы,

рашпилей, надфилей, матриц для холодной штамповки, гладких калибров (У10,

У10А).

На рубеже 60-70годов 19века производственной группой «Titanic SteeL

Co» в Англии директором Робертом Мешетом было открыто влияние

легирующих добавок на углеродистую сталь. Он открыл, что значительное

количество вольфрама, введенное в углеродистую сталь вместе со значительно

большим содержанием марганца, удивительно влияют на сталь - такой резец,

охлажденный медленно на воздухе после нагрева до температуры закалки,

получает туже самую твердость, что и из обыкновенной углеродистой стали,

охлажденной в воде. Поэтому резцы Мешета были названы

самозакаливающимися. Уже ближе к 90-м годам 19 века, вместо марганца стали

вводить хром, т. к. заметили, что легирующие добавки улучшают

технологические свойства стали, такие как глубина прокаливаемости,

трещиностойкость, термические поводки и саму температуру красностойкости,

она увеличивается с 250С для углеродистой стали, до 350С для легированной.

В настоящее время существует огромный ряд легированных

инструментальных сталей, которые в свою очередь входят в группу

инструментальных сталей повышенной прокаливаемости. В эту

классификационную группу входят стали, содержащие легирующие элементы в

количестве, превышающем 1%. Инструмент из этих сталей закаливается в

масле (или при ступенчатой закалке в соль) и прокаливается, как правило,

насквозь. Меньшая скорость охлаждения при закалке, уменьшает опасность

образования трещин, деформации и коробления, к чему так склонны,

углеродистые инструментальные стали. Это является важным свойством

4

легированных инструментальных сталей при изготовлении многих видов

инструмента, имеющих сложную конфигурацию.

Применение для легирования разных элементов позволяет также решать

такие задачи, как повышение твердости, износоустойчивости или устойчивости

против отпуска инструмента, во время работы. Исходя из этого легированные

инструментальные стали делятся на три группы.

В первую группу входят обычные легированные инструментальные

стали, в которых присадка хрома 1,0-1,5% обеспечивает повышение

прокаливаемости. Добавка кремния повышает устойчивость против отпуска,

что обеспечивает лучшую работоспособность инструмента, и дает некоторое

дополнительное углубление прокаливаемости. К этой группе относятся, стали

марок: Х, 9ХС, ХГСВФ.

Вторая группа легированных сталей характеризуется повышенным

содержанием марганца (при нормальном содержании кремния). Это приводит

при закалке к увеличению количества остаточного аустенита и к уменьшению

деформации; поэтому эти стали можно назвать малодеформирующимися

инструментальными сталями. К этой группе относятся, стали марок: ХГ, ХВГ.

В третью группу входят высокотвердые стали легированные вольфрамом,

из которых сталь ХВ5, называется алмазной. Из-за худшей прокаливаемости по

сравнению со сталями первой и второй группы, эту сталь можно отнести к

сталям пониженной прокаливаемости. Легирование вольфрамом значительно

измельчает избыточную карбидную фазу и, следовательно, повышает твердость

этих сталей. Высокая твердость этих сталей используется при обработке очень

твердых материалов, например камней. К этой группе относятся, стали марок:

В1, ХВ5.

Инструментальные легированные стали обозначаются цифрой,

характеризующей массовое содержание углерода в десятых долях процента, за

которой следуют буквы, соответствующие легирующим элементам (Г-

марганец, Х-хром, С-кремний, В-вольфрам, Ф-ванадий) и цифры,

обозначающие содержание этого элемента в процентах.

Инструментальные легированные стали, находят свое применение для

изготовления рабочих и опорных валков для холодной прокатки металлов,

холодновысадочных штампов, деревообрабатывающего инструмента (9Х1),

прошивных пуансонов, гравировальных резцов (ХВ4Ф), мерительного

инструмента, протяжек (ХВГ) и т.д.

Борьба за производительность, качество продукции, заставляет

металлургов и инженеров создавать все более совершенные инструментальные

материалы, которые должны отвечать основным физико-механическим

свойствам, определяющим режущую способность инструмента. К таким

свойствам следует отнести:

1. ТВЕРДОСТЬ ( твердость может быть природной, т. е. обеспечиваться

материалом из которого изготовлен инструмент и полученной

термоообработкой).

2. ПРОЧНОСТЬ.

5

3. ТЕМПЕРАТУРОСТОЙКОСТЬ (характеризуется температурой

красностойкости для различных инструментальных материалов, температура

при которой инструментальный материал теряет свои режущие свойства.)

4. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ. (зависит от химического состава материала.)

5. КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ (зависит от химического состава

инструментального материала, от химического состава обрабатываемого

материала.)

6. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ (способность инструментального материала

сопротивляться истирающему действию обрабатываемого материла.)

Так в 1900г. Тейлор и Уайд, ища способ исправить резцы, испорченные

перегревом в процессе отковки, начали нагревать их, каждый раз увеличивая

температуру нагрева на 10С. Такой нагрев, если он не доведен за

определенные пределы, а именно, если нагреть сталь до 843С-927С – это

приведет к окончательной порче резца, и наоборот, нагрев выше этого предела,

придает ему все лучшие и лучшие свойства. При нагреве выше 940С, резцы

оказались с лучшими физико механическими свойствами, чем при старых

способах закалки, а значит, могли работать с большей скоростью резания, и чем

выше был нагрев, тем выше была скорость, с которой могли работать резцы.

Такие резцы и стали, из которых их изготавливали, были названы

быстрорежущими. Таким образом, быстрорежущие стали – это стали, имеющие

химический состав, близкий к самозакливающейся стали, но закаленные при

весьма высоких температурах, доведенных почти до точки плавления (1200С –

1350С). Особенностью резцов изготовленных из быстрорежущей стали, была

их способность работать, нагреваясь даже до температуры красного каления

(780С-800С) и не только не терять своих режущих свойств, но и показывать

при этом большую стойкость, чем при работе с более низкими скоростями.

Это свойство Тейлор назвал КРАСНОСТОЙКОСТЬЮ. Применение

быстрорежущей стали, позволило значительно повысить скорости резания по

сравнению не только с углеродистой сталью, но и с самозакаливающейся

сталью. Открыв процесс термической обработки резцов при высоких

температурах, Тейлор продолжал опыты, в направлении улучшения

химического состава быстрорежущей стали. Вместе с увеличением содержания

вольфрама даже до 26% и хрома до 7%, было понижено количество углерода,

так что лучшие резцы содержали его от 0,55% до 1,25%. Содержание марганца,

кремния и других элементов было уменьшено до количества, необходимого

лишь для легкости плавления. Молибден или замещал вольфрам, или же

вводился одновременно с ним. Тейлор выяснил, что прибавка небольшого

количества ванадия (от 0,25%-0,5%) улучшает, с химической стороны, качество

стали.

Химический состав быстрорежущих сталей определяется следующими

общими указаниями Тейлора, которых в значительной степени

придерживаются и до настоящего времени.

Вольфрам (W) 16%-18%

Углерод (С) …… не выше 0,68% и не ниже 0,5%

6

Марганец (Mn) …… возможно мин. количество

Кремний (Si) ……. не выше 15%

Хром (Cr) …..5,05% - 6% (в настоящее время

количество хрома составляет 4%-5%)

Кроме того, часто вводится ванадий (V) – 0.6%-2%; иногда молибден

(Mo) 1,05%, в последнее время кобальт (Co).

Вольфрам (W), взаимодействуя с углеродом, образует карбиды

вольфрама, которые при термообработке равномерно распределяются по всему

объему и не склонны к концентрации на границах зерен. Присутствие в стали

вольфрама, в пределах 5,5%-19,5%, приводит к тому, что углерод целиком

оказывается связанным в сложные карбиды, и благодаря этому сталь

приобретает высокую твердость, температуро и износостойкость. К

недостаткам легирования Вольфрамом (W) можно отнести только некоторое

ухудшение теплопроводности стали. Действие Молибдена (Mo) на свойства

стали, аналогично Вольфраму(W), но проявляется в более активной форме.

Введение Молибдена (Mo) позволяет уменьшить содержание в стали

дефицитного Вольфрама (W). Но так как молибден (Mo) ведет, к охрупчиванию

стали, его содержание не превышает 5%. Присутствие молибдена (Mo),

способствует повышению теплопроводности сталей, и как следствие снижению

температуры лезвий инструмента.

Легирование ванадием (V) –приводит к заметному увеличению

контактной твердости, стали, но уменьшает ее теплопроводность. В процессе

термообработки ванадий (V) способствует образованию мелкозернистой

мартенситной структуры и несколько снижает хрупкость. Поэтому ванадиевые

быстрорежущие стали, успешно работают при обработке материалов

повышенной твердости, хотя и с ограничениями по скорости резания. К

недостаткам ванадиевых быстрорежущих сталей можно отнести склонность к

появлению прижогов при шлифовании и заточке.

Примерно с 1913 г. в состав быстрорежущей стали, начали вводить

кобальт. Резцы с содержанием кобальта (до 12%) называются

«сверхбыстрорежущими». Это связано с тем что, кобальт (Со) повышает

износостойкость, и теплопроводность стали. Благодаря повышению

теплопроводности, инструментами из кобальтовых сталей можно производить

обработку резанием конструкционных сталей на более высоких скоростях по

сравнению с другими быстрорежущими сталями, а также использовать для

обработки сталей повышенной твердости и пластичности.

Хром (Сr) несколько повышает твердость и износостойкость

быстрорежущих сталей, но не повышает температуростойкость. Легирование

Хромом (Сr) улучшает технологические свойства быстрорежущих сталей при

термообработке и их механической обработке в нетермообработанном

состоянии. В быстрорежущих сталях содержатся так же примеси: марганец,

кремний, сера и фосфор, но их присутствие только ухудшает физико-

механические свойства сталей, поэтому их присутствие ограничивается

содержанием 0,01%….. 0,35%.

7

В настоящее время, как и в начале ХХ века, под быстрорежущими

сталями понимаются, стали предназначенные для изготовления режущего

инструмента, работающего при высоких скоростях резания. От хорошей

быстрорежущей стали, требуется не только высокая твердость в горячем

состоянии, так как высокие скорости обработки сопровождаются высокими

температурами в области резания, но и сохранение ее при длительных нагревах.

Иначе говоря, быстрорежущая сталь должна устойчиво сохранять твердость в

нагретом состоянии, это называется красностойкостью. Этому свойству

Тейлор уделял особое внимание. Существует несколько закономерностей,

связывающих между собой температуру, твердость и структурные изменения в

стали. (Теория красностойкости).

Нагрев всегда вызывает снижение твердости, но если при этом не

происходит структурных изменений, то это снижение твердости обратимо, т. е.

при возвращении изделия к исходной температуре восстанавливается и

прежняя твердость.

Если же при нагреве происходят структурные изменения,

сопровождающиеся уменьшением твердости, то после возращения к исходной

температуре твердость будет ниже исходной. Сопротивление металла этим

необратимым структурным изменениям и характеризуется понятием

красностойкости.

Возникает вопрос, какие особенности строения определяют высокую

красностойкость закаленных сталей.

Красностойкость создается, легированием стали карбидообразующими

элементами в таком количестве, при котором они связывают почти весь

углерод в специальные карбиды. Происходит это за счет того, что зерно

специального карбида легирующего элемента, выделяется из мартенсита и

коагулирует (т. е. увеличивается (растет, при действии температуры)) при

гораздо более высоких температурах, чем карбид железа, т.е. выше 200С. Чем

меньше зерно карбида, т. е., когда оно, находится в мельчайшем дисперсном

состоянии, первая стадия выделения, твердость не снижается, и, наоборот, с

ростом зерна карбида твердость быстро падает. Рост зерна карбидов железа

происходит при температуре выше 200С, отсюда и красностойкость

углеродистых сталей 250С, рост зерна специальных карбидов (коагуляция)

гораздо выше этого порога, отсюда и красностойкость быстрорежущих сталей

600С.

Такими легирующими элементами, обеспечивающими красностойкость

быстрорежущих сталей, являются, прежде всего, хром, вольфрам, молибден и

ванадий, на сочетании которых в различных комбинациях и основаны все,

современные быстрорежущие стали.

Микроструктура закаленной и отпущенной стали должна состоять из

мелкоигольчатого мартенсита и карбидов. Если сталь не достаточно хорошо

отпущена, то, помимо игл мартенсита, в структуре обнаруживается остаточный

аустенит. Отпуск стали может проводиться по двум различным режимам.

8

Первый режим состоит в том, что инструменту дается трехкратный

отпуск при 560С с выдержкой при температуре отпуска каждый раз 1час.

После первого отпуска остается около 15% остаточного аустенита, после

второго 3-5% и после третьего 1-2%. Твердость после такой обработки

поднимается до уровня HRC 64-65.

Другой режим состоит в том, что после закалки инструмент

обрабатывается холодом при температуре –800С. При охлаждении от

комнатной температуры до –80 образуется дополнительно около 15-20%

мартенсита, от общего объема стали, и после обработки холодом сохраняется

10-15% аустенита, который превращается в мартенсит посредством

однократного отпуска при 560С.

Второй режим обеспечивает лучшие режущие свойства, требует меньше

времени и электроэнергии, но для его осуществления нужна холодильная

установка.

Быстрорежущие стали делятся на:

Вольфрамовые (Р9; Р12; Р18), вольфрамованадиевые (Р9Ф5; Р14Ф4;

Р18Ф2), вольфрамомолибденовые (Р6М3; Р6М5;), вольфрамокобольтовые

(Р6К5; Р9К10), вольфрамокобальтованадиевые (РР10К5Ф5; Р18К5Ф2),

вольфрамомолибденокобальтовые (Р6М5К5),

вольфрамомолибденокобальтованадиевые (Р9М4К8Ф).

Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующими

карбидообразующим и легирующим элементам ( Р – вольфрам, М –молибден,

Ф – ванадий, А – азот, К – кобальт, Т – титан, Ц –цирконий). За буквой следует

цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах

(содержание хрома около 4% в обозначении марок не указывается). Массовое

содержание азота указывается в сотых долях процента. Цифра, стоящая в

начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях

процента (например: сталь марки 11Р3АМ3Ф2 – 1,1%-С, 3% -W, 3% - Мо, 2% -

V.)

Также, особое внимание стоит уделить, порошковым быстрорежущим

сталям, получаемым распылением жидкого металла. Отличительные

особенности этих сталей, создаваемых условиями производства, - идеальное

распределение карбидов и их чрезвычайно мелкие размеры, не встречаемые в

сталях обычного металлургического предела. Размеры избыточных карбидов не

превышают 1-2 мкм вместо 8-10 мкм (и больше) в обычных сталях. Такое

распределение карбидной фазы создается уже в процессе производства и

одинаково в мелких и в очень крупных заготовках (диаметры от100-200мм).

Это говорит о том, что в этих сталях не проявляется отрицательное явление

масштабного эффекта. При закалке стали, получают более мелкое (на 1 балл)

зерно, чем обычные быстрорежущие стали, нагреваемые до такой же

температуры.

Основное преимущество сталей – более высокая прочность и вязкость,

примерно на 30 – 50% в мелких сечениях и больше в крупных. Анизотропия

деформации при закалке практически отсутствует. Улучшается шлифуемость.

Температура закалки не должна сильно превышать температуры

9

спекания(12000С). Отсюда и область применения - для сталей кобальтовых, с

повышенным содержанием углерода и наиболее теплостойких таких как:

Р8М3К6С, Р9М4К8, Р6М542К8, Р6М5К5, Р12Ф4К5; для инструментов

меньших сечений, но с тонкой режущей кромкой, работающих при

повышенных напряжениях; инструментов, изготавливаемых из

холоднодеформированного металла.

Стойкость такого инструмента выше в 1,5 –3,5 раза, чем из сталей,

изготавливаемых обычным металлургическим переделом.

Кроме стандартных быстрорежущих сталей применяются и специальные

быстрорежущие стали, содержащие, например, карбонитриды титана. Однако

высокая твердость заготовок этих сталей, сложность механической обработки

не способствует их широкому распространению. При обработке

труднообрабатываемых материалов используют, порошковые быстрорежущие

стали. С 1987г. проходят промышленные испытания безвольфрамовые

быстрорежущие стали с повышенным содержанием легирующих элементов, в

том числе алюминия, молибдена, никеля и др. На сегодняшний день подобные

стали, широкого применения не получили.

У современного инструмента, изготовленного из быстрорежущего

инструментального материала различных фирм производителей, вы сможете

увидеть следующую маркировку: HSS(E) – быстрорежущая сталь с кобальтом

или ванадием, HSS(PM) – порошковые быстрорежущие материалы.

Сегодня, когда рынок предлагает огромное количество

высокотехнологичных машин, собранных с высокой точностью, изготовленных

из новейших материалов требования к инструменту, способному обрабатывать

материалы в области высоких допусков, также растут. Основным фактором,

определяющим работоспособность инструмента, является его стойкость (Т).

Под стойкостью инструмента чаще всего понимают совокупность рабочих

свойств инструмента, это и температуростойкость, и износостойкость, и

прочность, и теплоповодность, и коэффициент трения, и, конечно же, его

физико механические свойства, такие как: предел прочности на сжатие;

которые позволяют работать инструменту в нагруженном состоянии, не

разрушаясь, определенное количество времени. Стойкость (Т) измеряется в

минутах. А характеризуется стойкость инструмента коэффициентом стойкости

(К) при резании, для каждого инструментального материала он свой, а важным

показателем прочности, является среднее число периодов стойкости, которое

он выдерживает до разрушения, число периодов стойкости соответствует числу

заточек (число переточек плюс одна) напайного инструмента или числу

установок неперетачиваемой пластинки, закрепляемой механически. Поэтому

сделать инструмент универсальным, способным обрабатывать большой ряд

материалов, различной твердости, показывать высокие прочностные

характеристики - является основной задачей, которую пытались решить

промышленники прошлого века, и решают современные производители

инструмента.

В 1907г, т.е. после опубликованных результатов Тейлора и открытия

быстрорежущих сталей, американский инженер Гайнес изобрел новый состав,

10

резцовой стали, идея которого заключается в замене железа, кобальтом.

Название такая сталь получила – Стеллит. Стеллит не куется и не подвергается

термической обработке. Придание формы стеллитовому лезвию может быть

достигнуто только шлифовкой. Особенность стеллита - его первоначальная

твердость, сохраняемая им при высоких температурах (до 800С и выше),

причем, размягчившись от действия высоких температур (выше 800С), по

охлаждении он вновь становится твердым, в отличие от быстрорежущей стали

которая в таких случаях свою твердость не восстанавливает. Отрицательной

стороной стеллитовых резцов становится их хрупкость, не позволяющая

нагружать их очень тяжелыми стружками, а также пористость, как следствие их

литой структуры. При толчках и ударах лезвие легко подвергается излому,

поэтому ими рискованно работать в случае прерывистых стружек. Не следует,

также при работе стеллитовыми резцами, останавливать станок во время

работы, следует сначала отвести резец, а затем уже останавливать станок.

В след, за стеллитами американского инженера Гайнеса, стали

выпускаться аналогичные немецкие сплавы – «акрит», «персит», «цедит»,

«цельзит» и т. д.

Состав стеллитов изготовляемых ныне довольно разнообразен и

заключает в себе в среднем в процентах:

Вольфрама (молибдена)…………………10-25%

Хрома……………………………………..15-35%

Углерода…………………………………. 0 - 5%

Железа……………………………………. 0 - 5%

Кобальта…………………………………. 40-55%

Уже к 1922 г. появились новые твердые металлы для резцов.

Вольфрамовые карбиды, которых представляют собою не сплавы, а

порошкообразные элементы, спекаемые при высокой температуре, и затем

прессуемые в виде аморфной массы. Наиболее известные марки твердых

металлов, того времени – «видиа», «карболой» (1928г.) В 1930г. в СССР

(РОССИЯ) выпущен твердый металл «победит».

Химический состав «видиа»: 94% карбида вольфрама и 6% кобальта. В

карбиде вольфрама около 6% углерода.

Твердые металлы отличаются исключительной твердостью. Твердость

«видиа» и «карболоя» по Бринелю Н = 1600, а по шкале Мооса свыше 9,5, т.е.

почти равна алмазу, имеющему твердость 10. Ввиду своей чрезвычайной

хрупкости эти металлы применяются почти исключительно в виде напайных

пластинок заранее заготовленной формы. Изменять форму пластинок нагревом

нельзя.

Температура плавления твердых металлов – около 2200С; при

температурах ниже 1500С структура и физические свойства их остаются без

изменения; размягчение начинается только за 200С ниже точки плавления.

Твердые металлы обладают еще большим сопротивлением изнашиванию,

чем стеллиты, и при сравнительно легких стружках вообще не теряют своей

твердости. Это свойство позволяет применять резцы из твердых металлов, для

11

обработки закаленных сталей, которые прежде поддавались только шлифовке;

этими резцами можно даже сверлить стекло со скоростью 10-15 м/мин.

В отличие от стеллитов резцы твердых металлов допускают работу с

прерывистыми стружками.

В следствие хрупкости твердых металлов, они дают наивысшую

производительность при сравнительно небольших сечениях стружек, достигая

повышения производительность, высокими скоростями резания. Наилучшие

результаты достигаются при работе без охлаждающих жидкостей. Это

относится также к стеллитам.

Не лишним будет обратить внимание, что создание материалов

способных работать в условиях высоких скоростей резания, влекут за собой

создание нового производительного станочного оборудования, на котором

можно управлять режимами резания, при помощи коробок скоростей и подач, а

значит, производить черновую, получистовую, чистовую обработку

поверхности, и , как следствие, получать более точные и качественные детали,

снижать время приработки подвижных сопряжений в узлах машин, после

сборки.

Кроме «видиа», «карболоя» и «победита» к твердым металлам этого рода

относятся: «ломанит», «мирамант», «воломит», «торан» и др.

Дальнейшая работа с твердыми металлами, приводит к созданию твердых

сплавов. Твердый сплав является металлокерамическим, и получается,

посредством спекания при высоких температурах (1500С – 2000С)

перемешанных и спрессованных, для получения необходимой формы изделию,

порошков - карбида вольфрама, карбида титана, смешанных связующим

веществом (обычно кобальтом). В результате получается изделие, состоящее из

карбидных частиц, связанных кобальтом. Керамическая технология не

обеспечивает получения совершенно плотного изделия, в нем имеются поры до

5%.

Твердость металлокерамических твердых сплавов очень высока, так как

эти сплавы состоят из 90-95% карбидов – веществ, обладающих исключительно

высокой твердостью, поэтому спеченные детали из твердых сплавов не могут

подвергаться никакой другой механической обработке, кроме шлифования.

Твердые сплавы делятся на три подгруппы: вольфрамокобальтовую, условно

обозначаемую как ВК (марка сплава ВК2, ВК3, ВК6, ВК8),

вольфрамотитанокобальтовую ВТК (марка стали Т5К10, Т14К8, Т15К6),

вольфрамотитанотанталокобальтовую ТТК (марка стали Т30К4, Т60К6,

ТТ7К12, ТТ8К6).

В состав той или иной группы входят вольфрам, титан, тантал, кобальт и

углерод. При этом, как уже говорилось выше, вольфрам, титан, тантал входят в

состав уже в химически связанном состоянии, в виде карбидов. Содержание

кобальта в твердом сплаве определяет его механическую прочность.

Увеличение кобальта уменьшает хрупкость твердого сплава, но вместе с этим

уменьшает твердость и износостойкость.

В маркировке твердых сплавов, в зависимости от состава карбидной фазы

и связки, включают буквы, характеризующие карбидообразующие элементы

12

(В-вольфрам, Т-титан, вторая буква Т-танатл) и связку (К-кобальт). Массовая

доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих

только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой

долей связки (цифра после К), например, сплав ВК4 содержит 4% кобальта и

96% карбида вольфрама(WC). В двухкарбидных сплавах, где присутствует

карбид вольфрама (WC) + карбид титана (TiC), после буквы

карбиддообразующего элемента определяется массовая доля карбидов этого

элемента, следующая цифра – массовая доля связки, остальное массовая доля

карбида вольфрама (например, сплав Т5К10 содержит 5% карбида титана (TiC),

10% кобальта (Со), остальное 85% карбиды вольфрама (WC)). В трехкарбидных

сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и

тантала. Цифра за буквой К – массовая доля связки, остальное – массовая доля

карбида вольфрама ( например, сплав ТТ8К6 содержит 6% кобальта, 8%

карбидов титана и тантала и 86% карбида вольфрама).

В металлообработке стандартом ИСО выделены три группы

применяемости твердосплавного режущего инструмента: группа Р – для

обработки материалов, дающих сливную стружку, группа К – стружку надлома

и М – для обработки различных материалов (универсальные твердые сплавы).

Применяемость твердых сплавов широка, и сейчас трудно найти

производство, где - бы не использовался инструмент из твердого сплава. Этот

труженик, способен работать в условиях динамических нагрузок, производить

тяжелое черновое точение стальных поковок, штамповок и отливок по корке с

раковинами, при наличие песка, шлака, а так же дает возможность чистовой

обработки с малыми срезами, закаленных и незакаленных сталей, позволяет

обрабатывать, короззионно-стойкие стали аустенитного класса, некоторые

марки титановых сплавов. Вот, тот небольшой перечень возможностей по

обработке, который дает инструмент из твердого сплава.

Твердосплавные материалы поставляются в различных видах: в виде

заготовок под осевой инструмент, пластин под напайку, сменных

многогранных пластин.

В металлобработке стандартом ИСО выделены три группы

применяемости твердосплавного режущего инструмента: группа Р – для

обработки материалов, дающих сливную стружку; группа К – стружку надлома;

группа М – для обработки различных материалов (универсальные твердые

сплавы).

На сегодняшний день, когда изготовление отечественного оборудования

и инструмента снижено, а заводы и предприятия, обновляя парк станочного

оборудования, все больше обращают внимание на зарубежного производителя,

меняется и вся система обозначений, маркировок твердых

металлокерамических сплавов. На современном промышленном рынке широко

представлен инструмент таких фирм как SANDVIK Coromant, Hoffman Gruppe,

Mitsubihsi. Данные производители, как в прочем и все мировые производители,

подразделяют твердосплавный инструмент по предназначению для обработки

того или иного материала. Поэтому в каталогах этих фирм часто можно

встретить рядом с маркировкой твердого сплава буквенное обозначение,

13

которое характеризует обрабатываемый материал, например: у SANDVIK

Coromant (Швеция) - ISO-P(Сталь, типичный представитель этой группы,

низколегированная сталь (HB 180)), марки твердых сплавов для обработки этой

стали GC4205, GC4215, GC4225.

ISO – M (Нержавеющая сталь, типичный представитель аустенитная

нержавеющая сталь (HB 180)), марки твердых сплавов для обработки этой

стали GC2015, GC2025, GC2035.

ISO – K (Чугун, типичный представитель: серый чугун (HB 220); чугун с

шаровидным графитом (HB 250)), марки твердых сплавов для обработки

данного материала: CC650, СС6090, GC3205, GС3210, GC3215.

ISO – N (Алюминиевые сплавы, типичный представитель: литье, не

подвергнутое старению (HB 75)). Марки твердых сплавов для обработки

данного материала: CD10, H10.

ISO – S (Жаропрочные сплавы, типичный представитель: никелевые

сплавы (HB 350)). Марки твердых сплавов для обработки данного материала:

S05F, GC1105, H13A, GC1025.

ISO – H (Сверхтвердая сталь, типичный представитель: закаленная и

отпущенная сталь, HRC 60). Марки твердых сплавов для обработки данного

материала: CB7015, СB7025.

Некоторое сопоставление и маркировка наиболее широко используемых

отечественных марок твердого сплава и зарубежных аналогов, представлена в

табл. № 1.

Таблица №1

Группа применяемости по ИСО Марки тв.сплавов по ГОСТу отечественных и

иностранных фирм

основная подгруппа Твердость

НRA

РОССИЯ ГЕРМАНИЯ США ШВЕЦИЯ ЯПОНИЯ

Р Р01 96.5 Т30К4 НS021 C8 F02 ST10P

HU510 S1P AC10

P P10 94.0 Т15К6 HS123 C70 S1P ST10P

S10T AC815

GC415

GC015

P P25 89.5 TT20K9 HS25 C60 GC1025 -

HS123 SM

SMA

P P40 90.8 T5K10 HS345 C50 S6 AC835

HS420 ST30E

A30

M M10 93.6 TT8K6 HU10 - R1P -

HU510 H13A

M M30 91.8 BK10-

OM

HU30 - S6 -

H10F

R4

14

K K01 - BK3 HG012 C4 H05 H1

BK3M HG412 H2

AC10

K K10 93.4 BK-OM HU510 C3 H1P G10E

GC310 AC10

K K30 87.5 BK8 HG30 CT H20 -

BK8M HG420 HBA

Представленная в таблице классификация по ИСО уже устарела, но на

некоторых предприятиях и отечественных заводах, еще действует подобная

классификация по группам обрабатываемости.

Сегодня, одним из ведущих заводов выпускающих твердосплавный

инструмент, является SANDVIK МКТС. SANDVIK МКТС – российское

предприятие, специализирующееся на выпуске твердосплавных пластин и

входящее в состав инструментальных производств фирмы SANDVIK Coromant

(Швеция). В рамках продолжающейся инвестиционной программы фирма

SANDVIK Coromant проводит постоянную модернизацию производства. На

данном предприятии используется, как уже говорилось выше, классификация

твердого сплава не по группам обрабатываемости, а по обрабатываемому

материалу. В связи с этим, в маркировках твердых сплавов, выпущенных на

данном предприятии, действуют коды характерные для SANDVIK Coromant по

обозначению обрабатываемого материала и маркировке инструмента (табл.

№2).

Таблица №2

Марки твердых сплавов SANDVIK МКТС и область их применения Коды ISO Сплавы с покрытием Сплавы без покрытия

Р – сталь.

Углеродистые и

легированные стали,

стальное литье,

инструментальные и

подшипниковые

стали

СТ15М (Р05-Р30)- чистовая и

получистовая обработка сталей.

СТ25М (Р10-Р35)-

универсальный сплав

СТ35М (Р15-Р40)- сплав

повышенной надежности,

черновая, получистовая

обработка с большими

припусками. Устойчив к

абразивном износу, при

обработки отливок по корке с

раковинами при наличии песка,

шлака.

шлака.

СU45 (Р30-Р50)-

высокопрочный сплав, тяжелое

черновое точение, при

неравномерном сечении среза и

наличии ударных нагрузок.

Низкие скорости резания и

большие сечения среза.

РТ10 (Р01-Р15)- износостойкий

сплав, чистовое точение с

малым сечением среза:

нарезание резьбы,

развертывание отверстий при

обработке незакаленных и

закаленных углеродистых

сталей.

РТ20 (Р15-Р25)- сплав для

средних и легких режимов

резания стали и стального

литья.

РТ30 (Р20-Р35) – сплав для

получистового и чистового

точения при прерывистом

резании, рассверливание литых

и кованных отверстий,

черновом зенкерование. Низкие

и средние скорости резания,

большие подачи.

РТ40 (Р35-Р45)- сплав для

черновой обработки деталей с

15

грубой коркой при

прерывистом резании. Низкие

скорости резания большие

сечения среза.

М – нержавеющие

стали ферритного,

мартенситного и

аустенитного класса,

дуплексная.

СТ25М (М15-М25)- сплав для

чистовой и получистовой

обработки нержавеющих сталей.

Высокая износостойкость при

скоростной обработке.

СТ35М (М20-М30)- сплав

повышенной надежности. Для

операций связанных с

производительным удалением

большого припуска, когда особо

важна прочность режущей

кромки.

СU45 (М25-М40)-

высокопрочный сплав для

обработки нержавеющих сталей

в тяжелых условиях. Чистовое

получистовое точение,

растачивание некоторых марок

коррозионно-стойких

высокопрочных и жаропрочных

сталей и сплавов, особенно на

основе титана, вольфрама и

молибдена.

РТ40 (М30-М40) – сплав для

черновой обработки деталей с

грубой коркой, в том числе пи

прерывистом резании. Низкие

скорости резания и большие

сечения среза при обработке

нержавеющих сталей.

ТК20 (М10-М30)-

мелкозернистый

универсальный сплав для

обработки нержавеющей стали,

жаропрочных и титановых

сплавов, является аналогом

сплава советского производства

ТТ10К8-Б.

К – ковкий чугун,

серый чугун, чугун с

шаровидным

графитом.

СК15М (К05-К20)-

универсальный сплав для

обработки всех видов чугунов.

Повышенная износостойкость

при высоких скоростях резания

и умеренных сечениях среза.

Высокая стойкость к

абразивному износу.

СК20М (К10-К30)- сплав

повышенной надежности для

обработки всех видов чугунов.

Для операций связанных с

производительным удалением

большого припуска, когда важна

прочность режущей кромки.

Высокая стойкость к

абразивному износу. Аналог

сплава советского производства

ВК4, ВК8, ВК6-М.

ТК10 (К01-К15)- сплав

предназначен для точной

размерной обработки чугуна

при высоких скоростях и малых

подачах. Сплав обладает

высокой износостойкостью,

даже при обработке

отбеленных чугунов и

закаленных сталей, пригоден

для обработки цветных

металлов. Является аналогом

сплава советского производства

ВК6-ОМ.

ТК20 (К10-К20)-

Мелкозернистый

универсальный сплав для

черновой обработки чугуна при

средних и низких скоростях

резания с большими подачами.

Пригоден для обработки дерева

и пластмасс.

ТК20(N05-N25) – основная

16

N – алюминиевые

сплавы и другие

цветные металлы

марка твердого сплава для

обработки алюминиевых

сплавов, меди и медных

сплавов. Аналог сплава

советского производств ВК6.

S – жаропрочные

сплавы на железной,

никелевой и

кобальтовой основе.

Титан и титановые

сплавы.

ТК20 (S10-S30) – марка сплав с

отличным сочетанием

стойкости к абразивному

износу и прочности.

Рекомендуется для черновой и

получистовой обработки

жаропрочных сталей и

титановых сплавов. Аналог

сплава советского производства

ВК10-ОМ.

ТК25 (S10-S30) – особо

мелкозернистый твердый сплав

для обработки жаропрочных и

титановых сплавов на очень

низких скоростях резания.

Высокая стойкость к

термическому удару и

фрагментарному износу,

делают сплав пригодным для

продолжительной работы в

условиях прерывистого

резания.

Н – материалы

высокой твердости

СТ15М (Н05-Н25) – сплав и

износостойким покрытием для

обработки закаленных деталей

на черновых и чистовых

операциях. Показывает

повышенную износостойкость

при высоких температурах в

области резания, обеспечивает

прочность режущей кромки.

ТК10 (Н05-Н15) – сплав,

отличающийся высокой

твердостью. Пригоден для

обработки закаленных,

цементированных сталей.

Аналог сплава советского

производства ВК3-М.

ТК20(Н15-Н25) –

мелкозернистый, повышенной

прочности сплав. Предназначен

для чистового точения с малым

сечением среза при низких

скоростях резания закаленных

сталей.

Вторым по производству, но не по значению, твердосплавного

инструмента, является Кировоградский завод твердых сплавов. С 01.11.2007

года КЗТС перешел на выпуск сменных многогранных пластин из новых марок

твердых сплавов. Новые марки сплавов имеют улучшенные физико-

механические свойства. Инструмент, оснащенный твердосплавными изделиями

из этих марок сплавов, имеет повышенную эксплуатационную стойкость

(Коэффициент стойкости при резании в 1,2-1,5 раза выше, чем у сплавов

аналогов, выпускаемые ранее).

17

Наименование новых марок и подгруппы их применения указаны в

таблице № 3.

Таблица №3

Марка

сплава

Подгруппа применения по

ПСО

Сплавы – аналоги, выпускаемые

ранее ОАО “КЗТС”

Основная дополнительная

А10 М10 К10 ВК6 – ОМ

В20 К20 К30 МСЗ21

В25 К20 – ВК6

В35 К30 М30-М40 ВК8

Н05 Р01 – ТЗ0К4

Н10 Р10 Р20 ТI5К6

Н20 Р20 Р25 Т14К8

Н30 Р30 – Т5К10

Т20 М20 М10 МС221

Т25 Р25 Р20 МС1З7

Т30 Р30 Р25 ТС125

Т35 Р30 Р35 ТС1

Т40 Р40 М30 МС146

Т50 Р50 – ТТ7К12

Коды по обрабатываемости у КЗТС, как и у SANDVIK МКТС, что

значительно упрощает подбор отечественного инструмента к оборудованию

зарубежных фирм. Выпускаемые ОАО «КЗТС» изделия до недавнего времени

отличались от зарубежных производителей отсутствием современных

износостойких покрытий, которые расширяют области применения режущих

инструментов и придают им новые свойства. Общеизвестно, что покрытия

толщиной 2-10 мкм улучшают ряд характеристик инструмента и существенно

изменяют условия его работы. Снижение сил и температур резания на 20-40%

позволяют повысить стойкость режущего инструмента в 1,3 – 2 раза при

18

увеличении скорости резания от 20 до 60%, а также значительно улучшить

шероховатость обработки.

В начале 2007 года на КЗТС организован участок по нанесению

износостойких покрытий на поверхность твердосплавных изделий и концевой

режущий инструмент, состоящий из двух установок для нанесения CVD и PVD

– покрытий. Потребителям СМП от КЗТС предлагается девять различных

рецептур CVD-покрытий, состоящих из слоев нитрида титана, карбонитрида

титана, оксида алюминия и карбида титана, предназначенных для точения,

фрезерования и сверления сталей и чугуна с различными скоростями резания, в

том числе для тяжелых условий обработки (табл.№4, №5).

Покрытие, состоящее из слоев нитрида титана, карбонитрида титана и

оксида алюминия, обеспечивает надежность процесса, отличное качество

обработки поверхности. Пластины с новым многослойным покрытием

обладают высокой износостойкостью и красностойкостью. Максимально

твердая поверхность изделий обеспечивает сохранение остроты, минимальный

износ режущей кромки при высокой скорости резания. Все это в целом

приводит к экономичности процесса резания.

Мы еще вернемся к более подробному рассказу о влиянии и видах

износостойких покрытий, а пока рассмотрим еще один класс

инструментальных материалов, который представляет не малый интерес у

производственников – минералокерамика.

Минералокерамические инструментальные материалы обладают

высокой твердостью, тепло и износостойкостью. Их основой является глинозем

Al2O3 (оксидная керамика) или смесь Al2O3 с карбидами, нитридами и другими

соединениями (керметы). Основные виды и область применения

минералокерамики приведены в таблице №6.

Таблица 3

Виды покрытий, получаемых на установке BPXpro 530 L-T

«IonBond» (CVD)

αAl2O3 6 µ TiN 1 µ TiN 1 µ

κAl2O3 6 µ TiCN 1 µ

HT TiCN 5 µ MT TiCN 5 µ

TiN 1 µ TiN 1 µ TiN 1 µ

Обозначе-

ние

Тип покрытия

Цвет

Структура

Состав,

Толщина слоев.

Особенности применения

BERNEX D

(точение)

MT TiCN

Золотой

Мульти слой

TiN 1 µ Точение углеродистой,

легированной, нержавеющей

стали , стального и чугунного MT TiCN 9 µ

TiN 1 µ

19

Средняя толщина – 12 µ литья.

Средняя скорость резания. BERNEX F

MT TiCN

Золотой

Мульти слой

TiN 1 µ Фрезерование легированных

сталей.

Средняя скорость резания. MT TiCN 4 µ

TiN 1 µ Средняя толщина-(4-6) µ

HSA

(скоростн

ое

резание)

Alpha

AL 2O3

Черный

Мульти слой

TiN 1 µ Высокоскоростное резание.

Черновая обработка заготовок из

прутка. Абразивные и

тепловыделяющие операции.

Обработка отливок из чугуна.

κAl2O3 3 µ

MT TiCN 2 µ

TiN 1 µ

αAl2O3 3 µ

MT TiCN 3 µ

TiN 1 µ

Средняя толщина – 12 µ

HSM

(черновое

фрезерован

ие)

Kappa

AL 2O3

Золотой

Мульти слой

Средняя толщина-(4-6) µ Фрезерование кованных, литых

и стойких к коррозии сталей.

SpeedMill

(скоростное

фрезерован

ие)

Fine alpha

AL 2O3

Черный

Мульти слой

Средняя толщина-(4-6) µ Фрезерование и прерывистое

резание углеродистых,

легированных и нержавеющих

сталей.

Возможна обработка отливок из

чугуна.

SpeedTurn

(скоростное

точение)

kappa

AL 2O3

Золотой

Мульти слой

Средняя толщина- (10-18)µ Скоростное точение отливок из

стали и чугуна при тяжелых

условиях резания.

HST Fine alpha

AL 2O3

Черный

Мульти слой

αAl2O3 6 µ Универсальное покрытие для

точения, отрезки, фрезерования

кованных сталей при высоких

скоростях

МT TiCN 5 µ

TiN 1 µ

Средняя толщина- (10-18)µ

U1 U1

Золотой

Мульти слой

TiN 1 µ Универсальное покрытие

широкого применения для

точения, нарезания канавок,

умеренно прерывистого резания

углеродистой, легированной,

нержавеющей сталей и отливок

из чугуна.

TiCN

TiN 1 µ

Средняя толщина-(5-9)µ

U3 U3

Золотой

Мульти слой

Средняя толщина-3µ Тонкое покрытие для

фрезерования и сверления супер-

сплавов и нержавеющих сталей.

20

Таблица 4

Виды покрытий, получаемых на установке π-300 PLATIT (PVD)

Тип

Струк-

тура

Цвет

Хим. состав

Общая толщина

покрытия

Последо-

ватель

ность слоев

Толщина

слоев, µ Применение

TiN

монослой

золотой

Ti1,0N1,0

(1-7)µ TiN 5

Покрытие широкого

назначения.

TiAlN

монослой

черный

Ti0.5Al0.5N

(1-5)µ

AlTiN 0.2 Универсальное

высокопроизводительное

покрытие для резания

(сверление, фрезерование,

рассверловка, обточка).

Подходит для сухой обработки,

для финишной

обработки в стабильных

условиях, для черновой

обработки.

Особенно рекомендуется для

обработки чугунного литья и

закаленных сталей. (3.5-4.5µ)

TiAlN 3.9

TiN 0.2

TiAlN

монослой

золотой

Ti0.5Al0.5N

(1-5)µ

TiN 0.2 Наиболее рекомендуемое

универсальное покрытие с

широкой областью

применения. Особенно

рекомендуется для обработки

незакаленных мягких сталей

(3.5-4.5µ)

TiAlN 3.9

TiN 0.2

TiAlN

мульти-

слой

темно-

фиоле-

товый

Ti0.6Al0.4N

(1-4)µ

TiAlN

верх 1.0 Для прерывистого резания.

Для обработки с тяжелыми

нагрузками. TiAlN2 0,3

TiAlN1 0,3

TiN 0.1

AlTiN

монослой

черный

Ti0.35Al0.65N

(1-4)µ

AlTiN 2 Высокопроизводительное

покрытие для сухой

высокоскоростной обработки,

для обработки

труднообрабатываемых

материалов. Для стабильной

чистовой и черновой

обработки. Высокая

теплостойкость покрытия.

TiAlN 0.9

AlTiN

мульти-

Ti0.4Al0.6N

(1-4)µ

AlTiN

верх

1.0 Для прерывистого резания и

обработки в нестабильных

21

слой

черный

AlTiN 0,3 условиях

или с высокими нагрузками.

TiAlN 0,3

TiN 0.1

nACo®

градиент

синий

Ti0.45Si,0,0.5Al0.5

N

(1-4)µ

TiAlSiN 3.8 Нанокомпозитное покрытие на

основе Ti, предельно высокие

нанотвердость и

теплостойкость покрытия. TiN 0.1

nACo®

мульти-

слой синий

Ti0.48Si,0,04Al0.48

N

(1-4)µ

AlSiTiN

верх

1.0 Используется для

высокопроизводительной

обработки (сухая HSC) и для

нормальных условий

механической обработки.

Покрытие хрупкое, хорошо

работает в сухих условиях или

MJL (чем выше скорость и

температура в зоне резания,

тем выше

производительность).

AlSiTiN 0.3

TiAlSiN 0.3

TiN 0.1

Таблица №6 Марка Состав Область применения Изготовитель

ГН20

TiC

Чистовая, получистовая обработка

низколегированных и

углеродистых сталей, цветных

металлов на основе меди, чугунов,

никелевых сплавов, полиэтилена.

РОССИЯ

КНТ16 TiCN Получистовая и получерновая

обработка низколегированных и

углеродистых сталей, цветных

металлов на основе меди, чугунов,

никелевых сплавов, полиэтилена.

РОССИЯ

Т12А

TiN+TaN

Обработка сталей (точение,

фрезерование), обработка чугуна

(точение, фрезерование)

ЯПОНИЯ (фирма

«Сумитомо»)

Т23А TiN+TaN Обработка сталей (точение,

фрезерование).

ЯПОНИЯ (фирма

«Тошиба»)

Х407 TiC+TaC Точение и фрезерование сталей в

легких условиях.

ЯПОНИЯ (фирма

«Тошиба»)

№ 308 TiCN+WC+TaC Точение сталей на средних,

фрезерование на легких режимах.

ЯПОНИЯ (фирма

«Тошиба»)

№ 350 (Ti; W; Ta) СN Точение и фрезерование сталей на

средних режимах.

ЯПОНИЯ (фирма

«Тошиба»)

ЦМ 322 Al2O3 Чистовая, получистовая обработка

закаленных сталей (30-50HRCэ),

чугунов, цветных металлов на

основе меди. Работа без удара.

РОССИЯ

В3

Al2O3+TiC

Чистовая, получистовая обработка

закаленных сталей (30-50 HRCэ),

РОССИЯ

22

чугунов, цветных металлов на

основе меди. Работа без удара.

ВОК60

Al2O3+TiC

Чистовая и получистовая

обработка закаленных (30-50

HRCэ) сталей, чугунов с малыми

сечениями среза.

РОССИЯ

Кортинит

Al2O3+TiN

Получистовая, чистовая обработка

чугунов, в том числе в условиях

прерывистого резания, обработка

жаростойких никелевых сплавов.

РОССИЯ

СС620

Al2O3+ZrO2

Обработка чугунов с высокими

скоростями резания, углеродистых

и легированных сталей.

SANDVIK Coromant

(Швеция)

СС650

Al2O3+TiN+TiC

Чистовая обработка с

охлаждением для уменьшения

тепловых деформаций.

SANDVIK Coromant

(Швеция)

СС680

Si3N4+ Al2O3

Черновая, прерывистая обработка

чугунов, жаростойких никелевых

сплавов.

SANDVIK Coromant

(Швеция)

SN60 Al2O3+ZrO2 Черновое и чистовое точение

чугуна, чистовое точение стали

ГЕРМАНИЯ

Фирма

«Фельдмюле»

SN80 Al2O3+ZrO2 Черновая обработка стали,

фрезерование чугуна.

ГЕРМАНИЯ

Фирма

«Фельдмюле»

SN1 Al2O3+TiC Точение и фрезерование твердых

материалов, фрезерование чугуна,

тонкое фрезерование стали.

ГЕРМАНИЯ

Фирма

«Фельдмюле»

SL100 Al2O3+Si3Ni Черновое точение, фрезерование

серого чугуна и материалов с

высоким содержанием никеля.

ГЕРМАНИЯ

Фирма

«Фельдмюле»

Кроме традиционных марок оксидной керамики и керметов широко

применяются оксидно-нитридная керамика (кортинит). Минералокерамика

поставляется в виде неперетачиваемых многогранных пластин. Керамические

режущие инструменты подобны металлокерамике, однако они являются более

химически устойчивыми температуре, чем твердый сплав, и могут

обрабатывать на высоких скоростях резания долгое время. Чистая алюминиевая

окись имеет чрезвычайно высоко тепловое сопротивление, но низкую силу и

прочность, это означает, что при несоблюдении оптимальных условий окись

разрушается.

Чтобы уменьшить чувствительность к разрушению, изготовители

режущего инструмента добавляют либо окись циркония, чтобы улучшать

прочность, или сплав карбида титана и нитрида титана, повышая

сопротивление к ударам. Тем не менее, несмотря на эти дополнения, прочность

керамического инструмента все еще намного меньше, чем прочность твердого

сплава.

Другой метод увеличения прочности алюминиевой окиси состоит в том,

чтобы внедрить кристаллические прожилки, или частицы, карбида кремня в

23

материал. Хотя эти частицы обычно составляют в среднем только 1 микрометра

в диаметре, они очень сильно увеличивают прочность, а также сопротивление

тепловому удару. Частицы могут составить до 30 процентов материала.

Подобно алюминиевой окиси, нитрид кремния, имеет более высокую

горячую твердость чем твердый сплав. Он также лучше противостоит тепловым

и механическим ударам. Его главный недостаток по сравнению с алюминиевой

окисью состоит в том, что его химическая стабильность при обработки стали -

не как хороша. Однако нитрид кремния обрабатывает серый чугун на скоростях

превосходящих во много раз, общепринятые режимы по скорости для данного

материала.

Керамические инструменты плохо работают при обработке алюминия,

зато превосходят других в сером и узловом чугуне, тяжело обрабатываемых

материалов и небольшом количестве легко обрабатываемых сталей,

высокотемпературных сплавов. Тем не менее, даже в этих материалах, успех

зависит от лезвий, подготовки инструмента к работе, стабильности машины и

установки, а также использования оптимальных режимов резания.

Борьба за технический прогресс, создание все более совершенных

материалов с универсальными физико-механическими свойствами, приводит

ученых к мысли о создании нового инструментального материала не

уступающего по своей твердости и износостойкости алмазу, но и не имеющего

характерного для этого природного материала недостатка, высокой хрупкости

режущей кромки, не стабильности при высоких температурах, так как алмаз

способен сгорать на воздухе, трудности в получении острой режущей кромки

для данного инструмента в связи с высокой твердостью этого материала.

Одним из таких материалов, созданных учеными, и вошедший в разряд

алмазоподобных инструментальных или синтетических сверхтвердых

материалов, является эльбор – синтетический материал на основе кубического

нитрида бора.

Впервые теоретическое предположение о возможности существования

кубической модифиакации нитрида бора с алмазоподобной структурой было

практически реализовано в 1957г. Р. Венторфом. В России синтез кубического

нитрида бора был в первые осуществлен в Институте физики высоких давлений

(ИФВД) Академии наук группой ученых под руководством Л.Ф. Верещагина.

Изучение свойств кубического нитрида бора показало, что он по твердости

приближается к алмазу, значительно превосходит его по теплостойкости,

химически инертен к железу. Уникальные свойства кубического нитрида бора,

дали возможность эффективного его использования для создания гаммы

инструментальных и абразивных материалов. Инструментальный материал на

основе кубического нитрида бора носит название – «Эльбор».

Первые опытно-промышленные партии эльбора и инструмента из этого

материала были изготовлены на заводе «ИЛЬИЧ» в 1964г., что дало

возможность провести широкие испытания инструмента в ряде отраслей

промышленности.

Высокие технико-экономические показатели применения инструмента из

«Эльбора», при обработке высокотвердых, сложнолегированных сталей и

24

сплавов, определили бурные темпы роста его производства и потребления в

различных отрослях машиностроения.

Широкое применение инструмент из «Эльбора» нашел на

специализированных инструментальных заводах и в инструментальных

производствах большинства машиностроительных предприятий страны, а

также в станкостроительной, автомобильной и подшипниковой

промышленности.

Создание композиционных материалов на основе кубического нитрида

бора открыло широкие возможности их применения в режущем инструменте

при обработки точением и фрезированием закаленных сталей, сплавов и

высокопрочных чугунов.

Сегодня синтетические сверхтвердые материалы подразделяются на

материалы с основой в виде КНБ (кубический нитрид бора) и материалы на

основе алмазов, к этой группе также относят и материалы, содержащие

композицию Si-Al-O-N (торговая марка «Сиалон»), в основе которых нитрид

кремния Si3N4. Синтетические материалы поставляются в виде заготовок или

готовых сменных многогранных пластин.

Таблица №7

Основные характеристики и область применения сверхтвердых

синтетических материалов

Марка Состав Твердость

HV, Мпа

Область применения Изготовитель

Эльбор Р

(К01)

КНБ

До 80 000

Чистовая обработка

закаленных сталей с

HRCэ 40-63, чугунов

Россия

Гексанит

К01, К10,

К10Д

КНБ

60 000

Чистовая обработка

закаленных сталей с

HRCэ 40-68, чугунов,

твердых сплавов

Россия

Композит

05

КНБ+Al2O4

45 000

Получистовая

обработка чугунов, в

том числе

отбеленных и других

материалов, дающих

стружку надлома

Россия

Силинит

Si3N4, Al2O3 и

другие добавки

До 96

HRA

Получистовая

обработка чугунов, в

том числе

отбеленных и других

материалов, дающих

стружку надлома

Россия

Чистовая обработка

закаленных сталей до

25

BN100

BN200

КНБ+добавки 45 000

35 000

HRCэ 68,

получистовая

(глубина 2,5мм) и

чистовая (глубина

0,5мм) обработка

валков из

отбеленного чугуна

Япония

ВХ230

ВХ270

ВХ290

КНБ+TiC

45 000

35 000

Получистовая и

чистовая обработка

углеродистых сталей,

инструментальных

сталей,

подшипниковых

сталей твердостью

HRCэ более 45.

Обработка без

ударов.

То же, но с ударами,

а также обработка

быстрорежущих

сталей, чугунов,

жаропрочных сталей

Япония

АСВ;

АСПК

углерод

До

100000

Обработка алюминия

и алюминиевых

сплавов, латуней,

бронз, цинковых

сплавов, пластмасс,

твердой резины,

графита, твердых

сплавов

Россия

Обработка металлов давлением

Основной задачей обработки металлов давлением, является придание

материалу нужной формы путем его пластической деформации. К основным

способам обработки металлов давлением относятся ковка и объемная

штамповка. Однако в процессе обработки металлов давлением из-за возникших

пластических деформаций происходят существенные изменения и в самой

структуре металла, именно по этому для подобной обработки с особой

тщательностью разрабатывают технологический процесс. Так как при умело

разработанном технологическом процессе и правильно установленном

термомеханическом режиме обработкой давлением (с соответствующей

последующей термической обработкой) достигается создание в

обрабатываемом металле такой структуры и соответствующих механических

26

свойств, какие в наибольшей мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым

к изготовляемой из него детали. В связи с этим, чем ответственнее та или иная

деталь машин или других сооружений, тем предпочтительнее при ее

изготовление применить обработку давлением; чем выше требования к

прочности машин (особенно когда прочность должна сочетаться с легкостью,

как, например, у автомобилей и самолетов), тем больше в машинах деталей,

полученных обработкой давлением.

В отличие от обработки резанием отход металла при обработке

давлением не вытекает из сущности процесса и не является абсолютно

неизбежным. Чем совершеннее процесс обработки давлением, тем меньше

отходов.

К основным видам обработки давлением относятся: 1) прокатка, 2)

прессование, 3) волочение, 4) ковка, 5) штамповка.

Прокатка осуществляется обжатием металла между вращающимися

валками прокатных станов. Прокаткой изготавливают рельсы, балки с

различной формой поперечного сечения, сортовой прокат, трубы, листы,

полосы и ленты, а также и специальный прокат.

Прессование метод получения пруткового материала и труб, главным

образом из цветных металлов и их сплавов, путем выдавливания на прессе из

замкнутой полости (контейнера) сквозь специальное отверстие, принимает

форму прутка сплошного или полого сечения по форме и размерам того

отверстия, через которое он выдавливается.

Волочение заключается в протягивании катанного или прессованного

холодного прутка (или трубы) через матрицу с отверстием несколько меньшим,

чем размер сечения обрабатываемого материала. Волочение придает материалу

более чистую поверхность и более точные размеры.

Ковка бывает ручная и главным образом машинная. Последняя

осуществляется на ковочном оборудовании (на ковочных молотах и прессах).

Обработке подвергают слитки или катанный и прессованный прутковый

материал. Ковку осуществляют на плоских или других бойках с применением

различного кузнечного инструмента, как правило, универсального. Продукт

ковки – кованная поковка любых размеров и формы, для последующей

лезвийной обработки на станках.

Штамповка осуществляется на различном штамповочном оборудовании

с использованием в основном специального инструмента – штампов. Форма

штампов определяет форму обработанной заготовки. В технологических

приемах штамповку делят на объемную (горячую или холодную),

осуществляемую преимущественно из пруткового материала, и листовую

(горячую и холодную), осуществляемую из листового материала.

27

Обработка металлов давлением открывает еще один ряд

инструментальных материалов, в него входят штамповая инструментальная

сталь и валковая инструментальная сталь.

Для обработки металлов давлением посредством штамповки применяют

инструменты – штампы, матрицы, пуансоны. Штамповые инструментальные

стали, для изготовления данного инструмента делятся на две группы:

деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металл в

горячем состоянии. Условия работы стали при различных видах штамповки,

сильно различаются между собой.

При штамповке в горячем состоянии штампуемый металл под действием

сближающихся половинок штампа деформируется и заполняет внутреннюю

полость штампа. Так как в работе внутренняя полость штампа (фигура),

которая деформирует металл соприкасается с нагретым металлом, то от

штамповой стали требуются высокие механические свойства в нагретом

состоянии. К таким свойствам относятся:

а) Жаропрочность. Металл горячих штампов должен обладать высоким

пределом текучести и высоким сопротивлением износу при высоких

температурах, чтобы замедлить процессы истирания и деформирования

элементов фигуры штампа, разогревающихся от соприкосновения с горячим

металлом.

б) Красностойкость. Высокие жаропрочные свойства не должны

снижаться под длительным воздействием температуры, металл горячих

штампов должен устойчиво сопротивляться отпуску.

в) Термостойкость. Циклический нагрев и охлаждение поверхности

штампа во время работы и, следовательно, чередующееся расширение и сжатие

поверхностных слоев приводят к появлению так называемых разгарных

трещин. Материал штампа должен обладать высокой разгаростойкостью или,

как чаще называют, термостойкостью или высоким сопротивлением

термической усталости.

г) Вязкость. Деформирование металла при штамповке сопровождается

ударными воздействиями этого металла на штампы, поэтому металл штампов

должен обладать известной вязкостью.

д) Прокаливаемость. Многие штампы имеют весьма большие размеры.

Для получения хороших свойств по всему сечению, в частности, достаточной

вязкости, сталь штампов должна глубоко прокаливаться.

е) Отпускная хрупкость. Так как быстрым охлаждением штампов

крупных размеров нельзя устранить отпускную хрупкость, то сталь, должна

быть минимально чувствительна к этому пороку.

28

ж) Слипаемость. При значительном давлении горячий металл может как

бы «прилипать» к металлу штампа (явление адгезии), и когда штампуемое

изделие отрывается от штампа, то оно всякий раз частично разрушает его

поверхность. Поэтому подобное воздействие должно быть минимальным.

Для штампов, работающих в легких условиях, применяются

углеродистые стали с содержанием углерода от 0,6 до 1,0%, т.е. стали марок

У7, У8 и У9. Для более тяжелых условий (для молотовых штампов) применяют

легированные стали марок: 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНСВ, 5ХНТ, штамповые стали

умеренной теплостойкости ( стали с карбидным упрочнением) марок:

4Х3ВМФ (0,44%С, 0,7 %Si, 3,2%Cr, 0,8%W, 0,5%Мо, 0,75%V)-высокой

прокаливаемости, сталь также можно использовать для высадочных штампов,

деформирующие мягкие конструкционные стали; штамповые стали

повышенной теплостойкости марок (с карбидным упрочнением): 3Х3М3Ф,

4Х5МФС, 4Х5МФ1С, 4Х5ВФС, 4Х4ВМФС, 5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф.

Инструмент для деформирования металла в холодном состоянии должен

иметь высокую твердость (практически не ниже HRC 58-60). В ряде случаев

более высокая твердость (выше HRC 62) обеспечивает и более высокую

стойкость. Поэтому для такого рода инструмента применяют стали с

содержанием углерода не менее 1% в состоянии низко отпущенного

мартенсита, т. е. после закалки и низкого отпуска.

Часто применяют углеродистые стали марок У10, У11, У12 для

изготовления штампов не больших размеров и простой конфигурации, для

более сложной конфигурации и более тяжелых условий работы используют

легированые хромом штамповые стали марок Х6ВФ, Х12, Х12Ф1, Х12МФ,

Х12МФ, Х12ВМ, 7ХГ2ВМФ и т.д.

Валковая инструментальная сталь выделилась в отдельную группу

благодаря широкому использованию обработки металла методом прокатки

(резьбонакатки) объемы производства которого достаточно высоки. Из этой

стали изготавливают ролики, фильеры для волочения, прокатные станы,

листовые станы, рабочие валки блюмингов (обжимных станов для прокатки

блюминга из слитка (полупродукт металлургического производства в виде

заготовки квадратного сечения)), слябингов (обжимных станов для прокатки

слябингов из слитка (полупродукт металлургического производства в виде

плоской стальной заготовки прямоугольного сечения)), резьбонакатные

плашки. К этой группы относятся стали марок: 9Х2, 90ХФ, 9Х2МФ, 75ХМ,

75ХМФ, 55Х, 60ХН, 45ХНМ, 7Х2СМФ, 60ХГ, 75ХМФ.