Читайте также:
|
Залога В.А.
Курс лекций
«Инструментальные материалы для лезвийных инструментов»
Раздел
«Инструментальные материалы»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Залога В.А.
Курс лекций
«Инструментальные материалы для лезвийных инструментов»
Раздел
«Инструментальные материалы»
Рекомендовано к печати ученым советом Сумского государственного университета как учебное пособие
Сумы
Изд-во СумГУ
ББК 34.63
З 24
УДК 621.9.02:669.14.01
Рекомендовано до друку вченою радою
Сумського державного університету
(протокол № 12 від 3.07. 2007 р.)
Рецензенти:
д-р техн. наук, проф. В.Б. Тарельник
(Сумський національний аграрний університет);
канд. техн. наук, проф. В.І. Сігова
(Сумський державний університет)
Залога В.О.
Курс лекцій «Інструментальні матеріали для лезових інструментів». Розділ «Інструментальні матеріали»: Навчальний посібник.- Суми: Вид-во СумДУ, 2007. - 206 с.
ISBN 978-966-657-148-2
Наведена інформація про інструментальні матеріали (вимоги, що ставляться до них; класифікація як за їх властивостями, так і за групами застосування (за ISO); їх структура (кристалічна будова), способи отримання і експлуатаційні показники в кожній групі та ін.). У посібнику наведені: рекомендації щодо вибору різних інструментальних матеріалів і розглянуті тенденції їх удосконалення, в т.ч. шляхом застосування зносостійких покриттів; питання для самоперевірки (у кожному розділі); методичні вказівки щодо вивчення теми «Інструментальні матеріали» і типові тести для самоперевірки і модульного контролю знань.
Навчальний посібник може бути використаний при вивченні теми «Інструментальні матеріали» з дисциплін «Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство», «Матеріалознавство в машинобудуванні», «Теорія різання» та ін. студентами всіх спеціальностей, що навчаються за напрямами «Машинобудування» та «Інженерна механіка», і може бути корисній студентам машинобудівних спеціальностей старших курсів під час курсового та дипломного проектування. Методичною і довідковою інформацією, наведеною в посібнику, можуть користуватися і інженерно-технічні працівники в процесі вирішення конкретних виробничих завдань.
ББК 34.63
ISBN 978-966-657-148-2 ©Залога В.О., 2007
©Вид-во СУМДУ, 2007
введение.. 5
1 Требования, предъявляемые к инструментальным материалам. Классификация инструментальных материалов по их свойствам.... 6
1.1 Высокая твердость. 6
1.2 Высокая прочность. 8
1.3 Высокая теплостойкость. 8
1.4 Высокая износостойкость. 11
1.5 Высокие теплопроводность и теплоемкость. 11
1.6 Благоприятные фрикционные и адгезионные свойства. 12
1.7 Технологичность. 13
1.8 Классификация инструментальных материалов по их свойствам.. 16
1.9 Вопросы для самопроверки.. 21
2 Инструментальные стали... 22
2.1 Инструментальные нелегированные стали.. 29
2.2 Легированные инструментальные стали.. 34
2.3 Быстрорежущие стали.. 37
2.4 Основные тенденции совершенствования инструментальных сталей.. 47
2.4.1 Быстрорежущие стали повышенной производительности. 48
2.4.2 Быстрорежущие стали высокой теплостойкости. 49
2.4.3 Быстрорежущие экономно легированные стали. 49
2.4.4 Порошковые быстрорежущие стали. 50
2.4.5 Карбидостали. 52
2.5 Краткие рекомендации по выбору инструментальных сталей.. 53
2.6 Вопросы для самопроверки.. 59
3 Твердые сплавы.... 61
3.1 Вольфрамокобальтовые твердые сплавы (ВК) 72
3.2 Титановольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТК) 73
3.3 Титанотанталовольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТТК) 75
3.4 Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) 76
3.5 Краткие рекомендации по выбору твердых сплавов. 78
3.6 Классификация современных твердых сплавов по международному стандарту ИСО 513-75 и определение условий их эффективного использования. 84
3.7 Основные тенденции совершенствования твердых сплавов. 96
3.8 Вопросы для самопроверки.. 101
4 Режущая керамика.. 103
4.1 Оксидная и оксидно-карбидная режущая керамика. 105
4.2 Оксидно-нитридная и нитридная режущая керамика. 110
4.3 Краткие рекомендации по выбору режущей керамики.. 113
4.4 Основные тенденции совершенствования минералокерамики.. 116
4.5 Вопросы для самопроверки.. 122
5 Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы... 123
5.1 Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора 125
5.2 Характеристика основных свойств и области применения поликристаллов синтетического алмаза (ПКА) 135
5.3 Характеристика основных свойств и область применения ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора 137
5.4 Краткие рекомендации по выбору и применению ПСТМ... 141
5.5 Вопросы для самопроверки.. 146
6 Инструментальные материалы с износостойкими покрытиями 148
6.1 Требования, предъявляемые к износостойким покрытиям.. 150
6.2 Методы нанесения износостойких покрытий.. 159
6.3 Рекомендации по выбору износостойких покрытий.. 167
6.4 Эффективность применения износостойких покрытий.. 171
6.5 Вопросы для самопроверки.. 180
7 методические указания по изучению темы «инструментальные материалы». 181
8 типовые тесты для самопроверки и модульного контроля знаний 190
СПИСОК литературЫ.... 203
Введение
От качества, надежности и работоспособности режущих инструментов, применяемых в процессах изготовления деталей машин и механизмов, в значительной степени зависят их качество и точность, а также производительность и эффективность процесса обработки. Проблеме производительности необходимо уделять особое внимание, так как она в первую очередь влияет на понижение себестоимости продукции. Производительность процесса резания находится в тесной зависимости со стойкостью инструмента: с увеличением интенсивности работы инструмента его стойкость, как правило, понижается. Производительность обработки, стойкость и прочность инструмента определяются многими факторами (родом материала режущей части инструмента; количеством и длиной режущих кромок; конструктивными и геометрическими элементами режущей части; стружкозавиванием и стружколоманием; условиями охлаждения режущих кромок в процессе резания и многими другими), от которых зависит выбор режимов резания.
Из перечисленных выше факторов наибольшую и при том революционизирующую роль играет материал режущей части инструмента, о чем свидетельствует история развития режущих инструментов – имело место резкое повышение производительности при переходе от нелегированной (углеродистой) и легированной инструментальных сталей к быстрорежущей стали, от быстрорежущей стали к твердым сплавам, от твердых сплавов к минералокерамике и т.д. Например, повышение скоростей резания при переходе от инструментальной стали к быстрорежущей, твердым сплавам и минералокерамике характеризуется соотношениями 1: (4 – 4,5): (16 – 25): (40 – 50). Отсюда следует, что никакой другой фактор в деле повышения производительности труда не может конкурировать с материалом режущей части инструмента.
Таким образом, одним из важнейших условий, обеспечивающих высокую производительность процесса резания, является правильный выбор материала режущей части инструмента.
Требования, предъявляемые к инструментальным материалам. Классификация инструментальных материалов по их свойствам
При резании контактные площадки инструмента подвергаются интенсивному воздействию высоких силовых нагрузок и температур, величины которых имеют, как правило, переменный характер, а взаимодействие с обрабатываемым материалом и реагентами из окружающей среды приводит к протеканию интенсивных физико-химических процессов: адгезии, диффузии, окисления, коррозии и др.
С учетом необходимости обеспечения сопротивления режущего инструмента микро- и макроразрушению в указанных условиях к свойствам инструментальных материалов предъявляется комплекс специальных требований, выполнение которых определяет место их эффективного применения для соответствующих режущих инструментов и условий обработки.
1.1 Высокая твердость
Рисунок 1.1 - – Внедрение инструмента в заготовку
|
Для проникновения лезвия в материал заготовки и отделения от нее срезаемого слоя (рис. 1.1) твердость инструментального материала Ни должна быть, в принципе, выше твердости обрабатываемого Нм. В противном случае резания не будет.
Примечание. Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него тела из другого материала. При измерении твердости таким телом является специальный наконечник – индентор, который может иметь форму шара (методы Бриннеля и Раквелла (шкала В)), конуса (метод Раквелла (шкалы А и С)) или пирамиды (метод Виккерса). Индентор изготавливают из материала, имеющего твердость, больше, чем твердость испытываемого материала: из закаленной стали (чаще всего) или твердого сплава (методы Бриннеля и Раквелла (шкала В)) или алмаза (методы Раквелла и Виккерса). После статического нагружения индентора определенным усилием на поверхности испытываемого материала вследствие пластического деформирования части поверхностного слоя остается отпечаток. Твердость определяют по размерам полученного отпечатка.
Величина твердости находится как отношение приложенной нагрузки к величине площади поверхности отпечатка, т.е. размерностью твердости является отношение единицы силы к единице площади - 1 Н/м2 = 1Па. Такую же размерность имеют характеристики давления, прочности и модуля упругости. Обозначение твердости зависит от метода измерения: НВ, при вдавливании стального шарика, или НВW - твердосплавного (метод Бриннеля); HR с указанием шкалы (А, В или С) соответственно HRА, HRВ или HRС (метод Роквелла); HV (метод Виккерса). Выбор соответствующего метода измерения твердости (единицы твердости) определяется в первую очередь свойствами испытуемого материала. Например, метод Бриннеля применяют для нетермообработанных сталей (НВ), метод Раквелла - для закаленных сталей (HRС) и твердых сплавов (HRА), метод Виккерса (HV) - для высокотвердых материалов, например, твердых сплавов и чаще всего сверхтвердых материалов (см. разд.5). Приближенные соотношения чисел твердости по Бриннелю, Роквеллу и Виккерсу представлены в приложении А.
Для эффективного резания желательно иметь соотношение Ни / Нм ≥ 2-3. Чем выше твердость инструментального материала, тем эффективнее обработка более твердого обрабатываемого материала. Однако увеличение твердости инструментального материала Ни, как правило, сопровождается возрастанием его хрупкости, а поэтому для различных марок инструментальных материалов существует определенное (оптимальное) отношение Ни / Нм. В среднем при выборе инструментального материала для режущего инструмента его твердость принимается не менее чем в 1,4 – 1,7 раза выше твердости обрабатываемого.
1.2 Высокая прочность
Высокая прочность является одним из важных требований к инструментальному материалу. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента не обеспечивается необходимой прочностью, то это приводит к поломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок. Поэтому желательно, чтобы инструментальный материал сочетал высокую твердость с высокой сопротивляемостью сжатию и изгибу и обладал высоким пределом выносливости и ударной вязкости.
Примечание. Ударная вязкость является характеристикой вязкости металла. Это отношение работы разрушения к площади поперечного сечения образца в месте испытания (надреза). Ударная вязкость – это интегральная характеристика, которая складывается из работы зарождения трещины и работы, затрачиваемой на ее распространение. Единицей измерения ударной вязкости являются Дж/см2, МДж/м2 или кГ∙м/см2
Кроме того, инструментальный материал должен сопротивляться появлению усталостных и термоусталостных трещин (т.е. иметь высокую трещиностойкость) в экстремальных условиях, характеризующих процесс резания: большие давления (до 2×104 МПа) и высокие температуры (1173К (900°С) и более).
Как правило, к основным прочностным характеристикам инструментальных материалов относят прочность при изгибе sи и ударную вязкость ан.
1.3 Высокая теплостойкость
При резании металлов вследствие превращения механической энергии в тепловую выделяется значительное количество тепла, и режущая часть инструмента нагревается. Известно, что с увеличением температуры нагрева материала, в т.ч. и инструментального, его твердость уменьшается (рис. 1.2).
Следовательно, из-за интенсивного разогревания контактные поверхности лезвия инструмента могут терять свою исходную твердость (табл. 1.1), размягчаться и, следовательно, значительно быстрее изнашиваться. Поэтому инструментальный материал должен обладать высокой теплостойкостью, т.е. способностью сохранять свои физико - механические свойства, в частности высокую твердость, при температурах резания, которые могут достигать температур плавления обрабатываемых материалов.
Теплостойкость является одним из важнейших показателей качества инструментального материала, так как для инструмента важна не только исходная твердость, но и то, как эта твердость сохраняется при нагревании инструмента в процессе резания при принятых условиях обработки, и обеспечивается требуемое (заданное) соотношение Ни / Нм.
Таблица 1.1 - Горячая твердость инструментальных материалов (HRA)
| Материал | Температура, °С | ||||||
| Минералокерамика ЦМ-332 | |||||||
| Твердый сплав Т15К6 | |||||||
| Быстрорежущая сталь | |||||||
| Инструментальная нелегированная сталь |
Рисунок 1.2 - Уменьшение твердости инструментального материала с увеличением температуры нагрева
|
Увеличение уровня теплостойкости инструментального материала позволяет ему работать с большими скоростями резания (табл. 1.2). Таким образом, под теплостойкостью инструментального материала понимают его способность сохранять при нагреве твердость, достаточную для осуществления процесса резания (см. разд.1.1.1).
Таблица 1.2 - Теплостойкость инструментальных материалов и допустимая ними скорость резания
| Материал | Теплостойкость, К (°С) | Допустимая скорость при резании конструкционных сталей (типа стали 45), м/мин |
| Инструментальная нелегированная (углеродистая) сталь | 473 – 523 (200 – 250) | 5 – 15 |
| Легированная инструментальная сталь | 623 – 673 (350 – 400) | 15 – 30 |
| Быстрорежущая сталь | 873 – 823 (600 – 650) | 40 – 60 |
| Твердые сплавы: | 1073 – 1373 (800 – 1100) | 100 - 300 |
| - группа ВК | 1173 – 1273 (900 - 1000) | 150 – 200 |
| - группы ТК и ТТК | 1273 – 1373 (1000 – 1100) | 150 – 250 |
| - безвольфрамовые | 1073 – 1173 (800 – 900) | 100 – 300 |
| - с покрытием | 1273 – 1373 (1000 – 1100) | 200 – 300 |
| Керамика | 1473 – 1523 (1200 - 1250) | 400 – 600 |
Теплостойкость в процессе резания характеризуют так называемой критической температурой Θтс (см. рис. 1.2). Это максимальная температура, устанавливающаяся в процессе резания в зависимости от принятых условий обработки, при которой инструмент еще способен «резать», т.е. НиΘ / Нм >1,0.
Для быстрорежущей стали теплостойкость иногда называют красностойкостью, так как при нагреве быстрорежущей стали до температур, при которых начинается свечение стали, лезвие инструмента имеет способность сохранять требуемую для резания твердость. Например, быстрорежущая сталь Р18 имеет темно-красный цвет при температуре 600 - 620°С.
1.4 Высокая износостойкость
Инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истирающему (абразивному) действию со стороны обрабатываемого материала при повышенной температуре, которая проявляется в сопротивлении инструментального материала контактной усталости и удалению его частиц с контактных участков поверхностей лезвия инструмента. Необходимым условием обеспечения высокой износостойкости инструментального материала является наличие в нем достаточного количества частиц, более твердых, чем частицы, содержащиеся в обрабатываемом материале. Износостойкость материала зависит от его твердости, прочности и теплостойкости, возрастая при их увеличении.
1.5 Высокие теплопроводность и теплоемкость
Важным условием нормальной работы инструмента является снижение вероятности появления локальных термических напряжений на контактных площадках лезвия. Известно, что уровень температуры в зоне контакта лезвия инструмента со стружкой и обрабатываемой деталью в значительной мере определяется условиями отвода выделяющегося в процессе резания тепла от этой зоны, в т.ч. и от теплофизических свойств инструментального материала – теплопроводности и теплоемкости.
Примечания:
1 Теплопроводность – один из видов теплообмена, при котором перенос энергии в форме теплоты в неравномерно нагретой среде имеет атомно-молекулярный характер. В соответствии с законом Фурье вектор q плотности теплового потока при теплопроводности пропорционален и противоположен по направлению градиенту температуры θ: q = λ grad θ, где λ, Вт/(м∙К) - коэффициент теплопроводности, зависящий от химической природы среды и ее состояния.
2 Теплоемкость – отношение количества теплоты δQ, сообщаемой телу (системе) при бесконечно малом изменении его состояния в каком-либо процессе, к соответствующему изменению температуры θ этого тела: 
, Дж/К. Теплоемкость зависит от химического состава и состояния тела, а также от процесса сообщения телу теплоты. Отношение теплоемкости С к массе тела М называется удельной теплоемкостью с: с = С/М, Дж/(кг∙К)
Таким образом, инструментальный материал должен обладать достаточной теплопроводностью и теплоемкостью. В общем случае, чем больше коэффициент теплопроводности λ и удельная теплоемкость с инструментального материала, тем при прочих равных условиях вследствие улучшения условий отвода тепла от зоны резания температура резания будет ниже, а износостойкость инструмента выше.
1.6 Благоприятные фрикционные и адгезионные свойства
Это требование является необходимым условием достижения высоких режущих свойств инструмента.
Фрикционные свойства инструментального материала (в паре с обрабатываемым) определяются величиной среднего коэффициента трения, который при резании может достигать 1,0 и более. Средний коэффициент трения при резании состоит из двух составляющих: механической и адгезионной. Механическая составляющая является константой контактирующих пар, т.е. не зависит от условий резания, и согласно молекулярно-механической теории трения зависит от молекулярно-атомных шероховатостей поверхностей. Адгезионная составляющая коэффициента трения при резании является величиной переменной, в значительной степени определяемой условиями резания (геометрическими параметрами лезвия, подачей, скоростью резания и др.), т.е. тепловым и напряженным состоянием системы. Кроме того, адгезия (схватывание или слипание в результате межмолекулярного взаимодействия контактируемых поверхностей) в значительной мере определяется физико-химической активностью инструментального материала по отношению к обрабатываемому, которая тем больше, чем больше их «сродство». Например, температура слипаемости (адгезии) стали с быстрорежущей сталью значительно меньше, чем с чистыми карбидами (табл.1.3).
Таблица 1.3 - Температура слипаемости (адгезии) чистых карбидов, твердых сплавов и быстрорежущей стали со сталью (sв = 600 МПа)
| Пор. ном. | Материал | Температура слипаемости, °С |
| Карбид вольфрама WC | ||
| Карбид титана TiC | ||
| Твердый сплав ВК | ||
| Твердый сплав ТК | ||
| Быстрорежущая сталь |
Поэтому желательно, чтобы кристаллохимические свойства инструментального материала существенно отличались бы от соответствующих свойств обрабатываемого материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостных, коррозионно-окислительных и диффузионных) и, соответственно, на изнашивание контактных площадок инструмента.
В общем случае, чем меньше (больше) коэффициент трения и выше (ниже) температура слипания с обрабатываемым материалом, тем для заданных условий можно считать инструментальный материал более (менее) качественным.
1.7 Технологичность
Инструментальный материал должен обладать хорошими технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Например, для инструментальных сталей ими являются благоприятные особенности термической обработки (малая чувствительность к перегреву и обезуглероживанию, хорошие закаливаемость и прокаливаемость, минимальные деформирование и образование трещин при закалке и т.д.); хорошая обрабатываемость давлением и резанием, в частности, хорошая шлифуемость после термической обработки (без прижогов). Обрабатываемость при шлифовании – «шлифуемость» - одно из важнейших технологических свойств, которое определяет не только особенности технологии изготовления инструментов, но его эксплуатации (при переточках).
Рисунок 1.3 - Схема формирования радиуса округления режущей кромки ρ при резании
|
В некоторых случаях к инструментальным материалам может предъявляться требование сохранения в течение определенного времени высокойостроты лезвия(малые ρ), которая определяется величиной радиуса округления режущей кромки ρ (в нормальной секущей плоскости). Это требование является особенно важным для процессов обработки с малыми толщинами срезов а, таких, как: протягивание, развертывание, нарезание резьб плашками и метчиками, шлифование и др. В принципе, величина минимального радиуса округления режущей кромки ρ может быть равной условному радиусу зерна в структуре инструментального материала (рис. 1.3). При больших значениях величины ρ могут не только существенно возрастать силы резания и крутящие моменты, что может приводить к поломке инструмента, но и при неблагоприятном соотношении а/ρ, особенно при а << ρ, образование стружки становится вообще невозможным (рис. 1.4).
Рисунок 1.4 - Лезвие инструмента при ρ =0 (1) и ρ >0 (2)
|
Примечание. В зависимости от условий обработки для образования стружки необходимо иметь отношение а/ρ> 0,3-0,5.
Вместе с тем величина ρ для большинства инструментальных материалов, являющихся поликристаллическими, формируется в первые мгновения начала процесса резания в зависимости от прочности связей между отдельными зернами (конгломератами зерен) и сил, действующих на режущий клин в процессе резания при заданных условиях обработки. Таким образом, для заданных условий обработки величина ρ в определяющей мере зависит от физико-химико-механических свойств инструментального материала (его структуры, вязкости, прочности, твердости, трещиностойкости, величины зерен и т.п.).
Большое количество разнообразных инструментов, используемых в промышленности, требует соответствующего расхода инструментальных материалов. Поэтому к инструментальному материалу может предъявляться требование экономичности, т.е. он должен быть относительно не дорогим (при прочих равных условиях) и обеспечивать для заданных условий минимально возможную себестоимость обработки. Это требование может обеспечиваться (при выполнении всех остальных требований), например, уменьшением удельного веса инструментального материала, применением прогрессивных, в первую очередь энергосберегающих методов его получения и современных упрочняющих технологий, отсутствием в его составе редких или остродефицитных и соответственно дорогостоящих элементов и т.п. Например, наличие в составе быстрорежущей стали большого количества вольфрама (сталь Р18), делает ее, несмотря, в общем-то, на относительно хорошие «режущие» свойства, часто экономически нецелесообразной и имеющей сейчас в промышленности ограниченное применение. И, наоборот, в настоящее время все большее применение находят безвольфрамовые твердые сплавы, характеризующиеся не только отсутствием в их составе вольфрамосодержащих элементов, но и значительно меньшим (в 1,5 - 2,0 раза) удельным весом по сравнению с традиционно используемыми в инструментальном производстве металлокерамическими твердыми сплавами (ВК, ТК и ТТК).
Для некоторых инструментальных материалов, в частности, для инструментальных сталей, важными требованиями к микроструктуре являются форма и структура перлита и наличие остатков цементитной сетки (углеродистые и легированные инструментальные стали) или карбидная однородность (легированные инструментальные и быстрорежущие стали).
1.8 Классификация инструментальных материалов по их свойствам
Физико-механические, теплофизические и кристалло - химические свойства инструментального материала (табл. 1.4) сильно влияют на работоспособность режущего инструмента, а оптимальный выбор этих свойств позволяет в известных пределах управлять процессами изнашивания контактных площадок лезвия, снижать интенсивность их изнашивания, трансформировать один вид изнашивания в другой. Например, при постоянных значениях геометрических параметров лезвий и режимов обработки повышение твердости, теплостойкости, прочности, пассивности активных реагентов из окружающей среды по отношению к обрабатываемому материалу сопровождается ростом износостойкости контактных площадок лезвия и соответствующим повышением работоспособности инструмента.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к инструментальному материалу, выбор свойств и конкретной марки материала следует производить с учетом условий обработки, которые определяются свойствами обрабатываемого материала и характером контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов в процессе резания. Сложная взаимосвязь между различными свойствами инструментального материала и их связь с условиями обработки не только определяет степень его соответствия комплексу требований к нему, но и в значительной мере обуславливает относительно узкую область его практического применения. По своим физико-химико-механическим свойствам инструментальные материалы для лезвийных инструментов подразделяются на пять основных групп: инструментальные стали (нелегированные (углеродистые), легированные и быстрорежущие); металлокерамические твердые
Таблица 1.4 - Характеристики инструментальных материалов и их составляющих
| Материал | Плотность, г/см3 | Твердость, HRA (HRС) | Твердость HV, ГПа | Предел прочности при изгибе sи, МПа | Предел прочности при сжатии, sсж, МПа | Ударная вязкость ан ×105, Дж/м2 | Теплостойкость, °С | Теплопроводность λ, Вт/(м×К) | Модуль упругости, ГПа |
| Инструментальные стали: - инструментальная нелегированная - легированная инструментальная - быстрорежущая | 7,81 – 7,83 7,82 – 7,83 7,9 – 8,75 | 82-83 (61-63) 83-84 (63-65) 83-87 (63-70) | - - 13-16 | 1950-2300 2200 -3400 до 4000 | до 3500 до 3800 до 4000 | до 0,5 0,5 – 2,95 1 - 6 | 200 – 250 250 – 400 600 - 700 | 60 – 80 60 – 80 67,5 – 85,1 | |
| Твердый сплав (вольфрамосодержащий) | 11,1 – 14,8 | 88 - 92 | 17 – 24 | до 2000 | до 5900 | 24,5 – 58,8 | 800 - 1100 | 16,75 – 87,9 | 500 – 600 |
| Минералокерамика: - оксидная - смешанная (керметы) | 3,6 – 4,0 4,4 – 4,7 | 90-94 до 95 | до 950 до 980 | до 3000 до 5600 | 4,9 – 11,8 до 19,6 | 900 – 1100 | 4,2 – 21,0 25,1 – 83,7 | ||
| Кубический нитрид бора | 3,45 | - | 60 – 80 | до 1000 | до 6500 | - | 1100 – 1300 | ||
| Алмаз: - естественный (природный) - синтетический | 3,01 – 3,56 3,48 – 3,54 | - - | 100,6 86-100 | 210 - 490 до 300 | до 3000 | - - | 700 – 800 700 – 800 | 130 - 140 138,2 – 146,5 | 720 - 930 |
| Электрокорунд | 3,93 – 4,01 | - | 22 - 24 | - | - | - | |||
| Карбид кремния | 3,16 – 3,99 | - | 27 - 35 | 100 - 150 | 1000 - 2000 | - | 1200 - 1300 | ||
| Карбид бора | 2,48 – 2,52 | - | 37 - 45 | - | 500 - 700 | ||||
| Карбид вольфрама | 15, 0 – 15,4 | - | |||||||
| Карбид титана | 4,8 – 4,9 | - | 86,9 | ||||||
| Карбид тантала | 14, 14,5 | - | 15,5 – 16,5 | - | |||||
| Кобальт | 8,9 | - | 1,7 | - | - | 207,5 |
сплавы (однокарбидные (ВК), двухкарбидные (ТК), трехкарбидные (ТТК), безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС)); режущая керамика (оксидная, оксидно-карбидная и нитридная) и сверхтвердые материалы (СТМ) на основе синтетического алмаза (АС) и кубического нитрида бора (КНБ).
На рис. 1.5 показано расположение основных групп инструментальных материалов по их свойствам, а также тенденции их развития (совершенствования). Из рисунка видно, что твердость и прочность инструментальных материалов - это свойства- антагонисты, т.е. чем выше твердость материала, тем ниже его прочность. Именно поэтому область и условие рационального использования того или иного инструментального материала в режущем инструменте определяется соответствующим набором его основных свойств. Наиболее распространенная из этих групп для лезвийных инструментов – быстрорежущая сталь, из которой изготавливается около 60% такого инструмента.
Из металлокерамических твердых сплавов изготавливается около 30% лезвийного инструмента, из остальных групп материалов – только около 10%.
Инструменты из сверхтвердых инструментальных материалов (СТМ) на основе алмаза и кубического нитрида бора или из режущей керамики (РК) используют преимущественно для чистовой и суперчистовой обработки изделий (в том числе и с повышенной твердостью обрабатываемых поверхностей после полной термической обработки) на высоких и сверхвысоких скоростях резания, но при весьма ограниченных сечениях среза.
Это обусловлено тем, что инструмент, оснащенный пластинами из СТМ и РК, обладает высоким запасом пластической прочности (высокие показатели по твердости и теплостойкости) при относительно небольшом запасе хрупкой прочности (невысокие значения предела прочности при изгибе, ударной вязкости, трещиностойкости). Инструменты, оснащенные пластинами из твердого сплава различных марок, имеют весьма узкое служебное назначение, что предопределяется соответствующим сочетанием основных физико-механических свойств каждой конкретной марки.
| Рисунок. 1.5 - Классификация инструментальных материалов по их свойствам: 1 – принципиальная зависимость «твердость – прочность» инструментальных материалов |
Так, высококобальтовые марки твердых сплавов, обладающие большим запасом хрупкой прочности, чаще всего применяются для черновых операций, а твердые сплавы с высоким процентным содержанием карбидов (WC, TiC, TaC и др.), которые имеют большой запас пластической прочности, используют преимущественно для чистовых операций.
При обработке конструкционных сталей на малых и средних скоростях резания в сочетании со средними и большими сечениями среза большие преимущества получают инструменты из быстрорежущих сталей. Это связано с относительно небольшим запасом пластической прочности (средние значения твердости и теплостойкости) и его большой хрупкой прочностью, определяемой трещиностойкостью, выносливостью и высокими значениями ударной вязкости и предела прочности при изгибе.
Анализ основных направлений совершенствования инструментальных материалов (см. рис. 1.5) позволяет отметить, что они связаны с ростом твердости, теплостойкости, износостойкости при снижении прочностных характеристик, вязкости и трещиностойкости. Эти тенденции в значительной степени не соответствуют идее создания инструментального материала с «идеальными» свойствами, т.е. с оптимальным сочетанием свойств по твердости, теплостойкости, ударной вязкости, трещиностойкости, прочности и др. Очевидно, что решение этой проблемы должно быть связано с разработкой некоего композиционного инструментального материала, у которого высокие значения поверхностной твердости,теплостойкости, физико-химической инертности к обрабатываемому материалу сочетались бы с достаточно высокими значениями объемной прочности при изгибе, ударной вязкости, предела выносливости.
В мировой практике все большее применение находят самые различные методы совершенствования инструментальных материалов, особенно при производстве сменных многогранных пластин (СМП) для механического крепления на режущем инструменте. В настоящее время уже разработаны особомелкозернистые твердые сплавы, новые марки сверхтвердых материалов, как правило, поликристаллического строения, керамики (керметы, силинит и др.), безвольфрамовых твердых сплавов и быстрорежущих сталей, созданы методы упрочняющей обработки пластическим деформированием, а также химико-термического, магнитно-импульсного, лазерного упрочнения и др. Особое место занимают методы совершенствования инструментальных материалов, направленные на изменение их эксплуатационных (режущих) свойств, путем нанесения износостойких покрытий.
1.9 Вопросы для самопроверки
1. Перечислите основные требования к инструментальным материалам.
2. Что понимают под «высокой твердостью» и «высокой прочностью» инструментальных материалов? Охарактеризуйте эти требования.
3. Охарактеризуйте требования к инструментальным материалам: «высокая теплостойкость» и «высокая износостойкость».
4. Охарактеризуйте требование к инструментальным материалам: «благоприятные фрикционные и адгезионные свойства».
5. Объясните, какую роль при резании играют теплофизические свойства (теплопроводность, удельная теплоемкость) инструментального материала.
6. Охарактеризуйте требования к инструментальным материалам: «технологичность» и «экономичность».
7. Приведите классификацию (основные группы и подгруппы) инструментальных материалов.
8. Дайте графическую интерпретацию классификации инструментальных материалов по свойствам и охарактеризуйте тенденции (основные направления) совершенствования инструментальных материалов.
9. Приведите предельные значения твердости и теплостойкости различных групп инструментальных материалов?
Дата добавления: 2015-11-30; просмотров: 151 | Нарушение авторских прав