Инструментальные режущие материалы (ИРМ) и их функциональные свойства

МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА Институт переподготовки специалистов Кафедра «Технология и оборудование машиностроения» Инструментальные режущие материалы (ИРМ) и их функциональные свойства Краткий курс лекций по дисциплине «Резанием материалов» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств по профилю «Технология машиностроения» всех форм обучения Нижний Новгород, 2020 Краткие сведения об обрабатываемых материалах Стандарт ISO разбивает обрабатываемые материалы на 6 основных групп, каждая группа учитывает структуру материала и его уникальные физико-механические свойства, кото­рые могут по-разному воздействовать на процесс резания. Инструментальные режущие материалы (ИРМ) и их функциональные свойства Влияние ИРМ на процесс резания Инструментальные режущие материалы влияют на: 1 производительность обработки за счет сокращения времени резания (возможности увеличения режима резания) и снижения времени на замену режущего инструмента (увеличение периода стойкости). 2 качество обрабатываемой поверхности за счет изменения контактных условий в зоне резания. 3 конструкцию инструмента, в основном, за счет технологических свойств ИРМ и их стоимости. Например, использование дорогостоящих и труднообрабатываемых синтетических сверхтвердых материалов предполагает только сборные конструкции РИ. Требования, предъявляемые к свойствам ИРМ Инструментальными называются материалы, используемые для оснащения рабочей части металлорежущих инструментов. ИРМ оцениваются функциональными и технологическими свойствами, а также стоимостными параметрами. Функциональными являются свойства, обеспечивающие прямое назначение ИРМ – выполнение процесса резания: • способность внедряться в материал заготовки. Параметр оценки – твердость. Требование – твердость ИРМ значительно выше твердости обрабатываемого материала. • способность сопротивляться действию разрушающих сил в процессе резания. Параметр оценки – предел прочности на изгиб И. • способность сопротивляться термическому разупрочнению под воздействием теплоты в зоне резания. Параметр оценки – теплостойкость (красностойкость). Теплостойкость – температура ОС, при которой ИРМ длительное время сохраняет высокую твердость при многократном нагреве. Красностойкость – температура ОС, при которой ИРМ теряет режущие свойства. • способность отводить тепло от локальных источников генерации теплоты. Параметр – коэффициент теплопроводности . Чем больше , тем меньше скорость отвода теплоты от локального источника. • износостойкость – косвенно характеризует антифрикционные свойства. Кроме функциональных ИРМ оцениваются технологическими свойствами (способностью поддаваться обработке) – обрабатываемость резанием, пластическим деформированием, термообрабатываемость, шлифуемость и др. Классификация и краткая сравнительная характеристика инструментальных материалов • Краткая сравнительная характеристика ИРМ Группа ИРМ Твердость Теплостой- кость, ОС И, МПа , Вт (м к) Инструментальные углеродистые стали 62…66 HRCЭ 200…250 2000…2900 17…25 Легированные инструментальные стали 62…65 HRCЭ 200…250 (до 400) 2200…3400 17…25 Быстрорежущие стали 62…67 HRCЭ 620…650 2600…3300 17…25 Твердые сплавы 17…24 * 103 HV 800…1000 1100…1800 17…88 Инструментальная режущая керамика 20…30 * 103 HV 1400 400…800 25…84 Синтетические сверхтвердые материалы 60…100 * 103 HV 1500 300…1000 140…145 Общая тенденция в свойствах ИРМ: с ростом твердости и теплостойкости уменьшается прочность и ухудшается теплоотводящая способность. • Применение ИРМ при металлообработке Показатели Быстрорежущие стали Твердые сплавы Режущая керамика и СТМ Объем выпуска, % 66 32 2 Объем снимаемого припуска, % 34 61 5 Маркировка и свойства инструментальных углеродистые сталей Широко применяемые марки: У8А, У10А, У12А, Расшифровка марки: У – углеродистая сталь; 10 – содержание углерода в десятых долях %; А – высококачественная сталь (пониженное содержание вредных примесей – серы и фосфора. Допустимое содержание <00,2…0,03%). У10А содержит 7,16 % карбида кремния, цементитная структура, 1% С. Твердость после термообработки НRCэ 60…63 Недостатки по функциональным свойствам: низкая теплостойкость (около 200ОС), не позволяющая развивать высокую скорость резания (V20 м/мин). Недостатки по технологическим свойствам: низка прокаливаемость, возникают деформации при термообработке. Область применения: в основном ручной и деревобрабатывающий инструмент. Возможно изготовление инструмента, работающего с низкими скоростями резания, - метчиков и резьбовых плашек. Достоинства: тонкое лезвие (малый радиус скругления режущей кромки), высокие механические характеристики (И  2000-2500 МПа). Хорошо обрабатываются резанием и давлением. Характеристика и область применения Марка Твердость HRCЭ Теплостой- кость, ОС % карбидной фазы В, Мпа Область применения У7, У7А 62…64 200…220 10…12 1900 Дереворежущие ручные инструменты: пилы, стамески, отвертки … У8, У8А 62…64 200…220 11…13 1950 У10, У10А 63…65 200…250 14…16 2380 + мелкоразмерный РИ, зубила У12, У12А 63…66 200…250 17…18 1720 метчики, плашки Инструментальные легированные стали Отличаются от углеродистых наличием в своем составе легирующих карбидообразующих элементов. Широко применяемые марки ХВГ, 9ХС, Х6ВФ Расшифровка марки: Начальная цифра – содержание углерода в десятых долях % (нет цифры  1%); Буква – обозначение легирующего элемента (Г –марганец, Х – хром, С – кремний, В – вольфрам, Ф – ванадий). Цифра после буквы – содержание легирующего элемента в % (нет цифры  1%). Состав стали ХВГ: С=0.9-1%, Cr=0.9-1.2%, W=1.2-1.6%, Mn=0.8-1%. Содержание карбидной фазы 14-16%. Режущие свойства инструментальных сталей повышаются с увеличением % металла, связанного в карбидные зерна. Характеристика и область применения Марка Твердость HRCЭ Теплостой- кость, ОС % карбидной фазы И, МПа Область применения 11ХФ 63…66 200…250 15…17 2200 Метчики, плашки 9ХС 63…66 240…250 12…14 2200 Клейма ХВГ 63…66 200…220 14…16 3400 Калибры, протяжки Х6ВФ 59…61 400 12…14 3150 Резьбонакатной инструмент Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73) Отличаются высоким содержанием карбидообразующих элементов Стали нормальной производительности (Р18, Р9, Р6М5) обеспечивают скорость резания V=35-50 м/мин. По объему выпуска быстрорежущих сталей 90-95 % приходится на сталь Р6М5. Широко используются для изготовления всех видов режущих инструментов. Стали повышенной производительности (Р6М5К5, 10Р6М5К5, Р9М4К8) обеспечивают скорость резания V=65-70 м/мин. Используются для изготовления мерных инструментов (сверла, развертки, метчики), фасонных инструментов (фасонные резцы, фрезы), при резании труднообрабатываемых материалов. Расшифровка марки стали: Начальная цифра – содержание углерода в десятых долях % (нет цифры  1%); Буква – обозначение легирующего элемента (Р – вольфрам, М – молибден, К – кобальт, А - азот, Ф – ванадий, Т – титан, Ц – цирконий, Б - ниобий). Цифра после буквы – содержание легирующего элемента в % (нет цифры  1%). Влияние легирующих элементов: Чем больше % Со, тем выше твердость и теплостойкость. Однако при содержании кобальта >10% значительно снижается прочность. Чем больше % Va, тем выше теплостойкость, но снижается шлифуемость. 1% Va может заменить 3% W с потерей шлифуемости. Характеристика и область применения Марка Твердость HRCЭ Теплостой- кость, ОС И, МПа Область применения Р18 63…66 620 3000 Все виды РИ Р9 63…66 620 3350 РИ простой формы Р6М5 63…66 620 3300 Все виды РИ Р9К5 64…67 630 2500 РИ для обработки материалов повышенной твердости Р6М5К5 64…67 630 3000 Р9М4К8 65…67 630 2500 • Основные направления совершенствования быстрорежущих сталей. 1 Замена особо дефицитных карбидообразующих легирующих элементов. Вольфрам заменяется молибденом (Р18 заменяется Р6М5), ванадий заменяется титаном, ниобием и танталом. 2 Повышение содержания углерода до 1%. При этом повышается износостойкость и расширяется интервал закалочных температур (Р6М5 - 0,8 % С, 10Р6М5 - 1% С). 3 Создание маловольфрамовых быстрорежущих сталей с комплексным легированием (Р3М3Ф3Б2) с целью экономии вольфрама. 4 Создание безвольфрамовых быстрорежущих сталей с повышенным содержанием углерода (11М5Ф, 15М5Х5Ф5С). 5 Улучшение качества быстрорежущих сталей за счет легирования азотом (Р6АМ5). 6 Применение порошковых быстрорежущих сталей. Достоинства: высокая ударная вязкость, улучшенная шлифуемость, малая карбидная неоднородность ( для чистовых инструментов Р6М5К5МП). При помощи порошковой металлургии можно довести содержание углерода др 2%, ванадия 8-9 %, кобальта до 18%. Порошковый метод позволяет использовать металлолом быстрорежущих сталей, превращая его в порошок, а затем в высококачественную сталь (это безотходная технология). 7 Улучшение качества РИ за счет износостойких покрытий TiC, TiN. Толщина пленки покрытий 3...8 мкм. Обеспечивается повышение стойкости (до 5-ти раз), снижение шероховатости обработанной поверхности. 8 Создание карбидосталей методом порошковой металлургии. При этом повышается твердость и теплостойкость материала, однако ухудшаются технологические свойства. Примеры: Р6М5+20% TiC, Р6М5К5+20% TiC Твердые сплавы (ГОСТ 3882-74) Содержат зерна карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов в металлических связках. Твердость 17-24*103 HV, теплостойкость 800-1000ОС. Однако твердые сплавы более хрупкие и менее прочные (И=1100-1800 МПа), имеют худшие технологические свойства. • Группы твердых сплавов: Группа ВК – карбиды вольфрама + кобальтовая связка. ВК6 – 6% кобальта, 94% карбидов вольфрама. Основная область применения РИ для обработки чугунов и цветных сплавов. Группа ТК – карбиды вольфрама + карбиды титана + кобальтовая связка. Т15К6 – 6% кобальта, 15% карбидов титана, 79% карбидов вольфрама. Основная область применения РИ для обработки конструкционных сталей. Группа ТТК – карбиды вольфрама + карбиды титана + карбиды тантала + кобальтовая связка. ТТ7К12 – 12% кобальта, 7% суммарное содержание карбидов титана и карбидов тантала, 81% карбидов вольфрама. Основная область применения РИ для обработки сталей в тяжелых условия (черновая обработка по корке, прерывистое резание с ударами). Влияние химических элементов на функциональные свойства: Увеличение % Со повышает вязкость и прочность. Увеличение % Та повышает прочность. • Развитие структуры твердых сплавов. 1. Добавки карбида тантала (ТаС) улучшают физико-механические и эксплуатационные свойства (замена группы титано-кобальтовых сплавов на группу титано-тантало-кобальтовых ТТК). ТТ7К12 - используется при особо неблагоприятных условиях обработки сталей. ТТ10К8Б – сплав создан для тяжелых условий резания труднообрабатываемых материалов. ТТ20К9 - обладает хорошим сопротивлением термомеханическим и циклическим нагрузкам. ТТ8К6 - обладает хорошим сопротивлением абразивному истиранию, следовательно, повышается износоустойчивость при чистовой обработке. 2. Создание мелкозернистых и особомелкозернистых твердых сплавов (ВК6М, ВК6ОМ). Применяется при обработке труднообрабатываемых материалов особенно при работе в диапазоне скоростей наростообразования. Появляется возможность качественно получать режущие кромки у мелкоразмерных РИ. В состав мелкозернистых твердых сплавов дополнительно входят ТаС до 2% , ванадий до 1% как замедлители роста зерен. Дефицитный тантал может быть замене хромом; легирование твердого сплава карбидом хрома увеличивает твердость и прочность ИРМ при повышенных температурах. Примеры - ВК10ХОМ, ВК15ХОМ. 3. Использование безвольфрамовых твердых сплавов (ТН20, КНТ-16, ТВ4). КНТ16 - карбид-нитрид титана TiCN - 84%, NiMo - 16%. По применению аналог Т15К6. 4. Применение твердых сплавов с износостойкими покрытиями • Однослойные покрытия карбид титана ТiC, нитрид титана TiN, нитрид ниобия NbN, нитрид циркония ZrN толщиной 3-8 мкм. • однослойные покрытия Ti • Интерметаллидные композиционные покрытия (Mo+Cr)N, (Nb+Zr)N (Ti+Al)N толщиной 3-8 мкм. • Многослойные покрытия Al2O3+TiC+ TiCN+TiN + подложка Маркировка твердых сплавов производства зарубежных инструментальных фирм не раскрывает их химического состава. Например, сплав с маркировкой МС… расшифровывается как «Твердый сплав производства фирмы Москва – Сандвик». Сплав фирмы Сандвик GC4035 – твердый сплав с покрытием, имеющий относительно высокую твердость и прочность (первые 2 цифры от 0 до 50 указывают на относительную величину твердости, вторые две – на относительную прочность). Ввиду применения в мировом машиностроительном производстве большой доли твердосплавного инструмента зарубежных фирм - лидеров в инструментальном производстве, поставщики инструмента вместе с фирменной маркировкой обязаны также указывать маркировку по ISO. Твердые сплавы в маркировке подразделяются на 6 групп в соответствии с группой обрабатываемого материала: Буква обозначает твердый сплав, предназначенный для обработки такой же по обозначению группы материала (Р – сталь, К – чугун, М – нержавеющая сталь, N – алюминиевые и легкообрабатываемые медные сплавы, S - жаропрочные сплавы, Н – труднообрабатываемые материалы: закаленная сталь, отбеленный чугун). Цифра от 00 до 50 обозначает соотношение в ИРМ твердости и прочности. Чем больше цифра, тем выше прочность (больше Со), но меньше твердость (меньше WC). Например, сплав К15 по ISO предназначен для обработки чугуна, имеет достаточно высокую твердость, но малую прочность (значит, предназначен для чистовой обработки чугунов). Российский аналог ВК3. • Износостойкие покрытия Методы нанесения покрытий: • Химическое осаждения покрытия (ХОП – CVD); • Физическое осаждения покрытия (ФОП – PVD). Сравнение методов нанесения покрытий Параметры технологии PVD CVD Давление < 102 Па > 102 Па Температура основы < 500 º С > 500 º С Степень осаждения Высокая Низкая Структура Аморфная- тонкокристаллическая Кристаллическая с кромками Сцепляемость Труднее Легче Поры/трещины Редко возможны Параметры производства Размер партии Маленький Большой Возможность перекрытия Плохая Хорошая Требования к оборудованию Высокие Низкие Стоимость / шт. Высокая низкая Разновидности покрытий • TiC – первое покрытие в истории. Самая высокая твердость (износ по задней поверхности). Недостаточная сопротивляемость диффузионному и луночному износу, невысокая окислительная стойкость • TiN – наиболее часто применяемое покрытие. Высокая стабильность. Лучше по термической и диффузионной стойкости, чем TiC. Меньше наростообразование и луночный износ. Наносится обоими методами. • Ti(C,N) – также применяется в промышленности, как износостойкое покрытие. Часто наносится многослойным с увеличением доли углерода к поверхности. Хорошая износостойкость, но высокая хрупкость (отсюда многослойность). Хорошая теплостойкость • (Ti,Al)N – целью создания этого покрытия было увеличение оксидной стойкости, теплостойкости и износостойкости по сравнению с существующими покрытиями. Наивысшая окислительная стойкость по сравнению со всеми покрытиями. Применяется при высоких термических нагрузках. Наносится только PVD. • Al2O3 – как режущая керамика, обладает отличной сопротивляемостью истиранию и диффузионному износу при полном отсутствии окислительного износа. Свойства покрытий Абразивный износ Усталостная прочность Адгезионный износ Пластическая деформация Выкрашивание Образование острой кромки PVD - + + - + + CVD + O O + O - MT-CVD + O O + O - TiAlN + O + + - O Ti(C,N) + O O O O O Al2O3 ++ - + + - - TiN O O O O O O Инструментальная режущая керамика Материалы инертны по отношению к железу, поэтому обладают высокой износостойкостью, размерной стойкостью. Инертность к железу обеспечивает понижение химической активности и адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом. Разновидности керамики: 1. Оксидная на основе Al2O3 - ЦМ332, ВО13, ВШ75. Белая керамика, полученная путем плавления глинозема в печах 2. Оксидно-корбидная (Al2O3+TiC) - BOK60, BOK 71 и оксидно-нитридная (AL2O3+TiN) – картинит. Черная керамика. Для повышения прочности в состав могут вводиться тугоплавкие соединения W,Mo,Co(C,N). При этом материалы получают название керметы. 3. Нитридная керамика (Si3N4) – силинит-Р. Серая керамика, имеющая достаточно высокую прочность, что позволяет использовать ее на операциях фрезерования. Применяется в основном для обработки чугунов, цветных металлов, закаленных сталей. Могут быть использованы для чистовой и получистовой обработки нетермообработанных материалов. Особенности: - сравнительно невысокая прочность (И=450-650 МПа); - высокая теплостойкость порядка 1200-1400ОС; • высокие скорости резания (V300-400 м/с), требующие для их реализации металлорежущие станки с повышенной мощностью привода главного движения и жесткой технологической системой; • твердость порядка 20-30 * 103 HV; Материалы используются в виде сменных многогранных пластин (СМП) для оснащения сборных РИ. Синтетические сверхтвердые материалы (СТМ) Материалы инертны по отношению к железу, имеют низкий коэффициент трения. • Композиты используются для обработки железосодержащих материалов. Применяются в виде поликристаллов для лезвийных РИ. Широко применимые марки К01- эльбор Р, К02 – белбор, К05 – кубический нитрид бора, К10 – гексанит, К10Д – двухслойный материал с подложкой из ТС. Достоинства: высокая теплостойкость порядка 1500ОС, высокая твердость HV80 * 103. Недостаток: невысокая прочность И  500-800 МПа. Область применения: Точение закаленных сталей и чугунов. Фрезерование сталей любой твердости и чугунов. Режимная часть: скорость резания Vрез=1000-3000 м/мин, минутные подачи Sмин до 10-14 м/мин, глубина резания t2 мм. • Синтетические алмазы используются для обработки цветных металлов и сплавов. Применяются в виде поликристаллов для лезвийных РИ. Широко применимые марки: АСПК – карбонадо, АСБ - баллас. Особенности: теплостойкость порядка 600-950ОС, высокая твердость HV80 * 103. Недостаток: невысокая прочность И  500-800 МПа. Область применения: чистовая обработка цветных металлов и сплавов, титановых сплавов, неметаллических материалов. Режимная часть: скорость резания Vрез до 1000-3000 м\мин., глубины резания t до1 мм., подача на зуб Sz 0,03 - 0,3 мм/зуб. Уникальная особенность: при понижении скорости резания стойкость монотонно повышается в десятки и сотни раз.