Твердые сплавы. Режущие керамики. Синтетические сверхтвердые материалы. Материалы для нерабочей части режущих инструментов.

Лекция 2. Твердые сплавы. Режущие керамики. Синтетические сверхтвердые материалы. Материалы для нерабочей части режущих инструментов. Структура использования инструментальных материалов в РФ Сравнительный анализ структуры использования инструментальных материалов в мире и в РФ показывает, что в мировом масштабе значительно шире применяются твердые сплавы (около 50%). Доля применения быстрорежущих сталей составляет порядка 18%, кубического нитрида бора – 6%. Штамповые стали занимают в структуре около 2%, абразивные материалы порядка 17%. С точки зрения перспективности использования следует выделить: твёрдые сплавы, режущие керамические материалы, кубический нитрид бора (КНБ) — материалы, имеющие тенденцию повышения их доли в структуре использовании для изготовления режущего инструмента. Тенденция снижения характерна для быстрорежущих сталей и абразивных материалов. Твердые сплавы Твердые сплавы получают путем предварительного прессования под давлением до 400 МПа и последующего спекания при температурах 1500…1550°C порошков вольфрама, титана, тантала, графита, кобальта. Графит с тугоплавкими металлами образует карбиды – WC, TiC, TaC, кобальтом служит металлической основой. Твердые сплавы обеспечивают скорости резания до 300 м/мин. Твердость – 86…92 HRA. Вольфрамосодержащие твердые сплавы подразделяются на три группы: Вольфрамовая группа. Примеры марок: ВК2, ВК3, ВК3М, ВК4В, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК10ОМ, ВК15М – однокарбидные твердые сплавы. Цифра после буквы «К», указывает на процентное содержание кобальта; остальное – карбиды вольфрама. Буквы, стоящие в конце маркировки, говорят о размере в поперечном сечении зерен (мкм): – М: 1…1,5 мкм (мелкозернистый); – ОМ: 0,5…1 мкм (особомелкозернистый); – В: 3…5 мкм (крупнозернистый); При отсутствии букв в конце марки – зерно обычное, в пределах 2 мкм. Мелкозернистые сплавы имеют более плотную структуру, более износостойкости, но они наименее прочные. Крупнозернистые сплавы являются более прочными, лучше сопротивляются ударным нагрузкам и вибрациям, но менее износостойкости. Сплавы этой группы предназначены для обработки материалов, дающих стружку скалывания (чугунов, цветных металлов), а также для резания труднообрабатываемых сталей и сплавов (сплавы ВК8, ВК8В, ВК10ОМ, ВК15М). Титановольфрамовая группа. Примеры марок, расположенных в последовательности от чистовой к черновой обработке: Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12 – двухкарбидные твердые сплавы. Цифра, стоящая после буквы «К», как и выше, указывает на процентное содержание кобальта; цифра после буквы «Т» показывает процентное содержание в сплаве карбидов титана; остальное – карбиды вольфрама. Эти сплавы предназначены для резания материалов, дающих сливную стружку. Титанотанталовольфрамовая группа. Примеры марок: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ20К9 – трехкарбидные твердые сплавы. Цифра, стоящая после буквы «К», указывает на процентное содержание кобальта, «ТТ» указывают на общее содержание карбидов титана и тантала; остальное – карбиды вольфрама. Сплавы этой группы достаточно хорошо работают по материалам, дающим как сливную стружку, так и стружку скалывания. Они обладают наибольшими эксплуатационной прочностью и сопротивлениями ударам при достаточно высокой износостойкости. Рекомендуются при резании труднообрабатываемых металлических материалов. Твердые сплавы указанных трех групп включены в ГОСТ 3882-74. Из твердых сплавов изготавливают, в частности, пластины для напайки и для механического крепления к корпусам различных инструментов, монолитные твердосплавные инструменты, имеющие поперечные сечения, не превышающие 12 мм (сверла, развертки и др.). Твердые сплавы в системе ISO. Согласно стандарту 513-75 ISO твердые сплавы разделены на три группы: Р – для резания металлов, дающих сливную стружку; К – для обработки металлов, дающих стружку скалывания; М – сплавы промежуточной группы, предназначенные также для резания металлов и труднообрабатываемых материалов. Марки твердых сплавов в системе ISO, расположенные в порядке «от чистовой до черновой обработки» (в скобках указаны аналоги производства РФ согласно ГОСТ 3882-74): – Р01 (Т30К4), Р10 (Т15К6), Р20 (Т14К8), Р25 (ТТ20К9), РЗО (Т5К10), Р40 (Т5К12), Р50 (ТТ7К12); – К01 (ВКЗ, ВКЗМ), К10 (ВК6М), К20, К30 (ВК6, ВК6М), К40 (ВК8), К50 (ВК10); – М10 (ТТ8К6), М20 (ТТ10К8Б), МЗО (ВК10ОМ), М40 (ТТ7К12). Безвольфрамовые твердые сплавы. В целях экономии дефицитного вольфрама разрабатываются безвольфрамовые твердые сплавы. Примеры марок безвольфрамовых твердых сплавов, внесенных в ГОСТ 26530-85: – сплав ТН20 содержит 79% TiC, 15% Ni и 6% Mo. Сплав рекомендуется для получистового и чистового непрерывного точения материалов, дающих сливную стружку и стружку скалывания, а также для чистового и получистового торцового фрезерования чугуна; – Сплав КНТ16 содержит 74% TiCN, 19,5% Ni и 6,5% Mo. Сплав эффективен в условиях получистового и получернового непрерывного точения, а также при чистовом и получистовом фрезеровании чугунов, сталей и цветных металлов. Новые марки твердых сплавов: – ВК10-ХОМ и ВК15-ХОМ — особомелкозернистые сплавы с добавкой 2 % карбида хрома; рекомендуются для изготовления монолитных инструментов малых размеров. Обладают высокими режущими свойствами и применяются при резании труднообрабатываемых материалов; – сплавы группы ХТМ — ультрамелкозернистые, предназначенные для получистового и чистового резания наиболее труднообрабатываемых материалов на никелевой и титановой основах. Режущие керамики Материалы под названием «минералокерамика» или «режущая керамика», применяются для оснащения режущих инструментов. Допускаемые скорости резания до 600 м/мин.. По сравнению с твердыми сплавами они имеют ряд преимуществ : – высокая твердость (до 95 HRA); – теплостойкость (до 1400°C); – износостойкость; – химически инертны по отношению к металлам; – исходным сырьем для режущих керамик является дешевый глинозем; К недостаткам режущих керамик следует отнести их пониженную прочность. Режущие керамики подразделяются на три группы. К первой группе относятся оксидные (белые) керамики на основе оксида алюминия: ЦМ332, ВО13, ВОН, ВО15, ВШ75. Наиболее распространенными в настоящее время являются режущие керамики ВО13 и ВШ75, содержащие кроме оксида алюминия до 0,6% оксида магния. ВО13 отличаются технологиями получения: первую получают методом холодного прессования с дальнейшим ступенчатым спеканием; вторую – методом горячего прессования. Керамика ВШ77 обладает повышенным пределом прочности при изгибе (до 550 МПа); у режущей керамики ВО13 этот показатель не превышает 450 МПа. Эти керамики рекомендуются для чистовой и получистовой обработок сталей и чугунов в состоянии поставки. Ко второй группе относятся оксидно-карбидные (смешанные черные) режущие керамики, являющиеся по составу промежуточной композицией между оксидными керамиками и твердыми сплавами. В качестве карбидной составляющей применяют смесь WC, Mo2C и TiC в количестве от 20 до 40%; остальное Al2O3. Марки: В-3, ВОК-60, ВОК-63, ВОК-71, ВОК-95. Эти материалы рекомендуются для чистовой и получистовой обработки чугунов и сталей, в том числе для закаленных до 57…64 HRC. К третьей группе относится нитридно-кремниевая керамика СилинитР. Она содержит 36,6% Si3N4, 41,8% TiN, 15,4% Al2O3 и 6,2% AlN. Предназначена для чистовой и получистовой обработки углеродистых конструкционных и инструментальных сталей твердостью до 70 HRC, а также серых и отбеленных чугунов. Рекомендуемые скорости резания до 300...350 м/мин, подачи 0,005...0,7 мм/об. Глубины резания 0,1...5,0 мм. Может работать в условиях прерывистого точения и торцового фрезерования, когда инструменты испытывают динамические нагрузки. Предел прочности Силинит-Р при изгибе достигает 700 МПа, твердость до 94…96 HRC. Из режущих керамик изготавливают трех- и четырехгранные пластины без отверстий для токарных резцов и торцовых фрез. Синтетические сверхтвердые материалы Алмазы синтетические допускают скорости резания до 700 м/мин, рекомендуются для обработки различных конструкционных материалов, в том числе и труднообрабатываемых, но не содержащих в своем составе углерод. Это связано с тем, что синтетические алмазы, основой которых является углерод, химически активны по отношению к железоуглеродистым сплавам (сталям и чугунам) и поэтому быстро разрушаются. Синтетические алмазы применяют: – для оснащения токарных резцов и торцовых фрез. Режимы резания соответствуют чистовой обработке: глубина резания 0,01…0,3 мм; подача 0,01…0,1 мм/об; – для алмазных карандашей, роликов и брусков для правки шлифовальных кругов; – для алмазных кругов, применяемых для шлифования; – для алмазных брусков и свободных порошков и паст, применяемых для притирки прецизионных деталей. Торговые марки: баллас, карбонадо, карбонит. Кубический нитрид бора содержит углерод и поэтому является химически инертным при резании железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов, в том числе и закаленных. Допускают скорости резания до 3000 м/мин, твердость несколько ниже твердости синтетического алмаза. Торговые марки: композит-01 (эльбор-Р), композит-05 (КНБ), композит-10 (гексанит). Материалы для нерабочей части режущих инструментов С целью экономии дорогостоящих инструментальных материалов державки резцов, корпуса фрез и других режущих инструментов изготавливают из конструкционных сталей 45 и 40Х, имеющих твердость 32...42 HRC. В ряде случаев нерабочую часть изготавливают из углеродистых или легированных сталей, закаливая их на максимальную твердость. Повышение стойкости инструментов Значимым приоритетных путей снижения затрат на инструмент является повышение его стойкости, и тем самым снижение расхода режущего инструмента при изготовлении заданной программы выпуска деталей. В частности, повышение износостойкости контактных площадок режущего инструмента может быть обеспечено применением различных методов поверхностной упрочняющей обработки. Одним из методов поверхностного упрочнения инструментальных материалов является напыление материалов с высокими эксплуатационными свойствами. При этом деталь изготавливается из наиболее подходящего задаче конструкционного материала (например, быстрорежущая сталь) а места, подверженные износу, покрываются тонким (от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров) покрытием из износостойкого материала — карбид и нитрид титана. Одним из путей повышения стойкости и, как следствие, работоспособности режущего инструмента с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа со слоями с различными физикомеханическими свойствами. Наличие в покрытии верхнего слоя, обладающего высокими твердостью и контактными характеристиками, способствует снижению интенсивности износа режущего инструмента с многослойным покрытием. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой оно должно иметь в своем составе нижний слой с высокими адгезионными свойствами. Кроме того, увеличение твердости нижнего слоя покрытия также способствует дополнительному снижению интенсивности износа режущего инструмента с многослойным покрытием. Метод экономичен, так как напылению подвергают только те поверхности, которые работают в условиях интенсивного изнашивания. Толщина каждого слоя таких покрытий может составлять нескольких нанометров, что позволяет предельно уменьшить количество различных дефектов и увеличить срок эксплуатации инструмента. Контрольные вопросы 1. Какой металл служит металлической основой при изготовлении твердого сплава на основе технологий порошковой металлургии? 2. Укажите параметры допустимой скорости резания при использовании инструментов, режущая часть которых выполнена из твердых сплавов. 3. Определите по марке сплава ВК8 его состав и укажите назначение. 4. Какой твердый сплав из указанных марок целесообразно использовать при чистовом точении: Т5К10, Т30К4? 5. Цель разработки безвольфрамовых твердых сплавов? 6. Определите по марке сплава ВК10-ХОМ его состав и укажите назначение. 7. Раскройте преимущества и недостатки режущих керамик. 8. Какую марку режущих керамик : ВШ75 или ВОК-60 целесообразно использовать при точении закаленных сталей?