Основні інструментальні матеріали: види, марки, властивості, характеристика, матеріали виготовлення

Основні вимоги до інструментальних матеріалів — наявність твердості, стійкості до зношування, дії тепла та ін. Відповідність цим критеріям дозволяє здійснювати різання. Щоб здійснити впровадження в поверхневі шари виробу, що піддається обробці, леза для різання робочої частини повинні бути зроблені з міцних сплавів. Твердість може бути природною або набутою. Приміром, інструментальні сталі заводського виготовлення легко ріжуться. Після обробки механічним і термічним способом, а також шліфування і заточування, рівень їх міцності і твердість підвищується.

Як визначається твердість?

Характеристику можна визначити різними способами. Інструментальні сталі мають твердість за Роквеллом, твердість має цифрове позначення, а також літерне HR зі шкалою А, В або С (наприклад, HRC). Вибір інструментального матеріалу залежить від виду оброблюваного металу. Самий стійкий рівень функціонування і низька зношуваність лез, які пройшли термічну обробку, може бути досягнута при показнику HRC 6364. При більш низькому показнику властивості інструментальних матеріалів не настільки високі, а при високій твердості вони починають кришитися з-за крихкості. Метали, що володіють твердістю HRC 30-35 чудово піддаються обробці залізними інструментами, що пройшли термічну обробку з показником HRC 63-64. Таким чином, співвідношення показників твердості становить 1:2. Для оброблення металів з 45-55 HRC слід застосовувати пристосування, основу яких складають тверді сплави. Показник їх становить HRA 87-93. Матеріали на основі синтетики можна застосовувати при обробці сталей, які зазнали загартуванню.

Міцність інструментальних матеріалів

В процесі різання на робочу частину впливає сила 10 кН і вище. Вона провокує висока напруга, що може спричинити за собою руйнування інструменту. Щоб цього не сталося, матеріали для різання повинні володіти високим коефіцієнтом міцності. Кращим поєднанням характеристик міцності мають інструментальні сталі. Робоча частина, виконана з них, прекрасно витримує сильне навантаження і може функціонувати при стиску, крученні, згину та розтягу.

Вплив критичної температури нагрівання на леза інструменту

При виділенні теплоти при різанні металів нагрівання схильні їх леза, більшою мірою - поверхні. При показнику температури нижче критичної позначки (для кожного матеріалу вона своя) структура і твердість не змінюються. Якщо температура нагрівання стає вище допустимої норми, то рівень твердості падає. Критичну температуру називають красностойкостью.

Що означає термін «червоностійкість»?

Красностойкостью називається властивість металу при нагріванні до температури 600 °С світитися темно-червоним кольором. Термін передбачає збереження металом твердості і стійкості до зношування. По своїй суті це здатність протистояти дії високої температури. Для різних матеріалів існує своя межа, від 220 до 1800 °С.

За рахунок чого може бути збільшена працездатність ріжучого інструменту?

Інструментальні матеріали різального інструменту відрізняються підвищеною функціональністю при підвищенні температурної стійкості і поліпшення відведення теплоти, що виділяється на лезі при різанні. Теплота сприяє підвищенню температури. Чим більше теплоти відведено від леза вглиб пристрою, тим нижчий показник температури на його контактної поверхні. Рівень теплопровідності залежить від складу і нагріву. Наприклад, вміст у сталі таких елементів, як вольфрам і ванадій, викликає зниження рівня її теплопровідності, а домішки титану, кобальту і молібдену викликає його підвищення.

Від чого залежить коефіцієнт тертя ковзання?

Показник коефіцієнта тертя ковзання знаходиться в залежності від складу і фізичних властивостей контактуючих пар матеріалів, а також від значення напруги на поверхнях, які зазнали тертя і ковзання. Коефіцієнт впливає на стійкість до зношування матеріалу. Взаємодія інструменту з матеріалом, що зазнали обробці, протікає при постійному рухомому контакті. Як себе ведуть в цьому випадку інструментальні матеріали? Види їх в рівній мірі зношуються. Їх характеризує:

здатність прати метал, з яким він контактує;

здатність проявляти стійкість до зношування, тобто чинити опір стирання іншого матеріалу.

Знос лез відбувається постійно. В результаті цього пристосування втрачають свої властивості, а також змінюється форма їх робочої поверхні. Показник зносостійкості може змінюватися в залежності від умов, при яких протікає різання.

На які групи поділяються інструментальні сталі?

Основні інструментальні матеріали можна підрозділити на наступні категорії:

металокераміка (тверді сплави);

кермети, або мінеральна кераміка;

нітрид бору на основі синтетичного матеріалу;

алмази на синтетичній основі;

інструментальні стали на вуглецевій основі.

Інструментальне залізо може бути вуглецевої, легованим і швидкорізальним.

Інструментальні сталі вуглецевої на основі

Вуглецеві речовини стали використовувати для виготовлення інструментів. Їх швидкість різання невелика. Як маркуються інструментальні сталі? Матеріали позначаються літерою (наприклад, «У» означає вуглецева), а також цифрою (показники десяті частки відсотка вмісту вуглецю). Присутність букви «А» в кінці маркування свідчить про високу якість сталі (вміст таких речовин, як сірка і фосфор, не перевищує 003 %). Вуглецевий матеріал характеризує твердість з показником HRC 62-65 та низький рівень стійкості до температур. Марки інструментальних матеріалів У9 і У10А застосовуються при виготовленні пив, а серії У11 У11А і У12 призначені для ручних мітчиків та ін. інструментів. Рівень стійкості до температури сталей серії У10А, У13А становить 220 °С, тому інструмент з таких матеріалів радиться використовувати при швидкості різання 8-10 м/хв.

Легированное залізо

Легований інструментальний матеріал може бути хромистим, хромокремнистим, вольфрамовим і хромовольфрамовим, з домішкою марганцю. Такі серії позначаються числами, а також вони володіють буквеної маркуванням. Перша ліва цифра свідчить про коефіцієнт вмісту вуглецю в десятих частках у разі, якщо вміст елемента становить менше 1%. Праві цифри символізують середній показник легуючої складової у відсотках. Марка інструментального матеріалу Х придатна для виготовлення мітчиків і плашок. Сталь В1 застосовується для виготовлення свердел невеликого розміру, мітчиків і розгорток. Рівень стійкості до температурі в легованих речовин становить 350-400 °С, тому швидкість різання в півтора рази більше, ніж для вуглецевого сплаву.

Для чого застосовують високолеговані сталі?

Різні інструментальні матеріали швидкого різання використовуються при виготовленні свердел, зенкеров і мітчиків. Вони маркіруються буквами, а також цифрами. Важливими складовими матеріалів є вольфрам, молібден, хром і ванадій. Швидкорізальні сталі діляться на дві категорії: нормальні і з підвищеним рівнем продуктивності.

Стали з нормальною продуктивністю

До категорії заліза з нормальним рівнем продуктивності можна віднести марки Р18 Р9 Р9Ф5 і вольфрамові сплави з домішкою молібдену серії Р6МЗ, Р6М5 які зберігають твердість не нижче HRC 58 при 620 °С. Матеріал придатний для оброблення сталей з вмістом вуглецю і низьколегованої категорії, сірого чавуну і кольорових сплавів.

Стали з підвищеною продуктивністю

До цієї категорії можна віднести марки Р18Ф2 Р14Ф4 Р6М5К5 Р9М4К8 Р9К5 Р9К10 Р10К5Ф5 Р18К5Ф2. Вони здатні зберігати показник 64 HRC при температурі від 630 до 640 °С. У цю категорію входять надтверді інструментальні матеріали. Вона призначена для заліза та сплавів, які обробляються з працею, а також для титану.

Тверді сплави

Такі матеріали бувають:

металокерамічними;

мінеральними керамічними.

Форма пластин знаходиться в залежності від властивостей механіки. Такі інструменти функціонують при високій швидкості різання в порівнянні з швидкорізальним матеріалом.

Металокераміка

Тверді сплави з металокераміки бувають:

вольфрамовими;

вольфрамовими з вмістом титану;

вольфрамовими з включенням титану і танталу.

Серія ВК включає вольфрам і титан. Інструменти на основі цих складових володіють підвищеною зносостійкістю, але рівень опору ударів у них низький. Пристосування на такій основі використовують для оброблення чавуну. Сплав з вольфраму, титану і кобальту застосуємо до всіх видів заліза. Синтез вольфраму, титану, танталу і кобальту використовується в особливих випадках, коли інші матеріали виявляються малоефективними. Тверді сплави характеризуються високим рівнем стійкості до температурі. Матеріали з вольфраму можуть зберегти своє властивість з показником HRC 83-90 а вольфрамові з титаном — з HRC 87-92 при температурі від 800 до 950 °С, що дає можливість функціонування на високій швидкості різання ( від 500 м/хв до 2700 м/хв при обробці алюмінію). Для оброблення деталей, що володіють стійкістю до іржавіння і підвищеній температурі, застосовуються інструменти з серії дрібнозернистих сплавів ОМ. Марка ВК6-ОМ підходить для чистового оброблення, а ВК10-МУ і ВК15-ОМ — для получистового і чорнового. Ще більшою ефективністю при роботі з «важкими» деталями мають надтверді інструментальні матеріали серії BK10-XOM і ВК15-ХОМ. В них карбід танталу замінений на карбід хрому, що робить їх більш міцними навіть при впливі високої температури. Щоб підвищити рівень міцності пластини з твердого речовини, вдаються до її покриття захисною плівкою. Застосовується карбід, нітрид і карбоніт титану, який наноситься дуже тонким шаром. Товщина становить від 5 до 10 мкм. В результаті утворюється шар дрібнозернистого карбіду титану. Рівень стійкості таких пластин у три рази вище, ніж у пластин без спеціального покриття, що підвищує швидкість різання на 30%. У деяких випадках застосовуються матеріали з металокераміки, які виходять з алюмінієвої окису з додаванням вольфраму, титану, танталу і кобальту.

Мінеральна кераміка

Для різального інструменту застосовують мінеральну кераміку ЦМ-332. Їй властива стійкість до підвищеної температури. Показник твердості HRC становить від 89 до 95 при 1200 °С. Також матеріал характеризується зносостійкістю, що дозволяє вести обробку сталі, чавуну і кольорових сплавів при високих швидкостях різання. Щоб виготовити ріжучі інструменти, також використовують кермет серії Ст. Його основу складають оксид і карбід. Введення до складу мінеральної кераміки карбіду металу, а також молібдену і хрому, сприяє оптимізації фізико-механічних властивостей кермета і усуває його ламкість. Підвищується швидкість різання. Напівчистова та чистова обробка пристосуванням на основі кермета застосовується для сірого, ковкого чавуну, важко оброблюваної сталі та ряду кольорових металів. Процес проводиться зі швидкістю 435-1000 м/хв. Кераміка для різання відрізняється стійкістю до впливу температури. Її твердість по шкалі становить HRC 90-95 при 950-1100 °С. Для оброблення заліза, що пройшов гарт, міцного чавуну, а також склопластику використовується знаряддя, ріжуча частина якого виготовлена з твердих речовин, що містять нітрид бору і алмази. Показник твердості ельбор (нітрид бору) приблизно такий же, як і у алмазу. Його стійкість до температури в два рази вище, ніж у останнього. Ельбор відрізняється інертністю до залізних матеріалах. Межа рівня міцності його полікристалів при стисканні становить 4-5 ГПа (400-500 кгс/мм 2 ), а при згинанні - 07 ГПа (70 кгс/мм 2 ). Стійкість до температури має до межі 1350-1450 °С. Також слід зазначити алмаз на синтетичній основі баллас серії АСБ і карбонадо серії АСПК. Хімічна активність останнього до містить вуглець матеріалів більш висока. Саме тому він застосовується при заточуванні деталей з кольорових металів, сплавів з високим вмістом кремнію, твердих матеріалів ВК10 ВК30 а також неметалевих поверхонь. Показник стійкості різців карбонаду - у 20-50 разів більше рівня стійкості твердих сплавів.

Які сплави одержали поширення в промисловості?

В усьому світі випускаються інструментальні матеріали. Види, що вживаються в Росії, США і в Європі, здебільшого не містять вольфрам. Вони належать до серії КНТ016 і ТН020. Ці моделі стали заміною марок Т15К6 Т14К8 та ВК8. Вони застосовуються для оброблення сталей для конструкцій, нержавійки та інструментальних матеріалів. Нові вимоги до інструментальних матеріалів обумовлені дефіцитом вольфраму і кобальту. Саме з цим фактором пов'язано те, що в США, країнах Європи і Росії постійно розробляються альтернативні методи отримання нових твердих сплавів, що не містять вольфрам. Приміром, інструментальні матеріали виготовлення американської компанії Adamas Carbide Co серії Titan 506080 100 містять карбід, титан і молібден. Збільшення номери свідчить про ступеня міцності матеріалу. Характеристика інструментальних матеріалів цього випуску передбачає високий рівень міцності. Приміром, серія Titan100 володіє міцністю 1000 МПа. Вона є конкурентом кераміки.