Углеродистая инструментальная сталь (У) – высокоуглеродистая (содержание углерода 0,65-1,29% C) закалённая сталь. Вплоть до первого десятилетия XX века углеродистая инструментальная сталь была единственным материалом, пригодным для изготовления металлорежущих инструментов. Из-за низкой температуро- и износостойкости инструментами из этой стали можно было обрабатывать углеродистые стали и чугуны с низкими скоростями резания (10–20 м/мин, в некоторых случаях — до 30 м/мин).
Основная область применения — это инструменты, работающие в условиях, не вызывающих интенсивного разогрева режущей кромки (топоры, стамески, пилы и т.п.) Углеродистые инструментальные стали нельзя применять в условиях, где температура в зоне резания возрастает свыше +250–+300°С — закалённый металл отпускается, теряет свою прочность и твёрдость. Выделяют два типа по составу: качественная (содержит примеси до 0,03% серы и до 0,035% фосфора) и высококачественная (сниженное содержание серы (до 0,02%) и фосфора (до 0,03%).
Быстрорежущая сталь (HSS) – высоколегированная сталь с содержанием тугоплавкого вольфрама с примесями хрома, молибдена, ванадия (содержание легирующих элементов около 20-35%). Разработана в 70-х гг. 19 века для увеличения скорости обработки.
Основная область применения в современном машиностроении — это свёрла, метчики, развёртки. Быстрорез эффективен до температур обработки в 550°-600°C. В этом диапазоне быстрорежущая сталь, как правило, подвергается термической перегрузке, и режущая кромка становится пластичной. Это ограничивает скорость резания для обработки стали в 40 м/мин.
Наиболее распространенными являются 4 типичных быстрорежущих материала: классический HSS, Р6М5; быстрорез с 5% кобальта Р6М5К5 (HSS-E); обогащенный кобальтом быстрорез с 8% Co Р6М5К8 (HSS-E Co8 или AISI M42) и спеченный HSS Р6М5К5-МП (HSS-PM).
Твёрдый сплав (HС) – сплав с высокими твёрдостью, прочностью, износостойкостью и другими свойствами, сохраняющимися при нагреве до высоких температур (900–1150 °C) получен в основном методом спекания. В спечённых твёрдых сплавах частицы высокотвёрдых соединений (преимущественно карбиды вольфрама, титана, тантала или их сочетания) омываются сетчатой прочной тугоплавкой связкой (кобальт, никель).
Выделяют три основных вида твёрдых сплавов на кобальтовой Co основе: ВК - на основе карбидов вольфрама (с минимальными <3% примесями других карбидов), ТК - на основе карбидов вольфрама и титана, ТТК - на основе карбидов вольфрама, титана и тантала. Первый промышленный выпуск и применение в 20-х гг 20в произвели промышленный переворот увеличив скорость резания в 10-20 раз по сравнению с быстрорежущими сталями.
Самый массовый инструментальный материал. Области применения не ограничиваются металлообработкой и включают производство подшипников, горнодобывающее оборудование, измерительный инструмент и другие. За всё время разработано и выпускается сотки марок твёрдого сплава (различными производителями). Основными отличительными особенностями выпускаемых твёрдых сплавов является технология спекания, постобработка и технологии нанесения износостойких покрытий, которые увеличивают стойкость металлорежущих пластин в разы.
Основные разработки в настоящее время сконцентрированы на совершенствовании методов и технологий нанесения покрытий с их постобработкой, в то время как улучшения в структурном изменении в процессе спекания хоть до конца и не изучены, но достигли некого предела.
Кермет (HT) – твердая фаза в Кермете примерно на 90 % состоит из карбо нитридов титана, а не из Вольфрама. Связующее вещество в основном состоит из никеля, но существуют также сплавы на основе связки никеля с кобальтом. Твёрдый сплав с карбидом вольфрама вступает в реакцию со сталью и образуются наросты на режущей кромке что приводит к сколам и преждевременному разрушению режущей кромки. Химическая стабильность твердого сплава на основе TICN намного выше, чем у сплавов на основе WC, поэтому кромка изнашивается лишь незначительно по задней поверхности – износ стабильный и прогнозируемый. Теплопроводность Кермета намного ниже, чем у вольфрам содержащего твердого сплава, что позволяет работать в длительном контакте с обрабатываемой поверхностью.
Материал разработан в 40-е гг 20 века в качестве нового теплостойкого сплава для металлообработки в условиях нехватки Вольфрама. Титан входит в десятку наиболее доступных материалов в земной коре. Вольфрама в 10 раз меньше.
Благодаря своим достаточным прочностным и повышенным термостойким характеристикам кермет нашёл своё основное применение в качестве чистового инструмента в условиях продолжительного контакта с обрабатываемой деталью, при сохранении размерной стойкости, стабильной форме получаемых поверхностей, с превосходным (лучше твёрдого сплава) качеством поверхности.
Керамика (CA, CN) - инструментальные материалы на основе неорганических соединений (оксидов, карбидов, нитридов) широко распространённых на земной поверхности. Керамические режущие материалы обладают высокой твердостью, теплостойкостью (1100°-1200°С) и не вступают в реакцию с материалом заготовки (низкие адгезионные свойства). Они существенно отличаются от традиционных твёрдых сплавов и позволяют вести обработку на гораздо более высоких скоростях. Различают два основных типа керамики: на основе оксида алюминия (Al2O3) – CA и на основе нитрида кремния (Si3N4) - CN.
Керамику на основе оксида алюминия (Al2O3) можно разделить на три подгруппы:
● Керамика на основе чистого оксида. Цвет чистой керамики при холодном прессовании белый. Применение: точение ферритных ковких чугунов и незакалённых конструкционных сталей при скоростях свыше 250 м/мин.
● Благодаря своей высокой теплостойкости смешанная керамика (Al2O3-TiC и Al2O3-TiN) имеет относительно широкий диапазон применения: обработка ковких, высокопрочных и отбелённых чугунов, закалённых сталей (до 65 HRC), медь и никелевые сплавы.
● Вискеризованная (армированная) керамика - армированная нитевидными волокнами SiC (карбид кремния), получаемая из отдельных кристаллических волокон, известных как нитевидные кристаллы, обладает высокой прочностью на растяжение и хорошей устойчивостью к тепловым ударам благодаря своей прочности. Она предпочтительно используется для обработки жаропрочных сплавов.
Керамика на основе нитрида кремния (Si3N4):
По сравнению с твердым сплавом керамика на основе нитрида кремния обладает лучшей твердостью при нагревании, но меньшей прочностью на разрыв. При этом её прочность выше, чем у керамики на основе оксида алюминия (Al2O3), но Si3N4 не обладает химической стабильностью как Al2O3 при обработке длинно стружечных сталей. Керамика на основе нитрида кремния (Si3N4) идеально подходит для резания серого чугуна со скоростью до 1000 м/мин и жаропрочных сплавов с гораздо более высокими скоростями резания, чем для твердого сплава.
Кубический нитрид бора (CBN) – синтетический материал, по твёрдости уступающий только алмазу, при этом не вступает во взаимодействие со сталью, в отличие от алмаза. Его получают из гексагонального нитрида бора (который похож на графит и является смазкой) в условиях высоких давлений и температур, процесс аналогичен получению поликристаллического алмаза. Обладает выдающимися эксплуатационными характеристиками благодаря высокому уровню твердости при нагревании до экстремальных температур (1800°C) – не окисляется на воздухе. Характеристики режущего материала CBN можно варьировать, изменяя размер кристаллов, содержание и тип связующего, используемого для изготовления.
Низкое содержание нитрида бора в сочетании с керамической связкой имеет более высокую износостойкость и химическую стабильность. Таким образом, эта комбинация особенно подходит для обработки деталей из закаленной стали (требуемая минимальная твердость = 50 HRc) методом непрерывного резания.
При большем содержании нитрида бора прочность на изгиб увеличивается. Эта комбинация подходит для обработки деталей из закаленной стали прерывистым резанием, перлитно-серого чугуна, мартенситно-серого чугуна (HRc 39-45) и чугуна с шаровидным графитом (> 600 Н/мм2).
Материал был открыт в 1842г, но более 100 лет не находил применения. Лишь в конце 50-х гг. 20 века наладили промышленный выпуск CBN и спустя более 10 лет он нашёл своё место в промышленности при обработке закалённых сталей.
Поликристаллический алмаз (PCD) – в отличии от монокристалла алмаза PCD представляет собой слой из множества мельчайших беспорядочно ориентированных кристаллов синтетического алмаза, спеченных вместе под действием высокого давления и температуры. Для удержания алмазных зёрен между ними добавляется металлическая связка (обычно кобальт). Этот алмазосодержащий слой напаивается на твёрдосплавную основу, которая обеспечивает прочность и удобство крепления в корпусном инструменте. Ключевое преимущество заключается в случайной ориентации кристаллов – это означает что у инструмента нет «слабых» мест. При работе износ равномерно обнажает новые острые кромки, что обеспечивает стабильный и предсказуемый износ.
Синтез первых искусственных алмазов был произведён в 50-х гг 20 века и относительно быстро нашёл своё применение в металлообработке – уже в 70-х гг запущено в производство первая пластина PCD на подложке из твёрдого сплава.
Основной областью применения PCD является обработка цветных металлов: абразивных алюминиевых сплавов (с содержанием кремния >12%), медных и магниевых сплавов. Алюминиевые сплавы обладают превосходными механическими характеристиками. Их рабочие температуры обычно низкие, и они способны выдерживать высокие температуры резания. Однако крупные твердые частицы кремния приводят к чрезмерно быстрому увеличению износа режущей кромки. PCD также используется для обработки других абразивных неметаллических материалов, таких как, например, композитные материалы, синтетические смолы, резина, пластик, графит и т.д. Из-за высокой степени хрупкости PCD требует стабильных условий, жестких инструментов и станков, а также высоких скоростей резания. Из-за минимальной адгезионной способности PCD по сравнению с алюминием образование наростов на краях уменьшается или полностью пропадает.
Недостатком этого режущего материала является недостаточная химическая стабильности PCD при высоких температурах (более 600°C), а также сродство с железом - его нельзя использовать для обработки сталей и чугунов, а также для жаропрочных сплавов. Это происходит из-за того, что атомы углерода вступают в реакцию с материалом детали с образованием карбида железа и могут привести к разрушению структуры алмаза.
Нашли статью полезной?
Теперь вы знаете теорию. А мы поможем с практикой — проектируем и производим специальный металлорежущий инструмент для современных производств. Для ознакомления с нашей продукцией переходите на наш сайт.
Мы есть в ВКонтакте, Телеграм-канал, присоединяйтесь, там мы рассказываем подробнее о нашей деятельности и делимся полезностями!