Материалы для режущих и измерительных инструментов

Для изготовления основного режущего, измерительного и штампового инструмента применяют легированные инструментальныe стали. Особенностью инструментальной стали является наличие в ее структуре очень твердых карбидов хрома, вольфрама, ванадия и молибдена.

Хром обеспечивает хорошую прокаливаемость, высокую износостойкость и твердость.

Вольфрам способствует получению хорошей износостойкости.

Рис. 4.1 Сплавы из вольфрама

Рис. 4.2 Использование вольфрама в промышленности

Рис. 4.3 Изделия из вольфрама

Ванадий создает особенно стойкие карбиды и способствует приобретению природной мелкозернистости.

По сравнению с углеродистой инструментальной, легированная сталь обладает большей стойкостью при нагреве инструмента в работе и допускает большие скорости резания.

Легированная инструментальная сталь обладает большей пролив, чем углеродиаемостью чем углеродистая. Поэтому крупные инструменты изготовляют только из легированной стали. Кроме того, легированная инструментальная сталь, имея меньшую критическую скорость закалки, чем углеродистая, позволяет применять в качестве закалочной среды масло вместо воды. Благодаря этому после закалки в инструментах получается меньше трещин и других дефектов.

Стали для режущих инструментов. К режущим инструментам относятся резцы, сверла, метчики, фрезы, протяжки и т. д. Материал этих инструментов должен обладать высокой твердостью, износостойкостью, способностью сохранять свою твердость при разогреве.

Кроме того, режущие стали должны обладать достаточной прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломок инструмента в процессе работы. Твердость для металлорежущих инструментов должна быть НВ 600—650.

Эти стали в результате термической обработки (закалки и низкого отпуска) приобретают высокую твердость и износостойкость. Однако они не обладают повышенной устойчивостью против отпуска, значительно снижают твердость при нагреве свыше 250°С и поэтому могут применяться только для инструментов, предназначенных для обработки с небольшой скоростью резания материалов низкой прочности и твердости.

Инструментальные стали: X, 9ХС, ХВГ, ХВ5.

Высоколегированные инструментальные стали содержат вольфрам (до 18%), хром и ванадий и имеют высокую теплостойкость (600—640°С). Их используют для изготовления высокопроизводительного режущего инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных сталей и других труднообрабаты­ваемых материалов. Такие стали называют инст­рументальными быстрорежущими (ГОСТ 19265—73). Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, цифра после которой указывает содер­жание вольфрама. Содержание хрома (4%) и ванадия (2%) в марках быстрорежущих сталей не указывают. В некоторые быстрорежущие ста­ли дополнительно вводят молибден, кобальт и большое количество ванадия. Марки таких ста­лей содержат соответственно буквы М, К, Ф и цифры, указывающие их количество. Наиболее распространены: Р9, Р18, Р10К5Ф5, Р6М5, 11РЗАМЗФ2, Р6М5ФЗ, Р12ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р2АМ9К5 и т.д.

Сплавы твердые спеченные — материалы из высокотвердых и тугоплавких карбидов (вольфрама, титана, тантала), сцементирован­ных металлической связкой (кобальтом). Твердые спла­вы изготавливают методом порошковой металлургии путем прессования смеси порошков карбидов и кобальта в изделия необходимой формы и последующего спекания при 1250—1450°С в атмосфере водорода или в вакууме.

Твердые сплавы значительно превосходят быстрорежущую сталь по твердости, износостойкости и красностойкости (800—1000°С), уступая ей по прочности и вязкости.

Основная масса твердых сплавов применяется при обработке резанием металлических и неметаллических (пластмассы, стекла, резины и др.) материалов в виде пластин стандартной формы и размеров для оснащения рабочей части инструментов (резцов, фрез, сверл и др.) путем механического крепления или напайки. Кроме стандартных пластин, промышленность твердых сплавов выпускает монолитный (цельный) инструмент (сверла, фрезы и др.).

Замена быстрорежущей cтали твердыми сплавами при обработке резанием черных металлов (особенно труднообрабатываемых сталей и сплавов) позволяет повысить в 1, 5—2 раза и более скорость резания и в несколько раз увеличить стойкость инструмента.

Особенно большой эффект получается при применении для обработки резанием многогранных неперетачиваемых пластин из твердых сплавов, на которые наносятся однослойные или многослойные износостойкие по­крытия.

Крупными областями потребления твердых сплавов являются также горные и буровые работы. Буровой твердосплавный инструмент служит в несколько раз дольше, чем стальной. Спеченные твердые сплавы применяются также при бесстружковой обработке металлов (инструменты для волочения проволоки, прутков, труб; для холодной высадки метизов и штамповки различных изделий из листа или ленты), для изготовления износостойких деталей машин, приборов и приспособлений.

Сплавы спеченные твердые по ГОСТ 3882—84 делятся на три группы:

· вольфрамовые твердые сплавы, состоящие из карбида вольфрама и кобальта в качестве цементирующей связки;

· титано-вольфрамовые твердые сплавы, состоящие из карбидов вольфрама, карбидов титана и кобальта;

· титано-тантало-вольфрамовые твердые сплавы, состоящие из карбидов вольфрама, титана и тантала, связанных кобальтом.

Вольфрамовые твердые сплавы. Структура вольфра\мовых сплавов представляет собой частицы карбида вольфрама WC, связанные кобальтом.

Чем меньше в сплавах кобальта и мельче карбидные частицы, тем выше твердость, износостойкость сплава, но ниже прочность и вязкость. Вольфрамовые сплавы применяются для обработки резанием чугуна, цветных металлов, неметаллических материалов (пластмассы, стекла, резины, фибры и др.). труднообрабатываемых (нержавеющих, высокопрочных и жаропрочных) сталей и сплавов; для оснащения горного инструмента; для бесстружковой обработки металлов (волочение, штамповка); для изготовления быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений.

Марки твердых спеченных сплавов: ВК4, ВК6, ВК6-ОМ, ВК10-М, ВК15, ВК20, Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12, ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ20К9 и т.д.

Титано-вольфрамовые твердые сплавы. Эти сплавы обладают большей твердостью, износостойкостью и красностойкостью (900—1000 °С), чем вольфрамовые сплавы. Они имеют также меньший коэффициент трения и меньшую склонность к свариванию (слипанию) со стальной стружкой, чем вольфрамовые сплавы. Поэтому титано-вольфрамовые сплавы применяются для обработки резанием сталей, дающих непрерывную (сливную) стружку.

Твердость, износостойкость и красностойкость титано-вольфрамовых твердых сплавов возрастает с повышением содержания карбидов титана, но при этом одновременно снижается их механическая прочность и вязкость.

Титано-тантало-вольфрамовые сплавы. От титано-вольфрамовых сплавов сплавы данной группы отличаются большей прочностью и лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Они применяются для наи­более тяжелых условий резания (тяжелой черновой обработки стальных поковок и отливок), черновой и получистовой обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов и др.

Рис. 4.4 Титановые кольца

Повышение качества твердых сплавов, перспективы применения новых инструментальных материалов. Твердые сплавы хотя и являются высокопроизводительными инструментальными материалами, однако имеют существенный недостаток: они содержат большое количество дорогостоящих дефицитных металлов, к числу которых в первую очередь относится вольфрам. Острый дефицит вольфрама привел к необходимости создания безвольфрамовых твердых сплавов, которые по своим физико-механическим свойствам стали полноценными заменителями традиционных твердых сплавов.

Сплавы твердые спеченные безвольфрамовые (ГОСТ 26530—85) распространяется на безвольфрамовые твердые сплавы, предназначенные для оснащения режущего инструмента и для изготовления износостойких деталей.

Изделия из безвольфрамовых сплавов делают методом порошковой металлургии.

Создание безвольфрамовых твердых сплавов вызвано к жизни в первую очередь экономией остродефицитного вольфрама. Сплавы марок ТН20 и КНТ16 по своим основным свойствам не уступают традиционным вольфрамовым сплавам и успешно применяются взамен вольфрамовых и титано-вольфрамовых сплавов.

Безвольфрамовые сплавы отличаются пониженной адгезионной спо­собностью по отношению к обрабатываемому материалу и почти в 2 раза меньшей плотностью, чем сплавы, содержащие вольфрам.

Основу сплава ТН20 составляет карбид титана, а сплава КНТ16 — карбонитрид титана. Связующим материалом в обеих марках служат никель и молибден.

Безвольфрамовые сплавы успешно применяются также для сопел распылителей, вытяжных матриц, клапанов буровых насосов, колец и втулок плунжеров, деталей измерительной аппаратуры, деталей для микросварки, прессоснастки при изготовлении изделий из резины, оснащения мерительного инструмента (калибров, концевых мер длины и др.).