Матеріали для виготовлення різальних інструментів
Основні інструментальні матеріали. Різальний інструмент при знятті стружки перебуває під дією високих тисків і температур. Тому до матеріалів, з яких виготовляється різальна частина інструмента, пред’являються дуже високі вимоги. Вони повинні володіти такими властивостями: твердістю, що перевищує твердість оброблюваного матеріалу; високою зносостійкістю; високою теплостійкістю; значною механічною міцністю і достатньою в’язкістю. Основними інструментальними матеріалами є: вуглецеві інструментальні сталі; леговані інструментальні сталі; тверді сплави; мінералокерамічні матеріали.
Вуглецеві інструментальні сталі, що використовуються для виготовлення різальних інструментів, містять 0,9-1,3% С (У10, У11, У12, У13). Збільшення його вмісту в сталі підвищує її твердість і крихкість. Твердість загартованої і відпущеної вуглецевої інструментальної сталі досягає НRС 60...63. Оскільки ця сталь володіє низькою теплостійкістю і втрачає твердість при нагріванні до 200...250ºС, то її вживання обмежене. З вуглецевої сталі виготовляють інструменти, що працюють з швидкостями різання, які не перевищують 15...18 м/хв.: мітчики, плашки, ручні розгортки, напилки, шабери, ножові полотна
та ін.
Леговані інструментальні сталі. Введення в інструментальну сталь легуючих добавок: Сr, V, Мо, W та ін. підвищує її міцність, прожарювання, в’язкість, стійкість проти зносу, теплостійкість. Виготовлені з легованих сталей інструменти володіють більш високими різальними властивостями, менш схильні до деформацій і появи тріщин при загартуванні. Але у зв’язку з тим, що теплостійкість легованих інструментальних сталей зазвичай не перевищує 300ºС, виготовлені з них інструменти можна використовувати лише для роботи при помірних швидкостях різання (15...25 м/хв.). З них виготовляють свердла, розгортки, мітчики, плашки, протяжки та ін.
Швидкорізальні сталі – леговані інструментальні сталі, що містять значну кількість вольфраму (8,5...19 %), хрому – X (3,8...4,4 %), молібден – М, ванадій – Ф, кобальт – К, а також деякі інші домішки, набагато перевершують по теплостійкості інші інструментальні сталі. Після загартування і відпущення твердість швидкорізальної сталі досягає НRC 62...65 і її ріжучі здатності зберігаються до температури 600...650°С, тобто вона володіє червоностійкістю (збереженням твердості при нагріві до темно-червоного свічення). Тому інструменти, виготовлені з цих сталей, володіють значно більш високими різальними властивостями. Вони можуть працювати з швидкостями різання в 3-4 рази більшими, ніж інструменти з вуглецевих сталей.
З вольфрамових швидкорізальних сталей Р9 виготовляють інструменти порівняно простої форми: різці, зенкери, фрези. При виготовленні складних інструментів, які повинні володіти більш високою стійкістю (фасонні різці, зубообробні інструменти та ін.), використовують сталь Р18, Р6М5, Р9 та ін.
Для виготовлення інструментів, які працюють у більш важких умовах (переривчасте різання, вібрації, обробка важкооброблюваних нержавіючих і жароміцних сталей), застосовують кобальтові швидкорізальні сталі (Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2).
Для інструментів, що використовуються при чистовій обробці (протяжки, розгортки, шевери), використовують ванадієві (Р9Ф5, Р14Ф4), а для інструментів для чорнової обробки – вольфрамомолібденові швидкорізальні сталі (Р9М4, Р6М3).
Для економії дорогих швидкорізальних сталей різальний інструмент роблять складним. Різальна частина виконується з швидкорізальної сталі, а тіло або хвостовик – з конструкційної вуглецевої або малолегованої.
Металокерамічні тверді сплави. Різальну частину високопродуктивних різальних інструментів оснащують металокерамічними твердими сплавами. Їх висока твердість, зносостійкість, міцність, теплостійкість, яка досягає 900-1000°С, дозволяє виконувати твердосплавними інструментами високопродуктивну обробку різних металевих і неметалевих матеріалів. По своїх різальних властивостях інструменти, оснащені твердими сплавами, набагато перевершують інструменти з різних інструментальних сталей і допускають обробку з швидкостями різання, що досягають 800 м/хв.
Металокерамічні тверді сплави виготовляють з дрібнозернистих вихідних порошків. Для отримання тих чи інших марок сплавів використовують порошки вельми твердих і тугоплавких карбідів вольфраму (WС), титану (ТіС), танталу (ТаС), змішаних в різних пропорціях з порошком кобальту, котрий служить зв’язкою. З одержаної суміші пресують стандартизовані пластинки, потім спікають їх при температурі 1500-1900 °С. Їх припаюють до державок або корпусів інструментів або закріплюють на них механічним способом.
Тверді сплави, що випускаються, поділяють на три групи: вольфрамові (ВК), титановольфрамові (ТК) і титанотанталовольфрамові (ТТК). Сплави групи ВК складаються із зерен карбіду вольфраму, зцементованих кобальтом (ВК2, ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8 та ін.). Цифра після букви К позначає процентний вміст кобальту, решта – карбід вольфраму. У зв’язку з тим, що властивості сплавів визначають не тільки складом, але і величиною зерен порошку, з якого він виготовлений, випускаються сплави, у яких розмір зерен строго регламентований. Для крупнозернистих твердих сплавів з величиною зерен вихідного порошку 3-5 мкм до позначення марки додається буква В, наприклад ВК6В, а у дрібнозернистих з величиною зерен 0,5-1,5 мкм – буква М (наприклад, ВК6М).
Сплави групи ТК складаються з карбідів вольфраму і титану, зцементованих кобальтом (Т5К10, Т5К12В, Т14К8, Т15К6, Т30К4 та ін.). Цифра після букви Т позначає процентний вміст карбіду титану, а після К – процентний вміст кобальту, решта – карбід вольфраму.
У сплавах групи ТТК (ТТ7К12, ТТ7К15) цифра після другої букви Т позначає процентний вміст карбідів титану і танталу в сумі, після К – вміст кобальту, решта – карбід вольфраму.
Зі збільшенням вмісту кобальту в сплаві міцність і в’язкість його підвищуються, а твердість і зносостійкість знижуються. Тому сплави з великим вмістом кобальту застосовують для інструментів, що працюють в важких умовах, при великих і нерівномірних навантаженнях. Сплави з малим вмістом кобальту використовують для інструментів, що працюють при порівняно невеликому і рівномірному навантаженні, але з високою швидкістю різання.
Із сплавів групи ВК виготовляють інструменти, призначені для обробки чавуну, кольорових сплавів, пластмас, а із сплавів групи ТК – для обробки сталей та інших в’язких матеріалів. Сплави ТТК по своїх властивостях займають проміжне місце між сплавом Т5К10 і швидкорізальною сталлю і призначені для чорнової обробки сталей із забрудненою кіркою. Стійкість різця з пластинкою із сплаву ТТК в 3,5 раза перевищує стійкість різця з швидкорізальної сталі Р18. Деякі сплави групи ТТК особливо хороші при обробці важкооброблюваних жароміцних сталей.
Складні за формою інструменти невеликих розмірів (свердла невеликих розмірів, прорізні фрези, коронки кінцевих фрез та ін.) часто виготовляють з пластифікованих твердих сплавів, що виготовляються спіканням порошку карбіду титану з металевими сплавами. Заготовки з них перед спіканням можуть пресуватися, оброблюватися різанням, продавлюватися через фільтри. Після додання інструменту необхідної форми і розмірів його спікають, обробляють начисто і заточують.
Описані тверді сплави містять в значній кількості дефіцитний вольфрам. Останнім часом ведеться інтенсивний пошук інструментальних матеріалів, що не містять вольфраму і володіють високими різальними властивостями. До числа їх відноситься гексаніт-Р, розроблений в інституті проблем матеріалознавства АН УРСР. Він є монокристальним нітридом бору, що виготовляється ударним стисненням за допомогою вибуху. Гексаніт-Р виготовляють у вигляді вставок до прохідних, розточувальних, підрізних різців і торцевих фрез. Відмінна особливість цього матеріалу – здатність працювати в умовах сильних ударних навантажень при обробці загартованих сталей, чавунів, сплавів високої твердості.
Останнім часом все більш широко застосовуються зносостійкі покриття різальних лез інструментів. Хороші результати дає іонно-плазмове напилення карбонітридом титану за допомогою установки ПУСК, що використовується на багатьох заводах автомобільної промисловості та інших машинобудівних підприємствах.
Мінералокерамічні матеріали. Прагнення одержати інструментальні матеріали, що володіють високими різальними властивостями, більш високою твердістю, теплостійкістю і зносостійкістю, привело до створення абсолютно нових неметалевих інструментальних матеріалів, що одержали назву мінералокерамічних. Основою їх є оксид алюмінію Al2O3, з порошку якого пресуванням з подальшим спіканням виготовляють пластинки потрібних розмірів і форми, які потім закріплюють на державках різального інструменту.
Основною перевагою мінералокераміки є висока теплостійкість (1200°С), що дає можливість оброблювати матеріали із значно більшими швидкостями, ніж при користуванні інструментами з твердих сплавів. У той же час для мінералокераміки характерні висока крихкість і малий опір згинаючим навантаженням, що істотно обмежує можливості її використовування. Мінералокераміку використовують для інструментів, що працюють при чистовій обробці без ударів. Кращою маркою вітчизняної мінералокераміки є ЦМ-332. Для підвищення міцності пластин в мінералокераміку додають вольфрам, молібден, бор, титан та ін. Такі матеріали називають керметами і використовують їх при обробці важкооброблюваних матеріалів.
Абразивні матеріали. Для виготовлення абразивного інструменту використовують штучні матеріали, переважно електрокорунд (кристалічний оксид алюмінію Al2O3), карборунд (карбід кремнію SiС) і деякі вельми тверді матеріали: синтетичний алмаз, ельбор та ін.
Електрокорунд одержують з глинозему плавкою в електропечах. В залежності від вмісту в ньому чистого оксиду алюмінію електрокорунд ділиться на декілька сортів. Зважаючи на те, що він володіє деякою в’язкістю, інструмент з нього використовується головним чином для обробки загартованої і термічно необробленої сталі, ковкого чавуну, бронзи та ін.
Карбід кремнію одержують в електропечах з суміші, де основними елементами є антрацит і кварцовий пісок. Порівняно з електрокорундом карбід кремнію володіє більш високою твердістю і меншою в’язкістю. Тому його використовують для виготовлення інструменту, призначеного для шліфування більш крихких матеріалів, а також деяких кольорових сплавів. Чорний карбід кремнію, що має в складі не менше 95 % SіС, застосовують при шліфуванні чавуну, латуні, бронзи, алюмінієвих сплавів. Зеленій карбід кремнію, що містить не менше 97 % SiС і має ще більшу твердість, використовується для обробки інструментів з металокерамічних твердих сплавів.
Для різних видів електрокорунду і карбіду кремнію введене спеціальне маркування, а саме: електрокорунд нормальний – 12А, 13А, 14А, 15А, 16А; білий електрокорунд – 22А, 23А, 24А, 25А; хромистий електрокорунд – 37А; монокорунд – 43А, 44А, 45А; чорний карбід кремнію – 53С, 54С, 55С; зелений карбід кремнію – 63С, 64С.
Після виплавки в електропечах електрокорунд і карбід кремнію дроблять, просівають і одержують шліфпорошки, шліфзерна і мікропорошки, що використовуються для подальшого виготовлення абразивного інструменту. Все більш широко використовуються синтетичні особливо тверді абразивні матеріали: синтетичний алмаз, ельбор та ін.
Синтетичні алмази одержують з графіту при температурах порядку 2500°С і тисках більше 104 МН. Їх дроблять, сортують на окремі фракції і використовують для виготовлення різного алмазного інструменту: кругів, брусків, надфілів, напилків та ін. Застосовуються вони для остаточного шліфування (доведення) твердосплавного інструменту, а також для особливо тонкої чистової обробки. Для доводочних робіт використовують також порошки і пасти з синтетичних алмазів.
Ельбор є кубічним нітридом бору, що отримують при тиску більше 105МН/м2 і температурі, близькій до 1700°С. Твердість його наближається до твердості алмаза, але за деякими властивостями ельбор перевершує останнього. Якщо алмаз згоряє за температури порядку 870°С, то ельбор зберігає свою міцність за температури до 930°С. Стальні деталі набагато краще шліфуються абразивними інструментами з ельбору, ніж з алмазу, тому що нітрид бору не володіє хімічною спорідненістю із залізом, а теплостійкість його вища. Інститутом проблем матеріалознавства АН УРСР на основі нітриду бору розроблений матеріал гексаніт-А, призначений для виготовлення заточувальних кругів без охолоджування інструменту з швидкорізальної сталі.