Материалы для лезвийных инструментов. В процессе резания режущий клин инструмента на относительно небольшой площадке кон­такта с заготовкой испытывает воздействие высоких давлений и сил тре­ния. Это сопровождается выделением большого количества тепла и вы­зывает интенсивный износ контактных поверхностей клина. Поэтому режущие материалы должны обладать высокими значениями: 1) твердости (не менее чем в 5 раз больше твердости обрабатываемой заготовки); 2) теплопроводности, т.е. способностью сохранять твердость при высоких температурах резания; 3) прочности режущего клина, осо­бенно на изгиб; 4) износоустойчивости при различных видах износа (аб­разивного, адгезионного, диффузионного и др.); 5) теплопроводности; 6) технологичности (пластичность, шлифуемость и др.).

Все материалы для лезвийных инструментов можно условно разбить на следующие группы: 1) инструментальные стали; 2) быстрорежущие стали; 3) твердые сплавы; 4) минералокерамические материалы; 5) сверх­твердые материалы.

Хотя составы и свойства этих материалов подробно рассматривают­ся в курсах материаловедения и теории резания металлов (см., например, [1]), напомним их основные особенности, направления развития и при­меняемости для определенных видов инструментов, так как от свойств этих материалов зависят геометрические параметры инструментов и об­ласти их применения.

Инструментальные углеродистые стали - это стали с содержани­ем углерода свыше 0,65 % и не более 1,35 %. Для изготовления режущих инструментов используются следующие марки углеродистых сталей: УЮ, У11, У12, У12А, У13. Буква У означает, что сталь углеродистая; цифрами указано содержание углерода в десятых долях процента. Если в конце обозначения добавляется буква А, то это означает, что сталь высо­кого качества с минимальным содержанием вредных примесей. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость, достигающая после термообработки значений 61...65 HRC; при этом прочность стали уменьшается.

Теплостойкость углеродистых сталей невысока (200...250 °С), по­этому их можно использовать только для изготовления ручных инстру­ментов или инструментов, работающих при низких скоростях резания, а также применяемых для обработки легкообрабатываемых материалов.

Кроме высокой твердости, к числу положительных свойств углеро­дистых сталей можно также отнести: низкую стоимость, высокие техно­логичность и прочность при изгибе (s_и= 2000...2300 МПа). К числу не­достатков, кроме низкой теплостойкости, - плохую прокаливаемость по сечению, склонность к перегреву при шлифовании и к объемным дефор­мациям при закалке.

С целью улучшения свойств углеродистых сталей в их состав вводят в небольших количествах легирующие элементы: хром, вольфрам, марга­нец, кремний, ванадий и др. Это позволяет повысить их теплостойкость до 250...300 °С и за счет этого увеличить скорость резания в 1,2... 1,4 раза. Из этих сталей наибольшее применение в производстве режущих инстру­ментов получили сталь 9ХС (С = 0,9 %, Si = 1,4 %, Сr = 1,1 %, Мn = 0,4 %) и сталь ХВГ (С = 1,0 %, Мn = 0,95 %, Сr = 1,1 %, W = 1,4 %). Последняя марка стали, дающая малые объемные деформации при закалке, приме­няется главным образом для изготовления протяжек и других инструмен­тов с малой поперечной жесткостью (длинные развертки, метчики и др.).

Для изготовления резьбонакатных инструментов (плашки, ролики) применяется сталь Х6ВФ (С = 1,6 %, Сr = 6,0 %, W = 1,3 %, V = 0,7 %), обладающая наибольшей износостойкостью.

Быстрорежущие стали были изобретены в начале XX столетия и вызвали качественный скачок в развитии машиностроения. Благодаря высокой теплостойкости (600...650 °С), они позволили увеличить скоро­сти резания в 3-5 раз. В быстрорежущих сталях при том же количестве углерода, что и в инструментальных сталях, повышение теплостойкости было достигнуто за счет введения в их состав в больших количествах вольфрама, молибдена, хрома и ванадия, образующих тепло- и износо­стойкие карбиды.

Одним из важных свойств быстрорежущих сталей при их высокой твердости после термообработки (62...65 HRC) является высокая проч­ность при изгибе (а_и = 2900...3100 МПа), наибольшая из всех известных инструментальных материалов. Благодаря этим свойствам, а также хоро­шей технологичности быстрорежущие стали в настоящее время остаются основными материалами для изготовления режущих инструментов, осо­бенно сложнопрофильных, имеющих фасонные режущие кромки.

Первой из большого числа марок быстрорежущих сталей была раз­работана сталь Р18, содержащая 18 % вольфрама. Ее недостатками явля­ются высокая стоимость из-за большого содержания дефицитного вольф­рама, пониженные пластичность и прочность, поэтому были предприня­ты попытки замены вольфрама молибденом. Было установлено, что введение 1 % молибдена эквивалентно введению 1,5...2 % вольфрама. Бла­годаря этому удалось повысить пластичность и прочность быстрорежу­щей стали. В настоящее время в мировой практике наибольшее примене­ние нашла быстрорежущая сталь марки Р6М5 (W = 6 %, Мо = 5 %, Сr = 4 %, V = 2 %), составляющая около 70 % от общего выпуска быстрорежущих сталей; относится к сталям нормальной производительности.

В ГОСТ 5950 содержится 8 марок быстрорежущих сталей различ­ных составов. В их числе находятся стали повышенной производи­тельности, дополнительно легированные кобальтом (до 10 %) и с повы­шенным содержанием ванадия (до 5 %). Они имеют повышенные тепло­стойкость (до 650. ..700 °С) и твердость (до 64...67 HRC), но пониженные прочность и технологичность, стоимость существенно выше стоимости стали Р6М5. Применяют эти стали главным образом для изготовления инструментов, предназначенных для обработки жаропрочных и коррози­онно-стойких сталей, титановых сплавов, а также для изготовления наи­более сложных и дорогих инструментов, таких как протяжки и зуборез­ные инструменты. Из получивших наибольшее применение марок сталей повышенной производительности можно отметить экономно легирован­ные стали Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф4.

Дальнейшее повышение режущих свойств быстрорежущих сталей возможно путем: 1) выплавки сталей в вакуумно-дуговых печах с исполь­зованием метода электрошлакового переплава и др.; 2) использования методов порошковой металлургии с целью получения сталей мелкозер­нистой структуры повышенной прочности и высокой степени легированности; 3) применения термомеханической и химико-термической обра­ботки, а также поверхностного пластического упрочнения; 4) нанесения износостойких покрытий из карбидов и нитридов титана, ниобия и дру­гих элементов.

Твердые сплавы, или так называемые металлокерамические спла­вы, - это материалы, состоящие из карбидов вольфрама (однокарбидные), вольфрама и титана (двухкарбидные) и с добавлением тантала, ниобия и др. (трехкарбидные), связанных между собой связкой - кобальтом. Металлокерамическими их называют по способу изготовления из мелкодис­персных порошков прессованием с последующим спеканием при темпе­ратуре 1000...2000 °С, что традиционно при производстве керамики.

С появлением в 30-х годах XX столетия твердых сплавов произошел второй скачок роста скоростей резания (в 4-5 раз). Этот переворот в ме­таллообработке и станкостроении стал возможен благодаря значительно­му повышению теплостойкости (до 800...900 °С) и износостойкости этих материалов по сравнению с быстрорежущими сталями. Однако внедре­ние этих сплавов сопровождалось большими трудностями, так как их прочность оказалась значительно ниже, чем у быстрорежущих сталей; потребовалось создание новых скоростных и мощных станков с высоки­ми жесткостью и виброустойчивостью.

Предел прочности при сжатии у твердых сплавов примерно того же уровня, что и у быстрорежущей стали, а предел прочности при изгибе меньше в 1,5-2 раза, причем двухкарбидные сплавы из-за высокой хруп­кости карбидов титана имеют более низкую прочность, чем однокарбидные. Твердые сплавы имеют твердость, равную 88...96 HRA, что на 11... 12 % выше твердости быстрорежущей стали.

В ГОСТ 3882 содержится 7 марок однокарбидных, 5 марок двухкарбидных и 4 марки трехкарбидных твердых сплавов, которые отличаются по своему составу, физико-механическим свойствам и назначению.

Наиболее часто применяемые однокарбидные сплавы марок ВК4, ВК6, ВК8, ВК10 (по применяемости группа К) рекомендуются для обра­ботки главным образом хрупких материалов, образующих элементную стружку, например чугунов, медных сплавов, алюминиевых сплавов с высокими абразивными свойствами и т.п. С увеличением содержания кобальта как связки (показана последней цифрой в обозначении) проч­ность таких сплавов повышается, но одновременно снижается износо­стойкость, поэтому ВК4, ВК6, ВК8 рекомендуются для чистовой и получистовой обработки, а ВК10 - для черновой обработки, работе по корке, с ударной нагрузкой и т.п.

У двухкарбидных сплавов марок Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10 (по применяемости группа Р) первое число означает процентное содер­жание карбидов титана, второе - кобальта, остальное - карбиды вольф­рама. Эти сплавы рекомендуются для скоростной обработки углероди­стых сталей, так как введение карбида титана позволило значительно повысить сопротивление адгезионному износу, имеющему место при образовании сливной стружки.

Трехкарбидные сплавы (группа М) помимо карбидов вольфрама и титана содержат карбид тантала. Марки этих сплавов - ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ20К9. Здесь первое число означает сумму взаиморастворенных карбидов титана и тантала. Из-за повышенного сопротивления раз­рушению при ударной нагрузке сплав марки ТТ7К12 рекомендуется для чернового точения стальных поковок, а также для строгания и фрезеро­вания. Другие марки трехкарбидных твердых сплавов рекомендуются для резания труднообрабатываемых сталей и титановых сплавов.

На режущие свойства и прочность твердых сплавов влияет не только химический состав, но и структура, в частности размеры зерен карбидов. С увеличением размера зерен карбида вольфрама прочность сплава воз­растает, а износостойкость несколько снижается. С уменьшением размера зерна имеет место обратная картина изменения свойств твердого сплава.

Разработано несколько марок мелкозернистых и особо мелкозерни­стых сплавов с размером зерен карбидов 1 мкм и менее. Для обозначения структуры в конце маркировки таких сплавов ставятся буквы М или ОМ, например ВК6-М, ВК 10-ОМ и др. Эти сплавы дают хорошие результаты при точении жаропрочных и коррозионно-стойких сталей, чугунов высо­кой прочности и алюминиевых сплавов. Благодаря уменьшению разме­ров зерен карбидов вольфрама и дополнительному введению карбидов хрома у сплава марки ВК10Х-ОМ удалось, например, обеспечить хоро­шую износоустойчивость режущих кромок при высоких скоростях реза­ния. Поэтому такой сплав можно успешно применять как при чистовой, так и при черновой обработке.

Благодаря мелкозернистой и плотной структуре твердых сплавов можно проводить заточку и доводку инструментов с наименьшим радиу­сом скругления режущего клина, приближающимся к достигнутому у инструментов из быстрорежущей стали. Это позволяет получить более низкую шероховатость обработанной поверхности и более высокую раз­мерную стойкость.

Крупнозернистые сплавы с размером зерна карбидов вольфрама З...5мкм, например твердые сплавы марок ВК4В, ВК8В, имеют большую прочность, чем обычные сплавы, и рекомендуются для черно­вой обработки и для резания с ударами.

В результате совершенствования технологии получения твердых сплавов была разработана группа сплавов с добавкой тантала, обозначае­мых буквами МС (Москва - Сандвик) и несколькими цифровыми значе­ниями, которые показали повышение стойкости примерно в 1,5 раза, вы­сокую надежность и стабильность режущих свойств.

С целью экономии дефицитных вольфрама и кобальта в нашей стра­не и за рубежом разработана группа безвольфрамовых твердых спла­вов на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой (до 12... 19 %). В их числе отечественные сплавы марок ТН20, КТН-16, КТН-20, КТН-30. Они обладают низким коэффициентом трения, высокими износо- и окалиностойкостью, но имеют низкую прочность, чувствительны к ударным и тепловым нагрузкам, поэтому их рекоменду­ется использовать на чистовых операциях взамен сплавов группы ТК.

Эффективным путем повышения эксплуатационных характеристик твердых сплавов является нанесение на твердосплавные сменные много­гранные пластины (СМП) тонких износостойких покрытий на основе карбидов и нитридов титана, молибдена, ниобия, гафния и других эле­ментов, а также окиси алюминия. Толщина одно- и многослойных по­крытий (четыре и более слоев) колеблется в пределах от 5 до 200 мкм. Практика применения таких покрытий показала, что они обеспечивают значительный рост износостойкости инструмента при одновременном повышении прочности за счет использования в качестве основы твердых сплавов более прочных марок.

Режущая минералокерамика впервые была создана в 50-е годы XX столетия. Отечественная керамика марки ЦМ-332 была изготовлена на основе глинозема (А1₂О₃) с добавкой оксида магния (0,5... 1,0 %) в ка­честве связующего средства. При этом удалось не только исключить ис­пользование дефицитных металлов, но и получить режущий материал с теплостойкостью 1200 °С, большей, чем у твердых сплавов. К сожале­нию, ее прочность при изгибе оказалась низкой (s_и= 350...400 МПа), поэтому из-за большой хрупкости и нестабильности свойств это приво­дило при работе к выкрашиванию и поломке пластин.

В результате интенсивных исследований, проведенных как в нашей стране, так и за рубежом, были разработаны новые марки минералокерамики - керметы, в состав которых с целью повышения прочности вводи­ли добавки карбидов, нитридов, оксидов вольфрама, титана, молибдена и циркония. Менялась технология получения керамики, например, исполь­зовалось горячее прессование, уменьшалась зернистость до 2 мкм и др. Благодаря этому, например, у отечественной керамики марки ВШ75 уда­лось повысить прочность при изгибе до s_и = 500...600 МПа, а у оксидно-карбидной керамики марок ВЗ, ВОК-60, ВОК-63 - до s_и = 600.. .700 МПа. Вследствие этого стало возможным использовать эти, по сути компози­ционные, материалы не только при чистовом точении закаленных сталей и высокопрочных чугунов, но и при ударных нагрузках, например при фрезеровании.

К числу новых, более эффективных марок режущей керамики отно­сятся оксидно-нитридная керамика на основе нитрида титана (ОНТ-20) и нитридная керамика на основе нитрида кремния (силинит-Р). По сравне­нию с керамикой ВОК-63 они позволили добиться повышения стойкости в 6-8 раз при прерывистом точении чугуна на режимах: v = 300... 400 м/мин, S = 0,3 мм/об, / = 1 мм.

Наибольшая эффективность режущей керамики при ее стоимости, меньшей, чем стоимость твердых сплавов, достигается при точении на высокоскоростных и мощных станках, имеющих высокие жесткость, точность и виброустойчивость.