Инструментальные материалы. Инструментальные материалы
 Скачать 33.1 Kb.
|
|
Тема: Инструментальные материалы Быстрорежущие стали Появились в начале 20 века. Быстрорежущие стали от углеродистых и легированных инструментальных сталей отличаются высоким содержанием легирующих элементов: - вольфрама; - хрома; - молибдена; - ванадия; - кобальта; - азота. М – молибден – повышает упругость, прочность, красностойкость, коррозионную стойкость. К – кобальт – увеличивает ударную вязкость, жаростойкость. А – азот – повышает режущие свойства инструмента на 20 – 30% и твердость на 1 – 2 единицы HRCэ. Современные быстрорежущие стали можно разделить на две группы: стали нормальной теплостойкости ( их твердость составляет 63 - 65 НRCэ, теплостойкость 615 – 620 0С) ; стали повышенной и высокой теплостойкости (повышение содержания углерода увеличивает вторичную твердость до 67- 67,5 НRCэ, теплостойкость до 630 – 6350 С, при сохранении прочности и вязкости, улучшает износостойкость за счет увеличения количества карбидов, увеличивается стойкость инструментов на 50 – 75%). Содержание легирующих элементов в быстрорежущих сталях, %
Стали первой группы - используются для изготовления режущих инструментов для обработки деталей из конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов и пластмасс. Стали второй группы - используются для изготовления режущего инструмента для обработки деталей из коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, в условиях повышенного нагрева лезвия, а также сталей и сплавов повышенных твердости и вязкости. Основной недостаток – неравномерность распределения карбидов. Для устранения этого недостатка в настоящее время предложены современные технологические способы получения быстрорежущих сталей. Ванадий при отпуске образует карбид ванадия (VC), который по твердости превышает сложный карбид типа (Fe¸W)mCn , являющийся основным в структуре быстрорежущей стали. Следовательно, твердость быстрорежущей стали с ванадием достигает 67- 68 НRCэ, а теплостойкость 630 – 635 0 С. Наличие в структуре ванадиевых сталей большого количества карбидов высокой твердости обуславливает их высокую износостойкость, недостатком этих сталей является их плохая шлифуемость. Кобальт повышает теплопроводность и теплостойкость стали до 640 – 6500С и одновременно вторичную твердость до 66- 70 НRCэ. Содержание кобальта не должно превышать 10%, так как при большом содержании этого элемента увеличивается хрупкость стали. Рассмотрим перспективные направления совершенствования быстрорежущих сталей: создание мало- и безвольфрамовых быстрорежущих сталей взамен вольфрамсодержащих; совершенствование технологических методов получения сталей; нанесение на быстрорежущие стали износостойких покрытий (отдельная тема). Они направлены на устранение основного недостатка двух групп быстрорежущих сталей – это неравномерность распределения карбидов. Мало- и безвольфрамовые быстрорежущие стали Низколегированные безвольфрамовые быстрорежущие стали марок 11М5Ф и 11М5Ф10С отличаются повышенной твердостью, теплостойкостью, вязкостью и прочностью. Маловольфрамовые быстрорежущие стали выпускаются марок Р2М5, 11Р3АМ3Ф2, Р3М3Ф4К5, Р2М3Ф8. Эти стали рационально использовать для чистового и получистового точения, фрезерования углеродистых и низколегированных сталей, а при сверлении – только на пониженных режимах резания. По стойкости перечисленные стали уступают вольфрамомолибденовым, следовательно, их следует использовать при обработке углеродистых малолегированных сталей на относительно невысоких режимах резания и при обильном охлаждении, то есть когда полное использование режущих свойств стали Р6М5 невыгодно по технико-экономическим показателям. Порошковые быстрорежущие стали Перспективным для повышения качества быстрорежущих сталей является получение их методом порошковой металлургии. Выпускаются следующие марки: Р12М3Ф2К8-МП (материал порошковый), С12МФ5-МП; С9М4К8-МП; Р6М5К5-МП; Р9М4К8-МП, … Их твердость 68 - 70 НRCэ, теплостойкость до 7000С. Эти материалы занимают промежуточное положение между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами. Имеют равномерную однородную мелкозернистую структуру, хорошо шлифуются, меньше деформируются при термообработке, отличаются стабильностью эксплуатационных свойств. Период стойкости инструментов из этих сталей в 1.5 раза выше, чем у быстрорежущих сталей, а ударная вязкость выше в 2 – 6 раз. Порошковые быстрорежущие стали рекомендуют для изготовления инструмента, обрабатывающего титановые сплавы, высоколегированные стали и другие труднообрабатываемые материалы в тяжелых условиях резания – прерывистая обработка, ударные нагрузки, повышенные скорости резания. Интерметаллоиды Это высоколегированные безуглеродистые дисперсионно-твердеющие сплавы высокой теплостойкости (700 – 7250С). Марки: Р18М3К25; Р18М7К25; Р10М5К25; 3В20К20Х4; В16М4К16Х4Н2; В11М7К23; В14М7К25 и т.д. Эти стали имеют повышенное содержание углерода (0,1 – 0,3%), повышенную твердость после отпуска до 70 НRCэ, износостойкость, теплопроводность и сравнительно высокую прочность (δв = 1500 – 3700 МПа). Иногда их нарывают твердыми сплавами. Основными легирующими элементами являются: кобальт (16 – 25%), вольфрам (11 – 20%), молибден (4 – 7%). Упрочняющей фазой в этих сталях являются Co7 W6 или (FeW)7 Co6. Из них изготавливают инструменты, которыми обрабатывают специальные жаро- и коррозионно- стойкие стали, титановые сплавы. Стойкость инструментов в 10 – 30 раз выше, чем у Р18. Карбидостали Которые применяют для изготовления режущих инструментов, представляют собой сплавы порошка карбида титана (TiC) и компонентов стальной связки, на основе: быстрорежущей стали Р6М5; Р6М5К5; коррозионно-стойкой хромистой стали; нержавеющей стали Х18Н9, Х12М; различных сплавов железа, легированных хромом, молибденом, медью, никелем, кобальтом. Карбидостали получают по технологии порошковой металлургии, как обычные твердые сплавы. По свойствам карбидостали занимают промежуточное положение между быстрорежущими сталями и однокарбидными твердыми сплавами, соединяя в себе высокую твердость и износостойкость твердых сплавов с прочностью и вязкостью легированных сталей. Например: карбидосталь, содержащая 50% TiC + 50% стали Х4Н2М8, имеет HRA = 73 и δв = 1,1 ГПа. Режущая керамика. Появилась в начале 50-х годов прошлого века. Исходный материал – тонкоизмельченный ( размер зерна 1 – 2 мкм) порошок корунда – искусственный оксид алюминия Aℓ2О3, полученный прокаливанием технического глинозема при температуре 1500 – 17000С. Режущая керамика имеет: твердость до 95 HRA; теплостойкость до 14000С; высокую износостойкость; малое сходство с металлами; пониженную склонность к схватыванию с обрабатываемым материалом; большую экономичность благодаря дешевизне исходного материала; низкое содержание карбидов тугоплавких материалов (титана, молибдена и т.д.). Недостатки: низкая ударная вязкость (0,5 – 1,2 Н∙м/см2); низкая пластичность, плохая сопротивляемость циклическим изменениям силовой и тепловой нагрузки. Основное назначение: тонкое, чистовое и получистовое точение; растачивание и торцовое фрезерование на оборудовании, имеющем высокую жесткость; скорость резания от 100 – до 700 м/мин; подача от 0,04 – до 0,6 мм/об; глубина резания от 0,3 – до 2,5 мм. Режущая керамика подразделяется на три базовые группы, отличающиеся составом, технологией изготовления и физико-механическими свойствами. Оксидная керамика. Состоит из оксида алюминия Aℓ2О3 и небольшого количества оксидов других металлов. Имеет белый цвет. Мелкозернистая структура (0,5 мкм) обеспечивает высокую износостойкость и относительно высокую прочность режущей керамики. Марки: ЦМ332; ВО13; ВО14; ВО15; ВШ75. Наибольшее распространение имеют ВО13 и ВШ75 (δи = 400 – 550 МПа), твердость 91 – 93 HRA, теплостойкость 12000С. Оксидно-карбидная керамика (керметы) По своему составу является промежуточной композицией между оксидной керамикой и твердым сплавом. В качестве карбидной составляющей применяют смесь карбидов вольфрама и молибдена или карбидов молибдена и титана. Количество карбидов меняется от 20 до 40% по массе. Марки: В 3; ВОК 60; ВОК 63; ВОК 71; ВОК 95, а также оксидно-нитридная керамика ОНТ 20 (кортинит). Обладает: - твердостью 93 - 95 HRCэ; - теплостойкостью 1250 – 14000С; - δи = 650 – 860 МПа. Нитридная керамика К этой группе относится силинит – Р – материал нп основе нитрида кремния, композиция: 36,6 % Si3N4 +15,4 % Aℓ2O3 + 41,8 % TiN. Получают методом горячего прессования. Отличительные особенности: стабильность физических свойств и кристаллической структуры при высоких температурах; невысокая стоимость и доступность исходного продукта; отсутствие в составе вольфрама и его соединений; отсутствие адгезии по отношению к черным и цветным металлам. Обладает: - твердостью 94 - 96 HRCэ; - теплостойкостью 12000С; - δи = 500 – 700 МПа. Сверхтвердые инструментальные материалы. Развитие техники и технологии высоких давлений и температур обусловило создание широкой гаммы различных синтетических сверхтвердых материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора, отличающихся по способу получения, структуре и физико-механическим свойствам. Синтетические алмазы и кубический нитрид бора делятся на два класса: порошковые материалы, применяемые для изготовления абразивного инструмента; поликристаллические материалы, изготавливаемые в виде цилиндрических вставок и пластинок для оснащения режущего инструмента. Поликристаллические материалы в свою очередь подразделяются на три группы: поликристаллы на основе алмаза; поликристаллы на основе нитрида бора; композиционные (двухслойные) поликристаллы. Поликристаллы на основе алмаза Делятся на две группы: поликристаллы алмаза, полученные в результате фазового перехода графита в алмаз в присутствии катализаторов при давлении 105 МПа и t = 20000С; поликристаллы алмаза, полученные спеканием алмазных зерен – имеется три разновидности: полученные спеканием мелкого алмазного порошка в чистом виде или после специальной предварительной обработки для активизации процесса спекания и представляет собой однофазный продукт; представляет собой гетерогенный композит, состоящий из частиц алмаза, скрепленных связкой, которая располагается в виде тонких прослоек между кристаллами алмаза, и обладающих высокой прочностью и твердостью; полученные пропиткой алмазного порошка металлическим связующим при высоких давлениях и температурах. В качестве связки используют никель, кобальт, железо, хром. Режущие инструменты обладают: - высокой износостойкостью; - хорошей теплостойкостью; - малым коэффициентом линейного и объемного расширения; - небольшим коэффициентом трения; - малой адгезионной способностью к металлам за исключением железа и его сплавов с углеродом; - высокой производительностью на высоких скоростях резания и стойкостью при обработке цветных металлов и их сплавов, титана и его сплавов, пластмасс. Недостаток: интенсивное растворение в железе и его сплавах с углеродом при температуре 700 – 8000С. Физико-механические свойства: микротвердость 70 – 100ГПа; δи = 500 – 2000 МПа; теплостойкость 700 - 8000С; предел прочности на сжатие от 200 до 400 МПа (баллас), от 4400 до 5000 МПа (карбонит). Поликристаллы на основе нитрида бора Инструменты данной группы широко применяются для обработки закаленных сталей и чугунов. Незначительно уступая алмазу по твердости, они отличаются высокой теплостойкостью, стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и химической инертностью к железу. Промышленностью выпускаются следующие марки поликристаллических сверхтвердых материалов:
Физико-механические свойства: микротвердость 20 – 40 ГПа; δи = 250 – 1200 МПа; теплостойкость 800 - 15000С; предел прочности на сжатие от 2000 до 4000 МПа (карбонит). Композиционные (двухслойные) поликристаллические сверхтвердые материалы Принципиальной особенностью этих материалов является то, что спекание порошков сверхтвердых материалов производится при высоких температурах и давлениях на твердосплавной подложке, в результате чего образуется слой поликристаллического сверхтвердого материала толщиной 0,5 – 2 мм, прочно связанный с материалом подложки. Двухслойные композиционные материалы имеют ряд преимуществ по сравнению с однослойными: упрощается технология крепления режущего инструмента в корпусе державки путем припайки к твердосплавной подложке; наличие подложки придает этим материалам повышенную ударную вязкость. Марки: - на основе кубического нитрида бора 05Д-2С, 10Д, БПК; - на основе алмаза: ДАП, ДИАМЕТ, АМК – 25, АМК – 27, АТП. Абразивные материалы. К абразивным материалам относятся такие естественные и искусственные материалы, основными составляющими которых являются минералы высокой твердости. Они подразделяются на природные (естественные) и искусственные. Природные абразивные материалы Алмаз ( А ) – минерал, состоящий из кристаллического углерода с кубической решеткой. Он обладает наибольшей твердостью из всех известных материалов (микротвердость 86 – 100 ГПа), анизотропен (твердость в различных направлениях различна), обладает наибольшим модулем упругости и минимальным коэффициентом линейного расширения. При нагреве до высокой температуры алмаз превращается в графит и аморфный углерод. В окислительной среде такое превращение начинается при 6000С, в защищенной (водородной) - при 12000С; при нагреве в контакте с железом при 8000С наблюдается адгезия. Алмаз обладает высокой тепло- и температуропроводимостью, большим сопротивлением сжатию, но хрупок из-за небольшого сопротивления изгибу и вибрационным нагрузкам. Из всех добываемых алмазов около 80% используется для технических нужд, и около 20% - в ювелирной промышленности. Физико-механические свойства: твердость (по Моосу) 10; δи = 300 МПа; δсж = 2000 МПа; температура плавления – 40000С; коэффициент линейного теплового расширения – (0,9 – 1,45) ∙ 10-6; коэффициент трения – 0,08 – 0,1. Из технических алмазов изготавливают: инструменты для шлифования, доводки, разрезки различных материалов; используют: при волочении проволоки; для бурения горных пород; при сверлении твердых сортов стекла; карандаши и ролики для правки шлифовальных кругов; наконечники в приборах для контроля твердости, измерительных приборов; для обработки часовых и приборных камней и т.д. Корунд ( Е ) – горная порода, состоящая на 80 – 95% из кристаллического оксида алюминия Aℓ2O3 с примесью кварца и других материалов. Корунд имеет микротвердость 19 – 20ГПа, твердость по Моосу 9, применяется для изготовления шлифпорошков и микропорошков для шлифования и полирования изделий из металла и стекла. Наждак – горная порода, состоящая из корунда, магнетита, гематита (оксиды железа) и кварца; содержание корунда в наждаке ≈ 30%. Из наждака изготавливают шлифзерна для шлифования свободным абразивом. Гранат – минерал с кубическим типом решетки, представляет собой соединение алюминия, железа, хрома, кальция, магния и марганца с кремниевой кислотой. Шлифзерна из граната используют для изготовления шлифовальной шкурки, применяемой при обработке дерева, пластмасс, кожи. Кремень – содержит не менее 96% SiO2 и не более 1% СаО; твердость по Моосу около 7; микротвердость 10 – 11 ГПа, применяется в виде порошков и зерен для изготовления шлифовальной шкурки, применяемой при обработке эбонита, дерева, кожи. Искусственные абразивные материалы Алмаз синтетический ( АС ) – абразивный материал, получаемый синтезом из графита при давлении порядка 1050 – 1060 МПа и температуре ≈ 1500 – 20000С. Марки: АССО, АССР, АСВ, АСК, АСС (эта марка используется для изготовления бурового инструмента, резки корунда и правки абразивных кругов). Синтетические алмазы широко применяются для изготовления алмазно-абразивного инструмента на различных связках, а порошки из этого материала – для изготовления паст, применяемых на доводочных и притирочных операциях. Эльбор – кубический нитрид бора (КНБ) – получают из гексагонального  - BN при высоких давлениях и температуре. Эльбор инертен к железу, имеет микротвердость 80 – 100 ГПа. Применяется для получения зерен и порошков, идущих на изготовление абразивных инструментов.Карбид бора - состоит из 93% В4С и примесей бора, графита и других элементов. Кристаллический карбид бора имеет твердость по Моосу 9,32; микротвердость 40 – 50 ГПа и применяется в виде порошков и паст для доводки режущего инструмента из твердых сплавов. Карбид кремния – имеет твердость по Моосу 9,1, микротвердость 33 – 36 ГПа. Из SiC получают шлифзерно, шлиф- и микропорошки для изготовления абразивного инструмента на твердой и гибкой основе, а также паст. Электрокорунд – абразивный материал, состоящий из кристаллического - Aℓ2O3, получаемого в электропечах из чистого глинозема (бокситов) и небольшого количества примесей.Выпускается электрокорунд: нормальный белый, хромистый, титановый, циркониевый, моно- и сферокорунд. Применяется в виде шлифзерен и шлифпорошков, для шлифовальных кругов на различной связке для чистового и точного шлифования твердой стали, для заточки инструментов из инструментальной стали, а также для изготовления шлифовальных шкурок. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||