Материалы для изготовления режущих инструментов

Материалы для режущих инструментов должны удовлетворять следующим требованиям:
· Иметь высокую твердость. Твердость инструмента должна превышать твердость обрабатываемого материала.
· Иметь достаточный уровень прочности (на изгиб, сжатие, циклическое нагружение) и ударной вязкости.
· Иметь высокую теплостойкость. Теплостойкость – свойство (способность) материала сохранять свою твердость, а следовательно, и режущие свойства при нагреве.
· Иметь высокую износостойкость и высокую теплопроводность. Чем больше теплопроводность, тем меньше опасность возникновения шлифовочных прижогов и трещин на лезвиях инструмента при заточке, тем меньше температура резания и больше износостойкость.
· Быть технологичными.
Режущие инструменты не следует целиком изготавливать из дорогих и дефицитных материалов, поскольку это неэкономично.
К основным инструментальным материалам относятся стали, твердые сплавы, керамические материалы, алмазы, синтетические сверхтвердые материалы.
Инструментальные стали. В качестве материала для станочного режущего инструмента применяются быстрорежущие стали. Это высокоуглеродистые стали с высоким содержанием вольфрама. Теплостойкость быстрорежущих сталей около 600 оС и они могут работать со скоростями резания до 100 м/мин, что во многих случаях недостаточно. Поэтому в настоящее время более широкое применение имеют твёрдые сплавы.
Твердые сплавы получают прессованием и спеканием (при 1500 – 1900 оС) порошков твердых тугоплавких карбидов WC, TiС и TaC с порошком кобальта, играющего роль пластичной связки. Таким способом из них изготавливают режущие пластинки различной формы, которые припаиваются или крепятся механическим способом к державкам или корпусам инструментов из обычных сталей (45, 50, 40Х и др.). Теплостойкость твёрдых сплавов – 900…1000 оС. Допустимые скорости резания до 800 м/мин. Твердость 85…92HRА (74…76HRC).
Различают три группы твёрдых сплавов:
· вольфрамовые твердые сплавы (WC+Co), например марки BK2, BK3, BK4, BK6, BK8 (число после буквы К означает содержание кобальта в процентах по массе, остальное – карбид вольфрама).
· титано-вольфрамовые (WC+TiC+Co), например T30K4, T15K6, T14K8, T5K10 (число после буквы К означает содержание кобальта, после буквы Т – TiC (масс. %), остальное WC).
· титано-тантало-вольфрамовые (WC+TiC+TaC+Co), например, TT7K12, TT10K8, TT7K15 (число после буквы К означает содержание кобальта, после букв ТТ – общее содержание карбидов титана и тантала (масс. %), остальное WC) .
Твердые сплавы имеют низкую пластичность. При возрастании содержания кобальта прочность и вязкость повышаются, а износостойкость и твердость сплава понижаются. Наибольшей прочностью, но наименьшей теплостойкостью (750 оС) обладает трехкарбидные сплавы, их применяют при резании с ударами, большими сечениями срезаемого слоя. Наивысшую твердость и теплостойкость (до 900 оС) имеют двухкарбидные сплавы; двухкарбидные сплавы применяются при обработке высоколегированных сталей, имеющих низкую теплопроводность. В последнее время большое внимание уделяется разработке новых твердых сплавов, не содержащих карбидов вольфрама. В таких сплавах карбиды вольфрама заменены карбидами титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов.

Керамические инструментальные материалы не содержат дорогостоящих и дефицитных компонентов. Основа керамики – корунд Al2O3 (технический глинозем) – минерал кристаллического строения. Получают корунд из порошка глинозема в электропечах при температуре 1720…1750 оС спеканием, отсюда название «электрокорунд». Из кристаллов электрокорунда изготавливают стандартные керамические пластины белого цвета. Белый цвет имеют кристаллы электрокорунда свободного от примесей. Примеси химических элементов придают электрокорундам различные цветовые оттенки.
Преимущества оксидной керамики:
1. Высокая твердость (90…94HRA);
2. Высокая теплостойкость (1200 оС);
3. Малое сродство с металлами исключает адгезионное взаимодействие с обрабатываемым материалом, следовательно получается меньшая шероховатость обработанной поверхности.
Недостатки:
1. Высокая хрупкость (низкая ударная вязкость: 0,5…1,2 Дж/см2);
2. Плохая сопротивляемость циклическим изменениям тепловой нагрузки.

Инструменты из оксидной керамики используют при чистовой и получистовой обработке заготовок из отбеленных чугунов, труднообрабатываемых сталей, некоторых цветных и неметаллических материалов в условиях безударной нагрузки, без охлаждения и при повышенной жесткости системы СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь). Наибольшее применение получила минералокерамика ЦМ-332 (микролит) и ВО-13. Для повышения эксплуатационных свойств в минерралокерамику добавляют W, Mo, B, Ti, Ni, и т.п. Такие материалы называют керметами.
Алмазы и синтетические сверхтвердые материалы. Алмаз – самый твердый из известных инструментальных материалов, представляет собой одну из аллотропных модификаций углерода.
Достоинства:
1. Высокая износостойкость;
2. Хорошая теплопроводность;
3. Небольшой коэффициент трения;
4. Малая адгезионная способность к металлам (за исключением сплавов Fe-C).
Недостатки:
1. Низкая теплопроводность (при температурах, превышающих 700…800 оС алмаз графитизируется);
2. Большая анизотропия механических свойств (твердость и прочность в зависимости от направления действия силы на кристалл изменяются в сотни раз), что необходимо учитывать при изготовлении лезвийного инструмента.
3. Высокая стоимость и дефицитность;
4. Высокая хрупкость.
Синтетические алмазы получают путем перевода углерода в другую полиморфную модификацию в условиях высоких температур (до 2500 оС) и давлений (до 1000 ГПа). Синтетические алмазы выпускают следующих марок: АСБ – баллас (АСБ-5, АСБ-6); АСПК – карбонадо (АСПК-1, АСПК-2, АСПК-3). Указанные марки алмазов изотропны вследствие поликристаллического строения, обладают сравнительно высокой прочностью при ударах.
В режущих инструментах применяют кристаллы алмаза весом 0,3…0,8 карат (1 карат = 0,2 г) которые закрепляются в инструменте механически или при помощи пайки. Наиболее широко алмазный инструмент применяется при тонком точении и растачивании деталей из алюминия, бронз, латуней, неметаллических материалов: обработанная поверхность отличается низкой шероховатостью.
В последние годы широкое распространение получил синтетический сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора (КНБ). КНБ получают синтезом при температурах 1360 – 2000 оС и давлении 6000 – 9000 МПа из гексагонального нитрида бора, имеющего близкие к графиту характеристики.
Достоинства КНБ:
1. Очень высокая твердость (9000HV) (уступает только алмазу);
2. Самая высокая теплопроводность (до 1600 оС);
3. Химически инертен к железо-углеродистым сплавам.
На основе плотных модификаций КНБ создан ряд инструментальных материалов, называемых композитами. Различают композиты с массовой долей КНБ более 95% и композиты с массовой долей КНБ около 75%.
Композиты с массовой долей КНБ более 95%: эльбор Р (композит 01), бельбор (композит 02), гексанит (композит 10) и др. Изготавливаются в виде цилиндрических столбиков диаметром 4…6 мм и высотой 3…6 мм, закрепляемые в державке режущего инструмента.
В композитах с массовой долей КНБ 75% присутствуют добавки Al3O3 и др. материалов. К ним относятся композит 05 (КНБ + Al3O3), композит 09 (поликристаллы твердого нитрида бора), которым оснащаются инструменты, работающие с ударами.
Из вновь разрабатываемых материалов перспективным является силинит-Р (материал на основе нитрида кремния), который обладает более высокими прочностью, ударной вязкостью и теплопроводностью, чем инструменты из минералокерамики, не содержит дефицитных материалов, не склонен к адгезии по отношению к большинству сталей, сплавов на основе меди, алюминия.

Дополнительная информация из Википедии по теме: Материалы для изготовления режущих инструментов

Обычная клеёная фанера является широко распространённым композитным материалом

Композитный материа́л (КМ), компози́т — многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жёсткостью и т. д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении её механических характеристик.

Смотри полный текст на Wikipedia

Обсуждение темы

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *