Самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента, – природный алмаз. Алмаз – минерал, разновидность самородного углерода. Как инструментальный материал используется непрозрачный алмаз. Твердость алмаза (HV » 60–100 ГПа) при комнатной температуре гораздо выше твердости карбидов или окислов, и в условиях абразивного износа он незаменим. Плотность
3500–3600 кг/м 3 . Теплопроводность поликристаллов алмаза превышает теплопроводность меди.
Природный алмаз является монокристаллом и позволяет получать практически идеальные острые и прямолинейные режущие кромки. С развитием электроники, прецизионного машино- и приборостроения возрастает применение резцов из природных алмазов для точения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т. п.
Алмаз может быть эффективно применен для обработки медных коллекторов – съема небольшого слоя меди при тонкой подаче и очень высокой скорости резания. При этом обеспечивается низкая шероховатость и высокая точность обработанной поверхности. Алмазным инструментом эффективно производится чистовая обработка поршней из алюминиевых сплавов с большим содержанием кремния, в то время как при обработке таких поршней твердосплавными резцами большие кристаллы кремния вызывают быстрый износ инструмента. Алмазом хорошо обрабатывается керамика и частично спеченные карбиды. Алмаз может быть применен для правки шлифовальных кругов и т. п.
Алмаз изнашивается при взаимодействии с железом при высокой температуре, и поэтому не рекомендуется применять алмазные инструменты для обработки сталей. Теплостойкость алмаза относительно небольшая – 700–750 °С. Алмазы имеют недостаточную ударную вязкость, острые кромки алмазного инструмента легко выкрашиваются и разрушаются. Высокая стоимость и дефицитность природных алмазов ограничивает их применение в качестве инструментального материала.
Потребность в менее дорогих и дефицитных сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953–1957 годах в США и в 1959 году в СССР методом каталитического синтеза при высоких статических давлениях и температурах из гексагональных фаз графита (С) были получены мелкие частицы кубических фаз синтетического алмаза. Цвет от черного до белого, в зависимости от технологии изготовления синтетический алмаз может быть полупрозрачным или непрозрачным.
Размеры кристаллов обычно от нескольких десятых долей до 1–2 мм. Более крупные плотные шаровидные поликристаллические образования синтетических алмазов, предназначенные для лезвийных инструментов, были получены в промышленных условиях в начале 1970-х годов. Синтетические поликристаллические алмазы имеют высокий модуль упругости Е = 700–800 ГПа, высокий предел прочности на сжатие s –В » 7–8 ГПа, но низкий предел прочности на изгиб s И » 0,8–1,1 ГПа.
По аналогичной технологии из бора и азота получена модификация нитрида бора BN, по структуре и свойствам напоминающая синтетический алмаз. Кристаллическая решетка – кубическая, твердость несколько ниже, чем у алмаза, но все же очень велика: 40–45 ГПа, т. е. более чем вдвое выше, чем у твердых сплавов, и почти вдвое выше твердости режущей керамики. Поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) иногда называют «боразон», «кубанит», «эльбор». Модуль упругости у нитрид бора
Е = 700–800 ГПа, предел прочности на сжатие примерно такой же, как у твердых сплавов: s –В
» 2,5 –5 ГПа, а более низкий, чем у твердых сплавов и у поликристаллических алмазов, предел прочности на изгиб: s И
» 0,6–0,8 ГПа.
Теплостойкость кубического нитрида бора значительно выше, чем у синтетических и природных алмазов: около 1000–1100 °С. По этой причине, а также в связи с меньшим химическим родством с углеродом, кубический нитрид бора более эффективен, чем алмаз и твердые сплавы при чистовой обработке сталей резанием, особенно при резании закаленных сталей высокой твердости с небольшими сечениями срезаемого слоя.
В основе технологии изготовления поликристаллов лежат два различных процесса: фазовый переход вещества из одного состояния в другое (собственно синтез) или спекание мелких частиц заранее синтезированного порошка ПСТМ. В нашей стране первым способом получают поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) марок: композит 01 (эльбор РМ) и композит 02 (бельбор), а также поликристаллический алмаз (ПКА) марок АСПК (карбонадо) и АСЕ (баллас).
Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) систематизируются по таким определяющим признакам, как состав основы поликристаллов, способы получения, характеристика исходного материала. Вся гамма поликристаллов разделяется на пять основных групп: ПСТМ на основе алмаза (СПА), ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора (СПНБ), композиционные сверхтвердые материалы (КСТМ), двухслойные сверхтвердые композиционные материалы (ДСКМ).
Поликристаллы на основе синтетического алмаза можно разделить на четыре разновидности:
1) Поликристаллы, получаемые спеканием мелких алмазных порошков в чистом виде или после специальной предварительной обработки для активации процесса спекания. Изготовленные по такой схеме поликристаллы представляют собой, как правило, однофазный продукт. Примером могут служить мегадаймонд, карбонит.
2) Поликристаллы алмаза типа СВ. Они представляют собой гетерогенный композит, состоящий из частиц алмаза, скрепленных связкой – второй фазой, которая располагается в виде тонких прослоек между кристаллами алмаза.
3) Синтетические карбонады типа АСПК, получаемые путем воздействия на углеродосодержащее вещество со значительным количеством катализатора одновременно высокого давления и высокой температуры. АСПК обладают меньшей твердостью и прочностью, чем поликристаллы первых двух разновидностей.
4) Поликристаллы алмаза, получаемые пропиткой алмазного порошка металлическим связующим при высоких давлениях и температурах. В качестве связки используются никель, кобальт, железо, хром.
Существует несколько разновидностей ПСТМ на основе нитрида бора:
1) поликристаллы, синтезируемые из гексагонального нитрида бора (ГНБ) в присутствии растворителя ВМ г ВМ сф (типичным представителем является композит 01);
2) поликристаллы, получаемые в результате прямого перехода гексагональной модификации в кубическую BNrBN (композит 02);
3) поликристаллы, получаемые в результате превращения вюрцитоподобной модификации в кубическую BN g ® ВМ дф. Поскольку полнота перехода регулируется параметрами спекания, то к этой группе относятся материалы с заметно отличающимися свойствами (композит 10, композит 09);
4) поликристаллы, получаемые спеканием порошков кубического нитрида бора (КНБ) с активирующими добавками (композит 05-ИТ, киборит
и др.).
ПСТМ на основе нитрида бора, незначительно уступая алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью, стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, более слабым химическим взаимодействием с железом, являющимся основным компонентом большинства материалов, подвергаемых в настоящее время обработке резанием.
Однородные по объемукомпозиционные сверхтвердые материалы получают спеканием смеси порошков синтетического алмаза и кубического нитрида бора. Сюда относят материалы типа ПКНБ – АС, СВ, СВАБ. К классу композиционных относят также алмазосодержащие материалы на основе твердых сплавов. Из материалов этой группы, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации, следует отметить «Славутич» (из природных алмазов) и «Твесал» (из синтетических алмазов).
Принципиальной особенностью двухслойных композиционных поликристаллических материалов является то, что спекание порошков сверхтвердых материалов производится при высоких температурах и давлениях на подложке из твердых сплавов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, в результате чего образуется слой ПСТМ толщиной 0,5–1 мм, прочно связанный с материалом подложки. Алмазоносный слой может содержать компоненты подложки.
В машиностроении для изготовления режущих и абразивных инструментов широко используются природные и синтетические минералы. Из природных минералов наиболее широко применяются алмаз, кварц, корунд, из синтетических - алмазы, кубический нитрид бора, электрокорунд, карбид бора, карбид кремния. По многим показателям синтетические материалы превосходят природные. Основные свойства синтетических сверхтвердых материалов (СТМ), применяемых при обработке резанием, приведены в таблице 2.18.
Таблица 2.18
Основные свойства синтетических сверхтвердых материалов
|
Наименование СТМ |
Наименование |
Твердость, HV, ГПа |
Теплостойкость, °С |
|
Баллас (АСБ) |
Синтетический алмаз |
||
|
Карбонадо (АСПК) |
Синтетический алмаз |
||
|
Синтетический алмаз |
|||
|
Композит 01 |
|||
|
Композит 02 (05) |
|||
|
Композит 03 |
|||
|
Композит 09 |
|||
|
Композит 10 |
Гексаиит-Р |
||
|
Композит КП1 (КПЗ) |
Для лезвийной обработки применяются природные, синтетические алмазы и кубический нитрид бора КНБ. Для абразивной - природные и синтетические алмазы, кубический нитрид бора, корунд и электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, окись алюминия, окись хрома, окись железа, а также некоторые горные породы.
К естественным сверхтвердым природным материалам относится алмаз. Название «алмаз» происходит от арабского al-mas, что переводится как «твердейший», или греческого adamas (адамас), что в переводе означает «непреодолимый, несокрушимый, непобедимый». В конце XVIII в. было установлено, что алмаз состоит из углерода. Алмазы встречаются в виде отдельных хорошо выраженных кристаллов или же в виде скопления кристаллических зерен и многочисленных сросшихся кристаллов (агрегатов). Единицей измерения величины алмаза является карат (от араб, kirat), что составляет 0,2 г.
Следует отметить, что в металлообработке природные алмазы применяются весьма редко. Как правило, для этих целей используют борт (выброшенные за борт) - так называют все алмазы, не идущие на изготовление украшений. Для изготовления режущих инструментов (резцов, сверл) применяются кристаллы алмаза весом 0,2-0,6 карата. Алмазные порошки употребляются для изготовления алмазных кругов. Кристаллы алмаза закрепляются в державке путем пайки серебряным припоем или механическим креплением.
При заточке алмаз предварительно извлекается из стержня и перешлифовывается в технологической державке на специальных станках с помощью чугунных дисков, шаржированных смесью алмазного порошка с оливковым маслом.
Поликристаллы синтетических алмазов выпускаются типа баллас по ТУ 2-037-19-70 (АСБЗ и АСБ4 для изготовления выглаживателей и АСПК2 - для резцов). Они представляют собой поликристаллические образования размером до 12 мм прочно связанных кристаллов, обладающих высокой прочностью и износостойкостью.
Области применения СТМ:
- для алмазов (А) - обработка цветных металлов и их сплавов, а также дерева, абразивных материалов, пластмасс, твердых сплавов, стекла, керамики;
- для КНБ - обработка черных металлов, сырых и закаленных, а также специальных сплавов на основе никеля и кобальта.
В настоящее время в промышленности в основном используют синтетические А, получаемые из углерода (в форме графита) при воздействии высоких давления и температуры, при этом гексагональная гранецентрированная решетка графита превращается в кубическую гранецентрированную решетку алмаза. Температуру и давление, необходимые для структурных превращений, определяют из диаграммы состояния «графит - алмаз».
Так как бор и азот располагаются по обеим сторонам углерода в таблице Менделеева, путем соответствующей химической реакции можно получить соединение этих элементов, т. е. нитрид бора, который имеет графитообразную гексагональную кристаллическую решетку с приблизительно одинаковым числом атомов бора и азота, расположенных попеременно. Аналогично графиту гексагональный нитрид бора (ГНБ) имеет слоистую рыхлую структуру и может превращаться в КНБ. Это процесс описывается диах"раммой состояния ГНБ - КНБ. За счет добавления специальных растворителей-катализаторов (обычно нитриды металлов) интенсивность превращения увеличивается, а давление и температура процесса снижаются соответственно до 6 ГПа и 1500°С. В процессе превращения кристаллы КНБ увеличиваются. При нагреве отдельные кристаллы КНБ спекаются между собой в зонах контакта и образуют «поликристаллическую» массу. Для интенсификации спекания добавляют также растворители. Кроме того, вся спекаемая масса должна находиться при определенных давлении и температуре, чтобы предотвратить обратное превращение твердых кристаллов КНБ в мягкие гексагональные кристаллы.
В результате спекания получают конгломерат КНБ, в котором произвольно ориентированные анизотропные кристаллы соединяются между собой, образуя изотропную массу большого объема. Затем из этой массы получают пластины для режущих инструментов, фильеры для волочения проволоки, инструменты для правки шлифовальных кругов, износостойкие детали и др.
Как режущий материал алмаз обладает высокой стойкостью и низким коэффициентом трения в паре с металлом, что обеспечивает высокое качество поверхности. Алмазы применяются (природные и синтетические) для точного точения и растачивания деталей из цветных сплавов. Для обработки углеродосодержащих металлов (чугу- нов, сталей) алмазы не используются, так как из-за химического сродства обрабатываемого и инструментального материалов происходит интенсивное изнашивание алмазных резцов и науглероживание поверхностного слоя заготовки.
Материалы на основе нитрида бора представляют собой кристаллическую кубическую (КНБ) или вюрцито- подобную (ВНБ) модификацию соединения бора с азотом, синтезируемую по технологии, аналогичной производству синтетических алмазов. За счет варьирования технологическими факторами получают несколько отличных друг от друга материалов на этой основе - эльбор, кубонит, гексанит и др. Поликристаллы на основе нитрида бора получают размером до 12 мм, применяются они для обработки сталей и сплавов на основе железа.
В отечественном производстве материалы на основе нитрида бора для абразивного инструмента выпускают под маркой эльбор, а для лезвийного инструмента - композит.
Появление каждой качественно новой группы инструментальных материалов характерно прежде всего существенным, скачкообразным увеличением скоростей резания и поэтому всегда сопровождается глубокими изменениями в станкостроении и технологии механической обработки.
Скорость резания - важнейший фактор интенсификации обработки материалов резанием с применением инструмента из синтетических сверхтвердых материалов в условиях, когда резервы существенного повышения скоростей резания традиционных инструментальных материалов практически исчерпаны.
Вместе с тем, как показывают последние исследования, скорость резания является к тому же весьма действенным фактором решения проблемы стружкодробления - одной из труднейших проблем в металлообработке.
При высокой скорости резания работа почти полностью превращается в тепло и образуется сегментная стружка, у которой сегменты разделяются хрупкой узкой перемычкой сильно деформированного металла; фактически образуется короткая дробленая стружка. Автоматизация процессов обработки материалов со снятием стружки и дальнейший рост скоростей резания неразрывны.
Резкое увеличение скорости резания при прочих равных условиях обеспечивают соответствующее увеличение минутной подачи инструмента, т. е. производительности процесса, а также уменьшение силы резания, наклепа и шероховатости обработанной поверхности, т. е. точности и качества обработки. Установлено, кроме того, что при увеличении скорости резания в определенных пределах возрастает надежность работы инструмента из СТМ; это принципиально важно применительно к автоматизированному оборудованию.
Как правило, часть имеющегося резерва повышения скорости резания при переходе от твердосплавного инструмента к инструменту из СТМ используется для уменьшения толщины срезаемого слоя. Например, при повышении скорости фрезерования чугуна в 10 раз минутная подача может быть увеличена не в 10, а в 4 раза с соответствующим уменьшением в 2,5 раза подачи на оборот. Это дает дополнительное существенное уменьшение силы резания и шероховатости поверхности.
Из материалов, получаемых спеканием алмазных зерен, в настоящее время выпускают поликристаллы СВ, СВС, дисмит, СВБН, карбонит.
Поликристаллы марки АСБ имеют шаровидную форму диаметром около 6-6,5 мм, четко выраженную радиальнолучистую структуру. Кристаллы балласа образуют блочное строение и разные размеры по сечению образца: в центре более мелкие, чем на периферии. Их величина находится в пределах 10-300 мкм.
Алмазы марки АСПК имеют форму цилиндра диаметром 2-4,5 мм, высотой 3-5 мм, структура их также радиально-лучистая, но более тонко сформированная и совершенная. Размеры зерен меньше (до 200 мкм).
Структура алмазов типа СВ поликристаллическая, двухфазная. Общее количество примесей не превышает 2%.
По возрастанию прочности алмазные поликристаллы располагаются следующим образом: АСБ, АСПК, СВ, дисмит.
Алмазный инструмент может эксплуатироваться, в отличие от инструмента из композита, и на низких скоростях, присущих твердосплавному инструменту, обеспечивая многократное повышение стойкости. При фрезеровании скорости могут быть увеличены в 1,5-2 раза. Глубина резания древесностружечных материалов определяется шириной фрез или пил.
Эффективность использования СА при обработке высокотвердых материалов можно иллюстрировать на примере точения твердых сплавов ВК10, ВК10С, ВС15, ВК20 резцами из АСПК. Производительность такой обработки в десять раз выше производительности шлифования при стабильном обеспечении заданного качества.
|
Обрабатываемый материал |
Скорость резания, V , м/мин |
Подача, S , мм/об |
Глубина резания, t, мм |
|
Алюминий и алюминиевые сплавы |
|||
|
Алюминиевые сплавы (10-20% кремния) |
|||
|
Медь и медные сплавы (бронзы, латуни, баббиты и др.) |
|||
|
Различные композиты (пластмассы, пластики, стеклопластики, углепластики, твердая резина) |
|||
|
Полуспеченные керамика и твердые сплавы |
|||
|
Спеченные твердые сплавы |
|||
|
Древесностружечные материалы |
|||
|
Горные породы (песчаник, гранит) |
Высокую износостойкость выявляют инструменты из АСПК и АСБ при точении абразивосодержащих материалов, широко распространенных высококремнистых и медных сплавов, стеклопластиков, пластической керамики, пресс-материалов и др. Она в десять и более раз выше, чем у твердосплавных.
Накоплен значительный опыт точения и растачивания резцами из АСПК заготовок из алюминиевых сплавов АЛ-2, АЛ-9, АЛ-25, АК-6, АК-9, АК-12М2, ВКЖЛС-2, титановых сплавов ВТ6, ВТ22, ВТ8, ВТЗ-1, стеклопластиков, цветных металлов, дерева.
Поликристаллы АСБ характеризуются высокой работоспособностью при точении высококремнистого алюминиевого сплава АК-21, АЛ-25, сплава на основе меди Л62, при обработке ЛС59-1, бронзы, стеклопластиков СТ, СВАМ, АГ и др.
Инструментальными являются материалы, основное назначение которых - оснащение рабочей части инструментов. К ним относятся инструментальные углеродистые, легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамика, сверхтвердые материалы.
Основные свойства инструментальных материалов
| Инструментальный материал | Теплостойкость 0 С | Предел прочности при изгибе, МПа | Микротвер-дость, НV | Коэффициент тепло-проводности, Вт/(мЧК) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Углеродистая сталь
Легированная сталь Быстрорежущая сталь Твердый сплав Минералокерамика Кубический нитрид |
8.1. Инструментальные стали.По химическому составу, степени легированности инструментальные стали разделяются на инструментальные углеродистые, инструментальные легированные и быстрорежущие стали. Физико-механические свойства этих сталей при нормальной температуре достаточно близки, различаются они теплостойкостью и прокаливаемостью при закалке. В инструментальных легированных сталях массовое содержание легирующих элементов недостаточно, чтобы связать весь углерод в карбиды, поэтому теплостойкость сталей этой группы лишь на 50-100 0 С превышает теплостойкость инструментальных углеродистых сталей. В быстрорежущих сталях стремятся связать весь углерод в карбиды легирующих элементов, исключив при этом возможность образования карбидов железа. За счет этого разупрочнение быстрорежущих сталей происходит при более высоких температурах. Инструментальные углеродистые (ГОСТ 1435-74) и легированные (ГОСТ 5950-73) стали. Основные физико-механические свойства инструментальных углеродистых и легированных сталей приведены в таблицах. Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У, за которой следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в стали в десятых долях процента. Так, в стали марки У10 массовое содержание углерода составляет один процент. Буква А в обозначении соответствует высококачественным сталям с пониженным массовым содержанием примесей. Химический состав углеродистых инструментальных сталей
В инструментальных легированных сталях первая цифра, характеризует массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода в ней до одного процента). Буквы в обозначении указывают на содержание соответствующих легирующих элементов: Г - марганец, Х - хром, С - кремний, В - вольфрам, Ф - ванадий, а цифры обозначают содержание элемента в процентах. Инструментальные легированные стали глубокой прокаливаемости марок 9ХС, ХВСГ, Х, 11Х, ХВГ отличаются малыми деформациями при термической обработке. Химический состав малолегированных инструментальных сталей
Эти материалы имеют ограниченные области применения: углеродистые идут, в основном, для изготовления слесарных инструментов, а легированные - для резьбообразующих, деревообрабатывающих и длинномерных инструментов (ХВГ)- протяжек, разверток и т.д. 8.2. Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73)Химический состав и прочностные характеристики основных марок этих сталей приведены в таблицах. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующими карбидообразующим и легирующим элементам: Р - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, А - азот, К - кобальт, Т - титан, Ц - цирконий). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах (содержание хрома около 4 процентов в обозначении марок не указывается). Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента (например, сталь 11Р3АМ3Ф2 содержит около 1,1 % С; 3 % W; 3 % Мо и 2 % V). Режущие свойства быстрорежущих сталей определяются объемом основных карбидообразующих элементов: вольфрама, молибдена, ванадия и легирующих элементов- кобальта, азота. Ванадий в связи с малым массовым содержанием (до 3%) обычно не учитывается, и режущие свойства сталей определяются, как правило, вольфрамовым эквивалентом, равным (W+2Mo)%. В прейскурантах на быстрорежущие стали выделяют три группы сталей: стали 1-й группы с вольфрамовым эквивалентом до 16 % без кобальта, стали 2-й группы - до 18 % и содержанием кобальта около 5 %, 2ста 0ли 3-й группы - до 20 % и содержанием кобальта 5-10 %. Соответственно, различаются и режущие свойства этих групп сталей. Химический состав быстрорежущих сталей
Химический состав литых быстрорежущих сталей
Кроме стандартных, применяются и специальные быстрорежущие стали, содержащие, например, карбонитриды титана. Однако высокая твердость заготовок этих сталей, сложность механической обработки не способствующих широкому распространению. При обработке труднообрабатываемых материалов находят применение порошковые быстрорежущие стали Р6М5-П и Р6М5К5-П. Высокие режущие свойства этих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности, уменьшению радиуса скругления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и в особенности шлифованием. В настоящие время проходят промышленные испытания безвольфрамовые быстрорежущие стали с повышенным содержанием различных легирующих элементов, в том числе алюминия, малибдена, никеля и других Один из существенных недостатков быстрорежущих сталей связан с карбидной неоднородностью, т.е. с неравномерным распределением карбидов по сечению заготовки, что приводит, в свою очередь, к неравномерной твердости режущего лезвия инструмента и его износа. Этот недостаток отсутствует у порошковых и мартенситно-стареющих (с содержанием углерода менее 0,03%) быстрорежущих сталей.
8.3. Твердые сплавы (ГОСТ 3882-74)Твердые сплавы содержат смесь зерен карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов в связующих материалах. Стандартные марки твердых сплавов выполнены на основе карбидов вольфрама, титана,тантала. В качестве связки используется кобальт. Состав и основные свойства некоторых марок твердых сплавов для режущих инструментов приведены в таблице. Физико-механические свойства одно-, двух- и трехкарбидных твердых сплавов Состав физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов В зависимости от состава карбидной фазы и связки обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В - вольфрам, Т - титан, вторая буква Т - тантал) и связку (буква К- кобальт). Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой долей связки (цифра осле буквы К), например, сплав ВК4 содержит 4% кобальта и 96% WC. Вдвухкарбидных WC+TiC сплавах цифра после буквы карбидообразующего элемента определяется массовая доля карбидов этого элемента, следующая цифра - массовая доля связки, остальное - массовая доля карбида вольфрама (например, сплав Т5К10 содержит 5% TiC,10% Co и 85% WC). В трехкарбидных сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Цифра за буквой К - массовая доля связки, остальное- массовая доля карбида вольфрама (например, сплав ТТ8К6 содержит 6% кобальта, 8% карбидов титана и тантала и 86% карбида вольфрама). В металлообработке стандартом ISO выделены три группы применяемости твердосплавного режущего инструмента: группа Р - для обработки материалов, дающих сливную стружку; группа К - стружку надлома и группа М - для обработки различных материалов (универсальные твердые сплавы). Каждая область разделяется на группы и подгруппы. Твердые сплавы, в основном, выпускаются в виде различных по форме и точности изготовления пластин: напайных (наклеиваемых) - по ГОСТ 25393-82 или сменных многогранных - по ГОСТ 19043-80 - 19057-80 и другим стандартам. Многогранные пластины выпускаются как из стандартных марок твердых сплавов, так и из этих же сплавов с однослойными или многослойными сверхтвердыми покрытиями из TiC, TiN, оксида алюминия и других химических соединений. Пластины с покрытиями обладают повышенной стойкостью. К обозначению пластин из стандартных марок твердых сплавов с покрытием нитридов титана добавляют - маркировку букв КИБ (ТУ 2-035-806-80), а к обозначению сплавов по ISO - букву С. Выпускаются также пластины и из специальных сплавов (например, по ТУ 48-19-308-80). Сплавы этой группы (группы "МС") обладают более высокими режущими свойствами. Обозначение сплава состоит из букв МС и трехзначного (для пластин без покрытий)или четырехзначного (для пластин с покрытием карбидом титана) числа: 1-я цифра обозначения соответствует области применения сплава по классификации ISO (1 - обработка материалов, дающих сливную стружку; 3 - обработка материалов, дающих стружку надлома; 2 - область обработки, соответствующая области М по ISO); 2-я и 3-я цифры характеризуют подгруппу применяемости, а 4-я цифра - наличие покрытия. Например, МС111 (аналог стандартного Т15К6), МС1460 (аналог стандартного Т5К10) и т.д. Кроме готовых пластин выпускаются также заготовки в соответствии с ОСТ 48-93-81; обозначение заготовок то же, что и готовых пластин, но с добавлением буквы З. Безвольфрамовые твердые сплавы широко применяются как материалы, не содержащие дефицитных элементов. Безвольфрамовые сплавы поставляются в виде готовых пластин различной формы и размеров, степеней точности U и М, а также заготовок пластин. Области применения этих сплавов аналогичны областям использования двухкарбидных твердых сплавов при безударных нагрузках.
8.4. Минералокерамика (ГОСТ 26630-75) и сверхтвердые материалыМинералокерамические инструментальные материалы обладают высокой твердостью, тепло- и износостойкостью. Их основой являются глинозем (оксид кремния)- оксидная керамика или смесь оксида кремния с карбидами, нитридами и другими соединениями (керметы). Основные характеристики и области применения различных марок минералокерамики приведены в таблице. Формы и размеры сменных многогранных керамических пластин определены стандартом ГОСТ 25003-81*. Кроме традиционных марок оксидной керамики и керметов широко применяются оксидно-нитридная керамика (например, керамика марки "кортинит" (смесь корунда или оксида алюминия с нитридом титана) и нитридно-кремниевая керамика- "силинит-Р" . Физико-механические свойства инструментальной керамики
Синтетические сверхтвердые материалы изготавливаются либо на основе кубического нитрида бора - КНБ, либо на основе алмазов. Материалы группы КНБ обладают высокой твердостью, износостойкостью, низким коэффициентом трения и инертностью к железу. Основные характеристики и эффективные области использования приведены в таблице. Физико-механические свойства СТМ на основе КНБВ последнее время к этой группе относятся и материалы, содержащие композицию Si-Al-O-N (торговая марка "сиалон"), в основе которых нитрид кремния Si3N4. Синтетические материалы поставляются в виде заготовок или готовых сменных пластин. На основе синтетических алмазов известны такие марки, как АСБ - алмаз синтетический "баллас", АСПК - алмаз синтетический "карбонадо" и другие. Достоинства этих материалов - высокая химическая и коррозионная стойкость, минимальные радиусы закругления лезвий и коэффициент трения с обрабатываемым материалом. Однако, алмазы имеют существенные недостатки: низкая прочность на изгиб (210-480 МПа); химическая активность к некоторым жирам содержащимся в охлаждающей жидкости; растворение в железе при температурах 750-800 С, что практически исключает возможность их использования для обработки сталей и чугуна. В основном, поликристаллические искусственные алмазы применяются для обработки алюминия, меди и сплавов на их основе. Назначение СТМ на основе кубического нитрида бора
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
К основным группам сверхтвердых материалов относят алмазы, нитрид бора, оксид алюминия (Al 2 O 3 ) и нитрид кремния (Si 3 N 4 )в монокристальной форме или в виде порошков (минералокерамика) .
Алмаз - кубическая кристаллическая модификация углерода, нерастворим в кислотах и щелочах. Величина алмаза измеряется в каратах (один карат равен 0,2 г). Различают природные технические (А) и поликристаллические синтетические (АС) алмазы. Синтетические алмазы получают путем перевода углерода в другую модификацию за счет значительного объема графита в условиях высоких температур (~2500 0 С) и давлений (~1 000 000 МПа).
Синтетические поликристаллические алмазы марки АСБ типа баллас выпускаются по ТУ 2-037-19-76 (АСБ-1, АСБ-2, ..., АСБ-5), поликристаллические алмазы марки АСПК типа карбонадо - по ТУ 2-037-96-73 (АСПК-1, АСПК-2, АСПК-3).
Материалы на основе кубического нитрида бора (КНБ) разделяются на две группы: материалы, содержащие свыше 95% кубического нитрида бора, и материалы, содержащие 75% кубического нитрида бора с различными добавками (например, Al 2 O 3). К первой группе относятся эльбор – Р (композит 01), г ексанит – Р (композит 10), белбор (композит 02), исмит , ПТНБ . Ко второй группе относится композит 05 с массовой долей КНБ 75% и Al 2 O 3 25%.
Из минералокерамических инструментальных материалов наиболее широкое применение получают следующие материалы:
Оксидная керамика (белая) , которая состоит из оксида алюминия (безводного природного глинозема Al 2 O 3 около 99%) с незначительными добавками оксида магния (MgO) или других элементов. Выпускаются марки: ЦМ332, ВШ-75 (ТУ 2-036-768-82); ВО13 (ТУ 48-19-4204-2-79).
Оксид алюминия – корунд . Используют технические (природные) и синтетические корунды. Из синтетических корундов широкое применение получили электрокорунды (представляющие собой кристаллический оксид А1 2 О 3) марок 16А,15А,14А,13А,12А и т.д. и карборунды (представляющие собой химическое соединение кремния с углеродом SiC) марок 55С, 54С, 53С, 52С, 64С, 63С, 62С.
Оксидно-карбидная (черная) керамика состоит из Al 2 O 3 (60 – 80%), карбидов тугоплавких металлов (TiC) и окислов металлов. Выпускаются марки ВОК60, ВОК71 и В3 по ГОСТ 25003-81.
Оксидно–нитридная керамика состоит из нитридов кремния (Si 3 N 4) и тугоплавких материалов с включением оксида алюминия и некоторых других компонентов. К этой группе относят марки: кортинит - ОНТ-20 (по ТУ 2-Р36-087-82) и силинит – Р (по ТУ 06-339-78).
Свойства и применение инструментальных материалов
Инструментальные материалы применяются для изготовления режущего, мерительного, штампового и другого инструмента.
Инструментальные материалы должны иметь:
высокую твердость, значительно превышающую твердость обрабатываемого материала;
высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки в процессе работы;
достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломок инструмента при эксплуатации;
теплостойкость, когда обработка выполняется с повышенной скоростью.
Углеродистые инструментальные стали предназначены для изготовления режущих инструментов, работающих без значительного разогрева режущей кромки (до 170 … 200 О С) и штампов холодного деформирования.
Стали с меньшим содержанием углерода (У7, У7А), как более пластичные, идут для изготовления ударных инструментов: зубил, крейцмейселей, кернеров, кувалд, топоров, колунов; слесарно-монтажных инструментов: кусачек, плоскогубцев, острогубцев, отверток, молотков; для кузнечных штампов; игольной проволоки; инструментов для обработки дерева: фрез, зенковок, цековок и др.
Стали У8, У8А, У8ГА, У9, У9А - пластичные и идут для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; для обработки дерева: фрез, зенковок, цековок, топоров, стамесок, долот, продольных и дисковых фрез; для накатных роликов; для калибров простой формы и пониженных классов точности и т.д.
Стали У10,У10А - хорошо работают без больших ударных нагрузок и разогрева режущей кромки. Из них изготавливают столярные пилы, ручные ножовки, спиральные сверла, шаберы, напильники, ручные мелкоразмерные метчики, плашки, развертки, рашпили, надфили, матрицы для холодной штамповки, гладкие калибры и скобы и др.
Из сталей У12, У12А изготовляют инструменты повышенной износостойкости, работающие при умеренных и значительных давлениях без разогрева режущей кромки: напильники, бритвенные ножи, лезвия, острые хирургические инструменты, шаберы, гравировальные инструменты, гладкие калибры.
Легированные инструментальные стали по сравнению с углеродистыми имеют более высокую красностойкость (200 … 500 О С), износостойкость, лучшую прокаливаемость по сравнению с углеродистыми.
Стали 9ХС, ХГС, ХВГ, ХВСГФ используют для изготовления режущего (метчики, плашки, развертки, протяжки, фрезы и др.), а также штампового инструмента более ответственного назначения, чем из углеродистых сталей, применяемого для обработки мягких материалов.
Стали 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 9ХФМ, 5ХНМ и другие используют для изготовления деревообрабатывающего инструмента (8ХФ), ножей для холодной резки металла (9ХФ), строительных пил, обрезных матриц и пуансонов для холодной обрезки заусенцев, хирургических инструментов и др.
Быстрорежущие стали обладают повышенной износостойкостью и теплостойкостью (600 … 650 О С), что позволяет применять значительно более высокие скорости резания, чем при работе инструментов из углеродистых и легированных сталей, высокой прочностью на изгиб и хорошей шлифуемостью по сравнению со спеченными твердыми сплавами.
Быстрорежущие стали являются одним из основных материалов для изготовления многолезвийных инструментов, шлифование и заточка которых вызывает затруднения.
Стали Р18 и Р6М5 применяют для изготовления всех видов режущих инструментов обрабатывающих конструкционные стали.
Стали Р6М5Ф3 и Р12Ф3 – для чистовых и получистовых инструментов (резцов, зенкеров, разверток, сверл, протяжек, фрез и др.), обрабатывающих конструкционные и инструментальные стали.
Стали Р9К5, Р6М5К5,Р18К5Ф2 – для черновых и получистовых инструментов (фрез, долбяков, метчиков, сверл и др.), предназначенных для обработки конструкционных сталей.
Стали Р9 и 11Р3АМ3Ф2 – для инструмента простой формы, обрабатывающего углеродистые и малолегированные стали.
Стали Р9М4К8 и Р2АМ9К5 – для всех видов инструментов используемых при обработке высокопрочных коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов.
Спеченные твердые сплавы обладают рядом ценных свойств: большая твердость, сочетающаяся с высоким сопротивлением износу при треннии как о металлические, так и о неметаллические материалы; повышенная теплостойкость (до 800 … 900 О С).
Твердые сплавы находят широкое применение в различных отраслях промышленности: режущий инструмент при лезвийной обработке материалов; буры для обработки твердых пород; зубки врубовых машин и комбайнов в угольной промышленности; рабочие части штампов.
Замена инструмента из быстрорежущей стали на твердосплавный инструмент, дает резкое повышение производительности.
Сплавы группы ТК более тверды, теплостойки и износостойки, чем соответствующие по содержанию кобальта сплавы группы ВК , но в то же время более хрупки и менее прочны. Поэтому они плохо выдерживают ударные нагрузки, прерывистое резание и обработку с переменным сечением среза.
Т30К4 – для чистового точения с малым сечением среза;
Т15К6 – для получернового точения при непрерывном резании, чистового точения при прерывистом резании, получистового и чистового фрезерования, рассверливания и растачивания предварительно обработанных отверстий;
Т14К8 – для чернового точения, фрезерования и зенкерования при непрерывной обработке, получистового и чистового точения при прерывистом резании;
Т5К10 – для чернового точения, фрезерования, чистового строгания.
Сплавы группы ВК характеризуются наибольшей прочностью, но низкой твердостью.
Главное назначение вольфрамовых твердых сплавов (группы ВК ) - обработка чугунов, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов, титановых сплавов, некоторых марок коррозионностойких, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов. Сплавы с небольшим количеством кобальта и мелкозернистыми карбидами вольфрама (ВК3, ВК6-ОМ) применяют при чистовой и получистовой обработке материалов. Сплавы со средним содержанием кобальта (ВК6, ВК8) – при черновой и получерновой обработке, а с большим содержанием кобальта (ВК10) – при черновой обработке материалов. Из сплавов типа ВК15 изготавливают режущие инструменты для обработки дерева.
Замена части карбидов титана карбидами тантала в сплавах группы ТТК повышает их прочность (вязкость), сопротивление трещинообразованию при резких перепадах температуры и прерывистом резании. По прочности они занимают промежуточное положение между сплавами группТК иВК.
Сплавы группы ТТК используются при обработке как сталей, так и чугунов. Они хорошо зарекомендовали себя при черновой обработке с большим сечением среза, при работе с ударами (строгание, фрезерование) и сверлении.
Безвольфрамовые твердые сплавы отличаются высокой окалиностойкостью, сопротивлением агдезии, малым коэффициентом трения, но имеют пониженную прочность и теплопроводность.
Безвольфрамовые твердые сплавы показывают хорошие результаты при чистовой и получистовой обработке резанием вязких металлов и сталей взамен сплавов Т15К6, Т14К8. Эти сплавы дают значительный эффект при замене инструментальных сталей в штампах, измерительных инструментах: фильеры, вытяжные матрицы, прессформы, калибры измерительных инструментов и др. Они также эффективно используются в качестве режущих инструментов для обработки цветных металлов и сплавов.
Твердость алмазов в 6 раз превосходит твердость карбида вольфрама и в 8 раз – твердость быстрорежущей стали. Теплопроводность алмаза в несколько раз выше теплопроводности других инструментальных материалов, что компенсирует относительно невысокую теплостойкость – до 800 О С (при большем нагреве алмаз графитизируется). Из крупных природных и синтетических алмазов размером до 120 мм изготавливют: резцы, наконечники для измерения твердости металлов, волоки, стеклорезы, наконечники для выглаживания и др. Алмазные инструменты из природных и синтетических алмазов могут эффективно применяться при обтачивании и растачивании изделий из цветных металлов и сплавов, а также из неметаллических материалов и пластмасс. Для обработки сталей их применять не рекомендуется из-за сильного химического взаимодействия.
Кубический нитрид бора (КНБ) обладает твердостью, близкой к твердости алмаза, более теплостоек и химически инертен по сравнению с алмазом, хотя и менее теплопроводен, обладает достаточной ударной вязкостью. Отсутствие у КНБ химического сродства к железу позволяет эффективно использовать его для обработки различных труднообрабатываемых сталей, в том числе цементованных и закаленных, высокими скоростями резания и малыми толщинами срезаемых стружек, что обеспечивает возможность замены шлифования точением или фрезерованием.
Корунд – минерал, уступающий по твердости только алмазу, имеющий температуру плавления 1750–2050 О С. Наиболее чистые прозрачные корунды являются драгоценными камнями – красный рубин и синий сапфир. Технические корунды используют в качестве абразивов в производстве оптики. Синтетические корунды – электрокорунды – применяют при шлифовании сталей и чугунов, для заточки режущего инструмента из инструментальной стали, для доводки твердосплавного инструмента.
Оксидная и оксидно-карбидная керамика обладает достаточно большой твердостью и износостойкостью, однако имеет прочность значительно меньшую по сравнению с твердыми сплавами, из-за чего используется преимущественно для чистовой и частично получистовой обработки стали и чугна.
Оксидно – нитридная керамика предназначена для обработки закаленных сталей, ковких модифицированных и отбеленных чугунов, термоулучшенных сталей.
Согласно классификации, все сверхтвердые лезвийные материалы на основе плотных модификаций нитрида бора являются композитами. В зависимости от технологии получения, физикомеханических свойств, условий применения они разбиты на определенные группы. Наиболее широкое применение в отечественной металлообработке нашли композит 01 (эльбор-Р), композит 03 (исмит), композит 05, композит 09 (ПТНБ), однослойный и двухслойный композит 10 (гексанит-Р).
Аналогичные и подобные инструментальные материалы на основе модификации кубического нитрида бора (КНБ) созданы и находят применение во многих индустриально развитых странах, причем их применение неуклонно расширяется.
Перечисленные инструментальные материалы отличает высокая твердость, тепловая устойчивость и химическая инертность к черным металлам, т.е. все то, что делает эти прогрессивные инструментальные материалы весьма эффективными на операциях точения, растачивания и торцового фрезерования как гладких, так и прерывистых точных поверхностей деталей основного машиностроительного назначения.
Высокая эффективность применения инструментов, оснащенных поликристаллами композитов, обусловлена уникальным сочетанием их физико-химических характеристик, в числе которых исключительно высокая твердость, высокая теплостойкость и теплопроводность, близкая к теплопроводности твердых сплавов и не снижающаяся при повышении температуры (табл. 6.1). Поли- кристаллический кубический нитрид бора имеет износостойкость в 50 раз выше, чем твердый сплав, и в 10 - 25 раз выше, чем оксидная или нитридная керамика. Данные композиты сохраняют свою прочность при высоких температурах, типичных для обработки закаленных черных металлов с относительно высокой интенсивностью съема материала. Эти инструментальные материалы вступают в химическую реакцию с черными металлами на воздухе и при высокой температуре, что обусловливает их определенные преимущества по сравнению с алмазами и другими традиционными инструментальными материалами.
Области применения различных марок композитов определяются размерами поликристаллов и их физико-механическими характеристиками. Несмотря на разнообразие марок композиты не создают между собой конкуренции, а успешно дополняют друг друга. Имеются нормативные документы, каталоги, методические рекомендации и справочная литература, в которых достаточно полно и широко описаны основные свойства композитов.
Так, композиты 01 и 02 применяют для тонкого и чистового точения, преимущественно без ударных нагрузок, деталей из черных металлов любой твердости; композит 03 - для предварительного и окончательного точения чугунов любой твердости; композит 05 - для чистового и получистового точения без ударных нагрузок закаленных сталей и чугунов любой твердости, для торцового фрезерования чугунов; композит 10 - для предварительного и окончательного точения (растачивания) с ударными нагрузками и без них сталей и чугунов любой твердости, для торцового фрезерования закаленных сталей и чугунов.
В настоящее время освоено промышленное производство композитов на основе нитрида бора с различными свойствами, причем каждый тип инструментального материала обладает преимуществами при определенных условиях обработки.
Существует четыре основные группы материалов, эффективно обрабатываемых модификациями кубического нитрида бора:
- отбеленный чугун; легированный никелем или хромом белый чугун (50...65 HRC);
- закаленные стали и детали с поверхностной закалкой (50... 65 HRC);
- некоторые упрочняемые сплавы (38 HRC);
- некоторые марки серого чугуна (200...220 НВ).
Таблица 6.1
Свойства композитов на основе плотных модификаций нитрида бора (по ТУ 2-035-982-85)
|
композита |
прочности растяжении о„, МПа |
Предел прочности при сжатии о сж, МПа |
Твердость HV, МПа |
Теплостойкость, “С |
|
Композиты 01 и 02 |
75 000... 80 000 |
|||
|
Композиты 05 и 06 |
||||
|
Композит 09 |
||||
|
Композит 10 |
При обработке черных металлов твердостью свыше 45 HRC широко применяют черновое и чистовое точение с помощью композитов взамен шлифования. Такие металлы, ввиду недостаточно высокой стойкости традиционных инструментальных материалов, неэффективно обрабатывать, например, твердыми сплавами или режущими керамическими материалами. Использование для этих целей шлифования кругами из электрокорунда представляет собой довольно длительный процесс, характеризующийся низкой интенсивностью съема металла и быстрым износом круга, что ограничивает производительность.
Развитие конструкции инструментов, оснащенных искусственными сверхтвердыми материалами, идет по двум основным направлениям - создание инструментов с механическим креплением цельных, многослойных круглых и многогранных режущих пластин, а также применение перетачиваемых режущих вставок, когда конструкция с механическим креплением пластин практически невозможна.
Твердость синтетического алмаза составляет приблизительно 90... 100 ГПа. Его применяют для изготовления алмазных сверл, резцов, буровых колонок и инструментов для бурения наиболее твердых пород, а также для изготовления наконечников к приборам для измерения твердости и чистоты поверхности.
Наиболее благоприятными условиями для синтеза алмазов является давление 4...6 ГПа и температура 1 125... 1 325°С.
Получать крупные режущие пластины композитов технически достаточно сложно, так как это связано с очень высокой температурой и давлением, которые необходимы для синтеза этих материалов. Поэтому чаще используют более простые по технологии получения инструменты с напайными пластинами из композитов, которые могут перетачиваться несколько раз.
Дальнейшее развитие конструкции режущих инструментов, оснащенных лезвийными сверхтвердыми материалами, идет по направлению расширения возможностей композитов и их применения в условиях автоматизированного производства. Резцы из композитов широко применяют для обработки деталей различной конфигурации на токарных, токарно-револьверных станках, станках расточной группы, а также на многоцелевых станках. Эффективное использование инструментов достигается на жестких высокоточных станках повышенной мощности. Такое оборудование должно обладать достаточной жесткостью, поскольку при точении и растачивании инструментами из композитов имеют место относительно большие силы резания. Вибрации оборудования не допускаются, так как это не только ухудшает шероховатость обрабатываемой поверхности, но и в ряде случаев является причиной выкрашивания режущих кромок. Высокая стойкость и относительно малый износ инструментов из композитов имеют важное значение при обработке на автоматизированных токарных станках, так как число замен инструментов заметно сокращается, а заданные размеры обрабатываемой детали выдерживаются без частого вмешательства оператора. Если загрузку и выгрузку деталей осуществляет робот, то инструменты, оснащенные модификациями композитов вполне пригодны для обработки в условиях безлюдной технологии.