Главa 21. Инструментальные материалы и их термическая обработка

Инструментальные стали. Дереворежущие инструменты работают в условиях совместного механичес­кого, химического и абразивного изнашивания. Высокие скорости резания (до 100 м/с), малые углы заточки (20—60°) резцов, их высокая острота, наличие в древесине влаги, а в древесных материалах — частиц связующего определяют сложную картину износа и комплекс жестких требований к инструменталь­ным материалам. Они должны обладать прочностью, пластичностью, твердостью, теплостойкостью и устойчивостью против коррозии.

Твердость материала является важнейшим показателем его свойств. В дереворежущих инструментах она характеризуется числом твердости по методу Роквелла НRС_Э. По этому методу в поверхность инструмента на специальном приборе — твердомере ТР вдавливается алмазный конус, и глубина внедрения отсчитывается по индикатору прибора. Обычно при испытаниях общая нагрузка на конус составляет 1500 Н. Показания отсчитываются по шкале С_Э, поэтому рядом с числом твердости указывается метод измерения НRС_Э (ГОСТ 9013–59, ГОСТ 23677–79).

Для изготовления современного станочного дереворежущего инструмента применяют углеродистые, легированные и быстрорежущие стали и твердые сплавы.

Углеродистые инструментальные стали представляют собой сплав железа с углеродом. Температура фазовых превращений железа составляет 911 °С, до которой оно существует в фазе альфа-железо и выше которой до 1392 °С – в фазе гамма-железо. Эти фазы различаются строением кристаллической решетки, которая перестраивается при критической температуре. Температура критических точек сплавов отличается от критической температуры железа величиной и наличием двух точек – верхней и нижней.

Чем выше содержание углерода, тем выше предел прочности стали, ее твердость, но ниже пластичность, способность сопротивляться ударной нагрузке. Для изготовления режущих инструментов применяют высокоуглеродистые высококачественные стали с содержанием углерода от 0,9 до 1,3 %: У8А, У9А, У10А (ГОСТ 380–71); из них изготавливают инструменты для обработки древесины мягких пород или работающих на малых скоростях резания, например ручных. Буква А в конце обозначения указывает на то, что сталь высококачественная.

Легированные инструментальные стали кроме железа и углерода содержат специальные легирующие добавки, введение которых позволяет повысить износостойкость и прокаливаемость стали благодаря способности железа образовывать твердые растворы с углеродом и легирующими элементами. Более прочный и твердый раствор с углеродом феррит образует альфа-железо, более вязкий аустенит – гамма-железо. Большинство станочных инструментов для обработки натуральной древесины изготавливают из легированных сталей (9ХФ, 9Х5ВФ, Х6ВФ, 9ХС, Х12Ф1, Х12М, 12ХН3А, 8Х6НФТ по ГОСТ 5950–73).

Легированные стали маркируют по буквенно-цифровой системе. Первое число индекса показывает содержание углерода в десятых (если число однозначное) или сотых (если число двухзначное) долях процента. Если перед буквенным обозначением число отсутствует, то содержание углерода в стали более 1 %. Далее следующие буквы обозначают основные легирующие добавки, а цифры после них показывают среднее содержание легирующего элемента в целых процентах. Если содержание легирующего элемента менее 1 %, цифры после букв не ставят.

Приняты следующие обозначения легирующих элементов в маркировке сталей: В – вольфрам, повышает прочность, твердость, теплостойкость, прокаливаемость, снижает чувствительность к перегреву; Г – марганец, повышает прочность, твердость, прокаливаемость; К – кобальт, повышает прочность, твердость, пластичность; Н – никель, повышает пластичность и прокаливаемость; М – молибден, способствует получению мелкозернистой структуры и обезуглероживанию, требует закалки в защитной среде, повышает твердость, пластичность, теплостойкость, прокаливаемость, снижает чувствительность к перегреву; С – кремний, повышает прочность, но при содержании более 2,5 % значительно снижает пластичность; Т – титан, способствует получению мелкозернистой структуры, повышает прочность и твердость; Ф – ванадий, способствует сохранению мелкозернистой структуры при высоких температурах, повышает твердость, пластичность, прокаливаемость; Х – хром, повышает прочность, твердость за счет образования карбидов, прокаливаемость, снижает чувствительность к перегреву.

Вредными примесями являются фосфор, снижающий пластичность и прочность, способствующий росту зерна при закалке, и сера, ухудшающая ковкость, снижающая пластичность и прочность. В легированных сталях допускается содержание этих элементов в количестве не более 0,02…0,04 %.

Высоколегированные стали выделены в отдельные группы, каждой из которых присвоена отдельная буква, стоящая первой в марке: Ж – нержавеющие стали, Р – быстрорежущие стали.

Быстрорежущие инструментальные стали содержат те же легирующие добавки, но в значительно больших количествах. Основная легирующая добавка — вольфрам (до 10—25%), обеспечивающий сохранение твердости и режущей способности инструмента при нагреве до 500—550 °С. Содержание вольфрама в бысторежущих сталях в процентах показывает число, стоящее после буквы Р.

Из быстрорежущих сталей Р6М5, Р6М3, Р9, Р18 (ГОСТ 9374–77) целесообразно изготовлять только режущий элемент в виде наварной пластинки или вставного зуба для инструментов, интенсивно нагревающихся при резании, например, при обработке клееных деталей.

Термическая обработка сталей. Все положительные свойства легированных и быстрорежущих сталей могут проявиться в полной мере лишь при условии их правильной термической обработки. Цель ее — в измельчении строения (структуры) металла путем нагрева до определенной температуры с последующим охлаждением. К процессам термообработки сталей относятся следующие.

Отжиг производят путем нагрева до температуры фазовых превращений, выдержки при этой температуре и медленного охлаждения с печью для снижения твердости, улучшения обрабатываемости, снятия внутренних напряжений и подготовки к другим видам термообработки. С такой же целью производят нормализацию, требующую меньше времени за счет более быстрого охлаждения стали на воздухе.

Закалка состоит в нагреве до температуры критического интервала или выше, выдержке и последующем быстром охлаждении для повышения твердости и износостойкости.

Отпуск производят после закалки путем нагрева до температуры ниже температуры фазовых превращений для снятия остаточных напряжений, повышения пластичности при снижении твердости.

Твердые сплавы. В деревообработке нашли применение литые и вольфрамокобальтовые металлокерами­ческие твердые сплавы.

Из литых твердых сплавов наиболее распространены стеллиты и сормайты. Стеллиты (В2К, ВЗК, ПР-ВЗК-Р) представляют собой сплав на кобальтовой, а сормайты (№ 1, № 2) — на железистой основе (табл. 21.1). Износостойкость литых твердых сплавов в 3 — 4 раза выше износостойкости легированных сталей. Современные стеллиты, например, марки 12 фирмы «DELORO STELLITE», благодаря однородной мелкозернистой структуре сохраняют твердость HRC_Э 47…51 и упругость при нагреве до 700 ^оС, что позволяет перетачивать зубья до 20 раз без использования алмазного инструмента и СОЖ и работать без замены инструмента до 2 смен.

Литые твердые сплавы применяют в основном для наплавки зубьев ленточных и рамных пил, а также тонких круглых пил. Эти сплавы можно наплавлять электродуговым или газовым способом.

Таблица 21.1

Химический состав литых твердых сплавов

Металлокерамические твердые сплавы получают при спекании прессованных порошков карбидов вольфрама (WС). В качестве цементирующей связки служит металлический кобальт (Со). Этот тип твердого сплава обозначают буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта (%). Например, сплав ВК15 содержит 85 % WС и 15% Со. Если после цифры, обозначающей процент содержания кобальта, стоит буква М, сплав мелкозернистый, если буква В — сплав крупнозернистый.

Инструменты, оснащенные твердым сплавом группы ВК, имеют твердость НRС_Э 85.. .90 и не теряют режущей способности при нагревании до 800—900 °С, что обеспечивает повышение периода стойкости в 20—50 раз даже по сравнению с быстрорежущей сталью. При этом эффективность твердого сплава тем выше, чем труднее материал поддается обработке резанием. Применять в деревообработке титановольфрамокобальтовые, минералокерамические и безвольфрамовые твердые сплавы нецелесообразно ввиду их хрупкости.

При проектировании инструментов, оснащенных твердым сплавом, следует помнить о его высокой хрупкости: во избежание аварийного износа угол заточки b должен быть не меньше 40—50°. В деревообработке наиболее часто используют следующие марки твердого сплава: ВК15 для обработки древесины хвойных пород; ВК10 для обработки ДСП и ДВП; ВК8, ВК6М для обработки твердолиственных пород древесины, ДСтП и других древесных материалов.

Искусственные алмазы получают при высоких температуре и давлении из природных монокристаллов или синтетических поликристаллов. Они находят все более широкое применение для изготовления режущих элементов деревообрабатывающего инструмента. Благодаря самой высокой твердости алмаз мало подвержен абразивному износу при резании кроме тех случаев, когда обрабатываемый материал содержит твердые абразивные включения. Интенсивное срастание зерен алмаза в условиях высоких давлений и температур обеспечивает высокую прочность материала при динамических нагрузках, что делает возможным его использование для обработки резанием древесных материалов.

Особенность технологии получения искусственного алмаза состоит в том, что спекание алмазного порошка производится без связующего и прочность контакта между алмазными частицами определяется, главным образом, процессами, протекающими на межзеренных границах алмазных частиц. Прочность режущей кромки достаточно высока, алмазные зерна имеют на границах контакта прочные связи, которые препятствуют вырыванию отдельных частиц, поэтому в общей картине износа возрастает доля механического диспергирования алмазных зерен и их хрупкого разрушения. При исследовании механических свойств алмазов отмечались случаи появления пластических деформаций в зернах алмазов при комнатной температуре при вдавливании конуса. Обнаружить подобные явления при резании очень трудно, однако, нельзя исключить возможность их развития при высоких температурах в зоне резания.

Способность оказывать сопротивление вырыванию зерен объясняется низким уровнем термоциклических напряжений вследствие высокой теплопроводности алмазов, которая на порядок выше по сравнению с другими инструментальными материалами. В связи с этим уровень напряжений на границах зерен будет определяться только механической составляющей и вероятность расшатывания зерен снижается. Алмазный инструмент сохраняет работоспособность при температуре до 800 ^оС.

Резцы из поликристаллического алмаза СВБН при фрезеровании ЦСП показали наивысшую износостойкость по сравнению с другими инструментальными материалами. Износ происходит почти с одинаковой интенсивностью по задней и передней граням резца на протяжение длительного периода. Это связано с увеличением до 4000 м фактического пути резания периода приработки, в течение которого происходит медленный рост радиуса округления вершины резца r до величины 18...20 мкм, после чего величина r стабилизировалась на уровне 20...24 мкм на весь период испытаний. К концу приработочного периода на задней грани формируется фаска износа, величина которой к 12000 м фактического пути резания составила 100 мкм. С возникновением фаски происходит стабилизация r и износа по передней грани. Поверхность износа задней грани резца имеет равномерную шероховатость. Интенсивность износа ее на участках монотонного изнашивания невысока. В условиях скольжения по абразиву может происходить хрупкое разрушение алмазных зерен. Этому процессу предшествует механическое диспергирование промежуточных фаз межзеренного пространства. Передняя поверхность имеет незначительный износ, который вызывается ударным воздействием абразивных частиц и происходит путем уноса частиц из межзеренного пространства. Влияние его на стойкость инструмента ничтожно мало.

В настоящее время отрабатывается технология нанесения алмазных покрытий на поверхность твердосплавного инструмента, что открывает большие возможности для повышения износостойкости инструмента при резании труднообрабатываемых древесных материалов.

Распространение алмазного дереворежущего инструмента сдерживается его высокой стоимостью, жесткими требованиями к техническому состоянию оборудования, отсутствием четких рекомендаций по режиму эксплуатации, сложностью и дороговизной заточки.