II. Теоретическое обоснование
Основные требования, предъявляемые к материалам для режущего инструмента - это высокая твердость и износостойкость. От этих характеристик зависит прежде всего качество обрабатываемой поверхности. Кроме того, при тяжелых условиях резания (высокие значения скорости резания, а также - прочности, твердости или вязкости обрабатываемых изделий), когда режущая кромка может разогреваться до температур красного каления и выше, материал инструмента должен обладать теплостойкостью - способностью сохранять высокую твердость (износостойкость) при длительном нагреве. Величина теплостойкости оценивается предельной температурой, при которой сохраняется высокое значение твердости (обычно 58...59 HRCэ), обеспечивающей работоспособность инструмента. В дальнейшем эту температуру, характеризующую теплостойкость, будем обозначать t58.
По теплостойкости сплавы для режущего инструмента подразделяют на следующие группы:
1) углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью t58»200 °С;
2) высоколегированные быстрорежущие стали с t58»600...640 °С;
3) твердые сплавы с t58»800...1000 °С[44].
Высокая твердость сталей для режущего инструмента обеспечивается большим содержанием углерода - обычно 0,9...1,2 %, иногда до 1,3...1,5 %.
Углеродистые стали (У9, У10, У11, У12, У13, ГОСТ 1435-90) после неполной закалки (см. работу 6) и низкого отпуска имеют структуру мартенсита с мелкозернистыми включениями вторичного цементита и высокую твердость HRCэ 62...64. Недостаток этих сталей - пониженная прокаливаемость, поэтому из них изготавливают металлообрабатывающий инструмент небольшого размера (метчики, сверла, напильники, пилы и др.). Закалку проводят в воде или солевых растворах.
Низколегированные инструментальные стали(ГОСТ 5950-2000) содержат такое же количество углерода и до 5 % легирующих элементов. Основным легирующим элементом является хром.
Стали этой группы, как и инструментальные углеродистые, подвергаются закалке и низкому отпуску, имеют аналогичную структуру и практически такую же твердость (см. табл. 8.1). Их теплостойкость лишь незначительно выше (t58<250...260 °С).Однако вследствие легирования они обладают более низкой критической скоростью закалки Vкр и существенно большей прокаливаемостью (см. работу 7). Так, из стали ХВСГ можно изготавливать инструмент с поперечным сечением до 100 мм. Закаливают эти стали обычно в масле.
В быстрорежущих сталях(ГОСТ 19265-73) высокая теплостойкость (красностойкость) достигается введением большого количества вольфрама[45] наряду с другими карбидообразующими элементами (Mo, Cr, V).
Карбиды этих элементов в отличие от цементита в углеродистых сталях выделяются из мартенсита и коагулируют (укрупняются) при более высоких температурах отпуска. Поэтому распад мартенсита в быстрорежущих сталях и последующая коагуляция карбидов, приводящие к снижению твердости, сдвигаются в область высоких температур (500...600 °С). Для получения высокой теплостойкости карбиды как можно полнее должны быть растворены в аустените (этим обеспечивается получение высоколегированного мартенсита). Для этого необходима высокая температура нагрева стали под закалку. Сильное легирование быстрорежущих сталей приводит к тому, что температура окончания
мартенситного превращения лежит ниже комнатной (см. работу 6). Поэтому в закаленной стали сохраняется до »30 % остаточного аустенита, снижающего режущие свойства инструмента. Для его уничтожения применяют трехкратный отпуск при t»560 °С. При этом аустенит превращается в мартенсит, кроме того, выделяются дисперсные вторичные карбиды, что на несколько единиц (1...3 HRCэ) повышает твердость закаленной стали. Структура стали после такой термообработки: мартенсит, дисперсные вторичные и относительно крупные первичные карбиды.
Твердые сплавы - это металлокерамические материалы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала. Они изготавливаются методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, выполняющим роль связки, прессуют и спекают при 1400...1550 °С. Таким образом изготавливают режущие пластинки, которыми оснащают резцы, фрезы, сверла и другие инструменты. Структура таких материалов на 80-95 % состоит из карбидных частиц, обеспечивающих высокую твердость HRA 85...92 (HRCэ 67...76) и теплостойкость (t58»800...1000 °С)
инструмента.
По ГОСТ 3882-74 выпускают твердые сплавы трех групп:
1) вольфрамовые (ВК3, ВК6, ..., ВК25);
2) титановольфрамовые (Т30К4, Т15К6, ..., Т5К12);
3) титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12, ТТ8К6, ..., ТТ20К9).
В группе ВК цифры показывают содержание кобальта в процентах, остальное карбид вольфрама WC. В группе ТК цифры после букв Т и К- содержание карбида титана TiC и Со соответственно, остальное WC. В группе ТТК цифры после букв ТТ и К - содержание карбидов титана и тантала в сумме (TiC+TaC) и Со соответственно, остальное WC. Например, ВК6 – 6 % Co, 94 % WC; T30K4 – 30% TiC, 4% Co, 66 % WC; TT7K12 – 7 % (TiC+TaC), 12 % Co, 81 % WC.
Твердые сплавы применяются для высокоскоростного резания сталей, а также черновой и чистовой обработки труднообрабатываемых материалов (чугуна, жаропрочных сталей и сплавов, керамики).