Классификация инструментальных материалов

Применение в промышленности труднообрабатываемых материалов и постоянный рост производительности труда, особенно в процессах обработки металлов резанием, требует создания новых методов обработки и новых металлорежущих инструментов из более эффективных инструментальных материалов.

Производительность инструмента в значительной степени зависит от его способности сохранять определенное время режущие свойства. Режущие свойства ухудшаются не только под влиянием высокой температуры, повышающейся в процессе резания и вызывающей снижение твердости инструмента, но и таких явлений, как адгезия, диффузия, абразивно-механическое изнашивание режущей кромки и поверхностей инструмента.

Способность инструмента сопротивляться указанным явлениям называется износостойкостью. Стойкость инструмента измеряется временем, в течение которого сохраняются его режущие свойства и на определенных условиях работы. Во избежание преждевременного разрушения режущей кромки необходимо, чтобы инструментальный материал был также достаточно прочным.

Следовательно, инструментальные материалы независимо от их химического состава и способа производства, предназначенные для использования в качестве режущих элементов инструментов, должны иметь: твердость, превышающую твердость обрабатываемых металлов; высокую износостойкость; красностойкость; механическую прочность в сочетании с достаточной пластичностью. Перечисленные свойства определяют физико-механические характеристики инструментальных материалов. Однако не все инструментальные материалы обладают одинаково высокими физико-механическими свойствами. Они изменяются в зависимости от химического состава, структурного состояния, от условия взаимодействия инструментального материала с металлом обрабатываемой детали в процессе резания и от его устойчивости при изменяющихся температурах.

Классификация инструментальных материалов по химическому составу и физико-механическим свойствам

Классификация инструментальных материалов по химическому составу и физико-механическим свойствам приведена на рис. 1, из которого видно, что в настоящее время материалы режущих инструментов делятся на четыре группы и отличаются значительной номенклатурой, В соответствии с этим различные режущие материалы должны иметь свои рациональные области применения.

Материалы, относящиеся к II — IV группам, имеют повышенные режущие свойства и поэтому являются прогрессивными.

Прогрессивные режущие материалы благодаря повышенной теплостойкости и износостойкости, в сравнении с инструментальными сталями, обеспечивают при резании инструментом работу на повышенных скоростях резания, обработку металлов с высокой твердостью, чем способствуют повышению производительности труда и эффективности технологического процесса. Производительность процесса механической обработки зависит не только от скорости резания, но и от величины подачи и глубины резания. Эти параметры определяют площадь среза и соответственно силу резания, воздействующую на режущую часть инструмента, вызывая сложные напряжения в режущем клине. Поэтому одной из основных механических характеристик инструментального режущего материала является прочность на изгиб. Однако в природе не существует материалов, обладающих одновременно высокой, твердостью, износостойкостью и прочностью.

Относительное расположение инструментальных материалов по износостойкости и прочности показано на рис. 2.

Ученые материаловеды работают над созданием новых материалов и совершенствованием существующих в направлении одновременного повышения вышеуказанных свойств материалов.

Перед студентами-инструментальщиками и технологами стоит задача рационального выбора режущего материала для конкретного инструмента и вида обработки.

К основным достижениям последнего времени в области прогрессивных режущих материалов можно отнести:

1. повышение качества металлокерамических вольфрамотитанокобальтовых твердых сплавов;
2. разработку маловольфрамовых твердых сплавов;
3. разработку и совершенствование безвольфрамовых твердых сплавов;
4. повышение режущей способности сплавов за счет нанесения покрытий карбидом титана, нитридом титана, карбонитридами и оксидами различных металлов;
5. разработку и совершенствование оксидно-карбидной минералокерамики;
6. создание поликристаллов синтетических сверхтвердых материалов на основе углерода и нитрида бора.

Качество инструментального материала определяется комплексом механических и физико-химических свойств:

• пределом прочности при одноосном растяжении и сжатии;
• температурной зависимостью предела текучести или твердости;
• температурной зависимостью предела выносливости;
• температурной зависимостью интенсивности адгезии с обрабатываемым материалом;
• модулем упругости, температурным коэффициентом линейного расширения, коэффициентом Пуассона;
• тепло- и температуропроводностью;
• температурной зависимостью скорости взаимного растворения инструментального и обрабатываемого материалов;
• температурной зависимостью скорости окисления.

Сравнение основных физико-механических свойств групп режущих материалов приведено в табл. 1. Керметы, занимающие по режущим характеристикам промежуточное значение между твердым сплавом и быстрорежущей сталью, не включены в табл. 1.

Новые инструментальные материалы обычно имеют ограниченную область применения, – поэтому они будут дополнять, а не заменять основные виды инструментальных материалов. Сложность процесса стружкообразования, особенно в условиях прерывистого резания и при высоких температурах, не позволяет в настоящее время прогнозировать режущую способность новых инструментальных материалов при всех условиях обработки.

Усовершенствованные существовавшие и созданные новые прогрессивные режущие материалы обладают повышенными режущими свойствами и позволяют обрабатывать резанием все конструкционные материалы.