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.

Классификация инструментальных материалов фото

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.

Классификация инструментальных материалов
Рисунок 1. Классификация современных инструментальных режущих материалов

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.

Относительное расположение режущих материалов по их износостойкости и прочности на изгиб
Рисунок 2. Относительное расположение режущих материалов по их износостойкости и прочности на изгиб его проектирования с учетом физико-механических свойств материала и факторов режима резания.

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.

Материал Плотность ?, 103 кг/м3 Микротвердость HV,107 Па Предел прочности при сжатии ?сж. МПа Предел прочности при изгибе ?из, МПа Модуль продольной упругости Е, ГПа Теплопроводность, Вт / (м* К) Теплостойкость, °C
Твердые сплавы

6… 15

1300…2000

4000… 5160

900… 2200

450… 600,

11…80

1100… 1200

Минералокерамика: оксидная

3,90… 3,97

2000…2400

3500., 4000

300… 600

380

21

1600… 1800

оксидно-карбидняя

4,2 …4,3

2800… 3000

4500

400…700

430

38

1300

Сверхтвердый кубический нитрид бора

3,44… 3,49

5900… 8500

4000

600

120

100

1500

синтетическийалмаз

3,48… 3,56

8800… 9800

3000

300

900

150

750… 900

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.