Инструментальные материалы

Федеральное агентство по образованию

Московский  Государственный Технический Университет  «МАМИ» 

Кафедра: «Автоматизированные станочные системы и инструменты» 
 
 
 
 
 

Реферат по теме:

«Инструментальные материалы» 
 
 

                    Группа: 3-ЭФЭк-5

Студент: Шелякин А.И.

Преподаватель: Сулаков В.В. 
 
 

Москва, 2011 

Общие сведения  

 История развития  обработки металлов показывает, что одним из эффективных путей  повышения производительности труда  в машиностроении является применение  новых инструментальных материалов. Например, применение быстрорежущей  стали вместо углеродистой инструментальной  позволило увеличить скорость  резания в 2—3 раза. Это потребовало  существенно усовершенствовать  конструкцию металлорежущих станков,  прежде всего увеличить их быстроходность и мощность.

 Аналогичное явление  наблюдалось также при использовании  в качестве инструментального  материала твердых сплавов.

 Инструментальный  материал должен иметь высокую  твердость, для того чтобы в  течение длительного времени  срезать стружку.

 Значительное  превышение твердости инструментального  материала по сравнению с твердостью  обрабатываемой заготовки должно  сохраняться и при нагреве  инструмента в процессе резания.

 Способность материала  инструмента сохранять свою твердость  при высокой температуре нагрева  определяет его красностойкость  (теплостойкость).

Режущая часть инструмента  должна иметь большую износостойкость  в условиях высоких давлений и  нагрева.

 Важным требованием  является также достаточно высокая  прочность инструментального материала,  так как при недостаточной  прочности происходит выкрашивание режущих кромок, либо поломка инструмента, особенно при их небольших размерах.

 Инструментальные  материалы должны обладать хорошими  технологическими свойствами, т.  е. легко обрабатываться в процессе  изготовления инструмента и его  переточек, а также быть сравнительно  дешевыми.

 В настоящее  время для изготовления режущих  элементов инструментов применяются  следующие материалы: 

1) инструментальные  стали (углеродистые, легированные  и быстрорежущие);

2) твердые сплавы;

3) минералокерамические  материалы;

4) алмазы;

5) абразивные материалы. 

  Инструментальные  стали  

Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных сталей У10А, У11А, У12А, обладают достаточной  твердостью, прочностью и износостойкостью при комнатной температуре, однако теплостойкость их невелика. При температуре 200 — 250* их твердость резко уменьшается. Поэтому они применяются для  изготовления ручных и машинных инструментов, предназначенных для обработки  мягких металлов с низкими скоростями резания, таких как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и  др. Углеродистые инструментальные стали  имеют низкую твердость в состоянии  поставки, что обеспечивает их хорошую  обрабатываемость резанием и давлением. Однако они плохо закаливаются и  требуют применения при закалке  резких закалочных сред, что усиливает  коробление инструментов и опасность  образования трещин.

Инструменты из углеродистых инструментальных сталей плохо шлифуются  из-за сильного нагревания, отпуска  и потери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической  обработке и плохой шлифуемости углеродистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасонных инструментов, подлежащих шлифованию, по профилю.

 С целью улучшения  свойств углеродистых инструментальных  сталей были разработаны низколегированные  стали. Они обладают большей  прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувствительностью к перегреву, чем углеродистые стали, и в то же время хорошо обрабатываются резанием и давлением. Применение низколегированных сталей уменьшает брак из-за деформации и трещин, по сравнению с получаемым при термической обработке углеродистых сталей. Примером низколегированных сталей может служить сталь У 11Х, которая представляет собой углеродистую сталь с небольшими добавками хрома.

 Низколегированные  стали не превосходят углеродистые  стали по режущим свойствам,  так как введение в сталь  небольшого количества легирующих  элементов не повышает теплостойкость  стали. Поэтому область применения  для низколегированных сталей  рекомендуется та же, что и  для углеродистых сталей.

 Легированные  инструментальные стали отличаются  от углеродистых более высокой  прокаливаемостью и закаливаемостью, что позволяет производить закалку инструментов с охлаждением в горячих средах и получать меньшую деформацию.

 В производстве  режущих инструментов из инструментальных  легированных сталей наибольшее  применение находят хромокремнистая  сталь 9ХС и хромовольфрамомарганцовистая сталь ХВГ.

 У стали 9ХС  наблюдается равномерное распределение  карбидов по сечению. Это позволяет  использовать ее для резьбонарезных  инструментов с мелким шагом  резьбы, особенно для круглых  плашек.

 Вместе с тем  сталь 9ХС имеет повышенную  твердость в отожженном состоянии,  пониженную обрабатываемость, высокую  чувствительность к обезуглероживанию  при нагреве.

 Сталь ХВГ имеет  повышенную карбидную неоднородность, что усиливает выкрашивание режущих кромок и не позволяет рекомендовать ее для инструментов, работающих в тяжелых условиях. Применяется она для изготовления таких инструментов, как длинные развертки, метчики, протяжки, для которых крайне нежелательна деформация при закалке.

 Вместо сталей 9ХС и ХВГ можно применять  сталь ХГСВФ. Она имеет меньшую  твердость после отжига и обезуглероживается значительно меньше, чем сталь 9ХС.

 По теплостойкости  легированные инструментальные  стали незначительно превосходят  углеродистые. Они сохраняют высокую  твердость при нагреве до 200—  260* С. Поэтому эти стали непригодны для резания с повышенной скоростью, а также для обработки твердых материалов.

В настоящее время  для изготовления металлорежущих инструментов применяются быстрорежущие стали. В зависимости от назначения их можно  разделить на две группы:  

1) стали нормальной  производительности;

2) стали повышенной  производительности. 

 К сталям первой  группы относятся Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, Р9М4; к сталям второй группы — Р9К5, Р9КЮ, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2.

 В обозначении  марок буква Р указывает, что сталь относится к группе быстрорежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание ванадия в стали в процентах обозначается цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта -— цифрой, следующей за буквой К.

 Быстрорежущая  сталь Р18, содержащая 18% вольфрама,  долгое время была наиболее  распространенной. Инструменты, изготовленные  из этой стали, после термической  обработки имеют твердость HRC 62—65, красностойкость 600* С и достаточно высокую прочность. Сталь Р18 сравнительно хорошо шлифуется. Существенным недостатком этой стали является большая карбидная неоднородность, особенно значительная в прутках большого сечения.

 При увеличении  карбидной неоднородности прочность  стали снижается и при работе  наблюдается выкрашивание режущих кромок инструмента и снижение его стойкости.

 Большое количество  избыточной карбидной фазы делает  сталь Р18 более мелкозернистой, менее  чувствительной к перегреву при  закалке, более износостойкой.  Из стали Р18 могут изготовляться  всевозможные инструменты, в том  числе такие сложные как шеверы, долбяки, протяжки и др.

 Сталь Р9 по красностойкости и режущим свойствам почти не уступает стали Р18.

 Недостатком стали  Р9 является пониженная шлифуемость, вызываемая сравнительно высоким содержанием ванадия и присутствием в структуре очень твердых карбидов. Вместе с тем сталь Р9, по сравнению со сталью Р18, имеет более равномерное распределение карбидов, несколько большую прочность и пластичность, что облегчает ее деформируемость в горячем состоянии и имеет важное значение для инструментов, получаемых различными методами пластической деформации. Из-за пониженной шлифуемости сталь Р9 применяется в ограниченных пределах.

 Сталь Р12 равноценна  по режущим свойствам стали  Р18. По сравнению со сталью  Р18 сталь Р12 имеет меньшую карбидную  неоднородность, повышенную пластичность  и пригодна для инструментов, изготовляемых методом пластической  деформации.

 По сравнению  со сталью Р9 сталь Р12 лучше шлифуется, что объясняется более удачным сочетанием легирующих элементов.

 Стали марок  Р18М и Р9М отличаются от сталей  Р18 и Р9 тем, что они в своем составе вместо вольфрама содержат до 0,6—1% молибдена (из расчета, что 1% молибдена заменяет 2% вольфрама). Эти стали имеют равномерно распределенные карбиды, но более склонны к обезуглероживанию. Поэтому закалку инструментов из этих сталей необходимо проводить в защитной атмосфере. По своим основным свойствам стали Р18М и Р9М не отличаются от сталей Р18 и Р9 и имеют ту же область применения.

 Вольфрамомолибденовые  стали типа Р6М3, Р6М5 являются  новыми сталями, значительно повышающими  как прочность, так и стойкость  инструмента. Молибден обусловливает  меньшую карбидную неоднородность, чем вольфрам, вследствие чего  замена 6—10% вольфрама соответствующим  количеством молибдена снижает  карбидную неоднородность быстрорежущих  сталей примерно на 2 балла и  соответственно повышает пластичность. Недостаток молибденовых сталей  заключается в том, что они  имеют повышенную чувствительность  к обезуглероживанию.

 Вольфрамомолибденовые  стали рекомендуется применять  в промышленности наряду с  вольфрамовыми для изготовления инструмента, работающего в тяжелых условиях, когда необходима повышенная износостойкость, пониженная карбидная неоднородность и высокая прочность.

 Сталь Р18, особенно в крупных сечениях (диаметром более 50 мм], с большой карбидной неоднородностью целесообразно заменять на стали Р6М3 и Р12. Сталь Р12 пригодна для протяжек, сверл, особенно в сечениях диаметром менее 60—70 мм. Сталь Р6М3 целесообразно использовать для инструментов, изготовляемых способом пластической деформации, для инструментов, работающих с динамическими нагрузками, и для инструментов больших сечений с малыми углами заострения на режущей части.

 Быстрорежущие  стали повышенной производительности  Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 используются в  основном при обработке жаропрочных  сплавов, высокопрочных и нержавеющих  сталей, других труднообрабатываемых  материалов, а также конструкционных  сталей с повышенными режимами  резания. В настоящее время  применяются кобальтовые и ванадиевые  быстрорежущие стали. Легирование  быстрорежущих сталей кобальтом  и ванадием понижает прочность,  но повышает красностойкость до 630—670*С. При этом возрастают их режущие свойства, т. е. повышается стойкость инструмента в 1,5—3,0 раза по сравнению со стойкостью инструментов из стали Р18.

 Вместе с тем  быстрорежущие стали повышенной  производительности, содержащие кобальт,  имеют повышенную чувствительность  к обезуглероживанию. Быстрорежущие  стали повышенной производительности  шлифуются хуже стали Р18 и требуют  более точного соблюдения температур  нагрева при термической обработке.  В порядке ухудшения шлифуемости рассматриваемые стали располагаются в такой последовательности: Р18Ф2, Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р9Ф5, Р10К5Ф5. Ухудшение шлифуемости выражается в повышении износа абразивных кругов и увеличении толщины поверхностного слоя стали, повреждаемого при излишне жестком режиме шлифования.

 Быстрорежущие  стали повышенной производительности  из-за технологических недостатков  не являются сталями универсального  назначения. Они имеют относительно  узкие границы применения, более  пригодны для инструментов, подвергаемых  незначительному профильному шлифованию. 

 Твердые металлокерамические сплавы  

 В настоящее  время для производства режущих  инструментов широко используются  твердые сплавы. Они состоят из  карбидов вольфрама, титана, тантала,  сцементированных небольшим количеством  кобальта. Карбиды вольфрама, титана  и тантала обладают высокой  твердостью, износостойкостью и  теплостойкостью. Инструменты, оснащенные  твердым сплавом, хорошо сопротивляются  истиранию сходящей стружкой  и материалом заготовки и не  теряют своих -режущих свойств при температуре нагрева до 750—1100* С.