Основные характеристики инструментальных материалов

Рациональная область применения конкретного инструментального материала определяется совокупностью его эксплуатационных и технологических свойств (зависящих в свою очередь от физико- механических и химических свойств), а также экономическими факторами.

Инструментальные материалы работают в тяжёлых условиях – при высоких нагрузках и температурах. Поэтому все свойства инструментальных материалов можно подразделить на механические и тепловые.

К важнейшим эксплуатационным свойствам инструментальных материалов относятся: твердость, прочность, износостойкость, теплостойкость, теплопроводность.

Твердость Н _и контактных поверхностей инструмента должна быть выше твердости Н _м обрабатываемого материала. Это одно из основных требований, предъявляемых к материалу инструмента. Но с повышением твердости инструментального материала, как правило, уменьшается его сопротивляемость хрупкому разрушению. Поэтому для каждой пары обрабатываемого и инструментального материалов существует оптимальное значение отношения Н _и/ Н _м, при котором интенсивность износа инструментального материала будет минимальной.

С точки зрения прочности инструмента важно, чтобы инструментальный материал сочетал высокую твердость при повышенных температурах зоны резания с хорошей сопротивляемостью на сжатие и изгиб, а также обладал высокими значениями предела выносливости и ударной вязкости.

Износостойкость измеряется отношением работы, затраченной на удаление определенной массы материала, к величине этой массы. Износ, наблюдаемый в резании как общая потеря массы инструментального материала, вызывается различными механизмами: адгезионно-усталостным, абразивным, химико-абразивным, диффузионным и т.д. Износостойкость инструментального материала при адгезионном износе зависит от микропрочности поверхностных слоев и интенсивности адгезии с обрабатываемым материалом. При хрупком адгезионном износе износостойкость инструментального материала коррелируется с его пределом выносливости и прочностью, при пластическом - с пределом текучести и твердостью. В качестве меры износостойкости инструментального материала при абразивном износе приближенно принимается его твердость. Диффузионный износ режущего инструмента имеет место вследствие взаимного растворения компонентов режущего и обрабатываемого материалов с последующим разрушением поверхностных слоев режущего материала, разупрочненных вследствие диффузионных процессов. Характеристикой сопротивления диффузионному износу является степень инертности инструментальных материалов по отношению к обрабатываемым.

Твердость контактных поверхностей инструмента в холодном состоянии, т.е. измеренная при комнатной температуре, не достаточно полно характеризует его режущую способность. Для характеристики режущих свойств инструментальных материалов при повышенных температурах пользуются такими понятиями как «горячая» твердость, красностойкость и теплостойкость.

Под красностойкостью понимается температура, вызывающая снижение твердости инструментального материала не ниже заданного значения. Согласно ГОСТ 19265-73 красностойкость быстрорежущей стали нормальной производительности должна быть равна 620°С, а стали повышенной производительности - 640°С. Красностойкость определяется измерением твердости образцов при комнатной температуре после их нагрева до температур 620°-640°С с выдержкой в течении 4-х часов и последующего охлаждения. За контрольную норму разупрочнения стали после указанного нагрева принята твердость HRC 58.

Под теплостойкостью инструментального материала понимают способность материала сохранять при нагреве твердость, достаточную для процесса резания. Теплостойкость характеризуется так называемой критической температурой. Критическая температура - это температура, устанавливаемая в процессе резания, при которой инструментальный материал еще не теряет своих режущих свойств, и инструмент, из которого он изготовлен, способен резать.

Зависимость работоспособности инструмента от температурных условий его работы выражается и такой характеристикой инструментального материала, как сопротивление тепловому удару. Эта характеристика определяет максимальный перепад температур, при котором материал сохраняет свою целостность, и отражает возможность хрупкого разрушения инструмента в результате действий термических напряжений. Знание сопротивления тепловому удару особенно важно при использовании относительно хрупких инструментальных материалов в условиях прерывистого резания. Величина термических напряжений зависит от теплопроводности, коэффициента линейного расширения, модуля упругости, коэффициента Пуассона и других свойств инструментального материала.

Теплопроводность - одно из важнейших физических свойств инстру­ментальных материалов. Чем ниже теплопроводность, тем выше температура контактных поверхностей инструмента и, следовательно, ниже допускаемые скорости резания.

Среди технологических свойств инструментальных материалов наибо­лее важное значение имеет их обрабатываемость в горячем (ковка, литье, штамповка, сварка и пр.) и холодном (обработка резанием, шлифовка) состояниях. Для инструментальных материалов, подвергаемых термообра­ботке, не меньшую значимость имеют и условия их термической обработки: интервал закалочных температур, количество остаточного аустенита, спо­собность остаточного аустенита, к превращению, деформации при термичес­кой обработке, чувствительность к перегреву и обезуглероживанию и др. Обрабатываемость инструментальных материалов резанием зависит от мно­гих факторов, основными из которых являются: химический состав, твер­дость, механические свойства (прочность, вязкость, пластичность), мик­роструктура и размер зерна, теплопроводность. Обрабатываемость следует рассматривать не с точки зрения возможности использования высоких ско­ростей резания при изготовлении инструмента, но также и в отношении качества получаемых поверхностей. Инструментальный материал, при обра­ботке которого получаются задиры, высокая шероховатость, прижоги и другие дефекты, трудно использовать для изготовления режущего инстру­мента.

Стоимость инструментального материала, относится к экономическим факторам. Инструментальный материал должен быть по возможности дешевым. Но это требование является условным, поскольку более дорогой материал может обеспечить более дешевую обработку. К тому же соотношение между стоимостью отдельных материалов непрерывно меняется. Важно, чтобы инструментальный материал не являлся бы дефицитным.

Идеального инструментального материала, одинаково пригодного для всего многообразия условий механической обработки, создать невозможно. Поэтому в промышленности применяется большая номенклатура инструментальных материалов, объединенных в следующие основные группы: углеродистые и легированные стали; быстрорежущие стали; твердые сплавы; режущая керамика; сверхтвердые материалы; инструмент с покрытиями.

Инструментальные стали

Стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2 % С. Чистое железо претерпевает аллотропическое превращение при температуре 910°С, до которой атомы железа образуют кубическую объемно-центрированную решетку (Fe-α), при нагревании свыше 910°С - кубическую гранецентрированную (Fe-γ). При нагревании свыше 910°С, т.е. при переходе Fe-α в Fe-γ, происходит уменьшение плотности на 3 % и в десятки раз увеличивается растворимость углерода. Из-за наличия в сталях углерода аллотропичес­кие и фазовые превращения в них происходят не при 910°С, а при других значениях температуры. В сталях могут быть получены следующие структуры:

- аустенит - твердый раствор углерода в Fe-γ,

- цементит - химическое соединение Fe₃C,

- феррит - твердый раствор углерода в Fe-α,

- перлит - механическая эвтектоидная смесь феррита и цементита.
Необходимые структуры и свойства сталей обеспечиваются соответствующим видом термической обработки.

Для получения равновесной структуры, уменьшения твердости и улуч­шения обрабатываемости сталей резанием применяется отжиг - нагревание стали выше температуры фазовых превращений и очень медленное охлаждение с печью.

Для получения высокой прочности, твердости и износостойкости при­меняется закалка - нагрев стали выше температуры фазовых превращений и охлаждение со скоростью, большей, чем критическая скорость охлаждения. Под критической скоростью охлаждения понимается скорость, при которой не происходит диффузионного распада аустенита, а аустенит превращается в мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в Fe-α.

При недостаточно высокой скорости охлаждения получается одна из следующих переходных структур: троостит, сорбит, перлит. Эти структуры представля­ют собой ферритно-цементитную смесь. Разница между ними заключается в величине частиц цементита: в сорбите (HRC=30) эти частицы мельче, чем в перлите; в троостите (HRC=40) мельче, чем в сорбите. Структура мартен­сита (HRC=65) является основной структурой закаленной стали. Мартенсит имеет отличную от других структур природу и образуется не так как ферритно-цементитные смеси.

При быстром охлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это имеет место при образовании перлита, сорбита, троостита. Происходит только перестройка γ-железа в решётку α -железа; углерод остается внутри решетки α-железа, искажая ее, степень искажения зависит от содержания в стали углерода. Высокая твердость закаленной стали является следствием искажения кристаллической решетки мартенсита. Мартенсит обладает высокой прочностью и твердостью, но низкой пластичностью и ударной вязкостью.

Закаленные стали со структурой мартенсита подвергают дальнейшей термообработке - отпуску. Твердость, прочность и пластичность отпущенных сталей зависят, наряду с химическим составом, от температуры отпуска.

Низкий отпуск проводится для уменьшения внутренних напряжений. При этом твердость стали почти не меняется, а пластичность несколько повышается. Сталь приобретает структуру мартенсита отпуска.

Средний отпуск проводится при температурах, при которых мартенсит распадается на мелкодисперсную смесь феррита и цементита-троостита. Структура стали - троостит отпуска.

Высокий отпуск проводится с целью получения из мартенсита структуры сорбита. Сорбит имеет высокую пластичность, вязкость и хорошую прочность. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Структура стали - сорбит отпуска.

Характерным отличием структур, образующихся в результате отпуска, является их зернистое строение в отличие от пластинчатого строения та­ких же структур, полученных в результате закалки.