IV. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
ТАБЛИЦА 2
ТАБЛИЦА 1
| Материал | s-в, МПа | s, МПа | Твердость по Викерсу HV (МПа) при температуре °С | Теплостой-кость, °С | |||
| Инструментальные стали | 1500-3500 | 800-900 | 200-550 | 70-270 | - | 200-300 | |
| Быстрорежущие стали | 2500-4000 | 2500-3000 | 850-900 | 600-700 | 450-550 | 30-50 | 620-725 |
| Твердые сплавы | 3000-5000 | 1000-2000 | 1400-1800 | 1100-1200 | 800-1000 | 300-500 | 800-1200 |
| Минеральная керамика | 2500-5000 | 400-700 | 2000-2300 | Выше 1000 | |||
| Сверхтвердые материалы | 2000-6500 | 300-500 | 6000-10000 | 3000-9000 | 2000-6000 | 1500-4500 | - |
I. УГЛЕРОДИСТЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
Для изготовления режущих инструментов применяют высокоуглероди-стые (заэвтектоидные) высококачественные стали с содержанием углерода от 0,9 до 1,3%. Используют следующие марки сталей: У9А, У10А, У12А, У13A.
Для получения необходимой твердости углеродистые стали подвергают закалке с последующим отпуском для снятия остаточных напряжений и повышения прочности и вязкости. Температура закалки колеблется в пределах 760-820°С в зависимости от размеров инструмента и содержания углерода. В результате термообработки стали приобретают HRС 61-63 и sи = 2000-2200 МПа. Стали хорошо шлифуются и являются дешевым материалом. К недостаткам этих сталей относится их низкая закаливаемость, требующая при закалке резких закалочных сред (вода), что увеличивает напряжения деформации в инструменте. Главным недостатком этих сталей является их низкая теплостойкость Q = 200…250°С. Структура сталей после термообработки состоит из мартенсита, цементита и остаточного аустенита. При температуре 200-2500°С происходит выделение карбидов железа, их размеры увеличиваются и твердость падает. В связи с этим из углеродистых сталей изготавливают инструменты, работающие при скорости резания V 10¸15 м/мин (метчики, сверла малых диаметров, плашки, напильники и др.).
II. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
Улучшить свойства углеродистых сталей можно за счет добавления, (легирования) в них небольших количествах хрома, марганца, кремния. Это позволяет повысить их прокаливаемость и несколько увеличить температуру распада мартенсита закалки до 250-300°С, т.е. повысить их красностойкость и, следовательно, повысить скорость резания в 1,1 ¸ 1,3 раза. Низколегированные стали делятся на стали низкой и высокой прокаливаемости.
К первой группе относятся стали марок 11ХФ, I3X, ХВ4. Содержание хрома в этих сталях 0,2-0,7%, ванадия - 0,15-0,3%. Из этих сталей изготавливают ножовочные полотна, развертки, фасонные резцы.
К сталям глубокой прокаливаемости относятся стали марок 9ХС, 9ХФ, ХВГ, ХВСГ. В этих сталях хрома значительно больше - 0,8-1,5%. Из этих сталей изготавливают протяжки, сверла, метчики. Термообработка низколегированных сталей заключается в закалке в масле при температуре нагрева 820-875°С с последующим отпуском при температуре 150-180°С, в результате чего достигается твердость HRC 63-67. Наибольшее распространение получили стали марок 9ХС, ХВГ.
Ш. БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ
Быстрорежущие стали отличаются от легированных присутствием в них значительно большего количества карбидообразущих элементов, таких как: вольфрам, молибден, ванадий, хром. Введение этих элементов в определенных количествах и сочетаниях приводит к образованию сложных карбидов, связывающих почти весь углерод, в результате чего процесс коагуляции карбидов, выделяющегося из мартенсита, начинается при значительно более высоких температурах и теплостойкость стали возрастает.
Обозначение марки быстрорежущей стали включает в себя буквы, обозначающие основные элементы:
Р - вольфрам (от слова Rapid - быстрый),
М - молибден, Ф - ванадий, К - кобальт и .цифры (за буквами), обозначающие среднее массовое содержание элемента в %.
Содержание хрома (~ 4%) в обозначении всех марок быстрорежущих сталей не указывается. Влияние отдельных элементов на свойства сталей различно.
Вольфрам - придает стали теплостойкость,
Хром - придает стали хорошую прокаливаемость,
Ванадий - увеличивает теплостойкость, но ухудшает шлифуемость,
Молибден - влияет на теплостойкость стали также как и вольфрам, если их соотношение по массе Мо : W = 1,0 : 1,5 и в случае, если в сталь вводится до 5% Мо.
Кобальт - в стали карбидов не образует, но повышает ее твердость и теплостойкость. При массовой доли кобальта в стали более 5% увеличивается ее хрупкость.
Существенным недостатком быстрорежущих сталей является значительная карбидная неоднородность. Она сильнее выражена в сталях с повышенным содержанием вольфрама, ванадия, кобальта и меньшей степени в сталях, легированных молибденом. Карбидная неоднородность сталей оценивается по 8-балльной шкале. 1 балл соответствует равномерному распределению карбидов, а 8-ой - литой структуре. Инструменты из стали с большой карбидной неоднородностью имеют пониженную стойкость и повышенную хрупкость. Для устранения этого при изготовлении инструментов их заготовки подвергают неоднократной проковке.
Термическая обработка инструментов из быстрорежущей стали состоит из закалки с последующим 2-х или 3-х кратным отпуском при температуре 550-580°С. Нагрев под закалку производится до температуры 1260-1300°С с целью растворения в аустените возможно больше легированных карбидов. В процессе закалки не весь аустенит превращается в мартенсит. Часть его присутствует в виде остаточного аустенита. При отпуске происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных частиц карбидов, что приводит к повышению твердости. После закалки и отпуска быстрорежущая сталь состоит из 2-х фаз:
1. Мартенсита, легированного вольфрамом или молибденом, и, в меньшей степени ванадием и хромом.
2. Дисперсных карбидов вместе с избыточными карбидами, не растворившимися при закалке.
Высокая теплостойкость быстрорежущих сталей позволяет работать со скоростями резания в 2,5-3 раза более высокими, чем те, которые при равной стойкости допускают инструменты из быстрорежущих сталей.
В зависимости, от уровня теплостойкости быстрорежущие стали делятся на стали нормальной теплостойкости (Qк £ 620°С) и стали повышенной теплостойкости (Qк ³ 630°С).
Наиболее распространенные марки сталей, их состав и основные физико-механические свойства приведены в таблице 2.
| Марка стали | Массовая доля компонента, % | HRC | sи, МПа | Q, °С | Группа применя- емости | |||||
| C | Cr | W | Mo | V | Co | |||||
| Р18 | 0,7-0,8 | 3,8-4,4 | 17,0-18,5 | 1,0 не более | 1,0-1,4 | - | 2900-3100 | Нормаль-ной производи-тельности (HSS) | ||
| Р6М5 | 0,8-0,98 | 3,8-4,4 | 5,5-6,5 | 5,0-5,5 | 1,0-2,1 | - | 3300-3400 | |||
| 10Р6М5 | 0,96-1,05 | 3,9-4,3 | 5,7-6,7 | 5,5-6,0 | 2,2-2,6 | - | ||||
| Р12Ф3 | 0,94-1,04 | 3,5-4,0 | 12,0-13,5 | 0,5-1,0 | 2,5-3,0 | 0,6 | 3000-3100 | Повышен-ной производи-тельности HSS-Е, HSS-Co | ||
| Р9К5 | 0,9-1,0 | 3,8-4,4 | 9,0-10,5 | 1,0 не более | 2,0-2,6 | 5,0-6,0 | ||||
| Р10К5Ф5 | 1,45-1,55 | 4,0-4,6 | 10,0-11,5 | 1,0 не более | 4,3-5,1 | 5,0-6,0 | ||||
| Р6М5К5 | 0,8-0,88 | 3,8-4,3 | 6,0-7,0 | 4,8-5,3 | 1,7-2,2 | 4,8-5,3 | ||||
| Р6М5Ф2К8 | 0,95-1,05 | 3,8-4,3 | 5,5-6,5 | 4,8-5,3 | 1,8-2,3 | 7,5-8,5 | 64-68 | 3000-3500 |
В зависимости от химического состава стали подразделяют на:
1. Вольфрамовые быстрорежущие стали. Наиболее распространены стали марок PI8, PI2, Р9.
PI8 - имеет наибольший интервал закалочных температур, хорошо шлифуется. Главные недостатки:
1. Большая карбидная неоднородность, 2. Дефицит из-за большого содержания вольфрама. Долгое время это была самой распространенной маркой. HRC 63...64.
PI2 - теплостойкость несколько ниже, чем у PI8, хорошо шлифуется, на 30% дешевле чем PI8.
Р9 - карбидная неоднородность на 2 балла меньше, хуже шлифуется.
2. Вольфрамомодибденовые стали. Наиболее распространены стали Р6М5, 10P6M5. В этих сталях часть вольфрама заменена молибденом, что несколько снижает красностойкость (по сравнению с PI8). Карбидная неоднородность на 2 балла ниже. По режущим свойствам не уступает стали PI8. Применяется для всех видов режущих инструментов (сверла, метчики, протяжки, развертки).
10P6M5. Стойкость инструментов на 30% выше, чем у стали PI8 за счет высокой твердости (HRC 64-65).
3. Вольфрамованадиевые стали. Наиболее распространены марок Р18Ф и Р12ФЗ. Они более твердые (HRC 63... 65) и теплостойкие. Но хуже шлифуются, рекомендуются для инструментов, обрабатывающих некоторые марки нержавеющих и жаропрочных сталей.
4. Вольфрамокобальтовые стали. Наиболее распространены марок Р9К5 и P9K10. Кобальт карбидов не образует, но увеличивает вторичную твердость (HRC 64-66) и теплостойкость Q = 630°С. Стали эти шлифуются лучше, чем вольфрамованадиевые, обладают высокой теплопроводностью. Недостатком этих сталей является более высокая хрупкость, чем у ванадиевых сталей. Применяют для обработки нержавеющих и жаропрочных сталей.
5. Вольфрамованадиевые с кобальтом. Эти стали имеют высокую твердость (HRC 66-68), теплостойкость в Q = 640°С и повышенную износостойкость. Применяются для изготовления инструментов, предназначенных для резания труднообрабатываемых материалов и конструкционных сталей с повышенной твердостью (HRC 40... 45). Наиболее распространены стали марок Р18К5Ф2, Р18Ф2КМ8, Р12Ф4К5, Р10К5ФЗ. Стали с массовой долей вольфрама 18% применяются все реже.
6. Вольфрамомолибденовые стали с кобальтом. Наиболее распространена сталь марки Р6М5К5. Сталь по твердости, теплостойкости и износостойкости не уступает сталям 5 группы. Инструменты из этих сталей предназначены для резания жаропрочных труднообрабатываемых материалов. Недостатком сталей является их склонность к обезуглероживанию.
7. Вольфрамомолибденованадиевые стали с кобальтом. Твердость стали этой группы достигает HRC 66-69. Наиболее распространены стали марок Р12М3Ф2К8, Р10М4Ф3К10, Р6М5Ф2К8. Последняя марка по режущим свойствам не уступает двум предыдущим. Она более экономно легирована. Предназначена для резания труднообрабатываемых материалов.
В последние годы практическое применение находят стали (сплавы) с интерметаллидным упрочнением (дисперсионно твердеющие). Это стали с пониженной массовой долей углерода (0,1-0,3% С) с очень высокой твердостью (HRC 68...69) и теплостойкостью Q = 700-725°С. Это стали следующих марок: PI8M7K25, PI8M3K25, P10M5K25. Эти сплавы весьма дорогие и их применение целесообразно лишь при резании труднообрабатываемых материалов.
В заключении следует отметить, что в практике металлообработки существующие марки быстрорежущих сталей объединены в 2 группы по области применения:
1. Стали обычной производительности. В зарубежной практике обозначаемые индексом HSS .
2, Стали повышенной производительности. В зарубежной практике обозначаются индексом HSS - Е , HSS - Со .
I. Вольфрамосодержащие твердые сплавы. В настоящее время для производства режущих инструментов широко используются твердые спла-вы, которые получают методом порошковой металлургии.
Исходным материалом для изготовления твердых сплавов являются порошки карбидов тугоплавких металлов: W, Ti , Тa и не образующих карбидов и Со, который играет роль цементирующего (связующего) вещества. Порошки в специальных пресс-формах на прессах прессуют, смешивают в определенных пропорциях и спекают при температуре 1500-2000°С в печах в среде водорода или в вакууме. При спекании твердые сплавы приобретают высокую твердость, достаточную прочность и в дополнительной термообработке не нуждаются. Размеры частиц твердой (карбидной) фазы составляют 0,5-10 мкм. Теплостойкость твердых сплавов в зависимости от марки твердого сплава лежит в пределах 800-1100°С, что позволяет осуществлять обработку со скоростями резания в 2-10 раз большими, чем при работе инструментами без быстрорежущих сталей. Чем больше в сплаве WC, TiC, TaC, тем выше его теплостойкость, твёрдость и износостойкость. При увеличении содержания кобальта прочность увеличивается, но теплостойкость и твердость снижается. Недостатком твердых сплавов является их меньшая прочность, по сравнению с быстрорежущими сталями, плохая шлифуемость и низкая технологичность.
Отечественной промышленностью выпускаются три основные группы вольфрамосодержащих твердых сплавов:
1. Вольфрамовые (однокарбидные) - ВК,
2. Титано-тантало-вольфрамовые (трёхкарбидные) - ТТК,
3. Титано-вольфрамовые (двухкарбидные) - ТК.