Краткие сведения об инструментальных материалах

4.1.1. Требования, предъявляемые
к инструментальным материалам

Высокие эксплуатационные характеристики режущих инструментов в значительной степени зависят от качества материала, из которого эти инструменты изготовле­ны. Материалы, предназначенные для режущих инстру­ментов, должны по ряду показателей значительно превос­ходить материалы, применяемые в машиностроении для изготовления различных деталей.

Основные требования к инструментальным материалам следующие.

1. Инструментальный материал должен иметь высокую твердость – в состоянии поставки или достигаемую в результате его термической обработки – не менее 63...66 HRC по Роквеллу (шкала С).

2. Высокая теплостойкость инструментального материала. Под теплостойкостью (красностойкостью) материала понимается его способность сохранять свои физико-механические свойства, в частности твердость, при высокой температуре.

3. Необходимо, чтобы при значительных температурах резания твердость поверхностей инструментов существенно не умень­шалась.

4. Высокая теплопроводность инструментального материала. Чем ниже теплопроводность, тем меньше теплоотдача и выше температура инструмента в процессе резания. Теплопроводность повышается с увеличением содержания в инструментальном материале компонентов с максимальной теплопроводностью.

5. Наряду с теплостойкостью, инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость при повышенной температуре, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истиранию обрабатываемым материалом.

6. Важным требованием является достаточно высокая прочность инструментального материала. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента сопровождается значительной хрупкостью, это приводит к поломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок.

7. Инструментальный материал должен обладать технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей это хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные особенности термической обработки (малая чувствительность к перегреву и обезуглероживанию, хорошие закаливаемость и прокаливаемость, минимальные деформирование и образование трещин при закалке и т.д.); хорошая шлифуемость после термической обработки.

8. Инструментальный материал должен обладать достаточной теплопроводностью.

9. Инструментальный материал должен иметь возможность обрабатываться в холодном и горячем состоянии.

10. Инструментальный материал должен быть экономичным.

Для твердых сплавов первые два требования менее существенны, но зато особое значение приобретает хорошая шлифуемость,
а также отсутствие трещин и других дефектов, которые возникают
в твердом сплаве после припайки пластин, при шлифовании и заточке инструмента.

4.1.2. Классификация инструментальных материалов,
их маркировка и применение

К инструментальным материалам относятся:

– углеродистые инструментальные стали;

– легированные инструментальные стали;

– быстрорежущие стали;

– металлокерамические материалы (твердые сплавы);

– минералокерамические материалы;

– абразивные материалы;

– сверхтвердые материалы;

– алмазы.

Углеродистые и легированные
инструментальные стали

Номенклатура инструментальных материалов разнообразна. Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А...У13, У13А. Помимо железа и углерода эти стали содержат 0,2...0,4 % марганца. Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200...250 °С) их твердость резко уменьшается. Инструменты из этих сталей должны применяться, когда температура резания не превыша­ет 200 °С.

Из-за низкой режущей способности углеродистые стали марок У7…У9 используют для изготовления слесарных, деревообраба­тывающих и кузнечных инструментов; У10А…У13А – для ручных ре­жущих инструментов (напильники, метчики, развертки), а также для (машинных) инструментов, работающих на низких скоростях резания (V < 0,15…0,25 м/с).

Легированные инструментальные стали по своему химическому составу отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца. Также они могут отличаться наличием одного или нескольких легирующих элементов: хрома (увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость материала, понижает его пластичность); никеля (повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, прокаливаемость материала); вольфрама (повышает твердость и теплостойкость материала); ванадия (повышает твердость и прочность материала, способствует образованию мелкозернистой структуры); кобальта (увеличивает ударную вязкость и жаропрочность материала); молибдена (повышает упругость, прочность, теплостой­кость материала). Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склон­ностью к короблению; но теплостойкость их практически равна теплостойкости углеродистых сталей (250 °С), поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках
с низкими скоростями резания (мелкие сверла, развертки).

Легированные стали имеют более высокие режущие свойства, чем углеродистые. Они более износостойки и меньше коробятся при термообработке. Стали применяются для изготовления штампов, режущего (сверл, плашек, фрез, метчиков, разверток, протяжек), измерительного и слесарного инструмента. Ос­новные марки сталей – это 9ХС, ХВГ, ХВСГ, Х6ВФ и др. Наиболее распространены 9ХС и ХВГ. Недостаток стали 9ХС: плохо шлифуется (надиры на поверхности). Сталь ХВГ меньше коробится при термообработке, поэтому используется при изготовлении инструмента сравнительно большой длины и работающего с невысокими скоро­стями резания; это протяжки, длинные развертки, метчики и другой ин­струмент. Сталь Х6ВФ более износостойкая, поэтому ее целесооб­разно применять при изготовлении резьбонакатных роликов, ножовочных полотен и т.п.

Из инструментальных сталей наиболее широкое применение получили быстрорежущие стали.