Учебное пособие

Слесарь-инструментальщик

Материалы для режущего инструмента

В производстве режущих инструментов применяются конструкционные и инструментальные стали, твердые сплавы и керамические материалы. Конструкционные стали идут на изготовление тела, или корпуса, инструмента, остальные материалы— на изготовление его режущих частей.

Инструментальные стали характеризуются тем, что после термической обработки они получают очень высокую твердость. Такая твердость позволяет стальным инструментом обрабатывать другие стали — конструкционные. Инструментальные стали могут быть разделены на углеродистые, легированные и высоколегированные или быстрорежущие.

Свойства углеродистых инструментальных сталей как качественных, так и высококачественных (с добавкой индекса А в обозначении марки) зависят от процентного содержания в их составе углерода. О процентном содержании этого элемента в той или иной стали можно судить по цифрам, входящим в условное обозначение ее марки и выражающим содержание углерода в десятых долях процента.

Наиболее употребительны следующие марки инструментальных углеродистых сталей (ГОСТ 1435-54): качественные — У7, У8 и У11, высококачественные — У7А, У8А, У11 А, У8ГА и У11ГА.

С ростом процентного содержания углерода увеличивается твердость, а вместе с тем и хрупкость стали. Поэтому для ударных инструментов применяется только сталь У7 или У8, а для режущих инструментов, от которых требуется высокая твердость и износостойкость, сталь У11. Свойства углеродистых сталей могут быть улучшены добавкой марганца. Такие стали менее хрупки и более износостойки.

Несмотря на многие положительные качества, данные стали все же не лишены серьезных недостатков.

1. Они не обладают достаточной теплостойкостью и при нагреве до 200° теряют высокую твердость, а следовательно, и режущие свойства. По этой причине они непрегодны для изготовления режущего инструмента, работающего в тяжелых условиях.
2. При закалке инструменты из этих сталей сильно изменяют свои размеры и форму. Поэтому данные стали не применяются для изготовления сложных по конструкции и точных то размеру инструментов.

Стремление повысить теплостойкость, износостойкость и прочность инструментальных материалов привело к созданию легированных сталей. Легированные стали (по своей теплостойкости незначительно отличаются от углеродистых, зато обладают более высокой износостойкостью, прокаливаемостью и меньшей изменяемостью размеров при закалке.

Наиболее употребительны следующие марки этих сталей: Х12Ф1, 9ХС, ХГ, ХВГ, ХВ5, 5ХВС. Условные обозначения этих сталей почти совпадают с обозначениями легированных конструкционных сталей с той только разницей, что первая цифра марки означает не сотые, а десятые доли процента. В том случае, если процентное содержание углерода в марке составляет 1% и более, цифра в условном обозначении опускается.

Каковы же свойства и назначения легированных инструментальных сталей?

• Хромованадиевая инструментальная сталь (Х12Ф1) отличается большой износостойкостью и малой изменяемостью формы и размеров (деформацией) при закалке. Она идет на изготовление накатных плашек, волочильных инструментов и часто применяется для изготовления протяжек.
• Хромокремнистая сталь (9ХС) более теплостойка по сравнению с углеродистой сталью и служит главным образом для изготовления круглых плашек.
• Хромомарганцовистая сталь (ХГ) дает наименьшую деформацию при закалке и представляет поэтому наилучший материал для резьбовых инструментов.
• Хромовольфрамовые стали (ХВГ и ХВ5) также мало деформируются при закалке, обладают большой теплостойкостью, однако весьма склонны к появлению трещин и прижогов при шлифовании.
• Хромовольфрамокремнистая сталь (5ХВС) обладает рядом ценных свойств, способствующих ее применению для изготовления ножей гильотинных ножниц.

• Быстрорежущая сталь — дорогой материал. Ее стоимость в 10—15 раз выше стоимости углеродистой стали, в связи с чем она применяется только для режущих инструментов, работающих на повышенных режимах резания.

ГОСТ 5952-51 установлены две марки быстрорежущей стали: марка Р18, имеющая в своем составе около 18% вольфрама, и марка Р9 с 9% вольфрама. Быстрорежущая сталь Р18, как более дорогостоящая, применяется реже; во всех случаях, когда это возможно, применяется сталь Р9. Применение стали Р18 допускается только для изготовления инструмента, работающего в тяжелых условиях, т. е. при обработке материалов высокой прочности и при работе с большими сечениями стружки и на больших скоростях ре зания. Эта сталь также используется для сложного, фасонного и зубообрабатывающего инструмента. Сталь Р9 при обработке материалов высокой прочности имеет несколько пониженную стойкость и отличается худшей шлифуемостью, склонностью к прижогам при шлифовании, а также трудностью закалки в связи с узким интервалом закалочных температур.

В последние годы находит применение малолегированная быстрорежущая сталь ЭИ347, близкая по химическому составу к стали Р9, но с несколько меньшим содержанием углерода и ванадия, обладающая той же стойкостью, но лучшей шлифуемостыо.

Начинают применять и новые виды кобальтовых и высокованадиевых сталей, например стали Р18Ф2М, Р18К5, Р9К5, Р9КЮ, Р9Ф5К5. Эти «сверхбыстрорежущие» стали имеют ограниченную, специальную область применения, т. е. применяются только там, где могут заметно проявиться преимущества этих сталей перед обычными быстрорежущими сталями.

Твердые сплавы очень широко применяются в качестве наиболее стойких материалов для изготовления режущих и направляющих частей инструмента. Применение твердых сплавов для изготовления инструмента позволило во много раз повысить режимы резания.

1. Инструментальные твердые сплавы по характеру и назначению делятся на два вида: металлокерамические и наплавочные.
2. Металлокерамические твердые сплавы изготовляются спеканием спрессованной порошкообразной массы в пластинки различных форм по ГОСТ 2209-55. Эти пластинки закрепляются па режущем инструменте механическим путем или напайкой.

Наплавочные сплавы изготовляются в виде порошкообразной механической смеси или же литых электродов и наносятся па поверхность инструмента с помощью ацетилено-кислородного пламени или электрической дуги.

Металлокерамические сплавы обладают высокой твердостью и большой тепло- и износостойкостью в связи с присутствием в них особых химических соединений металлов с углеродом, называемых карбидами. Металлокерамические твердые сплавы включают в себя карбиды вольфрама, карбиды титана и кобальт. По присутствию этих составляющих в сплавах последние делятся на вольфрамокобальтовые и вольфрамотитанокобальтовые.

Вольфрамокобальтовые сплавы изготовляются следующих марок: ВК2, ВКЗ, ВК6, ВК8 и ВК15. Цифра в обозначении марки сплава соответствует содержанию кобальта в процентах. Чем меньше кобальта в сплаве, тем более тверд и более хрупок этот сплав.

Вольфрамотитанокобальтовые сплавы производятся следующих марок: Т5КЮ, Т15К6, Т30К4 и Т60К6. Цифры в обозначении марки сплава указывают на содержание карбидов титана и кобальта в процентах. Остальное содержание марки сплава составляют карбиды вольфрама. Чем больше в сплаве карбидов титана, тем выше его износостойкость, но в то же самое время он будет более хрупок.

Вольфрамотитанокобальтовые сплавы применяются для обработки сталей, вольфрамокобальтовые для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов.

Чем меньше кобальта в сплаве, тем больше он пригоден для точной и спокойной работы. Чем больше карбидов титана в сплаве, тем выше его износостойкость, а следовательно, тем выше его способность обрабатывать точные поверхности на максимально высоких скоростях резания.

Инструментальщику приходится иметь дело не только со сборкой твердосплавных инструментов, но и с заточкой и доводкой твердых сплавов. Нужно иметь в виду, что металлокерамичеокие твердые сплавы обрабатываются очень плохо. Главная трудность в том, чго на поверхности сплава легко возникает сетка микротрещин и даже трещин, кроме того, процесс обработки слишком длительный. Располагая сплавы в порядке трудоемкости и сложности их обработки, можно сделать вывод, что легче всего обрабатывается сплав ВК15, за ним следует ВК8, ВК6, Т5К10, ВКЗ, ВК2, Т15К6, Т30К4 и, наконец, Т60К6.

Хрупкость твердых сплавов, их малая теплоемкость и теплопроводность заставляют внимательно следить при изготовлении пластинок, чтобы они не подвергались ударам, резким местным нагревам и охлаждению. Все эти отклонения от правильной обработки приводят к появлению трещин и разрушению пластинок твердого сплава.

Отмеченные недостатки твердых сплавов ограничивают их распространение для обработки металлов. В связи с этим были проведены работы по созданию марок более вязких сплавов, по своим эксплуатационным свойствам представляющих промежуточную ступень между быстрорежущей сталью и освоенными марками твердых сплавов. Оказалось, что введение тантала и повышение процентного содержания кобальта дает новые сплавы, вполне пригодные для скоростного резания на таких, например, операциях, как строгание, где существующие марки сплавов непригодны. Новые марки танталотитановых сплавов уже созданы и внедряются в производство.

Особое место среди инструментальных материалов занимает новый минералокерамический материал — корундовый микролит, или модифицированный корунд марки ЦМ-332. Его изготовляют из измельченного в тонкий порошок обожженного глинозема, модифицированного магнием и испеченного в пластинки для режущего инструмента при очень высокой температуре. Теплостойкость корундового микролита в 1,5 раза выше, чем теплостойкость твердых сплавов. Это свойство позволяет использовать минералокерамические пластинки для скоростного резания металлов. Однако их применяют только на чистовых работах, так как хрупкость пластинок из корундового микролита раза в два выше хрупкости пластинок из твердых сплавов. Термокорундовые пластинки еще больше чувствительны к ударам и легко растрескиваются при механической обработке и напайке. По этой причине они применяются, главным образом, в конструкциях инструментов с механическим креплением.

При напайке пластинок корундового микролита их подвергают, предварительной металлизации в вакуумных установках.

Данные о действительном химическом составе металла, из которого изготовлена деталь, о его фактической твердости и прочности, о качестве и характере произведенной термической обработки не всегда доходят до слесаря. Однако эти данные необходимы,, и квалифицированный слесарь может получить их с достаточной для производственных нужд точностью, не прибегая к помощи цеховой или заводской лаборатории металловедения.

В самом деле, марку стали достаточно точно можно установить по цвету и характеру отлетающих искр при шлифовании. Углеродистые стали дают светло-желтые траектории искр с отдельными искрящимися звездочками, и чем больше содержание углерода в стали, тем больше искрящихся звездочек и тем короче светящиеся траектории искр. Стали, легированные вольфрамом, отличаются красным цветом искрового пучка: чем больше вольфрама в стали, тем темнее и краснее пучок искр. Искрящиеся звездочки, характерные для углеродистых сталей, превращаются в этом случае в красные капли. Изменяют характер искры и другие легирующие элементы.. Если воспользоваться во время пробы на искру образцами, изготовленными из стали определенных марок, и сравнить характер их искрового пучка c характером искр испытываемой детали, то можно установить марку материала детали.

Пластинки металлокерамических твердых сплавов легко могут быть рассортированы по типам сплавов и даже по маркам. Этому помогает знание удельных весов различных марок сплавов, которые приводятся ниже:

Вольфрамокобальтовые сплавы можно отличить от титановольфрамокобальтовых с помощью ртути (удельный вес 13,6). Для этого нужно сплавы погрузить в ванночку со ртутью. Первый вид сплавов будет погружаться в ртуть, второй — останется на ее поверхности. Марка твердого сплава с достаточной точностью может быть установлена взвешиванием партии пластинок и сравнением полученного результата со средним весом пластинок, указанным в ГОСТ 2209-55.

Твердость стали также может быть установлена непосредственно на рабочем месте. Проверка твердости закаленных сталей тарированным напильником — простой и доступный квалифицированному слесарю способ определения твердости. Для этой же цели можно воспользоваться и ручным прибором для измерения твердости неособенно твердых материалов вдавливанием шарика силой удара, (прибор Польди).

Существует целый ряд признаков, позволяющих судить о правильности произведенной термической обработки. Так, например, повышенная твердость отожженой стали позволяет сделать вывод о недостаточном отжиге, а повышенная твердость закаленной стали говорит о недостаточном отпуске или недостаточно высокой температуре отпуска. Температуру же отпуска, при которой производился отпуск, можно часто установить по ц/вету детали (цвету побежалости). Ниже приведены цвета побежалости, соответствующие определенной температуре отпуска:

По этим цветам побежалости можно узнать и до какой температуры подвергался нагреву инструмент в процессе его эксплуатации или при его изготовлении. О недостаточном отпуске высоколегированных инструментальные сталей свидетельствует потеря ими магнитных свойств: они перестают притягиваться к магнитным плитам. Точно так же и появление на шлифуемой поверхности закаленной легированной стали сетки трещин, даже при правильно выбранных режимах и характеристиках круга, также может свидетельствовать о недостаточном отпуске или старении.

Слесарь может обнаружить и закалочные трещины, невидимые невооруженным глазом. Закаленная пластинка, брошенная на стальную плиту, издает звенящий звук чистого тона. Если же в ней имеется трещина, звук будет дребезжащим или глухим.

Таков далеко не полный перечень практических сведений и признаков, которые могут помочь квалифицированному рабочему узнавать свойства и качества металлов.