Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора

 

Оглавление

 

Введение…………………………………………………………………………………………...……3

 

1. Основные требования к инструментальным материалам…………………………………4

2. Виды инструментальных материалов…………………………………………………….…..6

         2.1. Углеродистые и легированные инструментальные стали…………………….................6

          2.2.  Быстрорежущие стали………………………………………………………….………....7

      3. Твердые сплавы…………………………………………………………………………….……8

          3.1.Минералокерамические материалы…………………………………………...………....10

          3.2. Металлокерамические материалы………………………………………………………..11

          3.3. Абразивные материалы………………………………………………………………..…..12

      4. Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и    кубического нитрида бора…………………………………………………………………………………………..14

Заключение……………………………………………………………………………………….…...16

 

Список использованной литературы……………………………………………………………..….17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 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,  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   обладать   большой

 износостойкостью в  условиях высоких давлений и  температур.

  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   инструментальные   стали   (углеродистые,   легированные    и быстрорежущие), твердые сплавы, минералокерамические  материалы,  алмазы  и другие сверхтвердые и абразивные материалы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные требования к инструментальным материалам.

Основные требования к инструментальным материалам следующие:

1. Инструментальный материал  должен иметь высокую твердость.

Твердость инструментального материала должна быть выше твердости обрабатываемого не менее чем в 1,4 - 1.7 раза.

2. При резании металлов  выделяется значительное количество  теплоты и режущая часть инструмента  нагревается. Поэтому, инструментальный  материал должен обладать высокой теплостойкостью.  Способность материала сохранять высокую твердость при температурах резания называется теплостойкостью.. Для быстрорежущей стали – теплостойкость еще называют красностойкостью (т.е. сохранение твердости при нагреве до температур начала свечения стали)

Увеличение уровня теплостойкости инструментального материала позволяет ему работать с большими скоростями резания (табл. 1).

Таблица 1 - Теплостойкость и допустимая скорость резания инструментальных материалов.

 

Материал	Теплостойкость, К	Допустимая скорость при резании Стали 45 м/мин
Углеродистая сталь	473 – 523	10 – 15
Легированная сталь	623 – 673	15 – 30
Быстрорежущая сталь	873 – 823	40 – 60
Твердые сплавы:
Группа ВК	1173 – 1200	120 – 200
Группы ТК и ТТК	1273 – 1300	150 – 250
безвольфрамовые	1073 – 1100	100 – 300
с покрытием	1273 – 1373	200 – 300
Керамика	1473 – 1500	400 – 600

 

 

 

3. Важным требованием является  достаточно высокая прочность инструментального материала. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента не обеспечивается необходимой прочностью, то это приводит к поломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок.

Таким образом, инструментальный материал должен иметь достаточный уровень ударной вязкости и сопротивляться появлению трещин (т.е. иметь высокую трещиностойкость).

4. Инструментальный материал  должен иметь высокую износостойкость при повышенной температуре, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истиранию обрабатываемым материалом, которая проявляется в сопротивлении материала контактной  усталости.

5. Необходимым условием  достижения высоких режущих свойств  инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемого материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы) и изнашивание контактных площадок инструмента.

6. Инструментальный материал  должен обладать технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей ими являются 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.

 

 

2. ВИДЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Инструментальные стали

 

       Для режущих инструментов применяют быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 0,7-1,3% и суммарным содержанием легирующих элементов (кремния, марганца, хрома и вольфрама) от 1,0 до 3,0%.

 

2.1. Углеродистые и легированные  инструментальные стали. 

 

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.

Легированные инструментальные стали, по своему химическому составу, отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца, или наличием одного либо нескольких легирующих элементов: хрома, никеля, вольфрама, ванадия, кобальта, молибдена. 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 склонности к короблению, но теплостойкость их равна 350…400°С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, метчики).

Следует отметить, что за последние 15-20 лет существенных изменений этих марок не произошло, однако наблюдается устойчивая тенденция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.

 

2.2.  Быстрорежущие стали.

В настоящее время быстрорежущие стали являются основным материалом для изготовления режущего инструмента, несмотря на то, что инструмент из твердого сплава, керамики и СТМ обеспечивает более высокую производительность обработки.

Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления сложнопрофильных инструментов определяется сочетанием высоких значений твердости (до HRC@68) и теплостойкости (600-650°С) при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости, значительно превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обрабатываются давлением и резанием в отожженном состоянии.

В обозначении быстрорежущей стали буква Р означает, что сталь быстрорежущая, а следующая за буквой цифра – содержание средней массовой доли вольфрама в %. Следующие буквы обозначают: М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, А – азот. Цифры, следующие за буквами, означают их среднюю массовую долю в %. Содержание массовой доли азота составляет 0,05-0,1%.

Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы: нормальной, повышенной и высокой теплостойкости.

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовая Р18 и вольфрамомолибденовая Р6М5 стали (табл. 2.2). Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63…64 HRC, предел прочности при изгибе 2900…3400Мпа, ударную вязкость 2,7…4,8Дж/м2 и теплостойкость 600…620°С. Указанные марки стали получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Объем производства стали Р6М5 достигает 80% от всего объема выпуска быстрорежущей стали. Она используется  при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс.

Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода, ванадия и кобальта.

Среди ванадиевых сталей наибольшее применение получила марка Р6М5Ф3.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали

обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия (VC), так как твердость последних не уступает твердости зерен электрокорундового шлифовального круга (Al2O3). Обрабатываемость при шлифовании – «шлифуемость», - это важнейшее технологическое свойство, которое определяет не только особенности при изготовлении инструментов, но и при его эксплуатации (переточках).

 

Таблица 2. Химический состав быстрорежущих сталей

 

Марка стали	Массовая доля, %
	Углерод	Хром	Вольфрам	Ванадий	Кобальт	Молибден	Азот
Стали нормальной теплостойкости
Р18	0,73-0,83	3,80-4,40	17,00-18,50	1,00-1,40	н.б.  0,50	н.б.  1,00	-
Р6М5	0,82-0,90	3,80-4,40	5,50-6,50	1,70-2,10	н.б.  0,50	4,80-5,30	-
Стали повышенной теплостойкости
11РЗАМ3Ф2	1,02-1,12	3,80-4,30	2,50-3,30	2,30-2,70	н.б.  0,50	2,50-3,00	0,05-0,10
Р6М5Ф3	0,95-1,05	3,80-4,30	5,70-6,70	2,30-2,70	н.б.  0,50	4,80-5,30	-
Р12Ф3	0,95-1,05	3,80-4,30	12,0-13,0	2,50-3,00	н.б.  0,50	н.б.  0,50	-
Р18К5Ф2	0,85-0,95	3,80-4,40	17,0-18,50	1,80-2,20	4,70-5,20	н.б.  1,00	-
Р9К5	0,90-1,0	3,80-4,40	9,00-10,00	2,30-2,70	5,00-6,00	н.б.  1,00	-
Р6М5К5	0,94-0,92	3,80-4,30	5,70-6,70	1,70-2,10	4,70-5,20	4,80-5,30	-
Р9М4К8	1,0-1,10	3,00-3,60	8,50-9,50	2,30-2,70	7,50-8,50	3,80-4,30	-
Р2АМ9К5	1,0-1,10	3,80-4,40	1,50-2,00	1,70-2,10	4,70-5,20	8,00-9,00	0,05-1,10
Стали высокой теплостойкости
В11М7К23	0,10	-	11,00	0,50	23,00	7,00	-
В14М7К25	0,10	-	14,00	0,50	25,00	7,00	-
3В20К20Х4ф	0,25	4,00	20,00	1,00	20,00	-	-