Твердые сплавы, применяемые для изготовления инструмента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

по дисциплине: "Технология конструкционных материалов"

на тему: "Твердые сплавы, применяемые для изготовления инструмента"

Екатеринбург

2014

Содержание

Введение

1. Основные требования к инструментальным материалам

2. Виды инструментальных материалов

2.1 Инструментальные стали

2.2 Углеродистые и легированные инструментальные стали

2.3 Быстрорежущие стали

3. Твердые сплавы

Заключение

Список литературы

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.

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

2.1 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%.

2.2 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…250С) 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…400С 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.

2.3 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 HRC68) и теплостойкости (600-650С) 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…620С. 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.

инструментальный сталь сплав твердый

Таблица 2 - Химический состав быстрорежущих сталей

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).

3. Твердые сплавы

В настоящее время для производства режущих инструментов широко используются твердые сплавы. Они состоят из карбидов вольфрама титана тантала сцементированных небольшим количеством кобальта. Карбиды вольфрама титана и тантала обладают высокой твердостью износостойкостью. Инструменты оснащенные твердым сплавом хорошо сопротивляются истиранию сходящей стружкой и материалом заготовки и не теряют своих режущих свойств при температуре нагрева до 750-1100 °С.

Установлено что твердосплавным инструментом имеющим в своем составе килограмм вольфрама можно обработать в 5 раз больше материала чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же содержанием вольфрама.

Недостатком твердых сплавов по сравнению с быстрорежущей сталью является их повышенная хрупкость которая возрастает с уменьшением содержания кобальта в сплаве. Скорости резания инструментами оснащенными твердыми сплавами в 3-4 раза превосходят скорости резания инструментами из быстрорежущей стали. Твердосплавные инструменты пригодны для обработки закаленных сталей и таких неметаллических материалов как стекло фарфор и т. п.

Производство металлокерамических твердых сплавов относится к области порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта. Из этой смеси прессуют изделия требуемой формы и затем подвергают спеканию при температуре близкой к температуре плавления кобальта. Так изготовляют пластинки твердого сплава различных размеров и форм которыми оснащаются резцы фрезы сверла зенкеры развертки и др.

Пластинки твердого сплава крепят к державке или корпусу напайкой или механически при помощи винтов и прижимов. Наряд с этим в машиностроительной промышленности применяют мелкоразмерные монолитные твердосплавные инструменты состоящие из твердых сплавов. Их изготовляют из пластифицированных заготовок. В качестве пластификатора в порошок твердого сплава вводят парафин до 7-9 %. Из пластифицированных сплавов прессуют простые по форме заготовки которые легко обрабатываются обычным режущим инструментом. После механической обработки заготовки спекают а затем шлифуют и затачивают.

Из пластифицированного сплава заготовки монолитных инструментов могут быть получены путем мундштучного прессования. В этом случае спрессованные твердосплавные брикеты помещают в специальный контейнер с твердосплавным профилированным мундштуком. При продавливании через отверстие мундштука изделие принимает требуемую форму и подвергается спеканию. По такой технологии изготовляют мелкие сверла зенкеры развертки и т. п.

Монолитный твердосплавный инструмент может также изготовляться из Окончательно спеченных твердосплавных цилиндрических заготовок с последующим вышлифовыванием профиля алмазными кругами.

В зависимости от химического состава металлокерамические твердые сплавы применяемые для производства режущего инструмента разделяются на три основные группы.

Сплавы первой группы изготовляют на основе карбидов вольфрама и кобальта. Они носят название вольфрамокобальтовых. Это сплавы группы ВК.

Ко второй группе относятся сплавы получаемые на основе карбидов вольфрама и титана и связующего металла кобальта. Это двухкарбидные титано- вольфрамокобальтовые сплавы группы ТК.

Третья группа сплавов состоит из карбидов вольфрама титана танталаи кобальта. Это трехкарбидные титано-танталовольфрамокобальтовые сплавы группы ТТК.

К однокарбидным сплавам группы ВК относятся сплавы: ВКЗ ВК4 ВК6 ВК8 ВК10 ВК15. Эти сплавы состоят из зерен карбида вольфрама сцементированных кобальтом. В марке сплавов цифра показывает процентное содержание кобальта. Например сплав ВК8 содержит в своем составе 92 %карбида вольфрама и 8 % кобальта.

Рассматриваемые сплавы применяются для обработки чугуна цветных металлов и неметаллических материалов. При выборе марки твердого сплава учитывают содержание кобальта которое предопределяет его прочность. Из сплавов группы ВК сплавы ВК15 ВК10 ВК8 являются наиболее вязкими и прочными хорошо противостоят ударам и вибрациям а сплавы ВК2 ВКЗ обладают наиболее высокой износостойкостью и твердостью при малой вязкости слабо сопротивляются ударам и вибрациям. Сплав ВК8 применяется для черновой обработки при неравномерном сечении среза и прерывистом резании а сплав ВК2 -для чистовой отделочной обработки при непрерывном резании с равномерным сечением среза. Для получистовых работ и черновой обработки с относительно равномерным сечением срезаемого слоя применяются сплавы ВК4 ВК6. Сплавы ВК10 и ВК15 находят применение при обработке резанием специальных труднообрабатываемых сталей.

Режущие свойства и качество твердосплавного инструмента определяются не только химическим составом сплава но и его структурой т. е. величиной зерна. С увеличением размера зерен карбида вольфрама прочность сплава возрастает а износостойкость уменьшается и наоборот.

В зависимости от размеров зерен карбидной фазы сплавы могут быть мелкозернистые у которых не менее 50 % зерен карбидных фаз имеют размер порядка 1 мкм среднезернистые - с величиной зерна 1-2 мкм и крупнозернистые у которых размер зерен колеблется от 2 до 5 мкм.

Для обозначения мелкозернистой структуры в конце марки сплава ставится буква М а для крупнозернистой структуры - буква К. Буквы ОМ указывают на особо мелкозернистую структуру сплава. Буква В после цифры указывает на то что изделия из твердого сплава спекаются в атмосфере водорода. Твердосплавные изделия одного и того же химического состава могут иметь различную структуру.

Получены особо мелкозернистые сплавы ВК6ОМ В10ОМ ВК150М. Сплав ВК6ОМ дает хорошие результаты при тонкой обработке жаропрочных и нержавеющих сталей чугунов высокой твердости алюминиевых сплавов. Сплав ВК10ОМ предназначен червовой и получерновой а сплав ВК15ОМ - для особо тяжелых случаев обработки нержавеющих сталей а также сплавов вольфрама молибдена титана и никеля.

Мелкозернистые сплавы такие как сплав ВК6М используют для чистовой обработки при тонких сечениях среза стальных чугунных пластмассовых и других деталей. Из пластифицированных заготовок мелкозернистых сплавов ВК6М ВК10М ВК15М получают цельные инструменты. Крупнозернистые сплавы ВК4В ВК8В более прочные чем обычные сплавы применяют при резании с ударами для черновой обработки жаропрочных и нержавеющих сталей с большими сечениями среза.

При обработке сталей инструментами оснащенными вольфрамокобальтовыми сплавами в особенности при повышенных скоростях резания происходит быстрое образование лунки на передней поверхности приводящее к выкрашиванию режущей кромки сравнительно быстрому износу инструмента. Для обработки стальных заготовок применяют более износостойкие твердые сплавы группы ТК.

Сплавы группы ТК (ТЗОК4 Т15К6 Т14К8 Т5К10 Т5К12) состоят из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана и избыточных зерен карбида вольфрама сцементированных кобальтом. В марке сплава цифра после буквы К показывает процентное содержание кобальта а после буквы Т - процентное содержание карбидов титана. Буква В в конце марки обозначает что сплав имеет крупнозернистую структуру.

Сплавы группы ТТК состоят из зерен твердого раствора карбида титана карбида тантала карбида вольфрама и избыточных зерен карбида вольфрама сцементированных кобальтом. К сплавам группы ТТК относятся ТТ7К12 ТТ8К6 ТТ10К8Б ТТ20К9. Сплав ТТ7К12 содержит 12% кобальта 3% карбида тантала 4% карбида титана и 81% карбида вольфрама. Введение в состав сплава карбидов тантала значительно повышает его прочность но снижает красностойкость.

Сплав ТТ7К12 рекомендуется для тяжелых условий при обточке по корке и работе с ударами а также для обработки специальных легированных сталей.

Сплав ТТ8К6 применяют для чистовой и получистовой обработки чугуна для непрерывной обработки с малыми сечениями среза стального литья высокопрочных нержавеющих сталей сплавов цветных металлов некоторых марок титановых сплавов.

Все марки твердых сплавов разбиты по международной классификации (ИСО) на группы: К М и Р. Сплавы группы К предназначены для обработки чугуна и цветных металлов дающих стружку надлома. Сплавы группы М - для труднообрабатываемых материалов сплавы группы Р - для обработки сталей.

С целью экономии дефицитного вольфрама разрабатываются безвольфрамовые металлокерамические твердые сплавы на основе карбидов а также карбидонитридов переходных металлов в первую очередь титана ванадия ниобия тантала. Эти сплавы изготовляют на никелемолибденовой связке. Полученные твердые сплавы на основе карбидов по своим характеристикам примерно равноценны стандартным сплавам группы ТК. В настоящее время промышленностью освоены безвольфрамовые сплавы ТН-20 ТМ-3 КНТ-16 и др. Эти сплавы обладают высокой окалиностойкостью низким коэффициентом трения меньшим по сравнению с вольфрамсодержащими сплавами удельным весом но имеют как правило более низкую прочность склонность к разрушению при повышенных температурах. Изучение физико-механических и эксплуатационных свойств безвольфрамовых твердых сплавов показало что они успешно могут быть использованы для чистовой и получистовой обработки конструкционных сталей и цветных сплавов но значительно уступают сплавам группы ВК при обработке титановых и нержавеющих сталей.

Одним из путей повышения эксплуатационных характеристик твердых сплавов является нанесение на режущую часть инструмента тонких износостойких покрытий на основе нитрида титана карбида титана нитрида молибдена окиси алюминия.

Заключение

Большая часть имеющихся твердых сплавов предназначена для обработки резанием различных материалов в том числе чугунов нержавеющих жаропрочных и специальных сталей и сплавов. Важной областью применения твердых сплавов является их использование для волочения и калибрования проволоки прутков труб и т.д. В качестве материала для покрытия пластин используют карбиды нитриды бориды и силициды тугоплавких металлов IV-- VI групп периодической системы элементов. Наиболее широко применяемыми соединениями такого рода являются карбид нитрид карбонитрид титана.

В результате обработки на поверхности твердосплавной пластины образуется мелкозернистый слой соединений обладающих высокой твердостью износостойкостью и химической устойчивостью при высоких температурах.

Повышению износостойкости инструмента посвящено много работ и исследования в этой области продолжаются и в настоящее время. И как результат качественных работ в этой области - огромная номенклатура всевозможного инструмента ведущих фирм производителей в области металлообработки таких как: Вальтер Митсубиси Сандвик и т.д. Предлагающих инструмент с различным спектром износостойких покрытий оптимальной геометрией изготовленного из высококачественного инструментального материала для казалось бы всех существующих условий работы инструмента на современном оборудовании включая и скоростную обработку. Из всех существующих методов упрочнения инструмента выделим наиболее прогрессивные нашедшие свое применение в производстве и являющиеся базой для многих современных покрытий.

Список литературы

Конструкционные материалы. Под ред, Б.Н. Арзамасова. Москва, изд «Машиностроение», 1990.

Технология конструкционных материалов. Под ред. А.М. Дальского. Москва, изд «Машиностроение», 1985.

Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них - Панов B.C., Чувилин A.M. МИСИО, 2001

Термодинамика сплавов. Вагнер К. Москва, 1957

Производство и литье сплавов цветных металлов. Юдкин В.С. М., 1967-1971

Диаграммы фаз в сплавах. М., 1986 Коротич В.И., Братчиков С.Г. Металлургия черных металлов. М., 1987

Приложение 1

Рисунок 1 - Литые твердые сплавы

Рисунок 2 - Пластины из твердых сплавов

Рисунок 3 - Фасонные матрицы из твердых сплавов

Рисунок 4 - Свойства твердых сплавов

Таблица 3 - Основные марки твердых сплавов и области их применения:

Размещено на Allbest.ru