Материали за металорежещи инструменти

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2014

В процеса на обработка на детайлите режещите инструменти са подложени на тежки натоварвания и много високи температури. Подобни експлоатационни условия предполагат високи изисквания към техническите им характеристики като износоустойчивост, надеждност и т. н.

Тези техни характеристики, както и икономическите и техническите им показатели, до голяма степен се определят в зависимост от използвания материал за изработката на режещата им част. Приложение намират широк кръг от материали, като се започне от различните видове инструментални стомани и се стигне до инструменти от керамика и диамант.

Инструментални стомани и сплави
Обикновената въглеродна стомана е сред материалите, използвани от най-дълго време за изработка на инструменти. На практика това е високовъглеродна стомана, която съдържа около 1,05% въглерод. Подобно високо съдържание на въглерод позволява на стоманата да бъде закалявана с цел да се постигне по-висока устойчивост на абразивно износване.

Обикновената високовъглеродна стомана се използва от години, но тъй като тя губи бързо твърдостта си при сравнително ниски температури на рязане - от порядъка на 150 – 250 оС, днес тя все по-рядко се използва за производство на режещи инструменти. Намира приложение предимно за изработката на пили, триони, длета и други, като използването й като цяло е ограничено до нискотемпературни приложения.
Ограничено приложение намира и легираната стомана.

Принципно добавянето на легиращи елементи повишава твърдостта и здравината на стоманата, както и устойчивостта й на топлина. Сред най-често използваните легиращи елементи са: хром, волфрам, ванадий, молибден, кобалт, манган и други. Всеки един от тези елементи добавя определени специфични характеристики, но като цяло те подобряват способността за закаляване, устойчивостта на високи температури, устойчивостта на износване, както и здравината на легираните стомани. Като цяло обаче легираните стомани като материал за режещи инструменти се използват предимно за ръчни и слабоотговорни инструменти.

Днес при изработката на режещи инструменти най-широко използвани са бързорежещите стомани (HSS). Те са разработени във връзка с необходимостта от материали, които могат да издържат на повишаващите се скорости на рязане в процеса на обработка на материалите, както и на високи температури.

Бързорежещите стомани са с по-високо съдържание на елементи, образуващи твърди карбиди като волфрам, титан, ванадий и други, които значително повишават устойчивостта на високи температури и якостта на материала. Могат да бъдат използвани при скорости на обработка, превишаващи в пъти скоростите на рязане, характерни за въглеродните и легираните стомани.

Бързорежещите стомани намират широко приложение в практиката и се използват за изработка на различни видове режещи инструменти. Обикновено се подразделят на стомани с нормална производителност, с повишена производителност и дисперсно втвърдяващи се бързорежещи стомани.

Към стоманите с повишена производителност обикновено се включват стоманите, получени чрез прахова металургия. При същия химичен състав тези стомани се характеризират с дребнозърнеста структура и висока карбидна еднородност, което ги превръща в много подходящо решение за изработката на инструменти подложени на ударно натоварване. Характеризират се с повишена твърдост и якост.

Дисперсно втвърдяващите се бързорежещи стомани с нормална и повишена производителност са с карбидно уякчаване. Освен тях намират приложение и т. нар. дисперсно втвърдяващи се стомани с интерметално (междуметално) уякчаване, които са с ниско съдържание на въглерод (< 0,1%) и с високо съдържание на легиращи елементи, включително никел, хром и титан.

Повърхностна обработка на бързорежеща стомана
В опит да бъде удължен животът на инструмента, да се намали енергопотреблението, както и за да се контролират фактори, оказващи влияние върху производствените условия и разходи, са разработени различни методи за повърхностна обработка. Една част от тези методи се използват от години и са се доказали в практиката. Например, нанасяна на покритие от черен оксид, което е сред стандартно нанасяните покрития върху бургии и метчици за възпрепятстване натрупването на отлагания върху инструмента.

Металорежещите инструменти с нанесени покрития имат в пъти по-дълъг живот, в сравнение с тези без покритие. Сред най-често използваните материали за нанасяне на покрития са титанов нитрид, титанов карбид и алуминиев оксид. Често покритията включват няколко различни слоя, нанесени един върху друг, в зависимост от съответното приложение на инструмента.

Техниките, използвани за полагане на покрития, включват метода на химично нанасяне на покрития (CVD - Chemical Vapor Deposition) и метод на физическо нанасяне на покритията (РVD - Physical Vapor Deposition). Използват се и диамантени покрития, които продължават да бъдат обект на разработка.

За много добро решение се счита нанасянето на покритие от титанов нитрид посредством PVD метода върху бързорежещи стомани. Покритието от титанов нитрид спомага за удължаване на живота на инструмента, а също така позволява той да бъде използван при високи скорости на обработка. Животът на инструмента може да бъде удължен около три пъти или скоростта на обработка може да бъде повишена до около 50%.

Покритието от титанов нитрид е сравнително стандартно покритие, което в последните години се развива, като към него се прибавят допълнителни елементи - въглерод, алуминий, бор. Като развитие на тези покрития се приема т.нар. TiCN-Plus напластяване. Прилага се за напластяване на метчици от бързорежеща стомана. Посредством многопластовата си структура това покритие е в състояние да възпрепятства разпространението на фини повърхностни пукнатини до основата.

Твърдосплавни инструменти
В последните години металокерамичните твърди сплави са все по-предпочитан материал и все повече изместват бързорежещата стомана при производството на металорежещи инструменти. Използва се за производството както на монолитни инструменти, така и за сменяеми режещи инструменти.

Металокерамичните твърди сплави са съчетание на няколко компонента като карбиди на волфрам, титан, тантал и др., свързани с кобалт, желязо и сплавите им. Металокерамичните сплави се характеризират с голяма твръдост, износоустойчивост, устойчивост на високи температури и възможност за работа при високи скорости на рязане. Подходящи са за обработка и на закалени материали.

Качествата на металокерамичните твърди сплави зависят от редица фактори, сред които количеството на твърдите труднотопими карбиди и свойствата им; количеството на меките, свързващи метали и свойствата им; характера на взаимодействието между карбидите и свързващите метали; големина на зърната на компонентите и структурата им и други. При увеличаване на количеството на карбидите се увеличава твърдостта, а при увеличаване на свързващите метали се подобрява пластичността и якостта на огъване.

Също така всеки тип карбид оказва влияние върху характеристиките на инструмента за рязане по различен начин. Например, по-високото съдържание на волфрам повишава износоустойчивостта, но намалява якостта на инструмента. По-висок процент на кобалт повишава якостта, но намалява устойчивостта на износване.

Влияние върху механичните свойства оказва и структурата на частиците. Колкото по-фини са карбидните частици, толкова по-големи са твърдостта и износоустойчивостта. Сплави с подобна структура се оказват много подходящи при обработката на синтеровани материали, на Al - Si сплави, на много твърди и жилави материали. Считат се за подходящи при обработване на твърди материали с прекъснато рязане при струговане, фрезоване и протегляне, както и при сплави, изградени от мед и изкуствени материали.

Сплавите с по-едрозърнеста структура се препоръчват при рязане с ударно натоварване.
Според международния стандарт ISO металокерамичните сплави, използвани за режещи инструменти, се разделят на 3 групи според предназначението си: сплави, предназначени за рязане на материали, даващи непрекъсната стружка; сплави с междинни свойства, предназначени за рязане на неръждаеми и аустенитни стомани и др.; сплави, предназначени за рязане на материали, даващи прекъсната стружка.

Поради ограничените запаси на волфрам се използват и безволфрамови металокерамични сплави, в които волфрамовият карбид е заменен с карбиди на титана, тантала и др. Те имат сходна твърдост и износоустойчивост, но по-малка жилавост от волфрамовите.

За увеличаване на производителността на металокерамиката се нанасят износоустойчиви покрития. Сред използваните покрития са титанов карбид, титанов нитрид, алуминиев нитрид, алуминиев окис, които се нанасят на един до три последователно нанесени тънки слоя. Съчетанието на жилава металокерамична основа с твърдо покритие прави режещите елементи по-универсални и разширява приложната им област.

Покритията се различават както по химичен състав, така и по метод на нанасяне, което се отразява на експлоатационните им свойства. Използват се основно методът на химично нанасяне на покрития (CVD) и метод на физическо нанасяне на покритията (РVD).
В промишлеността днес твърдосплавните инструменти заместват високоскоростните стомани в редица приложения. Тези инструменти режат около 3 до 5 пъти по-бързо от високоскоростните стомани.

Всеки производител на твърдосплавни инструменти предлага богата гама от инструменти, подходящи за различни специфични приложения.

Режеща керамика
Керамичните режещи инструменти се използват предимно при обработка на чугун, твърди стомани и суперсплави. Режещата минералокерамика се характеризира със силно ограничени възможности за обработка. Инструментите, след тяхното пресоване и спичане, могат да се обработват само чрез шлифоване. Минералокерамиката не позволява заваряване, спояване, залепяне.

Обикновено от минералокерамика се произвеждат режещи пластини, които се закрепват механично към тялото на инструмента. В зависимост от химичния й състав режещата керамика се подразделя в три групи - оксидна, смесена, нитридна и нишково-усилена оксидна керамика.

Оксидната керамика съдържа почти изцяло чист алуминиев оксид (Al2O3, корунд). Характеризира се с висока твърдост и топлоустойчивост и ниска якост и жилавост. Тези й характеристики ограничават нейното приложение, поради което в последствие тази керамика се обогатява с циркониев оксид. Това подобрява жилавостта и позволява използването й при обработване на стомана с високи скорости.

Смесената оксидно-карбидна (карборундова, черна) керамика включва в състава си алуминиев оксид и определен процент карбиди на ванадия, титана или молибдена. Заема междинно положение по отношение на износоустойчивост, топлоустойчивост и якост между оксидната керамика и металокерамиката.

Използва се при обработката на твърди материали като закалени стомани например. Наличието на титанов карбид повишава топлоустойчивостта и подобрява износоустойчивостта и якостта на режещия ръб в сравнение с твърдите сплави и оксидната режеща керамика.

Нитридната керамика е на основата на силициев нитрид. Използва се предимно за непрезаточващи се сменяеми пластини за различни инструменти. Счита се за подходяща за обработка на детайли от сив и ковък чугун посредством струговане, рязане и т. н.

Нишково (влакнесто) усилената оксидна керамика е на основата на алуминиевия оксид и наличие на нишки от силициев карбид. Използва се предимно за груба обработка на високо топлоустойчиви сплави на никелова основа, на закалени стомани, на избелен чугун (грубо и чисто).

Като цяло използването на режеща керамика в практиката е ограничено поради някои нейни характеристики като по-малка якост, жилавост, топлопроводност и чувствителност към температурни промени. Счита се за много подходяща при рязане на закалени стомани, твърди чугуни и др.

Обикновено при работа с режеща керамика не се изисква използването на охлаждащи течности, а при работа с оксидна керамика не се препоръчва използването им.

Свръхтвърди материали за инструменти
Те са разделени в две категории: кубичен борен нитрид (CBN) и поликристални диаманти (PCD). Поради високата им цена тяхната употреба е силно ограничена до специфични приложения. Кубичният борен нитрид се използва за обработване на много твърди цветни материали като стоманени матрици, легирани стомани и други. Поликристалният диамант намира приложение основно при обработката на цветни метали и сплави.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top