1.6 Инструментальные материалы

Для оснащения лезвийных режущих инструментов применяется широкая номенклатура инструментальных материалов, входящих в следующие основные классы:

– быстрорежущие стали (БРС);

– твердые стали (ТС);

– режущая керамика (РК);

– сверхтвердые материалы (СТМ).

Большое разнообразие инструментальных материалов объясняется тем, что ни в одном из них не совмещаются высокая прочность и технологичность изготовления с наилучшими показателями по уровню скорости резания и теплостойкости (рисунок 1.1).

Инструменты из БРС отличаются высокой прочностью и лучшей технологичностью изготовления по сравнению с инструментальными материалами других классов. Из БРС изготавливаются резьбонарезные инструменты, большинство зубообрабатывающих, сверл, фасонных резцов, протяжек и других инструментов со сложным профилем режущих лезвий.

Инструменты, оснащенные ТС, наиболее широко применяются при точении и торцевом фрезеровании, а также при других видах фрезерования, сверления, зенкерования, развертывания, протягивания чугунных деталей.

Основными, наиболее широко распространенными, являются инструменты, оснащенные ТС и БРС. РК и СТМ применяются ограниченно, в основном на операциях прецизионного точения и фрезерования, при обработке материалов с высокой твердостью. РК, кроме того, используется при получистовой обработке чугунных деталей.

Быстрорежущие стали. Марки БРС отечественного производства, применяемые при изготовлении режущих инструментов и их свойства приведены в таблицах 1.15 и 1.16.

Быстрорежущие стали обозначаются буквой Р (rapid – быстрый), цифры после этой буквы показывают массовое содержание в процентах основного легирующего элемента – вольфрама. Другие легирующие элементы обозначаются буквами М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт. Цифра, следующая за буквой, указывает на массовое содержание в процентах элемента (ванадий указывается только при его повышенном содержании). Хром содержится во всех марках быстрорежущих сталей (около 4%), но в обозначении не указывается.

Быстрорежущие стали иностранного производства обычно маркируются аббревиатурой HSS (High Speed Steel).

Базовая группа БРС (стали нормальной производительности) предназначена в основном для обработки конструкционных сталей с твердостью до 280 НВ, феррито-перлитных чугунов с твердостью до 220 НВ и цветных сплавов. Основной маркой БРС этой группы является сталь Р6М5, которая предназначена для изготовления большинства режущих инструментов: резцов, фрез, сверл, зенкеров, разверток, протяжек, метчиков, резьбовых плашек, а также значительной части зуборезных инструментов.

12 Сверхтвердые материалы

10 1200

Относительная скорость резания

Режущая керамика

7

Твердые сплавы

Теплостойкость, °С

5 Безвольфр. Вольфрамсодержащие

4

3 800

Быстрорежущие стали

2 Повышенной Нормальной

теплостойкости теплостойкости

1,5

1 600

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

- - - - - инструменты с износостойкими покрытиями Прочность σ_изг, Н/мм²

Рисунок 1.1. Относительный уровень скоростей резания

при обработке черных металлов различными инструментальными материалами

Таблица 1.15. Марки БРС, применяемые для изготовления инструмента

Группа БРС	Марка БРС	Химический состав, %
		С	W	Mo	Cr	V	Co
Базовая	Р6М5 Р18	0,85 0,75	6 18	5,5 –	4 4	1,9 1,2	– –
С повышенным cодержанием С и V	Р6М5Ф3	1,0	6	5,5	4	2,5	–
Содержащие кобальт	Р6М5К5 Р9М4К8	0,85 1,05	6,5 9	5 4	4 3,2	2 2,3	5 8

Таблица 1.16. Физико-механические свойства БРС

Марка БРС	Прочность σизг, Н/мм^2	Твердость, HRC	Теплостойкость, °С
Р6М5	3000 – 4000	63 – 65	620
Р18	2600 – 3200	63 – 64	620
Р6М5Ф3	2600 – 3200	63 – 65	630
Р6М5К5	2400 – 3000	63 – 65	630
Р9М4К8	2000 – 2700	63 – 66	630

Режущие свойства инструментов из сталей Р6М5 и Р18 практически равноценны для подавляющего большинства видов инструментов и областей их применения. Сталь Р18 обладает лучшей шлифуемостью и применяется избирательно, когда изготовление инструментов из стали Р6М5 технологически затруднено.

Инструменты из БРС с увеличенным содержанием углерода и ванадия составляют группу сталей повышенной износостойкости. Сталь Р6М5Ф3 обладает износостойкостью на 30 – 40% большей, чем Р6М5, но уступает этой базовой марке по шлифуемости.

Содержащие кобальт БРС повышенной производительности предназначены для обработки конструкционных сталей с твердостью более

280 НВ и перлитных чугунов. Применение в этих случаях стали Р6М5К5 обеспечивает по сравнению с Р6М5 возможность повышения скорости резания в среднем на 20%, или периода стойкости инструментов в 1,5 – 3 раза. Сталь Р9М4К8 обладает повышенной износостойкостью по сравнению с Р6М5К5, но уступает ей по прочности, шлифуемости и является более дорогой. Она применяется, когда режущие свойства стали Р6М5К5 недостаточны.

Для повышения износостойкости инструментов из различных марок БРС применяются покрытия нитридом титана, позволяющие повысить стойкость инструмента в 1,5 – 3 раза или скорость резания на 20 – 30%.

Помимо широко распространенных применяют БРС, полученные с использованием методов порошковой металлургии. Существуют следующие марки таких БРС – Р6М5Ф3-МП, Р6М5К5-МП, Р9М4К8-МП, Р12М3К5Ф2-МП. Порошковые БРС прочнее и лучше шлифуются по сравнению с

аналогами, получаемыми по обычной технологии, и позволяют повысить стойкость по сравнению с ними в 1,3 – 2 раза.

Твердые сплавы, режущая керамика, сверхтвердые материалы.

В зависимости от обрабатываемого материала и характера стружки инструментальные материалы (ТС, РК, СТМ) подразделяются на 6 групп резания Р, M,K,N,Sи Н (стандарт ИSО 513:2004), см. таблицу 1.17.

Таблица 1.17. Группы резания инструментальных материалов.

Группа резания	Обрабатываемые материалы
P	Нелегированные, низколегированные, высоколегированные стали Стальное литье
M	Нержавеющие стали: – ферритные, мартенситные; – аустенитные; – аустенитно-ферритные.
K	Серые, ковкие, высокопрочные (с шаровидным графитом) чугуны
N	Цветные металлы и сплавы, неметаллические материалы
S	Жаропрочные и титановые сплавы, сплавы на основе никеля и кобальта
H	Высокопрочные и высокотвердые сплавы, закаленная сталь

Группы резания подразделяются в свою очередь на группы применения, которые обозначаются буквой (группа резания) и числовым индексом (группа применения). Чем выше число индекса в обозначении группы применения, тем ниже износостойкость материала и допускаемая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость) и допускаемая величина сечения среза (подача и глубина резания).

Ниже (рисунок 1.18) в качестве примера приведено распределение инструментальных материалов фирмы «Сандвик Коромант» по группам резания и применения.

Рисунок 1.18. Распределение инструментальных материалов фирмы

«Сандвик Коромант» по группам резания и применения.