УДК 621.9.02

ПРИМЕНЕНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ МАРОК ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ режущих ИНСТРУМЕНТОВ

Толстяков А.Н., Буглаев А.М.

(Брянский государственный технический университет, г.Брянск, РФ)

Tolstyakov A.N., Buglaev A.M.

(Bryansk State Technical University, Bryansk, Russia)

 

Статья написана на основе обзора изданий по режущему инструменту, выпущенных в последние 20-30 лет. Особое внимание уделено новым маркам оксидной, смешанной, армированной и нитридной режущих керамик. Выполнен анализ перспектив развития инструментальных материалов.

The article is written on the basis of a review of editions on the cutting tool, released in the last 20-30 years. Particular attention is paid to new grades of oxide, mixed, reinforced and nitride cutting ceramics. The analysis of prospects of development of instrumental materials

 

Ключевые слова: твердый сплав, быстрорежущая сталь, режущий инструмент , инструментальный материал, нитрид бора, кермет, режущая керамика, поликристаллический

Key words: hard alloy, high-speed steel, cutting tool, tool material, boron nitride, cermet, cutting ceramics, polycrystalline

 

 Технический уровень режущего инструмента определяет производительность и себестоимость обработки, точность получаемых размеров, качество поверхностного слоя и надежность операции. Одним из основных факторов, определяющим технический уровень режущего инструмента, является инструментальный материал, из которого он изготовлен.

Одним из основных факторов, обусловливающих качество, прочность и надежность твердосплавного инструмента является, материал, из которого изготавливается этот инструмент.

Основными требованиями для инструментальных материалов являются твердость, прочность, теплостойкость, технологичность и экономичность. Прочностные свойства инструментальных материалов характеризуются пределом прочности на изгиб и на сжатие, ударной вязкостью и коэффициентом трещиностойкости. Теплостойкость характеризуется температурой, при которой происходит существенное снижение стойкости инструмента. Комплексной характеристикой инструментального материала является его износостойкость, которая определяет способность сохранения режущих свойств инструмента, с заданной производительностью, при обеспечении точности обработки и качества получаемой поверхности. Износостойкость определяется, в первую очередь, твердостью инструментального материала, его прочностью и теплостойкостью.

В настоящее время в России импортозависимость от поставок режущего инструмента составляет 90%. Потребности высокотехнологичных отраслей отечественной промышленности, таких как авиационная, ракетно-космическая, атомное машиностроение, двигателестроение, удовлетворяются зарубежными закупками в странах Европы и Юго-Восточной Азии.

Под твердыми сплавами понимают композиционный материал, полученный методами порошковой металлургии на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, ниобия соединенных металлической связкой (кобальт, никель, молибден и др.). Твердые сплавы производят в виде сменных пластин, которыми оснащаются режущие инструменты. Выпускаются также цельные твердосплавные инструменты, в основном небольших размеров - концевые фрезы, сверла и др. Инструменты, изготовленные из твердых сплавов, обладают высокой твердостью (86...94HRA) и теплостойкостью (до 800...1000°С), обеспечивая высокую износостойкость на скоростях резания, значительно превосходящих допустимые для быстрорежущих сталей. Вместе с тем твердые сплавы имеют меньшую, чем у сталей изгибную прочность и ударную вязкость.

Однокарбидные сплавы (WC-Со) марок ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК8, ВК10, ВК10-ХОМ и др., сохраняют теплостойкость до 800°С. Массовая доля кобальтовой связки в процентах обозначается цифрой после буквы К. Сплавы ВК обладают высокой ударной вязкостью, пределом прочности при изгибе, теплопропроводностью. С увеличением содержания кобальта прочность этих сплавов (также как и сплавов других групп) повышается, но одновременно снижается износостойкость. Недостатком сплавов этой группы является высокое адгезионное взаимодействие со сталью при температурах выше 600°С, поэтому однокарбидные твердые сплавы не рекомендуются для обработки углеродистых и легированных сталей. Основная область использования - обработка цветных металлов и материалов, дающих дискретные типы стружек (чугуны, неметаллы). Прочность и твердость сплавов, помимо химического состава, зависит также от размера зерна, поэтому однокарбидные твердые сплавы отечественного производства с размером зерен, отличающихся от 1...2 мкм имеют дополнительную литеру "М" - мелкозернистые, "ОМ" - особо мелкозернистый, "ХОМ" - особо мелкозернистый сплав, легированный хромом, "В" - крупнозернистый (высокопрочный). Уменьшение размера зерна повышает твердость и износостойкость твердого сплава, позволяет формировать меньшие радиусы округления режущей кромки, однако для отечественных марок уменьшение размера зерна снижает прочность сплава.

Двухкарбидные сплавы (WC-TiC-Co) имеют более высокую теплостойкость (до 900... 1000°С) и твердость. Первое число означает процентное содержание карбидов титана, массовую долю кобальтовой связки означает цифра после буквы К, остальное - карбиды вольфрама. Сплавы Т30К4, ТТ8К6, T15K6, Т14К8, Т5К10 рекомендуются для скоростной обработки углеродистых сталей, так как введение карбида титана значительно повышает сопротивление адгезионно-усталостному износу, имеющему место при образовании сливной стружки при обработке сталей. Повышение содержания карбидов титана позволяет увеличить износостойкость сплава при падении его прочностных характеристик.

Трехкарбидные сплавы (WC-ТiC-TaC-Co) помимо карбидов вольфрама и карбидов титана содержат дополнительно карбид тантала. Марки этих сплавов - ТТ7К12, TT8K6, ТТ10К8Б, TT20K9, Т8К7. Здесь первое число означает сумму взаиморастворенных карбидов титана и тантала. Содержание связки обозначается также цифрой после буквы К. Остальное - карбид вольфрама. Последний сплав (Т8К7) относится к трехкарбидным, хотя ввиду малого содержания карбидов тантала (0,5%) его обозначение аналогично обозначению двухкарбидных твердых сплавов. Сплавы этой группы отличаются высокими прочностными характеристиками и рекомендуются при тяжелых условиях обработки, прерывистого резания, для обработки жаропрочных сталей и сплавов, а также титановых сплавов.

Безвольфрамовые твердые сплавы (керметы) на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой (до 30% для КНТ30). Наибольшее распространение получили отечественные марки ТН20 и КНТ16 (ГОСТ 26530-85). Они обладают низким коэффициентом трения, высокими износо- и окалиностойкостью, но имеют пониженную прочность, теплопроводность и ударную вязкость. Керметы, имея значительно меньшую стоимость, в ряде случаев позволяют успешно конкурировать с твердыми сплавами на основе карбида вольфрама при чистовой и получистовой обработке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с твердостью до 30...42HRC с высокой скоростью резания и относительно небольшими сечениями среза, а также для обработки цветных металлов. Указанные марки не рекомендуются при обработке труднообрабатываемых материалов, твердых чугунов и закаленных сталей.

За последние десятилетия объем различных типов инструментальных материалов для лезвийного инструмента, потребляемых метало-обрабатывающими производствами технологически развитых стран, сильно изменился. Практически не используются для лезвийного инструмента углеродистые и легированные инструментальные стали. Заметно снизилось потребление быстрорежущих сталей с 65...70% до 35...40%, в то время как, объёмы использования твёрдых сплавов увеличились с 30 до 55%, а режущей керамики и сверхтвёрдых инструментальных материалов с 1% до 10% [1].

Существенно увеличивается доля использования относительно недорогих керметов (безвольфрамовых твердых сплавов), которые в ряде случаев не уступают, а иногда и превосходят по эксплуатационным характеристикам традиционные вольфрамсодержащие твердые сплавы. В Японии доля использования керметов доходит до 40% от объема твердосплавного инструмента. Несомненно следует ожидать существенного роста использования керметов и в российской промышленности.

Появился принципиально новый тип ультрамелкозернистых твердых сплавов с уникальной изгибной прочностью, соизмеримой с прочностью быстрорежущих сталей. Выпуск заготовок таких твердых сплавов в виде стержней различного диаметра приводит к тенденции изготовления необходимого концевого инструмента непосредственно на самих предприятиях при использовании многокоординатных шлифовальных станков с ЧПУ.

С сожалением приходится констатировать, что отечественная инструментальная промышленность утеряла лидирующее положение в области создания новых инструментальных материалов. Помимо этого, многие марки инструментальных материалов, положительно зарекомендовавшие себя в практическом использовании, в настоящее время выпускаться перестали. Особенно это заметно в области производства режущей керамики и сверхтвердых инструментальных материалов.

В данной статье не рассматривались износостойкие покрытия на лезвийном инструменте, существенно повышающие стойкость инструмента или производительность обработки, однако, создание новых типов покрытий и расширение их использования является однозначной мировой тенденцией улучшения свойств режущего лезвийного инструмента.

 

Список использованных источников

1.    Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание материалов. М.: Высшая школа, 2009. 535 с.

2.    Инструмент для высокопроизводительного и экологически чистого резания / Андреев В.Н., Боровский Г.В., Боровский В.Г., Григорьев С.Н. М.: Машиностроение, 2010.  480 с

3.    Производство и эксплуатация современного режущего инструмента /А.А. Борисов, Г.В. Боровский, В.А. Вычеров и др. М.: Издательство "ИТО", 2011. 104 с.

4.    Повышение износостойкости деталей оборудования и инструментов лесного комплекса/ Памфилов Е.А., Пилюшина Г.А.//  Актуальные направления научных исследований ХХI века: теория и практика. 2015. Т.З. № 2-1 (13-1). С. 272-278.

5.    Повышение стойкости Разделительных штампов с твердосплавными режущими элементами алмазным выглаживанием/ Буглаев А.М.// Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. № 11 (119). С. 13-16.

6.    Повышение работоспособности рабочих органов оборудования и режущих инструментов для обработки неметаллических материалов/ Пилюшина Г.А., Пыриков П.Г., Рухлядко А.С.// СТИН. 2013. № 2. С. 9-13.

7.    Способ повышения износостойкости сменных режущих элементов/ Памфилов Е.А., Пыриков П.Г. патент на изобретение RUS 2118383

8.    Повышение износостойкости инструмента, работающего в условиях низких температур/ Памфилов Е.А., Сиваков В.В., Грядунов С.С. // Трибология- Машиностроителю. Труды ХI Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения выдающегося ученого проф. Р.М. Матвеевского: сборник тезисов докладов. Институт машиностроения им. А.А.Благонравова. 2016. С. 183-185.