Реферат на тему инструменты и материалы

Обновлено: 05.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Инструментальные материалы

Инструментальные стали применяются для изготовления различного инструмента. Они классифицируются по назначению, по свойствам, по химическому составу.

По назначению стали подразделяются на стали для режущих инструментов, стали для измерительных инструментов и стали для штампов.

Стали для режущих инструментов. Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, обеспечивающей сохранение режущей кромки, достаточной прочностью и вязкостью (для инструментов ударного действия), теплостойкостью (красностойкостью). Красностойкость – это способность инструмента сохранять высокую твердость и режущие свойства при длительном нагреве. Этот комплекс свойств обеспечивается выбором стали и оптимальным режимом термообработки. При этом важное значение имеет прокаливаемость и закаливаемость стали.

По свойствам инструментальные стали квалифицируются на стали небольшой прокаливаемости, повышенной прокаливаемости и быстрорежущие стали.

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали.

Углеродистые инструментальные стали содержат 0,7…1,3 %С и маркируются У7, У7А…У13, У13А. Структура сталей У7 (Ф+П), У8 (П), У9-У13 (П+Ц _ІІ ). Углеродистые стали обладают высокой твердостью, прочностью, дешевы и недефицитны и хорошо обрабатываются.

Из сталей У7, У7А, У8, У8А изготавливают деревообрабатывающий инструмент, слесарный и кузнечный (кернеры, зубила, клейма) и другие изделия, подвергающиеся ударным нагрузкам. Стали марок У9-У11А идут на изготовление инструмента, не подвергающегося ударам. Из них делают сверла, фрезы, метчики, медицинский инструмент. Стали марок У12-У13А применяют для изготовления инструментов высокой твердости и износостойкости – напильники, резцы, волочильный инструмент и др.

Предварительная обработка этих сталей ( до изготовления инструмента ) – отжиг на зернистый перлит.

Окончательная термообработка – закалка в воде и низкий отпуск. После этого стали приобретают структуру – мартенсит с включениями цементита. Твердость 56-64HRC. Для углеродистых сталей характерны низкая прокаливаемость (10-12 мм) и низкая теплостойкость (до 200°С).

Легированные инструментальные стали содержат 0,9…1,4%С и легирующие карбидообразующие элементы (Cr, W, Mn, V и др.), суммарное количество которых не превышает 5%. Задача легирования – повышение твердости, прокаливаемости и теплостойкости до 300°С. Термообработка этих сталей – закалка в масле и отпуск при температуре 150…200°С. При этом обычно достигается сквозная прокаливаемость. Твердость сталей после термообработки 62…64НRC. Из них делают метчики, пилы, граверный инструмент, напильники, крупные плашки, протяжки, зенкеры и т.д.

Теплостойкие (быстрорежущие) стали предназначены для работы при высоких скоростях резания.

Рис. 5.1. Схема режимов термической обработки инструментов из быстрорежущей стали без обработки холодом (а) и с обработкой холодом (б)

Главное их достоинство – высокая теплостойкость (до 650°С). Это достигается за счет большого количества легирующих элементов – вольфрама, молибдена, ванадия, кобальта.

Окончательно формирует теплостойкость стали ее термообработка – закалка и трехкратный отпуск. Закалку проводят с высоких (1240…1290°С) температур, обеспечивающих растворение карбидов в аустените. (Fe ₂ WC, VC, WC). Инструмент нагревают в соляных ваннах ступенчато (малая теплопроводность – возможно растрескивание), и для избежания обезуглероживания поверхности (рис. 5.1).

Закаленная сталь имеет структуру М+К+А _ост и твердость HRC60…62. Остаточный аустенит А _ост ухудшает режущие свойства, поэтому закаленный инструмент подвергают отпуску (3-х кратному) при температуре 560°С с выдержкой 1 час. После термообработки сталь имеет мартенситную структуру с карбидными включениями и твердостью НRС64…65.

В настоящее время применяют обработку холодом закаленной стали –(80-100)°С до точки окончания мартенситного превращения М _к и затем однократный отпуск при 560°С в течение 1 часа. Для повышения износостойкости инструмента применяют азотирование, цианирование, а также напыление карбидов.

Стали применяют для изготовления протяжек, резцов, зенкеров, метчиков, фрез, сверл и т.д.

Стали для измерительного инструмента. Эти стали кроме высокой твердости (HRC63…64) и износостойкости должны сохранять постоянство линейных размеров и формы.

Закалку проводят с возможно низких температур (в зависимости от марки стали) в масле, иногда проводят обработку холодом с последующим, стабилизирующим низкотемпературным (120…170°С) отпуском с выдержкой 10…30 часов. Для инструмента высокого класса точности проводится многократная (2-6 раз) обработка холодом и отпуск (120…130°С).

Штамповые стали. Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы, валики и т.д.), изготавливают из штамповых сталей. Различают стали для штампов холодного деформирования и стали для штампов горячего деформирования.

Стали для штампов холодного деформирования должны обладать высокой износостойкостью, прочностью, вязкостью и сопротивлением деформации.

Для небольших штампов (до 25 мм) используют углеродистую инструментальную сталь У10,У11,У12 после закалки и низкого отпуска. Широко используют легированные стали марок Х, Х9, ХГ, Х12М, Х6ВФ. Для повышения износостойкости инструмента после термообработки применяют цианирование или хромирование рабочей поверхности.

Для штампов с ударными нагрузками используют стали с большой вязкостью: 4ХС4, 4ХВС, 5ХМН, 5ХГМ.

Стали для штампов горячего деформирования кроме вышеперечисленных свойств должны обладать жаропрочностью, теплостойкостью, термостойкостью.

Для штампов, испытывающих большие ударные нагрузки (ковочные штампы), используют стали с 0,5-0,6%С и легирующими элементами, увеличивающими прокаливаемость и вязкость: 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ и др.

Для инструментов, работающих при более высоких температурах, используют стали с повышенным содержанием вольфрама: 3Х2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4В4ФМ.

Инструментальные твердые сплавы. Металлокерамические сплавы значительно превосходят быстрорежущие и другие инструментальные стали по твердости (70…80HRC), износостойкости и теплостойкости (красностойкость до 800…1000°C), но уступают сталям по прочности на изгиб и являются хрупкими. Структура твердых сплавов состоит из частиц очень твёрдых и тугоплавких карбидов WC, TiC, TaC, равномерно распределенных в мягкой, вязкой и прочной эвтектике на основе кобальта. Выпускают:

однокарбидные (вольфрамовые) сплавы системы WC – Co: ВК3, ВК6, ВК8, ВК15 и другие;

двухкарбидные (титановольфрамовые) сплавы системы WC – TiC – Co: Т5К10, Т15К6, Т30К4 и другие;

трёхкарбидные (танталотитановольфрамовые) сплавы системы WC – TiC – TaC – Co: ТТ7К12, ТТ10К8.

В обозначении: В – %WC, Т с числом – % TiC, ТТ с числом – % (TiC + TaC), К с числом – %Co. Содержание WC не указывают, а находят по формуле:

% WC = 100 – % Co – % TiC [– % ( TiC + TaC )].

Металлокерамические сплавы получают методом порошковой металлургии. Они изготовляются в виде пластин, которые припаиваются к державке, изготовленной из углеродистой стали.

Минералокерамические материалы имеют твёрдость HRA91…93 и красностойкость 1000…1200°C, но хрупки. Наиболее используемы микролит и термокорунд. Микролит (ЦМ – 332) имеет корундовую основу с добавками Mg ₂ O. Зёрна корунда Al ₂ O ₃ размером менее 2 мкм соединены минеральной связкой – синтетическим стеклом. Микролит используется в волочильном производстве и для финишной обработки при точении. Прочность в 10 раз выше, чем Р18. Для улучшения режущих свойств в минералокерамику добавляют W, Mo, Ti, Ni (до 10%).

Материалы особо высокой твёрдости. Дефицит и дороговизна вольфрама привела к созданию композиций на основе карбида бора (B ₄ C), обладающих твёрдостью и износостойкостью в несколько раз выше, чем у ВК6.

Кубический нитрид бора КНБ (боразон, эльбор) – химическое соединение, где 40% бора и 50% азота, имеет твёрдость 8500…9000HV, что близко к алмазу, но красностойкость ~ 1300°C, тогда как у алмаза ~ 800°C. Основной недостаток – хрупкость. Применяется для резания и шлифования сталей высокой твердости.

Гексанит – твёрдый сплав на основе нитрида бора. Он используется для обработки закалённых сталей, в результате производительность труда повышается в 10 раз.

Алмазы как природные, так и синтетические широко используются в качестве инструментального материала. Алмаз имеет высокую твердость, но его красностойкость невелика – 700-800С.

Из алмазного порошка изготавливают алмазно-абразивный инструмент – шлифовальные круги, притиры и другие инструменты для обработки особо твердых материалов, а также алмазные круги для заточки твердосплавного инструмента.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тема работы: Инструментальные стали для режущего инструмента

Курсовая работа студента

3 курса инженерно-физического факультета

дневного отделения 190805 группы

Новоселова Евгения Эдуардовича

проф.,д.ф.-м.н. Кайбышев Р.О.

Основные свойства инструментальных сталей. 4

Термическая обработка. 5

Список литературы. 10

Введение.

Режущие инструменты, работающие в условиях больших нагрузок, высоких температур и трения, должны удовлетворять ряду особых эксплуатационных требований: твердость материала режущей части инструмента должна значительно превышать твердость материала заготовки, высокая прочность обеспечивает сопротивляемость инструмента деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала инструмента позволяет ему воспринимать ударные динамические нагрузки, возникающие при обработке заготовок. Поскольку в процессе резания механическая энергия превращается в тепловую, режущая кромка инструмента нагревается до высоких температур.

Условия работы измерительного инструмента приближаются к условиям работы режущего инструмента при легких режимах резания, различие состоит лишь в значительно меньших удельных давлениях на рабочие поверхности. Для разных видов инструмента применяют инструментальные стали разного типа.

Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, применяемые для изготовления режущих, измерительных инструментов и штампов.

Основные свойства инструментальных сталей.

Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), то есть устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы. Различают инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3 – 4 % легирующих элементов), полутеплостойкие (содержащие свыше 0,6 – 0,7 %C и 4 – 3 %Cr) и теплостойкие (высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие Cr, W, V, Mo, Co), получившие название быстрорежущих.

Основным элементом, определяющим высокую износостойкость инструментальных сталей, является углерод, так как твердость, а следовательно и износостойкость инструмента после термообработки зависит от содержания углерода в мартенсите. Наличие легирующих элементов в значительной степени влияет на прокаливаемость стали, а также увеличивает стабильность мартенсита при нагреве закаленной стали.

Углеродистые инструментальные стали (У7, У8Г, У12А, У8ГА) маркируют буквой У (углеродистая): следующая за ней цифра – средняя массовая доля углерода в десятых доля процента, буква Г говорит о повышенном содержании марганца в данной стали, А – высококачественная, т.е. более чистая по сере и фосфору сталь.

Рис. 1. Схема микроструктуры углеродистых инструментальных сталей

а) Сталь У8 после отжига – перлит зернистый

б) Сталь У8 после закалки и низкого отпуска – мартенсит отпуска

в) Сталь У12 после отжига – перлит зернистый + цементит вторичный

г) СтальУ12 после закалки и низкого отпуска – мартенсит отпуска +цементит вторичный

Доэвтэктоидные и эвтектоидные инструментальные стали в исходном (отожженном) состоянии имеют структуру зернистого перлита (рис. 1). В структуре заэвтектоидных сталей дополнительно присутствует вторичный цементит. Стали с такой структурой имеют низкую твердость и хорошо обрабатываются резанием.

Термическая обработка.

Температура закалки у доэвтектоидных сталей должна быть выше верхней критической точки Ас₃ (t = Ас₃ + 20 – 40), ?С, а у эвтектоидных и заэвтектоидных выше нижней критической точки Ас₁ (t = Ас₁ + 20 – 40), ?С, чтобы в результате закалки сталь получила мартенситную структуру. У заэвтэктоидных сталей при этом сохраняется вторичный цементит. Закалку проводят в воде или в водных растворах солей. После закалки инструментальные углеродистые стали подвергаются низкому отпуску при 150 – 170 ?С (рис. 2), снимающего значительную часть закалочных напряжений при сохранении высокой твердости. Формируется структура мартенсит отпуска. У заэвтектоидных инструментальных сталей в структуре дополнительно присутствует вторичный цементит (рис. 1). Поскольку углеродистые стали обладают низкой прокаливаемостью, из них изготовляют в основном инструмент небольшой толщины (напильники, ножовочные полотна, хирургический инструмент).

Рис. 2. График термической обработки заэвтектоидной инструментальной стали.

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с низкой твердостью и с малой скоростью резания, так как при нагреве выше 190 – 200 ?С их твердость резко снижается.

Легированная инструментальная сталь (X, 9X, 9XC, 6XBГ) производится в основном высококачественной, поэтому буква А в конце марки не ставится. Цифра в начале марки показывает среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента. Если содержание углерода около 1 %, то цифра обычно отсутствует. Буквы означают легирующие элементы: А (внутри марки) – азот, В – вольфрам, Г – марганец, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром. Цифры, стоящие после букв, показывают среднюю массовую долю легирующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифры после буквы означает, что содержание этого легирующего элемента находится в пределах от 0,1 до 1 %. Легированные инструментальные стали подобно углеродистым не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания относительно мягких материалов с небольшой скоростью. Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200 – 250 ?С. Легированные стали обладают большей прокаливаемостью, чем углеродистые.

Низколегированные стали (11Х, 13Х) рекомендуются для инструментов диаметром до 15 мм, а стали повышенной прокаливаемостью (9ХС, ХВСГ) имеют большую теплостойкость (250 – 280) ?С, хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Их используют для изготовления инструментов диаметром 60 – 80 мм.

Окончательная термическая обработка легированных сталей состоит из неполной закалки и низкого отпуска, подобно углеродистым (рис. 2).

При неполной закалке изделие нагревают до t = Ас₁ + (30 – 50) ?С, выдерживают и быстро охлаждают в масле или горячих средах, что уменьшает их коробление по сравнению с углеродистыми, охлаждаемыми в воде. Низкий отпуск проводят при температуре 150 – 180 ?С.

Структура инструментальных легированных сталей после окончательной термической обработки состоит из отпущенного легированного мартенсита и легированного зернистого цементита, т.е. она качественно подобна структуре углеродистой заэвтектоидной инструментальной стали после аналогичной термообработки (рис. 1).

Быстрорежущая сталь маркируется буквой Р, а следующая за ней цифра указывает среднюю массовую долю главного легирующего элемента быстрорежущей стали – вольфрама (Р18, Р6М5, Р10К5Ф5). Среднее содержание других легирующих элементов обозначается цифрой после соответствующей буквы. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается. Кроме того, не указывается содержание молибдена до 1 % по массе и ванадия, если его содержание меньше, чем молибдена.

Красностойкость в инструментальных сталях выражается способностью противостоять распаду мартенсита при высоких температурах. Красностойкость достигается за счет уменьшение термодинамической активности углерода. Чтобы получить красностойкость, нужно подавить диффузию углерода. А это достигается за счет введения карбидообразующих элементов. Основными элементами стали, обеспечивающими высокую красностойкость, являются W, Mo, V. Карбидообразующие элементы образуют в стали специальные карбиды: Me₆C на основе W и Мо, МеС на основе V и Ме₂₃С₆ на основе Сr.

Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу. Их фазовый состав в отожженном состоянии представляет собой легированный феррит и карбиды Cr₇C₃, Fe₃W₃C₆, VC, в которых также растворен ванадий. В феррите растворена большая часть хрома: почти весь вольфрам, молибден и ванадий находятся в карбидах. Количество карбидной фазы в быстрорежущих сталях достигает 22 – 30 %.

Рис. 3. Схема микроструктуы быстрорежущих сталей.

а) Литая и отожженная – сорбитообразный перлит + карбиды +

б) Горячедеформированная и отожженная – сорбитообразный

в) Закаленная – мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды

г) Отпущенная – мартенсит отпуска + карбиды.

В структуре литой бысторежущей стали присутствует сложная эвтектика, напоминающая ледебурит. В результате горячей механической обработки (ковки) сетка ледебуритной эвтектики дробится (рис. 3). Для снижения твердости, улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке после ковки быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 800 – 860 ?С. Для придания теплостойкости стали инструменты подвергают закалке и многократному отпуску (рис. 4).

Рис. 4. График термической обработки быстрорежущей стали.

Режимы термической обработки инструментальных сталей приведены в табл. 1, 2, 3 в приложении.

Температура закалки быстрорежущей стали принимают в интервале 1200 – 1290 ?С. Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения карбидов и получения при нагреве аустенита, высоколегированного хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием. Это обеспечивает получение после закалки мартенсита, обладающего высокой теплостойкостью. Однако даже при очень высоком нагреве растворяется только часть карбидов, примерно 30 – 60 % от имеющихся у различных марок быстрорежущих сталей.

Высоколегированный аустенит, полученный при нагреве под закалку, обладает большой устойчивостью, поэтому быстрорежущие стали имеют малую критическую скорость охлаждения (закалки) и могут закаливаться на воздухе. Однако на практике в качестве охлаждающей среды применяется масло.

Структура быстрорежущей стали после закалки представляет высоколегированный мартенсит, содержащий 0,3 – 0,4 %С, нерастворенные избыточные карбиды и высоколегированный остаточный аустенит, составляющий 25 – 35 %. Поскольку остаточный аустенит понижает режущие свойства стали, его присутствие в готовом инструменте недопустимо.

После закалки следует отпуск при 550 – 570 ?С, вызывающий превращение остаточного легированного аустенита в легированный мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения карбидов (рис. 3), что сопровождается увеличением твердости. Чтобы весь остаточный аустенит перевести в мартенсит и произошел отпуск вновь образовавшегося мартенсита, применяют многократный (чаще трехкратный) отпуск при 550 – 570 ?С.

На уроках технологии, в школе, я научился пользоваться множеством инструментов, необходимых для изготовления необходимых в быту изделий.

Верстак представляет собой прочный и большой стол, облегчающий

работу с деревом, вследствие наличия креплений, удерживающие

изделие во время обработки. В основном предназначен для эксплуатации в условиях мастерской, в основном его используют, как рабочее место для выполнения операций по обработке материалов, например, сверления, гибки металла, пайки и других действий.

Ножовка оказывает помощь в ручном распиливании изделия.

Продаются универсальные ножовки, которые функционируют во всех

направлениях, но скорость работы при этом очень низкая. Этим инструментом я научился выпиливать необходимые детали для изделия.

При работе с ножовкой нужно соблюдать правила техники безопасности при пилении:

1. Пилы (ножовки поперечные, лучковые и т. п.) должны быть правильно разведены и хорошо заточены.

2. Необходимо прочно зажимать обрабатываемый материал в тисках верстака или другими способами.

3. Не допускать резких движений в процессе работы, не держать левую руку близко к полотну.

4. Соблюдать правильную позицию и правильно держать инструмент; быть внимательным и аккуратным в работе.

5. Не сдувать опилки, не сметать их рукой. Пользуйся щеткой.

6. Не нажимать сильно на полотно при резании и ослаблять нажим в конце работы.

7. Класть ножовку на верстак полотном от себя.

8. Правильно заправлять пилку в лобзик.

9. Аккуратно вести пиление без рывков и изгибов пильного полотна в пропиле, во избежание разрыва полотна пилы.

10. Следить за тем, чтобы левая рука не попала под пилку.

11. Соблюдать порядок на рабочем месте.

Стамеска— плотничий или столярный ручной режущий инструмент. Используется для выборки небольших углублений в древесине, зачистки пазов, снятия фасок, рельефной и контурной резьбы. Её я использовал для резьбы по дереву, для того чтобы сделать красивый, резной рисунок.

Есть рекомендации по проведению работы со стамеской:

1.Перед непосредственной обработкой поверхности проводится нанесение требуемых размеров.

2.Инструмент выбирается в зависимости из предстоящего объема работ.

3.Рекомендуется брать инструменту в левую руку, а киянку в правую. Для начала следует делать легкие постукивания, так как инструмент может себя вести по-разному в зависимости от основных свойств материала.

4.После выполнения поставленной задачи следует провести очистку поверхности от материала.

Струбцина - один из видов вспомогательных инструментов, используемый для фиксации каких-либо деталей в момент обработки либо для плотного прижатия их друг к другу, например, при обработке напильником, либо сверлении.

Струбцина функционально напоминает тисы, а его способ крепления похож на фиксатор ручной мясорубки. Простейший ручной вариант — это изогнутая П-образно монолитная рамка, с одной стороны к ней приделаны подвижные фиксирующие детали. В качестве последних элементов чаще всего выступает винт, одна сторона которого оснащена рукояткой для удобства эксплуатации прибора, с другой стороны — плоская широкая тарелка. При вращении винта она воздействует на противоположную сторону рамы. Если между двумя частями поместить пару брусков или аналогичных деталей, после чего затянуть рабочую часть, они надежно зафиксируются. При помощи струбцин я закреплял древо или фанеру, для удобного распила.

Наждачная бумага (Шлифовальная шкурка) — гибкий абразивный материал, состоящий из тканевой или бумажной основы с нанесённым на неё слоем абразивного зерна.

Предназначена для ручной и машинной обработки поверхностей различных материалов (металл, дерево, стекло, пластик) — удаления старой краски, подготовки поверхности для грунтовки и окраски, шлифование окрашенных поверхностей и прочих подобных работ. Относится к вспомогательным материалам.

Её я использовал для придания гладкости и удаление неровностей изделию. Для того, чтобы облегчить работу сначала нужно начать выполнение шлифовки со шкурки имеющей крупные зерна. Она позволяет быстро удалить имеющиеся дефекты. После нее используется наждачная бумага с более мелким напылением. Плавный переход от крупных до мелких зерен, позволяет ускорить работу и добиться более качественного результата.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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.

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.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных сталей У10А, У11А, У12А, У13А, обладают достаточной твердостью, прочностью и износостойкостью при комнатной температуре, однако теплостойкость их невелика. При температуре 200-250 "С их твердость резко уменьшается. Поэтому они применяются для изготовления ручных и машинных инструментов, предназначенных для обработки мягких металлов с низкими скоростями резания, таких, как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и др. Углеродистые инструментальные стали имеют низкую твердость в состоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабатываемость резанием и давлением. Однако они требуют применения при закалке резких закалочных сред, что усиливает коробление инструментов и опасность образования трещин.

Инструменты из углеродистых инструментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и потери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической обработке и плохой шлифуемости углеродистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасонных инструментов, подлежащих шлифованию по профилю.

С целью улучшения свойств углеродистых инструментальных сталей были разработаны низколегированные стали. Они обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувствительностью к перегреву, чем углеродистые стали, и

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

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

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

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

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

5. Стали для изготовления корпусов элементов………………………………………….…..16 Заключение……………………………………………………………………………………….…. 17 Список использованной литературы……………………………………………………………..….18

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.

износостойкостью в условиях высоких давлений и температур.

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.

Допустимая скорость при резании Стали 45 м/мин

Углеродистая сталь

Легированная сталь

Быстрорежущая сталь

Твердые сплавы:

Группа ВК

Группы ТК и ТТК

безвольфрамовые

с покрытием

Керамика

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

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

Таблица 2. Химический состав быстрорежущих сталей

Стали нормальной теплостойкости

Стали повышенной теплостойкости

Стали высокой теплостойкости

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

Алмаз как инструментальный материал получил в последние годы широкое применение в машиностроении. В настоящее время выпускается большое количество разнообразного инструмента с использованием алмазов: шлифовальные круги, инструменты для правки шлифовальных кругов из электрокорунда и карбида кремния, пасты и порошки для доводочных и притирочных операций. Значительные по размерам кристаллы алмазов применяют для изготовления алмазных резцов, фрез, сверл и других режущих инструментов. Область применения алмазного инструмента с каждым годом вес более расширяется. Алмаз представляет собой одну из модификаций углерода кристаллического строения. Алмаз – самый твердый из всех известных в природе минералов. Высокая твердость алмаза объясняется своеобразием его кристаллического строения, прочностью связей атомов углерода в кристаллической решетке, расположенных на равных и очень малых расстояниях друг от друга. Коэффициент теплопроводности алмаза в два и более раза выше, чем у сплава ВК8, поэтому тепло от зоны резания отводится сравнительно быстро. Возросшие потребности в алмазном инструменте не могут быть полностью удовлетворены за счет природных алмазов. В настоящее время освоено промышленное производство синтетических алмазов из графита при больших давлениях и высоких температурах. Синтетические алмазы могут быть различных марок, которые отличаются между собой прочностью, хрупкостью, удельной поверхностью и формой зерен. В порядке возрастания прочности, снижения хрупкости и удельной поверхности марки шлифовальных порошков из синтетических алмазов располагаются так: АС2, АС4, АС6, АС15, АС32. К числу новых видов инструментальных материалов относятся сверхтвердые поликристаллы на основе алмаза и кубического нитрида бора.

Диаметр заготовок из сверхтвердых поликристаллов находится в пределах 4-8мм, а высота – 3-4мм. Такие размеры заготовок, а также совокупность физических, механических свойств позволяют с успехом использовать рассматриваемые материалы в качестве материала для изготовления режущей части таких инструментов, как резцы, торцевые фрезы и др. Сверхтвердые поликристаллы на основе алмаза особенно эффективны при резании таких материалов, как стеклопластики, цветные металлы и их сплавы, титановые сплавы. Значительное распространение рассматриваемых композитов объясняется рядом присущих им уникальных свойств – твердостью, приближающейся к твердости алмаза, высокой теплопроводностью, химической инертностью к железу. Однако они обладают повышенной хрупкостью, что делает невозможным их применение в условиях ударных нагрузок. Более устойчивы к удару инструменты из композитов 09 и 10. Они оказываются эффективными при обработке с тяжелыми режимами и ударными нагрузками закаленных сталей и чугунов. Применение сверхтвердых синтетических материалов оказывает существенное влияние на технологию машиностроения, открывая перспективу замены во многих случаях шлифования точением и фрезерованием. Перспективным видом инструментального материала являются двухслойные пластины круглой, квадратной, трехгранной или шестигранной форм. Верхний слой пластин состоит из поликристаллического алмаза, а нижний из твердого сплава либо металлической подложки. Поэтому пластины можно применять для инструментов с механическим креплением в державке. Сплав силинит-Р на основе нитрида кремния с добавками окиси алюминия и титана занимает промежуточное положение между твердыми сплавами на карбидной основе и сверхтвердыми материалами на основе алмаза и нитрида бора. Как показали исследования, он может применяться при чистовом точении сталей, чугуна, сплавов алюминия и титана. Преимущество этого сплава заключается и в том, что нитрид кремния никогда не станет дефицитным. 5. Стали для изготовления корпусов элементов У сборного инструмента корпуса и элементы крепления изготовляются из конструкционных сталей марок: 45, 50, 60, 40Х, 45Х, У7, У8, 9ХС и др. Наибольшее распространение получила сталь 45, из которой изготовляют державки резцов, хвостовики сверл, зенкеров, разверток, метчиков, корпуса сборных фрез, расточные оправки. Для изготовления корпусов инструментов, работающих в тяжелых условиях, применяют сталь 40Х. Она после закалки в масле и отпуска обеспечивает сохранение точности пазов, в которые вставляются ножи. В том случае, когда отдельные части корпуса инструмента работают на износ, выбор марки стали определяется соображениями получения высокой твердости в местах трения. К таким инструментам относятся, например, твердосплавные сверла, зенкеры, у которых направляющие ленточки в процессе работы соприкасаются с поверхностью обработанного отверстия и быстро изнашиваются. Для корпуса подобных инструментов применяют углеродистую инструментальную сталь, а также легированную инструментальную сталь 9ХС. Заключение

Более полное решение проблемы импортозамещения требует дальнейшего проведения работ по совершенствованию существующих и разработке новых материалов и технологий получения сверхтвердых материалов и изделий на их основе, расширения областей их применения. Сегодня работы в области сверхтвердых материалов в России ведутся в широком спектре проблем, в том числе: синтез порошков алмаза и кубического нитрида бора, выращивание крупных монокристаллов алмаза, выращивание монокристаллов драгоценных камней, получение поликристаллов алмаза, кубического нитрида бора и композиций на их основе, в том числе с использованием нанопорошков, разработка новых композиционных алмазосодержащих материалов и технологий получения из них инструмента, разработка технологии и оборудования для нанесения алмазных пленок и покрытий, сертификация алмазной продукции, а также освоение мощностей по выпуску алмазной продукции.

Список использованной литературы

1. Новые инструментальные материалы и области их применения. Учебн. пособие / В.В.Коломиец, — К.: УМК ВО, 1990. – 64 с.

2. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнир В.С. Резание металлов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учебн. для техн. вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. – 448 с.

3. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: Справочник В.С. Самойлов, Э.Ф.Эйхманс, В.А.Фальковский и др. – М.: Машиностроение, 1988. – 368 с.

4. Инструменты из сверхтвердых материалов / Под ред. Н.В.Новикова. – Киев: ИСМ НАНУ, 2001. – 528 с.

Читайте также: