Инструментальными являются материалы, основное назначение которых - оснащение рабочей части инструментов. К ним относятся инструментальные углеродистые, легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамика, сверхтвердые материалы.
Основные свойства инструментальных материалов
| Инструментальный материал | Теплостойкость 0 С | Предел прочности при изгибе, МПа | Микротвер-дость, НV | Коэффициент тепло-проводности, Вт/(мЧК) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Углеродистая сталь
Легированная сталь Быстрорежущая сталь Твердый сплав Минералокерамика Кубический нитрид |
8.1. Инструментальные стали.По химическому составу, степени легированности инструментальные стали разделяются на инструментальные углеродистые, инструментальные легированные и быстрорежущие стали. Физико-механические свойства этих сталей при нормальной температуре достаточно близки, различаются они теплостойкостью и прокаливаемостью при закалке. В инструментальных легированных сталях массовое содержание легирующих элементов недостаточно, чтобы связать весь углерод в карбиды, поэтому теплостойкость сталей этой группы лишь на 50-100 0 С превышает теплостойкость инструментальных углеродистых сталей. В быстрорежущих сталях стремятся связать весь углерод в карбиды легирующих элементов, исключив при этом возможность образования карбидов железа. За счет этого разупрочнение быстрорежущих сталей происходит при более высоких температурах. Инструментальные углеродистые (ГОСТ 1435-74) и легированные (ГОСТ 5950-73) стали. Основные физико-механические свойства инструментальных углеродистых и легированных сталей приведены в таблицах. Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У, за которой следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в стали в десятых долях процента. Так, в стали марки У10 массовое содержание углерода составляет один процент. Буква А в обозначении соответствует высококачественным сталям с пониженным массовым содержанием примесей. Химический состав углеродистых инструментальных сталей
В инструментальных легированных сталях первая цифра, характеризует массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода в ней до одного процента). Буквы в обозначении указывают на содержание соответствующих легирующих элементов: Г - марганец, Х - хром, С - кремний, В - вольфрам, Ф - ванадий, а цифры обозначают содержание элемента в процентах. Инструментальные легированные стали глубокой прокаливаемости марок 9ХС, ХВСГ, Х, 11Х, ХВГ отличаются малыми деформациями при термической обработке. Химический состав малолегированных инструментальных сталей
Эти материалы имеют ограниченные области применения: углеродистые идут, в основном, для изготовления слесарных инструментов, а легированные - для резьбообразующих, деревообрабатывающих и длинномерных инструментов (ХВГ)- протяжек, разверток и т.д. 8.2. Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73)Химический состав и прочностные характеристики основных марок этих сталей приведены в таблицах. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующими карбидообразующим и легирующим элементам: Р - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, А - азот, К - кобальт, Т - титан, Ц - цирконий). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах (содержание хрома около 4 процентов в обозначении марок не указывается). Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента (например, сталь 11Р3АМ3Ф2 содержит около 1,1 % С; 3 % W; 3 % Мо и 2 % V). Режущие свойства быстрорежущих сталей определяются объемом основных карбидообразующих элементов: вольфрама, молибдена, ванадия и легирующих элементов- кобальта, азота. Ванадий в связи с малым массовым содержанием (до 3%) обычно не учитывается, и режущие свойства сталей определяются, как правило, вольфрамовым эквивалентом, равным (W+2Mo)%. В прейскурантах на быстрорежущие стали выделяют три группы сталей: стали 1-й группы с вольфрамовым эквивалентом до 16 % без кобальта, стали 2-й группы - до 18 % и содержанием кобальта около 5 %, 2ста 0ли 3-й группы - до 20 % и содержанием кобальта 5-10 %. Соответственно, различаются и режущие свойства этих групп сталей. Химический состав быстрорежущих сталей
Химический состав литых быстрорежущих сталей
Кроме стандартных, применяются и специальные быстрорежущие стали, содержащие, например, карбонитриды титана. Однако высокая твердость заготовок этих сталей, сложность механической обработки не способствующих широкому распространению. При обработке труднообрабатываемых материалов находят применение порошковые быстрорежущие стали Р6М5-П и Р6М5К5-П. Высокие режущие свойства этих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности, уменьшению радиуса скругления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и в особенности шлифованием. В настоящие время проходят промышленные испытания безвольфрамовые быстрорежущие стали с повышенным содержанием различных легирующих элементов, в том числе алюминия, малибдена, никеля и других Один из существенных недостатков быстрорежущих сталей связан с карбидной неоднородностью, т.е. с неравномерным распределением карбидов по сечению заготовки, что приводит, в свою очередь, к неравномерной твердости режущего лезвия инструмента и его износа. Этот недостаток отсутствует у порошковых и мартенситно-стареющих (с содержанием углерода менее 0,03%) быстрорежущих сталей.
8.3. Твердые сплавы (ГОСТ 3882-74)Твердые сплавы содержат смесь зерен карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов в связующих материалах. Стандартные марки твердых сплавов выполнены на основе карбидов вольфрама, титана,тантала. В качестве связки используется кобальт. Состав и основные свойства некоторых марок твердых сплавов для режущих инструментов приведены в таблице. Физико-механические свойства одно-, двух- и трехкарбидных твердых сплавов Состав физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов В зависимости от состава карбидной фазы и связки обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В - вольфрам, Т - титан, вторая буква Т - тантал) и связку (буква К- кобальт). Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой долей связки (цифра осле буквы К), например, сплав ВК4 содержит 4% кобальта и 96% WC. Вдвухкарбидных WC+TiC сплавах цифра после буквы карбидообразующего элемента определяется массовая доля карбидов этого элемента, следующая цифра - массовая доля связки, остальное - массовая доля карбида вольфрама (например, сплав Т5К10 содержит 5% TiC,10% Co и 85% WC). В трехкарбидных сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Цифра за буквой К - массовая доля связки, остальное- массовая доля карбида вольфрама (например, сплав ТТ8К6 содержит 6% кобальта, 8% карбидов титана и тантала и 86% карбида вольфрама). В металлообработке стандартом ISO выделены три группы применяемости твердосплавного режущего инструмента: группа Р - для обработки материалов, дающих сливную стружку; группа К - стружку надлома и группа М - для обработки различных материалов (универсальные твердые сплавы). Каждая область разделяется на группы и подгруппы. Твердые сплавы, в основном, выпускаются в виде различных по форме и точности изготовления пластин: напайных (наклеиваемых) - по ГОСТ 25393-82 или сменных многогранных - по ГОСТ 19043-80 - 19057-80 и другим стандартам. Многогранные пластины выпускаются как из стандартных марок твердых сплавов, так и из этих же сплавов с однослойными или многослойными сверхтвердыми покрытиями из TiC, TiN, оксида алюминия и других химических соединений. Пластины с покрытиями обладают повышенной стойкостью. К обозначению пластин из стандартных марок твердых сплавов с покрытием нитридов титана добавляют - маркировку букв КИБ (ТУ 2-035-806-80), а к обозначению сплавов по ISO - букву С. Выпускаются также пластины и из специальных сплавов (например, по ТУ 48-19-308-80). Сплавы этой группы (группы "МС") обладают более высокими режущими свойствами. Обозначение сплава состоит из букв МС и трехзначного (для пластин без покрытий)или четырехзначного (для пластин с покрытием карбидом титана) числа: 1-я цифра обозначения соответствует области применения сплава по классификации ISO (1 - обработка материалов, дающих сливную стружку; 3 - обработка материалов, дающих стружку надлома; 2 - область обработки, соответствующая области М по ISO); 2-я и 3-я цифры характеризуют подгруппу применяемости, а 4-я цифра - наличие покрытия. Например, МС111 (аналог стандартного Т15К6), МС1460 (аналог стандартного Т5К10) и т.д. Кроме готовых пластин выпускаются также заготовки в соответствии с ОСТ 48-93-81; обозначение заготовок то же, что и готовых пластин, но с добавлением буквы З. Безвольфрамовые твердые сплавы широко применяются как материалы, не содержащие дефицитных элементов. Безвольфрамовые сплавы поставляются в виде готовых пластин различной формы и размеров, степеней точности U и М, а также заготовок пластин. Области применения этих сплавов аналогичны областям использования двухкарбидных твердых сплавов при безударных нагрузках.
8.4. Минералокерамика (ГОСТ 26630-75) и сверхтвердые материалыМинералокерамические инструментальные материалы обладают высокой твердостью, тепло- и износостойкостью. Их основой являются глинозем (оксид кремния)- оксидная керамика или смесь оксида кремния с карбидами, нитридами и другими соединениями (керметы). Основные характеристики и области применения различных марок минералокерамики приведены в таблице. Формы и размеры сменных многогранных керамических пластин определены стандартом ГОСТ 25003-81*. Кроме традиционных марок оксидной керамики и керметов широко применяются оксидно-нитридная керамика (например, керамика марки "кортинит" (смесь корунда или оксида алюминия с нитридом титана) и нитридно-кремниевая керамика- "силинит-Р" . Физико-механические свойства инструментальной керамики
Синтетические сверхтвердые материалы изготавливаются либо на основе кубического нитрида бора - КНБ, либо на основе алмазов. Материалы группы КНБ обладают высокой твердостью, износостойкостью, низким коэффициентом трения и инертностью к железу. Основные характеристики и эффективные области использования приведены в таблице. Физико-механические свойства СТМ на основе КНБВ последнее время к этой группе относятся и материалы, содержащие композицию Si-Al-O-N (торговая марка "сиалон"), в основе которых нитрид кремния Si3N4. Синтетические материалы поставляются в виде заготовок или готовых сменных пластин. На основе синтетических алмазов известны такие марки, как АСБ - алмаз синтетический "баллас", АСПК - алмаз синтетический "карбонадо" и другие. Достоинства этих материалов - высокая химическая и коррозионная стойкость, минимальные радиусы закругления лезвий и коэффициент трения с обрабатываемым материалом. Однако, алмазы имеют существенные недостатки: низкая прочность на изгиб (210-480 МПа); химическая активность к некоторым жирам содержащимся в охлаждающей жидкости; растворение в железе при температурах 750-800 С, что практически исключает возможность их использования для обработки сталей и чугуна. В основном, поликристаллические искусственные алмазы применяются для обработки алюминия, меди и сплавов на их основе. Назначение СТМ на основе кубического нитрида бора
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В зависимости от требований к конечному изделию термическая обработка производится различными методами.
Процессы сушки используют при получении конечных полупродуктов в виде гранул, брикетов, а также для обезвоживания растворов, шламов и суспензий; путем последующей досушки, обжига или спекания сгранулированного или сформованного материала получают конечное изделие. В этих случаях закономерности тепло- и массопереноса такие же, как при проведении основных технологических процессов сушки в химической промышленности и при производстве строительных материалов.
В процессе спекания агломератов и сформованных заготовок частицы порошка объединяются в монолитное поликристалличе- ское твердое тело со свойствами, близкими к свойствам компактного материала. Процесс термообработки состоит из двух этапов.
Первыйэтап - удаление технологической связки - происходит при температурах испарения и плавления связующего и завершается при температуре начала спекания частиц порошка. Второй этап - спекание - начинается при температуре, соответствующей взаимному припеканию частиц друг к другу, и продолжается до температуры получения монолитного тела, составляющей примерно 0,8 температуры плавления керамического материала. Режим обжига выбирают исходя из химического и гранулометрического состава шихты из отходов, метода формования или прессования, а также размера и вида изделия.
В процессе спекания исходная шихта (сформованная или спрессованная) представляет собой термодинамически неустойчивую дисперсную систему с большим запасом свободной энергии.
Процесс спекания условно можно разделить на три стадии.
На первой стадии движущей силой является избыток свободной поверхностной энергии мелкодисперсных частиц, стремящийся за счет возникающего давления сжать заготовку и уменьшить ее свободную поверхность. Частицы скользят по границам зерен, что приводит к уплотнению заготовки и ее усадке.
Навторой стадии происходит припекание частиц в местах контактов, созданных на первой стадии. При обжиге контакты между частицами расширяются, а форма и размеры пор непрерывно меняются. Кинетика этого процесса определяется скоростью вязкого течения среды, в которой расположены поры. На этой стадии вязкое течение среды определяется механизмом поверхностной диффузии атомов по поверхностям спекающихся частиц к области контактного перешейка.
На третьей стадии в спекающемся теле остаются лишь замкнутые изолированные поры и дальнейшее уплотнение возможно только за счет уменьшения их числа и объема (процесс залечивания). Конечная стадия спекания является наиболее длительной.
Процесс пиролиза находит применение при переработке отходов древесины, пластмасс, резиновых изделий, ТБО и шламов нефтепереработки и представляет собой процесс разложения отходов древесины, другого растительного сырья при их нагревании до температуры 450-1050 °С без доступа воздуха. При этом образуются газообразные и жидкие продукты, а также твердый угле
родный остаток (древесный уголь при переработке древесины, технический углерод при утилизации покрышек).
В зависимости от температуры нагрева пиролизные установки делятся на низкотемпературные (450-500 °С), характеризующиеся минимальным выходом газа, максимальным количеством смол, масел и твердых остатков; среднетемпературные (до 800 °С) с повышенным выходом пиролизного газа и уменьшенным выходом смол и масел; высокотемпературные (свыше 800 °С) с максимальным выходом газов и минимальным - смолообразных продуктов.
Высокая температура интенсифицирует утилизацию отходов. Скорость реакций с повышением температуры растет по экспоненте, а тепловые потери увеличиваются линейно. При этом происходит более полный выход летучих продуктов и сокращается объем образующегося твердого остатка. При пиролизе нежелателен диапазон температур 1050-1400 °С, поскольку приводит к образованию шлаков, особенно в ТБО.
Процесс пиролиза проводят в печах периодического или непрерывного действия различных конструкций (камерных, туннельных, шахтных, с движущимися слоями) с наружным и внутренним обогревом. На начальном этапе при повышении температуры протекают эндотермические процессы. При нагреве древесины или других растительных отходов до 150 °С удаляется влага, а при температурах 170-270 °С образуются газы СО и С0 2 и небольшие количества метилового спирта и уксусной кислоты. При 270-280 °С начинаются экзотермические превращения. Выход неконденсирующихся газов, таких, как СО и С0 2 , уменьшается и одновременно увеличивается выход других газообразных и парообразных веществ (СН 4 , С 2 Н 4 , Н 2), а также метилового спирта и уксусной кислоты. На скорость процесса влияют размер кусков перерабатываемых отходов, их влажность и температура.
Выходящие из печи газы охлаждают и выделяют из них ценные компоненты. Получающийся древесный уголь используют в производствах активных углей, черных порохов и в других процессах.
Пятишпиндельный станок от Fives.
Фрезерно-копировальный станок Fives Cincinnati XT оснащен пятью шпинделями для обработки титановых деталей
Новые шпиндельные соединения компании Kennametal повышают надежность и производительность контурно-фрезерного станка Cincinnati для крупносерийного производства титановых деталей.
В период устойчивого развития таких требовательных отраслей промышленности, как производство самолетов гражданской авиации, вся цепочка поставок проходит жесткую проверку. Это обусловлено необходимостью поддержания высоких стандартов качества и соблюдения сроков.
Для машиностроительного предприятия Fives Cincinnati это знакомо: на заводе компании в г. Хеброн, штат Кентукки, производятся многоцелевые станки, системы для намотки композитного волокна и многошпиндельные контурно-фрезерные станки Cincinnati. Согласно утверждениям компании, 650 контурно-фрезерных станков которой работают по всему миру, любой используемый в гражданской авиации реактивный самолет так или иначе был изготовлен с применением технологии контурного фрезерования Cincinatti.
Центр наивысшей активности.
Рабочая зона пятишпиндельного копировально-фрезерного станка Fives Cincinnati XT
Последнее поколение станков Cincinnati XTi с возможностью трех- или пятишпиндельной компоновки с подвижным порталом впечатляет во многих отношениях. Они были спроектированы для предприятий, занимающихся обработкой различных видов материалов. Таким образом, шпиндели с частотой вращения 7000 об/мин могут резать алюминий и сталь, а шпиндели с высоким крутящим моментом (2523 Нм) способны обрабатывать титан и другие твердые сплавы. Более того, компания позиционирует XTi как «единственную многошпиндельную платформу для черновой обработки титана» и утверждает, что их скорость съема металла, составляющая 100 кубических дюймов в минуту, является рекордной в своей области.
Для XTi с перемещением 4267 мм (поэтапно увеличиваемой на 3658 мм) по оси X, 3683 мм по оси Y и 711 мм по оси Z теперь можно выбрать шпиндельные соединения KM4X100 компании Kennametal Inc.
Твердость титана при его контурной обработке или фрезеровании с меньшим или большим шагом постоянно создает трудности в плане съема металла. Повышение эффективности при обработке твердых сплавов предполагает максимальную скорость съема металла, несмотря на значительные усилия и низкую скорость резания.
Соединение для удаления.
Шпиндельное соединение KM4X100 играет важную роль в достижении максимальной скорости съема металла
Компания Fives Cincinnati, как и другие машиностроительные предприятия, ответила на этот вызов повышением жесткости станков и улучшением характеристик демпфирования. Такие улучшения позволили свести к минимуму вибрацию, негативно влияющую на качество деталей, объем выпуска продукции и срок службы инструментов, увеличив при этом производительность. Однако соединение инструмент-шпиндель все еще остается конструктивным элементом, требующим большей надежности и долговечности.
Объем материала, снимаемого во время конкретной операции, определяется надежностью соединения станка и режущего инструмента, которое должно выдерживать высокие нагрузки, оставаясь достаточно прочным даже в случае сильного изгиба инструмента или возникновения колебаний.
Более стабильная скорость съема металла (MRR).
Благодаря сочетанию высокой силы зажима и оптимального уровня интерференции KM4X обеспечивает прочное шпиндельное соединение с высокой жесткостью и максимальной стойкостью к изгибающим нагрузкам. Это повышает надежность и производительность станка при обработке твердых сплавов и других материалов
Шпиндели способны передавать определенный момент вращения, при этом силы резания создают также и изгибающие моменты, которые превышают установленные для соединения пределы еще до достижения максимального крутящего момента. Это наблюдается при торцовом фрезеровании, где вылет обычно больше, а ограничивающим фактором является стойкость шпиндельного соединения к изгибу. Например, 80-миллиметровая фреза с винтовыми зубьями и сменными режущими пластинами, выступающая за торец шпинделя на 250 мм, создает изгибающий момент 4620 Нм и крутящий момент до 900 Нм при обработке Ti6Al4V со скоростью 360 см 3 /мин, шириной резания 12,7 мм и глубиной резания 63,5 мм.
Благодаря сочетанию высокой силы зажима и оптимального уровня интерференции, новое поколение шпиндельных соединений KM4X компании обеспечивает надежность, чрезвычайно высокую жесткость и значительную стойкость к изгибающему усилию. В случае с инструментами для обработки титана это подразумевает значительное увеличение производительности станка при обработке твердых сплавов, возможность развития невероятно высокой скорости съема металла и получение большего количества готовых деталей за смену.
Инженер-аналитик Fives Cincinnati Роберт Снодграсс (Robert Snodgrass) совместно с главным менеджером по работе с клиентами компании Kennametal Майком Малоттом (Mike Malott) начал изучать характеристики KM4X примерно 4 года назад. «Инженерная концепция меня поразила, – вспоминает Снодграсс. – Она однозначно дала нам понять, что возможности проектирования станков безграничны: повышенная жесткость шпинделя позволяет не только удовлетворить требования клиентов к более эффективному процессу резания, но и увеличить объем выпускаемой продукции».
Прогресс в контурной обработке.
Процесс контурной обработки титана
Вице-президент компании Kennametal Марк Хастон (Mark Huston) поясняет: «Следует помнить, что типичные элементы конструкции самолетов делают из поковок, снимая значительное количество материала для получения готовых деталей с необходимыми параметрами. Коэффициент использования материала – отношение веса закупленного сырья к весу готовой детали – может быть 4:1, 8:1 и даже больше, в зависимости от детали».
Ввиду своей конструкции и ограничений шпиндельного соединения первое поколение контурно-фрезерных станков Cincinnati обеспечивало скорость съема металла до 4 кубических дюймов в минуту при обработке титановых деталей. Новое поколение станков Cincinnati XT в сочетании с торцевым шпиндельным соединением HSK 125 позволило увеличить эту скорость до 50 дюймов, а с появлением KM4X100 ее удалось удвоить до 100 кубических дюймов в минуту.
«Даже при 100 кубических дюймах в минуту результаты оценочных испытаний станков XT с использованием KM4X были гораздо ниже по сравнению с теоретическими пределами стойкости к изгибающему моменту», – добавил Снодграсс. Отметив, что при тестировании предыдущего поколения использовались резцедержатели с конусом CAT60, он сравнил использование 50-конусной версии с «вождением танка и внедорожника». Соединение KM4X помогло достичь в два раза большей скорости съема металла, чем при использовании 60-конусного резцедержателя. По сравнению с CAT50, HSK100 или KM4X100, CAT60 весит почти в два раза больше.
Максимальный крутящий момент, максимальная мощность.
При тестовом проходе шпиндельное соединение проходит испытание максимальным моментом вращения и силами резания. Однако это не проблема для контурно-фрезерного станка Fives Cincinnati XT со шпиндельным соединением KM4X
Менеджер по продукции компании Fives Cincinnati Кен Уичмен (Ken Wichman) заметил: «Это новое слово в конструировании шпинделей и станков. Во многих портальных станках используется ручная смена инструмента, даже при наличии устройства автоматической смены/магазина. Увеличение стойкости к изгибающему моменту в KM4X позволяет использовать более легкие инструменты, чем в случае с CAT или HSK с таким же пределом стойкости. С точки зрения эргономики это огромное преимущество для оператора. Клиенту, выбравшему автоматическую смену инструмента, KM4X позволит вместить большее количество инструментов в имеющееся пространство».
Твердые металлы и сплавы представляют собой износостойкие материалы, способные сохранять свои характеристики при повышенных температурах (900-1100 градусов). Они известны человеку более ста лет.
Общая характеристика
Твердые сплавы изготавливаются преимущественно на основе хрома, тантала, титана, вольфрама с добавлением различного количества никеля или кобальта. При производстве используются прочные карбиды, не подверженные разложению и растворению при высокой температуре. Твердый сплав может быть литым или спеченным. Карбиды отличаются хрупкостью. В этой связи для формирования твердого материала их зерна связывают подходящими металлами. В качестве последних выступают железо, кобальт, никель.
Литые соединения
Твердосплавный инструмент, полученный указанным способом, отличается высокой сопротивляемостью к истиранию материалом заготовки и сходящей стружки. Они не теряют своих характеристик при температуре нагрева от 750 до 1100 градусов. Установлено, что изделиями, произведенными путем плавки или литья с добавлением килограмма вольфрама, можно обработать в пять раз больше материала, чем предметами из быстрорежущей стали при таком же содержании W. Одним из недостатков таких соединений выступает их хрупкость. При уменьшении в составе доли кобальта она повышается. Скорость, которой обладают твердосплавные резцы, в 3-4 раза превышает показатели для стали.
Спеченные материалы
Они включают в себя металлоподобное соединение, связанное сплавом или металлом. В качестве основы, как правило, используется карбид (сложный в том числе) титана или вольфрама, а также тантала, карбонид титана. Реже при изготовлении применяют бориды. Матрицей для удержания зерен материала выступает связка - сплав или металл. Как правило, ею является кобальт. Это нейтральный по отношению к углероду элемент. Кобальт не образует собственные карбиды и не разрушает другие. Реже в связке используется никель и его соединение с молибденом.
Сравнительная характеристика
Спеченные материалы получают порошковым методом. Обработка твердых сплавов этого типа осуществляется только шлифованием либо физико-химическими способами (лазером, травлением в кислотах, ультразвуком и прочими). Литые изделия подвергаются закалке, отжигу, старению и так далее. Они предназначены для наплавки на инструмент. Порошковые материалы прикрепляют посредством пайки или механическим способом.
Классификация
Она зависит от содержания карбидов кобальта, тантала, вольфрама и титана. В этой связи рассматриваемые материалы разделяются на три группы. При обозначении марок соединений используют буквы:
- Карбид вольфрама - "В".
- Кобальт - "К".
- Карбид титана - первая "Т".
- Карбид тантала - вторая "Т".
Цифры, указанные после букв, обозначают приблизительное процентное содержание компонентов. Остальное в соединении (до 100 %) - карбид вольфрама. Указанные в конце буквы обозначают зернистость структуры: "В" - крупная, "М" - мелкая, "ОМ" - особо мелкая. Промышленность выпускает твердые сплавы марок ВК (вольфрамовые), ТТК (титанотанталовольфрамовые) и ТК (титановольфрамовые).
Отличительные признаки
Основные свойства твердых сплавов заключаются в их высокой прочности, износостойкости. При этом рассматриваемые материалы отличаются меньшей вязкостью и теплопроводностью в сравнении со сталью. Это необходимо учитывать при эксплуатации изделий. Выбирая твердый сплав, необходимо придерживаться ряда рекомендаций:
- Вольфрамовые изделия в сравнении с титановольфрамовыми отличаются меньшей температурой свариваемости со сталью. В этой связи их используют для работы с чугуном, цветными металлами и неметаллическими материалами.
- Для стали целесообразно использовать соединения группы ТК.
- Твердый сплав марки ТТК обладает повышенной вязкостью и точностью. Его применяют для работы со стальными поковками, отливками в неблагоприятных условиях.
- Чистовое и тонкое точение с небольшим сечением стружки обеспечивают борфрезы твердосплавные с мелкозернистой структурой и меньшим содержанием кобальта.
- При неблагоприятных условиях и черновой работе с материалами с ударной нагрузкой целесообразно использовать соединения с высоким содержанием кобальта. При этом они должны обладать крупнозернистой структурой.
- Чистовая и черновая обработка в процессе непрерывного резания осуществляются преимущественно соединениями со средним процентным содержанием кобальта.
Порошкообразные материалы
Они представлены двумя группами: содержащие и не содержащие вольфрам. В первом случае твердый сплав представлен в виде смеси технического порошкообразного W и ферровольфрама с науглероживающими компонентами. Изготавливался он еще в СССР. Называется этот твердый сплав "вокар". Процесс изготовления материала следующий:
- Высокопроцентный ферровольфрам и технический порошкообразный W смешиваются с молотым коксом, сажей и прочими аналогичными компонентами.
- Полученная масса замешивается на сахарной патоке или смоле в густую пасту.
- Из смеси прессуются брикеты, которые слегка обжигаются. Это необходимо для удаления летучих соединений.
- Брикеты после обжига размалываются и просеиваются.
Готовый материал, таким образом, имеет вид хрупких черных крупинок. Их величина - 1-3 мм. Отличительной особенностью таких материалов выступает их большой насыпной вес.
Сталинит
Этот твердый сплав не содержит вольфрама, что обуславливает его низкую стоимость. Он также был изобретен в советские годы и достаточно широко используется в промышленности. Как показала практика, несмотря на то что этот твердый сплав не содержит вольфрама, он обладает высокими механическими характеристиками, в большинстве случаев удовлетворяющими технические требования. Сталинит обладает значительными преимуществами перед вольфрамовыми материалами. В первую очередь это низкая (1300-1350 градусов) температура плавления. Вольфрамовые материалы подвергаются изменениям, только начиная с 2700 градусов. Температура плавления в 1300-1350 градусов значительно облегчает наплавку, повышает ее производительность. В качестве основы сталинита используется смесь дешевых порошкообразных ферросплавов, ферромарганца и феррохрома. Изготовление этого материала аналогично процессу производства вольфрамовых соединений. В сталините присутствует 16-20% хрома, 13-17% марганца.
Применение
В современной промышленности твердые сплавы получили широкое распространение. При этом материалы постоянно совершенствуются. Развитие этого производственного сектора осуществляется в двух направлениях. В первую очередь улучшаются составы сплавов, совершенствуется технология их изготовления. Кроме этого, внедряются инновационные способы нанесения соединений на изделия. Твердосплавный инструмент способствует существенному повышению производительности труда. Это обеспечивается высокой сопротивляемостью износа и теплостойкостью изделий. Подобные характеристики позволяют осуществлять работу на скоростях, в 3-5 раз превышающих показатели для стали. Такими достоинствами, например, обладают современные борфрезы. Твердосплавные материалы, изготавливаемые с применением передовых технологий (электрохимических и электрофизических способов), в том числе с использованием алмазных заготовок, являются сегодня одними из самых востребованных в промышленности.
Разработки
Сегодня в отечественной промышленности проводятся различные исследования, включающие глубокий анализ возможности повышения характеристик твердых сплавов. Главным образом они касаются гранулометрического и химического состава материалов.
В качестве довольно удачного примера за последние несколько лет можно привести соединения группы ТСН. Такие сплавы специально разработаны для узлов трения, работающих в агрессивной кислотной среде. Эта группа продолжает разработки новых соединений в группе ВН, предложенных Всероссийским НИИТС.
При проведении исследований было установлено, что при уменьшении размера зерна карбидной фазы значительно повышаются такие характеристики, как прочность и твердость сплавов. Использование технологий регулирования и плазменного восстановления гранулометрического состава на сегодняшний день позволяют выпускать материалы, величина фракции в которых менее микрона. Сплавы марки ТСН сегодня широко используются в производстве узлов нефтегазовых и химических насосов.
Российская промышленность
Одним из передовых предприятий, занятых в сфере производства и научных разработок, выступает Кировоградский завод твердых сплавов. КЗТС обладает обширным собственным опытом по внедрению инновационных технологий в производство. Это позволяет ему занимать первые позиции на промышленном рынке России. Предприятие специализируется на выпуске спеченных твердосплавных инструментов и изделий, металлических порошков. Выпуск налажен с января 1942 года. В конце 90-х годов на предприятии была проведена модернизация. В течение последних нескольких лет Кировоградский завод твердых сплавов направляет свою деятельность на выпуск усовершенствованных многогранных сменных пластин с износостойкими многослойными покрытиями. Предприятие занимается также разработкой новых безвольфрамовых составов.
Заключение
Положительный опыт многих промышленных предприятий позволяет предположить, что в ближайшее время безвольфрамовые сплавы не только станут еще более популярными, но и смогут заменить другие материалы, используемые для производства штамповой и режущей продукции, элементов машин, осуществляющих работу в тяжелых условиях, приспособлений и оснастки. Сегодня уже создана целая группа соединений на основе карбонитрида и карбида титана. Они применяются во многих производственных сферах. Широко распространены, в частности, твердые сплавы ТВ4, ЛЦК20, КТН16, ТН50, ТН20. К новым разработкам относят материалы групп тантала TaC, ниобия NbC, гафния HfC, титана TiC. Выпуск инструментов с применением этих сплавов позволяет заменить вольфрам относительно дешевыми добавками, расширив, таким образом, номенклатуру используемого сырья. Это, в свою очередь, обеспечивает выпуск изделий, обладающих специфическими свойствами, более высокими эксплуатационными характеристиками.
Выбор связки абразивного инструмента
Связка определяет прочность и твердость инструмента, оказывает большое влияние на режимы, производительность и качество обработки. Связки бывают неорганические (керамическая) и органические (бакелитовая, вулканитовая).
КЕРАМИЧЕСКАЯ СВЯЗКА
обладает высокой огнеупорностью, водостойкостью, химической стойкостью, хорошо сохраняет профиль рабочей кромки круга, но чувствительна к ударным и изгибающим нагрузкам. Инструмент на керамической связке применяют для всех видов шлифования кроме обдирки (из-за хрупкости связки): для резки и прорезки узких пазов, плоского шлифования желобов колец шарикоподшипников. Инструмент на керамической связке хорошо сохраняет профиль, имеет высокую пористость, хорошо отводит тепло.
БАКЕЛИТОВАЯ СВЯЗКА
обладает более высокой прочностью и упругостью, чем керамическая. Абразивный инструмент на бакелитовой связке может быть изготовлен различных форм и размеров, в том числе и очень тонких — до 0,5 мм для и прорезных работ. Недостатком бакелитовой связки является невысокая стойкость против действия охлаждающих жидкостей, содержащих щелочные растворы. При на бакелитовой связке охлаждающая жидкость не должна содержать более 1,5 % щелочи. Бакелитовая связка имеет более слабое, чем керамическая, сцепление с абразивным зерном, поэтому инструмент на этой связке широко используется на операциях плоского шлифования, где необходимо самозатачивание круга. Инструмент на бакелитовой связке применяют для грубых обдирочных работ, выполняемых в ручную и на подвесных стенках: плоского шлифования торцом круга, отрезки и прорезки пазов, заточки инструментов, при обработке тонких изделий, где опасен прижог. Бакелитовая связка оказывает полирующее действие.
Выбор марки абразивного материала
Абразивные материалы (фр. abrasif - шлифовальный, от лат. abradere - соскабливать) - это материалы, обладающие высокой твердостью, и используемые для обработки поверхности различных материалов. используются в процессах шлифования, заточки, полирования, разрезания материалов и широко применяются в заготовительном производстве и окончательной обработке различных металлических и неметаллических материалов. Естественные абразивы — кремень, наждак, пемза, корунд, гранат, алмаз и другие. Искусственные: электрокорунд, карбид кремния, боразон, эльбор, синтетический алмаз и другие.
ЭЛЕКТРОКОРУНД НОРМАЛЬНЫЙ
Обладает отличной теплостойкостью, высокой сцепляемостью со связкой, механической прочностью зерен и значительной вязкостью, что важно для выполнения операций с переменными нагрузками Обработка материалов с высоким сопротивлением разрыву. Это обдирка стальных отливок, проволок, проката, высокопрочных и отбеленных чугунов, ковкого чугуна, получистовая обработка различных деталей машин из углеродистых и легированных сталей в незакаленном; и закаленном виде, марганцовистой бронзы, никелевых и алюминиевых сплавов.25A
ЭЛЕКТРОКОРУНД БЕЛЫЙ
По физическому и химическому составу более однородный, обладает более высокой твердостью, острыми кромками, хорошей самозатачиваемостью, лучше устраняет шероховатости обрабатываемой поверхности по сравнению с электрокорундом нормальным Обработка закаленных деталей из углеродистых, быстрорежущих и нержавеющих сталей, хромированных и нитрированных поверхностей. Обработка тонких деталей и инструментов, заточка, плоское, внутреннее, профильное и отделочное шлифование.38А
ЭЛЕКТРОКОРУНД ЦИРКОНИЕВЫЙ
Мелкокристаллический, плотный и прочный материал. Стойкость инструмента на обдирочных операциях в 10-40 раз выше аналогичного инструмента из электрокорунда нормального Обдирочное шлифование стальных заготовок при высокой скорости, подаче и усилии прижима. Силовое обдирочное шлифование стальных заготовок.54C
КАРБИД КРЕМНИЯ ЧЕРНЫЙ
Обладает высокой твердостью, абразивной способностью и хрупкостью. Зерна имеют форму тонких пластинок, из-за чего увеличивается их хрупкость в работе.Обработка твердых материалов с низким сопротивлением разрыву (чугун, бронзовое и латунное литье, твердые сплавы, драгоценные камни, стекло, мрамор, графит, фарфор, твердый каучук, кости и т.п.), а также очень вязких материалов (жаропрочных сталей, сплавов, меди, алюминия резины).63C
КАРБИД КРЕМНИЯ ЗЕЛЕНЫЙ
Отличается от карбида кремния черного повышенной твердостью, абразивной способностью и хрупкостью Для обработки деталей из чугуна, цветных металлов, гранита, мрамора, твердых сплавов, обработки титановых, титано-танталовых твердых сплавов, хонинговальные, доводочные работы для деталей из серого чугуна, азотированной и шарикоподшипниковой стали.95А
ЭЛЕКТРОКОРУНД ХРОМТИТАНИСТЫЙ
Обладает более высокой механической прочностью и абразивной способностью по сравнению с электрокорундом нормальным
Обдирочное шлифование с большим съемом металла
Выбор зернистости инструмента
| Зернистость | Вид обработки |
| Крупная F6-F24 | Обдирочные операции с большой глубиной резания, зачистка заготовок, отливок. Обработка материалов, которые вызывают засаливание поверхности круга (латунь, медь, алюминий). |
| F24 — F36 | Плоское шлифование торцом круга, заточка резцов, правка абразивного инструмента, отрезка. |
| Средняя F30 — F60 | Предварительное и комбинированное шлифование, заточка режущего инструмента. |
| F46 — F90 | Чистовое шлифование, обработка профильных поверхностей, заточка мелкого инструмента, шлифование хрупких материалов. |
| Мелкая F100-F180 |
Отделочное шлифование, доводка твердых сплавов, доводка режущего инструмента, стальных заготовок, заточка тонких лезвий, предварительное хонингование.
Крупнозернистые инструменты применяются:
— при обдирочных и предварительных операциях с большой глубиной резания, когда удаляются большие припуски;
— при работе на станках большой мощности и жесткости;
— при обработке материалов, которые вызывают заполнение пор круга и засаливание его поверхности, например при обработке латуни, меди и алюминия;
— при большой площади контакта круга с обрабатываемой деталью, например при использовании высоких кругов, при плоском шлифовании торцом круга, при внутреннем шлифовании.
Средне- и мелкозернистые инструменты применяются:
— для получения шероховатости поверхности 0,320-0,080 мкм;
— при обработке закаленных сталей и твердых сплавов;
— при окончательном шлифовании, заточке и доводке инструментов;
— при высоких требованиях к точности обрабатываемого профиля детали.
С уменьшением размера абразивных зерен повышается их режущая способность за счет возрастания числа зерен на единице рабочей поверхности, уменьшения радиусов округления зерен, меньшего износа отдельных зерен. Уменьшение размера зерен приводит к значительному уменьшению пор круга, что вызывает необходимость снижения глубины шлифования и величины снимаемого на операции припуска. Чем мельче абразивные зерна в инструменте, тем меньше в единицу времени снимается материала с обрабатываемой заготовки. Однако, мелкозернистые инструменты обладают меньшей способностью к самозатачиванию по сравнению с инструментом более крупной зернистости, в результате чего быстрее притупляются и засаливаются. Рациональное сочетание режима обработки, правки инструмента и зернистости позволяет получать высокую точность и отличное качество обработки поверхности.
Выбор твердости инструмента
O, P, Q Профильное шлифование, обработка прерывистых поверхностей, хонингование и резьбошлифование деталей с крупным шагом.Cредняя M-N Плоское шлифование сегментами и кольцевыми кругами, хонингование и резьбошлифование кругами на бакелитовой связке. Cреднемягкая K-L Чистовое и комбинированное круглое, наружное бесцентровое и внутреннее шлифование стали, плоское шлифование, резьбошлифование, заточка режущих инструментов.Мягкая H-F Заточка и доводка режущего инструмента, оснащенного твердым сплавом, шлифование труднообрабатываемых специальных сплавов, полирование.
Твердость инструмента в значительной степени определяет производительность труда при обработке и качество обработанной.
Абразивные зерна по мере их затупления, должны обновляться путем скалывания и выкрашивания частиц. При слишком твердом круге связка продолжает удерживать затупившиеся и потерявшие режущую способность зерна. При этом на работу расходуется большая мощность, изделия нагреваются, возможны их коробления, на поверхности появляются следы огранки, царапины, прижоги и другие дефекты. При слишком мягком круге зерна, не утратившие свою режущую способность, выкрашиваются, круг теряет правильную форму, увеличивается его износ, в результате чего трудно получить детали необходимых размеров и формы. В процессе обработки появляется вибрация, необходима более частая правка круга. Таким образом, следует ответственно подходить к выбору твердости абразивного инструмента и учитывать характеристики обрабатываемых изделий.