Свойства инструментальных материалов
Режущие инструменты работают в условиях значительных силовых нагрузок, высоких температур, трения и износа. Поэтому инструментальные материалы должны обладать определенными эксплуатационными и физико-механическими свойствами. Материал режущей части инструмента обладает большой твердостью и высокими значениями допустимых напряжений на изгиб, растяжение, сжатие и кручение. Твердость режущей части инструмента должна значительно превышать твердость материала обрабатываемой
заготовки.
Углеродистые инструментальные стали содержат 1.0…1,3 % С. для изготовления инструментов применяют качественные стали У10А, У11А, У13А. После термической обработки стали имеют красностойкость 200…240 оС. При этой температуре твердость стали резко уменьшается, и инструменты не могут выполнять работу резания. Допустимые скорости резания не превышают 0.2...0.3 м/с. Из этих сталей изготавливают метчики, плашки, ножовочные полотна, сверла и зенкеры малых диаметров.
Легированные инструментальные стали - это углеродистые инструментальные стали, легированные хромом, вольфрамом, ванадием, кремнием и другими элементами. После термообработки легированные стали имеют красностойкость 220...260 оС. По сравнению с углеродистыми легированные стали имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии и более высокую прокаливаемость, меньшую склонность к деформациям и появлению трещин при закалке. Допустимая скорость резания 0.25…0.5 м/с. Для изготовления протяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток используют, стали 9Х ВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС.
Быстрорежущие стали содержат 5,5….19 % W, 0.7...1.2 % С; 2...10 % Со и V. Для изготовления инструментов используют стали Р9,Р12, Р18, Р6М3, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф2. Во всех быстрорежущих сталях массовая доля хрома - 4%, поэтому в обозначении марки букву Х не указывают. Режущий инструмент из быстрорежущей стали, после термической обработки имеет красностойкость 600…640 оС и обладает повышенной износостойкостью, поэтому может работать со скоростями резания до 2 м/с.
Для экономии быстрорежущих сталей режущий инструмент изготавливают сборным или сварным. Режущую часть инструмента делают из быстрорежущей стали, которую сваривают или соединяют механически с присоединительной частью из конструкционных сталей 45, 50, 40Х.
К твердым сплавам относятся инструментальные материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединяемых металлической связкой. Эти материалы изготавливают методами порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, прессуют и спекают при 1400....1550 оС. При спекании кобальт растворяет часть карбидов и плавится. В результате получается плотный материал, структура которого на 80...85 % состоит из карбидных частиц, соединяемых связкой.
Твердые сплавы применяют в виде пластинок определенной формы и размеров, которые делят на три группы:
- вольфрамовые - ВК2, ВК3, ВК3М, ВК8 и др;
- титановольфрамовые - Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В;
- титанотанталовольфрамовые - ТТ7К12, Т10К8Б.
Пластинки твердого сплава обладают высокими износостойкостью и красностойкостью (800....1250 оС), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 15 м/с. Пластинки припаивают к державкам или корпусам инструментов медными, латунными припоями или крепят механическими способами.
Наиболее широкое применение среди сверх твердых материалов (СТМ) получили материалы на основе кубического натрида бора (Эльбор, Гексанит - Р, Киборит и др.). Их выпускают в виде пластин различной геометрической формы, которыми оснащают режущие инструменты. СТМ применяют для тонкого, чистового точения и фрезерования закаленных сталей и чугунов.
Инструментальные керамические материалы можно разделить на группы, различающиеся химическим составом, методом производства и областями рационального использования. Оксидную "белую" керамику, состоящую из Al2О3 с легирующими добавками MgO, ZrO2 и др. применяют для чистовой и получистовой обработке незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 15 м/с. Оксидно-карбидную "черную" керамику, состоящую из Al2О3, ТiC, ZrO2 и других карбидов тугоплавких металлов, применяют для обработки ковких, высокопрочных и отбеленных модифицированных чугунов и закаленных сталей. Керамику на основе нитрида кремния применяют для получистовой обработки чугунов.
Высокие прочностные свойства необходимы для того, чтобы инструмент обладал сопротивляемостью соответствующим деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала позволяла воспринимать ударную динамическую нагрузку. Инструментальные материалы должны обладать высокой красностойкостью (теплостойкостью), т.е. способностью сохранять твердость при нагреве. Красностойкость оценивают температурой, при которой происходит резкое снижение твердости материала.
Важнейшей характеристикой материала режущей части инструмента служит износостойкость. Чем выше износостойкость, тем медленнее изнашивается инструмент и тем выше его размерная стойкость. Это значит, что заготовки, последовательно обработанные одним и тем же инструментом, будут иметь минимальное рассеивание размеров обработанных поверхностей. Материалы для изготовления инструментов должны по возможности иметь наименьшее процентное содержание дефицитных элементов.
Всем перечисленным требованиям в той или иной степени отвечают следующие материалы: инструментальные стали, твердые сплавы, синтетические сверхтвердые и керамические материалы, абразивные и алмазные материалы.
Абразивные материалы в качестве режущего инструмента использовались с древнейших времен: корунд, базальт, гранат, наждак, пемза и т.д. Лишь в конце 19-го века стали использовать в производстве электрокорунд, карбид кремния и т.д.
Абразивные материалы имеют разную твердость, форму, размеры зерен и абразивную способность, что позволяет производить, как грубую обработку, так и чистовую (полировку и доводку).
В 2008 году наши заводы перешли на маркировку твердости абразивного инструмента в соответствии с ГОСТ Р 52587-2006 и маркировку зернистости в соответствии с ГОСТ Р 52381-2005.
Система маркировки
абразивного инструмента
1. ТИП
КРУГИ
1 - прямой профиль
2 - кольцевые
3 - конический профиль
4 - с двусторонним коническим профилем
5 - с выточкой
6 - чашечные цилиндрические
7, 8, 9 - с двусторонней выточкой
10 - с двусторонней выточкой и ступицей
11 - чашечные конические
12 - тарельчатые плоские
14 - тарельчатые
20 - с односторонней конической выточкой
21 - с двусторонней конической выточкой
23 - с конической и цилиндрической выточками
с одной стороны
27 - с утопленным центром
35 - прямого профиля, работающий торцом
36,37,40 - с запресованными крепежными элементами
38 - с односторонней ступицей, работающий торцом
41 - диски отрезные
42 - диски отрезные с утопленным центром
СЕГМЕНТЫ
СП - прямоугольные
1С - выпукло-вогнутые
3С - выпукло-плоские
4С - плоско-выпуклые
5С - трапециевидные
6С - для шлифовки полов
7С - для плоского шлифования
9С - для шлифовки рельсов
БРУСКИ
БП - прямоугольные
БКв - квадратные
БТ - треугольные
БКр - круглые
БПс - специальные
2. РАЗМЕРЫ КРУГА
D - наружный диаметр
T - высота
H - диаметр отверстия
3. ШЛИФМАТЕРИАЛ
14А (A) ЭЛЕКТРОКОРУНД НОРМАЛЬНЫЙ
25А (WA) ЭЛЕКТРОКОРУНД БЕЛЫЙ
38А (ZK) ЭЛЕКТРОКОРУНД ЦИРКОНИЕВЫЙ
53С, 54C (C) КАРБИД КРЕМНИЯ ЧЕРНЫЙ
63C,64С(GC) КАРБИД КРЕМНИЯ ЗЕЛЕНЫЙ
4. ЗЕРНИСТОСТЬ
ШЛИФЗЕРНО
ГОСТ ГОСТ
F10 (200) F36 (50)
F12 (160) F40 (40)
F14 (160) F46 (40)
F16 (160/125) F54 (32)
F20 (100 ) F60 (25)
F22 (80) F70 (20)
F24 (80) F80 (20)
F30 (63) F90 (16)
ПОРОШКИ
F100 (12) F180 (6)
F120 (10) F220 (5)
F150 (8)
МИКРОПОРОШКИ
F230 (M63) F360 (M40)
F240 (M63/M50) F400 (M28)
F280 (M50) F500 (M20)
F320 (M50/M40) F600 (M14)
5. ТВЕРДОСТЬ
F, G (BM1, BM2) ВЕСЬМА МЯГКИЕ
H, I, J (M1, M2, M3) МЯГКИЕ
K, L (CM1, CM2) СРЕДНЕМЯГКИЕ
M, N (C1, C2) СРЕДНИЕ
O, P, Q (CT1, CT2, CT3) СРЕДНЕТВЕРДЫЕ
R, S (T1, T2) ТВЕРДЫЕ
T (BT) ВЕСЬМА ТВЕРДЫЕ
V (ЧT) ЧРЕЗВЫЧАЙНО ТВЕРДЫЕ
6. СТРУКТУРА
1-2-3-4 закрытая
5-6-7 средняя
8-9-10 открытая
11-12-13 высокопористая
7. СВЯЗКА
V (К) КЕРАМИЧЕСКАЯ
B (Б) БАКЕЛИТОВАЯ
BF (БУ) БАКЕЛИТОВАЯ С НАЛИЧИЕМ
УПРОЧНЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
B4 (Б4 ) БАКЕЛИТОВАЯ С ГРАФИТОВЫМ
НАПОЛНИТЕЛЕМ
8. РАБОЧАЯ СКОРОСТЬ, м/с
20; 25; 32; 35; 40; 50; 63; 80; 100
9. КЛАСС НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ
1, 2
Шлифзерно "Электрокорунд нормальный - 13А, 14А"
Материал применяется для кругов на керамической связке. Это материал высокой прочности с широкой областью применения. Он содержит 94,5-96,7% Al2O3, TiO2 - 1.8-2.6% и 1-2% других компонентов. Производится путем плавки бокситов. Обладает высокой огнеупорностью и теплопроводностью, применяется в промышленности при изготовлении огнеупорных изделий.
Шлифзерно "Электрокорунд белый 24А, 25А"
Материал с высокой прочностью. Содержание Al2O3 - 99,4 - 99,7%, при незначительном наличии других окислов (Fe2O3, CaO, SiO2). Чистый материал используется в основном для кругов на керамической связке. Производится путем плавки очень чистого глинозёма. Обладает электрическими свойствами, применяется для производства высоковольтных разрядников и варисторов, а также силитовых нагревателей.
Шлифзерно "Карбид кремния черный - 53С, 54С"
Карбид кремния благодаря высокой твердости и режущей способности применяется для производства абразивных инструментов и для свободного шлифования. В карбиде кремния чёрном 53С, 54С содержание SiС составляет 96 - 99%. Карбид кремния черный производится путем восстановления двуокиси кремния в печах сопротивления. Карбид кремния широко применяется для шлифования неметаллических материалов.
Шлифзерно "Карбид кремния зеленый - 63С, 64С"
Карбид кремния зеленый 63С, 64С подобен карбиду кремния черному, но с более высокой чистотой. Область применения карбид кремния зеленого та же; в основном для кругов средних и мелких зернистостей.
Карбид кремния благодаря высокой твердости и режущей способности применяется для производства абразивных инструментов и для свободного шлифования. Он необходим для шлифовки чугуна, твердых сплавов, цветных металлов, камня, стекла. Карбид кремния обладает высокой огнеупорностью и теплопроводностью, поэтому широко применяется в промышленности при изготовлении огнеупорных изделий. Карбид кремния обладает уникальными электрическими свойствами, поэтому применяется для производства высоковольтных разрядников и варисторов, а также силитовых нагревателей. Применяется в металлургической промышленности для раскисления стали, в производстве тиглей для разливки цветных и драгоценных металлов, для обмазки желобов и точек.
Шлифовальная шкурка. (Наждачная бумага, шлифовальная бумага) - гибкий абразивный материал, на тканевой или бумажной основе с нанесенным на нее слоем абразивного зерна (порошка). Используется для ручной и машинной обработки поверхностей.
" При использовании шкурки следует придерживаться общего правила: начинать работу с применением более грубой шлифовальной бумаги, постепенно сменяя ее на бумагу с большим показателем зернистости. Грубое и очень грубое зерно применяется для чернового шлифования дерева, снятия старой краски, ржавчины с металлических поверхностей. Тонкое и очень тонкое зерно - для разных стадий чистового шлифования, шлифования полирования окрашенных поверхностей, шлифования металла. Для пластика с успехом применяется шлифовальная бумага с напылением из карбида кремния.
" Для влажного шлифования обычно используется водостойкая шлифовальная бумага с зернистостью P400-P600. Использование воды при шлифовании позволяет достичь более гладкой поверхности, исключает образование пыли. Мокрое шлифование, как правило, производится вручную для тщательного контроля прилагаемого усилия.
" Для ручного шлифования больших криволинейных поверхностей удобно наждачную бумагу закрепить на толстом (около 1 см) куске мягкой резины.
" Для удобства работы с наждачной бумагой её оборачивают вокруг бруска (из любого материала - древесина, пластик, пенопласт) с прикреплённым (прибитым, приклеенным) к нему куском войлока или пористой резины.
Шлифовальная шкурка - абразивный инструмент на гибкой основе с нанесенным на нее слоем или несколькими слоями шлифовального материала, закрепленного связкой. Применяется в виде шлифовальных листов, бесконечных лент, бобин, дисков, трубок, колец, конусов, лепестковых шлифовальных кругов и др.
В зависимости от назначения шлифовальной шкурки и требований к прочности при эксплуатации для ее изготовления применяют ткани хлопчатобумажные, смешанные, (основа-хлопчатобумажная, уток - вискозная техническая нить), синтетические (капрон, лавсан), бумагу, фибру, комбинированную основу- (ткань + бумага).
Для изготовления шлифовальной шкурки применяют связки различных видов и марок.
При изготовлении неводостойких тканевых, бумажных и комбинированных шкурок, предназначенных для абразивной обработки без охлаждения или с применением СОЖ на основе масла, керосина и уайт-спирита, используется мездровый клей, мездровый клей в сочетании с фенолформальдегидными смолами, казеиновый клей.
Водостойкая бумажная шлифовальная шкурка изготовляется с применением алкидного лака марки ПФ-587 лака марки ЯН-153 эпоксиэфирного лака.
Водостойкая тканевая шлифовальная шкурка изготовляется на синтетических связках - фенолоформальдегидных жидких СФЖ. Синтетические связки обеспечивают получение более качественной шлифовальной шкурки, которая может применяться как без охлаждения, так и с охлаждением.
Для изготовления шлифовальной шкурки на фибровой основе применяются органические связки - жидкий бакелит и фенолформальдегидные жидкие смолы.
О шлифовальной шкурке
Алмазный инструмент получил широкое распространение благодаря уникальным свойствам алмазов, закрепленных на его поверхности. Прикрепление алмазов может осуществляться гальваническим способом, спеканием и прессованием. Вещество с помощью которого алмазы прикрепляются к поверхности режущего инструмента называется связкой. Тип алмазов, их концентрация и свойства связки определяют ресурс и производительность инструмента.
Алмаз - самое твердое из всех природных веществ. По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, абсолютная в 1000 раз превышает твердость кварца и в 150 раз - корунда. Максимальная твердость на гранях октаэдра, минимальная на гранях куба. Излом раковистый. Плотность чистого алмаза 3,511 г/см3.
На воздухе алмаз сгорает при 850°C с образованием СО2; в вакууме при температуре свыше 1500°C переходит в графит.
Технические алмазы, используемые как абразивы, стоят от 3 до 12 долл. за карат; синтетические - около 2 долл. за карат. Мировое потребление технических алмазов составляет 250 млн карат или 50 т, из них около 70% синтетических. Первые искусственные алмазы получили в Швеции в 1953 г. Алмазы синтезируют при температуре 1200...2000°C и давлении 1000...5000 МПа из порошка графита, смешанного с порошкообразным железом, никелем, хромом и др. металлами. Кристаллизуются алмазы за счет того, что расплав при высоких давлениях не досыщен по отношению к графиту и пересыщен - по отношению к алмазам. Ежегодно в мире синтезируется около 40...50 т мелкокристаллических алмазов, используемых для получения абразивных порошков. Полученные таким путем ювелирные алмазы значительно дороже природных.
О правке абразивных кругов. О сверхтвёрдых материалах.
