Твердые металлокерамические сплавы широко используются для производства специальных инструментов, предназначенных для механической обработки деталей из металлов и композитов методом резания. Главная функция такого инструмента заключается в отделении слоя материала (припуска) от обрабатываемой детали или заготовки с образованием стружки или опилок. Высокой твердостью, прочностью и износостойкостью сплавов определяется эффективность и точность инструмента, его функциональность, производительность, стойкость (время непрерывной работы), а также надежность производственного процесса в целом.
Металлорежущие инструменты
Металлорежущий инструмент классифицируется по конструктивным признакам и производственно-технологическим особенностям. По конструкции условно различают режущий инструмент двух типов: монолитный и со сменными режущими элементами. Монолитный инструмент целиком изготавливается из твердого сплава, быстрорежущей стали (HSS – high-speed steel), или в комбинированном варианте: с твердосплавными вставками в тело из инструментальной стали. Конструкция инструмента со сменными элементами характеризуется наличием двух механически соединяемых частей: тела и концевой режущей пластины из твердосплавного материала.
По производственно-технологическим особенностям металлорежущий инструмент различается количеством рабочих режущих поверхностей (кромок, граней), для изготовления которых, наряду с другими материалами, широко применяются твердые сплавы разных марок. Самым распространенным и наиболее известным металлорежущим инструментом с одной режущей кромкой на твердосплавной напайке или пластине является классический токарный резец. К инструментам с двумя и более режущими гранями относят все типы фрез, сверел и т.п.
Популярные марки твердых сплавов и инструментальные материалы
В число материалов для изготовления рабочих (режущих) частей металлорежущего инструмента входят:
- металлокерамика – твердосплавные вольфрамо-кобальтовые сплавы (марки ВК6, ВК8, ВК10 и др.), вольфрамо-титановые сплавы (марки Т5К10, T15K6, Т14К8 и др.), титано-тантало-вольфрамовые сплавы (марки ТТ7К12, ТТ20К9 и др.);
- минералокерамика (изготавливается на базе корунда – кристаллического минерала из оксида алюминия AL2O3 (распространенные марки: Р18, Р6М5, Р18К5Ф2))
- быстрорежущая сталь ГОСТ 19265–73 (отличается большим содержанием вольфрама (до 18%) и присутствием в составе целого ряда дополнительных компонентов, таких как хром (до 4,5%), молибден, кобальт, ванадий, углерод и т.д.);
- углеродистая инструментальная сталь ГОСТ 1435–74 (содержит 0,65 – 1,3% углерода, марки стали обозначаются буквой «У», например У7, У8, У9 и т.п.);
- легированная инструментальная сталь ГОСТ 5950–73 (содержит столько же углерода, как и углеродистая сталь, но в ее состав дополнительно вводятся легирующие добавки хрома, ванадия, вольфрама (распространенные марки: 9ХС, ХВГ, ХВ5))
- кубический нитрид бора (или боразон - от названий базовых компонентов химического состава: бор (44%) и азот (56%));
- алмаз поликристаллический (сверхтвердый композит из частиц природных или синтетических алмазов со связкой из тугоплавких металлов).
Какие режущие инструменты производятся из твердых сплавов
Из твердых сплавов изготавливают режущий инструмент разной конструкции и функциональности, предназначенный для механической обработки металла и композитных материалов.
В их числе:
- токарные резцы (для резки, наружного и внутреннего точения, нарезания резьбы и т.д.);
- фрезы (торцевые, кукурузные, концевые, фасонные, грибковые, профильные и т.п.);
- сверла (центровочные, спиральные, ружейные, микросверла с диаметром менее 3 миллиметров и т.п.);
- пилы (ленточные, дисковые и т.д.);
- инструмент резьбонарезной (метчики, плашки, резьбонакатные ролики, резьбофрезы и др.);
- инструмент для обработки отверстий (зенкеры, зенковки, развертки и т.п.).
Рисунок 1. Сверла из твердых сплавов.
Рисунок 2. Сменные фрезы из твердых сплавов.
Краткое сравнение твердых сплавов с другими инструментальными материалами
В сравнении с другими инструментальными материалами твердые сплавы выигрывают по целому ряду характеристик. Если теплостойкость сплавов марок ВК6 и ВК8 находится в диапазоне 800-1000 °С, обеспечивая инструменту высокую скорость резания, то например, у быстрорежущей стали с умеренной теплостойкостью этот параметр не превышает 630 °С, с повышенной – 650 °С, а с высокой теплостойкостью – 730 °С.
По теплопроводности твердые сплавы (84 Вт/м·°С) уступают только алмазам (142 Вт/м·°С), и значительно превосходят по этому параметру углеродистую сталь (38 Вт/м·°С) и быстрорежущую сталь (25 Вт/м·°С), а как известно, чем выше теплопроводность, тем лучше охлаждается режущая кромка инструмента, тем он эффективнее работает и дольше служит.
По твердости сплавы марок ВК6 и ВК8 сопоставимы с минералокерамикой (у обоих материалов около 2000 кгс/мм), но превосходят максимальные значения этого параметра у быстрорежущих сталей (1400 кгс/мм), углеродистых сталей (800 кгс/мм), уступая только сверхтвердым материалам и алмазам, но зато не оставляют им шансов по пределу прочности на изгиб.
Процесс производства режущего инструмента из твердых сплавов
Режущие инструменты из твердых сплавов изготавливаются методом порошковой металлургии. Суть этого метода заключается в формовании, прессовании и спекании металлических порошков или композиций из металлических порошков с неметаллическими. При производстве металлокерамических пластин для режущего инструмента используется порошковая смесь из микрочастиц карбидов твердых керамик и связующего металла.
В случае с производством режущего инструмента из однокарбидных сплавов вольфрамовой группы в состав смеси входит «рабочий» материал – карбид вольфрама, и так называемая «связка», в качестве которой, как правило, используют кобальт. Смесь сначала дозировано засыпают в пресс-формы (матрицы), затем спрессовывают под большим давлением (до 1000 Па) в плотный прочный «брикет» с геометрией и рельефом готового инструмента. Затем полуфабрикат отправляют в высокотемпературную печь, где спрессованная металлокерамическая смесь спекается в монолитное готовое изделие.
Какие свойства придают твердые сплавы режущему инструменту
Совсем недавно наибольшее применение при производстве режущего инструмента имели инструментальные стали, но сегодня на лидирующие позиции постепенно выходит твердосплавный сплав кобальта (Co) и карбида вольфрама (WC) марок ВК6 и ВК8. Эти марки имеют в своем составе оптимальное количество кобальта: 6% и 8% соответственно. Это делает режущий инструмент не слишком хрупким, как например, из сплава марок ВК3 и ВК4, и достаточно твердым. Благодаря этой особенности, режущий инструмент из сплава марок ВК6 и ВК8 можно использовать как для черновой, так и для чистовой обработки металлов.
Крупнозернистые сплавы вольфрамовой группы (в отличие от мелко- и сверх-мелкозернистых сплавов) отличаются хорошей износостойкостью, позволяющей обрабатывать одним инструментом большее число деталей на одну режущую кромку, а также повышенной производительностью. Долгий срок службы твердосплавного режущего инструмента позволяет сократить его расход, что вкупе с невысокой ценой конечных изделий делает инструмент экономически выгодным. Вышесказанным объясняется широкая область применения твердосплавного режущего инструмента в современной металлообработке.
Благодаря своим уникальным свойствам твердые сплавы являются практически незаменимыми при производстве режущего инструмента. Инструменты, изготовленные из материалов-аналогов, не дают настолько хороших показателей, как инструменты, изготовленные из твердых сплавов. Одним из основных недостатков таких сплавов является их высокая стоимость, но этот факт не влияет на популярность применения данных материалов в указанной области.
