Реферат на тему «Инструментальные материалы»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Материалы для режущих материалов

1.1 Инструментальные стали

1.2 Твердосплавные и минералокерамические материалы

1.3 Алмазы и алмазоподобные материалы

1.4 Сверхтвердые материалы

2 Материалы для штампов, пресс-форм и измерительных инструментов

2.1 Материалы для штампов и пресс-форм

2.2 Материалы для измерительных инструментов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

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 [1].
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.
Инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. легко обрабатываться в процессе изготовления инструмента и его переточек, а также быть сравнительно дешевыми.
Цель работы – изучить инструментальные материалы, их виды и основные свойства.

1 Материалы для режущих материалов

1.1 Инструментальные стали

Сталь, процент углерода в которой составляет более 0,7%, называют инструментальной. В основе фазовой структуры лежит мартенсит и только в некоторых случаях ледибурит.
Используется главным образом в машиностроении в качестве материала для производства инструмента по обработке черных и цветных сплавов.
Инструментальную сталь отличает ряд особенностей по сравнению с конструкционной. Среди них наиболее важными являются:
 Повышенная твердость, которая составляет 60-65 единиц по шкале Роквелла.
 Дополнительная прочность. Временное сопротивление на разрыв не должно быть ниже 900 МПа.
 Способность сопротивляться воздействию абразивного износа.
 Высокая прокаливаемость — свойство сталей термически упрочняться.
 Красностойкость, которая характеризует металл с точки зрения способности сохранять свои прочностные характеристики при увеличении температурного воздействия на него [2].
Согласно государственным стандартам предусмотрены следующие разновидности инструментальных марок, исходя из их технологического назначения:
 Инструментальные углеродистые стали ГОСТ 1435-99. Помечаются буквой «У» в начале маркировки. Цифра, следующая далее в обозначении, показывает углеродистую составляющую: У12, У10 и т.д. Размерность берется в сотых долях процента. В конце может ставиться буква «А» (например, У10А), которая показывает, что данная инструментальная сталь имеет уменьшенное количество отрицательных включений. В частности, это относится к сере и фосфору, элементам, ответственным за ухудшение механических свойств стального сплава.
 Легированные инструментальные стали ГОСТ 5950-2000. Цифра, стоящая в начале, показывает сотую долу процента карбидов в стали. В случае ее отсутствия значение данного параметра принимается равным 1%. Далее следует буквенное обозначение легирующих элементов с указанием цифрами их содержания в целых долях процента: Х, 5ХВГ, 9ХС и прочее.
 Быстрорежущие инструментальные стали ГОСТ 19265-73. В технической документации маркируются буквой «Р». Цифрой за ней обозначают ориентировочное содержание вольфрама – базового химического компонента для данной стали. Помимо него быстрорезы могут включать в своем составе кобальт и ванадий. Они также указываются в маркировке соответствующими буквами: К и Ф. Содержание хрома во всех быстрорежущих сталях колеблется в пределах 3-4%. По этой причине его не обозначают в маркировке.
 Штампованные инструментальные стали ГОСТ 1265-74. Маркируется данный вид сталей аналогично легированным. По характеру применения они бывают штампованными сталями холодной и горячей деформации [4].

Рисунок 1 — Классификация инструментальной стали

1.2 Твердосплавные и минералокерамические материалы

Металлические порошки представляют собой мелкие кристаллические зерна (фракции) размерами от 10 до 500 мкм, иногда до 1 мм. Зерна могут быть игольчатой, сферической, полой сферической, пластинчатой или чешуйчатой формы. Физико-химические и технологические свойства металлических порошков определяются их химическим составом, пикнометрической плотностью, структурой, массовой долей примесей, газов, металлических и иных загрязнений порошков. Металлические порошки являются основой при производстве твердосплавных материалов. Их выпускают как из чистых металлов (хром, никель, кобальт, молибден, ванадий и др.), так и из карбидов металлов (карбиды вольфрама, титана, тантала) [3].
Порошковая металлургия включает в себя две самостоятельные отрасли производства. Первая — производство различных порошкообразных материалов (порошков, зерен, гранул, электродов, монолитов и полуфабрикатов). Вторая — переработка порошкообразных материалов в изделия (токарные и фрезерные сменные пластины, заготовки для монолитного инструмента, насадки для бурового и режущего инструмента, фильеры, электродные материалы, монолиты, электроконтакты и различные конструкционные изделия).
В настоящее время в порошковой металлургии налажено производство различных изделий из твердосплавных материалов, в том числе фильтров высокой очистки, фрикционных и антифрикционных деталей, пластин для наплавки режущего, ударного, бурового, абразивного и другого инструмента.
На основе порошковой металлургии выпускают высоколегированные конструкционные и инструментальные стали, например, сталь марки Х23Н18. Изделия из этой стали изготавливают путем спекания порошков. Применяется сталь для изготовления подшипников (вкладышей) скольжения. После химико-термической обработки (сульфидирования или борирования) этих вкладышей исключаются задиры, адгезия и создается мягкость скольжения вала. Такая пара может работать при повышенных температурах (до 600 °C) и в агрессивных средах [5].
Твердые сплавы и минералокерамические материалы — это большая группа конструкционных и инструментальных материалов, полученных из металлических и иных порошков. Изделия, полученные в процессе производства порошковой металлургии, называются спеченными.
Спеченные твердые сплавы — это материалы, состоящие из карбидов (химическое соединение углерода с различными металлами) вольфрама, титана и тантала, спрессованных в чистом металлическом кобальте. Твердые сплавы обладают высокими твердостью, прочностью, режущими и другими свойствами и сохраняют их при нагреве до высоких температур. Их твердость значительно выше твердости других материалов и приближается к твердости алмаза. Обладая такими высокими физическими, химическими, механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами, они находят очень широкое применение в инструментальной, машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности.
Твердосплавные и минералокерамические материалы также подразделяют:
— на твердые, или повышенной твердости (1 500 … 2 000 HV), которые производят из порошков карбидов вольфрама, титана, тантала, легированных сталей, железа и других металлов, и их карбидов;
— очень высокой твердости (2 000 … 2 500 HV), относящиеся, как правило, к абразивным материалам (карбид кремния, электрокорунд и др.);
— весьма твердые (более 2 500 HV), предназначенные как для абразивов, так и для режущего инструмента (алмазы естественные и искусственные, кубический нитрид бора и др.) [4].
Особую группу в порошковой металлургии (металлокерамике) составляют твердые спеченные инструментальные материалы, выпускаемые в виде сменных многогранных пластин (СМП) для токарной, фрезерной обработки и сверления. Сменными многогранными пластинами оснащаются концевой металлорежущий, буровой и долбежный инструмент, а также фрезы, протяжки, развертки, строгальные ножи, резцы для обработки железнодорожных колес и рельсов, накатки и шевинги.
В зависимости от характеристики обрабатываемого материала и типа снимаемой стружки режущий инструмент, изготовленный из твердых спеченных сплавов, подразделяется на группы применения по ISO с числовым индексом. Группы применения учитывают механические свойства: твердость, прочность, упругость, обрабатываемость и др. и обозначаются одной из следующих букв: P, M, K, N, S и H основной группы резания и числовым индексом: 01, 05, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 [6].

1.3 Алмазы и алмазоподобные материалы

Алмазы, алмазоподобные и сверхтвердые материалы (СТМ) нашли широкое применение в машиностроении, авиационной, электро- и радиотехнической промышленности, а также в других отраслях производства для изготовления всевозможных инструментов. Объясняется это возросшими требованиями к точности и качеству обработки деталей современных машин и приборов, изготовляемых из новых высокопрочных, износостойких и термостойких материалов.
Ознакомление с указанной группой материалов начнем с рассмотрения свойств природных алмазов.
Природный алмаз — минерал, относящийся к классу драгоценных камней, представляет собой почти чистый углерод. Алмазы в основном являются диэлектриками, но могут быть и полупроводниками, обладают наивысшей твердостью, а также высокой стойкостью к действию кислот и щелочей. Их плотность, равная 3,47…3,55 г/см3, зависит от количества и свойств включений.
Весьма ценны механические свойства алмазов. Кроме высокой твердости алмазы имеют самый высокий модуль упругости и самый малый коэффициент сжатия из всех известных природных материалов. Расчетная прочность алмаза на разрыв равна 7,9 * 10000 МПа. Алмазы обладают также низким коэффициентом трения (0,1) и высокой износостойкостью.
Природные технические алмазы сортируют по размерам. Мелкие служат для производства лезвийного инструмента, волок, опор точных приборов, инструмента для правки абразивных кругов, инденторов (наконечников) для приборов определения твердости. Самые мелкие кристаллы идут на приготовление порошков для абразивных алмазных инструментов [3, 7].
Алмазные резцы применяют для окончательного чистового точения конструкционных материалов, цветных металлов, пластмасс, антифрикционных сплавов. Для их изготовления используют природные технические алмазы, имеющие форму октаэдра, ромбододекаэдра и др. Алмазные кристаллы должны иметь плотную структуру, не должны иметь трещин и включений, их масса должна составлять 0,3… 1,35 кар1. Предварительно алмазы подвергают огранке с учетом анизотропии их свойств, а затем закрепляют в специальных пазах державок пайкой или механическим способом.
Наряду с природными алмазами в инструментальном производстве широко используют искусственные, которые главным образом применяют для изготовления абразивного (шлифовальные круги, полировальные пасты) инструмента, инструмента для резания твердых материалов — керамики, полупроводников, стекла (круги с наружной и внутренней режущими кромками).
Промышленное синтезирование искусственных алмазов выполняют при давлении 5,65… 16,5 ГПа (56,5… 165 кбар) и температуре до 3 ООО °С в течение нескольких минут. Сырьем служит любой из материалов, содержащих большое количество углерода, — сажа, графит, древесный уголь и др. Процесс ведут в присутствии катализатора, которым может быть какой-либо из металлов — хром, никель, железо, тантал, кобальт и др., так как для синтеза алмазов без катализатора необходимое давление должно быть около 21,5 ГПа (215 кбар) и температура выше 3770 0С.
Синтетические (искусственные) алмазы изготовляют трех основных марок: АСО, АСП, АСВ, что соответствует обыкновенной, повышенной и высокой прочности. Они (за исключением СВ, карбонадо и баллас), как правило, очень мелкие и поэтому непригодны для изготовления резцов и фрез. Такие алмазы используют для производства разного рода шлифовальных инструментов. Кристаллы синтетических алмазов обычно бывают массой до 1 кар, они более хрупки, поверхность имеет повышенную шероховатость, чем у природных алмазов, поэтому такие кристаллы прочнее удерживаются в теле связки инструмента, что в значительной степени определяет их повышенную стойкость. Синтетические алмазы преимущественно используются для производства инструмента из порошка в связанном или свободном состоянии [9].

1.4 Сверхтвердые материалы

Для изготовления различного режущего инструмента в настоящее время в различных отраслях промышленности, в том числе в машиностроительной, применяются три вида сверхтвердых материалов (СТМ): природные алмазы, поликристаллические синтетические алмазы и композиты на основе нитрита бора (эльбора).
Природные и синтетические алмазы обладают такими уникальными свойствами, как самая высокая твердость (HV 10 000 кгс/мм 2), у них весьма малые: коэффициент линейного расширения и коэффициент трения; высокие: теплопроводность, адгезионная стойкость и износостойкость. Недостатками алмазов являются невысокая прочность на изгиб, хрупкость и растворимость в железе при относительно низких температурах (+750 °C), что препятствует использованию их для обработки железоуглеродистых сталей и сплавов на высоких скоростях резания, а также при прерывистом резании и вибрациях [6].

2 Материалы для штампов, пресс-форм и измерительных инструментов

2.1 Материалы для штампов и пресс-форм

Инструмент штампов для холодной обработки должен иметь высокую поверхностную твердость при достаточной вязкости сердцевины, износостойкость, большое сопротивление изгибу, сжатию, высокую теплопроводность, ударную прочность и т.д.
Штампы для холодной обработки во многом схожи, различие относится только к рабочему инструменту и обрабатываемым деталям. Как правило, всякий штамп включает в себя штамповый блок, пуансоны и матрицы (рабочий инструмент), съемники, выталкиватели и другие детали.
Блок штампа состоит из двух параллельных плит (нижней и верхней), способных перемещаться по направляющим колонкам и втулкам за хвостовик с помощью ползуна пресса. Плиты штампа обычно делают из низкоуглеродистой стали или чугуна. Они могут быть литыми или изготовлены резанием.
Для колонок и втулок, работающих на истирание и воспринимающих значительные напряжения, в том числе и изгибающие, обычно используют сталь 20, которую цементуют, термически обрабатывают, а затем шлифуют и попарно прирабатывают. В этом случае соприкасающиеся поверхности втулок и колонок имеют твердые поверхности, которые после смазывания хорошо работают в условиях изнашивающих нагрузок, а сердцевина этих деталей остается незакаленной, вязкой, способной работать на изгиб и внецентренное сжатие, излом [10].
Для изготовления прокладок, штифтов, специальных винтов и других вспомогательных деталей используют стали 45 и 40Х. Толкатели, съемники, ловители, подкладки можно изготавливать из углеродистой инструментальной стали У10А. Как правило, указанные детали подвергают термической обработке.
Пуансоны и матрицы штампов малых размеров для штамповки мелких деталей простой формы, производимых вырубкой, пробивкой, вытяжкой, гибкой, отрезкой и высадкой, обычно изготовляют из углеродистой инструментальной стали У10А. Следует помнить, что углеродистые стали после закалки и отпуска изменяют свои размеры и форму из-за коробления и перестройки структуры [2, 9].
Хорошо работает на истирание, изнашивание и противостоит затуплению рабочий инструмент штампов, предназначенных для штамповки деталей значительных размеров и сложной конфигурации, из легированных сталей Х12М, Х12Ф1 (ГОСТ 5950 — 73).
Наличие аустенита в структуре указанных сталей после термической обработки делает их вязкими и работоспособными в тяжелых эксплуатационных условиях. Для изготовления пуансонов и матриц в ответственных штампах применяют стали 9ХС, ХВГ, ШХ15 и др., которые после ступенчатой закалки приобретают высокую вязкость, так как в этом случае в структуре сохраняется значительный процент остаточного аустенита.
Применение того или иного материала для изготовления пуансонов и матриц определяется свойствами перерабатываемого материала, количеством изготовляемых изделий, требованиями к их качеству, соотношением размеров изделия (толщины и минимальных размеров вырубаемого контура). Иногда целесообразно пуансоны и матрицы как вытяжных, так и вырубных штампов изготовлять твердосплавными из спеченного или пластифицированного материала и обрабатывать алмазным режущим инструментом. При этом стоимость изготовления штампов повышается в три— пять раз, а стойкость возрастает в десятки раз.
Инструмент штампов при горячей штамповке работает в более тяжелых условиях, чем при холодной, нагревается до 450… 550 “С. Материал штампов в термически обработанном состоянии должен иметь высокие механические свойства, сопротивление к истиранию и образованию трещин, теплопроводность, хорошо обрабатываться резанием [6].
В отличие от штампов холодной штамповки штампы горячей штамповки, в частности молотовые, делают сборными. В основаниях штампов (блоков) из сталей 40Х или 45 делают специальные гнезда, в которых закрепляют горячей посадкой или клиньями рабочий инструмент — пуансоны и матрицы, вставки ручьев. Для вставок используют стали 5ХНМ или 5ХГМ, Х12М, 40Х, 45, У7А, 7X3 и др. (ГОСТ 5950-73, ГОСТ 1435-74).
Цельные молотовые штампы ремонтируют 2 — 3 раза до списания, сборные можно восстанавливать 15 — 20 раз.
Материалы для пресс-форм должны иметь высокие сопротивления переменным термомеханическим, физико-химическим и механическим воздействиям жидкого материала на внутренние поверхности инструмента, минимальные деформации при термообработке и шероховатость при изготовлении.
Особенности работы пресс-форм: высокая температура расплавленного металла, большая скорость его впрыска в пресс-форму (15…60 м/с) и сильное давление на металл (1… 10 МПа, для медных сплавов 30… 100 МПа). Кроме того, материал формы подвергается интенсивному разъеданию жидким металлом непосредственно в местах удара струй. Пресс-форма испытывает неравномерный нагрев, зависящий от места впрыска жидкого металла, ее конструкции и конфигурации отливаемого изделия.
Работоспособность пресс-форм может быть обеспечена правильным выбором материала рабочего инструмента, термообработкой, минимальной шероховатостью, очисткой и смазыванием рабочего объема: для литья плит, стержней, вкладышей, букс литников пресс-форм из алюминиевых и медных сплавов применяют стали ЗХ2В8, 5ХН21, 7X3, 4ХВС, а для направляющих колонок, втулок, выталкивателей — стали 15 или 20 и 40Х.
Для облегчения съема отлитых изделий рабочую поверхность литейных форм обычно хромируют, тщательно полируют, изготовляют с плавными переходами, уклонами. При отсутствии хромирования рабочие поверхности делают из материалов с большим содержанием хрома [2].

2.2 Материалы для измерительных инструментов

Материалы для измерительного инструмента (калибров, плиток, шаблонов) должны обладать весьма высокой твердостью, износостойкостью, сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться для обеспечения высокой точности изготовления самого инструмента.
Этим требованиям отвечают высокоуглеродистые легированные стали ШХ15, ХВГ, азотированные стали 38Х2МЮА, 38ХВФЮА, цементуемые стали, а также твердые сплавы.
Измерительный инструмент из стали X, 12X1, ШХ15 подвергают закалке в масло с последующей обработкой холодом при —70 °С и низким отпуском при 140—150 °С в течение длительного времени (20— 50 ч). Твердость после обработки составляет 63—64 НДСэ. Обработка холодом проводится в целях получения в структуре минимального количества остаточного аустенита, который с течением времени превращается в мартенсит; превращение идет с изменением объема и линейных размеров, что недопустимо для измерительных инструментов. Длительный отпуск предотвращает процесс старения и распад мартенсита в течение всего периода эксплуатации, что также способствует стабилизации размеров инструмента.
Азотируемые стали типа 38Х2МЮА применяют для измерительных инструментов большого размера и сложной конфигурации [1].
Измерительные линейки, шкалы и другие плоские длинные инструменты, которые работают на износ и на изгиб, изготавливают из сталей 15, 15Х, 20Х и подвергают цементации, закалке и низкому отпуску.
Для деталей крупных измерительных инструментов, работающих в условиях интенсивного износа, применяют сменные вставки из твердых сплавов ВК6, ВК8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технология обработки металлов резанием развивалась скачкообразно. Каждому скачку на более высокий уровень всегда предшествовала разработка новых инструментальных материалов с более высокими физико-механическими свойствами.
Инструмент в процессе эксплуатации находится в сложном состоянии. Он испытывает высокие контактные напряжения, чаще всего изгиба и кручения (до 4000 МПа).
Режущая кромка находится в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Многие инструменты, особенно многозубые, подвергаются действию ударных нагрузок. При недостаточной прочности инструментального материала это может привести к поломке инструмента или выкрашиванию режущих кромок. Режущая кромка инструмента испытывает воздействие высоких температур. При резании с режимами, принятыми для быстрорежущей стали, температура в зоне резания достигает 600-650 С, для твердого сплава – 900-950 С. Это может привести к существенным изменениям в структуре и свойствах материала.
Свойства, которые инструментальный материал проявляет в инструменте, и которые определяют длительность и эффективность его эксплуатации, называются стойкостными свойствами. Эти свойства можно определить только в процессе промышленной эксплуатации готовых инструментов, а не инструментального материала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Адаскин, А.М. Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов: Учебник / А.М. Адаскин, А.Н. Красновский. — М.: Форум, 2018. — 592 c.
2. Арзамасов, В.Б. Материаловедение: Учебник / В.Б. Арзамасов. — М.: Academia, 2019. — 224 c.
3. Батиенков, В.Т. Материаловедение: Учебник / В.Т. Батиенков, Г.Г. Сеферов, Г.Г. Сеферов и др. — М.: Инфра-М, 2018. — 415 c.
4. Бондаренко, Г.Г. Материаловедение: Учебник для СПО / Г.Г. Бондаренко, Т.А. Кабанова, В.В. Рыбалко. — Люберцы: Юрайт, 2016. — 360 c.
5. Груздев, В.С. Материаловедение: Учебник / В.С. Груздев. — М.: Academia, 2019. — 432 c.
6. Земсков, Ю.П. Материаловедение: Учебное пособие / Ю.П. Земсков. — СПб.: Лань, 2019. — 188 c.
7. Кобелев, А.Г. Материаловедение. Технология композиционных материалов: Учебное пособие / А.Г. Кобелев, М.А. Шаронов, О.А. Кобелев. — М.: КноРус, 2016. — 288 c.
8. Лахтин, Ю.М. Материаловедение: Учебник для втузов / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. — М.: Альянс, 2014. — 528 c.
9. Пожидаева, С.П. Материаловедение: Учебник / С.П. Пожидаева. — М.: Academia, 2018. — 448 c.
10. Пожидаева, С.П. Основы производства: Материаловедение и производство металлов / С.П. Пожидаева. — М.: Academia, 2018. — 448 c.