Инструментальные и конструкционные материалы

Механические свойства металлов

Большинство деталей машин, обрабатываемых на металлорежущих станках, изготавливается из металлов и их сплавов. Наибольшее распространение имеют чугуны и стали, в меньшей степени - цветные металлы. Для режущих инструментов широко применяются твердые сплавы и абразивные материалы.
Обрабатываемость металлов резанием характеризуется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью.
Твердость - способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Наиболее распространены два способа определения твердости: Бринелля и Роквелла.
Твердость по Бринеллю устанавливается вдавливанием в испытуемый металл стального закаленного шарика под определенной нагрузкой. Полученную этим способом твердость обозначают буквами HB и определяют делением нагрузки на площадь сферического отпечатка. Прибор Бринелля применяется для определения твердости сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются.
Твердость по Роквеллу определяется вдавливанием в подготовленную ровную поверхность алмазного конуса или закаленного шарика. Значение твердости выражается в условных единицах и отсчитывается по черной или красной индикаторным шкалам прибора. Для очень твердых металлов незначительной толщины применяют алмазный конус с нагрузкой 588 Н, а значение твердости определяют по черной шкале и обозначают HRA.
Твердость закаленных сталей определяют, вдавливая алмазный конус при нагрузке 1470 Н, по черной шкале и обозначают HRCэ.
Испытание твердости шариком с нагрузкой 980 Н на приборе Роквелла предусмотрено для мягких незакаленных металлов. В этом случае отсчет показаний ведут по красной шкале, а твердость обозначают HRB.
Прочность - способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.
Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности(временное сопротивление) и обозначают Σ_в (сигма).
Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки.
При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением Δ (дельта), которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине в процентах.
Черные металлы
Железоуглеродистые сплавы с примесями марганца, кремния, серы, фосфора и некоторых других элементов принято называть черными металлами. В зависимости от содержания углерода они делятся на две группы: чугуны и стали.
Чугун - сплав железа с углеродом, содержащий свыше 2,3% углерода (практически от 2,5 до 4,5%). Углерод в нем может находится в химически связанном состоянии в виде карбида железа (цементита) и в свободном состоянии - в виде графита. В соответствии с этим чугуны делятся на белые - передельные и серые - литейные.
В белом чугуне почти весь углерод находится в состоянии карбида железа (Fe₃C), обладающего высокой твердостью. Такие чугуны имеют мелкозернистое строение с серебристо-белой поверхностью в изломе, высокую твердость, трудно поддаются обработке резанием, плохо заполняют форму и поэтому используются в основном для выплавки сталей.
В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде мелких пластинок графита. Последние, разделяя структуру чугуна и действуя как надрезы, значительно уменьшают его прочность и увеличивают его хрупкость. Такие чугуны имеют в изломе серый цвет, обладают хорошими литейными свойствами, почти не дают усадку в отливках и сравнительно легко обрабатываются резанием. Однако, имея в своем составе твердые зерна цементита, серые чугуны значительно ускоряют изнашивание инструмента, что не позволяет обрабатывать их с высокими скоростями резания.
Марки серого чугуна обозначаются буквами СЧ и числами, соответствующими его пределу прочности при растяжении в кгс/мм².
В промышленности также применяются отливки из высокопрочных и ковких чугунов.
Высокопрочный чугун получают прибавлением к расплавленному чугуну присадок магния и ферросилиция, благодаря чему выделяющийся углерод приобретает шаровидную форму. Такой чугун обладает повышенной прочностью и пластичностью. Его применяют для деталей, работающих при значительных механических нагрузках.
В ковком чугуне графит имеет хлопьевидную форму. Этот чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна. Такие чугуны обладают повышенной прочностью и пластичностью и по своим свойствам занимают промежуточное положение между серым чугуном и сталью.
Высокопрочные и ковкие чугуны маркируются буквами и цифрами: ВЧ - высокопрочный чугун, КЧ - ковкий чугун; первые две цифры - предел прочности при растяжении в кгс/мм² (1кгс/мм² = 9,608МПа ? 10МПа).
Сера и фосфор - вредные примеси. Сера придает хрупкость чугуну, делает его густотекучим и пузырчатым. Фосфор увеличивает хрупкость чугуна, но делает его жидкотекучим.
Сталь - это сплав железа с углеродом, содержащий до 1,8% углерода.
Стали относятся к пластичным металлам, которым деформированием можно придать необходимую форму. По химическому составу они делятся на углеродистые и легированные; по назначению - на конструкционные, инструментальные, особого назначения (нержавеющие, жаропрочные и др.).
Углеродистые конструкционные стали подразделяются на обыкновенного качества, качественные и автоматные. Стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и цифрами о 0 до 7. Качественные имеют меньше посторонних примесей. Они маркируются цифрами 08, 10, 15, 20 и так далее до 60, указывающие содержание углерода в сотых долях процента. Выпускаются две группы таких сталей: I - с нормальным и II - с повышенным содержанием марганца. Последние в конце маркировки имеют букву Г - марганец. Качественные стали группы II обладают повышенной прочностью и упругостью.
Легированные конструкционные стали, кроме обычного состава, содержат хром, ванадий, вольфрам, никель, алюминий и др. Эти элементы придают стали определенные свойства: прочность, твердость, прокаливаемость, износостойкость и т.д.
Марки легированных сталей обозначают буквами и цифрами. Первые две цифры указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента; затем следуют цифры, обозначающие легирующий элемент; цифры после букв - примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если содержание элемента близко к 1%, цифра после буквы не ставится.
В маркировке приняты следующие буквенные обозначения элементов: Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам, Ф - ванадий, К - кобальт, Ю - алюминий, Т - титан, Д - медь.
Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная.
Инструментальные стали делятся на углеродистые, легированные и быстрорежущие.
Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,65 до 1,35%, обладают высокой прочностью, твердостью в закаленном состоянии 63-65 HRCэ и теплостойкостью до 200-250 градусов С.
Они делятся на качественные и высококачественные. Последние содержат меньше серы, фосфора и остаточных примесей. Марки этих сталей обозначают буквой У - углеродистая, а цифры после нее указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. У высококачественных сталей в конце маркировки указывается буква А. Углерод существенно влияет на свойства стали. С повышением его содержания твердость, износостойкость и хрупкость стали увеличиваются, но вместе с тем ухудшается его обработка резанием.
Легированную инструментальную сталь получают введением в высокоуглеродистую сталь хрома, вольфрама, ванадия и других элементов, которые повышают ее режущие свойства. Благодаря легирующим элементам эта сталь приобретает повышенную вязкость и износостойкость в закаленном состоянии, меньшую склонность к деформациям и трещинам при закалке, более высокую теплостойкость (до 300-350 градусов С) и твердость в состоянии поставки. Легированные инструментальные стали маркируются аналогично конструкционным с той лишь разницей., что первая цифра в начале марки означает содержание углерода в десятых долях процента.
Быстрорежущие стали представляют собой легированные инструментальные стали с высоким содержанием вольфрама (до 18%). После термообработки (закалки и многократного отпуска) они приобретают высокую красностойкость до 600 градусов С, твердость 63-66 HRCэ и износостойкость.
Быстрорежущие стали маркируются буквами и цифрами. Первая буква Р означает, что сталь быстрорежущая. Цифры после нее указывают среднее содержание вольфрама в процентах. Остальные буквы и цифры означают то же, что и в марках легированных сталей.
Быстрорежущие стали, легированные ванадием и кобальтом, имеют повышенные режущие свойства. Они предусмотрены для труднообрабатываемых сталей и сплавов высокой прочности и вязкости.
Структура быстрорежущей стали (рисунок слева) - мелкие, твердые, однородно распределенные карбиды и мартенсит, легированный для теплостойкости вольфрамом и (или) молибденом

Примерное назначение и свойства быстрорежущих сталей

Марка стали, прочность, износостойкость, особенности стали	Назначение
Р18. Удовлетворительная прочность и повышенная шлифуемость, широкий интервал закалочных температур	Для всех видов инструментов, особенно подвергаемых значительному шлифованию, при обработке конструкционных материалов прочностью до 1000 МПа
Р9 Повышенная износостойкость, более узкий интервал оптимальных закалочных температур, повышенная пластичность при горячей пластической деформации.	Для изготовления инструментов простой формы, не требующих большого объема шлифования, применяемых для обработки конструкционных материалов
Р6М5 Повышенная прочность, более узкий интервал закалочных температур, повышенная склонность к обезуглероживанию. Шлифуемость удовлетворительная.	Для всех видов инструментов при обработке конструкционных материалов прочностью до 1000 МПа.
Р12Ф3 Повышенная износостойкость, удовлетворительная прочность. Шлифуемость пониженная.	Для чистовых инструментов (резцов, зенкеров, разверток, сверл, протяжек и др.) при обработке на средних режимах резания вязких аустенитных сталей, а также материалов, обладающих повышенными режущими свойствами.
Р6М5Ф3 Повышенная износостойкость, удовлетворительная прочность. Шлифуемость пониженная.	Для чистовых и получистовых инструментов (фасонных резцов, разверток, фрез, протяжек и др.). Предназначенных для работы на средних скоростях резания, преимущественно обрабатывающих углеродистые и легированные инструментальные стали.
Р9К5, Р6М5К5, Р18К5Ф2 Повышенная вторичная твердость, теплостойкость, удовлетворительная прочность и вязкость. Шлифуемость пониженная.	Для изготовления черновых и получистовых инструментов (фрез, долбяков, метчиков, сверл и т.п.), предназначенных для обработки углеродистых и легированных конструкционных сталей на повышенных режимах резания, а также некоторых труднообрабатываемых материалов

Цветные металлы

Из цветных металлов наибольшее промышленное применение получили медь, алюминий и сплавы на их основе.
Медь - мягкий пластичный металл розовато-красного цвета, обладающий высокой электропроводностью, теплопроводностью, коррозийной стойкостью.
В отожженном состоянии она характеризуется пределом прочности при растяжении Σ_в= 19,6 - 23,6 МПа. Твердостью по Бринеллю 35 -45 НВ.
Медные сплавы - латуни и бронзы по сравнению с медью более дешевы, имеют лучшие литейные свойства, большую прочность и хорошо обрабатываются резанием. Кроме свойств, присущих меди, они обладают способностью прирабатываться и противостоять изнашиванию. Это важное эксплуатационное качество - антифрикционность - обусловливает широкое применение медных сплавов, особенно бронз, в деталях машин, работающих в условиях повышенного трения (червячные колеса, гайки винтовых передач, вкладыши подшипников скольжения и др.).
Латунь - медноцинковый сплав. Различают простые латуни, состоящие из меди и цинка, и специальные - содержащие дополнительно легирующие элементы, которые улучшают механические свойства латуни.
Маркировка латуней: первая буква Л указывает на название сплава - латунь. Следующая за ней цифра обозначает среднее содержание меди в процентах. Специальные латуни маркируются дополнительно буквами, обозначающими легирующие элементы: А - алюминий, Мц - марганец, К - кремний, С - свинец, О - олово, Н - никель, Ж - железо. Первые две цифры, стоящие за буквами, указывают среднее содержание меди в процентах, последующие цифры - содержание других элементов; остальное в сплаве цинк. Буква Л - в конце марки указывает, что латунь литейная. Например, марка ЛАЖ60-1-1 - специальная, алюминиево-железистая латунь содержит 60% меди, 1% - алюминия, 1% - железа, остальное цинк.
Бронза - сплав меди с оловом, марганцем, алюминием, фосфором, никелем и другими элементами.
В зависимости от состава бронзы делятся на оловянистые и специальные (безоловянисые).
Маркировка бронз основана на том же принципе, что и латуней. Впереди стоят буквы Бр - бронза, далее следуют буквенные обозначения элементов, входящих в состав сплава, и за ними - цифры, указывающие среднее содержание этих элементов в процентах.
Алюминий - мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета, отличается высокой электропроводностью, коррозийной стойкостью, малой плотностью и хорошо обрабатывается давлением.
В отожженном состоянии алюминий обладает малой прочностью Σ_в=78,5 - 118 МПа и твердостью 15-25 НВ.
Алюминиевые сплавы, имея положительные качества алюминия, обладают, кроме того, повышенной прочностью и лучшими технологическими свойствами. Благодаря малой плотности их принято называть легкими сплавами.
В зависимости от состава и технологических свойств алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные. Их марки обозначаются буквами и цифрами. Так, например, деформируемые сплавы на основе алюминий - медь - магний (дюралюминий) маркируются буквой Д; алюминий - марганец : АМц, алюминий - магний: АМг; сплавы для поковок и штамповок - АК; литейные сплавы АЛ. Цифры после букв соответствуют порядковому номеру сплава. Лучшими литейными сплавами являются сплавы на основе алюминий - кремний, называемые силуминами.

Твердые сплавы

Твердые сплавы выпускаются в виде пластинок различных форм и размеров, получаемых методом порошковой металлургии (прессованием и спеканием). Основой для них служат порошки твердых зерен карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала), сцементированных кобальтом.
Промышленностью выпускаются три группы твердых сплавов: вольфрамовые - ВК, титановольфрамовые - ТК и титанотанталовольфрамовые - ТТК.
В обозначении марок сплавов используются буквы: В - карбид вольфрама, К - кобальт, первая буква Т - карбид титана, вторая буква Т - карбид тантала. Цифры после букв указывают примерное содержание компонентов в процентах. Остальное в сплаве (до 100%) - карбид вольфрама. Буквы в конце марки означают: В - крупнозернистую структуру, М - мелкозернистую, ОМ - особомелкозернистую.
Характерными признаками, определяющими режущие свойства твердых сплавов, являются высокая твердость, износостойкость и красностойкость до 1000 градусов С. Вместе с тем эти сплавы обладают меньшей вязкостью и теплопроводностью по сравнению с быстрорежущей сталью, что следует учитывать при их эксплуатации.
При выборе твердых сплавов необходимо руководствоваться следующими рекомендациями.
Вольфрамовые сплавы (ВК) по сравнению с титановольфрамовыми (ТК) обладают при резании меньшей температурой свариваемости со сталью, поэтому их применяют преимущественно для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов.
Сплавы группы ТК предназначены для обработки сталей.
Титанотанталовольфрамовые сплавы (ТТК), обладая повышенной прочностью и вязкостью, применяются для обработки стальных поковок, отливок при неблагоприятных условиях работы.
Для тонкого и чистового точения с малым сечением стружки следует выбирать сплавы с меньшим количеством кобальта и мелкозернистой структурой.
Черновая и чистовая обработки при непрерывном резании выполняются в основном сплавами со средним содержанием кобальта.
При тяжелых условиях резания и черновой обработке с ударной нагрузкой следует применять сплавы с большим содержанием кобальта и крупнозернистой структурой.

Основные марки вольфрамосодержащих твердых сплавов и области их применения

Применяемость по системе ISO		Цвет маркировки	Марка сплава		Области применения
Группа	Подгруппа		Без покрытия	С покрытием	Обрабатываемый материал	Рекомендуемое назначение
Р	01	Синий	Т30К4	-	Сталь и стальное литье	Чистовое точение, развертывание, фрезерование с малым сечением среза
	10	Синий	Т14К6	-	То же	Получерновое (непрерывное), чистовое (прерывистое) точение или фрезерование
	20	Синий	Т14К8	-	То же	Черновое (непрерывное), получерновое (прерывистое) точение или фрезерование, черновое зенкерование
	25	Синий	МС137	МС1460	Сталь и стальное литье, нержавеюща сталь	Черновое (прерывистое) точение и фрезерование, в том числе прерывистых поверхностей, работы по корке
	30	Синий	Т5К10, МС131	МС2210	То же	То же
	40	Синий	МС146	-	Сталь и стальное литье	Обработка в тяжелых условиях, в том числе по корке, при неравномерном сечении среза
М	20	Желтый	МС221	МС2210	Стали аустенитного класса, жаропрочные, титановые стали и сплавы	Черновая и получерновая обработка
	30	Желтый	ВК10-ОМ	-	Высокопрочные чугуны	То же
K	10	Красный	ВК6-ОМ, МС313	МС3210	Серый чугун, закаленная сталь, отбеленный чугун	Чистовая и получистовая обработка
	20	Красный	МС318, ВК6МС321	-	Серый чугун, цветные металлы и сплавы	Черновое и получерновое точение, получистовое фрезерование
	30	Красный	ВК8, ВК8М	-	То же	Черновое точение и фрезерование, сверление, зенкерование, нарезание резьбы

Минералокерамические материалы

В целях экономии дорогостоящих и редких материалов, входящих в состав твердых сплавов, создан минералокерамический материал - микролит марки ЦМ332 на основе корунда (оксида алюминия - Al₂O₃) в виде пластинок белого цвета. Микролит превосходит твердые сплавы по твердости и красностойкости (1300 градусов С), уступая им значительно по вязкости. Поэтому его применяют в основном для получистового и чистового точения при жесткой технологической системе и безударной нагрузке.
Так же разработаны более прочные керамические материалы, в частности марки В3, в виде многогранных неперетачиваемых пластинок черного цвета, содержащих, кроме корунда, карбиды тугоплавких металлов. Как показывает практика, такие пластины успешно конкурируют с твердым сплавом при чистовой обработке сталей и высокопрочных чугунов.
Сверхтвердые инструментальные материалы. Природные (А) и синтетические (АС) алмазы представляют собой кристаллическую модификацию чистого углерода. Они обладают самой большой из всех известных в природе материалов твердостью (по последним данным получены материалы, способные обрабатывать алмаз в твердых сечениях), теплостойкостью до 850 градусов С, низким коэффициентом трения и высокой теплопроводностью. Вместе с тем алмазы характеризуются хрупкостью и интенсивностью изнашивания при резании черных металлов. Последнее свойство объясняется диффузией углерода алмаза в железе при высокой температуре. Вследствие этого область применения алмазных резцов практически ограничивается тонким точением пластмасс и цветных металлов.
Для обработки резанием цветных металлов создан новый синтетический материал - кубический нитрид бора (КНБ). Такие материалы выпускаются с размерами заготовок 4-8 мм под общим названием композиты трех марок: композит 01 (эльбор Р), композит 05 и композит 10 (гексанит Р). Обладая химической инертностью к углероду и железосодержащим материалам, композиты по твердости приближаются к алмазу, но примерно вдвое превосходят его по теплостойкости (1600 градусов С). Поэтому они способны резать не только сырые, но и закаленные до высокой твердости стали.

Основные характеристики и области применения безвольфрамовых твердых сплавов

Марка	Основа	Плотность, г/см³	Твердость HRA	Области применения
TH20	TiC	5,5-6,0	90,0	Чистовая и получистовая обработка низколегитрованных и углеродистых сталей, цветных металлов и сплавов на основе меди, чугунов, никелевых сплавов, полиэтилена; области применения групп P01 - P10 при системе ISO
KHT16, ЛЦК29	TiCN	5,5-6,0	89,0	Получистовая и получерновая обработка тех же материалов; области применения групп P01 - P10 при системе ISO

Основные характеристики и области применения пластин из минералокерамики

Марка	Состав	Плотность, г/см³	Твердость	Предел прочности при изгибе Σ_иМПА	Области применения
ЦМ-322	Al₂O₃	3,96 - 3,98	До 2300 HV	350-400	Чистовая и получистовая обработка закаленных (30-50 HRCэ) сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов на основе меди. Работа без удара
В3	Al₂O₃+TiC	4,5 - 4,7	93 HRA	650	То же
ВОК60, ВОК71	Al₂O₃+TiC	4,2 - 4,3	94 HRA	650	Чистовая и получистовая обработка закаленных (45-60 HRCэ) сталей, чугунов с малыми сечениями среза
Кортнинг	Al₂O₃+TiN	4,2	93 HRA	750	Получистовая и чистовая обработка чугунов, в том числе в условиях прерывистого резания, обработка жаростойких никелевых сплавов

Основные характеристики и области применения сверхтвердых синтетических материалов

Марка	Состав	Твердость	Области применения
Эльбор "Р" (композит 01)	BN	До 8000 HV	Чистовая обработка закаленных (40-63 HRCэ), сталей, чугунов
Гексанит, композит 10, композит 10Д	BN	6000 HV	Чистовая обработка закаленных (40-68 HRCэ), сталей, чугунов, твердых сплавов
Композит 05	BN+Al₂O₃	4500 HV	Получистовая обработка чугунов, в том числе отбеленных, и других материалов, дающих стружку надлома
Силинит	Si₃N₄+Al₂O₃+добавки	До 96 HRA	Получистовая, чистовая обработка нержавеющих сталей, подкаленных сталей, чугунов