مواد أدوات القطع 101: الأنواع والخصائص والطلاءات

تشير مواد الأداة بشكل أساسي إلى مواد جزء القطع من الأداة. ويعد أداؤها عاملاً حاسمًا يؤثر على جودة التصنيع وكفاءة القطع وعمر الأداة. لا يمكن أن يؤدي التطبيق المعقول لمواد الأدوات الجديدة إلى تحسين الإنتاجية وجودة التصنيع والفوائد الاقتصادية بشكل فعال فحسب، بل غالبًا ما تكون العملية الرئيسية لتصنيع بعض المواد التي يصعب تصنيعها آليًا.

I. متطلبات الأداء لمواد الأدوات

1. صلابة عالية

تحتاج الأدوات إلى إزالة الطبقة المعدنية من قطعة العمل، لذلك يجب أن تكون صلابة مادة الأداة أكبر من صلابة مادة قطعة العمل. بشكل عام، يجب أن تكون صلابة مواد الأداة في درجة حرارة الغرفة أعلى من 60HRC.

2. مقاومة عالية للتآكل

يجب أن تتمتع مواد الأدوات بمقاومة عالية للتآكل لمقاومة التآكل من الشُّغْلَة والبُرادة. يعتمد هذا الأداء على صلابة مادة الأداة وتركيبها الكيميائي وبنيتها المجهرية.

كلما زادت صلابة مادة الأداة، كانت مقاومة التآكل أفضل؛ وكلما زادت صلابة مادة الأداة كلما كانت الحبيبات أدق وموزعة بشكل موحد، كلما كانت مقاومة التآكل أفضل.

3. القوة والصلابة الكافية

أثناء عملية القطع، تتعرض الأداة لضغوط وصدمات واهتزازات مختلفة. لمنع التقطيع والكسر، يجب أن تتمتع مادة الأداة بالقوة والصلابة الكافية.

4. مقاومة عالية للحرارة

تشير المقاومة الحرارية إلى قدرة مادة الأداة على الحفاظ على صلابتها وقوتها وصلابتها في درجة حرارة الغرفة في ظل ظروف درجات الحرارة العالية. ويمكن التعبير عنها أيضًا بالصلابة الساخنة أو الصلابة في درجات الحرارة العالية. كلما كانت مقاومة الحرارة أفضل، كلما زادت المقاومة الحرارية المسموح بها سرعة القطع في التصنيع الآلي. وهو مؤشر رئيسي لأداء مادة الأداة.

5. قابلية تشغيل جيدة

ولتسهيل التصنيع، يجب أن تتمتع مواد الأدوات بقابلية تشغيل جيدة، مثل قابلية التشغيل الآلي، وقابلية الطحن، وقابلية التشكيل، وقابلية اللحام، وخصائص المعالجة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، يجب استخدام مواد الأدوات الوفيرة في الموارد والمنخفضة التكلفة قدر الإمكان.

ثانيًا. أنواع مواد الأدوات

تشمل مواد الأدوات بشكل أساسي فولاذ الأدوات (فولاذ الأدوات غير السبائكي وسبائك الفولاذ)، والفولاذ عالي السرعة، والكربيد الأسمنتي، والمواد الخزفية، ومواد الأدوات فائقة الصلابة. وترد خصائصها الفيزيائية والميكانيكية الرئيسية في الجدول 1.

الجدول 1 الخواص الفيزيائية والميكانيكية لمواد الأدوات المختلفة

1. فولاذ الأدوات عالي السرعة

الاسم الكامل لفولاذ الأدوات عالي السرعة هو فولاذ الأدوات عالي السرعة من السبائك، والمعروف أيضًا باسم الفولاذ الأبيض أو الفولاذ الحاد.

فولاذ الأدوات عالي السرعة عبارة عن فولاذ أدوات عالي السرعة عبارة عن فولاذ أدوات عالي السبائك مع كمية كبيرة من عناصر السبائك مثل W، Mo، وM، وCr، وV المضافة إلى سبائك الفولاذ. تشكل عناصر السبائك هذه كربيدات عالية الصلابة مع الكربون، مما يمنح فولاذ الأدوات عالي السرعة مقاومة ممتازة للتآكل.

تتمتع ذرات التنجستن وذرات الكربون بقوة ارتباط قوية، مما يزيد من صلابة الفولاذ في درجات الحرارة العالية. إن دور الموليبدينوم هو في الأساس نفس دور التنجستن، ويمكنه تنقية حبيبات الكربيدات، وتقليل تفاوت الكربيدات في الفولاذ، وتحسين صلابة الفولاذ.

فولاذ الأدوات عالي السرعة هو مادة أدوات ذات أداء عام جيد وأوسع نطاق من التطبيقات. يتميز بقوة ثني عالية وصلابة جيدة وصلابة تتراوح بين 63 و66HRC بعد المعالجة الحرارية. من السهل طحنه إلى حافة قطع حادة، لذلك غالبًا ما يطلق عليه "الفولاذ الحاد" في الإنتاج.

تبلغ مقاومته للحرارة 600 ~ 660 ℃، ويمكن أن تصل سرعة القطع إلى حوالي 30 م / دقيقة عند قطع مواد الفولاذ الكربوني. إنه ذو قابلية معالجة جيدة ويمكن استخدامه لتصنيع الأدوات ذات الأشكال المعقدة، مثل المثاقب، والصنابير، وأدوات التشكيل، والدبابيس، وأدوات التروس. كما أنها مناسبة لمعالجة مواد مختلفة مثل الفولاذ الكربوني وسبائك الفولاذ والمعادن غير الحديدية والحديد الزهر.

يمكن تقسيم فولاذ الأدوات عالي السرعة إلى فولاذ أدوات عادي عالي السرعة وفولاذ أدوات عالي السرعة عالي الأداء بناءً على أداء القطع.

(1) فولاذ الأدوات العادي عالي السرعة

يمكن تقسيم فولاذ الأدوات العادي عالي السرعة إلى فولاذ الأدوات عالي السرعة من سلسلة التنجستن وفولاذ الأدوات عالي السرعة من سلسلة التنجستن والموليبدينوم.

الدرجة الشائعة المبكرة من فولاذ الأدوات عالي السرعة من سلسلة التنغستن هي W18Cr4V، والتي تتميز بأداء عام جيد وقابلية طحن جيدة. ويمكن استخدامه لتصنيع مختلف الأدوات المعقدة وأدوات التشطيب. ومع ذلك، نظرًا لأن التنغستن مورد استراتيجي مهم وتحتوي هذه الدرجة على نسبة عالية من التنغستن، فإن استخدامه الآن أقل شيوعًا وتم التخلص التدريجي منه في بعض البلدان المتقدمة.

إن الدرجة الشائعة من فولاذ الأدوات عالي السرعة من سلسلة التنجستن والموليبدينوم هي W6Mo5Cr4V2، والتي تتمتع بأداء عام جيد. نظرًا لدور الموليبدينوم، فإن كربيداته عبارة عن جزيئات دقيقة وموزعة بالتساوي، وبالتالي فإن قوة الانحناء وصلابة الصدمات أعلى من تلك الموجودة في فولاذ الأدوات عالي السرعة من سلسلة التنجستن. كما أن لديها أيضًا مرونة حرارية جيدة، مما يجعلها مناسبة لتصنيع الأدوات المدرفلة على الساخن. ومع ذلك، فإن هذه المادة لديها حساسية عالية لإزالة الكربنة، ونطاق درجة حرارة التبريد الضيق، ومن الصعب إتقان عملية المعالجة الحرارية.

W9Mo3Cr4V هو فولاذ أدوات عالي السرعة طورته الصين بشكل مستقل. صلابته وقوته ومرونته الحرارية أعلى قليلاً من صلابة وقوة ومرونة W6Mo5Cr4V2. ويتميز بالصلابة والمتانة الجيدة، كما أنه سهل الدرفلة والتشكيل، وله نطاق واسع من درجات حرارة المعالجة الحرارية، وحساسية منخفضة لإزالة الكربنة، وتكلفة أقل.

(2) فولاذ الأدوات عالي السرعة عالي الأداء

إن فولاذ الأدوات عالي السرعة عالي الأداء هو نوع جديد من فولاذ الأدوات عالي السرعة الذي يعد تحسينًا على فولاذ الأدوات عالي السرعة العادي من خلال تعديل التركيب الكيميائي وإضافة عناصر سبائك أخرى. يُستخدم هذا النوع من فولاذ الأدوات عالي السرعة بشكل أساسي لقطع المواد التي يصعب تصنيعها مثل السبائك عالية الحرارة، وسبائك التيتانيوم، والفولاذ عالي القوة، والفولاذ المقاوم للصدأ.

هناك عدة أنواع من فولاذ الأدوات عالي السرعة عالي الأداء:

1) فولاذ الأدوات عالي الكربون عالي السرعة

يتم زيادة الجزء الكتلي من الكربون إلى 0.9% إلى 1.05%، مما يتسبب في زيادة جميع عناصر السبائك في الفولاذ لتكوين كربيدات، وبالتالي تحسين صلابة الفولاذ ومقاومة التآكل ومقاومة الحرارة للصلب، ولكن قوته وصلابته تنخفض قليلاً. الدرجة النموذجية هي 95W18Cr4V.

2) فولاذ الأدوات عالي السرعة عالي الفاناديوم

يتم زيادة الجزء الكتلي من الفاناديوم إلى 3% إلى 5%، مع كون الدرجة النموذجية هي W6Mo5Cr4V3. نظرًا لزيادة محتوى كربيد الفاناديوم، تم تحسين مقاومة التآكل في فولاذ الأدوات عالي السرعة، ويستخدم بشكل عام لقطع الفولاذ عالي القوة. ومع ذلك ، فإن هذا النوع من فولاذ الأدوات عالي السرعة أكثر صعوبة في الطحن من فولاذ الأدوات عالي السرعة العادي.

3) فولاذ الأدوات عالي السرعة من الكوبالت

تعمل إضافة الكوبالت إلى فولاذ الأدوات عالي السرعة على تحسين صلابته في درجات الحرارة العالية ومقاومته للأكسدة. الرتبة النموذجية هي W2Mo9Cr4VCo8، والتي تتميز بأداء شامل جيد وفعال للغاية في تصنيع المواد التي يصعب تصنيعها مثل السبائك عالية الحرارة والفولاذ المقاوم للصدأ.

4) الألومنيوم فولاذ الأدوات عالي السرعة

فولاذ الأدوات عالي السرعة المصنوع من الألومنيوم هو نوع جديد من فولاذ الأدوات عالي السرعة تم تطويره بشكل فريد في الصين. من خلال إضافة كمية صغيرة من الألومنيوم إلى الفولاذ العادي عالي السرعة، يتم تحسين مقاومة الحرارة ومقاومة التآكل لصلب الأدوات عالي السرعة، ويتمتع بأداء شامل جيد.

الرتبة النموذجية هي W6Mo5Cr4V2Al، والتي تحقق أداء القطع لصلب الأدوات عالي السرعة من الكوبالت، وتتمتع بقدرة جيدة على التشغيل الآلي، وهي غير مكلفة، وقريبة في السعر من فولاذ الأدوات العادي عالي السرعة. ومع ذلك، فإن قابليته للطحن ضعيفة ويتطلب عمليات معالجة حرارية صارمة.

مع زيادة استخدام الأدوات المعقدة عالية الدقة، تمثل تكلفة المعالجة نسبة كبيرة من تكلفة الأداة، بينما تمثل تكلفة المواد نسبة أقل (15% إلى 30%). لذلك، من المعقول اقتصاديًا استخدام مواد الأدوات عالية الأداء. بالنسبة لأدوات الماكينات مثل مراكز الماكينات، حيث تكون تكاليف تغيير الأدوات مرتفعة، يجب استخدام مواد الأدوات عالية الأداء بشكل أكبر.

يوضح الجدول 2 الدرجات والخصائص الميكانيكية الرئيسية لأنواع فولاذ الأدوات عالية السرعة المذكورة أعلاه.

الجدول 2 الدرجات والخصائص الميكانيكية الرئيسية للفولاذ عالي السرعة

2. سبيكة صلبة

السبائك الصلبة هي عبارة عن منتج مسحوق معدني مصنوع من خلال تلبيد مساحيق كربيد التنجستن (WC) وكربيد التيتانيوم (TiC) كمكونات رئيسية، والكوبالت (Co) والموليبدينوم (Mo) والنيكل (Ni) كمواد رابطة في فرن تفريغ الهواء أو فرن اختزال الهيدروجين.

تصل صلابة السبيكة الصلبة إلى 89 ~ 94HRA، أي ما يعادل 71 ~ 76HRC، مع مقاومة تآكل جيدة جدًا. يمكن أن تصل مقاومة الحرارة إلى 800 ~ 1000 ℃، ويمكن أن تصل سرعة القطع إلى أكثر من 100 متر / دقيقة عند قطع الفولاذ الكربوني المتوسط. ومع ذلك، فإن قوة ثنيها وصلابتها أقل من الفولاذ عالي السرعة، وقابليتها للمعالجة أسوأ قليلاً من الفولاذ عالي السرعة.

في الوقت الحاضر، أصبحت السبائك الصلبة هي مادة الأداة الرئيسية في معالجة القطع، وتستخدم على نطاق واسع في أدوات مختلفة بسرعات قطع أعلى، وحتى في الأدوات المعقدة، مثل قواطع تفريز الوجه المصنوعة من السبائك الصلبة، والمطاحن الطرفية، وأدوات الثقب، والمثاقب، والمثاقب، والمثاقب، وما إلى ذلك.

يعتمد أداء السبيكة الصلبة بشكل أساسي على نوع ومحتوى وحجم جسيمات الكربيدات المعدنية وكذلك نوع ومحتوى المادة الرابطة. في السبائك الصلبة، تؤدي النسبة الأعلى من الكربيدات في السبائك الصلبة إلى صلابة أعلى ومقاومة تآكل أفضل؛ ويؤدي المزيد من المادة الرابطة إلى قوة ثني أعلى. وبوجه عام، تكون قوة السبائك الصلبة ذات الحبيبات الدقيقة أقل من السبائك الصلبة ذات الحبيبات الخشنة بنفس التركيب، بينما تكون الصلابة أعلى من السبائك الصلبة ذات الحبيبات الخشنة.

يصنف GB/T 18376.1-2008 السبائك الصلبة لأدوات القطع إلى ست فئات: K، وP، وM، وH، وS، وN، بناءً على المواد التي تتم معالجتها. لتلبية متطلبات الاستخدام المختلفة، يتم تقسيمها إلى عدة مجموعات وفقًا لمقاومة التآكل والصلابة، ممثلة بأرقام مكونة من رقمين مثل 01، 10، 20، 30، 40، إلخ.

يسرد الجدول 3 التصنيف والتجميع وظروف العمل الموصى بها للفئات الثلاث الأولى. وتستخدم الفئة H (H01 ~ H30) بشكل أساسي لمعالجة مواد القطع الصلبة؛ وتستخدم الفئة S (S01 ~ S30) بشكل أساسي لمعالجة المواد المقاومة للحرارة والمواد عالية الجودة من السبائك؛ وتستخدم الفئة N (N01 ~ N30) بشكل أساسي لمعالجة المعادن غير الحديدية والمواد غير المعدنية.

الجدول 3 التصنيف والتجميع وظروف العمل الموصى بها للسبائك الصلبة لمعالجة القطع

نقدم فيما يلي العديد من السبائك الصلبة شائعة الاستخدام للقطع:

(1) سبيكة صلبة من النوع K

وهي سبيكة تعتمد على WC مع Co كمادة رابطة أو مع إضافة كمية صغيرة من TaC وNbC. تُستخدم بشكل أساسي في معالجة المواد ذات الرقائق القصيرة، مثل الحديد الزهر، والحديد الزهر المبرد، والحديد الزهر القابل للطرق ذو الرقائق القصيرة، والحديد الزهر الرمادي، إلخ. تشمل الدرجات الشائعة K01، K10، K20، K30، K40، إلخ.

كلما زاد رقم الدرجة من 10 و20 و30 إلى 40، يزداد محتوى الكوبالت، مما يؤدي إلى قوة أعلى ولكن صلابة ومقاومة للحرارة ومقاومة للتآكل أقل، مما يجعله مناسبًا للتشغيل الآلي الخشن. وعلى العكس من ذلك، كلما زادت نسبة كربيد التنجستن الذي يحتوي عليه، زادت الصلابة ومقاومة الحرارة ومقاومة التآكل، ولكن انخفضت القوة، مما يجعله مناسبًا للتشغيل الآلي الدقيق.

(2) سبيكة صلبة من النوع P

وهي سبيكة تعتمد على TiC وWC مع Co (Ni+Mo، Ni+Co) كمادة رابطة. نظرًا لوجود TiC، فإنه يحسن درجة حرارة الترابط مع الفولاذ والقدرة على منع الانتشار. يُستخدم بشكل أساسي في معالجة المواد ذات الرقائق الطويلة، مثل الفولاذ، والفولاذ المصبوب، والحديد الزهر الطويل القابل للطرق ذي الرقائق الطويلة، إلخ.

تشمل الدرجات الشائعة P01، P10، P20، P30، P40، إلخ. يزداد محتوى الكوبالت بالتتابع، مما ينتج عنه قوة أعلى ولكن صلابة ومقاومة للحرارة ومقاومة للتآكل أقل، مما يجعله مناسبًا للتشغيل الآلي الخشن. وعلى العكس من ذلك، كلما زاد محتوى الكوبالت، زادت الصلابة ومقاومة الحرارة ومقاومة التآكل، ولكن كلما انخفضت القوة، مما يجعله مناسبًا للتشغيل الآلي الدقيق.

(3) سبيكة صلبة من النوع M

إنها سبيكة تعتمد على WC مع Co كمادة رابطة مع إضافة كمية صغيرة من TiC (TaC، NbC). ونظرًا لإضافة كمية معينة من المعادن النادرة TaC (NbC)، فإنها تحسن من قوة الانحناء، وقوة التعب، وصلابة الصدمات، بالإضافة إلى الصلابة في درجات الحرارة العالية، والقوة، ومقاومة الأكسدة، ومقاومة التآكل.

تشمل الدرجات الشائعة M01، M10، M20، M30، M40، إلخ. السبائك الصلبة من النوع M هي سبائك للأغراض العامة ويمكن استخدامها لمعالجة الفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ المصبوب، والفولاذ المنغنيز، والحديد الزهر القابل للطرق، وسبائك الفولاذ، وسبائك الحديد الزهر، إلخ.

3. مواد الأدوات الأخرى

(1) السيراميك

تُصنع مواد الأدوات الخزفية من مركبات اصطناعية، يتم تشكيلها تحت ضغط عالٍ وتلبيدها في درجات حرارة عالية. وتبلغ صلابتها 91 ~ 95HRA، ومقاومة للحرارة تصل إلى 1200 درجة مئوية، وثبات كيميائي جيد، وتقارب منخفض مع المعادن. بالمقارنة مع السبائك الصلبة، يمكنها زيادة سرعة القطع بمقدار 3 إلى 5 مرات.

ومع ذلك، فإن أكبر عيوبها هو انخفاض قوة الانحناء وضعف صلابة الصدمات. وهي تُستخدم بشكل أساسي في الصقل والتشطيب شبه النهائي للصلب والحديد الزهر والمواد عالية الصلابة (مثل الصلب المروي) أثناء القطع المستمر.

(2) الماس

ينقسم الماس إلى نوعين طبيعي وصناعي، وكلاهما من متآصلات الكربون. ونادراً ما يُستخدم الألماس الطبيعي نظراً لارتفاع تكلفته. يُصنع الماس الاصطناعي من الجرافيت تحت درجة حرارة عالية وضغط مرتفع، وتصل صلابته إلى 10000HV.

يمكن لأدوات الماس قطع المعادن غير الحديدية والسبائك والسيراميك وغيرها من المواد عالية الصلابة والمقاومة للتآكل بدقة. ومع ذلك، فإن ثباتها الكيميائي ضعيف مع الحديد وهي غير مناسبة لمعالجة المواد الحديدية. كما أن ثباتها الحراري ضعيف أيضًا، وعندما تصل درجة الحرارة إلى 800 درجة مئوية، تتعرض أدوات الماس للكربنة في الهواء، مما يؤدي إلى تآكل سريع.

(3) نيتريد البورون المكعب

يتم تصنيع نيتريد البورون المكعب باستخدام طرق اصطناعية تحت درجة حرارة عالية وضغط مرتفع مع إضافة عامل حفاز. تبلغ صلابته 8000 ~ 9000HV ومقاومته للحرارة 1400 ℃. ويُستخدم بشكل أساسي في الصقل والتشطيب شبه النهائي للسبائك عالية الحرارة، والصلب المقوى، ومواد الحديد الزهر المبرد.

ثالثًا: الطلاء السطحي طلاء سطح مواد الأدوات

لا يمكن تحقيق التوازن بين صلابة وصلابة مواد الأدوات بشكل عام، لذلك يتأثر العمر الافتراضي لمعظم مواد الأدوات بشكل أساسي بالتآكل. في السنوات الأخيرة، تم اعتماد طرق معالجة طلاء السطح لحل هذه المشكلة بشكل صحيح.

يتم تطبيق الطلاء السطحي لمواد الأدوات على الأدوات المصنوعة من الفولاذ عالي السرعة ومواد الكربيد الأسمنتي الصلب. من خلال طرق مثل ترسيب البخار الكيميائي والرش بالفراغ، يتم ترسيب طبقة رقيقة جداً (5 إلى 12 ميكرومتر) من مركب كربيد التيتانيوم (TiC) أو نيتريد التيتانيوم (TiN) عالي الصلابة ومقاومته للتآكل ومركب معدني حراري على سطح الأداة، مما يشكل طبقة سطحية ذهبية صفراء اللون.

ونظرًا للصلابة العالية ومعامل الاحتكاك المنخفض للطلاء، يتم تحسين مقاومة الأداة للتآكل. كما يتميز الطلاء أيضًا بخصائص مضادة للأكسدة ومضادة للالتصاق، مما يؤخر تآكل الأداة. ولذلك، يمكن زيادة سرعة القطع من 30% إلى 50%، ويمكن إطالة عمر الأداة عدة مرات.