Материалы для режущего инструмента 101: типы, свойства и покрытия

Под инструментальными материалами в основном понимаются материалы, из которых изготовлена режущая часть инструмента. Их характеристики являются важнейшим фактором, влияющим на качество обработки, эффективность резания и срок службы инструмента. Разумное применение новых инструментальных материалов может не только эффективно повысить производительность, качество обработки и экономическую выгоду, но и часто является ключевым процессом для обработки некоторых труднообрабатываемых материалов.

I. Требования к рабочим характеристикам инструментальных материалов

1. Высокая твердость

Инструменты должны снимать слой металла с заготовки, поэтому твердость материала инструмента должна быть выше, чем у материала заготовки. Как правило, твердость инструментальных материалов при комнатной температуре должна быть выше 60HRC.

2. Высокая износостойкость

Инструментальные материалы должны обладать высокой износостойкостью, чтобы противостоять износу заготовки и стружки. Эти характеристики зависят от твердости инструментального материала, его химического состава и микроструктуры.

Чем выше твердость материала инструмента, тем выше износостойкость; чем больше износостойких карбидов сплава в материале инструмента, чем мельче и равномернее распределены зерна, тем выше износостойкость.

3. Достаточная прочность и выносливость

Во время резки инструмент подвергается различным нагрузкам, ударам и вибрациям. Чтобы предотвратить сколы и поломки, материал инструмента должен обладать достаточной прочностью и вязкостью.

4. Высокая термостойкость

Под жаростойкостью понимается способность инструментального материала сохранять твердость, прочность и вязкость при комнатной температуре в условиях высоких температур. Она также может быть выражена как горячая твердость или высокотемпературная твердость. Чем выше жаропрочность, тем выше допустимая скорость резки при механической обработке. Это ключевой показатель эффективности инструментального материала.

5. Хорошая обрабатываемость

Для облегчения производства инструментальные материалы должны обладать хорошими рабочими свойствами, такими как обрабатываемость, шлифуемость, кузнечность, свариваемость и термообработка. Кроме того, следует как можно чаще использовать инструментальные материалы, обладающие большим количеством ресурсов и низкой стоимостью.

II. Виды инструментальных материалов

Инструментальные материалы в основном включают инструментальную сталь (нелегированную инструментальную сталь и легированную инструментальную сталь), быстрорежущую сталь, цементированный карбид, керамические материалы и сверхтвердые инструментальные материалы. Их основные физико-механические свойства приведены в таблице 1.

Таблица 1 Физико-механические свойства различных инструментальных материалов

1. Быстрорежущая инструментальная сталь

Полное название быстрорежущей инструментальной стали - быстрорежущая легированная инструментальная сталь, также известная как белая сталь или острая сталь.

Быстрорежущая инструментальная сталь - это высоколегированная инструментальная сталь с большим количеством легирующих элементов, таких как W, Mo, Cr и V, добавленных в легированную инструментальную сталь. Эти легирующие элементы образуют с углеродом карбиды высокой твердости, что придает быстрорежущей инструментальной стали превосходную износостойкость.

Атомы вольфрама и атомы углерода обладают сильной связующей силой, что повышает высокотемпературную твердость стали. Роль молибдена в основном такая же, как и у вольфрама, он может рафинировать зерна карбидов, уменьшить неравномерность карбидов в стали и повысить вязкость стали.

Быстрорежущая инструментальная сталь - это инструментальный материал с хорошими общими характеристиками и широчайшим спектром применения. Она обладает высокой прочностью на изгиб, хорошей вязкостью и твердостью 63~66HRC после термообработки. Она легко затачивается до острой режущей кромки, поэтому в производстве ее часто называют "острой сталью".

Его жаропрочность составляет 600~660℃, а скорость резки может достигать около 30 м/мин при резке углеродистой стали. Он обладает хорошей обрабатываемостью и может использоваться для изготовления инструментов сложной формы, таких как сверла, метчики, формообразующие инструменты, протяжки и зубчатые инструменты. Он также подходит для обработки различных материалов, таких как углеродистая сталь, легированная сталь, цветные металлы и чугун.

По режущим свойствам быстрорежущая инструментальная сталь может быть разделена на обычную быстрорежущую инструментальную сталь и высокопроизводительную быстрорежущую инструментальную сталь.

(1) Обычная быстрорежущая инструментальная сталь

Обычная быстрорежущая инструментальная сталь может быть разделена на быстрорежущую инструментальную сталь вольфрамовой серии и быстрорежущую инструментальную сталь вольфрамо-молибденовой серии.

Ранней распространенной маркой быстрорежущей инструментальной стали вольфрамовой серии является W18Cr4V, которая обладает хорошими общими характеристиками и шлифуемостью. Она может быть использована для производства различных сложных инструментов и отделочных инструментов. Однако, поскольку вольфрам является важным стратегическим ресурсом, а эта марка содержит высокую долю вольфрама, ее применение стало менее распространенным, и в некоторых развитых странах она постепенно снимается с производства.

Распространенной маркой вольфрамо-молибденовой серии быстрорежущей инструментальной стали является W6Mo5Cr4V2, которая обладает хорошими общими характеристиками. Благодаря роли молибдена, его карбиды представляют собой мелкие частицы и равномерно распределены, поэтому его прочность на изгиб и ударная вязкость выше, чем у вольфрамовой серии быстрорежущей инструментальной стали. Она также обладает хорошей термопластичностью, что делает ее пригодной для изготовления горячекатаных инструментов. Однако этот материал обладает высокой чувствительностью к обезуглероживанию, узким диапазоном температур закалки и трудно поддается термообработке.

W9Mo3Cr4V - это быстрорежущая инструментальная сталь, разработанная Китаем самостоятельно. Ее твердость, прочность и термопластичность немного выше, чем у W6Mo5Cr4V2. Она обладает хорошей твердостью и вязкостью, легко поддается прокатке и ковке, имеет широкий температурный диапазон термообработки, низкую чувствительность к обезуглероживанию и более низкую стоимость.

(2) Высокопроизводительная быстрорежущая инструментальная сталь

Высокопроизводительная быстрорежущая инструментальная сталь - это новый тип быстрорежущей инструментальной стали, которая является улучшенной по сравнению с обычной быстрорежущей инструментальной сталью за счет изменения химического состава и добавления других легирующих элементов. Этот тип быстрорежущей инструментальной стали в основном используется для резки труднообрабатываемых материалов, таких как высокотемпературные сплавы, титановые сплавы, высокопрочная сталь и нержавеющая сталь.

Существует несколько видов высокопроизводительной быстрорежущей инструментальной стали:

1) Высокоуглеродистая быстрорежущая инструментальная сталь

Массовая доля углерода увеличивается до 0,9% - 1,05%, в результате чего все легирующие элементы в стали образуют карбиды, что повышает твердость, износостойкость и жаропрочность стали, но ее прочность и вязкость несколько снижаются. Типичная марка - 95W18Cr4V.

2) Высокованадиевая быстрорежущая инструментальная сталь

Массовая доля ванадия увеличена до 3% - 5%, типичная марка - W6Mo5Cr4V3. Благодаря повышенному содержанию карбида ванадия улучшается износостойкость быстрорежущей инструментальной стали, и она обычно используется для резки высокопрочной стали. Однако этот тип быстрорежущей инструментальной стали труднее поддается шлифовке, чем обычная быстрорежущая инструментальная сталь.

3) Кобальтовая быстрорежущая инструментальная сталь

Добавление кобальта в быстрорежущую инструментальную сталь повышает ее высокотемпературную твердость и стойкость к окислению. Типичной маркой является W2Mo9Cr4VCo8, которая обладает хорошими комплексными характеристиками и очень эффективна для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как высокотемпературные сплавы и нержавеющая сталь.

4) Алюминиевая быстрорежущая инструментальная сталь

Алюминиевая быстрорежущая инструментальная сталь - это новый тип быстрорежущей инструментальной стали, уникально разработанный в Китае. Благодаря добавлению небольшого количества алюминия в обычную быстрорежущую сталь, повышается жаропрочность и износостойкость быстрорежущей инструментальной стали, и она обладает хорошими комплексными характеристиками.

Типичной маркой является W6Mo5Cr4V2Al, которая достигает режущих свойств кобальтовой быстрорежущей инструментальной стали, обладает хорошей обрабатываемостью, недорога и близка по цене к обычной быстрорежущей инструментальной стали. Однако она плохо поддается шлифовке и требует строгих процессов термообработки.

С ростом использования высокоточных сложных инструментов стоимость обработки составляет большую часть стоимости инструмента, а стоимость материала - меньшую часть (от 15% до 30%). Поэтому экономически целесообразно использовать высокопроизводительные инструментальные материалы. Для таких станков, как обрабатывающие центры, где затраты на смену инструмента высоки, следует еще больше использовать высокопроизводительные инструментальные материалы.

Марки и основные механические свойства вышеупомянутых быстрорежущих инструментальных сталей приведены в таблице 2.

Таблица 2 Марки и основные механические свойства быстрорежущей стали

2. Твердый сплав

Твердый сплав - это продукт порошковой металлургии, изготовленный путем спекания порошков карбида вольфрама (WC) и карбида титана (TiC) в качестве основных компонентов, а также кобальта (Co), молибдена (Mo) и никеля (Ni) в качестве связующих в вакуумной печи или печи для восстановления водорода.

Твердость твердого сплава достигает 89~94HRA, что эквивалентно 71~76HRC, с очень хорошей износостойкостью. Термостойкость может достигать 800~1000℃, а скорость резки может достигать более 100 м/мин при резке среднеуглеродистой стали. Однако прочность на изгиб и вязкость ниже, чем у быстрорежущей стали, а обрабатываемость немного хуже, чем у быстрорежущей стали.

В настоящее время твердый сплав стал основным инструментальным материалом в обработке резанием, широко используется в различных инструментах с более высокими скоростями резания и даже в сложных инструментах, таких как торцевые фрезы из твердого сплава, концевые фрезы, расточные инструменты, сверла, развертки и т.д.

Характеристики твердого сплава в основном зависят от типа, содержания и размера частиц карбидов металла, а также от типа и содержания связующего вещества. В твердых сплавах более высокая доля карбидов приводит к повышению твердости и износостойкости, а большее количество связующего - к повышению прочности на изгиб. Как правило, прочность мелкозернистых твердых сплавов ниже, чем у крупнозернистых твердых сплавов того же состава, а твердость выше, чем у крупнозернистых твердых сплавов.

GB/T 18376.1-2008 классифицирует твердые сплавы для режущих инструментов на шесть категорий: K, P, M, H, S и N, в зависимости от обрабатываемого материала. Для удовлетворения различных требований к использованию они делятся на несколько групп по износостойкости и вязкости, обозначаемых двузначными числами, такими как 01, 10, 20, 30, 40 и т. д.

В таблице 3 приведены классификация, группировка и рекомендуемые условия работы для первых трех категорий. Категория H (H01~H30) в основном используется для обработки твердых режущих материалов; категория S (S01~S30) в основном используется для обработки жаропрочных и высококачественных сплавов; категория N (N01~N30) в основном используется для обработки цветных металлов и неметаллических материалов.

Таблица 3 Классификация, группировка и рекомендуемые условия обработки твердых сплавов резанием

Ниже представлены несколько широко используемых для резки твердых сплавов:

(1) Твердый сплав типа K

Это сплав на основе WC с Co в качестве связующего или с добавлением небольшого количества TaC и NbC. В основном используется для обработки материалов с короткой стружкой, таких как чугун, охлажденный чугун, ковкий чугун с короткой стружкой, серый чугун и т.д. Распространенные марки включают K01, K10, K20, K30, K40 и т.д.

По мере увеличения номера марки от 10, 20, 30 до 40 содержание кобальта увеличивается, что приводит к повышению прочности, но снижению твердости, жаропрочности и износостойкости, что делает ее пригодной для грубой обработки. И наоборот, чем больше в нем карбида вольфрама, тем выше твердость, жаропрочность и износостойкость, но ниже прочность, что делает его пригодным для тонкой обработки.

(2) Твердый сплав P-типа

Это сплав на основе TiC и WC с Co (Ni+Mo, Ni+Co) в качестве связующего. Благодаря наличию TiC, он повышает температуру сцепления со сталью и способность предотвращать диффузию. В основном используется для обработки материалов с длинной стружкой, таких как сталь, стальное литье, ковкий чугун с длинной стружкой и т.д.

Распространенные марки: P01, P10, P20, P30, P40 и др. Содержание кобальта последовательно увеличивается, что приводит к повышению прочности, но снижению твердости, жаропрочности и износостойкости, что делает ее пригодной для грубой обработки. И наоборот, чем больше TiC в составе, тем выше твердость, жаропрочность и износостойкость, но ниже прочность, что делает ее пригодной для тонкой обработки.

(3) Твердый сплав типа М

Это сплав на основе WC с Co в качестве связующего, с добавлением небольшого количества TiC (TaC, NbC). Благодаря добавлению определенного количества редких металлов TaC (NbC), он улучшает прочность на изгиб, усталостную прочность и ударную вязкость, а также высокотемпературную твердость, прочность, сопротивление окислению и износостойкость.

Распространенные марки: M01, M10, M20, M30, M40 и т. д. Твердые сплавы типа М являются сплавами общего назначения и могут использоваться для обработки нержавеющей стали, литой стали, марганцевой стали, ковкого чугуна, легированной стали, легированного чугуна и т. д.

3. Другие инструментальные материалы

(1) Керамика

Керамические инструментальные материалы изготавливаются из искусственных соединений, формируются под высоким давлением и спекаются при высоких температурах. Они имеют твердость 91~95HRA, термостойкость до 1200℃, хорошую химическую стабильность и низкое сродство с металлами. По сравнению с твердыми сплавами, они могут увеличить скорость резки в 3-5 раз.

Однако их главным недостатком является низкая прочность на изгиб и плохая ударная вязкость. В основном они используются для полуфинишной и финишной обработки стали, чугуна и материалов с высокой твердостью (например, закаленной стали) в процессе непрерывной резки.

(2) Алмаз

Алмаз делится на природный и синтетический, оба являются аллотропами углерода. Природный алмаз редко используется из-за его высокой стоимости. Синтетический алмаз изготавливается из графита при высокой температуре и под высоким давлением, а его твердость составляет 10000HV.

Алмазные инструменты могут точно резать цветные металлы и сплавы, керамику и другие высокотвердые и износостойкие материалы. Однако они имеют плохую химическую стабильность с железом и не подходят для обработки черных материалов. Их термическая стабильность также плохая, и когда температура достигает 800℃, алмазные инструменты подвергаются карбонизации на воздухе, что приводит к быстрому износу.

(3) Кубический нитрид бора

Кубический нитрид бора синтезируется искусственными методами при высокой температуре и высоком давлении с добавлением катализатора. Он имеет твердость 8000~9000HV и термостойкость 1400℃. Он в основном используется для полуфинишной и финишной обработки высокотемпературных сплавов, закаленной стали и охлажденных чугунных материалов.

III. Покрытие поверхности инструментальных материалов

Вязкость и твердость инструментальных материалов обычно не могут быть сбалансированы, поэтому срок службы большинства инструментальных материалов в основном зависит от износа. В последние годы для правильного решения этой проблемы были приняты методы обработки поверхностных покрытий.

Покрытие поверхности инструментальных материалов применяется к инструментам из быстрорежущей стали и прочных цементированных карбидных материалов. С помощью таких методов, как химическое осаждение из паровой фазы и вакуумное напыление, на поверхность инструмента наносится очень тонкий (5~12 мкм) слой соединения карбида титана (TiC) или нитрида титана (TiN) с высокой твердостью, износостойкостью и тугоплавкостью, образуя золотисто-желтое поверхностное покрытие.

Благодаря высокой твердости и низкому коэффициенту трения покрытия повышается износостойкость инструмента. Покрытие также обладает антиокислительными и антиадгезионными свойствами, замедляя износ инструмента. Таким образом, скорость резания может быть увеличена с 30% до 50%, а срок службы инструмента может быть увеличен в несколько раз.