Инструментальные материалы

Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова



            Инструментальные материалы













Москва





                znanium com





электронно-библиотечная система

Инфра-М

2016

Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова



            Инструментальные материалы


Учебное пособие









Москва
Инфра-М; Znanium.com

2016

Воробьева, Г.А.
     Инструментальные материалы: учеб. пособие / Г.А. Воробьева, Е.Е.
Складнова, А.Ф. Леонов, В.К. Ерофеев. - М.: Инфра-М; Znanium.com, 2016. -268 с.
ISBN 978-5-16-105095-8 (online)


















ISBN 978-5-16-105095-8 (online)

© Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова, А.Ф.
Леонов, В.К. Ерофеев, 2016

ПРЕДИСЛОВИЕ

   Развитие технологии машиностроения в значительной степени зависит от технического уровня инструментального производства. Срок службы инструмента, число промежуточных перезаточек существенно влияют на стоимость готовых изделий. Условием производства высококачественного и долговечного инструмента является выбор инструментального материала, соответствующего назначению и нагрузкам, возникающим при его работе. При этом следует учитывать структурные, металлургические, эксплуатационные и технологические факторы, определяющие поведение материала в процессе эксплуатации.
   Материал изделия целесообразно рассматривать как интегральное понятие, объединяющее в себе вещество, технологию его получения, конструкцию, технологию ее изготовления и обработки [1]. Долговечность инструмента зависит не только от свойств материала, определяемых технологией изготовления и объемного упрочнения, но и в значительной степени от свойств поверхности. Ее роль в обеспечении эксплуатационных свойств изделий постоянно возрастает, что способствовало, наряду с широким использованием традиционных методов химико-термической обработки, появлению и развитию нового направления — инженерии поверхности методами энергетического и физико-химического воздействия. Реализация этой концепции при выборе материала позволит улучшить эксплуатационные свойства инструмента и в ряде случаев снизить расход дорогостоящих материалов. Стойкость инструментов с покрытиями возрастает до 3-10 раз, при этом срок службы инструмента может быть существенно увеличен за счет повышения его стоимости на 20-30 %. В настоящее время в Германии и США доля инструмента с покрытиями составляет -90 и 95 % соответственно, в России ~ 20-30 % [2].
   Надежный метод упрочнения поверхностного слоя может дать сопоставимые результаты только при стабильном качестве поверхности, в том числе ее очистки. Состояние поверхности детали (инструмента) зависит не только от структуры основного материала и всех условий его изготовления, но и, прежде всего, от последней операции его производства или обработки [3].
   В европейских центрах по термической обработке 85-90 % изделий из инструментальных сталей (матрицы, штампы, калибры, металлорежущий инструмент) обрабатываются в вакуумных печах, что позволяет повысить не только механические свойства при объемном упрочнении, но и качество поверхности, в дальнейшем обеспечивающее необходимые свойства поверхностно-упрочненных слоев [4]. Лучшей подготовкой поверхностных слоев и сердцевины инструмента из порошковых инструментальных сталей для последующего процесса поверхностного упрочнения является вакуумная закалка. Для получения гарантированных необходимых эксплуатационных свойств инструмента (и других изделий) целесообразно создавать специализированные предприятия (по аналогии с центрами по термической обработке в США и европейских странах), осуществляющие проведение в полностью автоматизированном режиме всех видов объемной и поверхностной термической и химико-термической обработок (вакуумный отжиг, упрочнение и отпуск в вакууме и атмосфере защитных газов, насыщение поверхности углеродом, азотом, углеродом и азотом), а также упрочнение поверхности с использованием высококонцентрированных источников энергии (плазменные и лазерные технологии). Это обеспечит высокое качество на каждом этапе технологического

3

процесса, что позволит практически отказаться от контроля готовых изделий, более полную загрузку оборудования и, следовательно, снижение стоимости обработки материалов.
   В связи с вышеизложенным в справочнике, наряду со сведениями о химическом составе отечественных сталей и сплавов, в том числе новых, принципах их маркировки в соответствии со стандартами, принципах маркировки их зарубежных аналогов по стандартам этих стран и евронормам, о режимах термической обработки, механических свойствах (в зависимости от размеров заготовок, режимов термической и химико-термической обработки, температур эксплуатации) и технологических свойствах, значительное внимание уделено современным технологическим процессам. Они используются как на стадии производства и разливки материалов (электрошлаковый переплав, метод бескремнистого раскисления, импульсной переменно-градиентной кристаллизации, порошковой металлургии и др.), производства заготовок и инструмента (изотермическая штамповка в условиях сверхпластичности, литейные технологии, экструзия), так и на стадии объемного (термоциклическая обработка, вакуумная термическая обработка, аэротермоакустическая и другие виды обработки) и поверхностного упрочнения (ионное азотирование, лазерная и плазменная закалка, лазерное и плазменное легирование и наплавка, формирование на поверхности инструмента специальных многофункциональных тонкопленочных структур, алмазных и алмазоподобных пленочных покрытий, аморфного тонкопленочного покрытия методом финишного плазменного упрочнения).
   Наиболее перспективными методами упрочнения, позволяющими радикально улучшить свойства инструмента, являются комбинированные методы: объемная закалка в сочетании с лазерным легированием и последующей лазерной закалкой, нанесение тонких поверхностных покрытий (TiN, TiAlN и др.) с последующей лазерной закалкой, плазменные технологии аналогичного назначения.
   В справочнике содержатся сведения о новых марках инструментальных сталей и новых способах упрочнения, в том числе разработанных в Санкт-Петербургском Балтийском техническом университете (СПб БГТУ). Свойства сталей приведены в соответствии с техническими условиями (ТУ), из технической литературы с соответствующими ссылками, из отчетов СПб БГТУ (в этом случае в ссылке указано — данные СПб БГТУ). Аналогичные ссылки даются в ряде случаев при рассмотрении данных влияния аэротермоакустической обработки на эксплуатационные свойства инструментальных материалов.

        1. НАЗНАЧЕНИЕ ИНСТРУМЕНТОВ И УСЛОВИЯ ИХ РАБОТЫ

        От назначения инструмента зависят требования, предъявляемые к механическим и эксплуатационным свойствам материалов. Нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации инструмента, зависят от технологического процесса формообразования, что определяет следующие виды инструмента: для холодного деформирования, для горячего деформирования и литья, режущие инструменты, мерительные инструменты.


        1.1. ИНСТРУМЕНТЫ
        ДЛЯ ХОЛОДНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

        Основные виды холодпоформующих инструментов: штампы вырубные, вытяжные, для деформации материала выдавливанием, для холодной штамповки, гибочные, инструменты для холодной прокатки и инструменты для холодной резки. Рабочая температура инструмента для холодной деформации обычно не превышает 200-300 °C.
   Вырубные и пробивные (перфорационные) инструменты. При вырубке возникает усилие среза, подвергающее пуансон сжатию и продольному изгибу, а матрицу — сжатию и поперечному изгибу. Возникающие при этом нагрузки являются циклическими, знакопеременными и часто динамическими. Следствием трения является нагрев режущей кромки до 150-300 °C. В этих условиях инструмент подвергается значительному износу, затуплению и выкрашиванию.
   Инструменты глубокой вытяжки. В процессе вытяжки между контактирующими поверхностями инструмента и: материала возникает трение, приводящее к значительному" износу и вызывающее налипание. В вытяжной матрица или в вытяжном пуансоне возникают сжимающие и циклические растягивающие напряжения.
   При холодной высадке инструмент деформирует материал штамповкой, при этом возникает многоосная и динамическая нагрузка, а также значительное трение, сильнее изнашивающее инструмент. Разрушение инструмента происходит от расширения отверстий матриц и их прогиба^

5

что является следствием недостаточной величины предела текучести при сжатии материала инструмента. Это ведет также к усталости, отслоению и износу рабочей поверхности.
   Инструменты для чеканки монет и медалей и для выдавливания полостей матрицы подвергаются большому поверхностному давлению (> 3000 Н/мм²) и изнашивающему действию, при этом благодаря многократным и сильным ударам кромки инструмента выкрашиваются.
   При работе гибочного инструмента из-за трения изнашиваются рабочие кромки, кроме того, инструмент испытывает большие сжимающие и изгибающие нагрузки.
   Инструменты для холодной прокатки. При холодной прокатке заготовку пропускают между двумя профилированными вращающимися валками, поверхность которых подвергается большим сжимающим напряжениям, напряжениям изгиба и кручения, а также истирающему воздействию.
   Калибры и измерительный инструмент при трении об измеряемую деталь также подвергаются истирающему воздействию, но их форма и размеры не должны меняться в течение времени эксплуатации.


        1.2. ИНСТРУМЕНТЫ
ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ЛИТЬЯ

        Инструментами для горячего деформирования формообразуют заготовки и изделия из стали, сплавов на основе цветных металлов и полимерных материалов.
   Основные виды инструментов: ковочные и прессовые штампы, инструменты для выдавливания прутков и труб, инструменты для жидкой штамповки и литья.
   Механическая нагрузка на инструмент в процессе работы довольно значительна, кроме того, он нагревается до нескольких сот градусов (°C) от соприкосновения с имеющей высокую температуру заготовкой. С возрастанием температуры свойства стали значительно меняются, после прекращения контакта с заготовкой температура инструмента понижается, затем цикл повторяется. Постоянно изменяющаяся температура инструмента и поверхностных слоев вызывает явление термической усталости.
   Ковочные и прессовые штампы. Разогретый до высокой температуры материал становится пластичным, что

6

облегчает процесс запрессовывания его в полость матрицы. Между металлом, текущим с большой скоростью по полостям матрицы, и стенками формы возникает трение, которое ведет к износу стенок и кромок инструмента.
   Тонкие кромки и углы очень быстро нагреваются до высокой температуры и затем быстро охлаждаются.
   Масса матрицы нагревается до 300-400 °C, а соответствующие слои инструмента попеременно нагреваются и охлаждаются. Изменения температуры приводят к сжатию и расширению при каждом цикле деформации. Вследствие пластических деформаций от циклических нагрузок поверхностный слой может растрескаться из-за термической усталости. Для ковочных штампов характерно колебание высоких температур, для прессовых штампов — значительные динамические нагрузки.
   Разрушение матриц обусловлено явлением усталости, остаточной деформацией, хрупким изломом, износом, термической усталостью и колебанием температур.
   Инструменты для выдавливания прутков и труб. Для ‘уменьшения сопротивления деформированию выдавливание стальных, тяжелых и легких металлов производят в горячем состоянии. Это позволяет уменьшить давление при штамповке, но температура нагрева инструмента высока, чередующиеся нагрев и охлаждение вызывают явление термической усталости. Температура горячего выдавливания (°C) для ряда сплавов приведена ниже [5].


           Алюминий ..................... -450
           Сплавы алюминия.............. 420-480
           Медь и ее сплавы ............ 800-900
           Сталь....................... 900-1150

   Требования, предъявляемые к материалу инструмента, зависят от свойств деформируемого материала, от температуры и продолжительности выдавливания, от величины давления и условий охлаждения инструмента.
   Инструменты для литья металлов. Металлические отливки большой точности и с удовлетворительной чистотой поверхности в крупносерийном производстве могут производиться в металлических формах (кокилях) и пресс-формах (литье под давлением, жидкая штамповка, реолитье, тиксолитье).
   При литье в кокиль металл заполняет форму под действием сил гравитации и там кристаллизуется. Материал кокиля подвержен воздействию высоких температур, коле

7

банию температур и изнашивающему действию жидкого металла.
   Пресс-формы для литья под давлением и других процессов. Жидкий или полужидкий металл заполняет полость пресс-формы под давлением прессующего поршня. В горячекамерном способе литья форма нагревается до высоких температур, материал подвергается изнашивающему действию текущего с большой скоростью жидкого металла и колебанию температур с большой амплитудой. При холоднокамерном способе температура металла ниже, а давление достигает 3500-10 000 Н/мм , вследствие чего эрозия металла значительна, существенны и колебания температур, что вызывает большие напряжения.




         1.3. РЕЖУЩИЕ ИНСТРУМЕНТЫ

         В процессе резания инструмент под влиянием тепловых, механических воздействий и приваривания раскаленной стружки изнашивается. Характер, протекание и величина износа в значительной степени определяют срок службы инструмента. В период ускоренного износа эксплуатация инструмента становится нецелесообразной. Скорость износа может быть снижена увеличением износостойкости материала инструмента в период равномерного износа. Нагрузка на режущие инструменты может носить статический (токарная обработка) или динамический характер (при использовании дисковой фрезы) и циклически изменяться, что вызывает усталость.
   Однолезвийные инструменты (токарный, строгальный и долбежный резцы) для черновой обработки изготавливают из материала с большей вязкостью, для чистовой — с большей твердостью. Для повышения производительности и увеличения скорости резания стали должны обладать красностойкостью (способностью сохранять твердость при нагреве до высоких температур: 600 °C и более).
   Многолезвийные инструменты (фрезы, сверла, метчики, развертки и др.) работают в условиях значительного износа; фрезы и сверла, работающие с большими скоростями, кроме того, нагреваются до высоких температур. Напильники (кромки) при работе не нагреваются, но должны иметь высокую твердость, при этом сталь должна быть достаточно вязкой.


8

      2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ



         2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

         Инструментальные стали подразделяются по назначению инструмента, изготавливаемого из них, на три основные группы: 1) стали для режущих инструментов с твердостью HRC 62-68; 2) стали для штампов холодного деформирования с твердостью HRC 55-64; 3) стали для штампов горячего деформирования с твердостью HRC 40-55.
   По теплостойкости стали подразделяются на нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие. Нетеплостойкие стали приобретают при закалке высокую твердость, износостойкость и прочность, которые сохраняются лишь при невысоком нагреве (до 200-300 °C). По химическому составу — это стали углеродистые или с содержанием легирующих элементов до 3-5 %. Полутеплостойкие стали — это ‘высокоуглеродистые (1-2,1 %), с повышенным содержанием хрома (3-18 %) или хромомолибденовые (вольфрамовые) стали, содержащие 0,25-0,5 % С, также упрочняющиеся при закалке, но сохраняющие требуемую твердость до 250-400 °C (хромистые) и до 400-500 °C (хромомолибденовые). Теплостойкие — это высоколегированные стали, приобретающие требуемые свойства в результате закалки и дисперсионного твердения при отпуске в интервале температур 500-625 °C вследствие выделения упрочняющих фаз.
   Кроме того, стали классифицируются по твердости и вязкости: стали высокой твердости (износостойкости), но пониженной вязкости, содержащие 0,7-2,0 % С; стали повышенной вязкости, но пониженной твердости (износостойкости), содержащие 0,4-0,7 % С (или 0,2-0,3 % С при высоком содержании легирующих элементов).
   Нетеплостойкие стали классифицируют по прокаливае-мости: небольшой прокаливаемости (углеродистые и низколегированные стали, прокаливающиеся полностью при сечении диаметром 10—15 мм); повышенной прокаливаемости (с большим содержанием легирующих элементов, прокаливающиеся в сечении диаметром до 50-80 мм); высокой прокаливаемости (высоколегированные стали, прокаливающиеся в сечении диаметром 80-100 мм).

9