Обработка металлоизделий не ограничивается применением инструмента из одной лишь быстрорежущей стали (рапида). Быстрорез эффективен при сравнительно небольших скоростях резания, до 90-120 (м/мин).
Когда же дело доходит до получистовой и финишной обработки, то применяются повышенные скорости, 100-400 (м/мин). Подобные режимы резания требуют использования более стойкой и прочной инструментальной оснастки. Такие задачи будут по плечу, пожалуй, лишь твердым сплавам и режущей керамике.
Эпоха твердых сплавов началась в 20-х годах прошлого столетия, когда был создан так называемый победит. Это достаточно широкая группа вольфрамокарбидных сплавов, которые превосходно подходят для обработки прочных, но хрупких, чугунных заготовок, закаленной стали и прочих твердых материалов.
Разработка твердых сплавов и режущей керамики позволило многократно повысить производительность резания. С тех пор металлобрабатывающая техника начала оснащаться мощным приводом, до 5-8 (кВт), давая возможность повысить скорость вращения станочного шпинделя до 1500 (об/мин) и более того.
Ниже будет рассказано про виды твердых сплавов и режущей керамики.
Твердые сплавы
Внедрение в металлообрабатывающее производство твердосплавного инструмента позволило существенно повысить надежность и долговечность режущей кромки.
Твердый сплав – насыщенная карбидами смесь, связанная металлическим наполнителем. Как правило, на долю карбидов приходится 70-80% массы. Остальное занимает связующий металл.
Для получения твердого сплава используются карбиды: вольфрама, титана, тантала. Чтобы надежно связать между собой частицы карбидов, смесь насыщается наполняющим металлом на основе: кобальта, никеля, молибдена или их сплавов.
Ключевыми характеристиками твердого сплава можно считать увеличенный показатель вторичной твердости, до 92 HRc, и повышенную теплостойкость (красностойкость), до 1150 С.
Подавляющее большинство твердосплавных материалов создается по технологии порошковой металлургии, методом спекания.
В некоторых случаях твердые сплавы создаются литьем. Но подобные материалы применяются лишь для поверхностной защиты металлоизделий, которые при обычных условиях подвергаются интенсивному механическому износу. Это те же токарные резцы, обоймы и шарики подшипниковых узлов, поверочные плиты и пр.
Литейные твердые сплавы наносятся на защищаемую поверхность металлоизделий либо электродуговой сваркой, либо кислородно-ацетиленовой плавкой.
Из недостатков твердых сплавов можно отметить:
- Высокую цену
- Сложность механической обработки
Для финишного формирования профиля твердосплавных пластин, режущих кромок и прочих поверхностей применяют технологию либо алмазного шлифования, либо кислотной обработки.
Стандартные режущие инструменты на основе быстрорезов не берут твердосплавные поверхности.
Классификация твердых сплавов
Твердые сплавы классифицируют по составу, выделяя 4 основные группы:
- Однокарбидные (вольфрамовые)
- Двухкарбидные (титано-вольфрамовые)
- Трехкарбидные (титано-тантало-вольфрамовые)
- Безвольфрамовые
Состав твердого сплава определяет допустимые режимы резания и специфику применения инструментальной оснастки.
Однокарбидные твердые сплавы на основе вольфрама
Вольфрамовые однокарбидные твердые сплавы – данная группа имеет маркировку ВК. Твердые сплавы этой серии формируются за счет карбида вольфрама, частицы которого связываются при помощи кобальта.
Распространенные марки однокарбидных твердых сплавов: ВК3, ВК6, ВК8, ВК10-ХОМ.
Вольфрамо-кобальтовая композиция ВК отличается наивысшей прочностью на излом среди всех разновидностей твердых сплавов. Данное свойство определяет ключевое направление инструмента ВК – резка с образованием стружки надлома. Твердые сплавы ВК хорошо подходят для обработки заготовок из чугуна и цветных металлов.
Твердосплавный инструмент из группы ВК меньше всего подвержен влиянию ударных и вибрационных нагрузок.
Для металлорежущего инструмента используются однокарбидные твердые сплавы с концентрацией кобальта до 5-6%. Это так называемые низкокобальтовые композиции.
С ростом содержания кобальта наблюдается повышение прочности на излом, но в ущерб вторичной твердости и теплостойкости.
Твердые сплавы с содержанием кобальта 5-10% хорошо подходят для изготовления буровых коронок. Из твердых сплавов с содержание кобальта 10-15% создают прессовые штампы.
Какие еще виды твердых сплавов существуют.
Двухкарбидные твердые сплавы на основе титано-вольфрама
Титано-вольфрамовые двухкарбидные твердые сплавы – к карбиду вольфрама добавлен карбид титана, которые связываются при помощи кобальтового наполнителя. Твердые сплавы данной группы маркируются ТК.
Широкое распространение получили следующие вольфрамо-титановые твердые сплавы: Т15К6, Т30К4, Т5К10.
Двухкарбидные композиции отличаются улучшенной теплостойкостью и повышенной вторичной твердостью. Режущий инструмент серии ТК предназначен для обработки материалов, которые обеспечивают сливную стружку.
Титано-вольфрамовые твердые сплавы хорошо справляются с обработкой нержавеющих, жаропрочных и жаростойких сплавов. Для обработки чугуна инструмент группы ТК не используются.
Для инструментальной оснастки серии ТК обычно выбирают высокоскоростные режимы резания с плавной равномерной проточкой, без ступенчатых переходов. Двухкарбидные композиции чаще всего выбирают для получистовой и чистовой обработки заготовок.
Двухкарбидные титано-вольфрамовые твердые сплавы отличаются уменьшенным модулем упругости, что делает режущий инструмент восприимчивым к ударным и вибрационным нагрузкам.
Трехкарбидные твердые сплавы на основе титано-тантало-вольфрама
Титано-тантало-вольфрамовые трехкарбидные твердые сплавы – серия универсальных режущих материалов, которые эффективно справляются с обработкой как сталей, так и чугунов с цветными металлами. Данная разновидность твердых сплавов имеет маркировку ТТК.
Наиболее известные марки твердых сплавов ТТК: ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ7К12.
Введение в состав композиции карбида тантала позволило заметно уменьшить зерновую структуру материала. Твердые сплавы ТТК отличаются высокой плотностью, что нашло отражение в существенном улучшении физико-механических свойств.
Трехкарбидные сплавы с танталом объединяют в себе высокие прочностные характеристики, отменную твердость и хорошую теплостойкость.
Твердые сплавы без вольфрама
Безвольфрамовые твердые сплавы – альтернатива классическим режущим материалам на основе карбида вольфрама в кобальтовой связке. Данная группа твердых сплавов может маркироваться БВТС, ТН или КНТ.
Широкое распространение получили следующие марки БВТС: ТН-20, ТН-50, КНТ-16.
Безвольфрамовые твердые сплавы разработаны в ответ на растущий дефицит вольфрама и кобальта. При изготовлении твердых сплавов БВТС упор делается на карбиды и нитриды титана. В роли связующего металла применяются: никель, молибден либо же никель-молибденовый сплав.
Разумеется, эксплуатационные характеристики безвольфрамовых твердых сплавов заметно уступают аналогам группы ВК, ТК и ТТК. Безвольфрамовые режущие материалы хуже переносят нагрев и механические нагрузки.
Режущий инструмент на основе безвольфрамовых твердых сплавов чаще всего применяется для проточки углеродистых и легированных сталей на стадиях получистовой и чистовой обработки, при использовании повышенных скоростей резания.
Теперь следует отметить виды режущей керамики.
Режущая керамика
В погоне за высокими показателями вторичной твердости и теплостойкости была создана группа режущих материалов на основе керамики. Главной особенностью керамики является отсутствие связующего металла. Зерна оксидов, карбидов и нитридов соединяются между собой за счет высокопрочных атомарных связей, формирующихся в процессе горячего спекания.
Вторичная твердость режущей керамики может достигать 96 HRc, а теплостойкость находится в диапазоне 1200—1400 С. Все это позволяет осуществлять механообработку с применение сверхвысоких скоростей резания, вплоть до 400 (м/мин) и даже более того.
Различают следующие виды режущей керамики:
- Оксидная
- Оксидо-карбидная
- Оксидо-нитридная
- Нитридная
Главным недостатком керамики является высокая хрупкость. Керамический металлорежущий инструмент не предназначен для работы в условиях ударных и вибрационных нагрузок. Режущая керамика задействует в основном на стадии чистовой обработки, позволяя добиваться обработки с минимальной шероховатостью и высоким квалитетом точности.
Для улучшения прочностных характеристик в состав режущей керамики вводятся армирующие волокна. Нередко режущая керамика устанавливается на подложку из твердого сплава.
