Развитие инструментальных материалов

На протяжении всей истории человечества возникала необходимость в обработке твёрдых материалов и по мере развития технологий создавались новые инструменты и материалы для них.

В XVI веке Леонардо да Винчи изобрёл первую фрезу. Она была сделана из углеродистой стали с примесями и имела мелкие зубья. Примерно такие же зубья имеют современные крупные напильники.

Первые материалы для резки дерева были углеродистыми сталями и чугунами. Инструменты из этих материалов были низкопроизводительными и не обеспечивали качественную обработку по современным меркам. Скорость резания инструментами из первых углеродистых сталей составляла до 5 метров в минуту, в то время как современные инструменты могут обрабатывать материалы со скоростью до 400 метров в минуту.

Для эффективной обработки твёрдых материалов не было подходящего оборудования, поэтому обработка первыми инструментами часто проводилась вручную.

До появления быстрорежущих сталей в 1858 году совершенствование инструментов сводилось к получению более чистых углеродистых сталей, улучшению геометрии режущей части и термообработке.

Низкая скорость обработки инструментом из углеродистой стали объясняется тем, что эти стали имеют низкую красностойкость. Они теряют свои режущие свойства при температуре от 150 до 250 градусов Цельсия, что не позволяет осуществлять резание на высоких скоростях.

Несмотря на то, что инструментальные углеродистые стали появились давно, из них до сих пор изготавливают некоторые ручные обрабатывающие инструменты, такие как напильники и надфили. Обозначение этих сталей начинается с буквы У, например У6. Буква У указывает на то, что сталь углеродистая, а число после буквы показывает содержание углерода в стали в десятых долях процента. Так, У6 означает, что в данной стали содержится 0,6% углерода.

Во второй половине XIX века появились быстрорежущие стали. По твёрдости после термической обработки они уступают углеродистым сталям, однако обладают значительно большей красностойкостью. Это позволяет им выдерживать более высокие скорости резания.

Первые быстрорежущие стали позволили увеличить скорость резания до 18 метров в минуту, что более чем в три раза превышало показатели инструментальных углеродистых сталей.

Благодаря усовершенствованиям в составе быстрорежущих сталей и повышению их красностойкости, скорости обработки данными материалами выросли более чем в пять раз. В некоторых случаях скорость резания достигла 45 метров в минуту.

Следующим этапом развития инструментальных материалов стало появление твёрдых сплавов. Они отличаются от своих предшественников — быстрорежущих сталей — красностойкостью (температура красностойкости некоторых твёрдых сплавов достигает 900 градусов Цельсия) и повышенной твёрдостью.

Быстрорежущая сталь имеет твёрдость 60–65 HRC (шкала Роквелла), которая зависит от легирующих элементов. В то же время твёрдость твёрдого сплава составляет 75–89 HRC.

Однако у твёрдых сплавов есть и существенный недостаток: они не могут работать на растяжение и очень хрупкие. Из-за этого их использование в некоторых видах обработки ограничено.

Следующим этапом развития быстрорежущих и твёрдых сплавов стало создание мелкозернистых порошков для спекания. Это позволило получать более износостойкие инструменты без изменения химического состава материалов.

Инструменты из быстрорежущей стали, изготовленные методом спекания из мелкозернистых порошков, по красностойкости приближаются к твёрдым сплавам, которые производят из крупнозернистого порошка. При этом быстрорежущие стали, полученные методом порошковой металлургии, сохраняют способность работать на изгиб.

Изготовление твёрдых сплавов из мелкозернистых порошков позволило увеличить износостойкость сплавов и повысить режимы обработки.

Следующим этапом развития инструментальных материалов стало изобретение покрытий и напылений.

Покрытия могут быть однослойными или многослойными. Они эффективно отводят тепло из зоны резания, защищают режущую кромку инструмента от абразивного износа, а иногда выполняют роль смазки.

Одновременно с развитием покрытий для твердосплавного инструмента разрабатываются новые материалы. К таким материалам относятся природный алмаз, искусственный алмаз и кубический нитрид бора.

Природный алмаз — самый твёрдый материал из всех известных на сегодняшний день. Однако из-за высокой стоимости его применение ограничено. Вместо него часто используют искусственный алмаз, который хотя и немного уступает природному по твёрдости, зато является более доступным и может производиться в промышленных масштабах.

Искусственный алмаз — это материал, который нашёл широкое применение в машиностроении, особенно в операциях по чистовой и финишной обработке.

Причина такой популярности кроется в том, что искусственный алмаз, будучи твёрдым материалом, одновременно обладает высокой хрупкостью. Это означает, что он не может выдерживать большие нагрузки и прерывистое резание. Кроме того, при температуре 600–700 градусов алмаз начинает взаимодействовать со сталями и чугуном. Поэтому данный материал используется только для чистовой и финишной обработки цветных металлов, титана, твёрдых пластмасс и других труднообрабатываемых материалов.

Минералокерамика — это материал, который отличается высокой красностойкостью и твёрдостью. Однако он также очень хрупкий и чувствителен к резким перепадам температур. Поэтому его рекомендуется использовать для чистовой и получистовой обработки стальных деталей, деталей из чугуна и закалённых сталей. При этом не требуется применять смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ) и избегать резких перепадов нагрузок.

Из-за повышенных скоростей резания и требований к жёсткости системы СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь) к станку предъявляются особые требования. Чаще всего минералокерамику применяют для чистового точения на станках с высокой скоростью вращения.

Кубический нитрид бора — это материал с высокой твёрдостью, уступающий по этому показателю только алмазам. Он также обладает красностойкостью, то есть сохраняет свои свойства при высоких температурах. Однако есть один недостаток — сложность изготовления. Поэтому небольшие пластинки из этого материала припаивают к пластинам из твёрдого сплава. Припаивание пластинок небольшого размера без стружколома не позволяет обрабатывать детали с большой глубиной резания и подачей.

Из-за этого материал используют для чистовой обработки закалённой стали на высоких скоростях, а также для обработки шестерён с ударом и тонкого чистового точения.

Сравнение скоростей обработки различными материалами.

1. Углеродистая сталь

2. Легированная сталь

3. Быстрорежущая сталь

4. Твёрдый сплав группы BK

5. Твёрдый сплав групп ТТК и ТК

6. Безвольфрамовые твёрдые сплавы и твёрдые сплавы с покрытием

7. Минералокерамика

Таким образом, совершенствование инструментальных материалов является важным элементом в увеличении производительности труда и совершенствовании технологий металлообработки. Дальнейшее совершенствование инструментальных материалов, скорее всего, так же будет связано в увеличением износостойкости, твёрдости материалов и красностойкости. Один из современных путей развития инструментальных материалов - это развитие кристаллографии и промышленного получения новых материалов под большим давлением. Последнее даёт возможность получать новые материалы с улучшенными свойствами необходимыми для эффективной металлообработки. Развитие кристаллографии позволит, со временем, еще больше усовершенствовать форму кристаллов и, соответственно, поднять стойкость уже имеющихся инструментальных материалов.