Инструментальные материалы. 
Материаловедение в машиностроении

Роль инструмента в машиностроительном производстве. Требования к инструментальным материалам

Инструментальные материалы используют для изготовления режущего, штампового, измерительного и слесарномонтажного инструмента.

Значение инструментов в машиностроении весьма важно. Именно инструментом выполняют все формообразующие операции, придавая заготовке, детали необходимую форму и размеры.

Без измерительного инструмента, предназначенного для определения размеров и оценки формы детали, невозможно обеспечить необходимую точность как детали, так и машины в целом.

Слесарно-монтажный инструмент используют при выполнении слесарных операций, а также при сборке узлов и машины в целом.

Все инструменты должны обладать высокой износостойкостью. Кроме того, в зависимости от их назначения и условий эксплуатации инструменты должны обладать рядом специальных свойств.

В наиболее тяжелых условиях работают режущие и штамповые инструменты, для многих операций резания и штамповки характерны большие напряжения, высокие температуры. Поэтому остановимся на требованиях к инструментальным материалам, предназначенным для изготовления режущего и штампового инструмента.

В процессе резания и штамповки инструмент находится под воздействием очень высоких контактных напряжений, их значения могут превосходить 4000 МПа. При этом создаются условия, близкие к всестороннему неравномерному сжатию, для которого характерна высокая доля касательных напряжений. Это способствует развитию пластической деформации, особенно при повышенных температурах. Сопротивление материала большим пластическим деформациям характеризуется твердостью (см. 2.1.2). Таким образом, высокая твердость — необходимое свойство, определяющее принципиальную возможность использования материала в качестве инструментального. Высокой твердостью обладают простые вещества (алмаз), химические соединения (карбиды, нитриды, оксиды), у сталей она достигается в результате термической обработки. Именно из этих материалов изготавливают инструменты.

При резании и горячей штамповке происходит нагрев инструмента. Способность материала сохранять твердость при нагреве — теплостойкость — является важной характеристикой инструментальных материалов. При обработке резанием теплостойкость во многом определяет производительность. Чем выше теплостойкость инструментального материала, тем больше допустимые температура нагрева инструмента и скорость резания. Для штамповых сталей теплостойкость должна быть тем выше, чем выше температура нагрева заготовки под штамповку. При этом следует учитывать, что в процессе самой штамповки происходит дополнительный нагрев заготовки. Температура в зоне обработки зависит не только от режимов резания, штамповки, но также от свойств инструментального материала — теплопроводности и теплоемкости. Чем выше теплопроводность, тем интенсивнее отвод тепла из зоны обработки. При более высокой теплоемкости инструментального материала для его нагрева до определенной температуры требуется большее количество теплоты. Поэтому при одинаковых условиях инструмент нагревается тем меньше, чем выше теплопроводность и теплоемкость инструментального материала.

В процессе резания и штамповки инструменты подвергаются воздействию разнообразных напряжений (изгиба — многолезвийный режущий инструмент, кручения — осевой режущий инструмент и реже растяжения — протяжки; штамповый инструмент испытывает напряжения растяжения и сжатия), а также динамических нагрузок. Вследствие этого инструментальный материал должен обладать достаточно высокими механическими характеристиками — пределом прочности и ударной вязкостью. При этом надо иметь в виду, что инструментальные материалы, обладающие высокой твердостью, имеют хрупкий характер разрушения (практически без пластической деформации), поэтому рост твердости сопровождается, как правило, снижением других механических свойств. Следовательно, твердость должна быть максимально допустимой, т. е. такой, при которой предел прочности и ударная вязкость обеспечивают работу инструмента без поломок и сколов.

Чем выше модуль упругости инструментального материала, тем больше его жесткость, соответственно меньше упругие отжатия инструмента при обработке, что обеспечивает бо? льшую точность размеров и меньшую шероховатость поверхности обрабатываемых деталей.

Коэффициент теплового расширения должен быть минимальным. Объемные изменения при нагреве и охлаждении инструмента в процессе обработки приводят к развитию термической усталости. Это уменьшает долговечность его работы. Для штампов горячего деформирования характерно явление разгара — образования поверхностных трещин, возникающих из-за объемных изменений поверхностных слоев вследствие того, что штампы работают в условиях периодического нагрева (термоциклирования). Эти стали должны обладать разгаростойкостью, которая повышается при увеличении ударной вязкости стали. Кроме того, изменения размеров инструмента при нагреве могут лимитировать точность обработки.

Инструментальный материал должен иметь достаточно высокую химическую устойчивость. Это предотвращает или снижает вероятность появления адгезии (схватывания) и возникновения диффузионного износа (см. 2.6). Для режущего инструмента такая опасность возникает при больших скоростях резания из-за высоких температур в зоне обработки. Для штампового инструмента вероятность адгезионного износа появляется при литье металлов под давлением (пресс-формы изготавливают из штамповых сталей).