Применение порошковой металлургии позволяет значительно улучшить свойства давно известных инструментальных материалов, заготовки которых традиционно получали методом литья. Замена литья заготовок на получение их методом прессования и спекания порошков быстрорежущих сталей позволила в несколько раз повысить стойкость резцов. Кроме того, применение быстрорежущих сталей, полученных порошковым методом, позволяет значительно увеличить скорость резания, и хотя они дороже в производстве, экономический эффект от их внедрения составляет 13-15%.

Эксплуатационные характеристики инструмента из порошковых быстрорежущих сталей улучшаются благодаря тому, что исключается неоднородность распределения легирующих добавок по объему заготовки, неизбежно возникающая при кристаллизации слитка. Кроме того, контроль размеров частиц порошка, предназначенного для спекания, позволяет получать заготовки с однородной мелкозернистой структурой, что дополнительно улучшает механические характеристики быстрорежущих сталей. Например, при точении стали 45ХН стойкость резцов из порошковой стали Р18П в 3 раза превышает стойкость резцов из обычной быстрорежущей стали Р18, а при обработке титановых сплавов этот показатель еще выше. Поскольку применение быстрорежущих сталей, полученных порошковым методом, позволяет значительно повысить скорость резания, их можно использовать в современном автоматизированном производстве.

Несмотря на то, что современные технологии производства инструмента из быстрорежущих сталей позволили значительно улучшить их характеристики, все же удельный вес сталей в современном инструментальном производстве постепенно сокращается. В то же время, растет применение твердых сплавов, материалов на основе тугоплавких соединений и сверхтвердых композитных материалов. Твердыми сплавами называют материалы, состоящие из частиц тугоплавкого соединения, чаще всего карбида вольфрама, связанных между собой более пластичным элементом, например, кобальтом. Эти материалы отличаются высокой твердостью, теплостойкостью, устойчивостью к истиранию.

Твердые сплавы на основе карбида вольфрама являются отличным инструментальным материалом, но дефицит вольфрама ограничивает объемы их производства. Развитие работ, связанных с получением безвольфрамовых карбидных сплавов, привело к созданию еще одного нового класса материалов – карбидосталей, сочетающих в себе высокую прочность и износостойкость карбида со значительной ударной вязкостью, присущей стали. Карбидостали заняли промежуточное положение между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами. Повышенную твердость этим материалам придают содержащиеся в них частицы карбидов и карбонитридов титана, хрома, никеля и других металлов. Первоначально карбидостали получали путем введения в порошковые быстрорежущие стали карбидообразующих элементов, таких как титан и хром. В настоящее время производятся карбидостали, в состав которых входят также карбонитриды титана, никеля и других металлов.

Огромным преимуществом карбидосталей по сравнению с твердыми сплавами является то, что они легко поддаются токарной и фрезерной обработке в отожженном состоянии, а последующая закалка придает им высокую твердость.

Изменение состава исходных компонентов дает возможность получения широкого спектра разнообразных инструментальных материалов для различных условий работы. Карбидостали применяются в обработке резанием, сверлением, фрезерованием, строганием, давлением, вытяжкой, прошивкой, холодной и горячей штамповкой и другими методами самых разнообразных материалов.

Дополнительного улучшения механических свойств инструмента из карбидосталей удается добиться путем дальнейшего совершенствования технологических процессов прессования, которые позволят получать изделия с более однородной микроструктурой и более высокой плотностью, что, в свою очередь, приводит к повышению усталостной и ударной прочности материала. Инструмент из карбидосталей применяют для обработки сталей, чугунов, цветных металлов и их сплавов, стекла, фарфора, горных пород и т. д.

Но самым дешевым инструментальным материалом, все-таки, остаются конструкционные материалы на основе тугоплавких соединений (или керметы), т.к. они не содержат дорогих и дефицитных компонентов. В этих материалах, благодаря методам порошковой металлургии, стало возможно соединить высокую теплостойкость и твердость керамики с прочностью металла и получить совершенно новый класс материалов. В среднем, стойкость металлокерамического инструмента по сравнению с твердосплавным выше в 2 – 6 раз, а производительность – в 2 – 4 раза.

Изначально керметы изготавливали спеканием тонких порошков окиси алюминия и железа, затем начали добавлять также окислы магния и кремния, а потом и бескислородные тугоплавкие соединения (карбиды, бориды, нитриды, а также их комбинации). В качестве примера можно привести новый инструментальный материал силинит-Р, изготовленный на основе нитрида кремния, тугоплавких материалов и окиси алюминия. Его твердость составляет HRA 94 – 86, теплостойкость1600С, прочность на изгиб 600МПа. Силинит-Р предназначен для чистовой и получистовой обработки конструкционных и инструментальных сталей, чугунов и других материалов. Высокая стойкость при ударных нагрузках позволяет использовать его на операциях торцевого фрезерования и прерывистого точения вместо твердосплавных материалов.

Металлокерамика – очень перспективный инструментальный материал, поскольку по некоторым параметрам он превосходит твердые сплавы, и при этом в его состав не входят такие дефицитные и дорогостоящие металлы, как вольфрам и кобальт.

Однако, несмотря на все свои достоинства, металлокерамика не стала последним словом в инструментальном производстве, развитие техники требовало применения новых, сверхтвердых материалов, в том числе и для обработки инструментов из твердых сплавов.

К сверхтвердым в инструментальной технике относят материалы, твердость и износостойкость которых превышает таковые для карбидовольфрамовых и карбидотитановых сплавов на никель-молибденовой связке. Такими материалами являются природные и синтетические алмазы, кубический нитрид бора и композиты на их основе.

Рынок инструментов из сверхтвердых материалов, стоимость годового производства которых уже превышает 3 миллиарда долларов США, динамично развивается, и по прогнозам экспертов, в ближайшем будущем его ждет резкий скачек, что обусловлено такими выдающимися свойствами сверхтвердых материалов:

• наивысшей твердостью;
• возможностью изготовления острейших лезвий, самозатачивающихся высокоабразивных инструментов;
• высокими износостойкостью, теплопроводностью, коррозионной стойкостью;
• низким коэффициентом трения, что не только значительно снижает износ инструмента, но и делает его наиболее выгодным для применения на чистовых операциях;
• надежностью;
• долговечностью;
• большим рабочим ресурсом.

Лидером в производстве и использовании инструмента из сверхтвердых материалов является Япония, на долю которой приходится 46% мирового рынка, приблизительно одна треть принадлежит США, около 20% - Европе.

Дополнительного улучшения свойств большинства инструментальных материалов, и, как следствие, расширения сферы их применения, достигают путем нанесения специальных покрытий. О покрытиях и способах нанесения мы напишем в следующем номере.

Савченко Елена