инструментальные порошки, металлы, сплавы

Инструментальные сплавы

Инструментальным называют сырье для производства рабочих частей инструментов, станочных фрез, резцов и лезвий, способных быстро и точно обрабатывать детали.

Инструментальные стали и другие сплавы должны выдерживать темпы сухой и высокоскоростной обработки. Наибольшие перспективы в этом направлении открываются перед порошковыми инструментальными материалами. 

Особенности инструментальных порошков и полуфабрикатов

Среди инструментального сырья выделяют три линейки сталей: высокоуглеродные, с большим процентом легирования и быстрорежущие. Также к материалам для производства инструментов относят твердые карбидные сплавы, минералокерамику, сверхтвердые алмаз и боронитрид.

Предназначенные для изготовления резцов и фрез стали имеют минимальные показатели линейного расширения при нагреве, устойчивую форму и стабильные размеры. Наилучшие показатели по этим параметрам у инструментальных сталей, полученных ASP-методом. Прочность быстрорежущих сталей достигается легированием кобальтом до 12-15%, ванадием до 5-6,5%, комплексом молибдена и вольфрама до 27-30%. Чем меньше легирована инструментальная сталь, тем она дешевле.

Быстрорежущие стали отличаются высокой шлифуемостью, прочностью и однородной структурой. Полученные из стальных порошков сплавы этого типа имеют преимущества перед традиционными марками по стойкости примерно в 3,5 раза. Цена на порошковые быстрорежущие стали в 2,5 раза  выше по сравнению с обычными выплавленными сталями. Минералокерамика по прочности к сжатию, термостойкости близка к инструментальным сталям, но способность выдержать изгиб у металлокерамических резцов меньше, ведь их структура зернистая и малопластичная.

Твердыми называют карбидные сплавы. Из них лучшие показатели у сплавов из частиц углеродистого вольфрама с чистым молибденом, легированных карботитаном, карботанталом и карбованадием. Свойства твердых инструментальных сплавов определяются дисперсностью карбидных частиц. Они могут варьировать от нанодисперсных с диаметром зерен 0,1мкм до особокрупнодисперсных, больше 6 мкм.

Чем меньше размер зерна, тем тверже и прочнее к сжатию и изгибу будет инструмент. Инструменты из карбидных порошковых сплавов хорошо подходят для работы с чугунными и стальными заготовками. Твердосплавным инструментом нарезают резьбу, режут стекло, рассверливают отверстия, делают черновую и чистовую расточку.

Из сверхтвердых больше всего применяется нитрид бора, который еще называют боразоном или эльбором. Для самой мощной и вместе с тем тонкой обработки используют боразоновые инструменты, полученные из особо чистого нанодисперсного порошка с частицами 10-50нм. Режущие боронитридные кромки получаются идеально острыми и ровными.

Как производят инструментальные материалы

Традиционные сорта сталей для инструментов производят металлургическим переделом: выплавка, закаливание, прокат. В порошковом виде эти материалы получают газораспылением расплавленного металла. В качестве распыляющего газа применяют преимущественно азот.

Заготовки полученных распылением порошков производят вакуумным спеканием в многоразовых формах, изостатическим горячим прессованием, термической экструзией в стальной вакуум-капсуле. Пористые после спекания заготовки уплотняют гидростатическим способом, за счет давления воды в специальных аппаратах. Затем полуфабрикаты обрабатывают технологиями традиционной металлургии – прокатка, закаливание и др.

Производство порошковых инструментальных сплавов способом ASP включает аргоновую продувку после расплавления. Этот прием удаляет 9/10 всех шлаков. Затем расплав очень мелко распыляют и полученный порошок сразу насыпают в металлические цилиндры, которые заваривают герметически. Там частицы сильно сдавливают и нагревают. Получаются полуфабрикаты, которые дальше идут на прокат и ковку.

Порошок карбида вольфрама для твердых инструментальных сплавов получают карботермическим способом – реакцией порошка оксида вольфрама с углеродом при высокой температуре. Кобальтовый порошок получают в электропечах муфельного или трубчатого типа восстановлением окиси кобальта водородом. Затем два порошка смешивают. Чтобы получить инструментальные заготовки, в порошковую смесь добавляют пластификатор, затем массу формуют в прессах, после чего спекают, от нагрева пластификатор удаляется.

Минералокерамические рабочие части инструментов получают спеканием порошков кремнезема с металлонитридами или металлокарбидами. Чтобы получить инструментальную металлокерамику с высокой твердостью, спекают порошок нитрида титана с оксидом алюминия или кремнием. После спекания получаются заготовки в виде сменных пластин с режущими кромками.