Методы повышения стойкости инструментов

Изготовленный из правильно подобранного инструментального материала режущий инструмент может иметь высокую или низкую стойкость, так как высокие режущие свойства инструмента обеспечивает не только материал, а также оптимальная геометрия и правильно проведенная технология обработки инструмента (термическая обработка, шлифование, заточка и т. д.), но и условия эксплуатации инструмента. После правильно проведенной термической обработки режущая кромка инструмента приобретает необходимую, характерную для данного инструментального материала твердость и износостойкость.

Существует ряд методов, позволяющих повысить стойкость режущей части инструмента (при прочих равных условиях) путем проведения дополнительных операций. К таким методам относятся:

• насыщение поверхностного слоя инструмента (цианирование, хромирование, сульфидирование);
• повышение стойкости путем улучшения структуры при термической обработке (обработка холодом, обработка паром);
• повышение качества поверхности инструмента (доводка, притирка).

Цианирование — химико-термический процесс, который заключается в насыщении поверхностного слоя стали углеродом и азотом путем диффузии при определенной температуре. В зависимости от метода насыщения в промышленности различают цианирование в жидких средах, газовое цианирование и сухое цианирование с твердым карбюризатором. В зависимости от температуры цианирование разделяется на высокотемпературное (в диапазоне 800— 850° С) и низкотемпературное (в диапазоне 550—560° С).

Для инструментов из быстрорежущей стали применяется только низкотемпературное цианирование полностью обработанных инструментов, так как, если термически обработанный и заточенный инструмент подвергать цианированию при температурах выше обычных температур отпуска, будет понижена твердость, что приведет не к повышению стойкости, а к резкому снижению ее.

Широкое применение на заводах имеет жидкое цианирование инструмента из быстрорежущей стали при температуре 550—560° С. Процесс насыщения стали углеродом и азотом производится в ваннах (тиглях), наполненных расплавленной солью (обычно цианистый натрий NaCN).

В процессе работы идут химические реакции окисления:

2NaCN + O₂ = 2NaCNO;

далее образовавшийся цианид NaCNO реагирует с кислородом воздуха:

2NaCNO + O₂ = Na₂СО₃ + СО + N₂.

Окись углерода СО реагирует с железом, входящим в состав быстрорежущей стали, образуя карбид железа:

2СО + 3Fe = Fe₃C + СО₂.

Выделяющийся атомарный азот также реагирует с железом и легирующими элементами, образуя нитриды. Карбиды железа и нитриды повышают твердость до HRC 68—70 и износостойкость поверхности режущей части инструмента. Время выдержки в цианистых ваннах зависит от размера и конструкции инструмента и колеблется в пределах 5—30 мин.

Цианированный инструмент имеет повышенную стойкость. Повышение стойкости — результат как повышенной твердости поверхностного слоя, так и пониженного коэффициента трения при резании, что уменьшает износ и повышает красностойкость инструмента. Рекомендуется цианирование с глубиной слоя 0,01—0,03 мм, так как при больших слоях режущая кромка инструмента получается хрупкой. Жидкому низкотемпературному цианированию подвергают протяжки, сверла, резьбовой инструмент и некоторые другие виды инструмента из быстрорежущей стали.

Сульфидирование — процесс насыщения поверхностных слоев металла серой. Образовавшиеся на поверхности инструмента сернистые соединения снижают коэффициент трения и повышают износостойкость инструмента. Процесс производится при температуре 550—560° С в ваннах следующего состава: 39% хлористого кальция; 25% хлористого бария и 17% хлористого натрия с добавлением сернистых соединений: 13,7% сернистого железа (в порошке); 3,4% сернокислого калия и 3,4% желтой кровяной соли. Выдержка от 40 до 90 мин. По данным некоторых исследований стойкость сульфидированного инструмента в 1,5—2 раза выше.

Хромированию можно подвергать готовые инструменты из различных сталей — быстрорежущей, легированной или углеродистой. Применяется хромирование долбяков, протяжек и некоторых других инструментов. При изготовлении инструмента применяют главным образом электролитическое хромирование в гальванических ваннах с толщиной слоя до 0,025 мм.

Процесс обработки паром инструментов из быстрорежущей стали заключается в предварительной промывке инструмента при температуре около 70°С следующим составом на литр раствора: 20—40 г соды Na₂СО₃, 20—40 г каустической соды NaOH и 20—40 г тринатрийфосфата Na₃РO; затем промытый горячей водой инструмент загружается в электропечь с герметическим затвором (можно использовать печи для отпуска инструмента). При температуре 340—380° С инструмент выдерживается в течение 15—30 мин до полного прогрева; затем печь продувается водяным паром, и при 540—560° С инструмент выдерживается в течение 30—40 мин; затем охлажденный до 50—70° С инструмент опускают в подогретое минеральное масло. После обработки паром и погружения в масло на инструменте образуется тонкая (0,05 мм) пленка окислов, а так как процесс происходит при температуре дополнительного отпуска для быстрорежущей стали, то инструмент получает повышенную среднюю стойкость (если он был правильно закален). В процессе обработки паром не могут быть устранены последствия плохой термической обработки инструмента. Повышение стойкости в 2 раза и некоторая стабилизация показателей стойкости вследствие улучшения условий отвода и уменьшения налипания стружки, например, на ленточках сверл, обеспечили внедрение этого процесса в промышленность.

Для повышения стойкости режущие кромки следует доводить. Заточка и доводка режущих кромок, особенно алмазными кругами, позволяет повысить среднюю стойкость ряда инструментов, особенно чистовых, в 2—3 раза и более, так как улучшает качество поверхности инструмента, а, следовательно, и условия работы режущей части инструмента.

Окончательно изношенный инструмент, например, зенкер, развертка, резец и т. д., можно восстановить. Методы восстановления сборного и цельного инструмента различны. Возможность восстановления заложена в конструкциях сборных инструментов. Например, корпуса сборных фрез разверток, зенкеров и т. д. могут служить очень долго и выдерживают многократную смену изношенных ножей. Во многих случаях возможность легкого восстановления и обеспечивает целесообразность выбора сборной конструкции инструмента. Для отдельных конструкций сборного инструмента вопрос замены ножей решается по-разному. В конструкциях резцов и фрез предусматривается применение неперетачиваемых многогранных пластинок. Такой инструмент восстанавливается просто. Когда износились все режущие кромки пластинки, она снимается и заменяется новой. Державка служит до тех пор, пока можно на ней закреплять пластинку.

Восстановление инструмента цельной конструкции, а также инструмента с напаянными пластинками значительно сложнее и не всегда оправдывается экономически. Инструмент можно перешлифовать на ближайший размер с соответствующим углублением стружечных канавок. Подобным путем могут восстанавливаться такие инструменты, как зенкеры, развертки, большинство видов цельных фрез. При восстановлении методом шлифования отверстие насадных инструментов остается в первоначальном виде, поможет также хромироваться в размер.

Ряд инструментов можно восстановить путем отжига изношенного инструмента с последующей полной механической обработкой на новый размер. Отверстие насадного инструмента после отжига растачивается на другой размер, или в него вставляется втулка. Из поломанных быстрорежущих фрез могут быть изготовлены пластинки для напайки на резцы и т. д. Инструмент следует восстанавливать только тогда, когда это оправдывается экономически.