Инструментальные материалы в машиностроении

УДК 624
ББК 38.5

А28

Рецензенты:

Г.А. Околович — доктор технических наук, профессор кафедры
«Машиностроительные технологии» Алтайского технологического
университета им. И.И. Ползунова;
Ю.Е. Седов — кандидат технических наук, Заслуженный работник высшей школы
Российской Федерации, профессор кафедры «Металловедение и химия»
Московского государственного технологического университета МГТУ СТАНКИН;
И.Ю. Сапронов — кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Российской академии наук (ИМЕТ РАН)

Адаскин А.М.

А28
Инструментальные материалы в машиностроении : учебник / А.М.

Адаскин. — Москва : ФОРУМ : ИНФРАМ, 2020. — 320 с. — (Высшее
образование).

ISBN 9785000910733 (ФОРУМ)
ISBN 9785160109565 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161028322 (ИНФРАМ, online)

В учебнике представлены материалы для изготовления режущего, штампового, слесарномонтажного, вспомогательного, контрольноизмерительного инструмента: инструментальные, быстрорежущие и штамповые стали,
твердые сплавы, режущая керамика, сверхтвердые материалы. Рассмотрены: эксплуатационные и технологические свойства материалов и области
их рационального применения, износостойкие покрытия инструмента и
конструкционные материалы для сборных, сварных и паяных инструментов. В приложениях приведены рекомендации государственных стандартов
по использованию различных инструментальных материалов.

Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств» и «Автоматизированные технологии и производства», будет полезен для инженеров и
аспирантов машиностроительных специальностей, а также для специалистов машиностроительных предприятий.

УДК 624
ББК 38.5

ISBN 9785000910733 (ФОРУМ)
ISBN 9785160109565 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161028322 (ИНФРАМ, online)

© Адаскин А.М., 2015
© Издательство «ФОРУМ», 2015

Введение

Роль инструмента в машиностроительном производстве трудно
переоценить. Инструменты различного назначения используются во
всех областях машиностроения.
Прежде всего, именно инструментом выполняют все формообразующие операции, придавая заготовке, детали необходимую форму и
размеры. Развитие этих инструментальных материалов во многом
определило прогресс в машиностроении, позволило повысить производительность обработки, повлияло на конструкцию металлообрабатывающего оборудования, определило возможность создания автоматизированного производства. Характерно, что бурное развитие инструментальных материалов произошло в исторически короткий
период — менее чем за сто лет в ХХ в. и обеспечило возможность
промышленной революции.
В начале двадцатого века в качестве инструментальных материалов использовались инструментальные углеродистые и легированные
стали. Эти стали не обладают теплостойкостью, их разупрочнение
происходит при нагреве до 200—250 °C. Поэтому допустимые скорости резания не превосходят 10—15 м/мин. При таких скоростях наибольшие затраты времени при обработке заготовок приходятся на основное (машинное) время (до 70 %). Автоматизация технологического процесса в этом случае нецелесообразна, так как она позволяет
сократить только вспомогательное время, доля которого невелика.
Основные исследования ХХ в. в области инструментальных материалов были посвящены созданию новых материалов, позволяющих
производить обработку с высокими скоростями резания.
В начале ХХ в. была изобретена первая быстрорежущая сталь
(типа Р18). Важно, что при этом была разработана технология термической обработки, без которой невозможно реализовать высокие
свойства стали. Применение инструмента из быстрорежущих сталей
позволило повысить скорость резания и производительность обработки в 3—5 раз.

Следующим важнейшим этапом стали разработка и внедрение в
производство твердых сплавов. После десятилетий исследований к
началу 30х годов ХХ в. были созданы промышленные твердые сплавы. Это позволило до 10 раз повысить скорость резания и производительность обработки по сравнению с инструментом из быстрорежущих сталей (рис. 1) и вызвало сенсацию. Причем первые твердые
сплавы использовали для изготовления волок, т. е. инструмента для
пластической деформации.

Следующим этапом развития инструментальных материалов и
очередной сенсацией стало появление режущей керамики. Первый
патент на режущий материал из оксида алюминия (Al2O3) и небольшим количеством оксида хрома (Cr2O3) был получен в Германии в
1913 г. В 1937 г. на Лейпцигской ярмарке были продемонстрированы
режущие пластинки из керамики на основе оксида алюминия. Однако применение керамики в промышленности задержалось на несколько десятилетий. Это связано с низкой прочностью керамики и
недостаточной жесткостью металлорежущих станков. Устранение

4
Введение

Рис. 1. Производительность при точении стали в зависимости от инструментального материала:
1 — инструментальные стали; 2 — быстрорежущая сталь; 3 — твердые сплавы

этих причин позволило в настоящее время занять керамике место в
металлообработке, ее применение в несколько раз повысило скорость
резания по сравнению с твердыми сплавами.
Следующий этап развития — использование для обработки резанием и давлением синтетических сверхтвердых материалов на основе
алмаза и кубического нитрида бора — самых твердых веществ. Синтез
определил экономическую возможность их применения. Синтетические сверхтвердые вещества нашли применение в промышленности
для обработки труднообрабатываемых черных и цветных металлов.
Появилась возможность лезвийной обработки закаленных сталей и
даже твердых сплавов, возможность получения тончайшей проволоки.
Научные основы получения алмазов из графита были заложены
советским ученым О.И. Лейпунским, который впервые (в 1939 г.) построил диаграмму состояния «графит—алмаз» в координатах: Р (давление) — Т (температура), «Р—Т диаграмма». Это стало возможным в
середине 50х годов ХХ в. результате развития технологии высоких
давлений.
Первое сообщение об успешном синтезе алмазов было получено
из Швеции (фирма ASEA) в 1953 г. В 1954 г. синтез алмазов был осуществлен американской компанией «Дженерал электрик», которая
создала первое специальное предприятие по синтезу алмазов. Несколько позже, в 1960е годы, был синтезирован кубический нитрид
бора. В настоящее время синтез алмаза и кубического нитрида бора
освоен во многих странах, в том числе и в России.
Попытки получения алмаза из графита делались давно, сопровождались мистификациями и курьезами. Первого положительного результата якобы удалось достичь в 1880 г. Б. Ханнею. Его алмазы (размеры 0,4×0,2×0,1 мм, плотность 3,54 г/см3) хранятся в Британском
музее естественной истории в Лондоне под этикеткой «Искусственные алмазы Ханнея». Последующие попытки повторить его опыт не
приносили успеха Рентгеноструктурный анализ, выполненный в
1940е годы английским ученым Лонсдейлом (его именем названа
одна из модификаций углерода), подтвердил подлинность этих алмазов (десять образцов были алмазами, одиннадцатый — стекляшка).
Однако возникло обоснованное подозрение в их искусственном происхождении, так как давление в опытах Б. Ханнея было низким и не
превышало 20 МПа.
Работы по усовершенствованию инструментальных материалов
активно проводились, начиная с 50—60х годов ХХ столетия, и проВведение
5

должаются до сегодняшнего дня. Разработаны промышленные технологии нанесения на инструмент износостойких покрытий карбидов,
нитридов, оксидов. Это позволило получить градиентные материалы,
сочетающие высокую твердость, удовлетворительные прочностные
свойства. Начиная с 1960х годов, промышленность широко использует инструменты с покрытиями.
Развитие инструментальных материалов привело к изменению
металлообрабатывающего оборудования. Использование инструментальных материалов высокой твердости и, таким образом, хрупких
потребовало создания станков и прессового оборудования нового поколения, обладающих высокой жесткостью и виброустойчивостью.
Определилась не только целесообразность, но и необходимость
автоматизации технологических процессов обработки резанием,
так как оператор уже не в состоянии правильно вручную управлять
быстро перемещающимся инструментом или обрабатываемой заготовкой.
Роль инструмента в машиностроении не ограничивается только
формообразованием. Наряду с режущим и штамповым инструментом
предприятиям необходим контрольноизмерительный, вспомогательный, слесарномонтажный инструмент.
Контрольноизмерительный инструмент применяют для определения линейных и угловых размеров, а также свойств материалов (например, твердости), он необходим для обеспечения необходимой точности как детали, так и машины в целом, а также оценки ресурса детали, узла.
Слесарномонтажный инструмент используют при выполнении
слесарных операций, а также при сборке узлов и машины в целом.
Такой широкий спектр использования инструментов определяет
необходимость применения самых разнообразных материалов для изготовления инструментов различного назначения.
Традиционно инструментальными называют материалы, используемые для изготовления формообразующего, т. е. режущего и штампового инструмента. В настоящее время для изготовления инструмента используются не только традиционные инструментальные
материалы — стали, твердые сплавы, режущая керамика, но и неметаллические, а также композиционные материалы. Многие инструменты представляют собой достаточно сложные конструкции, в
которых помимо собственно инструментальных материалов, непосредственно контактирующих с материалом заготовки (режущий,

6
Введение

штамповый инструмент), необходимо применение конструкционных
материалов.
При изготовлении инструментов используют операции механической обработки, а также сварки, пайки, т. е. необходимо учитывать
технологичность материалов при различных операциях. Выбор материала для изготовления инструмента определяется, в первую очередь,
условиями его эксплуатации. Однако при этом следует учитывать целый ряд факторов, определяющих рациональный выбор материала:
технологию изготовления инструмента; серийность производства как
самого инструмента, так и производства изделий; стоимость инструментального материала и т. п.
В учебнике рассмотрен весь спектр инструментальных материалов — для режущего, штампового, слесарномонтажного, контрольноизмерительного и вспомогательного инструмента. Ранее таких
учебников не издавалось.
В известных учебниках (Гуляев А.П. «Металловедение», Лахтин Ю.М. «Материаловедение» и более поздним созданным коллективом преподавателей МГТУ им. Н.Э. Баумана) имеются лишь небольшие разделы, посвященные инструментальным материалам, с
весьма ограниченной информацией по излагаемому вопросу.
В монографиях, посвященных инструментальным материалам
(Геллер Ю.А. «Инструментальные стали», Третьяков В.И. «Основы
металловедения и технология производства спеченных твердых сплавов», Гаршин А.П. и др. «Абразивные материалы»), рассмотрены не
все, а только отдельные инструментальные материалы. Кроме того,
эти монографии не могут быть использованы в качестве учебников,
они предназначены для специалистов, уже имеющих образование и
работающих на производстве или в исследовательских институтах.
Изложение книги построено следующим образом. В основу положено рассмотрение строения и свойств материала, из которого изготавливают инструмент, и затем использования этого материала для
различного назначения (например, твердые сплавы для обработки резанием, давлением, для слесарного и измерительного инструмента).
При написании книги был использован большой научный и педагогический опыт кафедры «Металловедение» Московского технологического университета «СТАНКИН».
Кафедру в разное время возглавляли ведущие ученые в области
инструментальных сталей: Ю.А. Геллер — основатель школы металловедов — инструментальщиков, Л.С. Кремнев, разработавший теорию

Введение
7

легирования инструментальных сталей. На базе этой теории был создан ряд инструментальных сталей — быстрорежущих, штамповых,
в том числе вошедших в государственные стандарты. Коллектив кафедры, удостоен первой премии Д.К. Чернова за работу «Исследование, промышленное опробование и внедрение новых инструментальных сталей повышенной производительности для резания труднообрабатываемых материалов».
На кафедре «Металловедение» разработан курс «Инструментальные материалы и термическая обработка инструмента».
При написании книги также использованы фундаментальные
труды, выполненные во Всесоюзном научноисследовательском институте твердых сплавов.

8
Введение

Глава 1
ТРЕБОВАНИЯ К СВОЙСТВАМ
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Эксплуатационные свойства
инструментальных материалов

В машиностроении инструментальные материалы используют
для изготовления режущего, штампового, измерительного и слесарномонтажного и вспомогательного инструмента.
Принципиально выбор материала изделия определяется, вопервых, условиями эксплуатации — материал должен обеспечить работоспособность изделия; вовторых, технологическими свойствами материала и, втретьих, стоимостью.
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 формообразующие — режущие и штамповые инструменты. Для многих операций резания и
штамповки характерны большие напряжения, высокие температуры.
Условия эксплуатации слесарномонтажных, измерительных и вспомогательных инструментов более легкие, как правило, они работают
без нагрева, в условиях меньших изнашивающих воздействий.
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. Таким образом, высокая твердость — необходимое свойство, определяющее принципиальную возможность
использования материала в качестве инструментального.
Высокая твердость характерна для простых веществ (алмаз), химических соединений (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 допустимая температура нагрева
инструмента и скорость резания. Для штамповых сталей теплостойкость должна быть тем выше, чем выше температуры 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. Поэтому инструментальный материал должен обладать достаточно высокими механическими характеристиками — пределом прочности и ударной
вязкостью. При этом надо иметь в виду, что инструментальные мате10
Глава 1. Требования к свойствам инструментальных материалов...

риалы, обладающие высокой твердостью, имеют хрупкий характер
разрушения (т. е. 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, это обеспечивает большую точность размеров и меньшую шероховатость обрабатываемой 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 изза 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. Для режущего инструмента такая опасность возникает
при больших скоростях резания, изза высоких температур в зоне обработки. Для штампового инструмента вероятность адгезионного износа появляется при литье металлов под давлением (прессформы изготавливают из штамповых сталей).
При выборе материала инструмента необходимо учитывать серийность производства. Инструмент универсальный, а также специальный для крупносерийного и массового производства должен обладать высокой стойкостью. Стойкость инструмента в этом случае определяется в первую очередь механическими свойствами материала,
которые рассматриваются наиболее подробно.
Для инструмента специального, необходимого для изготовления
небольшого количества деталей (единичное и мелкосерийное производство) в достижении высокой стойкости необходимости нет. В этом

1.1. Эксплуатационные свойства инструментальных материалов
11