Износостойкость материалов, как характеристика, является одной из главных у инструмента из штамповых сталей и быстрорежущих сталей. Износостойкость является следствием сложных совокупных процессов, которые протекают не только при физическом уничтожении кромок инструмента; ее могут сопровождать пластическая деформация, усталость и даже диффузионные процессы. Вследствие износа геометрия кромки инструмента изменяется, вырубные и режущие усилия возрастают. При динамическом характере нагрузки и при высокой температуре эксплуатации степень износа растет. Динамическая нагрузка вызывает дальнейшее выкрашивание, вырывание поверхностных слоев. Высокая рабочая температура снижает твердость материала инструмента и предел текучести, а также способствует развитию диффузионных процессов между материалом инструмента и обрабатываемой заготовкой. Циклические давления на рабочие поверхности и кромки инструментов, приводящие к накоплению от цикла к циклу небольших остаточных деформаций и к образованию трещины в поверхностных слоях, также активно содействуют увеличению степени износа.
Износостойкость – очень сложное свойство. Оно зависит не только от структуры и свойств инструментальной стали, но и от свойств обрабатываемого материала (его твердости, коррозионного воздействия), а также от коэффициента трения и внешних условий, при которых происходит изнашивание: температуры в зоне трения и механических воздействий, величины контактных напряжений, особенностей технологического производства, а также от условий эксплуатации. При изменении отдельных из этих условий в свою очередь изменяется износостойкость инструментальной стали. Из внешних причин нужно прежде всего учитывать влияние теплового фактора и условий нагружения: величину динамических нагрузок, давления и роль корродирующего воздействия сопряженной пары.
В ходе применения различных способов резания трудно определить, какой вид износа является доминирующим: абразивный, диффузионный, коррозионный, эрозионный или адгезионный. Обычно встречается каждый из них, даже если и в неодинаковой мере. Поэтому на опытных инструментах или моделированием стремятся определить в данных конкретных условиях наиболее износостойкую инструментальную сталь.
Износостойкость инструментальных сталей при абразивном износе может быть поставлена в однозначную взаимосвязь с твердостью стали, с сопротивлением малым остаточной деформации (предел упругости, предел текучести при сжатии), которые в значительной мере зависят от содержания мартенсита и концентрации углерода в стали. Износостойкость инструментальных сталей определяют не только твердость, но также и их структура и обусловленные ею свойства. Чем больше разница между твердостью инструмента и материала обрабатываемой заготовки, тем заметнее различие между износостойкостью инструментальных сталей. Положительное влияние высокой твердости на износостойкость стали проявляется также и при высокой температуре кромки инструмента. Большое влияние на износостойкость стали оказывают содержание карбидов, количество остаточного аустенита. При высокой температуре износостойкими являются только стали, устойчивые против отпуска. Уменьшение твердости вследствие распада мартенсита сильно снижает износостойкость. Чрезмерно высокая твердость, сочетающаяся только с минимальной вязкостью, также не является особо благоприятным фактором для износостойкости. Выкрашивание кромок происходит еще до появления нормального износа. Очень высокая твердость допускается только при наиболее благоприятном напряженном состоянии. Между содержанием карбидов в инструментальной стали и износостойкостью может быть выявлена однозначная зависимость: чем больше карбидов в инструментальной стали, тем меньше износ.
Большое влияние на износостойкость оказывает не только количество, но и качество карбидов. Чем разнороднее карбиды, тем ниже износостойкость. Износ вырубных инструментов или находящаяся от него в прямой зависимости высота заусенца в данных условиях вырубки тем меньше, чем больше карбидов типа МС содержит инструментальная сталь. Количество остаточного аустенита, в некоторых пределах повышающее вязкость, увеличивает износостойкость инструмента, уменьшает высоту заусенцев вырубленных деталей. Для предотвращения выкрашивания, во всех случаях необходима определенная минимальная вязкость. Известно, что повышение твердости однозначно ведет к снижению вязкости. Если у инструмента преобладает динамическая нагрузка, то для повышения износостойкости при данной твердости и содержании карбидов требуется большой запас вязкости. Во многих случаях для повышения вязкости нужно стремиться к снижению твердости, увеличение твердости поверхности улучшает износостойкость. Следовательно, износостойкость и вязкость – свойства взаимопротивоположные.
Теплостойкие стали для инструментов горячей деформации (работающих при динамической нагрузке), матриц с целью достижения достаточно высокой вязкости изготавливают с существенно более низким содержанием углерода, благодаря чему их твердость ниже. Износостойкость таких сталей, кроме того, зависит от состояния твердого раствора, содержания легирующих элементов, от количества и качества карбидов, от их распределения.
Таким образом, чем выше стойкость стали против отпуска и красностойкость, тем больше также ее износостойкость при нагреве.
Износ – распространенное явление в технике, в природе и нашей повседневной жизни. Изнашиваются подшипники машин (хотя для них предусмотрена специальная износостойкая сталь), шестерни, рабочие поверхности измерительных инструментов, ступени каменных лестниц, карандаши. Изнашиваются и режущие инструменты, которые работают в промышленности при обработке древесных, металлических материалов и продуктов сельского производства. С повышением режимов резания износ инструмента ускоряется и его стойкость сильно снижается. Ни одна машина не требует так много остановок, как метало- и деревообрабатывающие станки для смены изношенного (затупившегося) инструмента. Очень часто время непрерывной работы инструмента, то есть его стойкость, не превышает несколько часов.
Износ инструмента – одно из главных препятствий на пути повышения режимов резания и производительности оборудования. Вот почему, изучая науку о резании материалов, нельзя пройти мимо явления износа. Полностью уничтожить износ нельзя, но уменьшить вредное влияние его на работу режущего инструмента можно и нужно. Для этого необходимо знать закономерности, которым он подчиняется. Многие ученые совместно с производственниками работали и работают над этой проблемой. Изучается процесс износа, и на основе этого создаются более совершенные формы режущей части инструмента. Изобретаются новые, более теплостойкие и износостойкие материалы для изготовления инструмента. Совершенствуются старые и открываются новые способы термической и химико-термической обработки инструмента. Разрабатываются специальные способы упрочнения поверхности режущих граней инструмента твердыми сплавами, специальными покрытиями.
Благодаря этим работам современные метало- и деревообрабатывающие инструменты обладают повышенной износостойкостью в чрезвычайно тяжелых условиях.
Промышленность быстрыми темпами идет по пути автоматизации. Создаются и работают автоматные поточные линии, автоматические цехи и заводы. Дерево- и металлообработка возможна только при очень высокой износостойкости инструмента, когда уменьшается количество остановок в следствие затупления инструмента и не падает производительность. Поэтому понимание явлений, вызывающих затупление инструмента, имеет огромное значение для промышленности, в частности инструментальной. Поняв природу этих явлений, можно лучше вести борьбу с износом инструмента за повышение его стойкости.
