Obróbka skrawaniem stali nierdzewnych

Jak obrabiać - skrawać stale nierdzewne? Czy istnieją specjalne wymagania, co do stosowanych narzędzi i parametrów obróbki?

Obróbka skrawaniem
Skrawalność stali nierdzewnych przez długi czas traktowano jak drugorzędną własność materiału, co wynikało z trudności w obróbce austenitycznych stali nierdzewnych. Rozwój technologii metalurgicznych umożliwił kontrolę tej własności materiału i doprowadził do powstania gatunków stali nierdzewnych łatwych w obróbce skrawaniem (nazywanych stalami automatowymi), których można wyróżnić dwa podstawowe typy:
- Stale automatowe, w których skrawalność podwyższono przez zwiększenie stężenia siarki i fosforu. Celowe wprowadzenie wysokiego dodatku siarki w stężeniu od 0,15 do 0,35% polepsza obrabialności stali. Siarka tworzy w połączeniu z manganem siarczek manganu, który pozytywnie oddziałuje na skrawalność. Dodatek siarki powoduje również niekorzystne zjawiska takie jak obniżenie odporności na korozję wżerową, a ponadto pogarsza podatność na obróbkę plastyczną na gorąco i spawalność z powodu podwyższenia wrażliwości na pękanie na gorąco (głównie dla stali austenitycznych). Stale automatowe o podwyższonej skrawalności są dostępne dla trzech grup stali: austenitycznych, ferrytycznych i martenzytycznych. Do obróbki skrawaniem najczęściej stosuje się gatunki: EN 1.4570 (stal austenityczna), EN 1.4105 (stal ferrytyczna) oraz EN 1.4005 i EN 1.4029 (stale martenzytyczne).
- Stale automatowe o kontrolowanym stężeniu wtrąceń tlenkowych, których skrawalność jest polepszona przez kontrolowany pod względem składu chemicznego, jaki i rozmieszczenia dodatek wtrąceń tlenkowych SiO₂, CaO i Al₂O₃. Wtrącenia takie w wysokich temperaturach są ciągliwe i ulegają deformacji podczas skrawania oraz silnie wydłużają się w strefie ścinania wióra zwiększając jego łamliwość. Wtrącenia tlenkowe tworzą na powierzchni narzędzia warstwę smarującą, która ogranicza jego nagrzewanie i zużycie. Na przykład zastosowanie metody kontrolowanego udziału wtrąceń tlenkowych dla stali typu X5CrNi18-10/1.4301 w porównaniu do standardowego gatunku, powoduje wzrost wydajności toczenia rzędu 25%. W przeciwieństwie do gatunków automatowych o podwyższonym stężeniu siarki, w tych stalach poprawa skrawalności nie odbywa się kosztem obniżenia odporności na korozję.

Obróbka różnych gatunków stali nierdzewnych
Stale austenityczne
Austenityczne stale nierdzewne wykazują wysoki stopień umocnienia przez gniot, a w stanie po odkształceniu plastycznym na zimno ich wysoka wytrzymałość przyczynia się do szybkiego zużycia narzędzi skrawających. Jednak nawet w stanie silnie umocnionym przez zgniot dzięki wysokiej ciągliwości tworzą długie wióry, które mają tendencje do sczepiania się z narzędziem. Występowanie zjawiska sczepiania materiału do krawędzi tnącej narzędzia może zwiększyć siły skrawania i w konsekwencji doprowadzić do jego pękania. Wymaga to więc zastosowania dużych sił skrawania, które z kolei powodują szybsze zużycie narzędzia i ryzyko pękania spowodowane zniszczeniem krawędzi skrawania. Ponadto, przewodność cieplna stali austenitycznych jest około trzy razy niższa w porównaniu do zwykłej stali węglowej, co powoduje wytworzenie wysokiej temperatury na styku narzędzie - przedmiot obrabiany i zmniejsza trwałość narzędzia. Z powodu wymienionych przyczyn, generalnie stale austenityczne przeznaczone do obróbki skrawaniem zawierają siarkę w stężeniu od 0,15 do 0,35%. 

Stale ferrytyczne
Stale ferrytyczne słabiej ulegają umocnieniu przez zgniot niż stale austenityczne, a ich wytrzymałość na rozciąganie wzrasta tylko około 200 MPa dla 50% zgniotu w porównaniu do ponad 1000 MPa dla niektórych stali austenitycznych. Pomimo, że stale ferrytyczne charakteryzują się wyższą przewodnością cieplną i niższym umocnieniem zgniotowym w porównaniu do gatunków austenitycznych to niebezpieczeństwo tworzenia długich wiórów i sczepienia z narzędziem pozostaje wysokie. Stale nierdzewne o strukturze ferrytycznej przeznaczone do obróbki skrawaniem posiadają prawie zawsze podwyższone stężenie siarki i fosforu.

Stale martenzytyczne
Gatunki martenzytyczne wykazują podobne własności pod wpływem umocnienia przez zgniot i przewodności cieplnej do stali niskostopowych, szczególnie stali konstrukcyjnych. Stale te po obróbce cieplnej hartowania i odpuszczania uzyskują bardzo wysoką wytrzymałość, co wywołuje duże siły skrawania.

Stale utwardzane wydzieleniowo
Obróbka cieplna stali tej grupy polega na hartowaniu i odpuszczaniu. Stale martenzytyczne umacniane wydzieleniowo osiągają wytrzymałość na rozciąganie nawet do 1550 MPa. Zaletą stali utwardzanych wydzieleniowo jest możliwość wykonania obróbki skrawaniem jeszcze w stanie wyżarzonym, a po uzyskaniu ostatecznego kształtu i cech geometrycznych wykonanie obróbki cieplnej. Stale utwardzane wydzieleniowo przed obróbką cieplną wykazują skrawalność zbliżoną lub nieznacznie niższą od austenitycznych stali nierdzewnych.

Stale ferrytyczno-austenityczne typu duplex
Nierdzewne stale ferrytyczno-austenityczne typu duplex cechują się dwufazową strukturą o zmiennym udziale ferrytu i austenitu. Typową charakterystyką stali duplex jest wysoka wytrzymałość - wyższa od stali jednofazowych austenitycznych i ferrytycznych oraz wyśmienita odporność korozyjna, a także dobra podatność na kształtowanie zwłaszcza gatunków z dodatkiem azotu. Stale duplex wykazują stopień umocnienia przez zgniot zbliżony do stali austenitycznych. Wiór powstający podczas obróbki stali duplex jest twardy i działa jak ścierniwo dla narzędzi, zwłaszcza w przypadku gatunków wysokostopowych. Gatunki duplex nie zawierają dodatku siarki, brak więc jest efektu zwiększonej łamliwości wióra podczas obróbki skrawaniem. Z powyższych przyczyn stale duplex są trudniej obrabialne w porównaniu do austenitycznych stali nierdzewnych.

Dobór narzędzi
Głównym czynnikiem, który decyduje o jakości obrabianych powierzchni i wydajności procesu skrawania jest prawidłowy dobór narzędzi skrawających. Można wyróżnić cztery główne grupy materiałów stosowanych do obróbki skrawaniem stali nierdzewnych:
• stale szybkotnące (HSS) pokrywane i niepokrywane twardymi powłokami,
• węgliki spiekane pokrywane twardymi powłokami,
• cermetale,
• ceramika narzędziowa wzmacniana włóknami krzemowymi.
Narzędzia ze stali szybkotnących stosuje się do wiercenia i gwintowania, a narzędzia pokrywane powłokami z węglików spiekanych do toczenia i frezowania. Do obróbki stali nierdzewnych stosuje się węgliki spiekane z Co-WC, TiC, które w ostatnich latach zostały udoskonalone przed dodatek NbC lub (Nb, Ta)C. Narzędzia z węglików spiekanych są pokrywane twardymi powłokami ochronnymi. Do najczęściej stosowanych powłok należą: węglik tytanu TiN, węglikoazotek tytanu Ti(C,N) i tlenek aluminium Al₂O₃.
Obecnie istnieje trend do stosowania narządzi z węglików spiekanych pokrywanych powłokami wielowarstwowymi TiC, Ti(C,N) i Al₂O₃. Dla stali nierdzewnych preferowaną warstwą zewnętrzną jest TiN. Powłoki takie mogą być wytwarzane dwoma metodami fizycznego (PVD) i chemicznego (CVD) osadzania z fazy gazowej. Powłoki PVD posiadają gładką powierzchnię, która generuje mniej ciepła w wyniku tarcia, co umożliwia zastosowanie niższych sił skrawania, a powierzchnie tnące są odporne na sczepianie materiału. Proces CVD jest obecnie jedyną techniką nanoszenia zapewniającą efektywne osadzanie powłok z (Al₂O₃), które umożliwiają obróbkę z dużymi prędkościami skrawania.
Współczesne cermetale narzędziowe stosowane głównie do obróbki stali nierdzewnych składają się z węglikoazotku Ti(C,N) spiekanego z fazą metaliczną Ni-Mo, która działa jak faza wiążąca. W ostatnich latach opracowano nowe drobnoziarniste typy cermetali narzędziowych, które wykazują wyższą odporność na zmęczenie cieplne oraz możliwość obróbki z dużymi prędkościami skrawania (do 900 m/min). Narzędzia z cermetali stosuje się głównie do obróbki wykańczającej, ponieważ zapewniają wysoką jakość obrabianych powierzchni bez konieczności szlifowania wykańczającego. Nadają się też idealnie do zachowania rygorystycznych tolerancji obróbki. Rysunek 2 przedstawia zakres prędkości skrawania stali nierdzewnych dla różnych typów narzędzi.
Narzędzia z ceramiki inżynierskiej nie były dotychczas stosowane do obróbki stali nierdzewnych, zmieniło się to z wprowadzeniem płytek wieloostrzowych z ceramiki wzmacnianej włóknami krzemowymi, które nadają się do obróbki wysokostopowych stali nierdzewnych.

Ogólne zalecenia dla obróbki skrawaniem stali nierdzewnych:
 stosować maszyny i urządzenia o dużej mocy i wysokiej sztywności wyposażone w solidny i sztywny uchwyt dla narzędzi i elementów obrabianych,
 minimalizować wpływ wibracji zapewniając jak najkrótsze przedłużenia narzędzi,
 nie stosować promienia zaokrąglenia ostrza większego niż jest to niezbędne,
 planować etapy obróbki w taki sposób, aby głębokość cięcia była zawsze większa od głębokości warstwy umocnionej w wyniku poprzedniego przejścia narzędzia,
 stosować odpowiednią, lecz nie nadmierną szybkość skrawania w celu uniknięcia narostu na ostrzu i szybkiego zużycia narządzi,
 wymieniać systematycznie narzędzia (płytki wieloostrzowe) lub je przeszlifować, aby zapewnić ostre krawędzie cięcia,
 podczas używania cieczy chłodząco-smarujących stosować obfity przepływ chłodziwa/emulsji smarującej pod wysokim ciśnieniem,
 stosować płytki wieloostrzowe z węglików pokrywanych o dodatniej geometrii łamania wiórów.

Literatura
[1]. Working with Stainless Steels, Euro Inox, 1999
[2]. Design handbook, Stainless Steel for Machining, Specialty Steel Industry of North America (SSINA), www.ssina.com
[3]. Practical guidelines for the fabrication of duplex stainless steels, IMOA, second edition 2009, www.stalenierdzewne.pl