«нержавейка» сложнее поддается обработке (сверлению, резанию и т.д.), почему?

Особенности процесса резания нержавеющих сталей, затрудняющие их механическую обработку, были изучены отечественными учеными-металловедами ещё во второй половине прошлого века. Они объясняют эту проблему сразу несколькими факторами.

Постараемся кратко изложить каждую из них.

1. Высокая склонность к деформационному упрочнению в процессе резания.

Резкое возрастание прочности сталей аустенитного класса в процессе пластической деформации объясняется особенностями строения кристаллической решетки γ-фазы. При этом происходит наклеп аустенита и выделение из него углерода и карбидообразующих легирующих элементов с образованием дисперсных карбидов (дисперсионное упрочнение) [5]. В дополнение к этому немаловажную роль в упрочнении играет полиморфное (так называемое фазовое) превращение [6, 7-12]. При интенсивных диформациях они протекает по бездиффузионному механизму и приводит к формированию гетерофазной структуры стали в результате появления в аустенитной матрице высокодисперсных кристаллов мартенсита (α или ε, либо обеих фаз одновременно), способных «наследовать» дефекты аустенита [13, 14]. При этом отмечается тесная зависимость между уровнем упрочненного состояния нестабильных аустенитных сталей и объемной долей возникающего мартенсита деформации [15]. Таким образом повышение прочности аустенитных сталей обусловлено в том числе увеличением объёма дефектов γ-твердого раствора и возникшего мартенсита деформации.

2. Большинство коррозионно-стойких сталей имеют низкую теплопроводность.

Низкая проводимость тепла нержавеющих сталей приводит к возникновению высоких температур в зоне их обработки – в 2-3 раза больших, чем при обработке обычных конструкционных сталей. Такие высокие температуры способствуют развитию адгезии и диффузии в зоне контакта инструмента с обрабатываемой деталью. Это вызывает интенсивное схватывание обоих контактных поверхностей друг с другом и приводит к разрушению режущей кромки инструмента.

Недостаточное отведение тепла при обработке нержавеющих сталей, особенно аустенитного класса, обуславливает необходимость снижения скорости резания по сравнению со скоростью резания углеродистых сталей.

Важное значение при этом приобретает использование смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Поэтому для эффективного теплоотведения из зоны резания и улучшения обрабатываемости детали современное оборудование для металлообработки оснащается системами подачи СОЖ напорной струей или через каналы в теле режущего инструмента.

3. Наличие твердых мелкодисперсных карбидов и интерметаллидов в вязкой аустенитной матрице.

Карбиды и интерметаллиды значительно твёрже аустенитной матрицы. Такие мелкодисперсные твёрдые включения в (аустенитных) нержавеющих сталях действуют на рабочие части инструмента как абразив, приводя к его быстрому износу. Эта особенность вызывает необходимость применять для режущего инструмента материалы, которые имеют наряду с высокой прочностью также и повышенную износостойкость.

4. Способность коррозионно-стойких сталей сохранять исходную прочность и твёрдость при повышенных температурах.

Нержавеющие стали, как правило, сохраняют высокие механические свойства даже при высоких температурах, возникающих при их обработке. Это приводит к высоким удельным нагрузкам на инструмент в области контакта с поверхностью обрабатываемой детали. Особенно это проблема возникает при обработке жаропрочных и жаростойких сталей.

5. Низкая виброустойчивость движения резания.

Этот эффект объясняется интенсивным упрочнением нержавеющих сталей, описанным в п.1, при неравномерной степени интенсивности этого процесса. Возникновение вибраций приводит к переменным силовым и тепловым нагрузкам на рабочие поверхности инструмента и, следовательно, к микро-  и макровыкрашиваниям режущей кромки. При воздействии вибраций особенно неблагоприятное влияние на износ инструмента оказывает явление схватывания стружки с его передней поверхностью.

Так, например, Я.Л. Гуревич в своем справочнике [1] вводит классификацию труднообрабатываемых сталей и сплавов по обрабатываемости резанием. В ее основу положен химический состав, как основной определяющий фактор. По предлагаемой классификации рассматриваемые в справочнике материалы разделены на восемь групп.  Каждая из них объединяет стали и сплавы схожего химического состава с одинаковыми механическими свойствами и, значит, близкими коэффициентами обрабатываемости по отношению к обычной углеродистой стали 45. Для каждой группы приведены значения скорости резания, рекомендуемые при обработке инструментом из твердого сплава или быстрорежущей стали.

Коррозионно-стойкие стали аустенитного класса отнесены в справочнике [1] к группе III.

К той же группе отнесены стали аустенитно-ферритного и аустенитно-мартенситного классов:

Как видно, скорости резания, рекомендуемые при обработке заготовок из аустенитных и мартенситных сталей (группа II и III), примерно в 1,5-2 раза ниже скоростей, применяемых при обработке заготовок из стали 45.

Поэтому с учётом трудности обработки при сверлении конструкционных элементов из коррозионно-стойких сталей, в частности навесных фасадных систем, специалисты BEST-Крепёж рекомендуют использовать свёрла ELNAR DIN 1897 HSS-E D. Они изготовлены из быстрорежущей стали типа М35 (Р6М5К5), которая дополнительно легирована кобальтом.  Кобальт, входящий в ее состав в качестве легирующего элемента, придаёт сверлу высокую красностойкость — способность не терять режущие свойства в процессе повышенного нагрева. Что особенной важно при сверлении вязких нержавеющих сталей.

Список литературы

1) Режимы резания труднообрабатываемых материалов [Текст]: справочник / Я.Л. Гуревич, М.В. Горохов, В.И. Захаров. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 240 с.

2) Обработка резанием жаропрочных высокопрочных и титановых сплавов [Текст] / [Н. И. Резников и др.]; под редакцией Н. И. Резникова. - Москва: Машиностроение, 1972. - 198 с.

3) Подураев, В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов [Текст]: [учеб. пособие для машиностр. и приборостр. специальностей вузов] / В.Н. Подураев. - М.: Высшая школа, 1974. - 590 с.

4) Шифрин, А. Ш. Обработка резанием коррозионностойких, жаропрочных и титановых сталей и сплавов [Текст] / А. Ш. Шифрин, Л. М. Резницкий; Под ред. канд. техн. наук Л. М. Резницкого. - Москва; Ленинград: Машиностроение. [Ленингр. отд-ние], 1964. - 447 с.

5) Конструкционные стали и сплавы [Текст]: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 150100 Материаловедение и технологии материалов / Г. А. Воробьева, Е. Е. Складнова, В. К. Ерофеев, А. А. Устинова ; под ред. Г. А. Воробьевой. - Санкт-Петербург: Политехника, 2013. - 438 с.

6) Рахштадт, А. Г. Пружинные стали и сплавы [Текст] / А.Г. Рахштадт. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1982. - 400 с.: ил.

7) Колпашников, А. И. Высокопрочная нержавеющая проволока [Текст] / А. И. Колпашников, А. С. Белоусов, В. Ф. Мануйлов. - Москва: Металлургия, 1971. - 184 с.: ил.

8) Уваров, А. И. Влияние стабильности аустенита на характер разрушения и механические свойства стареющих немагнитных сплавов после различных упрочняющих обработок [Текст] / А. И. Уваров, Н. А. Терещенко // Физика металлов и металловедение. - 2010. - Т. 109, N 3. - С. 288-301.

9) Kawabata, Y. The effect of strength and work hardening characteristics on the head-ability of austenitic stainless steel wires [Text] / Y. Kawabata, T. Nishimura, T. Wakamiya, Y. Vamaoka // Iron and Steel Inst. Jap. 1975, 61, № 8. – Р. 2028-2037.

10) Пушин, В. Г. Влияние старения и пластической деформации на структуру и механические свойства сплава Н15Х5Г3Т3 с метастабильным аустенитом [Текст] / В. Г. Пушин, Р. Р. Романова, А. М. Уваров, А. Н. Барановский // ФММ, 1988, т. 49, вып. 2. – С. 372-382.

11) Гуляев, А. П. Пути повышения прочности проволоки из нержавеющих сталей [Текст] / А. П. Гуляев, В. М. Афонина // МиТОМ, 1971, № 11. – С. 5-10.

12) Нижник, С. Б. Диаграммы деформирования и стуктура нержавеющих сталей переходного класса [Текст] / С. Б. Нижник, Н. И. Черняк // Проблемы прочности, 1974, № 4. – С. 70-73.

13) Бернштейн, М. Л. Строение кристаллической решетки мартенсита, полученного деформацией метастабильной аустенитной стали 70Х5Г4 [Текст] / М. Л. Бернштейн, Л. М. Капуткина, А. М. Глушец, А. М. Панов // ФММ, 1978, Т. 46, вып. 1. – С. 121-131.

14) Утевский, Л. М. О дислокационной структуре деформированного аустенита и её «наследовании» мартенситом [Текст] / Л. М. Утевский, Ф. Р. Хамитов // МиТОМ, 1966, № 4. – С. 4-6.

15) Грачев, С. В. Теплостойкие и коррозионностойкие пружинные стали [Текст] / С. В. Грачев, В. Р. Бараз. – М.: Металлургия, 1989. – 144 с.

16) Журавлев, В. Н. Машиностроительные стали [Текст] : справочник / В.Н. Журавлев, О.И. Николаева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1968. - 331 с.