Γιατί ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι δύσκολος στη μηχανή

 

Ο ανοξείδωτος χάλυβας εφαρμόζεται ευρέως σε μηχανήματα, χημική μηχανική, επεξεργασία τροφίμων, ιατρικό εξοπλισμό και άλλους τομείς χάρη στην εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, την υψηλή σκληρότητα και την αντοχή του. Ωστόσο, οι μοναδικές μεταλλουργικές και φυσικές ιδιότητές του το καθιστούν ένα από τα πιο απαιτητικά υλικά για κοπή, διάτρηση, τρύπημα και άλλες διαδικασίες κατεργασίας. Ο συνδυασμός έντονης σκλήρυνσης εργασίας, κακής θερμικής αγωγιμότητας, υψηλής ολκιμότητας και ισχυρής συγγένειας μετάλλων σχηματίζει έναν φαύλο κύκλο που επιταχύνει την αστοχία του εργαλείου και θέτει σε κίνδυνο την ποιότητα της κατεργασίας. Ακολουθεί μια λεπτομερής ανάλυση των βασικών δυσκολιών και των σχετικών μηχανισμών.

 

 

Η σκλήρυνση εργασίας (σκλήρυνση με παραμόρφωση) είναι το κύριο εμπόδιο στη μηχανική κατεργασία από ανοξείδωτο χάλυβα και είναι πιο εμφανές σε ωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες όπως οι 304 και 316.Κατά την κοπή, το μέταλλο μπροστά από το κοπτικό εργαλείο υφίσταται έντονη πλαστική παραμόρφωση. Η δομή του πλέγματος παραμορφώνεται και οι εξαρθρώσεις αυξάνονται απότομα, οδηγώντας σε δραματική αύξηση της σκληρότητας της επιφάνειας. Για τον ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα, η πλαστική παραμόρφωση μπορεί ακόμη και να προκαλέσει μετασχηματισμό μαρτενσιτικής φάσης. Μέρος του υλικού μετατρέπεται σε σκληρό μαρτενσίτη, ωθώντας την τοπική σκληρότητα από το αρχικό HV 200 σε πάνω από το HV 500.

 

Το σκληρυμένο στρώμα εκτείνεται κάτω από την επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας. Εάν το βάθος κοπής για το επόμενο πέρασμα είναι μικρότερο από το πάχος του σκληρυμένου στρώματος, η κοπτική άκρη θα τρίβεται απλώς στη σκληρή επιφάνεια αντί να κόβει αποτελεσματικά. Αυτό θα επιταχύνει δραστικά τη φθορά του εργαλείου, θα προκαλέσει κραδασμούς στη μηχανική κατεργασία και θα υποβαθμίσει το φινίρισμα της επιφάνειας.Σε εργασίες διάτρησης και τρυπήματος, ο υπερβολικά χαμηλός ρυθμός τροφοδοσίας ή η προσωρινή παραμονή θα σκληρύνει αμέσως το εσωτερικό τοίχωμα των οπών. Σε σοβαρές περιπτώσεις, οι βρύσες θα κολλήσουν ή ακόμα και θα σπάσουν εντελώς.

 

 

Ο ανοξείδωτος χάλυβας έχει πολύ χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα από τον συνηθισμένο ανθρακούχο χάλυβα. Για αναφορά, η θερμική αγωγιμότητα του ανθρακούχου χάλυβα 45# είναι περίπου 50 W/(m·K), ενώ του ανοξείδωτου χάλυβα 304 είναι μόνο περίπου 16 W/(m·K) και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316 είναι ακόμη χαμηλότερη.

 

Περίπου το 80% της θερμότητας που παράγεται κατά την κοπή μετάλλων συνήθως απομακρύνεται από τα τσιπ. Ωστόσο, τα τσιπ από ανοξείδωτο χάλυβα έχουν επίσης κακή αγωγιμότητα θερμότητας. Μεγάλη ποσότητα θερμότητας κοπής συσσωρεύεται στο άκρο του εργαλείου, όπου η θερμοκρασία μπορεί εύκολα να ξεπεράσει τους 900 °C. Αυτό προκαλεί σοβαρή φθορά διάχυσης, φθορά οξείδωσης και φθορά πρόσφυσης. Τα επικαλυμμένα κοπτικά εργαλεία θα υποστούν ξεφλούδισμα της επίστρωσης κάτω από τόσο υψηλές θερμοκρασίες.

 

Επιπλέον, το υγρό κοπής είναι δύσκολο να φτάσει στη ζώνη κοπής. Η υψηλή θερμοκρασία εξατμίζει το ψυκτικό υγρό αμέσως και σχηματίζει ένα φιλμ αερίου, το οποίο εξασθενεί πολύ το αποτέλεσμα ψύξης και λίπανσης. Η στεγνή κοπή θα κάνει το άκρο του εργαλείου να λάμπει κόκκινο, με αποτέλεσμα μια απότομη πτώση της διάρκειας ζωής του εργαλείου.

 

 

Ο ανοξείδωτος χάλυβας διαθέτει υψηλή επιμήκυνση και ανώτερη πλαστικότητα. Σε αντίθεση με τα εύθραυστα υλικά που παράγουν θρυμματισμένα τσιπ, τείνει να σχηματίζει μακρά, συνεχή τσιπ σε σχήμα κορδέλας κατά τη μηχανική κατεργασία. Αυτά τα σχοινιά τσιπ είναι παρόμοια με το καυτό ατσάλινο σύρμα και θα τυλίγονται γύρω από τα εργαλεία κοπής και τα τεμάχια εργασίας.

 

Τα μακριά τσιπ θα χαράξουν την τελική επιφάνεια των τεμαχίων προς κατεργασία, θα μπλοκάρουν τη ροή του υγρού κοπής και θα προκαλέσουν ακόμη και θρυμματισμό των άκρων των εργαλείων. Για αυτοματοποιημένες γραμμές παραγωγής, τα μπερδεμένα τσιπ αναγκάζουν τα συχνά διακοπή λειτουργίας για καθαρισμό, γεγονός που μειώνει σοβαρά την απόδοση παραγωγής.

 

 

Υπό υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση κατά την κοπή, ο ανοξείδωτος χάλυβας παρουσιάζει ισχυρή συγγένεια με τα υλικά εργαλείων. Η ψυχρή συγκόλληση γίνεται εύκολα μεταξύ των τσιπς και της κοπτικής ακμής, σχηματίζοντας χτισμένες άκρες.

 

Οι χτισμένες άκρες συνεχίζουν να μεγαλώνουν, να ξεφλουδίζονται και να αναμορφώνονται επανειλημμένα. Αυτό αλλάζει συνεχώς τη γεωμετρική γωνία της κοπτικής ακμής, οδηγώντας σε κυμαινόμενες δυνάμεις κοπής. Όταν το χτισμένο άκρο πέσει, θα γρατσουνίσει την επεξεργασμένη επιφάνεια και θα ξεκολλήσει μικροσκοπικά σωματίδια από την άκρη του εργαλείου, προκαλώντας μικροτσίσιμο της κοπτικής άκρης. Αυτό το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα αισθητό σε μεσαίες και χαμηλές ταχύτητες κοπής.

 

 

 

Ο γραμμικός συντελεστής διαστολής του ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα είναι περίπου 1,5 φορές αυτός του ανθρακούχου χάλυβα. Το τεμάχιο εργασίας διαστέλλεται όταν θερμαίνεται κατά τη διάρκεια της μηχανικής κατεργασίας και συστέλλεται μετά την ψύξη, καθιστώντας δύσκολο τον έλεγχο της ακρίβειας διαστάσεων στο φινίρισμα. Τα μέρη από ανοξείδωτο χάλυβα με λεπτά τοιχώματα είναι ιδιαίτερα επιρρεπή σε θερμική παραμόρφωση.

 

 

Ο μαρτενσιτικός ανοξείδωτος χάλυβας και ο ανοξείδωτος χάλυβας που σκληραίνει με καθίζηση περιέχουν σκληρά σωματίδια όπως καρβίδια. Αυτά τα σκληρά εγκλείσματα λειτουργούν σαν λειαντικά και ξύνουν την κοπτική άκρη συνεχώς, προκαλώντας λειαντική φθορά στα εργαλεία.

 

 

Οι διπλοί ανοξείδωτοι χάλυβες (π.χ. 2205) αποτελούνται από φάσεις ωστενίτη και φερρίτη. Οι δύο φάσεις έχουν διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες, με αποτέλεσμα συγκεντρωμένη διεπιφανειακή τάση κατά την κοπή. Το κοπτικό εργαλείο φέρει εναλλασσόμενα μηχανικά και θερμικά φορτία υψηλής συχνότητας, τα οποία προκαλούν εύκολα θερμικές ρωγμές και σκάσιμο κόπωσης στην άκρη του εργαλείου.

 

 

Όλοι οι παραπάνω παράγοντες αλληλεπιδρούν και σχηματίζουν έναν καταστροφικό κύκλο:Η κακή θερμική αγωγιμότητα οδηγεί σε εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία στο άκρο του εργαλείου → Η υψηλή θερμοκρασία επιδεινώνει τη φθορά πρόσφυσης και τη φθορά διάχυσης, αμβλύνοντας το κοπτικό εργαλείο → Τα αμβλεία εργαλεία αυξάνουν τις δυνάμεις κοπής → Μεγαλύτερες δυνάμεις κοπής εντείνουν την πλαστική παραμόρφωση και τη σκλήρυνση της εργασίας του ανοξείδωτου χάλυβα → Η αντίσταση στην κοπή και η θερμότητα κοπής αυξάνεται περαιτέρω η ποιότητα του τεμαχίου εργασίας.

 

Για να επιτευχθεί σταθερή και αποτελεσματική κατεργασία ανοξείδωτου χάλυβα, οι κατασκευαστές πρέπει να σπάσουν αυτόν τον κύκλο βελτιστοποιώντας τα υλικά εργαλείων, σχεδιάζοντας λογικές παραμέτρους κοπής, βελτιώνοντας τις συνθήκες ψύξης και λίπανσης και επιλέγοντας κατάλληλες δομές θραύσης τσιπ.