Utviklingen av legeringer

Grunnleggende legeringer av rustfritt stål er kategorisert som ferrittisk eller martensittisk. Ferrittiske legeringer har 10-12 prosent krom og kan ikke herdes. Martensittiske legeringer har høyere krom- og karboninnhold enn ferrittisk rustfritt stål, så vel som tillegg av mangan og silikon, noe som gir en legering som kan herdes med varmebehandling. Nå for tiden er ferrittiske og martensittiske legeringer av rustfritt stål generelt ikke mye brukt i industrimiljøer, men heller i husholdningsartikler slik som kjøkken- og hageredskaper.

Etter hvert som bruken av rustfritt stål utviklet seg, ble legeringene ofte brukt i situasjoner hvor det trengtes mekanisk styrke så vel som korrosjonsbestandighet. For å øke styrken ble nikkel tilføyd i legeringene. Jern/krom-legeringer ble til jern/krom/nikkel-legeringer. Disse materialene kalles austenittisk rustfritt stål, og de er vanlige i industrien i dag hvor det trengs styrke og bestandighet mot korrosjon og varme. Legeringene brukes som regel innen petrokjemisk behandling, innen matindustrien hvor hygienestandarder krever korrosjonsbestandighet og innen generell maskinering ment for bruk i krevende miljøer.

Økninger i ytelsesevnene til en legering, for eksempel rustfritt stål, vil uunngåelig også øke utfordringene ved å maskinere den. De korrosjonsbestandige egenskapene til ferrittiske og martensittiske legeringer av rustfritt stål er i utgangspunktet kjemiske egenskaper, og følgelig er disse legeringene ikke særlig vanskeligere å maskinere enn vanlig stål. Imidlertid gir tilsetningen av nikkel og andre elementer i austenittisk rustfritt stål økt hardhet, seighet, motstand mot deformasjon og termiske egenskaper som reduserer bearbeidbarheten.

Forståelsen av legeringer

Inntil nylig var maskinering av austenittisk rustfritt stål ikke godt forstått. Maskinister antok at siden legeringene var sterkere ville de mekaniske skjærekreftene være høyere, og at det var nødvendig å bruke sterkere verktøy med negativ geometri ved reduserte skjæreparametere. Denne metoden førte imidlertid til en kort levetid for verktøyet, lang spon, grader, utilfredsstillende overflate og uønskede vibrasjoner.

I realiteten er de mekaniske skjærekreftene som inngår i bearbeiding av austenittisk rustfritt stål ikke mye høyere enn de som vanligvis brukes ved maskinering av tradisjonelt stål. Det meste av det ekstra energiforbruket som trengs for å maskinere austenittisk rustfritt stål er resultatet av stålets termiske egenskaper. Metallskjæring er en deformasjonsprosess, og når deformasjonsbestandig austenittisk rustfritt stål maskineres, danner bearbeidingen sterk varme.

Bortledning av denne varmen fra skjæresonen er ytterst viktig. Dessverre har austenittisk rustfritt stål, i tillegg til høy motstandsdyktighet mot deformasjon, også lav varmeledningsevne. Spon som dannes ved maskinering av vanlig stål, absorberer og leder vekk varme, men spon av austenittisk rustfritt stål absorberer varme bare i liten grad. I tillegg, siden selve emnet har dårlig varmeledningsevne, går den økte varmen inn i skjæreverktøyet og forkorter verktøyets levetid.

Verktøyprodusenter utvikler karbidsubstrater med tilstrekkelig varmehardhet til å motstå de økte temperaturene som dannes ved maskinering av rustfritt stål. Minst like viktig som sammensetningen av substratet er skarpheten på verktøyets skjæregg. Et skarpere verktøy skjærer det rustfrie stålet mer enn det deformerer det, og reduserer dermed varmedannelsen.

Aggressive skjæreparametere

Med tanke på bortledning av varme fra skjæresonen er den mest effektive måten å maskinere rustfritt stål på å bruke så store kuttdybder og matninger som mulig. Målet er å maksimere mengden varme som ledes vekk i sponen. Fordi den dårlige varmeledningsevnen til rustfritt stål begrenser mengden varme som kan absorberes av hver kubikkmillimeter med sponmateriale, vil det å danne større spon med mer kubikkmillimeters volum som leder vekk mer varme. Bruk av større kuttdybder vil også redusere antallet kutt som trengs for å fullføre en del, noe som er viktig siden austenittisk rustfritt stål har en tendens til deformering når det maskineres.

Det er praktiske begrensninger på disse aggressive maskineringsmetodene. Krav til overflatekvaliteten vil for eksempel begrense den maksimale matningen. Kraften tilgjengelig fra verktøymaskinen, så vel som styrken til skjæreverktøyet og emnet, begrenser også hvor aggressive parameterne kan være.

Kjølemiddelstrategier

De problematiske termiske egenskapene til austenittisk rustfritt stål tilsier at bruk av kjølemiddel nesten alltid er avgjørende for vellykket maskinering av slikt stål. Kjølemiddelet må være av høy kvalitet, med minst åtte eller ni prosent oljeinnhold i en olje/vann-emulsjon, sammenlignet med tre eller fire prosent oljeinnhold som er typisk for mange maskineringsoperasjoner.

Måten kjølemiddelet tilføres på er også viktig. Jo høyere trykket er for tilførselen av kjølemiddelet til skjæresonen, desto bedre vil det gjøre jobben sin. Spesialiserte tilførselssystemer, for eksempel Seco Jetstream Tooling som leverer en høytrykksstrøm av kjølemiddel direkte til skjæresonen, øker effektiviteten ytterligere.

Belagte verktøy mot slitasjeprosesser

Et hardt belegg på overflaten av verktøysubstratet forsterker varmehardheten på overflaten av verktøyet og forbedrer verktøyets levetid i høytemperaturmiljøer. Imidlertid må belegget som regel være tykt for å isolere substratet mot varme, og et tykt belegg vil ikke sitte godt på svært skarp geometri. Produsenter av skjæreverktøy arbeider med å utvikle tynne belegg som gir god beskyttelse mot varme.

Austenittisk rustfritt stål har høy duktilitet og en tendens til å feste seg til skjæreverktøyet. Påføring av et belegg kan også hindre dette, en tilstand som oppstår når materialet som skjæres, fester seg til og bygger seg opp på skjæreggen. Løseggen kan deretter knekke av og ta med seksjoner av skjæreggen, noe som fører til dårlig overflatekvalitet og verktøysvikt. Belegget kan sørge for smøring som begrenser løsegg. Høyere skjærehastighet og mere varme vil også minimere mekanismen som gir løsegg.

Noen legeringer av austenittisk rustfritt stål inneholder slipende, harde inneslutninger, og det å øke skjæreverktøyets slipebestandighet med et hardt belegg kan forlenge verktøyets levetid.

Stråleslitase skyldes en legerings tendens til deformering under maskinering. Stråleslitasje kan beskrives som en svært lokal, ekstrem friksjonsslitasje, og kan bedres med bruk av egnede belegg og andre tiltak slik som å variere kuttdybden for å spre slitasjeområdene over skjæreggen.

Verktøyutvikling

Verktøyprodusenter fokuserer sin pågående utvikling av skjæreverktøy mot å finne en balanse mellom verktøyegenskaper som vil gi optimal ytelse i bestemte materialer. Forskning på hardmetallkvalitet søker en balanse mellom hardhet og seighet slik at verktøyet ikke blir så hardt at det brekker, men likevel hardt nok til å motstå deformasjon. På lignende vis er en skarp geometri på skjæreggen å foretrekke, men er ikke like mekanisk sterk som en avrundet egg. Følgelig er målet med utviklingen innen egg-geometri å lage verktøy som balanserer skarphet med så mye styrke som mulig.

Som en del av utviklingsprosessen reviderer verktøyprodusenter nå bruksveiledningene for verktøyene sine. Gjeldende anbefalinger for maskineringsparameter er hovedsakelig basert på seighets- og hardhetsegenskapene til tradisjonelt stål, uten tanke på de termiske faktorene som er så viktige ved maskinering av austenittisk rustfritt stål og andre høytytende legeringer. Verktøyprodusenter har nylig begynt å samarbeide med akademiske institusjoner for å revidere prosedyrene for verktøytesting slik at de termiske egenskapene til bestemte materialer tas i betraktning.

De nye retningslinjene gjenspeiler dannelsen av nye referansematerialer. Tradisjonelt ble standarder for bearbeidbarhet utarbeidet med hensyn til ett referansemateriale, et legert stål, og de var basert på mekaniske belastninger produsert under maskinering. Nå finnes det et eget referansemateriale for austenittisk rustfritt stål der det er etablert utgangsverdier for når det gjelder hastighet, matning og kuttdybde. Relativt til dette referansematerialet anvendes balanserings- eller kalibreringsfaktorer for å fastslå endringer i utgangsverdiene som vil oppnå optimal produktivitet i materialer med forskjellige maskineringsegenskaper.

Spesifikke geometrier for bestemte materialer

Mange skjæreverktøy gir svært akseptabel ytelse i ulike materialer under en lang rekke skjæreforhold og maskineringsparameter. For engangsjobber med moderate produktivitets- og kvalitetskrav kan disse verktøyene være et kostnadseffektivt valg. I den hensikt å oppnå maksimal ytelse vil verktøyprodusenter imidlertid kontinuerlig manipulere og balansere en rekke verktøyelementer for å utvikle skjæreverktøy med best mulig produktivitet og driftssikkerhet i bestemte materialer.

De grunnleggende elementene til et verktøy inkluderer substratet, belegget og geometrien. Hvert av disse er viktig, og i de beste verktøyene fungerer de som et system som produserer resultater utover summen til de separate delene.

Disse delene spiller forskjellige roller i verktøyet. Substratet og belegget har passive roller: de er konstruert for å gi en balanse av hardhet og seighet, for å motstå høye temperaturer og for å motstå løsegg samt kjemisk og slipende slitasje. Verktøygeometrien spiller derimot en aktiv rolle, fordi endringer i geometrien kan endre mengden metall som kan fjernes i et bestemt tidsrom, mengden varme som dannes, hvordan spon dannes, og hva slags overflatekvalitet som kan oppnås.

Grunnleggende eksempler på ytelsesendrende geometriforskjeller inkluderer tradisjonelle dreiegeometriskjær fra Seco, kalt f.eks. M3 og M5, som har negative (0¿ frivinkel) skjæregg-geometrier og T-friflater mellom skjæreggen og verktøyets sponflate. M3-geometrien er en allsidig, middels grov geometri som gir god levetid for verktøyet og sponbryting i en lang rekke emnematerialer. M5-geometrier er beregnet til krevende grovbearbeiding med høy matning og kombinerer høy eggstyrke med forholdsvis lave skjærekrefter.

M3- og M5-geometrien er allsidig og sterk, men ikke fullstendig skarp, og danner en god del varme gjennom deformasjon ved maskinering av austenittisk rustfritt stål. Til sammenligning finnes det geometrier som kan være mer effektive ved maskinering av rustfritt stål, inkludert Seco MF4- og MF5-geometrien, som har skarpe, positive geometrier med smalere, positive T-friflater som bidrar til å opprettholde skarpheten samtidig som å gi støtte bak den skarpe eggen. Geometriene er konstruert for å være åpne og friskjærende for å tilrettelegge for mellom- til finbearbeiding på stål og rustfritt stål. MF5-geometrien er spesielt effektiv ved høy matning.

For mer informasjon besøk: www.secotools.com

Les hele saken