Stal nierdzewna jest uniwersalnym materiałem obrabianym, szeroko wykorzystywanym tam, gdzie ważne są takie własności, jak wytrzymałość, odporność cieplna i odporność na korozję. Jednakże te same własności, które sprawiają, że stopy stali nierdzewnych są wyjątkowymi materiałami konstrukcyjnymi, stanowią utrudnienie w procesach stosowanych do ich obróbki w celu uzyskania użytecznych elementów. Starannie dobrane połączenie własności i geometrii narzędzia skrawającego oraz stosowanie agresywnych parametrów skrawania mogą znacznie zwiększyć wydajność operacji obróbki skrawaniem stali nierdzewnych.

Ewolucja stopów

Podstawowe stopy stali nierdzewnych dzielą się na dwie kategorie: ferrytyczne i martenzytyczne. Stopy ferrytyczne zawierają 10-12% chromu i nie są utwardzalne (hartowne). Stopy martenzytyczne zawierają więcej chromu i węgla niż ferrytyczne stale nierdzewne, a także dodatek manganu i krzemu. Stopy te można hartować poprzez obróbkę cieplną. Obecnie ferrytyczne i martenzytyczne stopy stali nierdzewnych nie są szeroko stosowane w przemyśle. Używa się ich raczej do produkcji artykułów gospodarstwa domowego – sprzętu kuchennego lub narzędzi ogrodowych.

Zastosowanie stali nierdzewnych przechodziło ewolucję. Stopy były często stosowane w przypadkach wymagających wytrzymałości mechanicznej, a także odporności na korozję. W celu zwiększenia wytrzymałości stopów metalurdzy dodali do nich nikiel. Stopy żelazo- chromowe stały się stopami żelazo-chromo- niklowymi. Materiały te są określane jako nierdzewne stale austenityczne. Obecnie są one szeroko stosowane w przemyśle wszędzie tam, gdzie potrzebna jest wytrzymałość, odporność cieplna i odporność na korozję. Stopy są zwykle stosowane w procesach petrochemicznych, w przemyśle spożywczym, którego normy higieniczne wymagają odporności na korozję, oraz do produkcji maszyn ogólnego zastosowania przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach.

Ulepszanie własności stopu, np. stali nierdzewnej, nieuchronnie mnoży wyzwania stojące przed jego obróbką. Odporność na korozję ferrytycznych i martenzytycznych stali nierdzewnych należy zasadniczo do własności chemicznych i dlatego stopy te nie są o wiele trudniejsze w obróbce od stali zwykłych. Jednak dodatki niklu i innych pierwiastków w nierdzewnych stalach austenitycznych powodują zwiększenie twardości, ciągliwości, odporności na odkształcenia plastyczne i poprawę własności cieplnych, co skutkuje obniżeniem obrabialności.

Zrozumienie stopów

Do niedawna obróbka skrawaniem nierdzewnych stali austenitycznych nie była dobrze rozumiana. Zajmujący się obróbką skrawaniem zakładali, że bardziej wytrzymałe stopy wymagają wyższych sił skrawania, a co za tym idzie, stosowania mocniejszych narzędzi o ujemnej geometrii oraz obniżonych parametrów obróbki. Jednak takie podejście skutkowało mniejszą trwałością narzędzi, długimi wiórami, częstymi zadziorami, niezadowalającą chropowatością powierzchni i niepożądanymi drganiami.

W rzeczywistości siły skrawania występujące przy skrawaniu nierdzewnej stali austenitycznej nie są o wiele wyższe od tych, które występują przy obróbce stali tradycyjnych. Większość dodatkowej energii wymaganej do obróbki nierdzewnych stali austenitycznych wynika z ich własności cieplnych. Skrawanie metali jest procesem odkształcania. W czasie obróbki skrawaniem odpornej na odkształcenia nierdzewnej stali austenitycznej generowany jest nadmiar ciepła. Odprowadzenie tego ciepła ze strefy skrawania ma podstawowe znaczenie. Niestety, nierdzewna stal austenityczna, oprócz odporności na odkształcenie, charakteryzuje się także niską przewodnością cieplną. Wióry powstające podczas obróbki skrawaniem stali zwykłej pochłaniają i odprowadzają ciepło. Natomiast wióry stali nierdzewnej austenitycznej pochłaniają ciepło tylko w ograniczonym zakresie. Sam element obrabiany ma niską przewodność cieplną, więc nadmiar ciepła jest pochłaniany przez narzędzie skrawające, co prowadzi do obniżenia jego trwałości.

Aby uzyskać twardość na gorąco, wytrzymującą podwyższone temperatury występujące przy obróbce skrawaniem stali nierdzewnej, producenci narzędzi opracowali substraty węglikowe. Co najmniej takie samo znaczenie, jak skład substratu, ma ostrość krawędzi skrawającej narzędzia. Ostrzejsze narzędzie przecina stal nierdzewną z mniejszym odkształceniem, przez co ogranicza wytwarzanie ciepła.

Agresywne parametry skrawania

Najskuteczniejszym sposobem odprowadzenia ciepła ze strefy skrawania przy obróbce stali nierdzewnej jest zastosowanie największych możliwych głębokości skrawania i prędkości posuwu. Celem jest zmaksymalizowanie ilości ciepła odprowadzanego przez wiór. Niska przewodność cieplna stali nierdzewnej ogranicza ilość ciepła, jaką może pochłonąć każdy milimetr sześcienny materiału wióra, więc wytwarzanie wiórów o większej objętości powoduje odprowadzanie większej ilości ciepła. Zastosowanie większej głębokości skrawania spowoduje również zmniejszenie liczby przejść wymaganych do wyprodukowania detalu. Jest to bardzo ważne, ponieważ nierdzewna stal austenityczna przejawia skłonności do umacniania przez zgniot.