Skrawalność stali
Skrawalność obrabianego materiału ocenia się, biorąc pod uwagę zastosowaną technologię obróbki, rodzaj materiału narzędzia skrawającego oraz parametry obróbki. Podatność stali na obróbkę skrawaniem zależy od jej struktury oraz od właściwości mechanicznych, głównie od twardości i wytrzymałości.
Stopy żelaza i węgla o zawartości węgla do 2% nazywane są stalami, natomiast te, które zawierają <2% węgla – żeliwami. Żeliwo, z wyjątkiem kilku stopów odlewniczych oraz żeliwa z grafitem sferoidalnym, posiada umiarkowaną wytrzymałość na rozciąganie. Stal z kolei jest ciągliwa, zawsze nadaje się do obróbki plastycznej na gorąco, a jeżeli zawiera mniej węgla, to również można ją obrabiać plastycznie
na zimno. Wytrzymałość stali da się znacznie zwiększyć w wyniku obróbki cieplnej (hartowanie i ulepszanie cieplne), ale wówczas spada podatność stali na obróbkę plastyczną.Podział stali
Stale można podzielić ze względu na zawartość pierwiastków stopowych, z uwagi na składniki struktury oraz pod względem właściwości mechanicznych. W zależności od zawartości składników stopowych stale dzielą się na: niestopowe, niskostopowe (zawartość każdego składnika stopowego poniżej 5%) i wysokostopowe (zawartość chociaż jednego ze składników przekracza 5%). Stale niestopowe z kolei można podzielić na stale przeznaczone do obróbki cieplnej i na te, które nie podlegają temu procesowi.
Stale niskostopowe posiadają ogólne właściwości podobne do stali niestopowych, ale mają zwiększoną hartowność oraz większą żarowytrzymałość i odporność na odpuszczanie. Stalom wysokostopowym można nadać specjalne cechy użytkowe. Np. właściwość żaroodporności części konstrukcyjnej można nadać tylko wtedy, gdy jest ona wykonana ze stali wysokostopowej. Z praktycznego punktu widzenia funkcjonuje podział stali ze względu na dziedzinę zastosowania i w zależności od jej przeznaczenia na stale: automatowe, do nawęglania, ulepszania cieplnego, azotowania, narzędziowe, nierdzewne i kwasoodporne.
Wpływ zawartości węgla na skrawalność stali
Skrawalność obrabianego materiału ocenia się, biorąc pod uwagę zastosowaną technologię obróbki, rodzaj materiału narzędzia skrawającego oraz parametry obróbki. Podatność stali na obróbkę skrawaniem zależy od jej struktury oraz od właściwości mechanicznych, głównie twardości i wytrzymałości. W stalach niestopowych zwanych potocznie węglowymi, o zawartości węgla do 0,8%, głównym elementem struktury jest składnik o dość wysokiej twardość zwany perlitem oraz ferryt, który posiada niewielką twardość i znaczną odkształcalność. Podczas obróbki skrawaniem ferryt stwarza trudności z powodu dużej skłonności do sklejania się z częścią skrawającą narzędzia.
Tworzy on ponadto bardzo niepożądane wióry wstęgowe łatwo kłębiące się, które stwarzają trudności operatorowi obrabiarki i narzędzia. W efekcie tego jakość powierzchni obrobionej jest z reguły mało zadowalająca, o dużej chropowatości. Natomiast perlit powoduje przy skrawaniu trudności, które wynikają z silnego zużycia ściernego ostrza i dużych sił skrawania.
Jeżeli zawartość węgla w stali wynosi mniej niż 0,25%, to jej skrawalność zależy przede wszystkim od właściwości ferrytu. Przy małych prędkościach skrawania na ostrzu skrawającym narzędzia tworzą się nalepy z materiału obrabianego, zwane narostem. Wraz ze wzrostem prędkości skrawania rośnie temperatura w strefie obróbki i wzrasta zużycie narzędzia. Z tego względu do obróbki należy wybierać narzędzia z możliwie dużym kątem natarcia ostrza.
W przypadku stali węglowych o zawartości węgla od 0,25% do 0,4% skrawalność zależy od właściwości perlitu. W tym przypadku zdolność do klejenia materiału do ostrza maleje i tym samym zmniejsza się tworzenie narostów na ostrzu. Z powodu dużej twardości perlitu bardzo wzrasta obciążenie strefy kontaktu, rośnie temperatura skrawania i tym samym zużycie narzędzia.
Dalszy wzrost zawartości węgla (od 0,45 do 0,8%) powoduje wzrost zawartości perlitu i związane z tym konsekwencje. Przy zawartości węgla równej 0,8% występuje już sam perlit. Warto tu wspomnieć, że najlepszą skrawalność wykazują stale, które zawierają około 0,25% węgla.
Wpływ pierwiastków stopowych na skrawalność stali
Pierwiastki stopowe w różny sposób wpływają na skrawalność stali. Chrom i molibden poprawiają hartowność stali, a w przypadku stali do nawęglania i ulepszania cieplnego wpływają na jej skrawalność z powodu zmiany
Zawartość fosforu w ilości do 0,1% wpływa korzystnie na skrawalność. Wzrost zawartości fosforu <0,1% powoduje lepszą jakość obrabianej powierzchni przy jednoczesnym zwiększonym zużyciu narzędzia. Tytan i wanad nawet w bardzo małych ilościach w stali powodują znaczny wzrost wytrzymałości.
Pierwiastki te powodują, że ziarna struktury wewnętrznej ulegają znacznemu zmniejszeniu, a to z kolei pogarsza warunki obróbki w zakresie sił skrawania i warunków tworzenia się wiórów. Siarka w żelazie rozpuszcza się tylko w niewielkim stopniu, ale w zależności od innych składników stopu tworzy w stali stabilne siarczki. Na przykład siarczki manganu są bardzo pożądane, ponieważ wpływają korzystnie na skrawalność. Dają krótkie wióry, jakość powierzchni obrobionych jest bardzo dobra, następuje zahamowanie lub co najmniej zmniejszenie tworzenia się narostu na powierzchni natarcia ostrza skrawającego. Mangan poprawia hartowność i zwiększa wytrzymałość stali.
Ponieważ wykazuje on duże powinowactwo do siarki, tworzy z nią siarczki. W stalach o niskiej zawartości węgla dodatek manganu w ilości do 1,5% polepsza skrawalność stali, ponieważ sprzyja to korzystnemu kształtowaniu się wiórów. Natomiast jeżeli w stali znajduje się więcej niż 1,5% węgla, to mangan wpływa niekorzystnie na skrawalność, gdyż wzrasta zużycie narzędzi.
Wpływ obróbki cieplnej na skrawalność
Obróbka cieplna przeprowadzona w sposób umiejętny wpływa na strukturę stali w taki sposób, że oprócz zmiany właściwości mechanicznych można w znacznym stopniu dostosować skrawalność do istniejących wymagań. Wyżarzanie normalizujące powoduje powstanie w stali równomiernej i drobnoziarnistej struktury w wyniku jej przekrystalizowania. W zależności od zawartości węgla w stali tworzą się niekorzystne wióry przy niewielkim zużyciu ostrza (przy przewadze zawartości ferrytu) lub też warunki tworzenia się wiórów są bardziej korzystne, ale zużycie narzędzia jest większe (gdy w strukturze stali przeważa perlit).
Wyżarzanie przegrzewające sprzyja powstawaniu struktury gruboziarnistej, która wprowadza pewne ograniczenia wskutek pogorszenia właściwości wytrzymałościowych. Jednak ten rodzaj obróbki cieplnej sprzyja powstawaniu warunków, w których łatwo tworzą się odpowiednie wióry, jakość powierzchni jest bardzo dobra. a zużycie narzędzi względnie małe. Wyżarzanie zmiękczające powoduje wytworzenie się miękkiej i łatwo odkształcalnej struktury, którą tworzy perlit o dużej zawartości ferrytu i cementytu. Są to warunki korzystne dla obróbki, ponieważ narzędzia zużywają się w niewielkim stopniu. Jedna wraz ze wzrostem zawartości ferrytu w strukturze następuje pogorszenie warunków dla tworzącego się wióra. Hartowanie tworzy w strukturze twardy martenzyt, który powoduje duże ścierne zużycie narzędzi skrawających wykonanych z konwencjonalnych materiałów. Martenzyt jednak sprzyja korzystnym warunkom tworzenia wiórów.
Skrawalność typowych gatunków stali
Warto znać podatność na obróbkę skrawaniem typowych i często występujących w praktyce gatunków stali. W stali automatowej głównymi pierwiastkami stopowymi są ołów, fosfor i mangan, które w połączeniu z siarką tworzą pożądane siarczki manganu. W zależności od prędkości skrawania zmienia się trwałość stali, a siły skrawania mogą ulec zmniejszeniu nawet o 50%. Przy
Stale do ulepszania cieplnego zawierają od 0,2 do 0,6% węgla oraz składniki stopowe, takie jak: chrom, nikiel, wanad, molibden, krzem, mangan. Skrawalność tych stali zależy głównie od składu pierwiastków stopowych oraz od obróbki cieplnej. Ulepszanie cieplne przeprowadza się najczęściej po obróbce zgrubnej, a przed obróbką wykańczającą lub gładkościową. Im większa jest zawartość węgla w stali (perlitu), tym mniejsze powinny być stosowane prędkości skrawania. Obróbkę zgrubną wykonuje się najczęściej po wyżarzaniu normalizującym ze względu na dużą ilość zbieranego materiału. Skrawalność takiej stali jest bardzo dobra, a zużycie narzędzi małe. Aby zachować małe zużycie narzędzi podczas obróbki wykańczającej, należy stosować niewielkie prędkości skrawania i narzędzia z ostrzami z węglików spiekanych. Jeżeli twardość obrabianego materiału przekracza 45 HRC, to ostrza skrawające powinny być wykonane z ze spieków ceramicznych lub materiałów zawierających kryształy azotku boru.
Do obróbki niestopowych stali narzędziowych zawierających do 0,9% węgla należy stosować narzędzia z ostrzami z węglików spiekanych zawierających tytan i węgliki tytanu. Stale te charakteryzują się złą skrawalnością. Podczas obróbki występuje tendencja do tworzenia się narostu i trudno uzyskać zadowalającą gładkość obrabianej powierzchni. Skrawalność niestopowych stali narzędziowych można poprawić poprzez jej ulepszanie cieplne.
Stale nierdzewne i żaroodporne przy zawartości chromu <12% posiadają strukturę przeważnie ferrytyczną i są dobrze skrawalne. Jeżeli w swoim składzie posiadają dodatkowo 10-13% niklu, to ich struktura jest austenityczna. Podczas obróbki należy stosować wtedy mniejsze prędkości skrawania i względnie duże posuwy, aby zmniejszyć liczbę przejść. Mimo stosowania takich parametrów stale te są trudno skrawalne. Występuje duża skłonność do tworzenia narostów na ostrzach. Stale te są natomiast łatwo podatne na umocnienie zgniotem*.
* Opracowana na podstawie „Obróbka skrawaniem – poradnik GARANT”.
Wykaz niektórych prędkości skrawania przy toczeniu różnych gatunków stali*
Rodzaj materiału | Prędkości skrawania stali podczas toczenia w zależności od zawartości węgla (m/min) | ||||
240-400 | 180-320 | 130-250 | 120-220 | 110-190 | |
Stal konstrukcyjna ogólnego przeznaczenia | – | do 0,2% C | <0,2% C | – | – |
Stal automatowa ulepszona cieplnie | – | do 0,45% C | <0,45% C | – | – |
Stal niestopowa do ulepszania cieplnego, wyżarzona zmiękczająco | – | do 0,4% C | <0,4% C | <0,6% C | – |
Stal niestopowa do ulepszania cieplnego, wyżarzona normalizująco | – | do 0,45% C | <0,45-0,55% C | <0,55% C | – |
Stal stopowa do ulepszania cieplnego, ulepszona cieplnie | – | – | do 0,45% C/800 N/mm2 | <0,45-0,6% C/<800 N/mm2 | – |
Stal stopowa do ulepszania cieplnego, wyżarzona zmiękczająco albo poddana obróbce pod kątem polepszenia obrabialności | – | do 0,3% C/do 200 HB | do 0,4% C/<200 do 230 HB | <0,4% C/<230 HB | – |
Stal stopowa do ulepszania cieplnego, ulepszona cieplnie | – | – | do 0,45% C/<700-800 N/mm2 | do 0,5% C/<800-100 N/mm2 | <1000 N/mm2 |
* Źródło: Obróbka skrawaniem – poradnikGARANT
