Определение нержавеющей стали

Введение
В металлургии, нержавеющая сталь определена как железоуглеродистый сплав с минимумом 10,5 % содержание хрома. Название происходит из факта, что нержавеющая сталь не портиться, корродирует или ржавеет так легко как обычная сталь. В Соединенных Штатах и по всему миру, особенно в авиационной промышленности, этот материал также называется коррозионно-стойкой сталью, когда это точно не относится к типу сплава и сорту.
1. Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь – сложнолегированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных средах.
В 1913 году Гарри Бреарли (Harry Brearley), экспериментировавший с различными видами и свойствами сплавов, обнаружил способность стали с высоким содержанием хрома сопротивляться кислотной коррозии.
1.1 Химический состав
При выборе химического состава коррозионностойкого сплава руководствуются так называемым правилом : если к металлу, неустойчивому к коррозии (например, к железу) добавлять металл, образующий с ним твердый раствор и устойчивый против коррозии (к примеру хром), то защитное действие проявляется скачкообразно при введении  моля второго металла (коррозионная стойкость возрастает не пропорционально количеству легирующего компонента, а скачкоообразно). Основной легирующий элемент нержавеющей стали — хром Cr (12-20 %); помимо хрома, нержавеющая сталь содержит элементы, сопутствующие железу в его сплавах (С, Si, Mn, S, Р), а также элементы, вводимые в сталь для придания ей необходимых физико-механических свойств и коррозионной стойкости (Ni, Mn, Ti, Nb, Co, Mo).
Сопротивление нержавеющей стали к коррозии напрямую зависит от содержания хрома: при его содержании 13 % и выше сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % — коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и других средах, в частности, в азотной кислоте крепостью до 50 %.
Причина коррозионной стойкости нержавеющей стали объясняется, главным образом, тем, что на поверхности хромсодержащей детали, контактирующей с агрессивной средой, образуется тонкая плёнка нерастворимых окислов, при этом большое значение имеет состояние поверхности материала, отсутствие внутренних напряжений и кристаллических дефектов.
В сильных кислотах (серной, соляной, фосфорной и их смесях) применяют сложнолегированные сплавы с высоким содержанием Ni и присадками Mo, Cu, Si.
1.2. Классификация
По химическому составу нержавеющие стали делятся на:
Хромистые, которые, в свою очередь, по структуре делятся на;
Мартенситные;
Полуферритные (мартенисто-ферритные);
Ферритные;
Хромоникелевые;
АустенитныеАустенитно-ферритные
Аустенитно-мартенситные
Аустенитно-карбидные
Хромомарганцевоникелевые (классификация совпадает с хромоникелевыми нержавеющими сталями).
Различают аустенитные нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, и стабилизированные — с добавками Ti и Nb. Значительное уменьшение склонности нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии достигается снижением содержания углерода (до 0,03 %).
Нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, после сварки, как правило, подвергаются термической обработке.
Широкое распространение получили сплавы железа и никеля, в которых за счёт никеля аустенитная структура железа стабилизируется, а сплав превращается в слабо-магнитный материал.
1.2.1 Мартенситные и мартенсито-ферритные стали
Мартенситные и мартенситно-ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеют высокие механические свойства. В основном их используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности, ножей, для упругих элементов и конструкций в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами. К этому виду относятся, стали типа 30Х13, 40Х13 и т.д.
1.2.2 Ферритные стали
Эти стали применяют для изготовления изделий, работающих в окислительных средах (например, в растворах азотной кислоты), для бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности и для теплообменного оборудования в энергомашиностроениии. Ферритные хромистые стали имеют высокую коррозионную стойкость в азотной кислоте, водных растворах аммиака, в аммиачной селитре, смеси азотной, фосфорной и фтористоводородной кислот, а также в других агрессивных средах. К этому виду относятся, стали 400 серии.
1.2.3. Аустенитные стали
Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения. К данному классу относятся стали 300 серии.
1.2.4. Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные стали
Аустенито-ферритные стали. Преимущество сталей этой группы – повышенный предел текучести по сравнению с аустенитными однофазными сталями, отсутствие склонности к росту зёрен при сохранении двухфазной структуры, меньшее содержание остродефицитного никеля и хорошая свариваемость. Аустенито-ферритные стали находят широкое применение в различных отраслях современной техники, особенно в химическом машиностроении, судостроении, авиации. К этому виду относятся, стали типа 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 08Х18Г8Н2Т. Аустенито-мартенситные стали. Потребности новых отраслей современной техники в коррозионностойких сталях повышенной прочности и технологичности привели к разработке сталей аустенито-мартенситного (переходного) класса. Это стали типа 07Х16Н6, 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3.
1.3 Сплавы на железоникелевой и никелевой основе.
При изготовлении химической аппаратуры, особенно для работы в серной и соляной кислотах, необходимо применять сплавы с более высокой коррозионной стойкостью, чем аустенитные стали. Для этих целей используют сплавы на железноникелевой основе типа 04ХН40МТДТЮ и сплавы на никельмолибденовой основе Н70МФ, на хромоникелевой основе ХН58В и хромоникельмолибденовой основе ХН65МВ, ХН60МБ.
1.4. Производство и применение
Согласно данным ISSF, мировой объем выплавки нержавеющей стали в 2009 году составил 24,579 млн тонн [1].
Хромистые нержавеющие стали:
Клапаны гидравлических прессов;
Турбинные лопатки;
Арматура крекинг-установок;
Режущий инструмент;
Пружины;
Бытовые предметы;
Хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые нержавеющие стали
Бытовые предметы, в частности, столовая посуда (пищевые марки стали)
Стабилизированные аустенитные нержавеющие стали
Сварная аппаратура, работающей в агрессивных средах
Изделия, работающие при высоких температурах – 550 – 800 °C
Пищевая промышленность;
Нержавеющие стали используются как в деформированном, так и в литом состоянии.
2. Механическая обработка нержавеющей стали
2.1 Сверление
Сверление нержавеющей стали осуществляется станках.
Рисунок 2.1 Справочные данные по сверлению тверды марок сталей
Сверление нержавеющей стали осуществляется только опри наличии СОЖ и в кондукторе. Охлаждающего состава, должен быть на основе жирных кислот.
Обработка нержавеющих сталей демонстрирует твердосплавный сверлильный инструмент по металлу. Такие сверла характеризуются острым углом заточки (она делается с одной стороны).
Сверление:
1. Обработка толщиной более 6 мм, необходимо выполнять процесс по двойной методике. Сначала необходимо выполнить предварительное отверстие сверлом с диаметром D/2…5 мм и только потом применять инструмент с требуемым сечением (D).
2. Сверление изделий толщиной 1–2 миллиметра допускается производить обычными видами сверл по металлу на малых оборотах (до 100 в минуту), но при условии, что режущая кромка данного инструмента заточена примерно на 120 градусов.
3. Обработка нержавеющей стали толщиной менее одного миллиметра должна осуществляться ступенчатыми сверлами, которые обеспечивают идеально круглые отверстия без задиров на их концах.
Так же при выборе режимов сверления необходимо руководствоваться справочными данными производителя сверл.
Рисунок 2.2 – Сверла по нержавеющей стали
2.2 Фрезерование
Основными проблемами являются плохая теплопроводность нержавеющих металлов и тепло из зоны резания отводится очень плохо, поэтому в основном в инструмент. Также эти металлы вязкие хорошо деформируются, и дают сливную стружку, которая выводит инструмент из строя. Кроме того, материал склонен к образованию нароста, наклёпу, имеет абразивные включения и т.д.
Сильное влияние конечно оказывает химический состав нержавеющей стали и соответственно рекомендации для одной марки стали могут не подойти для другой. Кроме того, сильное влияние на обрабатываемость оказывает метод получения заготовок (литье, штамповка, ковка и т.д.), наличие корки, окалины, включений, условия обработки прерывистое резание и т.д., а также наличие термической обработки. Но общие какие-то рекомендации можно дать.
Фрезерование нержавеющих сталей:
1. Устанавливаем высокие скорости резания при черновой обработке (150-250 м/мин) для ухода от нароста. Конечно с учетом возможности станка, жесткости системы.
2. Не используем СОЖ на черновой обработке, чтобы исключить термических трещин. Стружку убирать воздухом, особенно при обработке карманов и других углублений, где затруднено удаление стружки. Для некоторых марок сталей можно пробовать СОЖ и следить за стойкостью, экспериментировать так сказать.
3. Используем СОЖ на чистовой обработке для повышения качества поверхности и лучше использовать охлаждение масляным туманом. При чистовых сьемах температура не такая высокая.
4. Устанавливаем подачу на зуб побольше, так как малая подача при обработке упрочненной поверхности может привести к быстрому износу.
5. Частыми причинами выхода из строя инструмента являются: выкрашивание из-за термических трещин, проточин, нароста (налипания на инструмент).
6. Используем позитивную геометрию, острую кромку для предотвращения наростообразования, сил трения, снижения сил резания и температуры. Также требуется меньше мощности станка.
7. Используем пластины с большим радиусом и/или небольшим углом в плане, для снижения проточины.
8. Устанавливаем покрытие PVD, оно более тонкое и обеспечивает острую режущую кромку, имеет хорошую гладкость для предотвращения налипания. Покрытие CVD более толстое, можно применить для тяжелого фрезерования.
9. При возникновении термотрещин выбираем более твердый сплав и более стойкий к действию температуры.
10. Используем монолитные фрезы с мелкой насечкой для черновой обработки (черновые фрезы).
11. При фрезеровании нержавеющей стали необходимо в 5 раз больше режущих кромок, чем при обработки обычной стали. Имеет смысл использовать пластины с 8 кромками, по 4 с каждой стороны.
12. Важно использовать разную глубину резания для равномерного износа пластин.
13. Подбираем режимы резания оптимальные для реальных условий, в соответствии с каталогом, но учитывая необходимую стойкость.
14. Перед обработкой стоит провести предварительную термическую обработку нержавеющих заготовок для выравнивания структуры.
Стремимся выполнить рекомендации комплексно для повышения режимов резания и производительности, а также для повышения стойкости инструментов.
Рисунок 2.3 Режимы токарной обработки
1. Выбираем как можно больший радиус при вершине пластины резца.
2. Обязательно используем СОЖ с точным направлением в зону резания и желательно под давлением, и чем выше давление, тем лучше. Так как обработка нержавейки и особенно аустенитных сталей приводит к выделению большого количества тепла. Это ключевой фактор, негативно влияющий на обработку, тепло не отводится и передается на инструмент.
3. Используем круглые пластины или небольшой главный угол в плане (45 град), чтобы уйти от проточин на пластине, равной глубине резания.
4. Используем острые кромки и/или позитивную геометрию с положительным передним углом, чтобы уменьшить нарост, снизить наклёп, уменьшить образование тепла. Аустенитная сталь особенно хорошо поддается наклёпу и появлению нароста. Есть особо острые серии пластин по нержавеющей стали.Особенно позитивная геометрия важна при точении тонкостенных деталей, нежестко закрепленных деталей, длинных тонких валов и т.д.
5. Используем только специальные стружколомы и только предназначенные для нержавеющей стали, чтобы уйти от сливной стружки, которая наматывается на резец и выводит пластину из строя. Даже стружколомы общего назначения не берем, они не дают такого результата, как специальные стружколомы по нержавеющей стали.
6. Выбираем глубину резания по возможности превышающую толщину упрочненного слоя.
7. Используем пластины с покрытием для повышения термостойкости и износостойкости. При этом учитываем, что CVD-покрытия более толще и они значительно повышают стойкость инструмента, а также позволяют повысить режимы резания и таким образом производительность. Хотя они не такие острые и трудно поддаются заточке.
PVD-покрытия более тонкие, они обеспечивают острую кромку пластины и гладкость поверхности. Правда есть риск быстрого износа и выхода из строя пластины. Тем не менее PVD-покрытия часто используются для обработки аустенитных сталей.
При отделении нароста, образованного при обработке нержавеющей стали, он может вырвать часть покрытия и частички режущей кромки, и таким образом вывести пластину из строя. Гладкость покрытия снижает возможность нароста. Но покрытие необходимо в том числе и для повышения стойкости от абразивных частиц нержавеющей стали.
8. Устанавливаем пластины с высокой температурной стойкостью. Может повторюсь, но отвод тепла очень плохой у нержавеющих сталей особенно аустенитных, и это практически ключевой момент. Т.к. стружка не отводит тепло, и оно передается инструменту, нужно применять СОЖ, но направить СОЖ точно в зону резания не всегда получается, поэтому пластины, хорошо реагирующие на температурный шок, были бы весьма кстати.
9. Устанавливаем мелкозернистый твердый сплав с покрытием PVD для финишной обработки нержавеющей стали, чтобы получить высокую точность и низкую шероховатость поверхности. Данный сплав даст высокую прочность и стойкость острой режущей кромки. Данные пластины пойдут даже при прерывистом резании и с термическим шоком. Но всё в соответствии со здравым смыслом и рекомендациями каталога.
10. Используют кермет с PVD-покрытием для чистовой обработки нержавеющей стали только в хороших условиях. Наблюдается меньшее налипание.
11. Устанавливаем пластины Wiper для получистовой и финишной обработки. Как заявляет производитель (Sandvik) с помощью данных пластин возможно значительно повысить скорость и подачу, при этом стойкость и качество поверхности будет на уровне обычных пластин. Стремимся повысить производительность.
12. Берем отрезное лезвие с внутренними каналами для подвода СОЖ в зону резания, так как узкое место не дает возможность направить наружную подачу СОЖ точно в зону резания, и это здорово сказывается на стойкости отрезной пластины.
13. При обработке необходимо увеличить глубину резания и режимы резания до максимально возможных значений. Идея в том, что больший объем стружки будет поглощать больше тепла даже при учете низкой теплопроводности нержавеющего металла. Это снизит количество проходов, но приведет к наклёпу, плохой шероховатости и необходимы жесткие, мощные станки. Необходимо пробовать – возможно не всегда это возможно.
14. Помним, что инструмент должен противостоять воздействию температур, химическому, адгезионному и абразивному износу. Поэтому выбираем пластину, имеющую геометрию (острую кромку, стружколом и т.д.), сплав и покрытие только по нержавеющей стали и с лучшим сочетанием всех этих составляющих.
16. В некоторых случаях используют разную глубину резания для равномерного износа пластин.
При обработке дуплексных нержавеющих сталей необходимо использовать резцы с внутренним подводом СОЖ под высоким давлением – это позволит снизить температуру, дробить стружку и быстро отводить её.
В феритных, мартенситных содержание никеля меньше, а хрома больше, повышение хрома ведет к увеличению прочности и большей абразивности, что ведет к быстрому износу пластин, учитываем этот фактор используем износостойкие покрытия.
Режимы резания токарной обработки нержавеющей стали
При выборе режимов резания стоит опираться на данные каталога конкретно подобранной пластины, но необходимо учитывать желаемую стойкость инструмента. Как правило в каталогах указаны максимальные значения режимов резания, соответствующие максимальной производительности, но также и минимальной стойкости.
Кроме того, режимы сильно зависят от реальных производственных условий, жесткости системы и т.д., поэтому оптимальные режимы необходимо подбирать индивидуально под каждый случай отдельно.
Режимы также отличаются для разной заточки, разной геометрии, поэтому первоисточником является каталог конкретного инструмента.
Список литературы
Ресурсы интернета: https://www.metalbulletin.ru
Шишков М.М. Марочник сталей и сплавов: Справочник. Изд. 3-е, дополненное.- Донецк, 2000.
Механическая обработка закаленных сталей. Л. М. Резницкий. М.-Л.: Машгиз, 1958.
Размещено на Allbest.ru