Warum Edelstahl schwer zu bearbeiten ist

 

Edelstahl wird aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit, hohen Zähigkeit und Haltbarkeit häufig in Maschinen, Chemietechnik, Lebensmittelverarbeitung, medizinischen Geräten und anderen Bereichen eingesetzt. Seine einzigartigen metallurgischen und physikalischen Eigenschaften machen es jedoch zu einem der anspruchsvollsten Materialien für Schneid-, Bohr-, Gewindeschneid- und andere Bearbeitungsprozesse. Die Kombination aus starker Kaltverfestigung, schlechter Wärmeleitfähigkeit, hoher Duktilität und starker Metallaffinität bildet einen Teufelskreis, der den Ausfall des Werkzeugs beschleunigt und die Bearbeitungsqualität beeinträchtigt. Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Analyse der Kernschwierigkeiten und der damit verbundenen Mechanismen.

 

 

Die Kaltverfestigung (Kaltverfestigung) ist das Haupthindernis bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl und tritt am deutlichsten bei austenitischen rostfreien Stählen wie 304 und 316 auf.Beim Schneiden erfährt das Metall vor dem Schneidwerkzeug eine starke plastische Verformung. Die Gitterstruktur wird verzerrt und Versetzungen nehmen stark zu, was zu einem dramatischen Anstieg der Oberflächenhärte führt. Bei austenitischem Edelstahl kann die plastische Verformung sogar eine martensitische Phasenumwandlung auslösen. Ein Teil des Materials wandelt sich in harten Martensit um, wodurch die lokale Härte von ursprünglich HV 200 auf über HV 500 steigt.

 

Die gehärtete Schicht reicht bis unter die Werkstückoberfläche. Wenn die Schnitttiefe für den nachfolgenden Durchgang geringer ist als die Dicke der gehärteten Schicht, reibt die Schneidkante lediglich an der harten Oberfläche, anstatt effektiv zu schneiden. Dadurch wird der Werkzeugverschleiß drastisch beschleunigt, es entstehen Bearbeitungsvibrationen und eine Verschlechterung der Oberflächengüte.Bei Bohr- und Gewindeschneidvorgängen führen eine zu niedrige Vorschubgeschwindigkeit oder eine vorübergehende Verweildauer sofort zur Verhärtung der Innenwand von Löchern. In schweren Fällen kommt es zum Verstopfen oder sogar zum vollständigen Bruch der Wasserhähne.

 

 

Edelstahl hat eine weitaus geringere Wärmeleitfähigkeit als gewöhnlicher Kohlenstoffstahl. Als Referenz: Die Wärmeleitfähigkeit von 45#-Kohlenstoffstahl beträgt etwa 50 W/(m·K), während die von Edelstahl 304 nur etwa 16 W/(m·K) beträgt und die von Edelstahl 316 sogar noch niedriger ist.

 

Etwa 80 % der beim Metallschneiden entstehenden Wärme werden normalerweise durch Späne abtransportiert. Allerdings weisen Edelstahlspäne auch eine schlechte Wärmeleitung auf. An der Werkzeugspitze sammelt sich eine große Menge an Schneidwärme, wo die Temperatur leicht 900 °C überschreiten kann. Dadurch kommt es zu starkem Diffusionsverschleiß, Oxidationsverschleiß und Adhäsionsverschleiß. Bei beschichteten Schneidwerkzeugen kommt es bei solch hohen Temperaturen zu einem Abblättern der Beschichtung.

 

Außerdem gelangt die Schneidflüssigkeit nur schwer in die Schneidzone. Durch die hohe Temperatur verdampft das Kühlmittel sofort und es bildet sich ein Gasfilm, der die Kühl- und Schmierwirkung stark schwächt. Beim Trockenschneiden glüht die Werkzeugspitze glühend, was zu einer starken Verkürzung der Werkzeugstandzeit führt.

 

 

Edelstahl zeichnet sich durch eine hohe Dehnbarkeit und hervorragende Plastizität aus. Im Gegensatz zu spröden Materialien, die fragmentierte Späne produzieren, neigt es dazu, bei der Bearbeitung lange, kontinuierliche, bandförmige Späne zu bilden. Diese fadenförmigen Späne ähneln glühendem Stahldraht und wickeln sich um Schneidwerkzeuge und Werkstücke.

 

Lange Späne zerkratzen die bearbeitete Oberfläche von Werkstücken, blockieren den Fluss der Schneidflüssigkeit und verursachen sogar Kantenabplatzungen an Werkzeugen. Bei automatisierten Produktionslinien erzwingen verhedderte Späne häufige Abschaltungen zur Reinigung, was die Produktionseffizienz erheblich beeinträchtigt.

 

 

Bei hohen Temperaturen und hohem Druck beim Schneiden zeigt Edelstahl eine starke Affinität zu Werkzeugmaterialien. Zwischen den Spänen und der Schneidkante kommt es leicht zu Kaltverschweißungen, wodurch Aufbauschneiden entstehen.

 

Aufbaukanten wachsen immer wieder, lösen sich ab und bilden sich immer wieder neu. Dadurch verändert sich ständig der geometrische Winkel der Schneidkante, was zu schwankenden Schnittkräften führt. Wenn die Aufbauschneide abfällt, zerkratzt sie die bearbeitete Oberfläche und löst winzige Partikel von der Werkzeugkante, was zu Mikroabplatzungen an der Schneidkante führt. Dieses Problem macht sich besonders bei mittleren und niedrigen Schnittgeschwindigkeiten bemerkbar.

 

 

 

Der lineare Ausdehnungskoeffizient von austenitischem Edelstahl beträgt etwa das 1,5-fache des von Kohlenstoffstahl. Das Werkstück dehnt sich bei Erwärmung während der Bearbeitung aus und zieht sich nach dem Abkühlen zusammen, was die Kontrolle der Maßhaltigkeit bei der Endbearbeitung erschwert. Besonders dünnwandige Edelstahlteile sind anfällig für thermische Verformung.

 

 

Martensitischer Edelstahl und ausscheidungshärtender Edelstahl enthalten harte Partikel wie Karbide. Diese harten Einschlüsse wirken wie Schleifmittel und schleifen die Schneidkante kontinuierlich ab, was zu abrasivem Verschleiß an den Werkzeugen führt.

 

 

Duplex-Edelstähle (z. B. 2205) bestehen sowohl aus Austenit- als auch aus Ferritphasen. Die beiden Phasen haben unterschiedliche mechanische Eigenschaften, was beim Schneiden zu konzentrierten Grenzflächenspannungen führt. Das Schneidwerkzeug ist hochfrequenten mechanischen und thermischen Wechselbelastungen ausgesetzt, die leicht zu thermischen Rissen und Ermüdungsausbrüchen an der Werkzeugkante führen können.

 

 

Alle oben genannten Faktoren wirken zusammen und bilden einen destruktiven Kreislauf:Schlechte Wärmeleitfähigkeit führt zu extrem hohen Temperaturen an der Werkzeugspitze → Hohe Temperaturen verstärken Adhäsions- und Diffusionsverschleiß und stumpfen das Schneidwerkzeug ab → Stumpfe Werkzeuge erhöhen die Schnittkräfte → Größere Schnittkräfte intensivieren die plastische Verformung und Kaltverfestigung von rostfreiem Stahl → Schnittwiderstand und Schnittwärme steigen weiter an → Werkzeuge fallen vorzeitig aus und die Oberflächenqualität der Werkstücke verschlechtert sich.

 

Um eine stabile und effiziente Bearbeitung von rostfreiem Stahl zu erreichen, müssen Hersteller diesen Kreislauf durchbrechen, indem sie Werkzeugmaterialien optimieren, angemessene Schnittparameter entwerfen, Kühl- und Schmierbedingungen verbessern und geeignete Spanbrecherstrukturen auswählen.