Gereedschap voor bewerken roestvast staal blijft zich ontwikkelen

Ondanks de ‘leeftijd’ van roestvast staal, evolueert gereedschap om het te bewerken zich nog steeds. Recente ontwikkelingen zijn, onder andere, nieuw ontworpen verspaningsgereedschappen, nieuwe geometrieën, verbeterd koelmiddel en de ontwikkeling van sterkere coatings die de resultaten en standtijden verbeteren. Een overzicht.

Roestvast staal is van levensbelang als materiaal voor talloze industrieën over de hele wereld. Ook al bestaat dit materiaal al meer dan 100 jaar, het gebruik ervan is enorm toegenomen sinds het begin van de 21e eeuw. Ricky Payling is applicatiespecialist bij Dormer Pramet en spreekt over de groei van het gebruik van roestvast staal. Hoe de productie van verspaningsgereedschappen is veranderd om dit materiaal te kunnen bewerken en hij vertelt het een en ander over een paar van de meest voorkomende roestvaste staalsoorten. 

Volgens cijfers van het International Stainless Steel Forum (ISSF) is de mondiale vraag naar roestvast stalen producten in de laatste 20 jaar bijna verdubbeld, en blijft deze stijging elk jaar met 5% groeien. Deze snelle ontwikkeling is niet alleen bedoeld om aan de wereldwijde vraag te voldoen, maar ook om het toegenomen gebruik in China te ondersteunen, waar roestvast staal wordt gebruikt in huishoudelijke metaalproducten, bouwmaterialen en machines.

Door zijn corrosiebestendige eigenschappen is roestvast staal het perfecte materiaal voor talloze toepassingsomgevingen en componenten, zoals in de luchtvaart, algemene techniek, consumentenproducten, olie- en gaswinning, medische toepassingen en de scheepsbouw. De veelzijdigheid ervan blijkt wel uit het feit dat er meer dan 150 verschillende soorten zijn. De meest gebruikte soorten roestvast staal zijn ferritisch, martensitisch, austenitisch, super-austenitisch en duplex. De bijzonderheden hiervan worden later in dit artikel behandeld. 

Chroom

Het belangrijkste legeringselement is chroom, dat een ultradun oxidelaagje vormt op het oppervlak. Als vuistregel geldt dat de weerstand tegen corrosie en oxidatie evenredig is met het chroomgehalte. Andere legeringselementen, zoals nikkel en molybdeen, kunnen worden toegevoegd om de structuur te veranderen, de corrosiebestendigheid te verhogen en de sterkte te vergroten.

Deze toename in de productie en het verbruik valt samen met de vooruitgang en nieuwe ontwikkelingen binnen de industrie van verspaningsgereedschappen. Omdat het bewerken van roestvast staal een moeizaam proces is, hebben fabrikanten veel tijd en middelen geïnvesteerd in het zoeken naar nieuwe wegen om de talloze uitdagingen te overwinnen. 

Recente ontwikkelingen zijn, onder andere, nieuw ontworpen verspaningsgereedschappen, nieuwe geometrieën, verbeterd koelmiddel en de ontwikkeling van sterkere coatings die de resultaten en standtijden verbeteren. 

Boren met dunne geleiderand bijvoorbeeld, verkleinen het contact met het gatoppervlak door het minimaliseren van de wrijving tussen de cilindrische geleiderand en de gatwand, waardoor de de warmteontwikkeling en verharding van het werkstuk afnemen.

Positieve puntgeometrieën zorgen voor een uitmuntende breking en afvoer van de spanen, waarbij een speciaal ontworpen kern de voordelen van een maximale stijfheid combineert met ruimte voor een efficiënte spaanafvoer, waardoor het spilrendement toeneemt.

Coatings en koelmiddel

Tijdens de bewerking van roestvast staal vindt een sterke warmteontwikkeling plaats, wat resulteert in plastische deformatie en ernstige kolkslijtage. Een royale stroom van snijvloeistof moet daarom de warmte afvoeren van de snijkant. De snijvloeistof helpt bovendien bij de spaanbreking en verbetert de vormstabiliteit van het werkstuk.

Een voldoende aanvoer van koelmiddel is van groot belang, want elke onderbreking in de toevoer kan leiden tot temperatuurfluctuaties. Deze kunnen warmtescheurtjes veroorzaken, waardoor de standtijd kleiner wordt. Gereedschappen met inwendig koelmiddel zorgen ook voor een directe temperatuurverlaging en hebben een betere spaanafvoer.

Een titanium-aluminium-nitride (TiAlN)-coating is ideaal gebleken voor het bewerken van roestvast staal, doordat hij zijn hardheid behoudt bij hogere temperaturen. Dit is te danken aan een laagje aluminiumoxide, dat de warmte helpt afvoeren van het gereedschap.

De grote sterkte van roestvast staal en de hoge rekbaarheid ervan bemoeilijken de spaanbreking nog verder. Hierdoor neemt het risico op trillingen toe. En dat kan een nadelig effect hebben op de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk en op de levensduur van het gereedschap of de wisselplaat.

Om dit tegen te gaan, moeten de gereedschappen en de werkstukken altijd stabiel en goed opgespannen zijn. Houd de uitsteeklengte altijd zo klein mogelijk, vooral bij het boren of inwendig draaien. Scherpe gereedschappen of wisselplaten met een kleine neus- of hoekradius helpen trillingen te beperken.

Ferritisch en martensitisch

Vanuit het oogpunt van bewerkbaarheid vertonen ferritisch en martensitisch roestvast een gelijkenis met die van ISO P staal. Het normale chroomgehalte is 12% tot 18%, met slechts kleine toevoegingen van andere legerende elementen.

Ferritische materialen worden gebruikt in assen voor pompen, stoom- en waterturbines, moeren, bouten, stoomketels, en in de pulp verwerkende en levensmiddelenindustrie. Martensitische staalsoorten kunnen worden gehard en worden om die reden gebruikt voor scherpe snijgereedschappen, scheermesjes en chirurgische instrumenten. De bewerkbaarheid van ferritisch en martensitisch roestvast staal is goed en verschilt niet veel van laag gelegeerde staalsoorten. 

Austenitisch en super-austenitisch

Austenitische roestvaste staalsoorten zijn de meest gebruikte ISO M-materialen en goed voor 70 procent van alle bewerkte roestvast staal. Dit is vooral vanwege hun zeer grote weerstand tegen corrosie. De meest gangbare samenstelling is 18% chroom en 8% nikkel. De weerstand tegen corrosie van staal kan nog worden vergroot door toevoeging van 2% tot 3% molybdeen. Deze staalsoort wordt “zuurbestendig” of type 316 staal genoemd. Super-austenitisch roestvast staal heeft een nikkelgehalte van meer dan 20%.

Austenitische en super-austenitische roestvaste staalsoorten worden gebruikt wanneer een goede weerstand tegen corrosie vereist is. Typische industriesectoren zijn bijvoorbeeld de chemische en de pulp verwerkende en levensmiddelenindustrie. Het wordt ook toegepast in uitlaatspruitstukken van vliegtuigen.

Austenitisch roestvast staal vormt taaie, lange, continue spanen die moeilijk breken. Tijdens de bewerking heeft het werkstuk de neiging te verharden en ontstaan harde oppervlakken en spanen die kerfslijtage veroorzaken. Het vormt ook adhesie en snijkantsopbouw, wat leidt tot een slechte oppervlaktekwaliteit en een kortere standtijd. 

Gebruik, om dit tegen te gaan, geen gereedschappen met versleten snijkanten, want die kunnen de slijtage van het gereedschap versnellen en breuk veroorzaken. Controleer op gezette tijden of er geen tekenen van slijtage zijn en vervang gereedschappen en wisselplaten regelmatig. Probeer ook stilstand of pauzes tijdens de verspaning te vermijden, omdat zich dan warmte opbouwt en het werkstuk verhardt. Een grote spaanhoek verkleint de warmteontwikkeling, en daarmee het risico op verharden van het werkstuk tijdens het frezen. 

Duplex

Door nikkel toe te voegen aan ferritisch chroomstaal ontstaat een gemengde basisstructuur die zowel ferriet als austeniet bevat. Dit staat bekend als duplex roestvast staal. Duplex materialen hebben een hoge treksterkte en behouden hun grote weerstand tegen corrosie. Super-duplex en hyper-duplex hebben hogere gehaltes van legerende elementen en een nog grotere weerstand tegen corrosie. 

Een chroomgehalte van 18% tot 24% en een nikkelgehalte van 4% tot 7% zijn gangbaar in duplex staalsoorten, wat een ferritisch aandeel oplevert van 25% tot 80%. Duplex roestvaste staalsoorten worden toegepast in de chemische, medische, levensmiddelen-, cellulose- en papierindustrie en in de bouw, en in processen waarbij zuren of chloor worden gebruikt. Zij worden vaak toegepast in apparatuur voor de offshore olie- en gaswinning. Duplex is over het algemeen slecht bewerkbaar vanwege het hoge vloeipunt en de grote treksterkte. Een hoger ferrietgehalte – boven 60 procent – verbetert de bewerkbaarheid.