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易切削不锈钢

易切削不锈钢是指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。又称不锈耐酸钢。实际应用中,常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢,而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异,前者不一定耐化学介质腐蚀,而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素,当钢中含铬量达到1.2-左右时,铬与腐蚀介质中的氧作用,在钢表面形成一层很薄的氧化膜(自钝化膜),可阻止钢的基体进一步腐蚀。

第一次世界大战期间(1914~1918年),美国人首先发现硫在钢中对改善切削性的作用,生产出自动机床用硫系低碳易切削钢,后来英、苏、德、日、法等国也相继生产自动机床用硫系易切削钢并逐步使之系列化。硫系易切削钢的产量大,用途广,许多新型易切削钢也是以硫系为基础发展起来的。约在1932年后,人们受到切削性异常优越的铅黄铜的启发,开始研制含铅的易切削钢。因铅有剧毒,当时在冶炼和安全防护等方面的技术问题还没有解决,直到1937年美国研制出含铅易切削钢。1958年,日本引进此种技术并开始研制新的铅易切削钢,到1975年日本公布的含铅易切削钢专利就有25项之多。前苏联是在70年代初才开始生产铅易切削钢。

随着机械切削加工不断向自动化、高速化和精密化方向发展,对材料的切削性提出更高的要求,于是出现了切削性更佳的铅一硫复合易切削钢,又称为超易切削钢。此后各种铅一硫二元和多元复合易切削钢陆续问世。碲作为易切削元素用于易切削钢,首先出现在1932年的专利中。1961年美国研制成功一种含碲易切削钢,它是硫一铅一碲多元复合易切削钢,其切削性非常优异,可与易切削黄铜比美。由于硒与碲的性能和作用相近,故经常被交替使用或同时加入钢中。自60年代起,人们又从另一途径来研究改善钢的切削性,即加入某种脱氧元素,以生成所需要的脱氧产物有利夹杂,在日本将此称为脱氧调整型易切削钢。前联邦德国于1964年首先提出用钙脱氧的钙易切削钢专利,3年后被日本引入并正式生产,它最适于用TiC的硬质合金刀具,进行高速切削,可显著提高生产率,降低工具消耗。在日本已成为汽车、拖拉机制造业中用量相当大的一种易切削钢。从60年代后期开始,又研究了加钛脱氧的易切削钢。1973年日本首先发表了以钛脱氧的钛一硫复合易切削钢专利,近几年,在日本等少数国家已开始试用。

易切削钢生产发展很快,品种和牌号数量不断增加,产量逐渐上升。在美国、日本、英国、前联邦德国、前苏联五国易切削钢标准中,多者有31个钢号(AISI),少者有7个钢号(FOCT)。品种已经扩大到扁钢和管易。易切削钢产量以日本最多,增加速度也最快。1965年接近10万t,到了1985年达到了100万t左右,其中硫系占64.4-。日本生产的易切削钢约有40-~46-消耗在汽车制造业,产业机械消耗约10-,家庭用品和其他消耗约6-。中国从20世纪50年代开始生产硫系易切削钢(主要是低碳自动机床加工用钢),1975年又审订了易切削钢的新标准GBl91-75。从70年代起,开始试生产钙系和钛系易切削钢。但是对生产中需要特殊防护,以消除公害的含铅、硒或碲的易切削钢,却一直未正式生产。从1977年开始,中国又研究了含稀土易切削钢。

一、硫易切削钢

硫在钢中与锰和铁形成硫化锰夹杂,这类夹杂物能中断基体金属的连续性,在切削时促使断屑形成小而短的卷曲半径,而易于排除,减少刀具磨损,降低加工表面粗糙度,提高刀具寿命。通常钢的被切削性随钢中硫含量的增多而增高。但钢的纵向和横向的力学性能差别大,横向塑、韧性差,疲劳及耐蚀性能也有所降低。钢中硫含量过高时,会导致热脆性,对钢的热加工造成困难,恶化钢的力学性能。通常硫含量为0.08-~0.30-,有的可提高到0.4-,易切削工具钢和不锈钢中的硫含量均应在0.06-~0.10-之间.磷多与硫复合加入钢中,通常磷含量在0.04-~0.12-,磷固溶于铁素体中会提高硬度和强度,降低韧性,使切屑易于折断和排除,从而获得良好的加工表面粗糙度,但磷含量过高会显著降低塑性,提高硬度,反而对钢的切削性起有害作用。

二、铅易切削钢

铅在钢中呈细小金属颗粒形态,均匀分布或附着于硫化物的周围。由于铅的熔点较低,切削时融熔渗出起润滑作用,降低摩擦,提高切削性,但并不影响常温力学性能。钢中铅含量一般在0.10-~0.35-。因为铅的比重大,如含量过高,容易引起严重的偏析并形成大颗粒夹杂物,反而降低铅对切削加工的有利作用。铅和硫复合加入低碳结构钢中,改善钢材被切削的效果更为显著。

三、钙易切削钢

钢中钙与铝、硅结合形成低熔点的复合氧化物(主要是CaOAl2O3SiO2),高速切削时,钙系氧化物附着于切削工具表面起润滑和减摩作用,从而提高刀具的使用寿命。如果同时含硫、铅等元素,它们的复合作用会使切削效果更好。80年代以来随着切削工具的改进,在钙易切削钢上涂有T|N涂层的工具,对于工具费用高的滚齿刀、插齿刀等齿轮加工工具,有显著效果。

四、硒、碲、铋易切削钢

碲、铋含量约为0.03-~0.10-,硒的含量可达0.15-。硒以硒化物如FeSe、MnSe等形态存在于钢中,其作用与硫相似,对于既要求高的切削性,又要求较好塑性的钢,在钢中加硒要比硫好。碲可单独加入,也可与铅或硫同时加入钢中,形成复合夹杂物,以降低切削抗力和切削热,使切屑容易排除,显著提高钢的切削性,得到良好的加工表面粗糙度,不过加碲后会使钢的塑性、韧性稍有降低。硒和碲一般多用于合金钢。铋在钢中的作用与铅相似,呈细小的金属颗粒夹杂物,均匀分布或附着于硫化物周围。

五、其它易切削钢

其他元素对钢切削性的影响在易切削钢中除上述易切削元素外,其他元素也对钢的切削性有一定影响

(1)碳。钢中碳含量的高低与钢材的切削性能有关。碳含量过低,组织中会出现大量铁素体,钢的硬度和强度很低,切屑易粘着于刀刃上形成刀瘤,加之切屑是撕裂断落,使切削性下降,加工表面粗糙度很高。碳量过高,组织中珠光体量增多,硬度及强度提高,使切削抗力增大,切削性变坏。易切削结构钢中碳含量以0.15-~0.25-为宜。

(2)锰。钢中锰与硫形成硫化锰夹杂,使切屑易于断裂,改善钢的切削性,还能消除或减弱因硫所引起的热脆性。因此,在易切削钢中应保证锰含量在0.60-~1.60-之间,并保持适当的Mn/S的比值。

(3)硅和铝。硅和铝都对钢的切削性起有害作用。硅部分固溶于铁素体中,提高钢的硬度,使切削加工困难。而且硅在钢中与氧结合形成硬度较高的氧化硅夹杂物,使刀具的磨损增加,使用寿命降低。故易切削钢中硅含量宜低。铝一般作为脱氧剂加入钢中,大部分与氧结合生成细小脆硬的氧化铝夹杂,增加刀具的磨损。硅和铝加入钢中还会降低钢的氧含量,使硫化物夹杂呈细长条状分布,恶化钢的切削性。

(4)氧和氮。氧在钢中一般是有害的,因为它降低钢的力学性能,但易切削钢中氧含量增高,会使硫化物呈纺锤形分布,改善钢的切削性。氮虽能提高钢的强度,但增加脆性,切削加工时会形成短碎的断屑。钢中含微量氮(≤0.002-)时对切削性和工件表面质量起有利作用,但含量过高时,钢的强化作用增大,对刀具寿命不利。

生产工艺易切削钢可在各种炼钢炉中冶炼,但低碳的硫易切削钢宜用转炉冶炼,硫的合金化是在盛钢桶或熔池中加入硫或硫化铁进行的,所用锰铁以低硅和低碳者为宜。如无特殊要求,应尽量降低钢中硅含量,以改善钢的切削性,并要进行充分脱氧,防止产生发纹。在冶炼过程中产生的硫、铅等有害气体,必须用强力通风装置排除,并应有防治污染环境等设施处理。易切削钢中含硫较高时,会有热脆倾向,不利热加工,应予注意。冷加工时力求外形尺寸精确,表面质量良好,以改善在自动机床上切削加工性能。

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