易切削钢的发展

易切削钢的发展

1.改善切削性的基本原理

钢的切削性能是影响切削加工过程的最重要参数之一。易切削钢是汽车工业的一个重要组成部分， 广泛用于多轴自动车床上大量生产零部件。单独用在切削加工上的总费用还是很高的。因此，改善钢的切削性能会大大降低其制造成本。与普碳钢相比， 易切削钢具有许多优点， 例如切屑容易处理、刀具使用寿命长， 制品表面光洁度好， 刀具受力较低、动力消耗量少等。

切削加工性是一个很复杂的问题，包括工件材料， 切削刀具和切削加工条件之间的相互影响。采用以下措施可以改善被加工材料的可切削性：

(1)通过添加硫，铅，铋， 碲， 硒来改变钢的化学成分。

(2)通过改变钢的加工方法，如冷拉，热处理(使之得到所要求的显微组织)， 铸造技术以及脱氧方法可切削加工性的改进， 可由以下一种或数种标准来表征：1，刃具的使用寿命；2，金属切削速率；3，切削力；4，排屑形态；5，制品的表面光洁度。

图1为削加工过程的示意图，由图可见，刀具从被加工钢的表面上削出新表面时， 每切下一块切屑都需要一定的能量，它包括两部分，即断裂能和摩擦能。为产生新的切屑表面需要断裂能， 切屑通过刀具表面时需要摩擦能。引起钢内部断裂的一些因素会降低断裂能， 而内部润滑或外部润滑刚会减小摩擦能，从而使钢的切 性得到改善。钢的内部断裂

可以通过夹杂物(如硫化锰)来产牛。假如夹杂物很密集的话，裂纹就可能由一个央杂物向另一个夹杂物扩展， 从而使断裂能降低。基于这两种能量， 往钢中加入各种改善切-削性的添加剂来降低其总能量， 即可获得易切削刚。

2.添加剂的作用

钢中所含的夹杂物对钢的切削性能的影响有的有益，也有有害的， 主要取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状以及分布状况。为了赋予钢以良好的切削加工性， 通常要往钢中加入能使钢变得“容易切削”的添加剂。最常用的添加剂有硫、铅、铋、硒、碲，在一定的添加量范围内可有效地改善钢的切削性。其中太多数添加剂都是通过在钢中起到润滑剂的作用和使夹杂物变脆而来改善钢的切削性的。近年来， 采取加硅化钙对钢水进行变性脱氧处理的方法， 进一步提高了某些钢种的切削加工性。现就各种添加剂和改善钢切削性的方法，对切削性的影响、优缺点以发添加(或处理)方式探讨如下。

硫

钢中有足够量的锰存在时， 硫会形成硫化锰夹杂物而起到应力集中部位和裂纹萌生的作用， 从而导致切屑的断裂。这种切屑的易碎性， 随着MnS体积分数的增加而得到更加显著的改善。钢中加硫量的范围， 可以从加硫普碳钢中的O．08%增高到硫易切削钢中的0.4% 。

优点： 切削刀具磨损表面上的Mns层能够减小刀具一切屑摩擦， 降低切削温度和切削力， 从而减少刀具的磨损。

缺点； 高的硫含量导致钢的力学性能(特别是横向冲击韧性)的显著降低， 表面废品率和热脆性的增高。添加方式；根据在待生产的易切削钢中所要求的硫含量， 在出钢入钢包时往钢水中加入若干个硫包。

铅

因为铅不溶于钢中， 而是以细颗粒状弥散于钢基体中和分布在MnS夹杂物的尖端。为改善钢的切削加工性要求钢中的最低铅含量为0.35%。

优点： 在刀具-工件界面上铅起着内在润滑剂的作用，因而减小摩擦系数。细而舒散的铅也会使切屑破裂成为较短小的碎片。加铅的易切削钢切削时的动力消耗较少， 并可获得较好的表面光洁度。

缺点： 因为铅的密度较高， 而且在钢中的溶解度很小， 所以有往钢锭底部偏析的倾向， 以致造成无法预计铅的收得率。另外，铅和氧化铅都很有毒。添加方式； 通常是在出钢过程中用压缩空气喷铅丸的方法往钢水流中加铅。

铋

铋是无毒元素．可用来取代铅加入易切削钢中。铋的密度较铅小， 更接近于铁， 这意味着铋在钢水中的偏析程度低于铅。

优点： 采用铋取代硫和铅作为改善切削性的添加元素， 不会损害钢的力学性能， 也没有污染问题。这类易切削钢很适合进行冷

缺点： 由于铋价格高， 作为改善切削性的添加剂不够经济。表3列出采用各种添加剂时对于易切削钢额外增加的费用加入方式； 往钢中加入铋的最有效的法是往浇铸的钢水流中喷射铋丸。也试图以母合金的形式(如含Bi≤2O%的锰铁)加铋。

硒和碲

这两种添加剂可广泛用于不同的钢(由碳钢到不锈钢)中， 用来取代硫。硒在铜中形成较大的夹杂物， 在数量上比硫化物少，并且球形化程度更好。碲可以极薄的吸附膜形式存在于相界面上。

优点： 硒用量很少， 而对切削性的改善效果最大。这种高的可切削性系数， 使得它在精切削加工用的冷锻低碳钢中作为改善切削性添加剂受到人们的关注。碲能降低界面能和剪切抗力。

缺点：这两种元素价格都很高，从经济上考虑是不受欢迎的， 并都具有毒性。并且碲还会在轧制时引起热脆性。添加方式： 在钢水浇注时将硒球团加入到碳钢或低台金钢的钢水中。碲以小片状、粉状、棒状或以碲铁块的形式投放到钢包底部，或者在浇铸时放入钢锭模中。

利用钙化物脱氧

对于粗晶粒钢采取钙脱氧来取代硅铝或硅铁脱氧；对细晶粒钢则在用硅铝脱氧之后进行钙脱氧。使用钙取代硅铝／硅铁， 导致形成在高切削速度下具有良好可塑性的夹杂物。发现这种软化了的氧化物夹杂沉积在硬质台金刀具的刀面上， 从而减轻刀具的磨损并延长

刀具寿命。在汽车齿轮制造中应用的钙脱氧钢是细晶粒钢。在最佳的钙脱氧处理条件下， 氧化物夹杂和硫化物夹杂具有良好的成分和形态。坚硬的氧化铝由铝酸钙所取代， 切削热必须高达足以使铝酸钙软化， 该铝酸钙同硫化物沉积在切削刀具的表面， 能瞎有效地减轻刀具的磨损。

优点： 采帑钙处理能有效地提高刀具的寿命， 在高切削速度时效果最为明显。高速钢齿轮切削刀具在加工钙处理钢时的使用寿命几乎提高一倍。

缺点； 传统钢与钙处理钢之间在切削力并没有显著的差异，而且在切削可处理性和表面光洁度方面也与基本钢没有差别添加方式； 目前有两种加钙方法：一是在钢包中通过喷以喷射法往钢水中加钙；另一种是用包芯钢丝喂入法加钙。

3.几例易切削钢的试验

用几个典型的钢种试验研究了对于切削性能改进的效果。结果表明， 用硅化钙处理的易切削钢大大提高了硬质合金刀具在高速切削时的使用寿命。对于提高刀具的使用寿命(以0．3mm的侧面磨损作为决定刀具寿命的标准)， 在较高的切削速度下的效果比在较低的切削速度下的高。在不同的切削速度下切削时间一侧面磨损宽度的关系曲线，及切削速度一刀具寿命的关系曲线分别示于图3和图4。图5比较了几个典型钢种的切削加工性等级(以C-45钢为基准)。实验室的试验结果表明， 用工业生产的硅化钙处理钢生产钢轴时， 缩短了切削加工时间并提高了钢轴的生产率。在自动车床上切削加工了6根钢轴(3根传统钢， 3根硅化钙处理钢)， 使用具有TiN涂层和无涂层的硬质合金刀具， 在吃刀深度和进刀速度均保持不变的条件下， 切削加工钙处理钢时刀具磨损量减少了35-60% ， 有TiN涂层的

刀具总磨损量减少了60-90% 。这说明钢经钙处理和刀具涂层， 能有效地延长刀具的使用寿命， 但钙处理对于工件表面光洁度没有显著效果。

还试验了不同加铋量的20MnCr5钢用高速钢刀具切削时钢的切削加工性。结果表明， 添加0.13%Bi的钢的切削加工性改善了大约30% ，所形成的切屑较短而且卷曲成较紧密的切屑团。因此， 如果加铋在经济上合算的话， 采用加铋易切削钢的效果是比较理想的。

4.结论

对于钢中改善切削性元素添加量的因素有。力学性能， 切屑的可处理性， 额外增加的费用， 毒性。在各种改善切削性添加剂中，从成本方面考虑， 硫是第一位可选用的元素， 但是加硫会带来钢力学性能(特别是横向韧性)的显著降低。仪次于硫的最常用的改善切削性添加剂则是铅， 因为铅和氧化铅非常有毒， 所以需要使用特殊的装置来隔绝有毒的烟气 硒和碲也很有毒， 在处理过程中也需要采取防护措施。铋无毒性并且不损害钢的力学性能， 不过铋的价格太高，用它作为改善切削性的添加剂时太不经济。钙是唯一具有适中价格且又能很有效地改善钢切削性能的添加剂， 特别是制造齿轮用的钙脱氧钢尤为有效， 加钙钢可使高速钢齿轮刀具的使用寿命延长70～1O0%。