易切削金屬材料

易切削金屬材料是指具有優良切削加工性能的材料。

基本介紹

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材料原理

易切削金屬材料提高易切削性能主要是通過複合加入易切削元素(S、P、Pb、Se、Te、Bi、Zr、Re等)。一般通過對刀具壽命、加工表面光潔度、切屑處理性、刀具受力以及能耗等幾項綜合指標來評價易切削切削金屬性能的優越程度。

易切削金屬材料

材料分類

易切削鋼:根據含易切削元素的不同，可分為硫易切削鋼、鉛易切削鋼、鈣易切削鋼、鈦易切削鋼以及複合易切削鋼。根據其用途的不同，易切削鋼又分為自動機用鋼、結構用易切削鋼和特殊易切削鋼(耐熱鋼、不鏽鋼、工具鋼等)。根據易切削性能的不同，又可分為一般易切削鋼，超易切削鋼等。

易切削金屬材料

硫易切削鋼:硫易切削鋼占世界與我國易切削鋼總產量的比例分別為70%和90%。硫易切削鋼按硫含量不同，可分為低硫鋼、中硫鋼和高硫鋼：一般低硫鋼的S≤0.025%，有的甚至S＜0.01%；中硫鋼的S=0.04～0.09%；高硫鋼的S=0.1～0.3%。其中，中硫鋼由於具有良好的切削性能和力學性能，已廣泛套用於工業生產，而高硫鋼則是為滿足特殊切削性能需求的鋼材。

一般認為，隨著硫含量的增高，鋼材的切削性能也越好，但對普通鋼而言，微量增硫就能起到改善可切削性的明顯效果；加入適當的硫(尤其在硫低於0.1%以下)，對改善鋼可切削性的效果都是非常顯著的。其作用主要表現在：不僅降低切削力與切削溫度，明顯提高刀具壽命，而且還降低工件的表面粗糙度，改善切屑處理性。鋼中硫主要以(Mn、Fe)S的形式存在鋼中，由於MnS夾雜物割斷了基體的連續性和應力集中源作用而使車屑易斷，潤滑作用使刀具的磨損減小，從而改善了鋼材的切削性能。為了使鋼材具有更好的切削性能，應使鋼中的MnS具有一定的長寬比(L/W)，而研究表明夾雜物成球狀和紡錘狀比線條狀更有利於切削，因此，希望鋼中的MnS成紡錘狀或近似球狀。然而MnS在熱軋過程中沿著軋制方向伸長，使硫易切削鋼的橫向力學性能明顯降低，加劇了鋼材的各向異性。通過向易切削鋼中加入碲、鈣、鋯、稀土和鈦等元素，使之與鋼中的硫生成硫化物，而這些夾雜物高溫塑性加工性能差，在壓延時的延展變得困難，強度的各向異性也受到抑制，從而達到改變硫化物形狀的目的。同時，應保證鋼中具有一定錳硫比，以降低因鋼中硫含量過高而帶來的不利影響，以保證鋼材的力學性能。

鉛易切削鋼:鉛易切削鋼是在硫易切削鋼基礎上發展起來的。1932年人們受到可切削性非常優越的鉛黃銅的啟發，開始生產含鉛易切削鋼。但是當時由於冶煉和防止污染(PbO有劇毒)等技術問題未得到解決，直到1937年美國一家研究所與內陸鋼公司發表了鉛易切削鋼專利後，日本、德國才相繼開始生產。我國從上世紀70年代就開始研製鉛易切削鋼，主要是在碳素結構鋼、合金結構鋼、工具鋼和不鏽鋼中加入不同數量的鉛，其加鉛方法有單獨加鉛、複合加鉛硫和鉛-硫-碲。鉛易切削鋼中鉛的含量一般為0.15～0.35%，日本JASO規定調質和滲碳鋼中鉛含量為0.04～0.09%。鉛以微小單質金屬顆粒分布於鋼中並在鋼中不固熔，在切削加工過程中，刀具與加工件之間產生強烈的摩擦，使鋼中的鉛顆粒呈熔融狀析出，從而起到潤滑作用來改善鋼的切削性能，使鋼的切屑細碎，降低刀具磨損，最終延長刀具壽命。與不含鉛的鋼相比，含鉛鋼的切削性能可提高20～50%，而機械性能與熱處理性能基本保持不變，對冷、熱加工性和焊接性也無影響。鉛易切削鋼已廣泛用作製造精密儀表零件、汽車零件、各類機械的重要零件。但是鉛易切削鋼的接觸疲勞低，故不宜用於承受疲勞應力負荷大的齒輪、軸承等零部件。

因鉛比重大，鋼液在凝固過程中容易產生偏析，並且鉛有毒，

易切削金屬材料生產過程中產生鉛蒸汽所造成的公害難以解決，因此需要採用特殊的加鉛工藝。國外冶煉鉛易切削鋼的加鉛工藝均列為專利而保密，我國天津特殊鋼廠在長期的生產實踐中，對加鉛工藝和控制鉛污染方面做了大量工作，並在總結生產實踐的基礎上嘗試了四種加鉛的方法：1、鋼包加鉛法；2、電渣重熔加鉛法；3、鋼包底吹氬加鉛法；4、鋼包噴吹加鉛法。但基於加鉛質量和環保的考慮，只有電渣重熔加鉛法和鋼包噴吹加鉛法套用於生產實踐。雖然在冶煉鉛易切削鋼取得了很大的進展，但是從環保角度考慮，鉛易切削鋼使用範圍已受到限制並最終將會被淘汰。

易切削金屬材料

鈣易切削鋼:從60年代起人們又從另一種途徑來研究提高鋼的可切削性，即加入某種特殊脫氧劑，控制生成所需要的氧化物夾雜。1964年聯邦德國首先提出用鈣脫氧鈣易切削鋼專利。三年後引入日本並正式投產。我國在80年代研製成功鈣易切削鋼，也被稱為脫氧調整型易切削鋼，是指用金屬鈣和鈣-矽合金脫氧劑，來代替金屬鋁進行脫氧。一般鈣易切削鋼中只含0.001～0.006%Ca。用鈣或鈣-矽脫氧後，通常鋼中的鈣、矽、鋁複合氧化，生成CaO?Al2O3?2SiO2(鈣斜長石)和2CaO?Al2O3?SiO2(鈣黃長石)複合氧化物。當切削溫度升高時，這些夾雜物便會在硬質合金刀具切削刃面上軟化和堆積，形成積屑瘤，即所謂的Belag附著物，從而妨礙切屑與刀具的接觸，抑制了刀具的磨損。單獨加鈣只適於高速切削，為改善鋼材在中、低速切削時的切削性能，向鋼中加硫、鉛、碲等。所以一般單純鈣易切削鋼很少使用，鈣-硫和鈣-硫-鉛複合易切削鋼較為普遍。值得注意的是，含鈣易切削鋼對使用硬質合金刀具高速切削時能顯著延長刀具壽命，但使用高速鋼刀具時效果不顯著，這是因為高速鋼刀具切削時形成溫度不夠高，沒有達到鈣複合氧化物的熔點，不能形成覆蓋膜，故不能降低刀具的磨損。

向鋼中加硫的Ca-S複合易切削鋼，其強度、塑性、衝擊值、疲勞性能、

易切削金屬材料耐磨性能和調質熱處理性能等，同基礎鋼相當或略有下降。鈣易切削鋼多用於較重要的結構件，如軸、齒輪和花鍵軸等。在實際大量生產中，常常硬質合金和高速都使用。

易切削金屬材料

鈦易切削鋼:鈦易切削鋼是在鈣易切削鋼基礎上發展起來的另一種新型易切削鋼。1969年12月日本金屬材料技術研究所提出了第一項鈦易切削鋼專利。單獨加Ti的易切削鋼特別適合於200m/min以上的高速切削，為改善其在中、低速的切削性能，加入一定量的S，也可複合加入其他易切削元素來生產鈦複合易切削鋼。我國在80～90年代成功研製出鈦硫複合易切削鋼Y35TiS和Y45TiS，目前在世界上處於領先水平。同Ca-S易切削鋼一樣，Ti-S易切削鋼在進行高速切削時，在刀具上形成一層Belag覆蓋膜，可延長刀具壽命3～9倍。鈦易切削鋼的淬透性、耐磨性、加工件的變形度，都優於基礎鋼，而疲勞性能、各向異性和其他性能，相當於或略低於基礎鋼。Ti-S易切削鋼橫向機械性能降低很小，故可做較重要的結構件，如工具機上的絲槓、光槓、軸、齒輪和緊固件等。