易切削元素

易切削元素

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。

钙脱氧

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。

钛脱氧

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。

分类

按所含易切削元素可分为：

(1)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％～o．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。

(2)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。

(3)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CaO?Al2O3?SiO2)，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。

(4)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Fe Se、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。

其他元素影响

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。

易切削钢是在优质碳素钢中加入适量的易切削元素如S ,P ,Pb ,Se ,Te ,Ca ,Bi等,使碳素钢具有优良的切削性能。

易切削金属材料

摘要

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所谓易切削金属材料是指具有优良切削加工性能的材料，

易切削金属材料

提高易切削性能主要是通过复合加入易切削元素(Ｓ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｚｒ、Ｒｅ等)。一般通过对刀具寿命、加工表面光洁度、切屑处理性、刀具受力以及能耗等几项综合指标来评价易切削切削金属性能的优越程度。

易切削金属材料-分类及其特性

易切削钢:根据含易切削元素的不同，可分为硫易切削钢、铅易切削钢、钙易切削钢、钛易切削钢以及复合易切削钢。根据其用途的不同，易切削钢又分为自动机用钢、结构用易切削钢和特殊易切削钢(耐热钢、不锈钢、工具钢等)。根据易切削性能的不同，又可分为一般易切削钢，超易切削钢等。

易切削金属材料

硫易切削钢:硫易切削钢占世界与我国易切削钢总产量的比例分别为70％和90％。硫易切削钢按硫含量不同，可分为低硫钢、中硫钢和高硫钢：一般低硫钢的Ｓ≤0.025％，有的甚至Ｓ<0.01％；中硫钢的Ｓ=0.04～0.09％；高硫钢的Ｓ=0.1～0.3％。其中，中硫钢由于具有良好的切削性能和力学性能，已广泛应用于工业生产，而高硫钢则是为满足特殊切削性能需求的钢材。

一般认为，随着硫含量的增高，钢材的切削性能也越好，但对普通钢而言，微量增硫就能起到改善可切削性的明显效果；加入适当的硫(尤其在硫低于0.1％以下)，对改善钢可切削性的效果都是非常显著的。其作用主要表现在：不仅降低切削力与切削温度，明显提高刀具寿命，而且还降低工件的表面粗糙度，改善切屑处理性。钢中硫主要以(Ｍｎ、Ｆｅ)Ｓ的形式存在钢中，由于ＭｎＳ夹杂物割断了基体的连续性和应力集中源作用而使车屑易断，润滑作用使刀具的磨损减小，从而改善了钢材的切削性能。为了使钢材具有更好的切削性能，应使钢中的ＭｎＳ具有一定的长宽比(Ｌ/Ｗ)，而研究表明夹杂物成球状和纺锤状比线条状更有利于切削，因此，希望钢中的ＭｎＳ成纺锤状或近似球状。然而ＭｎＳ在热轧过程中沿着轧制方向伸长，使硫易切削钢的横向力学性能明显降低，加剧了钢材的各向异性。通过向易切削钢中加入碲、钙、锆、稀土和钛等元素，使之与钢中的硫生成硫化物，而这些夹杂物高温塑性加工性能差，在压延时的延展变得困难，强度的各向异性也受到抑制，从而达到改变硫化物形状的目的。同时，应保证钢中具有一定锰硫比，以降低因钢中硫含量过高而带来的不利

影响，以保证钢材的力学性能。

铅易切削钢:铅易切削钢是在硫易切削钢基础上发展起来的。1932年人们受到可切削性非常优越的铅黄铜的启发，开始生产含铅易切削钢。但是当时由于冶炼和防止污染(ＰｂＯ有剧毒)等技术问题未得到解决，直到1937年美国一家研究所与内陆钢公司发表了铅易切削钢专利后，日本、德国才相继开始生产。我国从上世纪70年代就开始研制铅易切削钢，主要是在碳素结构钢、合金结构钢、工具钢和不锈钢中加入不同数量的铅，其加铅方法有单独加铅、复合加铅硫和铅-硫-碲。铅易切削钢中铅的含量一般为0.15～0.35％，日本ＪＡＳＯ规定调质和渗碳钢中铅含量为0.04～0.09％。铅以微小单质金属颗粒分布于钢中并在钢中不固熔，在切削加工过程中，刀具与加工件之间产生强烈的摩擦，使钢中的铅颗粒呈熔融状析出，从而起到润滑作用来改善钢的切削性能，使钢的切屑细碎，降低刀具磨损，最终延长刀具寿命。与不含铅的钢相比，含铅钢的切削性能可提高20～50％，而机械性能与热处理性能基本保持不变，对冷、热加工性和焊接性也无影响。铅易切削钢已广泛用作制造精密仪表零件、汽车零件、各类机械的重要零件。但是铅易切削钢的接触疲劳低，故不宜用于承受疲劳应力负荷大的齿轮、轴承等零部件。

因铅比重大，钢液在凝固过程中容易产生偏析，并且铅有毒，

易切削金属材料

生产过程中产生铅蒸汽所造成的公害难以解决，因此需要采用特殊的加铅工艺。国外冶炼铅易切削钢的加铅工艺均列为专利而保密，我国天津特殊钢厂在长期的生产实践中，对加铅工艺和控制铅污染方面做了大量工作，并在总结生产实践的基础上尝试了四种加铅的方法：1)钢包加铅法；2)电渣重熔加铅法；3)钢包底吹氩加铅法；4)钢包喷吹加铅法。但基于加铅质量和环保的考虑，只有电渣重熔加铅法和钢包喷吹加铅法应用于生产实践。虽然在冶炼铅易切削钢取得了很大的进展，但是从环保角度考虑，铅易切削钢使用范围已受到限制并最终将会被淘汰。

钙易切削钢:从60年代起人们又从另一种途径来研究提高钢的可切削性，即加入某种特殊脱氧剂，控制生成所需要的氧化物夹杂。1964年联邦德国首先提出用钙脱氧钙易切削钢专利。三年后引入日本并正式投产。我国在80年代研制成功钙易切削钢，也被称为脱氧调整型易切削钢，是指用金属钙和钙-硅合金脱氧剂，来代替金属铝进行脱氧。一般钙易切削钢中只含0.001～0.006％Ｃａ。用钙或钙-硅脱氧后，通常钢中的钙、硅、铝复合氧化，生成ＣａＯ?Ａｌ2Ｏ3?2ＳｉＯ2(钙斜长石)和2ＣａＯ?Ａｌ2Ｏ3?ＳｉＯ2(钙黄长石)复合氧化物。当切削温度升高时，这些夹杂物便会在硬质合金刀具切削刃面上软化和堆积，形成积屑瘤，即所谓的Ｂｅｌａｇ附着物，从而妨碍切屑与刀具的接触，抑制了刀具的磨损。单独加钙只适于高速切削，为改善钢材在中、低速切削时的切削性能，向钢中加硫、铅、碲等。所以一般单纯钙易切削钢很少使用，钙-硫和钙-硫-铅复合易切削钢较为普遍。值得注意的是，含钙易切削钢对使用硬质合金刀具高速切削时能显著延长刀具寿命，但使用高速钢刀具时效果不显著，这是因为高速钢刀具切削时形成温度不够高，没有达到钙复合氧化物的熔点，不能形成覆盖膜，故不能降低刀具的磨损。

向钢中加硫的Ｃａ-Ｓ复合易切削钢，其强度、塑性、冲击值、疲劳性能、

易切削金属材料

耐磨性能和调质热处理性能等，同基础钢相当或略有下降。钙易切削钢多用于较重要的结构件，如轴、齿轮和花键轴等。在实际大量生产中，常常硬质合金和高速都使用。

钛易切削钢:钛易切削钢是在钙易切削钢基础上发展起来的另一种新型易切削钢。1969年12月日本金属材料技术研究所提出了第一项钛易切削钢专利。单独加Ｔｉ的易切削钢特别适合于200ｍ/ｍｉｎ以上的高速切削，为改善其在中、低速的切削性能，加入一定量的Ｓ，也可复合加入其他易切削元素来生产钛复合易切削钢。我国在80～90年代成功研制出钛硫复合易切削钢Ｙ35ＴｉＳ和Ｙ45ＴｉＳ，目前在世界上处于领先水平。同Ｃａ-Ｓ易切削钢一样，Ｔｉ-Ｓ易切削钢在进行高速切削时，在刀具上形成一层Ｂｅｌａｇ覆盖膜，可延长刀具寿命3～9倍。钛易切削钢的淬透性、耐磨性、加工件的变形度，都优于基础钢，而疲劳性能、各向异性和其他性能，相当于或略低于基础钢。Ｔｉ-Ｓ易切削钢横向机械性能降低很小，故可做较重要的结构件，如机床上的丝杠、光杠、轴、齿轮和紧固件等。

易切削钢-正文

是在钢中含有一定数量的硫、磷、铅、钙、硒、碲等一种或几种元素，而具有良好的被切削加工性能的一类钢种。易切削钢适于制作用自动切削机床加工的大批量零件，在切削加工过程中，它同非易切削钢相比，可以延长刀具寿命，减少切削抗力，提高加工表面光洁度，容易排除切屑。1920年左右，美国开始生产和使用硫易切削碳素结构钢，中国在1958年开始生产。1937年在美国制成铅易切削钢，中国于1964年着手研制。国际上约于1963年开始研究钙易切削钢，中国于1970年也进行研制。70年代以来，在高合金钢中添加硒、碲或铋等元素以改善钢的被切削性。

类别硫易切削钢硫在钢中同锰和铁形成硫化猛夹杂物。这类纺锤形硫化物（图1）,能中断基体金属的连续性，切削时促使断屑形成易于排除的小半径短卷，减少刀具与断屑间的接触面积；并能起内部润滑作用，降低摩擦，使断屑不致粘附在刀刃上形成刀瘤，从而降低切削力和切削热，减少刀具磨损，提高加工表面光洁度和刀具寿命。通常钢的被切削性随含硫量的增多而改善（图2），即在刀具同样寿命的条件下，含硫量越高，切削速度越高。但含硫量过高，则会导致热脆性，给钢的热加工造成困难,影响钢的力学性能,特别是降低了钢的横向力学性能，如横向的塑性和韧性以及疲劳性能。通常含硫量为0.08～0.30％，有时可达0.40％；易切削工具钢和不锈钢中的含硫量均应在0.06～0.10％之间。

易切削钢

易切削钢

磷和硫复合加入钢中，通常含磷量为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光洁度。如含磷量过高，则会显著降低塑性，增高硬度，反而影响钢的被切削性。

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。铅的熔

点较低，切削时会有融熔铅渗出，起润滑作用，减少摩擦，提高钢的被切削性，而对常温力学性能影响甚小。钢中含铅量一般为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，改善钢材被切削性的效果更为显著。

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CaO、Al2O3、SiO2),高速切削时，熔化后粘附在刀具表面起润滑和减摩作用，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。

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等的形态存在于钢中，其作用与硫相似，对于既要求高的被切削性,又要求较好的塑性的钢,在钢中加硒要比硫好。碲可以单独加入，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,显著提高钢的被切削性，得到良好的加工表面光洁度，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的周围。

其他元素对切削性能的影响碳钢材的被切削性与钢中含碳量有关。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，而使被切削性下降，加工表面光洁度很差。含碳量过高，组织中珠光体量加多，硬度和强度提高，会使切削抗力增大，从而使被切削性变坏。易切削结构钢中含碳量以0.15～

0.25％为宜。

锰钢中锰与硫形成硫化锰夹杂物，使切屑容易断裂，从而改善钢的被切削性，还能消除或减弱因硫所引起的热脆性。在易切削钢中含锰量应在0.60～1.60％之间，并应保持适

当的锰和硫的比值。

硅和铝硅和铝都有害钢的被切削性能。硅部分固溶于铁素体中，增强钢的硬度。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。因此易切削钢中的硅含量宜低。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物，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，降低钢的被切削性。

氧和氮氧在一般钢中是有害的，因为它降低钢的力学性能。但易切削钢中含氧量增高，会使硫化物呈纺锤形分布，可改善钢的被切削性。氮虽能提高钢的强度，但又能增加脆性，切削时会形成短碎的断屑。钢中含微量氮（〈0.02％），对被切削性和加工表面质量起有利作用，但含量过高，钢的强化作用增大，则减少刀具的寿命。

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在转炉熔炼，硫的合金化是在盛钢桶或熔池中加入硫黄或硫化铁进行的，锰铁以低硅和低碳者为宜。如无特殊要求，应尽量降低硅含量，以利钢的被切削性，并要适度脱氧，防止产生发裂。在冶炼过程中产生的硫、铅等有害的气体，必须用强力通风装置排除，并应有防治污染环境等设施。易切削钢中含硫量较高，会有热脆倾向，不利热加工，应予注意。冷塑性加工时力求外形尺寸精确，表面质量良好，以利于在自动机床上切削加工。

参考书目

電氣製鋼研究会編：《特殊鋼便覧》,理工学社,東京，1964。