易切削钢性能改善的机理及对策

2013-08-20 09:23:00

易切削钢是向钢中加入硫、铅、钙等元素以提高其切削性能的钢。根据统计数据，日本2009年度在特殊钢热轧材中的易切钢产量约为66万t，占该类钢材总量的4.2%。在

JIS G 4804中已将S易切钢和S复合易切钢进行了标准化；并且，在日本汽车技术会规范JASO M103（汽车结构用钢钢材）中，对钢的成分又进行了追加或变更，对加S（S0-S2）、加Pb(L1-L2)、加Ca(U)进行了标准化。另外，即使是不锈钢，在JIS G 4303等标准中也将通过S、Pb的加入提高了切削性能的钢种进行了标准化。

将易切钢中易切元素的种类和切削性改善机理及效果归纳如原创表1。切削性能的改善机理有：利用Pb、Bi等低熔点物质的熔融脆化作用；利用Ca系氧化物的工具表面保护作用；利用S化物的应力集中作用等。这些易切元素能改善钢的切削性能，但又往往会降低钢的力学性能和疲劳强度。

以下概要介绍代表性易切钢的切削性能改善机理、损坏实例及对策。

1 S易切钢的损坏实例及对策

1.1 S易切钢的切削性改善机理

S易切钢中的S和Mn结合而形成MnS，此夹杂物在切削加工高速变形时作为缺口而起作用，利用应力集中使切屑断开，从而改善了钢材的切削性能。

1.2 S易切钢的损坏机理

1）热锻裂纹

S易切钢中的MnS因热轧和冷轧而变形，作为细的延伸夹杂物而存在。因此，较之基础钢，在热锻中与锻造塑性流动成直角方向的延性变低了，即在锻造时往往会沿着钢材流动方向产生裂纹。

2）冷锻裂纹

由于S易切钢上分布着沿轧制方向延伸的MnS，故垂直于轧制方向的延伸率、断面收缩率、冲击值的劣化大，呈现出明显的各向异性。因此，使材料在不同方向的延伸差异大，故冷锻时往往会产生裂纹。

原创图1是将机械结构用碳钢和S易切钢作为供试验材进行冷镦（锻造）试验的结果：伴随S含量的升高，在少的变形量下就会发生裂纹，表明钢的冷成形性随S含量的增加而下降。因此，在对钢实施冷加工时，有必要进行考虑了材料各向异性的加工方案的研究。

1.3 对策

S易切削钢的主要问题是存在各向异性，作为其改善对策如下：

1）合适S含量的选择

S易切钢有将S含量加到0.05%S（S1）、0.10%S（S2）的程度，但S含量越高，各向异性就越显著，故应在考虑到和切削性改善效果平衡的基础上选择合适的S含量。

2）MnS的形态控制

通过Ca、Zr等元素的加入、将MnS夹杂物球化而减轻S易切钢的各向异性及产生裂纹的可能性。

3）使用各向异性少的易切削钢

Pb易切削钢的各向异性比S易切削钢少，对它的使用进行了研究。然而，为了满足近年迫切减少环境负荷物质的要求，开发了无Pb易切削钢。在确保钢的切削性的同时，还考虑到了如何改善钢的各向异性以及冷加工性。

4）加强对热锻时加热和锻造温度的适当管理。

5）充分考虑了各向异性的加工方法，并制定冷锻加工中适当钢种的选择。

2 Pb易切削钢的损坏实例及对策

2.1 Pb易切削钢的易切性改善机理

由于在Pb易切削钢中加入了0.04%-0.30%的Pb，而Pb的熔点低到327℃，故在切削时的加工热使钢中的Pb处于熔融状态，利用其脆化作用分断切削而提高了切削处理性；同时，在切削工具表面与切屑和工件之间具有润滑作用，从而抵制了工具磨损，改善了切削性能，提高了切削效率，降低了切削成本。

2.2 Pb易切钢的损坏

由于Pb易切削钢中的Pb不随轧制方向延伸而以是以粒状存在，故如S易切削钢那样的各向异性和力学性能恶化都少。但是在轴和齿轮等类型的转动接触部件上，有时发现是其重要特性的转动疲劳强度的下降。

原创图2表示在高面压条件下，Pb易切钢SCM420的转动疲劳试验结果：与不加Pb的基础钢比较，Pb易切削钢的转动疲劳寿命显著下降了。其原因是在高面压下的交变压缩应力使材料温度上升，钢中Pb粒产生熔融膨胀。由于Pb的线胀系数为钢的2倍以上，故Pb 粒的膨胀撕裂了周边钢的基体，裂纹的扩展就必然会造成转动疲劳寿命的下降。

2.3 对策

由于Pb易切削钢的转动疲劳寿命低主要受Pb含量的影响，故在考虑与切削性平衡的基础上研讨了合适的Pb含量，从而将易切削钢L2、L1的Pb含量分别调整为0.10%-0.30%和0.04%-0.09%。

3 易切削不锈钢的切削性实例及对策

3.1 易切削不锈钢的切削性改善机理

不锈钢可分类为A（奥氏体）系、F（铁素体）系、M（马氏体）系，较之碳素钢与低合金钢，不锈钢的切削性差。特别是A不锈钢材质软而发粘，导热系数低，切削时切屑难分断（缠绕不断），刀尖温度上升且易引起加工硬化，简直可以说切削性能极差。因此，有时采用改善了切削性能的易切削不锈钢。主要的易切削不锈钢有加入了易切削元素S的SUS303等。这类钢的硫化物作为应力集中源而起作用，可减低切削阻力，改善切屑处理性，使之易断开。

3.2 易切削不锈钢损坏

与机械结构用钢不同，不锈钢的损坏多缘于耐蚀性低。在前述的不锈钢上，为了改善切削性能而将硫化物分布到钢中，但这些硫化物却成了生锈，特别是点蚀的起点，其耐蚀性往往比（不加S的）基础钢要差些。

3.3 对策

为了提高加硫易切削不锈钢的耐蚀性，应采取以下对策：

1）向钢中加Cu

在A系硫易切削不锈钢中加入1%-4%的Cu，可以减少钢的加工硬化，并改善切削性和耐蚀性。

2）向钢中加Mo

在硫系SUS303、430F、416等不锈钢中加入0.6%以下的Mo，可明显改善这些钢的耐蚀性。