易切削金属材料材料原理

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。

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�。用钙或钙-硅脱氧后，通常钢中的钙、硅、铝复合氧化，生成CaO"_blank" href="/item/复合氧化物/53565677" data-lemmaid="53565677">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。