易切削钢研究和应用的发展

易切削钢研究和应用的发展易切削钢自上纪二十年代前后问世以来至今将近七十年了。随着工业技术的发展，易切削钢，无论是钢种，产品结构；还是应用数量和范周都有很大突破。切削加工费在机械零件成本中占有很大比重，因此使用易切削钢具有很大的经济意义。在日本自动化成批生产线上使用易切削钢，切削时问缩短一秒钟即可节省一日元，所以易切削钢在国外的产量逐年上升。例如日本l986年的易切削钢产量比l983年提高了10wt，而且这种趋势今后仍会保持下去其次易切削钢的应用范围不断扩大，至今虽然仍以受力较小而尺存精度和表面光洁度要求较高的零件为主，但是随着冶金工艺和技术的进步，钢材纯净度、质量及各种性能的稳定提高以及汽车等工业的飞速发展，到六十年代后汽车零件也开始应用易切削钢，且用量不断增加，最初是用于曲轴及部分动力传动件，车轮零件等，最近象齿轮等表面渗碳零件也使用易切削钢。现在切削加工正朝着自动化和无人化的方向发展，以实现切削加工告诉化。为此易切削钢的品种、质量和性能都提出了更高的要求。例如过去对易切削钢主要要求切削性能，而最近汽车零件生产中愈来禽多地采用冷锻～机加工～渗碳处理的工艺，以进一步提高材料利用率，生产率和降低成本，所以要求钢材同时具有优良的冷镦性、渗碳工艺性能及切削性能。为提高易切削钢的质量特和性能并开发新品种，在生产工艺上做了大量的研究和试验。象炉外精炼、真空除气、连续铸造、控制轧制、低温轧制以及七八年代逐渐成熟的喷射冶金等先进技术和设备都已陆续用于易切削钢的生产。日本神户钢铁公司根据多年的经验采用KAT新工艺(KobeArgonTreatment)生产出高质量的铅易切削钢。具体工艺过程是电炉冶炼～钢包精炼～KAT吹氩处理(用Ar气将细铅粉吹入钢水，使铅均匀溶解，完全消除铅造成的各种缺陷)～连铸：钢坯经超声波、磁力探伤，检查钢材全长、全断面的表面及内部质量，钢棒等制品用超声波检查内部质量，对表面做涡流探伤。这样生产出的钢水纯净，成分范围窄，质量稳定，性能良好。该公司已用此法生产了Pb～S复合易切削钢、机械制造易切削钢及切削性、冷锻性皆优的KMH(表1)。从切削性角度看，采用KAT工艺可把钢中氧量准确控制在适当范围内，适当减小连铸冷速来改善切削性。另外因连铸材成分波动小，切削性均匀稳定，而且凝固速度大氧化物系夹杂不易长大，有利于切削性改善，并减小困大块氧化物造成材料漏油、漏气的危险，对油、气压件是有利的。从延性考虑，冷锻性和切削性是互相矛盾的，采用KAT工艺生产的KMH钢较好地解决了这个问题。因钢水净化后，对切削性和冷锻性都有害的A1203。夹杂量减小，对硫化物含量加以控制可保证冷锻性，而加入微量铅可提高切削性但不致恶化冷锻性。表面淬火的铅易切削钢在离的袁而压力下转动时疲劳寿命降低。为解决这一问题，一方面将铅加入量控制在必需的最低限度，一方面采用净化处理工艺，提高钢水纯净度，可使转动疲劳寿命改善而与基本钢相近，冷锻性能和力学性能也有所提高。采用喷射技术使Ca，S、Pb等元素加入钢中，可使非金属夹杂物变态，一些不利于切削加工的夹杂物(主要是熔点高，硬度大的A1203和SiO2等)转变为有利于切削加工的夹杂物。如硫易切削钢水经钙处理后，钢中的A1203与SiO2、CaO结合成被硫化物包裹的低硬度钙长石，可大大提高刀具寿命，且单一硫化物消失，钢的力学和工艺性能亦得到改善。钢中氧含量，亦即氧化物数量和分布对切削性能亦有重大影响。改善冶炼工艺，减小氧化物数量和(或)改变氧化物组成可明星减小氧化物对切削工具的磨损。钢水在脱气和脱氧后加钙即可产生这种效果。车削试验表明，用硬质合金刀具加工未用钙处理的CK45钢时，刀具经10分钟即损坏，而加工钙处理的钢时，刀具寿命可延长到3O分钟。为解决冷锻性和切削性的矛盾，除上述的KAT工艺外还可采用其它一些方法。SCM420为常用的表面渗碳钢，通过降低硫含量，加入微量磷，还可加入微量铌并进行低温轧制，即可得到轧态下冷锻性和切削性均佳的表面渗碳钢。因为低温轧制可细化晶粒(表3)，抑制贝氏体相变，Nb亦细化晶粒，提高加热时晶粒粗化温度(约50℃)，加上硫量降低因而使冷锻性大大改善。表3中的钢C轧态即可冷锻，可制造切削加工比较少的零件。在低硫含铌钢中加入微量铅的冷锻性如图1。在加入量相同时，铅对冷锻性的不利作用比硫小，钢D和E的冷锻性大致相当，而钢D的切削性则更好(图2)。易切削钢的化学成分也发生了很大变化，已由最初的低碳钢逐渐发展到中碳钢，高碳钢和合金钢。做为添加元素以改善切削性，最初是硫，现在扩大到磷、钙、铅、硒、碲、铋等。在各类易切削钢中硫易切削钢的成本低、在各种切削条件下都能改善被切削性，故应用最普遍。但钢的力学性能与硫含量有成反比的关系，降低钢材横向性能，特别是塑、韧性，故不适用于高强结构件。为改变这种缺陷，最近的趋势是发展低硫含量和控制硫化物形态及各种多元复合易切削钢。国外做了大量硫化物球化的试验研究，结果表明，Ca、Zr、Te、Ti、稀土等元素都可控制硫化物形态。如加Zr后在高温时析出的MnS·Zr·S共晶夹杂物不易延伸变形。有效含Zr量在0.02%即可有效改善硫化物形状，减少钢力学性能的各向异性，提高冷加工性，而其切削性能并不受影响。最近的方法是在硫化物和基体的界面上生成低熔点硫化物，通过其润滑作用使硫化物不伸长而球化，例如日本太同特殊钢公司新研制的含碲易切削钢SSS。经测定表明这种SSS易切削钢的硫含量只有通常硫易切削钢含硫量的一半时，即可达到相同的钻孔加工性，车削加工和切齿加工性能也比硫系易切削钢好。其垂直于轧向的冲击值高于硫系易切削钢，在硫量相同时约为后者的二倍。延伸率和面缩率也有相同的倾向。用SSS钢制成齿轮的齿根疲劳强度比相同含硫量的硫易切削钢高40%，滚动疲劳强度也更高。该公司已将此钢用做机械制造碳钢、低台金钢和弹簧钢等钢种。主要制造冷锻及切削复台加工的机械零件、汽车齿轮、悬挂弹簧等要求高强度和高韧性的工件。与降低含硫量相反，提高含硫量亦可改善钢的切削性能。如硫量提高到O.08～0.12%的高硫易切削钢(有和没有硫化物形态控制)，日本汽车技术协会已列入标准。铅系易切削钢有许多优点，如铅几乎不影响钢的力学和加工性能而显著提高切削性，特别是在切削速度较低时，所以用量不断增加。但缺点是在高压面下的疲劳寿命低最近来用真空脱气处理和降低铅和氧含量等一些措施来改善。车削齿轮以高温钢车刀为主。最适合用铅易切削钢。近来将铅最降低1/2～1/3，约0．O4～0.08%。这种低铅易切削钢的疲劳性能显著改善，切削和热处理性能与原铅易切削钢完全相同，而且没有铅毒害问题，材料成本也下降，故用量急剧增加，目前正以轿车系列用齿轮等产品为中心推广应用。钢中加铅导致热加工性能变坏，故用铅易切削钢制造钢管极为困难。最近日本山阳特殊钢公司开发了超低铅易切削钢管(QL系列STKM13AQL)，特点是氧含量与原来的低氧低铅易切削钢(TL系列)处于相同水平或者更低，铅量也更低(最低0.01～0.04％)，同时调整P、S、Cu等成分，显著改善热加工性能，从而可以顺利地轧管。为消除铅引起的各种缺陷，还发展了无铅易切削钢，如含铋的高效易切削钢9SMnBi281119。化学成分()；C≤0．14，Si≤O．03，Mn=0．90一一1．3O，P≤O．100，Bi=0．08～0．20。炼钢过程中加入种特制的铋台金颗粒，使铋在钢锭各部位的浓度差别不大。其力学性能与含铅钢9SMnPb28相似，铋使硫化物球化的作用显苦。这种钢钻孔时的扭矩、车削时的比切削力、车削面的粗糙度与基础的易切削锕9SMn28相比，分别降低26，27和38。为了大量制造精密齿轮，必须有适合高速自动切削加工的齿轮钢，而且近来齿轮的工作条件更加刻苛，对机械强度也提出了更高要求。高强度的低氧钙易切削钢可满足这种要求，制造机械设备和汽车的齿轮。其成分(％)为；0．I5≤c≤O．40，Si~0．】0，Mn~0．50，P0．0l0，0．Oj0≤S≤0．030，0．5OCr2．O0，0．45Mo1．0，0．O01≤ca≤0．I，(o3≤15ppm~12]。钢中加钙既可调整晶粒度，又可减少坚硬的AI0a数量，改善切削性能当ca0．0o1时，A1。O几乎全部消失。表4给出新钢及比较钢的A1zO。残留量分析结果。切削试验表明，__新锕a；8面磨狈宽度约为钢Ba0，钢cd,350}(图4)，疲劳极限为65kgf／mm。，与铡B、c相等在坂有翳切削不锈锕中切削·h生最好的大概要算SFC3FT(0．【c一1Mn—．25S—Pb—Te系)，而最近研制t1．1l约Sfc3、TS钢坷削·性能更好(j。其代袁成分是()：0．0oC，i．20Mn，0．06P，0．SS，0．2oPb，0．04Te，另外可根据需要加入其它特殊元素。因为碳低，可省去热轧后的热处理，钢中硫化物含Tc，故几乎呈球形。其主要性能特点如下：(t)切例性显著优于SFC3FT钢。以工具磨损o．15him为准，可加ISFC3FTS钢约9000个工件，而加工SIr-'CaFT锕识有1500个，为前者的1／6(图5)，故切削速度可提高2O～30另外新钢灼研削抗力岜小(图6)，摩擦系数小(0．22，SFCaFT锕为0．30)，断屑性亦好。(3)冷加：E性能好，延性各向异性小(4】裘面硬化处理特性好(如渗碳，氨化)。与SFC3FT钢和SFC3FTS钢相近的另一种超易切削钢SFC3FT—N，代袁性成分中除含有0，5Cr和0．!V之外，其余都与SFC3I~TS锕相同。其切削性能与SFCaFT铜相当，但耐磨性和疲劳强度更好建种钢还有一个显著特点，就是氮化处理后的表面硬度和断面收缩率都有明显提高【l4]新研制的易切削不锈钢还有很多。如suI]er一304BFC~53、ASK3X00系列、aO00SN、ASk一3000FL、0300T、350OT钢(167等。L述这些易四削不锈钢性能各有特点，可适应各种不同需要，用量正在不断增加。易翱削锕另一个值得重视的新发展动向就是非调质易切削钢的研究与应用这类锕既有良好的切削性能，又因为控制轧制的加热温度，变形曩、终轧温度，冷却速度等，得到细小的晶粒和昕需的转变组织而达到强化的目的，可省略常规的调质处理日本、美属、西德等在这方面都做了大最工作，研究出一些新钢号。例如日本爱知钢厂[18J和神户钢厂[19)的易切削非调质钢钢号及化学成分：于裘6。由i述情况r以看出易切削锕的发展与冶金生产技术、设备和工艺的进步具有密切的关系，今后易切削钢的发展依然要借助于这种关系。易切削钢枉汽车零{I【=上tilt匣用扩大了它的用途和产量，已经收到很好的效果，这方面的用今后还将不断扩大。但大型汽车齿轮的负荷很大，要求更高的强度和疲劳性能，为此还应当研究这些性能更好的新易切削钢。在满足日益多样化用途方面，今后将发展各种性能优良的易切削钢，特别是复台易切削钢。非凋质钢用做易切削钢是大有发展前逮的，今后的问题是如何提高强度和韧性，特别是韧性，并扩u大嚏用范围。加强易切削锕的理论研究也是今后的⋯项任务，如切削性与力学性能、疲劳性能及工艺性能(冷锻、热处理)的关系，硫化物变形的控制因素和实际应用，各种元素(S、Pb、Ca等)改善切削性能的本质和机理等。