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。