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随着机械加工高速化、精密化、自动化的发展,特别是汽车工业、精密仪表工业和家用电器等的发展,各种精密零部件的国内国际需求越来越大。目前,Pb-S复合型易切削钢被广泛应用,含铅易切削钢具有优良的可切削加工性能,特别是具有对切削加工自动化最重要的优良的切屑处理性;但由于铅具有毒性,对环境和身体健康危害较大,欧盟关于报废车辆的指令中,已禁止回收含有包括铅等重金属的汽车零部件,随着人们环保意识的增强,易切削钢中铅的替代是未来必然的趋势。
在易切削钢中加入0.1-0.4%的铋,可改善钢的切削性能。当铋均匀分散在钢中时,微粒铋与切削工具接触后熔化,起润滑剂作用,并且使切屑断裂,避免过热,从而可提高切削转速。以铋代铅易切削钢进行系统的研究后发现,铋的加入量不到铅的加入量一半,却达到同样的切削性能和机加工性能。
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。
(1)硫易切削钢。硫在钢中与锰和铁形成硫化锰夹杂,这类夹杂物能割裂基体金属的连续性,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提高。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%~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。
(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FeSe、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。
易切削钢广泛应用于:(1)汽车、摩托车曲轴、连杆、轮毂、支杆转向条、垫圈、齿轮制动器和齿条等零部件,例如,在我国用40CrCaS、53CaS制造汽车发动机连杆、前轴;用16MnCr、20MnCr制造齿轮;用40VS、35MnVS、48MnVS制造汽车曲轴、连杆、半轴、花键轴、万向接叉;用Y5Cr21Mn9Ni4N制造发动机排气门等零件。日本日产公司47%的锻件采用易切削钢,其中发动机零件占%,轴类零件占16%,传动零件占14%。(2)机械设备:木工机械、陶瓷机械、造纸机械、玻璃机械、食品机械、建筑机械、塑料机械、纺织机械、千斤顶、液压机等。(3)电器产品部件:电机轴、风扇轴、缝纫机轴、垫圈、连杆、丝杠等。(4)家具:特别是出口金属家具,如茶几、椅子、户外家具。金属器具:园林工具、烧烤炉网架、螺丝刀、防盗锁等。(5)小五金零配件:如螺栓、螺钉、螺母、管接头、弹簧座、六角钉、八角钉以及各种不同规格标准件。