隨著機械加工高速化、精密化、自動化的發展,特別是汽車工業、精密儀表工業和家用電器等的發展,各種精密零部件的國內國際需求越來越大。目前,Pb-S復合型易切削鋼被廣泛應用,含鉛易切削鋼具有優良的可切削加工性能,特別是具有對切削加工自動化最重要的優良的切屑處理性;但由于鉛具有毒性,對環境和身體健康危害較大,歐盟關于報廢車輛的指令中,已禁止回收含有包括鉛等重金屬的汽車零部件,隨著人們環保意識的增強,易切削鋼中鉛的替代是未來必然的趨勢。
在易切削鋼中加入0.1-0.4%的鉍,可改善鋼的切削性能。當鉍均勻分散在鋼中時,微粒鉍與切削工具接觸后熔化,起潤滑劑作用,并且使切屑斷裂,避免過熱,從而可提高切削轉速。以鉍代鉛易切削鋼進行系統的研究后發現,鉍的加入量不到鉛的加入量一半,卻達到同樣的切削性能和機加工性能。
根據含易切削元素的不同,可分為硫易切削鋼、鉛易切削鋼、鈣易切削鋼以及復合易切削鋼。根據其用途的不同,易切削鋼又分為自動機用鋼、結構用易切削鋼和特殊易切削鋼(耐熱鋼、不銹鋼、工具鋼等)。根據易切削性能的不同,又可分為一般易切削鋼,超易切削鋼等。
(1)硫易切削鋼。硫在鋼中與錳和鐵形成硫化錳夾雜,這類夾雜物能割裂基體金屬的連續性,在切削時促使斷屑形成小而短的卷曲半徑,而易于排除,減少刀具磨損,降低加工表面粗糙度,提高刀具壽命。通常鋼的被切削性隨鋼中硫含量的增多而提高。但鋼的縱向和橫向的力學性能差別大,橫向塑、韌性差,疲勞及耐蝕性能也有所降低。鋼中硫含量過高時,會導致熱脆性,對鋼的熱加工造成困難,惡化鋼的力學性能。通常硫含量為0.08%~0.30%,有的可提高到0.4%,易切削工具鋼和不銹鋼中的硫含量均應在0.06%~0.10%之間。磷多與硫復合加入鋼中,通常磷含量在0.04%~0.12%,磷固溶于鐵素體中會提高硬度和強度,降低韌性,使切屑易于折斷和排除,從而獲得良好的加工表面粗糙度,但磷含量過高會顯著降低塑性,提高硬度,反而對鋼的切削性起有害作用。
(2)鉛易切削鋼。鉛在鋼中呈細小金屬顆粒形態,均勻分布或附著于硫化物的周圍。由于鉛的熔點較低,切削時融熔滲出起潤滑作用,降低摩擦,提高切削性,但并不影響常溫力學性能。鋼中鉛含量一般在0.10%~0.35%。因為鉛的比重大,如含量過高,容易引起嚴重的偏析并形成大顆粒夾雜物,反而降低鉛對切削加工的有利作用。鉛和硫復合加入低碳結構鋼中,改善鋼材被切削的效果更為顯著。
(3)鈣易切削鋼。鋼中鈣與鋁、硅結合形成低熔點的復合氧化物(主要是CaO.Al2O3.SiO2),高速切削時,鈣系氧化物附著于切削工具表面起潤滑和減摩作用,從而提高刀具使用壽命。如果同時含硫、鉛等元素,它們的復合作用會使切削效果更好。
(4)硒、碲、鉍易切削鋼。碲、鉍含量約為0.03%~0.10%,硒的含量可達0.15%。硒以硒化物如FeSe、MnSe等形態存在于鋼中,其作用與硫相似,對于既要求高的切削性,又要求較好塑性的鋼,在鋼中加硒要比硫好。碲可單獨加入,也可與鉛或硫同時加入鋼中,形成復合夾雜物,以降低切削抗力和切削熱,使切屑容易排除,顯著提高鋼的切削性,得到良好的加工表面粗糙度,不過加碲后會使鋼的塑性、韌性稍有降低。硒和碲一般多用于合金鋼。鉍在鋼中的作用與鉛相似,呈細小的金屬顆粒夾雜物,均勻分布或附著于硫化物周圍。
易切削鋼廣泛應用于:(1)汽車、摩托車曲軸、連桿、輪轂、支桿轉向條、墊圈、齒輪制動器和齒條等零部件,例如,在我國用40CrCaS、53CaS制造汽車發動機連桿、前軸;用16MnCr、20MnCr制造齒輪;用40VS、35MnVS、48MnVS制造汽車曲軸、連桿、半軸、花鍵軸、萬向接叉;用Y5Cr21Mn9Ni4N制造發動機排氣門等零件。日本日產公司47%的鍛件采用易切削鋼,其中發動機零件占%,軸類零件占16%,傳動零件占14%。(2)機械設備:木工機械、陶瓷機械、造紙機械、玻璃機械、食品機械、建筑機械、塑料機械、紡織機械、千斤頂、液壓機等。(3)電器產品部件:電機軸、風扇軸、縫紉機軸、墊圈、連桿、絲杠等。(4)家具:特別是出口金屬家具,如茶幾、椅子、戶外家具。金屬器具:園林工具、燒烤爐網架、螺絲刀、防盜鎖等。(5)小五金零配件:如螺栓、螺釘、螺母、管接頭、彈簧座、六角釘、八角釘以及各種不同規格標準件。