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第一次世界大戰(zhàn)期間(1914~1918年),美國人首先發(fā)現(xiàn)硫在鋼中對(duì)改善切削性的作用,生產(chǎn)出自動(dòng)機(jī)床用硫系低碳易切削鋼,后來英、蘇、德、日、法等國也相繼生產(chǎn)自動(dòng)機(jī)床用硫系易切削鋼并逐步使之系列化。硫系易切削鋼的產(chǎn)量大,用途廣,許多新型易切削鋼也是以硫系為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。約在1932年后,人們受到切削性異常優(yōu)越的鉛黃銅的啟發(fā),開始研制含鉛的易切削鋼。因鉛有劇毒,當(dāng)時(shí)在冶煉和安全防護(hù)等方面的技術(shù)問題還沒有解決,直到1937年美國研制出含鉛易切削鋼。1958年,日本引進(jìn)此種技術(shù)并開始研制新的鉛易切削鋼,到1975年日本公布的含鉛易切削鋼專利就有25項(xiàng)之多。前蘇聯(lián)是在70年代初才開始生產(chǎn)鉛易切削鋼。

隨著機(jī)械切削加工不斷向自動(dòng)化、高速化和精密化方向發(fā)展,對(duì)材料的切削性提出更高的要求,于是出現(xiàn)了切削性更佳的鉛一硫復(fù)合易切削鋼,又稱為超易切削鋼。此后各種鉛一硫二元和多元復(fù)合易切削鋼陸續(xù)問世。碲作為易切削元素用于易切削鋼,首先出現(xiàn)在1932年的專利中。1961年美國研制成功一種含碲易切削鋼,它是硫一鉛一碲多元復(fù)合易切削鋼,其切削性非常優(yōu)異,可與易切削黃銅比美。由于硒與碲的性能和作用相近,故經(jīng)常被交替使用或同時(shí)加入鋼中。自60年代起,人們又從另一途徑來研究改善鋼的切削性,即加入某種脫氧元素,以生成所需要的脫氧產(chǎn)物——有利夾雜,在日本將此稱為脫氧調(diào)整型易切削鋼。前聯(lián)邦德國于1964年首先提出用鈣脫氧的鈣易切削鋼專利,3年后被日本引入并正式生產(chǎn),它最適于用TiC的硬質(zhì)合金刀具,進(jìn)行高速切削,可顯著提高生產(chǎn)率,降低工具消耗。在日本已成為汽車、拖拉機(jī)制造業(yè)中用量相當(dāng)大的一種易切削鋼。從60年代后期開始,又研究了加鈦脫氧的易切削鋼。1973年日本首先發(fā)表了以鈦脫氧的鈦一硫復(fù)合易切削鋼專利,近幾年,在日本等少數(shù)國家已開始試用。

易切削鋼生產(chǎn)發(fā)展很快,品種和牌號(hào)數(shù)量不斷增加,產(chǎn)量逐漸上升。在美國、日本、英國、前聯(lián)邦德國、前蘇聯(lián)五國易切削鋼標(biāo)準(zhǔn)中,多者有31個(gè)鋼號(hào)(AISI),少者有7個(gè)鋼號(hào)(FOCT)。品種已經(jīng)擴(kuò)大到扁鋼和管易。易切削鋼產(chǎn)量以日本最多,增加速度也最快。1965年接近10萬t,到了1985年達(dá)到了100萬t左右,其中硫系占64.4%。日本生產(chǎn)的易切削鋼約有40%~46%消耗在汽車制造業(yè),產(chǎn)業(yè)機(jī)械消耗約10%,家庭用品和其他消耗約6%。中國從20世紀(jì)50年代開始生產(chǎn)硫系易切削鋼(主要是低碳自動(dòng)機(jī)床加工用鋼),1975年又審訂了易切削鋼的新標(biāo)準(zhǔn)GBl91-75。從70年代起,開始試生產(chǎn)鈣系和鈦系易切削鋼。但是對(duì)生產(chǎn)中需要特殊防護(hù),以消除公害的含鉛、硒或碲的易切削鋼,卻一直未正式生產(chǎn)。從1977年開始,中國又研究了含稀土易切削鋼。

一、硫易切削鋼

硫在鋼中與錳和鐵形成硫化錳夾雜,這類夾雜物能中斷基體金屬的連續(xù)性,在切削時(shí)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增高。但鋼的縱向和橫向的力學(xué)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(shí),會(huì)導(dǎo)致熱脆性,對(duì)鋼的熱加工造成困難,惡化鋼的力學(xué)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(yīng)在0.06%~0.10%之間.磷多與硫復(fù)合加入鋼中,通常磷含量在0.04%~0.12%,磷固溶于鐵素體中會(huì)提高硬度和強(qiáng)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(huì)顯著降低塑性,提高硬度,反而對(duì)鋼的切削性起有害作用。

二、鉛易切削鋼

鉛在鋼中呈細(xì)小金屬顆粒形態(tài),均勻分布或附著于硫化物的周圍。由于鉛的熔點(diǎn)較低,切削時(shí)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(xué)性能。鋼中鉛含量一般在0.10%~0.35%。因?yàn)殂U的比重大,如含量過高,容易引起嚴(yán)重的偏析并形成大顆粒夾雜物,反而降低鉛對(duì)切削加工的有利作用。鉛和硫復(fù)合加入低碳結(jié)構(gòu)鋼中,改善鋼材被切削的效果更為顯著。

三、鈣易切削鋼

鋼中鈣與鋁、硅結(jié)合形成低熔點(diǎn)的復(fù)合氧化物(主要是CaO·Al2O3·SiO2),高速切削時(shí),鈣系氧化物附著于切削工具表面起潤滑和減摩作用,從而提高刀具的使用壽命。如果同時(shí)含硫、鉛等元素,它們的復(fù)合作用會(huì)使切削效果更好。80年代以來隨著切削工具的改進(jìn),在鈣易切削鋼上涂有T|N涂層的工具,對(duì)于工具費(fèi)用高的滾齒刀、插齒刀等齒輪加工工具,有顯著效果。

四、硒、碲、鉍易切削鋼

碲、鉍含量約為0.03%~0.10%,硒的含量可達(dá)0.15%。硒以硒化物如FeSe、MnSe等形態(tài)存在于鋼中,其作用與硫相似,對(duì)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(dú)加入,也可與鉛或硫同時(shí)加入鋼中,形成復(fù)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(huì)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(xì)小的金屬顆粒夾雜物,均勻分布或附著于硫化物周圍。

五、其它易切削鋼

其他元素對(duì)鋼切削性的影響在易切削鋼中除上述易切削元素外,其他元素也對(duì)鋼的切削性有一定影響:

1、碳。鋼中碳含量的高低與鋼材的切削性能有關(guān)。碳含量過低,組織中會(huì)出現(xiàn)大量鐵素體,鋼的硬度和強(qiáng)度很低,切屑易粘著于刀刃上形成刀瘤,加之切屑是撕裂斷落,使切削性下降,加工表面粗糙度很高。碳量過高,組織中珠光體量增多,硬度及強(qiáng)度提高,使切削抗力增大,切削性變壞。易切削結(jié)構(gòu)鋼中碳含量以0.15%~0.25%為宜。

2、錳。鋼中錳與硫形成硫化錳夾雜,使切屑易于斷裂,改善鋼的切削性,還能消除或減弱因硫所引起的熱脆性。因此,在易切削鋼中應(yīng)保證錳含量在0.60%~1.60%之間,并保持適當(dāng)?shù)腗n/S的比值。

3、硅和鋁。硅和鋁都對(duì)鋼的切削性起有害作用。硅部分固溶于鐵素體中,提高鋼的硬度,使切削加工困難。而且硅在鋼中與氧結(jié)合形成硬度較高的氧化硅夾雜物,使刀具的磨損增加,使用壽命降低。故易切削鋼中硅含量宜低。鋁一般作為脫氧劑加入鋼中,大部分與氧結(jié)合生成細(xì)小脆硬的氧化鋁夾雜,增加刀具的磨損。硅和鋁加入鋼中還會(huì)降低鋼的氧含量,使硫化物夾雜呈細(xì)長條狀分布,惡化鋼的切削性。

4、氧和氮。氧在鋼中一般是有害的,因?yàn)樗�降低鋼的力學(xué)性能,但易切削鋼中氧含量增高,會(huì)使硫化物呈紡錘形分布,改善鋼的切削性。氮雖能提高鋼的強(qiáng)度,但增加脆性,切削加工時(shí)會(huì)形成短碎的斷屑。鋼中含微量氮(≤0.002%)時(shí)對(duì)切削性和工件表面質(zhì)量起有利作用,但含量過高時(shí),鋼的強(qiáng)化作用增大,對(duì)刀具壽命不利。

生產(chǎn)工藝易切削鋼可在各種煉鋼爐中冶煉,但低碳的硫易切削鋼宜用轉(zhuǎn)爐冶煉,硫的合金化是在盛鋼桶或熔池中加入硫或硫化鐵進(jìn)行的,所用錳鐵以低硅和低碳者為宜。如無特殊要求,應(yīng)盡量降低鋼中硅含量,以改善鋼的切削性,并要進(jìn)行充分脫氧,防止產(chǎn)生發(fā)紋。在冶煉過程中產(chǎn)生的硫、鉛等有害氣體,必須用強(qiáng)力通風(fēng)裝置排除,并應(yīng)有防治污染環(huán)境等設(shè)施處理。易切削鋼中含硫較高時(shí),會(huì)有熱脆傾向,不利熱加工,應(yīng)予注意。冷加工時(shí)力求外形尺寸精確,表面質(zhì)量良好,以改善在自動(dòng)機(jī)床上切削加工性能。