易切削钢的发展与应用【荣成华金属】

易切削钢的发展与应用 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的发展，同时考虑机加工成本是制造业零部件制造成本的重要组成部分（有时甚至达到零部件制造成本的40%~60%），人们希望通过提高钢材的加工性能来降低加工成本。诸多因素促使易切削钢的产量和品种增加，质量不断提高。

1 易切削钢的发展现状

易切削钢于20世纪第一次世界大战期间在美国首次研制成功，至今已有90多年的历史。自易切削钢诞生以来，美国、英国、原苏联、日本等国相继生产和使用。在最近几十年，易切削钢以惊人的速度发展，目前全世界每年消耗易切削钢超过400万吨，但大部分由发达国家生产和消耗，其中一半以上是在美国和日本。

以日本为例，1940年开始生产和使用易切削钢，1954年的易切削钢产量为1.2万吨，1970年跃升到43万吨，1980年达到82.2万吨，1982年为102.3万吨，90年代就突破了200万吨，平均年增长率都在10%左右。近年来，在其年平均钢产量1亿吨的情况下，易切削钢产量保持在100万吨-130万吨，2013年，其易切削钢产量为103.7万吨，占特殊钢产量的6.6%。

发达工业国家经过多年的努力，易切削钢标准已自成体系，美国AISI标准中，易切削钢有31个牌号，其中，低碳钢有18个牌号，不锈钢有19个牌号。日本JIS G4808-83标准中，易切削结构钢14个牌号（其中低碳钢有9个牌号），易切不锈钢9个牌号。前苏联，在TOCT1441-75标准中，易切钢由7个发展到20个牌号，除保留有6个硫系牌号外，增加硒系3个牌号，硫铅系11个牌号。目前世界各国都在不断努力开发适应环保要求的易切钢。例如，美国一家钢铁公司和日本神户钢铁公司研制出以铋代铅的新型易切削钢，美国以铋代铅的易切削钢主要化学成分为（%）：C 0.09，Mn 1.25，P 0.09，S 0.46，Bi 0.17，日本神户对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；USS/Kobe成功研制并顺利满负荷生产了1炉200吨以锡代铅易切削钢，此外，日本爱知制钢公司还成功开发了镁硫钙三元易切削钢。根据它们的使用效果发现，均具有优良的切削性能和加工性能。

我国从1953年开始生产硫易切削钢，由于易切削钢质量要求高，生产难度大，因而造成了特殊钢厂不愿意生产和普通钢厂无能力生产局面，致使我国易切削钢需要大量进口。根据有关统计数据，2002年我国共进口易切削钢16.37万吨，而我国国内年产量仅3万吨左右。随着机械加工业的发展，尤其是汽车工业的发展，我国易切削钢需求量将快速增加。根据我国汽车产量的年增加量并以日本汽车工业用易切削钢的需求比例进行估算，2015年我国汽车产量2400万辆左右，我国易切削钢年需求量将达到40万吨-50万吨，由此可见我国易切削钢还有很大的发展空间。

我国是1954年按前苏联标准引进硫系列易切钢的，早期的YB191-75《易切削结构钢技术条件》只有Y12、Y20、Y30和Y40Mn四个硫系列易切钢的牌号。现行GB 8731-88《易切削结构钢技术条件》是在原75年标准的基础上参照原苏联标准TOCT1414-75《具有较高和高切削加工性能的结构钢》，对原引用前苏联牌号的Y12、Y20、Y30和Y40Mn的化学成分、力学性能与热处理规范等进行了调整，并增加了我国多年研制、生产与应用的比较成熟Pb-S系列易切钢（Y12Pb，Y15Pb）和Ca-S系列易切钢（Y45Ca）。这次修订使我国的易切削钢标准系列基本满足了生产与使用的要求，并基本与国际国外标准系列相当。

2 易切削钢的分类及其特性

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. Al ₂ O₃ .SiO ₂ ），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。

3 易切削钢的应用

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。