易切削不锈钢的种类及特征

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易切削不锈钢的种类及特征

前言
    不锈钢多用于被切削加工的机械构件，其被切削性且不说铝和黄铜，就连一般的结构钢都不如。
  
    另外，对不锈钢要求高的产品生产率，在大量生产时使用的自动旋床等机械，切削处理性也是很重要的。近年来，在要求加工精度极为严格的电子装置等构件方面，为确保尺寸精度非常需要工具磨耗量少的钢种。
- ~9 ?3 q' z" p6 p* n    易切削不锈钢就是按上述的要求加入易切削元素使切削性提高的不锈钢。本文在对一般使用的易切削元素的种类及特征说明后，还将介绍实际使用的易切削不锈钢的种类及主要用途还有其最新动向。
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    表1表示现在广泛使用的不锈钢的易切削元素及其特征。
表1
主要的切削元素的种类及特征
- K/ P6 W. g' f% n

切削元素	存在形态 ! h/ j) ?  k/ f; ~. U# L	主要利用 & J; b  ~3 x- r3 N6 `7 w( r7 i	特征 8 z. C- |- v( U) S
硫(S)	以MnS等硫化物形式存在，轧制方向伸长 , p& g1 S+ i" U: m7 y	应力集中 粘性体润滑	最一般的切削元素 ' [# z" a9 k- J) M/ F1 a! Y耐蚀性、焊接性、冷加工性、电磁特性恶化
硒(Se) : A! l6 H, u: Z+ |	以MnSe等化合物形式存在	应力集中 粘性体润滑	与硫同样的效果 耐蚀性稍有影响，对人体有害 / r( a$ [7 n5 J+ E# T
碲(Te) 8 x1 W2 ^: F/ C% a0 C	以MnTe等化合物形式存在	应力集中 液体润滑 . ~5 x2 e" ~6 P0 ]! W" N	使MnS球状化的效果大 低熔点，改善钻孔性效果好
铅(Pb)	金属单体及黏附于硫化物、氧化物 * q# k, ~8 z9 j) p& I- l	液体润滑 熔融脆化 ; i1 o0 x  b4 o! ~, E7 U" n; X( D) ?	低熔点，改善钻孔性效果好，耐蚀、冷加工、电磁特性影响小，对人有害
铋(Bi)	金属单体及附着于硫化物、氧化物	液体润滑 熔融脆化 # S& z/ _1 Y+ A, h% v2 C2 D	与Bi的效果相同 对人体的影响也小
钙(Ca) ! I2 V( W; Y  c  R! O, F	低熔点氧化物（钙铝黄长石、钙长石） , ]2 x) I6 p$ M; W" [0 Q	工具保护膜	改善超硬旋削性的效果好， 对耐蚀性的影响小 % V; s1 B1 l) x- N; ^  V& s

6 F6 y/ ], ]2 G3 q  z    S是最广泛使用的易切削元素，一般它与含在钢中的Mn结合以MnS形式存在钢中，MnS在切削加工时起到刃具与材料间的润滑剂作用，并且由于作为应力集中源提高切屑破碎使切削性得到改善。另一方面，MnS除了影响不锈钢的最大特长耐蚀性外，还使焊接性恶化。MnS的延展性大，在热轧等加工时变形，多以在加工方向细长延伸的形状存在，所以钢的压缩冷加工性也降低。
    Pd在钢中仅为数微米大小，以单独存在或附着在硫化物、氧化物等其他夹杂物的形态存在。它的熔点低，由于切削加工时的发热而软化、熔融，有效的起着润滑剂的作用。因此，对切削细的、润滑效果小的钻孔加工来说，改善特性的效果很好。另一方面，在超硬旋削加工时，由于铅使超硬刀具腐蚀，使切削性改善的效果降低。此外，还使含铅的钢种在300摄氏度以上的机械性能降低。铅对人体有害，根据产品已出台了规范铅的使用动向。
    Se和S同样形成锰的化合物MnSe，切削效果也良好。在耐蚀性方面与MnS相比影响较小，但Se本身是有害的，它与S相比使钢的热加工性更加恶化，不像硫应用得那么广泛。Te也与Mn形成化合物MnTe，并且能控制硫化物自身的形态。故切削性良好，但大量添加时效果饱和，钢的热加工性也大为降低，所以大生产的钢中，Te的加入量不得超过0.1％。此外，还有具有与铅同样效果的铋（Bi）和形成低熔点氧化物并在刀具面上形成保护层的Ca等元素也可作用易切削元素使用。
! j. N) R( H. i1 u* t: R% {1 J易切削不锈钢的种类及主要用途
表2
JIS标准中制定的易切削不锈钢的种类
# Y5 C5 E" K' c  V- \, l- G

钢种系	钢号	基础钢 $ x: F# H9 ?% F! H	主要成分(重量％)
马氏体系	SUS410F2	SUS410 / b6 P( ?$ }: W	Fe-0.1C-13Cr-(0.05~0.30)Pb
	SUS 416 / t: a; k* P3 l4 g- j	SUS410	Fe-0.1C-13Cr-≥0.15S
	SUS420F	SUS420J2	Fe-0.3C-13Cr-≥0.15S
	SUS420F2	SUS420J2 5 a3 h1 ?/ L+ O: c! A8 @) s# y* O	Fe-0.3C-13Cr-(0.05~0.30)Pb ( j3 a. ?0 o1 @; R# k
	SUS440F	SUS440C 3 ?  O6 n, F0 z& q* Y3 p	Fe-le-17Cr-≥0.15S 5 V3 l  V: G! H# P) o
铁素体系	SUS430F	SUS 430 " D2 Q' n( ?, ?) B/ l, h: O2 K* f	Fe-17Cr-≥0.15S $ s* E$ O7 P5 Q- J5 Z' K
奥氏体系 2 h& |! o9 {1 k! A6 H% I	SUS 303 - x) }7 X. R" S  i7 A  g	SUS 304 6 j5 u7 j$ `# N9 a7 y! K	Fe-18Cr-8Ni-≥0.15S + T% t- s: q$ z. S) F
	SUS303Se ( V  c7 J/ Z) P0 ?! M. d! V4 G7 s* \	SUS 304	Fe-18Cr-8Ni-≥0.15Se , `/ g: i5 b" v( c$ O. N
	SUS316F	SUS 316 ) x+ z; X# K" H$ \9 \0 a	Fe-17Cr-12Ni-2Mo-≥0.10S

    易切削不锈钢
& X8 w8 w" a5 a9 f" C( s4 Y) q    易切削不锈钢大致有两种钢种，即以不锈钢为基加入了S或Pb的制定了JIS标准的钢种和各厂家独立根据产品要求特性，单独或复合加入易切削元素而开发的钢种（以下称独立开发钢种）。JIS标准钢种如表2所示，目前共有9种，作为通用易切削钢用于各种紧固件和小型轴等。独立开发钢种根据要求存在很多种类，很难详细报导，本文将以改善切削性的钢种及重视耐蚀性的钢种为主，对其种类及用途给予介绍。
! Z, w- m* Y1 R    首先是为改善切削性的钢种，而使用的最一般的手法就是加大易切削元素量的加入，这只适合易切削成分的规格范围下限的JIS标准钢种，例如：SUS303、430的硫含量提高到0.3%以上，就是为了改善被切削性的。但是，这样单纯的提高硫含量会使耐蚀性等其他的特性降低。为此，在独立开发钢种中把各易切削元素最佳组合加入，在增加易切削元素总量的同时，把特性的恶化抑制到最低限度。使用最多的是S与Pb复合加入的钢种，在铁素体系、马氏体系为了进一步提高被切削性也有把Se、Te等组合，加入3～4种易切削元素，提高各段被切削性的钢种已在实际应用。这些独立开发的钢种，由于生产性低，总的价格高，所以多用于要求高尺寸精度、高生产性的精密加工产品。
7 g% J* Y1 b+ H; o    其次，叙述既重视耐蚀性又确保易切削性的钢种。前述的Pb、Bi、Se和Ca对耐蚀性的影响小，故在重视耐蚀性的钢种均使用这些易切削元素。在JIS标准中也于1991年制定了含Pb的马氏体系不锈钢SUS 410F2和SUS 420F2的标准。于1972年制定了含Se的奥氏体系不锈钢SUS 303Se的标准。并且还在独立开发的钢种中对铁素体系不锈钢SUS 410L、430加入了Pb，在奥氏体系不锈钢中对SUS 304加入了Pb和Se，这些钢种已被实际应用。另一方面，Pb、Se这些元素本身对人体有害，所以很难在与食品直接接触的产品方面使用。因此，开发了使用影响小的Bi的奥氏体系不锈钢，用于食品机械等部门。另外，以欧洲为中心利用Ca开发了比基础钢被切削性好的奥氏体系和马氏体系不锈钢，并作为通用材料而实用化。
9 P2 Y  W9 Q% \    在铁素体系切削不锈钢中还利用了其他电磁特性，大多咱螺线管阀和电磁传感器等产品方面使用。在这样的用途中，一般使用对电磁特性影响小的Pb。
    易切削不锈钢的最新动向
* B1 R; E+ w  L! A; R. `    为易切削不锈钢具有更高的被切削性，更好的耐蚀性这样永久追求的特性开发了新的钢种，这里对放气和无铅化记述了其具体例子。
    （1）放气的对策
    简便式硬磁盘驱动装置（HDO）为了改善逐年记录密度及小型化，使用的导线接点等用银、铜构成的构件，也是极小型细径化。过去，HDO所使用的马达衬套及套管都是使用含MnS的SUS 416 和SUS 430F。但是，当在高温、高湿等环境下时，不稳定的MnS发生化学分解，形成硫化气体即发生所谓放气现象。

    因此，担心小型细径的银、铜构件会被腐蚀。为此，采用控制化学成分，用Cr置换MnS中的Mn。提高硫化物[（Mn、Cr）S]中的含铬率，使得硫化物本身的化学稳定性提高。由于MnS中含铬量提高，虽然牺牲了某些切削性，但为了弥补这点，得到更高的切削性，开发了含Pb、Te的钢种，现在HDD用构件已实用化。
3 c+ y7 U  L) ?" G' r, @    （2）无铅化
    欧共体1998年制定的废电气电子机器再生利用（WEEE）的指令及禁止使用特定物质（RoHS）的指令中，虽然规定钢中的不纯物Pb不得超过0。3%，但在日本的汽车、家电业界等部门实际上要求不含Pb。如上所诉，Pb对耐蚀性、冷加工性和电磁特性的影响较小，作为不锈钢的易切削元素是非常有效的。与Pb同族的元素Bi虽然为代用元素的候补，但考虑到Bi本身的估计埋藏量与Pb相比非常少，并且作为目前Pb精练时的副产品生产时，暂时还是可以使用的，不过很难成为永久的对策。最近，开发了不是把S作为MnS，而是形成化学上更稳定的Ti系碳硫化物，抑制了S的耐蚀性恶化等缺点有效地代替了Pb的钢种。期待着成为下一代的易切削不锈钢。
    结束语
. b! u2 S( Z3 k" M% G( x    近年来，随着机械构件致密化的发展、也出现了要求亚微（米）水平非常高的加工精度的构件，这种高水平的加工精度，在冷加工成形时，由于微妙的残余应力的影响是很难得到满足的，因此，目前大多采用切削/研削加工成形方法，可以认为易切削不锈钢作为能够胜任这种精密加工要求的不锈钢，今后将担任着重要的任务。
    另外，由于环保意识的提高，对以往使用的易切削元素制定了法规，在不久的将来，过去的易切削不锈钢肯定不能使用，棉队这样的状况，开发使用新易切削元素的钢种也是一种手段，而为了有效地利用这些钢种，最重要的就是确保切削加工时的刀具、切削条件（切削机械）这些高技术的均衡，希望材料厂家、刀具厂家和切削机械厂家之间协作，确立有效的技术。