■中車北京南口機(jī)械有限公司 （102202） 鄭文虎 張明杰

摘要：本文闡述了不銹鋼的分類及性能,，分析了不銹鋼的切削特點(diǎn),，并從不同角度說明了不銹鋼切削條件的選擇依據(jù)。

1. 概述

通常,，人們把含鉻量＞12%或含鎳量＞8%的合金鋼稱為不銹鋼,。這種鋼在大氣中或在腐蝕性介質(zhì)中具有一定的耐腐蝕能力，并在較高溫度（＞450℃）下具有較高的強(qiáng)度,。含鉻量達(dá)16%～18%的鋼,，稱為耐酸鋼或耐酸不銹鋼，通稱為不銹鋼,。

含鉻量達(dá)12%以上的鋼在與氧化性介質(zhì)接觸時(shí),，由于電化學(xué)作用，表面形成一層富鉻氧化膜,，可保護(hù)金屬內(nèi)部不受腐蝕,。但在非氧化性腐蝕介質(zhì)中，不能形成堅(jiān)固的鈍化膜,。為提高鋼的耐腐蝕能力,，通常選擇增大鉻的比例或添加可促進(jìn)鈍化的合金元素，如添加Ni,、Mo,、Mn、Cu,、Nb,、Ti、W和Co等,。這些合金元素不僅提高了鋼的抗腐蝕能力,，同時(shí)改變了鋼的內(nèi)部組織和物理力學(xué)性能。其在鋼中的含量不同，對不銹鋼性能產(chǎn)生的影響不同,，有的有磁性,，有的則無磁性，有的能夠進(jìn)行熱處理,，有的則不能進(jìn)行熱處理,。

不銹鋼被越來越廣泛地應(yīng)用于航空、航天,、化工、石油,、建筑以及食品機(jī)械行業(yè)中,。其所含的合金元素對切削加工性能影響較大，文中主要對不銹鋼的切削加工進(jìn)行了分析,。

2. 不銹鋼的分類及性能

（1）按不銹鋼主要成分,，分為以鉻為主的鉻不銹鋼和以鉻、鎳為主的鉻鎳不銹鋼兩大類,。

（2）按不銹鋼金相組織分類：①馬氏體不銹鋼,。其含鉻量為12%～18%，含碳量為0.1%～0.5%（有時(shí)達(dá)1%）,。其硬度為170～217HBW,，抗拉強(qiáng)度σb為540～1 079MPa，伸長率δ為10%～25%,，熱導(dǎo)率к為25.12W/（m·K）,。常見的牌號有1Cr13、2Cr13,、3Cr13,、4Cr13、1Cr17Ni2,、9Cr18,、9Cr18MoV和30Cr13Mo等。馬氏體不銹鋼通過淬火,，可獲得較高的硬度,、強(qiáng)度和耐磨性。然而,，當(dāng)鋼中含碳量低于0.3%時(shí),，組織不均勻，粘附性強(qiáng),，切削時(shí)易產(chǎn)生積屑瘤,，且斷屑困難，切削加工性較差。當(dāng)含碳量達(dá)0.4%～0.5%時(shí),，切削加工性較好,。②鐵素體不銹鋼。其含鉻量為12%～13%,。硬度為177～228HBW,，抗拉強(qiáng)度σb為363～451MPa，伸長率δ為20%～22%,，熱導(dǎo)率к為16.7W/（m·K）,。加熱冷卻時(shí)組織穩(wěn)定，不發(fā)生相變,，所以不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,，只能靠變形強(qiáng)化，切削加工性相對較好,。常見的牌號有0C r13,、0C r17Ti、0C r13S i4N b R e,、1Cr17,、1Cr17Ti、1Cr17Mo2Ti,、1C r28以及1C r25Ti等,。③奧氏體不銹鋼。其含鉻量為12%～25%,，含鎳量為7%～20%（或20%以上）,。硬度為187～207HBW，抗拉強(qiáng)度σb為481～520MPa,，伸長率δ為40%,，熱導(dǎo)率к為16.33W/（m·K）。典型牌號有1Cr18Ni9Ti,，其他還有00Cr18Ni10,、0Cr18Ni12Mo2Ti、0 C r 1 8 N i 1 8 M o 2 C u 2 T i,、1Cr14Mn14Ni,、2Cr13Mn9Ni4以及1Cr18Mn8Ni5N等。由于奧氏體不銹鋼含有較多的鎳或錳,，加熱時(shí)組織不變,，故淬火不能使其強(qiáng)化，可通過冷加工硬化來大幅度提高強(qiáng)度和硬度,，其硬化程度為基體硬度的1.4～2.2倍,，給下一次切削帶來很大困難。其具有優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的耐腐蝕能力，無磁性,。④奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼,。與奧氏體不銹鋼相似，僅在組織中含有一定量鐵素體,，常見牌號有0Cr21Ni5Ti,、1Cr21Ni5Ti、1 C r 1 8 M n 1 0 N i 5 M o 3 N,、0 C r 1 7 M n 1 3 M o 2 N,、1C r17M n9N i3M o3C u2N、C r 2 6 N i 1 7 M o 3 C u S i N以及1Cr18Ni11Si4AlTi等,。這類不銹鋼有硬度極高的金屬間化合物析出,，強(qiáng)度比奧氏體不銹鋼高,切削加工性能比奧氏體不銹鋼更差。其硬度＜277HBW,，抗拉強(qiáng)度σb為589～736MPa,，伸長率δ為18%～30%,。⑤沉淀硬化不銹鋼,。這類不銹鋼因含有較高的鉻、鎳和極低的碳,，還含有能起沉淀硬化作用的鉈,、鋁、鈦和鉬等合金元素,，其在回火時(shí)析出,，產(chǎn)生沉淀硬化，具有很高的硬度和強(qiáng)度,。其硬度為363～388HBW,，抗拉強(qiáng)度σb為1 138～1 324MPa，伸長率δ為5%～10%,，這類鋼具有良好的耐腐蝕性能,。常見牌號有0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al等,。

3. 不銹鋼的切削特點(diǎn)

不銹鋼的切削加工性能比45鋼差,。若以45鋼的相對切削加工性Kr為1，則奧氏體不銹鋼的相對切削加工性Kr為0.4,，鐵素體不銹鋼的Kr為0.48,，馬氏體不銹鋼的Kr為0.55。其中以奧氏體和奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的切削加工性最差,，給切削加工帶來很大困難,，其特點(diǎn)如下：

（1）切削加工硬化嚴(yán)重。以奧氏體和奧氏體+鐵素體不銹鋼的加工硬化現(xiàn)象最為嚴(yán)重，硬化層的硬度比基體硬度高1.4～2.2倍,，其抗拉強(qiáng)度σb為1 470～1 960MPa,。這類不銹鋼塑性大（δ＞35%），塑性變形時(shí)晶格扭曲,，故強(qiáng)化系數(shù)大,，且奧氏體不穩(wěn)定，在切削力作用下,，部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,。

（2）切削力大。不銹鋼的高溫強(qiáng)度和硬度高且韌性大,，故在切削時(shí)所消耗的能量大,，即切削抗力大。以奧氏體不銹鋼為例,，在切削過程中溫度高達(dá)700℃時(shí),，其綜合力學(xué)性能高于一般結(jié)構(gòu)鋼。加之其在切削過程中的塑性變形大,、硬化現(xiàn)象嚴(yán)重,，增大了切削力，所以不銹鋼的單位切削力為45鋼單位切削力的1.25倍,。

（3）切削溫度高,。由于不銹鋼在切削時(shí)的塑性變形大，切屑與刀具間的摩擦大,，加之其熱導(dǎo)率僅為45鋼熱導(dǎo)率的1/3～1/4,，散熱條件差，大量切削熱集中在切削區(qū),，在相同切削條件下,，切削溫度比切削45鋼時(shí)高200℃。

（4）切屑不易折斷且易產(chǎn)生積屑瘤,。由于不銹鋼的韌性和塑性較大,，車削加工時(shí)，切屑連綿不斷,，不僅影響切削順利進(jìn)行,，還會拉傷已加工表面。在高溫和高壓下,，不銹鋼與其他金屬的親和性強(qiáng),，易產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，并形成積屑瘤,。既加劇刀具粘結(jié)磨損,，又使已加工表面發(fā)生惡化,。

（5）刀具易磨損。不銹鋼中碳化物（TiC）的硬質(zhì)點(diǎn),，使刀具產(chǎn)生劇烈的磨料磨損,。在切削過程中，受高溫,、高壓作用下的親和作用,，使切屑與刀具間產(chǎn)生粘結(jié)、擴(kuò)散和月牙洼磨損及氧化磨損,。由于切削加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重,，還會在刀具后刀面上產(chǎn)生溝紋和邊界磨損。

（6）工件易產(chǎn)生熱變形,。由于不銹鋼的線膨脹系數(shù)（15.5～16.6×10-6）是碳鋼線膨脹系數(shù)（10.98～12.18×10-6）的1.5倍,，這樣在切削溫度作用下，工件易產(chǎn)生熱變形,，尺寸精度難以保證,。

4. 不銹鋼切削條件的選擇

（1）刀具材料。應(yīng)選用耐熱性高,、耐磨性好且與不銹鋼親和作用小的刀具材料,，主要有以下兩類：①高速鋼。普通高速鋼的刀具壽命低,，應(yīng)選用高性能高速鋼,。如高碳,、鉬系,、含鋁、含鈷和高釩高速鋼,，這些高速鋼的常溫和高溫硬度高于普通高速鋼,，其刀具壽命是W18Cr4V的4倍以上。如95W18Cr4V,、W6Mo5Cr4V2Al,、W2Mo9Cr4VCo8和W12Cr4V4Mo等。②硬質(zhì)合金,。應(yīng)首先選用添加TaC或NbC的鎢鈷類超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金,，如YG813、YS2,、YD15,、YG640、YG643和YW4等,。涂層硬質(zhì)合金應(yīng)首選TiAlN和TiAlSi涂層,，這兩種材料涂層硬度高（3 500～4 000HV）,，可減小切削過程中的粘結(jié)，且刀具壽命高,。

（2）切削不銹鋼刀具的幾何參數(shù),。①前角。不銹鋼具有硬度,、強(qiáng)度較低,，但塑性高、韌性大以及熱強(qiáng)性高的特點(diǎn),。為減小塑性變形,、切削力、切削溫度及加工硬化現(xiàn)象,，在保證切削刃強(qiáng)度的前提下,，應(yīng)盡量采用較大的刀具前角，以使切削刃鋒利,。切削各種不銹鋼的刀具前角γ0=15°～30°,。對于馬氏體不銹鋼應(yīng)取大值。對于奧氏體和奧氏體+鐵素體不銹鋼前角應(yīng)取小值,。高速鋼銑刀γ0=10°～20°,；硬質(zhì)合金銑刀γ0=5°～10°；鉸刀γ0=8°～12°,；絲錐γ0=10°～15°,。②后角。為了減小刀具后刀面與工件的摩擦和加工硬化,，α0=8°～12°,。高速鋼端銑刀和立銑刀，α0=12°～15°,；硬質(zhì)合金端銑刀α0=8°～10°,，立銑刀α0=10°～15°。③主偏角,、副偏角和刀尖圓弧半徑,。減小主、副偏角可以增大刀尖強(qiáng)度,，有利于散熱,，但會使切削過程的徑向力增大，容易引起振動,。一般κr=45°～75°,，κr'=8°～15°。刀尖圓弧半徑rε=0.4～1.2mm,。④刃傾角,。在粗加工時(shí),，為了增大刀尖強(qiáng)度，刀具刃傾角λs=-3°～-8°,。精加工時(shí),，λs=0°～3°。⑤車削不銹鋼車刀的斷屑槽型,。由于不銹鋼的可塑性高,、韌性大，應(yīng)合理選擇車刀的斷屑槽型,，以防止切屑連綿不斷,。通常采用全圓弧形或直線圓弧形的斷屑槽。斷屑槽的寬度Bn=3～5mm,，斷屑槽底的圓弧半徑Rn=2～6mm,，槽深CBn=0.5～1.3mm，如圖1所示,。粗車時(shí)ap和f較大,，斷屑槽應(yīng)寬而淺；精車時(shí)ap和f較小,，斷屑槽應(yīng)窄而深,。

圖1 車削不銹鋼的斷屑槽

（3）切削不銹鋼的切削用量。切削用量對加工不銹鋼時(shí)的加工硬化,、切削力,、切削熱和刀具壽命產(chǎn)生直接影響，同時(shí)也會影響切削效果,。①切削速度,。切削加工不銹鋼的切削速度為切削一般鋼材的切削速度的40%～60%。如高速鋼刀具的切削速度vc為12～18m/min,；硬質(zhì)合金刀具的切削速度vc為40～60m/min,。不銹鋼熱導(dǎo)率較低,，切削區(qū)溫度升高會造成刀具瞬間磨損,，因此vc選擇不可過高。②切削深度,。由于不銹鋼在切削加工時(shí)硬化現(xiàn)象嚴(yán)重,，為避免在硬化層上切削和造成刀具快速磨損，切削深度應(yīng)大于硬化層厚度,。粗加工時(shí),，ap=2～5mm；精加工時(shí),，ap=0.2～0.5mm,。車螺紋與車削普通鋼材不同,，不吃刀光一刀的方式不但車不下切屑，反而會造成刀具在硬化表面上產(chǎn)生摩擦,，拉毛牙形表面,，增大其表面粗糙度值。③進(jìn)給量,。為避免刀刃在切削表面硬化層上切削和加劇刀具磨損,，進(jìn)給量f和每齒進(jìn)給量fz需大于硬化層厚度，不得小于0.1mm/r（z）,，一般為f/（fz）=0.15～0.4mm/r（z）（fz為每齒進(jìn)給量）,。

（4）切削不銹鋼的切削液。由于不銹鋼的切削加工性較差,，在切削過程中存在切削溫度高,、刀具粘結(jié)、氧化和擴(kuò)散磨損嚴(yán)重等問題,。所以對切削液的冷卻,、潤滑以及滲透等性能有更高的要求。在切削時(shí),，應(yīng)選用含S,、P及Cl極壓添加劑的極壓乳化液或極壓切削油。①硫化油,。是以硫?yàn)闃O壓添加劑的切削油,。其在切削過程中能在刀具表面形成一層高熔點(diǎn)的硫化物潤滑膜，在高溫（600°～1 000°）,、高壓（1 470～1 960MPa）下不被破壞,，具有良好的潤滑作用，并具有一定冷卻效果,，適用于車削,、銑削、鉆孔,、鉸孔和攻螺紋,。直接硫化油的配方：礦物油98%以及硫2%；間接硫化油的配方：礦物油70%～80%,、植物油或豬油18%～20%以及硫1.7%,。②混合油。在硫化油中添加10%～20%的CCl4,，或在豬油中添加20%～30%的CCl4,，對降低不銹鋼鉸孔后的表面粗糙度值有顯著效果。也可用含硫化油85%～90%,、煤油10%～15%的混合油進(jìn)行鉸孔,。③植物油,。如菜籽油、豆油等,，其潤滑性能好,，適用于車螺紋、鉸孔和攻螺紋,。④乳化液,。含S、P及Cl的極壓乳化液,，具有良好的冷卻,、潤滑和清洗作用，適用于不銹鋼的粗加工和鉆孔,。⑤專用潤滑劑,。不銹鋼上攻絲可采用MoS2油膏，或用石墨粉加植物油調(diào)成糊狀,，或用豬油與植物油混合進(jìn)行攻螺紋,，效果較好。

（5）切削不銹鋼時(shí)應(yīng)注意的問題,。①銑削不銹鋼時(shí),，由于硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，應(yīng)盡量采用順銑法,，以免在切入時(shí)在硬化層滑移后再切入,，加劇刀具磨損。在端銑時(shí),，采用不對稱順銑法,，以保證刀具切削刃平穩(wěn)地從工件中切離，切屑粘結(jié)接觸面積較小,，并在高速離心力作用下把切屑甩掉,，以避免刀齒在重新切入時(shí)，沖擊工件而損壞刀具,。②切削不銹鋼時(shí),，刀具不要在切削表面停留，入刀退刀要迅速果斷,，以免加劇切削表面硬化,，給下一次入刀切削帶來困難。③根據(jù)不銹鋼的性能和切削特點(diǎn),，在鉆孔時(shí)，應(yīng)盡量選用超硬高速鋼（M2Al,、M42）鉆頭,，采用低速,、大進(jìn)給。普通鉆型需修磨小鉆頭的橫刃b（b≈0.04d0,，d0為鉆頭直徑）,，以減小鉆削時(shí)的軸向力。大直徑（d0≥13mm）的鉆頭,，應(yīng)盡量磨成如圖2所示的不銹鋼群鉆,。其中，L≈0.32d0,，L1＞L/3,，R≈0.2d0，h≈0.04d0,，b≈0.04d0。這種鉆型排,、斷屑好,，盡量采用機(jī)動進(jìn)給。④由于不銹鋼的可塑性高,，切削加工時(shí)硬化現(xiàn)象嚴(yán)重,，為減小切削時(shí)的摩擦、擠壓和硬化現(xiàn)象,，須使刀具保持鋒利,。為此，刀具的磨損限度,，應(yīng)是切削一般鋼材磨損限度（精加工為0.1～0.3mm,，粗加工為0.4～1.5mm）的一半。

5. 結(jié)語

圖2 不銹鋼群鉆

雖然不銹鋼屬于難切削材料之一,，但只要充分了解其性能和切削特點(diǎn),，合理選擇切削條件并注意切削中的問題，就一定能把這種難切削材料工件的加工順利完成,。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓榮第，于啟勛. 難加工材料切削加工[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，1996.

[2] 鄭文虎. 難切削材料加工計(jì)算[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2008.

（收稿日期：20170615）