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来源：《金属加工（冷加工）》2017年第19期
1.概述
人们通常将铬含量超过12%或镍含量超过8%的合金钢称作不锈钢。这类钢材在暴露于大气或腐蚀性环境中时，展现出一定的抗腐蚀性能，同时在高于450℃的高温条件下，也保持着较高的强度。当钢的铬含量介于16%至18%之间时，它被称作耐酸钢或耐酸不锈钢，通常简称为不锈钢。
含铬量超过12%的钢材在与氧化性介质接触后，会因电化学反应而在表面生成一层富含铬的氧化物薄膜，这层薄膜能够有效防止金属内部遭受腐蚀。然而9cr18mov钢材，在非氧化性腐蚀介质中，这种钢材无法形成稳定的钝化层。为了增强钢材的耐腐蚀性能，人们通常采取增加铬含量或者引入能够促进钝化的合金元素，例如镍、钼、锰、铜、铌、钛、钨和钴等。这些合金成分不仅增强了钢材的耐腐蚀性，还对其内部结构及物理力学特性产生了显著改变。合金在钢中的比例各异，导致不锈钢的性能表现各异：有的具有磁性，有的则不具备；有的可以承受热处理，而有的则不能。
不锈钢在航空、航天、化工、石油、建筑以及食品机械等多个领域得到了广泛的运用。这种材料中含有的合金成分对切削加工的性能有着显著的影响，因此，文章主要对不锈钢的切削加工特性进行了深入探讨。
2.不锈钢的分类及性能
根据不锈钢的主要成分，可以划分为以铬为主要元素的铬不锈钢，以及以铬和镍为主要成分的铬镍不锈钢，这两大类。
按不锈钢的金相组织进行分类，首先有马氏体不锈钢这一类别。这类不锈钢的铬含量介于12%至18%，而碳含量则在0.1%到0.5%之间，有时甚至可高达1%。其硬度范围在170左右，抗拉强度σb在540至1之间，伸长率δ通常在10%到25%之间，热导率к约为25.12W/（m·K）。在市场上，常见的牌号包括1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18等。马氏体不锈钢经过淬火处理，能够达到较高的硬度、强度以及耐磨性能。但是，若钢中碳含量低于0.3%，则其组织结构不均匀，粘附性较强，在切削过程中容易形成积屑瘤，且断屑较为困难，切削加工性能不佳。而当碳含量介于0.4%至0.5%之间时，切削加工性能则相对较好。至于铁素体不锈钢，其含铬量通常在12%至13%之间。其硬度介于177至之间，抗拉强度σb在363至之间，伸长率δ为20%至22%，热导率к为16.7W/（m·K）。在加热和冷却过程中，组织保持稳定，不会发生相变，因此无法通过热处理来强化，只能通过变形来增强，且切削加工性能相对较优。常见的型号包括0Cr13、以及、1Cr17、以及、1Cr28等。属于奥氏体不锈钢类别。该材料的铬含量介于12%至25%之间，镍含量则在7%至20%之间，甚至可能超过20%。其硬度范围在187左右，抗拉强度σb在481左右，伸长率δ为40%，热导率к为16.33W/（m·K）。常见的牌号包括，此外还有，，，以及等。奥氏体不锈钢中镍或锰的含量较高，加热过程中组织结构保持稳定，因此淬火处理无法提升其强度。相反，可以通过冷加工方法显著增强其硬度和强度，这种硬化效果是基体硬度的1.4至2.2倍，从而在后续的切削过程中增加了难度。此外，它还具备出色的力学性能和优异的耐腐蚀性，并且不具有磁性。至于第四种类型，则是奥氏体-铁素体双相不锈钢。与奥氏体型不锈钢相仿，这类不锈钢的组织结构中亦含有一定比例的铁素体，常见的型号包括、、、、以及等。这类不锈钢内部会析出硬度极高的金属间化合物，其强度超过了奥氏体型不锈钢，但切削加工性能却相对较差。其硬度值低于某个特定数值，抗拉强度σb介于589至某个数值之间，伸长率δ在18%至30%的范围内。此外，还有沉淀硬化不锈钢。此类不锈钢因含有较高比例的铬、镍，以及极少的碳含量，并且加入了铊、铝、钛和钼等能够引发沉淀硬化的合金成分，在回火过程中这些成分会析出，形成沉淀硬化，从而赋予材料极高的硬度和强度。其硬度范围在363以上，抗拉强度σb在1138至1140之间，伸长率δ介于5%至10%之间。此外，这类钢种还具备出色的耐腐蚀特性。市场上常见的牌号包括但不限于某些型号。
3.不锈钢的切削特点
不锈钢在切削加工方面的表现不如45钢。以45钢的相对切削加工性作为基准，即Kr值为1，奥氏体不锈钢的Kr值降至0.4，铁素体不锈钢的Kr值为0.48，而马氏体不锈钢的Kr值为0.55。在这些不锈钢中，奥氏体不锈钢以及奥氏体-铁素体双相不锈钢的切削加工性能最为低下，这给切削加工过程带来了显著挑战，其具体特点包括：
切削加工导致硬化现象显著。特别是奥氏体以及奥氏体与铁素体复合型不锈钢，其硬化程度尤为严重，硬化层硬度甚至超过基体硬度1.4至2.2倍，其抗拉强度σb在1470至1之间。此类不锈钢具有良好的塑性（δ＞35%），在塑性变形过程中，晶格会发生扭曲，导致强化系数较高。此外，奥氏体结构不稳定，在切削力的作用下，部分奥氏体会转变成马氏体。
切削力显著。由于不锈钢在高温下具备较高的强度、硬度以及较大的韧性，因此在切削作业中所需的能量较多，切削阻力较大。以奥氏体不锈钢为例，在切削过程中，当温度升至700℃时，其综合力学性能甚至超过了一般结构钢。此外，切削过程中不锈钢的塑性变形较大，硬化现象亦较为严重，这些因素共同导致了切削力的增加。因此，不锈钢的切削力是45钢单位切削力的1.25倍。
切削时温度显著上升。这是因为不锈钢在切削过程中会产生较大的塑性变形，导致切屑与刀具之间的摩擦加剧。同时，不锈钢的热导率仅为45钢的三分之一至四分之一，散热效果不佳。在切削过程中，大量切削热集中在切削区域。在相同的切削条件下，切削不锈钢的温度比切削45钢时高出200℃。
切屑不易断裂且容易形成积屑瘤。不锈钢因其较高的韧性和塑性，在车削过程中，切屑会持续不断，这不仅妨碍了切削的顺畅进行，还会对已加工的表面造成损伤。在高温高压的环境下，不锈钢与其它金属的亲和力增强，容易发生粘结，进而形成积屑瘤。这种现象不仅会加剧刀具的粘结磨损，还会导致已加工表面的质量恶化。
刀具使用过程中容易出现磨损现象。这是因为不锈钢中的碳化物（TiC）形成了坚硬的颗粒，导致刀具发生严重的磨料磨损。在切削作业中，由于高温和高压的影响，切屑与刀具之间会发生粘结、扩散，以及月牙洼和氧化磨损。此外，由于切削加工硬化现象较为严重，刀具的后刀面还会出现沟纹和边界磨损。
工件在加工过程中容易出现热变形现象。这是因为不锈钢的线膨胀系数（介于15.5至16.6×10^-6之间）比碳钢的线膨胀系数（介于10.98至12.18×10^-6之间）高出1.5倍。在切削过程中产生的温度影响下，工件更容易发生热变形，从而导致尺寸精度难以得到保障。
4.不锈钢切削条件的选择
刀具材质需具备高耐热性、优良的耐磨性以及较低的不锈钢亲和度，主要分为以下两种类型：一是高速钢，普通高速钢的刀具使用寿命较短，因此应选择高性能的高速钢，例如高碳高速钢、钼系高速钢、含铝高速钢、含钴高速钢以及高钒高速钢等，这些高速钢在常温和高温下的硬度均超过普通高速钢，其刀具使用寿命可达到普通高速钢的4倍以上，具体包括如高碳高速钢、钼系高速钢、含铝高速钢、含钴高速钢和高钒高速钢等；二是硬质合金。在选用硬质合金时，应优先考虑添加TaC或NbC的钨钴类超细晶粒合金，例如YG813、YS2、YD15、YG640、YG643以及YW4等。对于涂层硬质合金，建议优先选择TiAlN涂层，因为这种材料具有极高的硬度（介于3 500至4 000HV之间），能有效降低切削过程中的粘结现象，并且能够显著提升刀具的使用寿命。
切削不锈钢时所需的刀具几何参数包括：前角。由于不锈钢硬度相对较低，强度不强，但具备较高的塑性和韧性，以及良好的热强性，因此为了降低塑性变形、切削力、切削温度以及加工硬化，需要在确保切削刃强度的条件下，尽可能选用较大的刀具前角，以便使切削刃更加锐利。针对不同类型的不锈钢，刀具的前角γ0通常在15°至30°之间，而对于马氏体不锈钢，则应选择较大的数值。在加工奥氏体及奥氏体加铁素体不锈钢时，前角需选择较小的数值。具体来说，高速钢铣刀的前角γ0应在10°至20°之间；硬质合金铣刀的前角γ0则应在5°至10°之间；铰刀的前角γ0宜为8°至12°；而丝锥的前角γ0则推荐在10°至15°范围内。至于后角，为了降低刀具后刀面与工件之间的摩擦以及减少加工硬化，建议取α0为8°至12°。高速钢铣刀分为端铣刀和立铣刀，其前角α0通常设定在12°至15°之间；而硬质合金端铣刀的前角α0则在8°至10°，立铣刀的前角α0则在10°至15°之间。此外，还需考虑主偏角、副偏角以及刀尖圆弧半径。适当减小主偏角和副偏角可以提升刀尖的强度，并有助于散热，然而，这也会导致切削过程中的径向力增加，从而容易引发振动。通常情况下，主偏角κr的范围在45°至75°之间，副偏角κr′的范围则在8°至15°之间。刀尖的圆弧半径r的范围介于0.4至1.2毫米之间。在粗加工阶段，为了提升刀尖的强度，刀具的刃倾角λs应设置为-3°至-8°。而在精加工过程中，刃倾角λs则应在0°至3°之间调整。此外，针对车削不锈钢时使用的车刀，需要合理选择断屑槽型。考虑到不锈钢的高可塑性和较大韧性，断屑槽型应被精心挑选，以避免切屑持续不断。一般情况下，全圆弧形或直线圆弧形的断屑槽是较为常见的选项。断屑槽的尺寸Bn介于3至5毫米之间，槽底圆弧半径Rn在2至6毫米范围内，槽深CBn为0.5至1.3毫米，具体可参照图1。在粗车过程中，切削深度ap和进给量f相对较大，此时断屑槽需较宽且较浅；而在精车阶段，切削深度ap和进给量f较小，断屑槽则应更窄且更深。
切削不锈钢时需注意的切削参数。这些参数对不锈钢加工过程中的硬化程度、切削力度、切削热量以及刀具的使用寿命有着显著的影响，并且同样对切削结果产生作用。首先，切削速度是一个关键因素。不锈钢的切削速度通常仅为普通钢材切削速度的40%至60%。例如，高速钢刀具的切削速度大约在12至18米每分钟之间；而硬质合金刀具的切削速度则介于40至60米每分钟。不锈钢的热导性不强，切削区域温度上升会导致刀具迅速损耗，所以切削速度不宜设定得过高。切削深度方面，由于不锈钢在切削过程中易发生硬化，为了防止在硬化层进行切削以及避免刀具快速磨损，切削深度必须超过硬化层的厚度。在粗加工阶段，切削深度应在2至5毫米之间；而在精加工阶段，切削深度则应在0.2至0.5毫米范围内。车螺纹加工与普通钢材的车削存在差异，其切削方式并非一刀光，这种做法不仅无法有效切除切屑9cr18mov钢材，还可能导致刀具在硬化的表面产生摩擦，进而损伤牙形表面，使表面粗糙度数值上升。至于进给量，这也是一个需要特别注意的因素。为了防止刀具在切削过程中对硬化层造成过度切削并加剧磨损，必须确保进给量f以及每齿进给量fz均应超过硬化层的厚度，且不得少于0.1mm/r(z)。通常情况下，f与fz的比值应在0.15至0.4mm/r(z)之间，其中fz代表每齿进给量。
切削不锈钢时使用的冷却剂。鉴于不锈钢在加工时加工性能不佳，切削时往往伴随着高温、刀具粘附、氧化以及严重的扩散磨损等问题。因此，对切削液的冷却、润滑和渗透性能提出了更高的标准。在切削作业中，宜采用含有S、P和Cl极压添加剂的极压乳化液或是极压切削油。例如，硫化油，它是一种以硫作为极压添加剂的切削油。在切削作业中，该物质能在刀具表面生成一层熔点较高的硫化物润滑层，即便在600°至1 000°的高温和1 470至1 的高压环境下也能保持稳定，展现了优异的润滑性能，同时还具备一定的冷却功能，适用于车削、铣削、钻孔、铰孔以及攻螺纹等多种加工方式。直接硫化油的组成包括98%的矿物油和2%的硫；而间接硫化油的组成则由70%至80%的矿物油、18%至20%的植物油或猪油以及1.7%的硫构成。对于混合油的处理，向硫化油中加入10%至20%的四氯化碳，或者向猪油中加入20%至30%的四氯化碳，均能有效减少不锈钢铰孔处理后的表面粗糙度。可以使用由85%至90%的含硫化油和10%至15%的煤油组成的混合油来执行铰孔作业。例如，菜籽油、豆油等植物油，因其优异的润滑效果，非常适合用于车螺纹、铰孔以及攻螺纹的操作。此外，含有S、P和Cl的极压乳化液也是一种理想选择，它具备出色的冷却、润滑和清洗功能，特别适用于不锈钢材料的粗加工和钻孔作业。还有专门的润滑剂可供选用。在攻制不锈钢螺纹时，可以选择使用MoS2油膏，亦或是将石墨粉与植物油混合制成糊状物，还可以将猪油与植物油按一定比例混合，用以攻螺纹，这些方法都能取得不错的成效。
切削不锈钢时需关注的关键点包括：铣削不锈钢时，因其硬化程度较高，宜优先选用顺铣方式，以防止刀具在硬化层上滑动，进而加剧磨损。此外，在端铣操作中，应实施不对称的顺铣技术，确保切削刃能够平稳地从工件表面脱离，减少切屑的粘附面积，并在高速旋转产生的离心力作用下将切屑甩出，防止刀具在下次切入时因冲击而受损。在加工不锈钢材料时，应确保刀具在切削过程中不滞留在表面，同时入刀和退刀动作需迅速且坚决，以防止切削面过度硬化，从而避免在下一次切削时遇到阻碍。针对不锈钢的特性及其切削特性，钻孔作业中应优先使用超硬高速钢钻头，如M2Al和M42型号，并采取低转速和大进给的方式。此外，对于常规钻型，需要修整小钻头的横刃部分，其修磨尺寸约为钻头直径的0.04倍（b≈0.04d0），这样可以有效降低钻削过程中的轴向压力。直径较大的钻头（直径不小于13毫米），应尽可能加工成图2中展示的不锈钢群钻形状。在此形状中，长度L大约等于直径d0的0.32倍，L1的长度应大于L的三分之一，半径R大约等于直径d0的0.2倍，高度h大约等于直径d0的0.04倍，宽度b也大约等于直径d0的0.04倍。这种钻头在排屑和断屑方面表现良好，应尽量使用机动进给。另外，由于不锈钢具有较高的可塑性，在切削加工过程中容易发生硬化，为了减少切削时的摩擦、挤压和硬化现象，必须确保刀具始终保持锋利状态。因此，刀具的磨损极限应当是针对普通钢材切削时的磨损极限的一半，具体而言，精加工时的磨损极限为0.1至0.3毫米，而粗加工时的磨损极限则为0.4至1.5毫米。
5.结语
不锈钢虽属不易加工的材料范畴，然而，若能深入掌握其特性与切削特性，恰当挑选切削参数，并在切削过程中留意潜在问题，便能够确保这种不易加工材料的工件加工得以顺利进行。
“刀具”约稿函
2018年金属加工（冷加工）杂志“刀具”栏目约稿如下：
刀具技术之先进性及其未来走向，刀具设计理念之卓越性与制造技艺的丰富经验，刀具类型的选择及其应用领域，实际操作中运用刀具的感悟与体会，以及刀具使用中的具体案例分析及改进措施等。
本次约稿的“刀具”专题文章聚焦于金属加工的冷加工领域，稿件一旦被采纳，将立即安排发表。官方指定的投稿平台网址如下，请点击链接进入网站，完成账户注册，并按照指示步骤提交稿件。我们热切期待作者和读者们的踊跃参与！请注意，投稿过程完全免费。
