Обработка резанием — основной способ изготовления большинства деталей машин и приборов. С улучшением обрабатываемости стали растет производительность их обработки. Особое значение это имеет для массового производства, где широко применяют автоматические линии.
Обрабатываемость оценивается несколькими показателями, главный из которых — интенсивность изнашивания режущего инструмента. Количественная характеристика этого показателя — максимально допустимая скорость резания, соответствующая определенной величине износа или заданной стойкости инструмента. К дополнительным показателям относятся: чистота поверхности резания, форма стружки и легкость ее отвода.
Обрабатываемость стали зависит от ее механических свойств, теплопроводности, микроструктуры и химического состава.
Связь между обрабатываемостью и механическими свойствами неоднозначная. Допустимая скорость резания снижается с увеличением твердости и прочности стали, поскольку увеличиваются усилия резания и температура нагрева инструмента, вызывающая разупрочнение его режущей кромки и снижение стойкости. Между тем обработка слишком пластичных сталей затруднена вследствие образования сплошной трудноломающейся стружки, которая, непрерывно скользя по передней поверхности инструмента, нагревает и интенсивно изнашивает ее. Кроме того, на режущей кромке инструмента из-за налипания металла возникает нарост, в результате чего поверхность получается шероховатой с задирами.
Особенно плохой обрабатываемостью отличаются аустенитные стали, которые кроме высокой пластичности и вязкости имеют пониженную теплопроводность. Выделяющаяся при их обработке теплота концентрируется в зоне резания, снижая стойкость инструмента.
Повышение обрабатываемости резанием достигается технологическими и металлургическими приемами. К технологическим относятся термическая обработка и наклеп. Заготовки среднеуглеродистых сталей подвергают нормализации, так как она формирует наиболее благоприятную, с точки зрения обрабатываемости, структуру, состоящую из феррита и пластинчатого перлита. Нормализацию проводят с высоких температур нагрева для укрупнения зерна, что несколько увеличивает допустимую скорость резания.
Обрабатываемость низкоуглеродистых сталей повышают холодной пластической деформацией, которая, снижая пластичность сталей, способствует получению сыпучей, легкоотделяющейся стружки.
Более эффективны металлургические приемы, предусматривающие введение в конструкционную сталь серы, селена, теллура, кальция, изменяющих состав и количество неметаллических включений; свинца, создающего собственные
металлические включения; фосфора, изменяющего свойства металлической основы.
Эти добавки и образуемые ими включения создают как бы внутреннюю смазку, которая в зоне резания снижает трение между инструментом и стружкой, а также облегчают ее измельчение.
Стали с увеличенным содержанием серы или дополнительно легированные указанными выше элементами относятся к так называемым автоматным сталям. В соответствии с ГОСТ 1414-75 эти стали маркируют буквой А (автоматная), присутствие свинца обозначает буква С, селена - Е, кальция - Ц; двухзначная цифра после букв А, АС или АЦ среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Автоматные сернистые стали А11, А12, А20, А30, А35, А40Г являются углеродистыми, содержат 0,08-0,30%S и 0,05-0,15%Р. Для того чтобы не проявлялась красноломкость, в них увеличено количество марганца 0,70-1,55%.
Сера образует большое количество сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки. Сульфиды оказывают смазывающее действие. Кроме того, нарушая сплошность металла, они вместе с фосфором, повышающим хрупкость феррита, облегчают отделение и измельчение стружки. Отсутствие налипания металла на инструмент способствует получению гладкой блестящей поверхности резания. Вместе с тем повышенное количество серы и фосфора снижает качество стали. Автоматным сернистым сталям свойственна анизотропия механических свойств - пониженные вязкость, пластичность и особенно сопротивление усталости в поперечном направлении прокатки. Это обстоятельство, а также низкая коррозионная стойкость ограничивают их применение для изготовления ответственных деталей машин. Стали А11, А12, А20 используют для крепежных деталей, а также малонагруженных деталей сложной формы, к которым предъявляются требования высокой точности размеров и чистоты поверхности. Стали А30, А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие напряжения.
Автоматные свинцовосодержащие (0,15-0,35%Рb) стали подразделяют на углеродистые с повышенным содержанием серы АС14, АС40 и легированные, среди которых имеются низкоуглеродистые АС12ХН, АС20ХГНМ и сренеуглеродистые АС30ХМ, АС38ХГМ. По обрабатываемости эта стали заметно превосходят сернистые. Свинец не растворяется в стали и находится в виде дисперсных частиц, которые вместе с сульфидами действуют как энергичные измельчители стружки. Кроме того, от теплоты резания свинец плавится, «выпотевает» - растекается в виде пленки по обрабатываемой поверхности, эффективно снижая трение между инструментом и деталью.
Введение свинца повышает скорость резания на 30-40% без снижения стойкости инструмента и в 2-7 раз увеличивает стойкость инструмента при сохранении принятой скорости резания.
Свинец не ухудшает прочностных свойств, вызывая некоторую анизотропию пластичности и вязкости. Свинцовосодержащие стали широко применяют на автозаводах для изготовления многих деталей двигателя.
Автоматные селеносодержащие стали подразделяют на углеродистые А35Е, А45Е и хромистую А40ХЕ. Они содержат 0,04-0,10%Se и 0,06-0,12S Повышение обрабатываемости связано с образованием селенидов и сульфоселенидов. Они обволакивают твердые оксидные включения и, тем самым, устраняют их истирающее действие. Кроме того, селениды сохраняют глобулярную форму после обработки давлением,
поэтому практически не вызывают анизотропию свойств стали. Применение селеносодержащих сталей позволяет в 2 раза снизить расход инструмента и до 30 % повысить производительность обработки.
В отличие от серы селен практически не снижает коррозионных свойств. Его вводят в аустенитную хромоникелевую коррозионно-стойкую сталь. Сталь 12Х18Н10Е содержит 0,15 — 0,30% Se и по обрабатываемости приближается к простой углеродистой стали.
Автоматные кальцийсодержащие 0,002-0,008%Са стали (АЦ20, АЦ30, АЦ40Х и др.) с добавлением свинца и теллура предназначены для изготовления термически упрочненных деталей, обрабатываемых твердосплавным инструментом при высоких (100 м/мин и более) скоростях резания. Необходимость использования высоких скоростей обработки диктуется тем, что тугоплавкие кальцийсодержащие включения, образующиеся в этих сталях, способны размягчаться и проявлять смазывающее действие лишь при высоких температурах в зоне резания.