从易切削钢到超易切削钢的演进：无铅化替代、夹杂物工程与切削—服役性能协同机制综述

《Journal of Materials Research and Technology》：Evolution from Free-Cutting to Super Free-Cutting Steels: A Comprehensive Review

　　

易切削钢广泛用于精密零部件的高生产率加工。该综述总结了无铅或低铅易切削钢的历史发展、切削性能增强机制及近期开发策略，梳理了从再硫化含MnS钢向含Pb、Te改性、含Bi及多组分体系演进，以及易切削不锈钢并行发展的脉络。主要切削性能增强效应包括夹杂物诱导应力集中与切屑分断、界面润滑与转移层形成、液态金属辅助脆化、刀具保护性氧化膜形成，以及固溶诱导基体塑性降低。系统考察了主要易切削元素与相——包括MnS、Pb、Te、Bi、Ca、Ti、Sn、Se和P——的赋存状态与功能作用，并讨论其与服役耐蚀性、韧性和疲劳寿命之间的权衡。近期研究日益聚焦于无Pb或低Pb合金设计、多组分夹杂物工程、面向应用的牌号开发，以及三维夹杂物表征与数据驱动方法结合。未来进展取决于在明确切削规范下建立成分—凝固—夹杂物—切削性能的定量关系。

该综述围绕易切削钢（free-cutting steels，通过特定元素或夹杂物提高切削加工性的钢种）与超易切削钢（super free-cutting steels，通过复合合金化与夹杂物控制获得高切削性能的钢种）展开。研究背景是精密齿轮、轴类和螺母等零部件的高通量自动化加工需要高生产率与高表面质量，而传统含硫牌号在数控/计算机数控（NC/CNC）加工及100～300 m/min以上高速切削条件下难以兼顾切屑控制、刀具寿命和表面质量；含Pb钢虽切削性能优异，但存在毒性和环境法规限制。现有问题还包括无铅替代路线在润滑、热加工性、成本与废钢循环方面存在约束，易切削夹杂物又会损害耐蚀性、韧性和疲劳寿命，且历史与区域研究在参考材料、刀具涂层和测试标准上难以直接比较，三维夹杂物描述与宏观切削/疲劳行为之间的定量联系仍不足。研究人员因此开展跨历史与成分演进、切削性能增强机制、代表性易切削元素与相赋存状态及作用、无铅或低铅合金设计与服役性能权衡四个维度的综述，检索1920s—2026年文献并优先纳入同行评议机制研究、标准与工业技术报告，旨在为成分设计、夹杂物控制、牌号选择和定量关系建立提供系统参考。其重要意义在于归纳了从S–Pb、S–Pb–Te到含Bi多组分体系及超易切削不锈钢的演进，并指出无铅化、多组分夹杂物工程、应用专用牌号、三维表征与数据驱动研发是主要发展方向。

关键技术方法不超过250字：该综述采用文献综述与比较分析，检索1920s—2026年Google Scholar、CNKI和J-STAGE，围绕free-cutting/free-machining steels、非金属夹杂物、MnS形貌及Pb、Te、Bi、Ca、Ti、Sn、Se合金化等主题；优先采用同行评议机制研究，并辅以历史文献、国家/国际标准和工业技术报告；对合金体系、切削机制、夹杂物赋存状态及服役性能权衡进行归纳，并比较标准牌号成分与切削试验结果。

研究结果如下。1 易切削钢导论：通过体系划分与历史梳理，将易切削钢归纳为再硫化MnS型、Pb合金化型、Te/Se/Bi/Sn无铅替代型、Ca/Ti处理型及多组分复合型；历史研究表明第一次世界大战期间高S、P杂质钢意外表现出较好切削性，1920年前后美国实现再硫化低碳易切削钢商业化，日本于1940年前后开始生产研究、1958年引入Pb技术、1967年采用Ca处理、1973年开发Ti-S复合牌号，中国自1950年代起步并于1988年、2008年和2025年更新国家标准，结论是易切削钢持续向多元化合金体系和应用专用产品发展。2 超易切削钢的发展：2.1 第一代超易切削钢：以AISI 12L14为代表，通过S-Pb复合使切削性约达AISI 1212的160%，1937年Inland Steel克服Pb与钢液密度差导致的偏析并实现应用，1938年专利提出0.03%～0.50% Pb范围，随后形成12L14、11SMnPb30、SUM24L、SFC3F、Y15Pb等牌号，结论是MnS与富Pb相共同促进切屑分断并降低刀具—切屑摩擦。2.2 第二代超易切削钢：以S-Pb-Te体系为代表，Te主要通过改性MnS、降低其加工伸长而非像Pb直接润滑；ASK-2600S在厂商尺度上约达ASK-2200R的250%，1961年发现微量Te改善MnS形貌，1967年开发S-Pb加Te多组分钢并纳入12L14+Te，Daido开发SFC3FT，Akiyama开发ASK-2600；切削试验表明Te可改善刀具磨损、降低切削力并提高断屑性，但表面精加工改善并不一致。2.3 第三代超易切削钢：在S-Pb-Te基础上加Bi，SFC3FTS相对AISI 1212达约260%～300%；Bi以低熔点富Bi相或与MnS、Pb相共存，降低切削力和积屑瘤，Daido于1984年推出SFC3FTS；但Bi效果强烈依赖切削速度，低速度下较高Bi量可导致切屑变形异常和沟槽磨损，高速下热软化才显效。2.4 超易切削不锈钢的发展：为满足腐蚀环境中的高效精密加工，奥氏体型SF30Z/DSN03FA以高硫SUS303加0.10%～0.30% Pb获得最佳奥氏体切削性，铁素体型SF20T/DSR6F采用超低碳20%Cr-2%Mo基体与S-Pb-Te复合改性，马氏体型SF13、UT13/DSR16FB、SF53及无Se型SF13-E/SF53-E面向高硬度高强轴类；SUS304相对切削性约35%～45%，SF30Z可达70%以上，SF20T可达160%以上，铁素体基体应变硬化低、热扩散率高，配合夹杂物改性可在滑动主轴自动车床高速细进给下获得Ra 0.4～0.8 μm。2.5 无铅与低铅钢的发展：受RoHS、ELV等法规及豁免期限影响，研究人员总结MnS形貌控制、Te替代、Bi替代、多元素复合及Sn/Se/h-BN等路线；高硫>0.4 wt.%可促进I/III型MnS，Te通过Te/S比调控硫化物球化，约0.1 wt.% Bi加入AISI 1215可形成Bi-MnS复合相并使刀具寿命提高1.5～2.0倍、Ra由6.3 μm降至1.6～3.2 μm，但各路线均存在热加工性、成本或循环利用约束。3 切削机制与加工特性：3.1 切削性能增强机制：通过机制归纳提出五类作用，即夹杂物诱导应力集中、界面润滑、液态金属辅助脆化、刀具保护性氧化物转移层形成和固溶脆化；MnS熔点约1610 ℃，切削中不熔化而依靠高温塑性变形和转移层，Kishi发现MnS单独减摩有限，MnTe、MnSe或Pb共加显著降低刀具—切屑摩擦，Brion等表明MnS富集积屑层稳定性取决于夹杂物成分、刀具基体与切削速度。3.2 不同切削条件下的加工特性：通过切削力、刀具磨损、切削温度和表面完整性研究得出，伸长MnS更利于降低主切削力，球状MnS更利于降低后刀面磨损；Te球化可降低切削力并改善断屑但表面粗糙度变化不大；0.2 wt.% Bi在低速下导致厚切屑和沟槽磨损、高速下热软化降低切屑厚度和切削力；Pb/Bi不能阻止高速下扩散磨损，Bi钢在150 m/min和200 m/min刀具寿命分别约9200 s和5200 s，300 m/min迅速失效；h-BN可在几乎相同切削温度下降低后刀面磨损；保护性积屑层在100～400 m/min的形成依赖夹杂物与刀具化学相容性，表面质量受积屑瘤稳定性和夹杂物拔出/微撕裂影响，因此需按切削速度窗口匹配夹杂物体系。4 钢中常见易切削元素与相：4.1 MnS：作为再硫化易切削钢的主要非金属夹杂物，主要在凝固末期析出，Sims分类中I型为球状/纺锤状、II型为共晶相关且热加工后形成串状、III型为角状/块状；三维表征显示球状、枝晶、簇状、立方、八面体等形貌，结论是降低MnS伸长率、促进等轴化有利于减小各向异性并需兼顾横向力学性能。4.2 Pb：在固态铁中溶解度很低，常以0.5～5 μm球状或椭球状富Pb颗粒存在，并与MnS形成复合易切削相；0.15～0.35 wt.% Pb可在切削中于327 ℃软化/局部熔化，提供润滑并促进液态金属辅助脆化，但存在毒性限制。4.3 Te：与S同族且对Mn亲和强，赋存状态随Te含量由固溶于MnS向MnTe析出及MnTe-MnS共晶关联演化；Te作为表面活性元素降低界面能，使MnS长径比由>6降至2～4，高硫钢常用Te/S质量比0.1～0.2，低硫38MnVS中Te/S需低于0.075且13～22 ppm即可球化，过量则形成脆性MnTe并损害热加工性。4.4 Bi：固溶度有限，常以独立富Bi颗粒、附着或包裹硫化物、晶界偏聚形式存在，Bi-MnS复合相可细分微小包裹、半包裹、完全包裹、腔桥和背桥等类型；0.05～0.15 wt.% Bi可优先在MnS上析出，271.4 ℃软化/熔化降低摩擦并促进断屑，超过约0.15 wt.%则晶界偏聚和挥发损失加剧、热延性下降。4.5 其他易切削元素Ca、Ti、Sn、Se和P：Ca形成CaO-Al₂O₃-SiO₂系低熔点复合氧化物并在高速切削中形成保护膜，同时改性硫化物；Ti形成TiS和Ti₄C₂S₂细化硫化物；Se形成Mn(S,Se)固溶夹杂抑制伸长；Sn固溶于铁素体引起固溶脆化；P提高基体脆性助断屑但需限制冷脆性。4.6 服役性能与切削性—性能权衡：通过耐蚀、韧性疲劳、氢脆和部件耐磨分析得出，MnS等硫化物是点蚀优先萌生位置，II型伸长MnS串状夹杂损害横向韧性和疲劳强度，高硫SAE 4140横向疲劳强度可低约25%；在H₂或H₂S环境中伸长II型MnS促进氢致开裂，而细化等轴或复合氧化物—硫化物可形成弥散不可逆氢陷阱；部件耐磨性取决于基体硬度和热处理而非切削润滑相，因此需以球状或核—壳复合夹杂物替代粗大伸长II型MnS并控制低熔点金属晶界偏聚。5 超易切削钢趋势与展望：讨论指出未来集中于无铅/低铅替代、多元素与夹杂物工程、切削性与服役性能平衡、面向超高速高精度自动化加工的专用牌号，以及三维表征与数据驱动研发；关键挑战包括Te/Se供应、Bi/Te/Se挥发捕集、Sn/Bi废钢累积、复合夹杂物热力学与凝固偏析控制，以及建立夹杂物成分—积屑层稳定性—切屑卷曲—残余应力的定量图谱。6 结论（翻译）：（1）合金体系演进：易切削钢已从第一代S–Pb再硫化牌号（如AISI 12L14）发展到第二代S–Pb–Te硫化物改性牌号及第三代含Bi多组分体系，并伴随专用奥氏体、铁素体和马氏体超易切削不锈钢；该进展反映从单一相夹杂物增韧/脆化向面向高速自动化精密加工的多相夹杂物协同控制转变。（2）条件依赖切削机制：切削性能提升源于夹杂物诱导应力集中、液/固界面润滑、液态金属辅助脆化、保护性氧化物转移层形成和固溶脆化五种主要机制；主导机制随切削速度、温度和刀具化学而变化，例如伸长硫化物有利于降低切削力，而球状硫化物和稳定Ca-氧化物转移层在高速下更好抑制后刀面和月牙洼磨损。（3）无铅替代与性能权衡：受Pb法规限制驱动，已发展高S MnS控制、Te或Se硫化物球化、Bi或h-BN润滑、Sn/P固溶脆化和多元素复合合金化（Bi–Te–S、Bi–Sn–Te）等路线；由于有助于切屑分断的夹杂物同时会成为点蚀、疲劳裂纹和氢致开裂的起始位置，合金选择必须协同优化夹杂物形貌（抑制II型MnS串状夹杂和晶界Bi偏聚）、基体热处理、生产成本和废钢可循环性。（4）当前局限与未来方向：尽管已广泛工业应用，仍存在关键科学空白：多易切削相（如核—壳Bi–MnTe–MnS夹杂物）之间耦合的热—力学与摩擦学相互作用尚未在低速和高速切削规范下定量解耦；历史与区域研究在参考材料、刀具涂层和测试标准上的差异妨碍切削性能评级的直接定量跨比较；由非水电解或X射线CT获得的三维夹杂物网络描述符与宏观切屑分断或疲劳萌生行为之间的定量联系仍不充分。解决这些空白需要标准化加工评价方案，并结合三维夹杂物层析、热力学—动力学凝固建模和物理知情机器学习，用于下一代无Pb超易切削钢。作者为Wensheng Fu|Bin Liu|Jianxun Fu。