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钢的多种类型,以及您应该了解的有关 CNC 加工它们的知识

2021-12-29 阅读 2737

钢有多种形式:各种几何形状的金属板、板材、棒材和梁、管道,当然还有CNC加工钢时使用的固体原料。钢被用于如此多的应用和如此多的行业,因此有许多不同类型的钢是有意义的。但是不锈钢和低碳钢有什么区别呢?自由加工和工具钢?在本文中,您将了解许多加工钢种、以及如何成功地CNC加工钢种。


什么是钢?


钢是铁和碳合金的广义术语。碳含量(0.05%–2%(按重量计)以及其他元素的添加,决定了钢的特定合金及其材料性能。其他合金元素包括锰、硅、磷、硫和氧。碳增加了钢的硬度和强度,同时可以添加其他元素以提高耐腐蚀性或可加工性。锰的含量通常也较高(至少为0.30%至1.5%),以降低钢的脆性并提高其强度。




钢的强度和硬度是其最受欢迎的特性之一。正是它们使钢适合于建筑和运输应用,因为这种材料可以在重荷载和反复荷载下使用很长时间。一些钢合金,即不锈钢品种,耐腐蚀,这使它们成为在极端环境下工作的零件的最佳选择。


然而,这种强度和硬度也会延长加工时间,增加刀具的磨损。钢是一种高密度材料,这使得它在某些应用中过于沉重。然而,钢的强度重量比很高,这就是为什么它是制造业中最常用的金属之一。


钢材种类


让我们讨论一下许多类型的钢材。作为钢,碳必须加入铁中。不过,碳的含量会有所不同,从而导致其性能发生很大变化。碳钢通常是指不锈钢以外的钢,并通过钢的4位等级来识别,更广泛地说是低碳钢、中碳钢或高碳钢。


低碳钢:碳含量低于0.30%(按重量计)


中碳钢:含碳量为0.3–0.5%


高碳钢:0.6%及以上


钢的主要合金元素由四位等级中的第一位数字表示。例如,任何1xxx钢,如1018,都将以碳作为主要合金元素。1018钢含有0.14–0.20%的碳和少量的磷、硫以及锰。这种通用合金通常用于加工垫片、轴、齿轮和销。




易加工等级的碳钢经过再磷化和再磷化处理,使切屑破碎成更小的碎片。这可以防止长或大的切屑在切割时与刀具纠缠在一起。易加工钢可以加快加工时间,但可能会降低延展性和抗冲击性。


不锈钢


不锈钢含有碳,但也含有约11%的铬,这增加了材料的耐腐蚀性。更多的铬意味着更少的生锈!添加镍还可以提高防锈性和抗拉强度。此外,不锈钢具有良好的耐热性,适用于极端环境中的航空航天和其他应用。


根据金属的晶体结构,不锈钢可分为五种类型。这五种类型为奥氏体、铁素体、马氏体、双相和沉淀硬化。不锈钢等级用三位数而不是四位数来标识。第一个数字代表晶体结构和主要合金元素。


例如,300系列不锈钢是奥氏体铬镍合金。304不锈钢是最常见的等级,也被称为18/8,因为其铬含量为18%,镍含量为8%。303不锈钢是304不锈钢的自由加工版本。硫的加入降低了其耐腐蚀性,因此303型不锈钢比304型更容易生锈。


不锈钢可用于广泛的行业。316型不锈钢经适当加工后可用于医疗设备,如机器和管道中的阀门部件。316不锈钢还用于加工螺母和螺栓,其中许多用于航空航天和汽车工业。303不锈钢用于齿轮、轴和其他飞机和汽车所必需的部件。




工具钢


工具钢用于制造各种制造工艺的工具,包括压铸、注塑、冲压和切割。有许多不同的工具钢合金可用于不同的应用,但它们都以其硬度而闻名。每一个都能经得起多次使用的磨损(用于注塑成型的钢模具可以经得起一百万次或更多的材料),并且具有耐高温性。


工具钢的一个普遍应用是注塑模具,它是由硬化钢CNC加工而成,以生产最高质量的生产零件。通常选择H13钢是因为其良好的热疲劳性能——其强度和硬度能够承受长期暴露在极端温度下。H13模具非常适合于具有高熔化温度的先进注塑材料,因为它比其他钢材提供更长的模具寿命–500000到100万次。同时,S136是不锈钢,模具寿命超过一百万次。这种材料可以抛光到最高水平,并用于需要高光学清晰度的零件的特殊应用。




钢材处理


钢的一些最有用的特性来自额外的处理和加工步骤。这些方法可以在加工前进行,以改变钢材的性能,使钢材更易于加工。请记住,加工前硬化材料会延长加工时间并增加刀具磨损,但钢可以在加工后进行处理,以增加成品的强度或硬度。这就是说,重要的是要预先考虑任何计划的治疗,你需要应用,以实现必要的属性为您的零件。


热处理


热处理是指几个不同的过程,涉及操纵钢的温度以改变其材料性能。一个例子是退火,它用来降低硬度和增加延展性,使钢更容易加工。退火过程缓慢地将钢加热到所需温度,并保持一段时间。所需的时间和温度取决于特定的合金,并且随着碳含量的增加而降低。最后,金属在熔炉中缓慢冷却或被绝缘材料包围。


正火热处理可消除钢中的内应力,同时保持比退火钢更高的强度和硬度。在正火过程中,钢被加热到高温,然后风冷以获得更高的硬度。


淬火钢是另一种热处理工艺,你猜对了,它使钢硬化。它也会增加强度,但也会使材料更脆。硬化过程包括缓慢加热钢,在高温下浸泡,然后将钢浸入水、油或盐水溶液中快速冷却。


最后,采用回火热处理工艺来减轻淬火钢的脆性。回火钢与正火几乎完全相同:缓慢加热,使其处于选定的温度,然后对钢进行空气冷却。不同之处在于,回火温度低于其他工艺,这降低了回火钢的脆性和硬度。


沉淀硬化


沉淀硬化提高了钢的屈服强度。某些等级的不锈钢名称中可能包含PH值,这意味着它们具有沉淀硬化特性。沉淀硬化钢的主要区别在于它们含有额外的元素:铜、铝、磷或钛。这里有许多不同的合金。为了激活沉淀硬化性能,钢被成形为最终形状,然后进行时效硬化处理。时效硬化过程在较长时间内加热材料,使添加的元素沉淀,形成不同尺寸的固体颗粒,从而提高材料的强度。


17-4PH(也称为630钢)是不锈钢沉淀硬化等级的常见示例。该合金含有17%的铬和4%的镍,以及4%的铜,有助于沉淀硬化。由于增加了硬度、强度和高耐腐蚀性,17-4PH用于直升机甲板平台、涡轮叶片和核废料桶。


冷加工


钢的性能也可以在不施加大量热量的情况下改变。例如,冷加工钢通过加工硬化过程使其更坚固。当金属发生塑性变形时,会发生加工硬化。这可以通过锤击、轧制或拉拔金属来实现。加工时,如果刀具或工件过热,加工硬化也会意外发生。冷加工还可以提高钢的可加工性。低碳钢非常适合冷加工。


钢结构设计注意事项


在设计钢制零件时,记住材料的独特特性非常重要。使其非常适合您的应用程序的特性可能需要额外考虑制造设计(DFM)。


由于材料的硬度,加工钢比其他较软的材料(如铝或黄铜)需要更长的时间。您需要使用正确的机器设置来优化加工质量,并最大限度地减少刀具磨损。实际上,这意味着较慢的主轴速度和进给速度,以保护您的零件和模具。




即使你不做加工本身,你仍然应该评估适合你的项目的钢种,不仅是硬度和强度,而且还要考虑可加工性的差异。例如,不锈钢的加工时间大约是碳钢的两倍。当决定不同的等级时,你也要考虑哪些属性是最高优先级,哪些钢合金是容易获得的。常用的牌号,如304或316不锈钢,有更广泛的库存尺寸可供选择,并且查找和采购所需的时间更少。

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