不锈钢因其高强度、高韧性以及卓越的耐热和耐腐蚀性，在工程领域应用广泛。然而，正是这些使其备受青睐的物理和力学性能，也在制造过程中带来了巨大挑战。从切削加工的角度来看，由于不锈钢具有严重的加工硬化倾向、大切削力以及低热导率，通常被认为是一种难加工材料。
加工性能概述
加工性是指金属材料接受切削加工的难易程度。一旦建立正常切削，金属加工性将根据工件的表面粗糙度、切削速度和刀具磨损程度进行评估。
加工性是一个复杂的表层现象，涉及摩擦以及高速下的弹性与塑性变形。因此，切削的难易程度和加工结果的质量与许多因素相关：
- 刀具材料与几何形状。
- 工件材料的切削性能。
- 加工过程中切削液的存在及其特性。
- 切削类型与条件。
在其他条件恒定的情况下，最容易切削的金属应该是：在获得最满意的表面粗糙度的同时，能够实现最大切削速度、最小刀具磨损和最低能耗的金属。在大多数情况下，切削的主要要求是高速度和长刀具寿命；但在某些情况下，对表面光洁度的要求则更为严苛。
确定加工性能性的方法
- 在给定切削速度下，比较切削不同金属时同一刀具的寿命。
- 在相同的压力、转速和时间内，比较钻入不同金属的深度。
- 通过切削一定体积的不同金属所消耗的能量或散发的热量来比较加工性。
这些方法未考虑加工零件的表面粗糙度；它们仅利用切削的难易程度对金属的加工性进行相对比较。
金属加工性是一项非常复杂的工艺特性，与金属的其他性能相关。首先，我们应该了解金属难加工的原因：
- 当硬度或强度过高时，切削消耗的能量很大；当速度增加时，产生的热量极易使刀刃软化，使切削变得非常困难。
- 高塑性的软金属在切削过程中容易产生积屑瘤（BUE）并粘附在刀刃上，这会增加切削难度并提高表面粗糙度。
- 易产生加工硬化的金属难以切削，如高碳钢、高锰耐磨钢和奥氏体不锈钢。含有硬质第二相（如碳化物和氧化物）的金属难以切削，它们会轻易磨损刀刃。
其次，我们应该了解什么样的组织结构使金属易于切削。如果不溶于基体的第二相具备润滑性或能增加材料的脆性，则可以提高加工性。例如，石墨、铅和铋可以增加切削时的润滑效果；脆性硫化物和磷化物（如钢中的 MnS 和 Fe3P）可以使切屑更容易折断。
改善加工性能的途径
- 使硬金属软化（回火或退火）。
- 使过软的金属硬化（冷加工、晶粒细化、正火）。
- 减少硬质第二相（提高冶炼质量，减少夹杂物）。
- 改善硬质第二相的分布（退火或正火）。
- 添加改善切削性能的第二相元素（Pb、Bi、石墨、MnS、$Fe_3P$ 等）。
最后一种方法（5）可以生产出具有极佳加工性、适用于自动机床的合金，因此被称为易切削钢和易切削合金。
某些影响加工性的物理和力学性能对显微组织不敏感，因此很难通过改善组织来改变。这些性能包括热膨胀系数、热导率和基体金属的弹性模量。
不锈钢切削概述
不同类型不锈钢的加工性能各异，且差异显著。一般来说，不锈钢的加工性比其他钢材差。例如，与碳钢相比，奥氏体不锈钢的加工性最差。这是由奥氏体不锈钢严重的加工硬化和低热导率造成的。为此，加工过程中必须使用水基切削冷却液以减少热变形。特别是当焊后热处理不当时，无论如何提高切削精度，变形都难以避免。其他类型不锈钢（如马氏体和铁素体不锈钢）的加工性，只要不在淬火后切削，与碳钢并没有显著差异。然而，对于马氏体和铁素体类型，碳含量越高，加工性越差。沉淀硬化不锈钢由于组织和处理方式的不同而表现出不同的加工性能，但通常在退火状态下，其加工性基本与同系列、同强度的马氏体和奥氏体不锈钢相同。
不锈钢被广泛使用是因为它们具有特殊的耐热和耐腐蚀性能，以及高强度和高韧性。在许多应用中，一种金属材料切削另一种金属的能力由它们的加工性决定。所有的不锈钢都可以进行机械加工。不锈钢的加工性与其物理和力学性能一样，表现出极大的差异。
通常，不锈钢是指铬含量超过 11.5% 的铁基合金。为了达到所需的耐腐蚀性和/或力学性能，可以添加碳、镍、锰、硅、铝、钛、铌和其他合金元素。
基于可加工性的不锈钢分类
根据显微组织和热处理条件进行分类是最常用的方法。这将所有不锈钢分为三类：可硬化（马氏体）、不可硬化（铁素体）和奥氏体。每一类都包括一些易切削等级。
可硬化不锈钢
该组由可通过热处理硬化的 400 系列钢组成。易切削等级包括：不锈钢 416、420F 和 440F。具有一般加工性的等级包括 403、410、420、431、440A、440B 和 440C。这些都是马氏体钢，在退火状态下具有磁性，并能通过淬火和回火达到各种强度水平。最容易加工的是 416，而最困难的是 440C，因为其高碳含量会导致严重的刀具磨损。
不可硬化不锈钢
该组包括不能通过热处理显著硬化的 400 系列钢。它们在退火状态下呈铁素体组织且具有磁性。易切削等级包括 430F；具有一般加工性的等级包括 405、430 和 446。
奥氏体不锈钢
这些是铬镍 300 系列钢，最近扩展到包括一些铬镍锰 200 系列钢。它们在退火状态下呈奥氏体组织，基本无磁性，且不能通过热处理硬化。然而，大多数具有极高的加工硬化率——远高于铁素体和马氏体钢。易切削等级包括 303 和 303Se。标准等级包括 201、202、301、302、304、305、308、309、310、316、317、321、347 等。奥氏体钢比大多数马氏体或铁素体钢更难加工。它们在退火状态下具有粘性，除非使用特殊技术，否则会产生纤维状切屑。高加工硬化率也增加了切削难度。
不锈钢 CNC 加工的特性
不锈钢的加工性比中碳钢差得多。如果 45 钢含量为基准（100%），则奥氏体 321 为 40%；铁素体 10Cr28 为 48%；马氏体 420 为 55%。奥氏体和奥氏体+铁素体等级最差。特征包括：
严重的加工硬化
在奥氏体和奥氏体+铁素体钢中最为突出。硬化后的强度可达 1470–1960 MPa。屈服极限从退火状态的 30%–45% 上升到硬化后的 85%–95%。硬化层深度可达切削深度的 1/3 或更多，硬度是原始硬度的 1.4–2.2 倍。这是由于高塑性、晶格畸变以及奥氏体在应力下向马氏体转变造成的。
大切削力
高塑性（尤其是奥氏体，其延伸率是 1045 钢的 1.5 倍）增加了切削力。加工硬化和高热强度进一步增加了阻力并使断屑变得困难。06Cr18Ni11Ti 的单位切削力为 2450 MPa，比 1045 钢高 25%。
高切削温度
剧烈的塑性变形和摩擦产生大量热量。结合低热导率（1/4 到 1/2 归因于 1045 钢），热量集中在切削区。在相同条件下，321 的温度比 1045 钢高出约 200°C。
切屑难以折断
高塑性和韧性导致产生连续的切屑，可能会划伤表面。对其他金属的高亲和力会导致粘刀和产生积屑瘤，从而加剧刀具磨损和表面撕裂。
刀具磨损
亲和力引起粘结磨损和扩散磨损，导致刀具表面产生月牙洼和微崩刃。钢中的硬质碳化物颗粒也会引起磨料磨损。
线膨胀系数高
约为碳钢的 1.5 倍。在切削热的作用下，工件发生热变形，使尺寸精度难以控制。
在各种加工设备中，自动车床将不锈钢棒料加工成无数零件的效率极高。
不锈钢加工注意事项：
- 刀具应具有刚性、先进性并具有高过载能力。最好在低于机床额定功率 75% 的水平下进行切削。
- 工件和刀具必须夹紧牢固。刀具悬伸应尽可能短；如果需要，使用额外支撑。
- 始终保持刀具锋利（高速钢或硬质合金）。定期修磨；不要等到非磨不可时再处理。
- 使用高性能润滑剂，如氯化石油脂。这对于慢速进给的重型切削非常有效。对于高速精加工，用煤油稀释以保持低温。
- 特别注意铬镍奥氏体钢。采用强制切削，避免停顿以防止加工硬化和打滑。
与碳钢相比，不锈钢具有以下特征：
- 退火不锈钢的强度通常更高。
- 屈服强度与抗拉强度之间的差距更大。
- 加工硬化率更高。
- 高碳等级（440A/B/C）含有游离合金碳化物，这些碳化物会硬化基体且具有磨蚀性，从而增加磨损。
不锈钢 CNC 加工工艺
不锈钢加工的制造工艺包括 CNC 车削、铣削、磨削、钻孔等。
CNC车削
通常被视为单点切削。刀具应具有正前角。马氏体类型（420、440）需要负前角以减少磨损。奥氏体系列（200/300）倾向于加工硬化；保持强制进给且不要突然停止。使用结构刚性好的高功率车床。转塔车床上建议使用焊接硬质合金刀具。
- 粗加工进给量：0.229–0.406 mm。
- 精加工进给量：0.076–0.254 mm。
- 速度（铬钢类）：61–152 m/min。
- 速度（铬镍类）：61–122 m/min。
- 使用浓缩可溶性油混合物。
CNC铣削
高粘附和融合倾向意味着切屑会粘在刀齿上。在逆铣中，刀齿在硬化表面上滑动，增加了硬化。振动和冲击很大。
- 刀具：使用高速钢（钨钼或高钒）或硬质合金（YG8、YW2、813、798 等）。
- 几何形状：使用大螺旋角（20°–45°）。端铣刀采用 $\beta$ 35° 较好，以避免削弱刀齿。
- 方法：采用顺铣，确保刀齿平稳退出金属，且切屑被离心力抛出。
- 冷却：喷雾冷却最有效；否则，确保 10% 乳化液的全流量。
- 速度：硬质合金起始约为 24 m/min，高速钢约为 9 m/min。
CNC磨削
高韧性和热强度意味着具有负前角的磨粒难以剪切切屑。能量消耗大，温度达到 1000–1500°C，且切屑会堵塞砂轮。低热导率会导致表面烧伤或退火（深度 0.01–0.02 mm）。膨胀会导致变形，特别是薄壁零件。大多数不锈钢无磁性，需要机械夹紧，这可能会引起振动或扭曲。避免磨削不均或局部过热。
CNC 钻孔
通常使用麻花钻。对于硬化钢，使用硬质合金或超硬高速钢。扭矩大，且切屑易粘连和硬化。磨出断屑槽并减薄横刃以减小轴向力。
- 打滑/硬化：在边缘或孔上撒粉笔粉有助于切削开始。
- 钻模：保持衬套短小；保留一个钻头直径的间隙以便切屑排出。
- 速度：12–38 m/min，取决于牌号和深度。
- 进给量：0.051–0.508 mm/r。尽量减少停顿以减少硬化。
CNC攻丝
易切削等级与碳钢类似。15° 前角较好。深孔使用窄刃背丝锥以减小压力。使用具有精密磨削螺纹和抛光槽的高速钢丝锥。螺旋槽丝锥更有利于切屑控制。确保螺纹深度不超过 75%（65% 通常更好）以防止折断。对于高精度要求，先钻稍小的孔（比尺寸小 0.152–0.305 mm），攻丝前先铰孔。避免手工修磨丝锥。
- 速度：3–11 m/min。
- 润滑：粗牙螺纹用硫基油；细牙用煤油稀释油；重型攻丝用白铅粉。
加工后的清洁与钝化
为确保耐腐蚀性，必须清除不锈钢表面所有污垢和污渍。清洁的表面可以通过钝化来形成钝化膜。
- 脱脂：必须彻底，去除所有润滑剂和油脂。
- 硝酸浴：通常在 49°C 下使用 20% 浓度，持续至少 30 分钟。它能溶解铁颗粒并清理腐蚀部位。
- 调整：对于 300 系列或高铬 400 系列，在 54–71°C 下使用 20%–40% 浓度，持续 30–60 分钟。低铬 400 系列使用较低温度。用热水冲洗并立即干燥。
不锈钢加工的表面处理
与普遍观点相反，不锈钢并非完全免疫生锈，它只是相对耐腐蚀。表面一层极薄的富铬氧化膜提供了保护屏障。然而，这层膜可能会受到环境因素和机械加工的影响，如表面划痕、清洁不当、碳钢污染或焊接。这些形式的表面污染会严重破坏保护层。
因此，在不锈钢制品的制造过程中必须采取有效措施。防止腐蚀的最佳方法是通过适当的表面处理。常见工艺包括拉丝、镜面抛光、喷砂和防指纹涂层，每种工艺都提供独特的审美效果和功能优势。
镜面抛光
镜面处理本质上是利用物理或化学方法抛光不锈钢表面。抛光可以应用于整个表面或局部区域。镜面光洁度等级分为标准抛光、6K（标准镜面）、8K（精磨）和 10K（超精磨）。镜面处理提供了一种高端、简约、时尚且具未来感的审美。
喷砂
这是不锈钢加工中常见的表面处理工艺。它利用压缩空气作为动力，将磨料高速投射到工件表面，从而导致表面纹理的变化。喷砂主要用于工程和工艺优化，如增加粘接零件的附着力、去毛刺、去污以及获得哑光效果。该工艺远优于手工砂磨，能提供均匀的表面结构，且生产效率高，外观低调耐用。手工砂磨虽然可以产生粗糙表面，但速度太慢，而化学清洗往往使表面过于光滑，不利于涂层的最佳附着。
化学处理
该工艺结合了化学和电化学方法，在不锈钢表面生成一层稳定的化合物层。电镀是化学处理的一个典型例子。该方法主要依靠单一或混合酸溶液以及阳极溶液进行除鳞。随后，通过铬酸盐处理、磷酸盐处理或发黑处理生成保护膜。该工艺主要用于制造复杂图案或满足特定的复古或现代设计要求。
着色
表面着色工艺可以为不锈钢提供各种颜色，使金属更具活力。除了视觉吸引力外，着色还能有效提高产品的耐磨性和耐腐蚀性。常见的着色方法包括化学着色、电化学氧化着色、离子沉积氧化着色、高温氧化着色和气相热解着色。
拉丝
金属拉丝是一种常见的装饰方法。它可以产生几种纹理，包括直线纹、螺纹纹、波纹纹、乱纹和旋转纹。拉丝表面的特点是触感舒适、光泽细腻且耐磨性强。这种处理广泛应用于电子设备、家用电器和机械设备中。
喷涂
不锈钢喷涂与上述着色工艺有实质性区别。根据所使用的材料，某些油漆实际上可能会损坏不锈钢的氧化层。喷涂可以支持不同的颜色，并且可以利用不同类型的涂层来改变不锈钢表面的触感。