金属材料

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機械材料的規格及選用

學習目的

1.瞭解機械材料規格的意義。

2.瞭解常用的機械材料規格。

3.瞭解各種規格編號的意義。

4.能選擇適當的金屬材料。

 

1-1前言

 

規格(Specification)是產品需求的敘述,也是資料技術溝通的依據。為了適合某一種特別的用途,生產者當然必須促使產品能夠符合需要,這樣就有規範的存在必要。而隨著工業化程度的提高及國際間貿易往來的趨勢,產品的流通愈來愈頻繁,為了增進效率及提供產品零件的互換性,工業規格的訂定更是必然的結果。在機械材料的範疇方面,同樣的必須有一定的規格,以作為生產者及使用者依循的規範。

完備的規格應具有以下資料的敘述:

1.適用範圍(Scope):包括用途(如:板、線、管),適用尺寸等。

2.化學成分(Chemical Composition):包括各項成分元素的含量範圍或成分代號。

3.定性敘述(Quality Statement):指品質方面,例如煉鋼方式或脫氧情況。

4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化學成分範圍、物理及機械性質需求,以適應使用上經濟的理由。

5.其他需求(Other Requirment):如特殊容許差、材料表面狀況等。

現今世界各國各依其工業化的發展而有不同的工業規格,例如:美國的ANS(美國國家標準)、日本的JIS(日本工業標準)、德國的DIN(德國工業標準)等。而在針對機械材料規格方面,常用的還包括ASTM(美國材料試驗協會)、AISI(美國鋼鐵協會)、SAE(美國汽車協會)等,而我國主要則依據CNS(中國國家標準)訂定。

材料的選擇及應用是學習材料規格的重要目的,所以本章最後舉例說明,如何在產品需求及相關考慮之下,選擇適當材料。

1-2材料的規格

 

一種機械材料的規格最主要可以由:材料的種類、成份和機械性質來說明。而為了標準化起見,材料必須經由一套嚴謹的試驗規範,確保其可靠度。世界各國都有其材料試驗的標準程序,我國也不例外,例如:CNS有關材料試驗部份,其中「鋼料之檢驗通則」(CNS2608,G2018)規定:

本標準主要內容包括:適用範圍、檢驗及重驗三部分

適用範圍:本標準適用於鋼料之一般檢驗

檢驗部份:說明化學成份試驗和機械性質試驗的試片取樣及檢驗

標準方法

重驗部份:說明規格部份不合規定的試片,必須經由複驗判定

合格及不合格。

又如「非鐵金屬材料之檢驗通則」(CNS4195,H2045)中規定:

本標準主要內容包括:適用範圍、檢驗及重驗三部分

適用範圍:本標準規定非鐵金屬材料檢查一般事項

檢驗部份:規定有關外觀、尺度、化學成份試驗和機械性質試驗

的試片取樣及試驗事項

重驗部份:說明試驗結果如部份規格與規定不合,必須經由重驗

判定合格及不合格。

1-3常用的材料編號

 

一般材料的化學成份與機械性質是息息相關的,因此常用的材料編號大多是以化學成份命名為主,再輔以機械性質(如第七章部分材料的規格敘述)。由於材料範圍很廣,因此本章內容,主要以鋼鐵材料的編號為主,另外輔以部分非鐵金屬及非金屬材料來做說明。

在工業上,鋼鐵材料(包括碳鋼在內)必依其化學成份,使用一定的編號以利於選用,這是基本的認識。目前,在我國較常用的規格有三種:中國國家標準(CNS)、日本工業標準(JIS)、美國鋼鐵學會-美國汽車工程師學會(AISI-SAE)。另外德國工業標準(DIN)和美國統一標準編號(UNS)相關業界有時也會採用。而其它還有常見的各國規格名稱。

1.中國國家標準(CNS)

1)鋼鐵的規格

中國國家標準CNS是Chinese National Standard的簡寫,CNS對鋼鐵材料的編號主要依據CNS 109 G1001(公佈:民國36年3月,修訂:民國85年3月)原則上由下列三部分組成:

第一部分為材質,鋼鐵材料大部分以S(Steel鋼)或F(Ferrum鐵)

表示。

第二部分有兩種不同的表示法;

a.表示標準名稱或是製品用途。常用的有-P:Plate(薄板) 、 T:Tube(管) 、 U:Use(特殊用途)

W:Wire(線材)  F:Forging(鍛造)  C:Casting(鑄造)

         例:S P CCPlate,鋼板(冷軋)

             S UPUse Spring,彈簧用鋼

b.用於結構的鋼料(包括結構用碳鋼及合金鋼),代表主要合金元素或含碳量(結構用碳鋼時),表示含碳量時,通常以含碳量之100倍數值表示,

  例:SCM420:鉻鉬鋼,第420

             S25C:碳鋼,含碳量0.25

第三部分為該材料之種類號碼,或是最低抗拉強度、降伏強度。若是表示最小抗拉強度或最小降伏強度,通常以三位數字表示。

   例:SCM 420 表示鉻鉬鋼中編號420的材料

             STB 340 表示鍋爐及熱交換器用鋼,抗拉強度不

             低於340 N/mm2

以與合金量之表示法有所區別。常用於建築結構用等不須規定含碳量鋼料的場合。

 

註:機械結構用鋼料的符號

機械結構用鋼料使用很廣,因此CNS 2608 G2018特別在附錄2中說明適用範圍及其符號所代表的意義:

適用範圍:機械結構用碳鋼鋼料及結構用合金鋼鋼料種類符號之組成。

a.符號順序為鋼之主要合金元素、主要合金元素含量或代表值、附加符號。其中除鋼之代表符號S、碳之符號C之外。

附加符號由第一群及第二群組成,

第一群—為鋼料為改善其性質(例如切削性)所添加的特殊元素

(例)改善切削性之添加元素

 

基本鋼

附加符號

鉛添加鋼

硫添加鋼

S

鈣添加鋼

U

 

第二群—為鋼料除化學成份之外的保證特性

(例)保證特殊特性之添加符號

 

特性

附加符號

硬化能保證鋼

表面硬化用鋼

K

 

(例)

S 30 C:碳鋼,含碳量0.30﹪

S 20 C 4:碳鋼,含碳量0.20﹪第四種構造用碳鋼

S(55)C:一般構造用碳鋼,最小抗拉強度55kg/mm2

S85WMo(HS):含碳量0.85﹪的鎢鉬高速鋼

OS90C(T):以平爐煉鋼法提煉,含碳量0.9﹪的工具鋼

b.碳含量的代表值。

2)鋁及鋁合金的規格

鋁及鋁合金之種類及符號係依CNS 2068 H3021之規定,適用範圍為鍛鋁、鍛鋁合金(以下簡稱鍛鋁合金)及鑄鋁、鑄鋁合金(以下簡稱鑄鋁合金)之合金種類及鍊度符號。

鍛鋁合金之編號依其合金成分,共分1xxx~8xxx系,另有9xxx系為備用,,鑄鋁合金之規格亦分1xxx~9xxx九系,其中6xxx系為備用,這些已如第九章所述。

而所謂”鍊度”係指”製造過程中,依加工、熱處理等條件之差異所獲得機械性質之區分”。鍊度符號又分為基本符號與細分符號。基本符號為一字英文字母(大寫),細分符號為一位數字或多位數字組合並附在基本符號之後。

a.基本符號

鋁合金的鍊度基本符號分為四種。

b.細分符號

鋁合金鍊度之基本符號H及T之細分符號,依下列規定。

鍛鋁合金的編號及化學成分。

2.日本工業標準(JIS)

JIS是Japanese Industral Standard 的簡稱,JIS對於鋼鐵材料的的編號大致可分兩大類:

1)一般機械構造用碳鋼:

其材料編號方法和CNS的第一種表示法相同。

(例)S30C表示含碳量0.30﹪的機械構造用碳鋼

2)其他用途的碳鋼及合金鋼:

這一類鋼的材料編號表示法,大致可分三部分:

第一部分為材質,鋼以S、鐵以F表示,其他非鐵類如表11- 。

第二部分表示鋼製品的規格或用途,例如:K代表工具鋼、TB代

表鍋爐用鋼管、PC2代表冷軋鋼板。

第三部分為為鋼料的種別,以1,2,3來表示。

此外如果需要,可將材料的加工方法、熱處理方式等附註於後,加工方法例如:D(Drawing)抽製、G(Grinding)研磨、T(Turning)車削、Ex(Extruded)擠製。熱處理方法大多記於金屬符號之後,並在二者之間加入”-“

(例)SK2:第二種碳素工具鋼

      SKS11:第十一種切削用工具鋼

      SUH301:第301種耐熱鋼

      SUS301-1/2H:第301種不銹鋼,1/2硬質材料

3.常用的美國材料編號及規格

1)美國鋼鐵學會-美國汽車工程師學會(AISI-SAE)

AISI和SAE在1941年共同訂定鋼鐵材料的分類,以四個(或五個)數目字為記號來分類。其中

第一位數,表示鋼料的種類,如:鎳鋼為2、鎢鋼為7。

第二位數,為主要合金元素的百分值;0表示無其他合金元素。

第三、四位數(或第三、四、伍位數字)代表含碳量。

(例)

SAE1045:含碳量0.45的碳鋼,與CNS中S45C鋼料相當。

SAE4140:含碳量0.40的鉻鉬鋼,與JIS中SCM4鋼料相當。

 

鋼    種

編 號

鋼    種

編 號

碳鋼1×××耐熱鋼30×××

普通碳鋼

10××鉬鋼4×××

易削鋼(加硫)

11××

Cr(0.7﹪)

41××

錳  鋼

13××

Ni-Cr

43××
鎳鋼2×××

Ni(1.75﹪)

46××

0.50﹪Ni

20××鉻鋼5×××

1.50﹪Ni

21××

Cr(1.0﹪)

51××

3.50﹪Ni

23××

Cr(1.5﹪)

52××
鎳鉻鋼3×××鉻釩鋼6×××

1.25﹪Ni0.6﹪Cr

31××鎢鋼7×××

1.75﹪Ni1.0﹪Cr

32××鎳鉻鉬8×××

3.50﹪Ni1.5﹪Cr

33××矽錳鋼9×××

 

2)美國材料協會及美國機械工程師協會 ASTM(ASME)

ASTM是非常廣泛被採用的材料規範,它的特色主要是針對產品的特性及表現而定。ASTM表示法是以以字母+代號表示,再輔以年代之混合標示,ASME則採用了相當多的ASTM規範,並以前置S表示。

  ASTM表示法:

 

首位字母

表 示 意 義

A

鋼鐵類

B

非鐵金屬類

C

一般測試法

 

例如: ASTM A36-77a   其中A     36  –   77        a

分別表示 (鋼鐵)(結構用)(1977年)(第一次修訂)

又如: ASTM E8  代表拉伸試驗規範

ASME的表示法:

例如: ASME SA213 = ASTM A213

而同一編號又可依化學成分(Grade)加工方式(Type)成品型態(Class)來區分。Grade主要敘述其化學性質,Type指脫氧的情況,

Class:指一些其他性質。如:強度、表面光度等。

3)美國統一編號系統 UNS

UNS是Unified Numbering System 的簡稱,在1974年為ASTM及SAE 聯合制定,UNS 本身只是一種編號,而非規格,它將金屬分為17個系列編號並與原有的體系配合,例如: UNS G10XX0 = SAE 10XX,而有索引、整合、參考的意義,因此而稱統一編號系統。

4.德國工業標準(DIN)

DIN並不是英文,而是德文Deutsch Industriell Norm的縮寫,德國工業標準中鋼鐵材料的規格是在DIN 17006,補充說明在DIN 17007,1974年改為 ISO制,以 EURONORM 27-74替代。以英文字母和數字來敘述其特徵,字母規定鋼鐵種類、冶煉方法、合金材料、處理情況等、數字則規定鋼鐵材料的、含碳量、抗拉強度、主合金之成分倍數等。

(1)碳鋼

一般以碳元素標記及其含碳量表示,如 C60 表示含0.6%C的碳鋼。另外也有抗拉強度及其他表示法,例如:St50 表示抗拉強度50kg/mm2之構造用碳鋼,CK40表示含磷、硫量甚低之碳鋼,抗拉強度為40kg/mm2

(2)高級鋼料及低合金鋼

以其主要合金元素和含量為標記,但在其中第三部分含量,為避免小數點出現,表示值都己經乘上固定倍數,而以整數型態呈現,所以由編號求取實際含量時必須再除以倍數。

第一部分:含碳量

第二部分:合金元素種類

第三部分:合金元素含量

合金元素

倍數

Cr、Co、Mn、Ni、Si、W

4

Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V

10

P、S、N、Ce、C

100

B

1000

 

例如:含碳量0.34%含鉻量1%的鋼材,表示為34Cr4

依此 13CrV53 即表示含碳量0.13%,含鉻量5/4=1.25

%,含釩量3/10=0.3%

(3)高合金鋼

在標記前加上”x”,此外由於合金元素含量己高,因此不乘以倍數而直接表示。(如前述,高合金鋼通常是指合金總含量在8%以上的鋼料)

例如:含碳量0.12%的不銹鋼,含鉻量18%含鎳量8%,表示為

X12CrNi18 8

同理 X10CrNi1810 即表示含碳量0.10%的高合金鋼,含鉻量18

% 含鎳量10。

 

如果要進一步標示其特性,可以在其記號前後加上英文字母表示

例如:     M  A  St42  6  N

(1)(2)  (3) (4)(5)

其中除(3)為主標記外,(1)(2)(4)(5)分別表示:熔煉方式、產品特性、保證性能類別、熱處理情況等。

(4)鑄鐵、鑄鋼

以前置標記G代表一般鑄件,另外加上其它字母來表示種類,隨後之標示與鋼的編號相同,如表1所示。

例如:GS-C30為鑄鋼,含碳量0.30%

G-X120Mn12表示含碳量1.20%的鑄鐵,含錳量12%。

 

 

 

表1  德國工業標準DIN 之鑄鐵分類

 GS   =   鑄鋼
 GG   =   一般灰鑄鐵
 GGL  =   片狀石墨鑄鐵
 GGG  =   球狀石墨鑄鐵
 GT   =   一般展性鑄鐵
 GTS  =   展性灰鑄鐵
 GTW  =   展性白鑄鐵

1-4材料的選用

 

1-4-1 材料選擇的根據

 

材料的種類繁多,而且性質互異,因此無論鐵金屬和非鐵金屬材料,或者隨後即將討論的非金屬材料自然都有不同的應用場合。一項產品在選用材料時,會因使用場合(例如:強度的要求、環境的因素、成本的考慮等)而不同,而各種材料由於結構的不同,也有其適當的用途,因此如何使材料的應用能適材適所,就是材料選用的最大準則。本章將提出材料選擇的幾個重要考慮因素,並舉實例具體說明。

(一)材料的規格要符合使用的需求

選擇材料最基本的考慮,就在滿足產品的特性及要求,例如﹕抗拉強度、切削性、耐蝕性等。許多材料似乎都可以滿足使用的需求,但是如果選擇具有正字標記或符合國家標準的材料,例如:我國的CNS 日本的JIS 美國的ASTM、 SAE、 AISI、 UNS 德國的DIN等,由於其化學成分及機械性質都經過試驗,有一定的保證,因此品質將更有保障。

(二)材料的價格要合理

價格是選擇材料的另一個重要因素。因為優秀的材料如果價格高昂,產品的成本勢必提高,競爭力就會降低。因此如果材料不是唯一的選擇,那麼價格合理的同級材料或以開發新產品替代都是不錯的解決方案。

(三)材料的品質要一致

產品如果是單一的就不必考慮一致性的問題,但是如果是屬於大量生產的東西,材料的供應就必須穩定而且品質一定才行,否則因產品不良造成退貨或是賠償,無論是金錢及信譽的損失可能都將難以彌補,因此在選擇材料供應之初,材料品質的一致和來源的穩定性也是重要的考慮因素。

 

1-4-2 鋼鐵材料的選用

 

以上提到的是材料選用的原則。而鋼鐵材料由於在機械上使用廣泛,因此必須針對其特性考量。鋼鐵材料的選用,常遭遇的還有三個問題:(一)使用碳鋼或合金鋼(二)局部或全部淬火(三)用鑄造品或鍛造品。

碳鋼的價錢便宜,但合金鋼易於淬火、硬化深度大、抗回火軟化佳。承受的負荷則關係局部或全部淬火,負荷大的零件以全部淬火為宜,表面淬火則可承受耐疲勞及磨耗的場合。

鍛造與鑄造在製造一直是競爭不止,傳統的鑄造品雖可以製造複雜或有內孔的零件,但被認為偏析、氣孔、韌性差,鍛造品則較強韌,但鑄造技術及材料的進步,己可以達到均質、強韌,加以鑄造有一次成型的優點,因此目前鑄件佔較有利的趨勢。

 

1-4-3 應用實例

 

(一)引擎材料的選用

機械產生動力來自於引擎,常見的引擎如:空壓機、汽機車、電機原動力廠等。引擎各部份零件承受不同的負荷、溫度等工作條件,因此有不同的材料選擇考慮。以下僅以其中較重要的汽缸體、曲柄軸及進排氣閥加以說明。

1.   1.   汽缸體

汽缸由於形狀複雜,又有冷卻管路,因此只能用鑄造方式,汽缸由於要求良好強度大、耐磨、耐蝕、導熱性佳、膨脹係數低。因此灰鑄鐵就是很好的選擇,唯一問題是比重稍大。如果需要輕量化,使動力提高,就可以考慮鋁合金。唯鋁合金的磨耗性較差,這一點也要考慮。

2.   2.   曲柄軸

雖然曲柄軸的形狀也很複雜,不過也並不是非用鑄造不可,曲柄軸的受力很大,因此鍛造鋼品是傳統上的選擇,不過延性鑄鋼(球墨鑄鐵)的發展,使得鑄造品在中小型汽車上也佔一席之地。

如果使用鍛鋼,必須考慮硬化能的問題,因此常用的有鉻鉬鋼(SAE 4140)或中碳鋼SAE 1035及SAE 1050。

3.   3.   進排氣閥

進排氣門最重要的是耐高溫和耐腐蝕,尤其是排氣閥的工作溫度,往往700℃以上,而且必須承受燃料燃燒後產生的水氣和腐蝕性鉛化合物,因此採用耐熱鋼是最初的考慮,其後陸續有使用沃斯田鐵系不銹鋼或英高鎳(Inconel)者。

(二)材料的取代和新材料的選用

由於材料的改良和新材料的不斷發展,許多製品原來使用的材料,可以替代而性能更佳,價格更便宜。以日常應用來說,例如:二十年前的眼鏡框,使用白銅或鍍層,其後因為腐蝕問題而改用不銹鋼,至今更因為鈦的輕量化、高強度比且耐蝕而再度取代。

近年來由於航太工業,輕量及高強度的要求,因此在機件上鈦的使用也很廣,而外裝上,複合材料(尤其是碳纖維和玻璃纖維強化塑膠)則大量的應用。另外,為了極高速航具和太空梭的需要,工程陶瓷應用在承受高溫的部分的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。

  


1.規格(Specification)是產品需求的敘述,也是資料技術溝通的依據為了增進效率及提供產品零件的互換性,必須制定的規格,以作為生產者及使用者依循的規範。

2.在工業上,鋼鐵材料必依其化學成份,使用一定的編號以利於選用。目前,在我國較常用的規格有三種:中國國家標準(CNS)、日本工業標準(JIS)、美國鋼鐵學會-美國汽車工程師學會(AISI-SAE)。另外德國工業標準(DIN)和美國統一標準編號(UNS)相關業界有時也會採用。

3.CNS之鋼鐵材料的編號,主要由下列三部分組成:

第一部分為材質,鐵以F表示,鋼以S表示。

第二部分表示標準名稱或是製品用途或主要合金元素或含碳量(結構用碳鋼時)。

第三部分為該材料之種類號碼,或是最低抗拉強度、降伏強度。若是表示最小抗拉強度或最小降伏強度,通常以三位數字表示,常用於建築結構用等不須規定含碳量鋼料的場合。

4.AISI和SAE以四個(或五個)數目字為記號來分類。其中

第一位數,表示鋼料的種類。

第二位數,為主要合金元素的百分值;0表示無其他合金元素。

第三、四位數(或第三、四、伍位數字)代表含碳量。

鋼    種

編 號

鋼    種

編 號

碳鋼1×××耐熱鋼30×××

普通碳鋼

10××鉬鋼4×××

易削鋼(加硫)

11××

Cr(0.7﹪)

41××

錳  鋼

13××

Ni-Cr

43××
鎳鋼2×××

Ni(1.75﹪)

46××

0.50﹪Ni

20××鉻鋼5×××

1.50﹪Ni

21××

Cr(1.0﹪)

51××

3.50﹪Ni

23××

Cr(1.5﹪)

52××
鎳鉻鋼3×××鉻釩鋼6×××

1.25﹪Ni0.6﹪Cr

31××鎢鋼7×××

1.75﹪Ni1.0﹪Cr

32××鎳鉻鉬8×××

3.50﹪Ni1.5﹪Cr

33××矽錳鋼9×××

5.材料選擇的考慮因素主要有:(一)材料的規格要符合使用的需求(二)材料的價格要合理(三)材料的品質要一致



合金鋼及特殊鋼

學習目的

1.瞭解合金鋼與特殊鋼的意義。

2.認識合金鋼與特殊鋼的種類。

3.認識工具鋼的種類和用途。

4.認識耐蝕鋼的種類和用途。

5.瞭解其它特殊鋼的種類和用途。

1-1前言


碳鋼具有不錯的機械性質,能實施熱處理,而且在一般用途上都能勝任。不過在某些需求特別的場合,使用上碳鋼的性能仍嫌不足,例如:需要耐蝕的埸合、需要在高溫強度、需要更高的硬度以做為切削刀具,或是具有疲勞強度等。這些時候就必須有各種不同性質的合金鋼,例如:不銹鋼、耐熱鋼、工具鋼、彈簧鋼等,來滿足實際上的需求。由於這些合金鋼材的性質和一般鋼材並不相同,因此在市面上,許多販售合金鋼材料的地方,也稱為特殊鋼材料行。

合金鋼是指碳鋼添加一種或一種以上合金元素所形成的鋼料。通常鋼的合金元素,除碳以外,若含錳量在1.65%以上、含矽量在0.60%以上,或含銅量在0.06%以上等,就可以認定是屬於合金鋼,其它元素刻意加入碳鋼中者亦同。碳鋼如果依不同用途再加入鎳、鉻、釩、鎢、…..等元素,以達到需要的效果,就成為合金鋼。例如:微量的鉻可以使鋼具有極佳的硬化能,而12%以上時,鋼就不易腐蝕,成為耐蝕鋼。加入18%鎢、4%鉻、1%釩時即為高速鋼。

除用途外,合金鋼也可依加入元素種類來區分。由於任何鋼中均含鐵、碳兩種元素,因此,如再加入一種元素即稱為三元鋼,例如:鎳鋼、鉬鋼等。加入二種元素稱為四元鋼,例如:鎳鉬鋼,其餘依此類推。

如果以合金含量來區分,合金鋼中合金元素的總含量在6%以上稱為高合金鋼,合金元素總含量在6%以下稱為低合金鋼。有些埸合會將合金量在1.5%~5.5%之間的,再細分為中合金鋼,而以1.5%以下者為低合金鋼,不過這些都是粗略的分法,並沒有實質的意義。

合金鋼的種類很多,而其性質主要又由合金元素來決定,因此研究合金鋼最有效的方法,就必須由瞭解合金元素對於鋼性質的影響開始。在合金鋼中所添加的合金元素,主要有鎳Ni、鉻 Cr、鎢W、釩V、錳Mn、鉬Mo、鈷Co、矽Si、鈦Ti、硼B等。

 

1-1-1鋼中主要合金元素的功用

 

1.鉻 Cr

    鉻在鋼中的角色多元且重要,它會形成安定而硬的碳化物,而且具抗蝕性,其主要作用有:

  a.增進鋼的硬化能和滲碳作用。

  b.使鋼在高溫畤仍具高強度。

  c.能增加耐磨耗性。

  d.增高鋼之淬火溫度。

  f.能增進鋼的抗腐蝕性。

2.鎳Ni

    鎳在鋼中的影響有:

  a.增進鋼的硬化能。

  b.能降低熱處理時的淬火溫度,因之在處理時變形小。

  c.能增加鋼的韌性。

  d.高鎳合金鋼能耐腐蝕,例如:不銹鋼就含有8%左右的鎳。

3.鎢W

    鎢能耐高溫,而且溶於鋼中會與碳形成碳化物稱為碳化鎢,能提高鋼的強度。此外,

  a.鎢可以提高鋼之淬火溫度。

  b.加強鋼之斷面組織細微化,抵抗回火軟化。

  c.可以降低淬火時鋼之晶粒生長之趨勢。

  d.鎢鋼刀具有紅熱硬度。

  e.可增加鋼之保磁性,故可配入鋼中而製造永久磁鋼。

4.釩V

    釩可以無限量固溶入鐵中,並阻止沃斯田鐵晶粒的成長,釩在鋼中有脫酸除氧之能力,故含釩之鋼其斷面結晶密實,此外釩的作用還有:

  a.能提高淬火溫度。

  b.改善硬化能,高溫淬火加熱時,能防止其晶粒生長。

  c.有助於鋼之結晶組織細微化。

5.錳Mn

    錳亦為鋼中重要元素,其作用及影響如下:

  a.在適量下,錳量增加可增加鋼之最大強度及硬度。

  b.錳有脫氧及脫疏功效,故錳能發撣鋼之鍛造性與可塑性。

  c.錳在鋼中含量多,可降低鋼之淬火溫度。

  d.可增進鋼之硬化深度,尤其在含碳量高之油硬性錳鋼為最顯著。

6.鉬Mo

    鉬可增加鋼之最大強度及硬度,因此在合金鋼中也頗為重要。

  a.能改善鋼在高溫之抗拉及潛變強度。

  b.在工作紅熱情況下,能使鋼之硬度保持不變。

  c.高速工具鋼含鉬,可予以較佳之切割性能。

  d.合金鋼中加入鉬可去除回火脆性。

7.鈷Co

    鈷為製造合金鋼之重要元素,在鋼中可以生成碳化物,但也可能有不良影響,它具有以下特性:

  a.鈷可代替鎳,如增加強度及耐熱等性能。

  b.會降低鋼的硬化能。

  c.能提高鋼之淬火溫度。

  d.增加鋼之保磁能力,故為製造磁石鋼之主要元素。

8.鈦Ti

    鈦在鋼中易與碳形成碳化物TiC,其他特性:

  a.鈦在不銹鋼中,可以防止高溫時鉻量的局部減少,維持其

     防蝕的能力

  b.可以防止合金鋼由高溫徐冷時的脆化現象。

9.銅Cu

  合金鋼中銅之含量不可以超過1.5%,否則會使鋼變脆,此外

  a.銅在鋼中有抵抗大氣腐蝕之性能。低碳鋼內含銅1%,其抵抗大

     氣腐蝕性約較不含銅者高出四倍。在不銹鋼中加銅 3-4%,亦有助不銹鋼之防蝕作用。

  b.可以增加鋼的強度,但不宜超過0.2%。

10.鋁Al

  a.極易與氧結合形成氧化鋁,是一種強脫氧劑。

  b.能抑制晶粒成長。

  c.是氮化用鋼的重要元素。

11.硫S

    硫在鋼中為有害之雜質,硫與鐵化合成為FeS,與錳化合成MnS,其結果:

  a.會增加鋼的熱脆性

  b.硫含量0.2%以上,就會嚴重影響鋼的強度和韌性

  c.硫可使鋼強度降低,因此有利於鋼的切削,但除了易切鋼之外,極少利用。

12.矽Si

   矽在鋼中其作用如下 :

  a.矽能增加鋼之電磁傳導率,故適於製造電氣材料。

  b.矽會加速鋼之結晶生長變粗,因此含量約在0.05~0.30%。

  c.矽能增高淬火溫度。

  d.會阻礙碳元素溶於鋼中。

  e.對於炭量較高之鋼,矽多則增加脆性,

  f.增加耐熱鋼的氧化性,可用為脫酸性。

    綜合各種合金元素對於碳鋼的影響,而選擇添加合金元素時必須考慮元素特性及應用場合的需要,適材適所才是最重要的,如果不暸解特性貿然選擇,不但可能增加成本,效果也可能適得其反。

 

1-1-2 合金鋼的分類

 

合金鋼因其添加元素和量的不同而特性迥異,就用途來區分,合金鋼大致可以分為一般構造用合金鋼特殊鋼。構造用合金鋼是使用於普通機械的構成元件或土木建築等構造,普遍來說其合金量較低,而特殊鋼大多是使用在需要高溫硬度、耐蝕、耐熱、磁性等特別的場合,大多是屬於高合金量,如表1所示。

(一)構造用合金鋼:

 (a)非熱處理型:大致是低合金量,包括高強度低合金鋼易切鋼

 (b)熱處理型:大致是中合金量,含合金總量稍高,約在1.5%~5.5%

之間,經熱處理後可以大幅提高強度,通常用於不需銲接場合的

強韌機件,稱為熱處理用中合金鋼(或強韌鋼) 。

 (c)表面硬化鋼

(二)特殊鋼:

 (a)合金工具鋼:

 (b)耐蝕鋼:

 (c)其他用途特殊鋼:包括耐熱鋼、軸承鋼、彈簧鋼、電氣用鋼、磁

石鋼、超高強度鋼等。

表1  合金鋼的用途

分  類

鋼  種

主要合金

用   途

高強度低合金鋼

低Mn、低Si-Mn

汽車車身、構造用機件、船體

熱處理用中合金鋼(強韌鋼)

Ni、Cr、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo

曲柄軸、螺栓、齒輪、大型軸

表面

硬化

滲 碳 鋼

Ni、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo

齒輪、汽車工業變速箱、差速器

氮 化 鋼

Al-Cr、Al-Cr-Mo、Al-Cr-Mo-Ni、

汽缸套、車床主軸、銑床零件



切削用鋼

W、Cr-W、Cr-Mn

牙攻、車刀、銑刀

耐衝擊用鋼

Cr-W、Cr-W-V

衝頭、鉚釘具

耐磨用鋼

高C-高Cr、Cr-W、Cr-Mo-V

號規、拉線模、整緣模具

熱加工用鋼

Mn、Cr-W-V、Ni-Cr-Mo、Mn-Cr

熱輥軋模、壓鑄模

耐蝕鋼

不 銹 鋼

Cr、Cr-Ni

餐具、外科刀具

耐 酸 鋼

Ni、Cr-Ni、高Si

化學工業

耐熱鋼

Cr、Cr-Ni、Si-Cr、Cr-Al

進氣閥、排氣閥、輪機葉片

彈簧鋼

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