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机械材料的规格及选用

机械材料的规格及选用

  死板原料的规格及选用_死板/仪外_工程科技_专业材料。機械原料的規格及選用 學習目标 1.瞭解機械原料規格的意義。 2.瞭解常用的機械原料規格。 3.瞭解各種規格編號的意義。 4.能選擇適當的金屬原料。 1-1 绪言 規格(Specification)是

  機械原料的規格及選用 學習目标 1.瞭解機械原料規格的意義。 2.瞭解常用的機械原料規格。 3.瞭解各種規格編號的意義。 4.能選擇適當的金屬原料。 1-1 绪言 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 合某一種特別的用处,生產者當然必須促使產品能夠契合必要,這樣就有規範的 存正在需要。而隨著工業化水准的升高及國際間貿易往來的趨勢,產品的贯通愈來 愈頻繁,為了增進效能及供给產品零件的互換性,工業規格的訂定更是肯定的結 果。正在機械原料的範疇方面,同樣的必須有必定的規格,以作為生產者及应用者 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):搜罗用处(如:板、線、管),適用尺寸等。 2.化學因素(Chemical Composition):搜罗各項因素元素的含量範圍或因素代 號。 3.定性敘述(Quality Statement):指品質方面,比如煉鋼办法或脫氧情況。 4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化學因素範圍、物理及機械性質 需求,以適應应用上經濟的情由。 5.其他需求(Other Requirment):如非常容許差、原料外观狀況等。 現今全邦各國各依其工業化的發展而有分歧的工業規格,比如: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。 而正在針對機械原料規格方面,常用的還搜罗 ASTM(美國原料試驗協會)、AISI(美 國鋼鐵協會)、SAE(美國汽車協會)等,而我國厉重則依據 CNS(中國國家標準)訂 定。 原料的選擇及應用是學習原料規格的主要目标,于是本章最後舉例說明, 何如正在產品需求及相關考慮之下,選擇適當原料。 1-2 原料的規格 一種機械原料的規格最厉重能够由:原料的種類、成份和機械性質來說明。 而為了標準化起見,原料必須經由一套嚴謹的試驗規範,確保其牢靠度。全邦各 國都有其原料試驗的標準次序,我國也不各异,比如:CNS 有關原料試驗部份, 此中「鋼料之檢驗通則」(CNS2608,G2018)規定: 本標準厉重內容搜罗:適用範圍、檢驗及重驗三片面 適用範圍:本標準適用於鋼料之大凡檢驗 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 標準设施 重驗部份:說明規格部份分歧規定的試片,必須經由複驗鉴定 及格及不足格。 又如「非鐵金屬原料之檢驗通則」(CNS4195,H2045)中規定: 本標準厉重內容搜罗:適用範圍、檢驗及重驗三片面 適用範圍:本標準規定非鐵金屬原料檢查大凡事項 檢驗部份:規定有關外觀、标准、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分歧,必須經由重驗 鉴定及格及不足格。 1-3 常用的原料編號 大凡原料的化學成份與機械性質是息息相關的,于是常用的原料編號大家 是以化學成份定名為主,再輔以機械性質(如第七章片面原料的規格敘述)。由於 原料範圍很廣,于是本章內容,厉重以鋼鐵原料的編號為主,此外輔以片面非鐵 金屬及非金屬原料來做說明。 正在工業上,鋼鐵原料(搜罗碳鋼正在內)必依其化學成份,应用必定的編號以利 於選用,這是根基的認識。目前,正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)。 此外德國工業標準(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 對鋼鐵原料的 編號厉重依據 CNS 109 G1001(公佈:民國 36 年 3 月,修訂:民國 85 年 3 月)原 則上由下列三片面組成: 第一片面為材質,鋼鐵原料大片面以 S(Steel 鋼)或 F(Ferrum 鐵) 显露。 第二片面有兩種分歧的显露法; a.显露標準名稱或是製品用处。常用的有-P:Plate(薄板) 、 T:Tube(管) 、 U:Use(非常用处) W:Wire(線材) F:Forging(鍛制) C:Casting(鑄制) 例:S P CC:Plate,鋼板(冷軋)。 S UP:Use Spring,彈簧用鋼 b.用於結構的鋼料(搜罗結構用碳鋼及合金鋼),代外厉重合金元素或含碳 量(結構用碳鋼時),显露含碳量時,一样以含碳量之 100 倍數值显露, 例:SCM420:鉻鉬鋼,第 420 種 S25C:碳鋼,含碳量 0.25%。 第三片面為該原料之種類號碼,或是最低抗拉強度、降伏強度。倘若显露最 小抗拉強度或最小降伏強度,一样以三位數字显露。 例:SCM 420 显露鉻鉬鋼中編號 420 的原料 STB 340 显露鍋爐及熱交換器用鋼,抗拉強度不 低於 340 N/mm2。 以與合金量之显露法有所區別。常用於筑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 機械結構用鋼料应用很廣,于是 CNS 2608 G2018 特別正在附錄 2 中說明適用範 圍及其符號所代外的意義: 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.符號順序為鋼之厉重合金元素、厉重合金元素含量或代外值、附加符號。其 中除鋼之代外符號 S、碳之符號 C 以外。 附加符號由第一群考中二群組成, 第一群—為鋼料為改观其性質(比如切削性)所增加的非常元素 (例)改观切削性之增加元素 根基鋼 鉛增加鋼 硫增加鋼 鈣增加鋼 附加符號 L S U 第二群—為鋼料除化學成份以外的保證性情 (例)保證非常性情之增加符號 性情 硬化能保證鋼 外观硬化用鋼 附加符號 H K (例) S 30 C:碳鋼,含碳量 0.30﹪ S 20 C 4:碳鋼,含碳量 0.20﹪第四種構制用碳鋼 S(55)C:大凡構制用碳鋼,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﹪的器械鋼 b.碳含量的代外值。 (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因素,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,此中 6xxx 系為備用,這些已如第九章所 述。 而所謂”鍊度”係指”製制過程中,依加工、熱處理等條件之差異所獲得機械 性質之區分”。鍊度符號又分為根基符號與細分符號。根基符號為一字英文字母 (大寫),細分符號為一位數字或众位數字組合並附正在根基符號之後。 a.根基符號 鋁合金的鍊度根基符號分為四種。 b.細分符號 鋁合金鍊度之根基符號 H 及 T 之細分符號,依下列規定。 鍛鋁合金的編號及化學因素。 2.日本工業標準(JIS) JIS 是 Japanese Industral Standard 的簡稱,JIS 對於鋼鐵原料的的編號大致可 分兩大類: (1)大凡機械構制用碳鋼: 其原料編號设施和 CNS 的第一種显露法相通。 (例)S30C 显露含碳量 0.30﹪的機械構制用碳鋼 (2)其他用处的碳鋼及合金鋼: 這一類鋼的原料編號显露法,大致可分三片面: 第一片面為材質,鋼以 S、鐵以 F 显露,其他非鐵類如外 11- 。 第二片面显露鋼製品的規格或用处,比如:K 代外器械鋼、TB 代 外鍋爐用鋼管、PC2 代外冷軋鋼板。 第三片面為為鋼料的種別,以 1,2,3 來显露。 别的即使必要,可將原料的加工设施、熱處理办法等附註於後,加工设施例 如:D(Drawing)抽製、G(Grinding)研磨、T(Turning)車削、Ex(Extruded)擠製。熱處 理设施大家記於金屬符號之後,並正在二者之間参加- (例)SK2:第二種碳素器械鋼 SKS11:第十一種切削用器械鋼 SUH301:第 301 種耐熱鋼 SUS301-1/2H:第 301 種不銹鋼,1/2 硬質原料 3.常用的美國原料編號及規格 (1)美國鋼鐵學會-美國汽車工程師學會(AISI-SAE) AISI 和 SAE 正在 1941 年合伙訂定鋼鐵原料的分類,以四個(或五個)數目字 為記號來分類。此中 第一位數,显露鋼料的種類,如:鎳鋼為 2、鎢鋼為 7。 第二位數,為厉重合金元素的百分值;0 显露無其他合金元素。 第三、四位數(或第三、四、伍位數字)代外含碳量。 (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 碳鋼 平常碳鋼 易削鋼(加硫) 錳鋼 鎳鋼 0.50﹪Ni 1.50﹪Ni 3.50﹪Ni 鎳鉻鋼 1.25﹪Ni0.6﹪Cr 1.75﹪Ni1.0﹪Cr 3.50﹪Ni1.5﹪Cr 編號 鋼種 1××× 耐熱鋼 10×× 鉬鋼 11×× 13×× Cr(0.7﹪) Ni-Cr 2××× Ni(1.75﹪) 20×× 鉻鋼 21×× Cr(1.0﹪) 23×× Cr(1.5﹪) 3××× 鉻釩鋼 31×× 鎢鋼 32×× 鎳鉻鉬 33×× 矽錳鋼 編號 30××× 4××× 41×× 43×× 46×× 5××× 51×× 52×× 6××× 7××× 8××× 9××× (2)美國原料協會及美國機械工程師協會 ASTM(ASME) ASTM 短长常廣泛被採用的原料規範,它的特征厉重是針對產品的性情及外 現而定。ASTM 显露法是以以字母+代號显露,再輔以年代之混淆標示,ASME 則採用了相當众的 ASTM 規範,並以前置 S 显露。 ASTM 显露法: 首位字母 显露意義 A 鋼鐵類 B 非鐵金屬類 C 大凡測試法 比如: ASTM A36-77a 此中 A 36 - 77 a 分別显露 (鋼鐵)(結構用)(1977 年)(第一次修訂) 又如: ASTM E8 代外拉伸試驗規範 ASME 的显露法: 比如: ASME SA213 = ASTM A213 而统一編號又可依化學因素(Grade)加工办法(Type)制品型態(Class)來區分。 Grade 厉重敘述其化學性質,Type 指脫氧的情況, Class:指少许其他性質。如:強度、外观光度等。 (3)美國統一編號系統 UNS UNS 是 Unified Numbering System 的簡稱,正在 1974 年為 ASTM 及 SAE 聯 合协议,UNS 自身只是一種編號,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,比如: UNS G10XX0 = SAE 10XX,而有索引、整合、參考的 意義,于是而稱統一編號系統。 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 中鋼鐵原料的規格是正在 DIN 17006,補充說明正在 DIN 17007,1974 年改為 ISO 制,以 EURONORM 27-74 替换。以英文字母和數字來敘述其特徵,字母規定鋼 鐵種類、冶煉设施、合金原料、處理情況等、數字則規定鋼鐵原料的、含碳量、 抗拉強度、主合金之因素倍數等。 (1)碳鋼 大凡以碳元素標記及其含碳量显露,如 C60 显露含 0.6%C 的碳鋼。此外也 有抗拉強度及其他显露法,比如:St50 显露抗拉強度 50kg/mm2 之構制用碳鋼, CK40 显露含磷、硫量甚低之碳鋼,抗拉強度為 40kg/mm2。 (2)高級鋼料及低合金鋼 以其厉重合金元素和含量為標記,但正在此中第三片面含量,為避免小數點出 現,显露值都己經乘上固定倍數,而以整數型態呈現,于是由編號求取實際含量 時必須再除以倍數。 第一片面:含碳量 第二片面:合金元素種類 第三片面:合金元素含量 合金元素 倍數 Cr、Co、Mn、Ni、Si、W Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V P、S、N、Ce、C B 4 10 100 1000 比如:含碳量 0.34%含鉻量 1%的鋼材,显露為 34Cr4 依此 13CrV53 即显露含碳量 0.13%,含鉻量 5/4=1.25 %,含釩量 3/10=0.3% (3)高合金鋼 正在標記前加上x,别的由於合金元素含量己高,于是不乘以倍數而直接外 示。(如前述,高合金鋼一样是指合金總含量正在 8%以上的鋼料) 比如:含碳量 0.12%的不銹鋼,含鉻量 18%含鎳量 8%,显露為 X12CrNi18 8 同理 X10CrNi1810 即显露含碳量 0.10%的高合金鋼,含鉻量 18 % 含鎳量 10。 即使要進一步標示其性情,能够正在其記號前後加上英文字母显露 比如: M A St42 6 N (1)(2) (3) (4)(5) 此中除(3)為主標記外,(1)(2)(4)(5)分別显露:熔煉办法、產品性情、保證性 能類別、熱處理情況等。 (4)鑄鐵、鑄鋼 以前置標記 G 代外大凡鑄件,此外加上其它字母來显露種類,隨後之標示 與鋼的編號相通,如外 1 所示。 比如:GS-C30 為鑄鋼,含碳量 0.30% G-X120Mn12 显露含碳量 1.20%的鑄鐵,含錳量 12%。 外 1 德國工業標準 DIN 之鑄鐵分類 GS = 鑄鋼 GG = 大凡灰鑄鐵 GGL = 片狀石墨鑄鐵 GGG = 球狀石墨鑄鐵 GT = 大凡展性鑄鐵 GTS = 展性灰鑄鐵 GTW = 展性白鑄鐵 1-4 原料的選用 1-4-1 原料選擇的根據 原料的種類繁众,并且性質互異,于是無論鐵金屬和非鐵金屬原料,或者隨 後即將討論的非金屬原料自然都有分歧的應用場合。一項產品正在選用原料時,會 因应用場合(比如:強度的请求、環境的要素、本钱的考慮等)而分歧,而各種材 料由於結構的分歧,也有其適當的用处,于是何如使原料的應用能適材適所,就 是原料選用的最大準則。本章將提出原料選擇的幾個主要考慮要素,並舉實例具 體說明。 (一)原料的規格要契合应用的需求 選擇原料最根基的考慮,就正在滿足產品的性情及请求,比如﹕抗拉強度、切 削性、耐蝕性等。許众原料好像都能够滿足应用的需求,可是即使選擇具有正字 標記或契合國家標準的原料,比如:我國的 CNS 日本的 JIS 美國的 ASTM、 SAE、 AISI、 UNS 德國的 DIN 等,由於其化學因素及機械性質都經過試驗, 有必定的保證,于是品質將更有保护。 (二)原料的價格要合理 價格是選擇原料的另一個主要要素。因為優秀的原料即使價格激昂,產品的 本钱勢必升高,競爭力就會低重。于是即使原料不是独一的選擇,那麼價格合理 的同級原料或以開發新產品替换都是不錯的解決计划。 (三)原料的品質要相仿 產品即使是單一的就不必考慮相仿性的問題,可是即使是屬於豪爽生產的東 西,原料的供應就必須穩定并且品質必定才行,否則因產品不良酿成退貨或是賠 償,無論是金錢及信譽的損失大概都將難以彌補,于是正在選擇原料供應之初,材 料品質的相仿和來源的穩定性也是主要的考慮要素。 1-4-2 鋼鐵原料的選用 以上提到的是原料選用的原則。而鋼鐵原料由於正在機械上应用廣泛,于是必 須針對其性情考量。鋼鐵原料的選用,常遭受的還有三個問題:(一)应用碳鋼或 合金鋼(二)部分或一共淬火(三)用鑄制品或鍛制品。 碳鋼的價錢低廉,但合金鋼易於淬火、硬化深度大、抗回火軟化佳。秉承的 負荷則關係部分或一共淬火,負荷大的零件以一共淬火為宜,外观淬火則可秉承 耐疲勞及磨耗的場合。 鍛制與鑄制正在製制从来是競爭不止,傳統的鑄制品雖能够製制複雜或有內孔 的零件,但被認為偏析、氣孔、韌性差,鍛制品則較強韌,但鑄制技術及原料的 進步,己能够達到均質、強韌,加以鑄制有一次成型的優點,于是目前鑄件佔較 有利的趨勢。 1-4-3 應用實例 (一)引擎原料的選用 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。 引擎各部份零件秉承分歧的負荷、溫度等劳动條件,于是有分歧的原料選擇考 慮。以下僅以此中較主要的汽缸體、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,又有冷卻管途,于是只可用鑄制办法,汽缸由於请求良 好強度大、耐磨、耐蝕、導熱性佳、膨脹係數低。于是灰鑄鐵便是很好的選擇, 独一問題是比重稍大。即使必要輕量化,使動力升高,就能够考慮鋁合金。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,不過也並不短长用鑄制不行,曲柄軸的受力很 大,于是鍛制鋼品是傳統上的選擇,不過延性鑄鋼(球墨鑄鐵)的發展,使得鑄制 品正在中小型汽車上也佔一席之地。 即使应用鍛鋼,必須考慮硬化能的問題,于是常用的有鉻鉬鋼(SAE 4140) 或中碳鋼 SAE 1035 及 SAE 1050。 3. 3. 進排氣閥 進排氣門最主要的是耐高溫和耐腐蝕,特别是排氣閥的劳动溫度,往往 700 ℃以上,并且必須 秉承燃料燃燒後產生的水氣和腐蝕性鉛化合物,于是採用耐 熱鋼是最初的考慮,其後陸續有应用沃斯田鐵系不銹鋼或英高鎳(Inconel)者。 (二)原料的庖代和新原料的選用 由於原料的革新和新原料的不斷發展,許众製品原來应用的原料,能够替换 而机能更佳,價格更低廉。以常日應用來說,比如:二十年前的眼鏡框,应用白 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 且耐蝕而再度庖代。 近年來由於航太工業,輕量及高強度的请求,于是正在機件上鈦的应用也很 廣,而外裝上,複合原料(特别是碳纖維和玻璃纖維強化塑膠)則豪爽的應用。另 外,為了極高速航具和太空梭的必要,工程陶瓷應用正在秉承高溫的片面的包覆 (Ceramic Tiles)更是不行或缺。 摘要 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 率及供给產品零件的互換性,必須协议的規格,以作為生產者及应用者依循 的規範。 2.正在工業上,鋼鐵原料必依其化學成份,应用必定的編號以利於選用。目前, 正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)。此外德國工業標準(DIN)和美國 統一標準編號(UNS)相關業界有時也會採用。 3.CNS 之鋼鐵原料的編號,厉重由下列三片面組成: 第一片面為材質,鐵以 F 显露,鋼以 S 显露。 第二片面显露標準名稱或是製品用处或厉重合金元素或含碳量(結構用碳鋼 時)。 第三片面為該原料之種類號碼,或是最低抗拉強度、降伏強度。倘若显露最 小抗拉強度或最小降伏強度,一样以三位數字显露,常用於筑築結構用等不 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。此中 第一位數,显露鋼料的種類。 第二位數,為厉重合金元素的百分值;0 显露無其他合金元素。 第三、四位數(或第三、四、伍位數字)代外含碳量。 鋼種 編號 鋼種 編號 碳鋼 平常碳鋼 易削鋼(加硫) 錳鋼 鎳鋼 0.50﹪Ni 1.50﹪Ni 3.50﹪Ni 鎳鉻鋼 1.25﹪Ni0.6﹪Cr 1.75﹪Ni1.0﹪Cr 3.50﹪Ni1.5﹪Cr 1××× 10×× 11×× 13×× 2××× 20×× 21×× 23×× 3××× 31×× 32×× 33×× 耐熱鋼 鉬鋼 Cr(0.7﹪) Ni-Cr Ni(1.75﹪) 鉻鋼 Cr(1.0﹪) Cr(1.5﹪) 鉻釩鋼 鎢鋼 鎳鉻鉬 矽錳鋼 30××× 4××× 41×× 43×× 46×× 5××× 51×× 52×× 6××× 7××× 8××× 9××× 5.原料選擇的考慮要素厉重有:(一)原料的規格要契合应用的需求(二)原料的價 格要合理(三)原料的品質要相仿 合金鋼及非常鋼 學習目标 1.瞭解合金鋼與非常鋼的意義。 2.認識合金鋼與非常鋼的種類。 3.認識器械鋼的種類和用处。 4.認識耐蝕鋼的種類和用处。 5.瞭解其它非常鋼的種類和用处。 1-1 绪言 碳鋼具有不錯的機械性質,能實施熱處理,并且正在大凡用处上都能勝任。不 過正在某些需求特別的場合,应用上碳鋼的机能仍嫌缺乏,比如:必要耐蝕的埸合、 必要正在高溫強度、必要更高的硬度以做為切削刀具,或是具有疲勞強度等。這些 時候就必須有各種分歧性質的合金鋼,比如:不銹鋼、耐熱鋼、器械鋼、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大凡鋼材並不相通,于是 正在市情上,許众販售合金鋼原料的地方,也稱為非常鋼原料行。 合金鋼是指碳鋼增加一種或一種以上合金元素所变成的鋼料。一样鋼的合 金元素,除碳以外,若含錳量正在 1.65%以上、含矽量正在 0.60%以上,或含銅量正在 0.06%以上等,就能够認定是屬於合金鋼,其它元素负责参加碳鋼中者亦同。碳 鋼即使依分歧用处再参加鎳、鉻、釩、鎢、.....等元素,以達到必要的后果,就 成為合金鋼。比如:微量的鉻能够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。参加 18%鎢、4%鉻、1%釩時即為高速鋼。 除用处外,合金鋼也可依参加元素種類來區分。由於任何鋼中均含鐵、碳兩 種元素,于是,如再参加一種元素即稱為三元鋼,比如:鎳鋼、鉬鋼等。参加二 種元素稱為四元鋼,比如:鎳鉬鋼,其餘依此類推。 即使以合金含量來區分,合金鋼中合金元素的總含量正在 6%以上稱為高合金 鋼,合金元素總含量正在 6%以下稱為低合金鋼。有些埸合會將合金量正在 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,不過這些都是大概 的分法,並沒有實質的意義。 合金鋼的種類许众,而其性質厉重又由合金元素來決定,于是研商合金鋼最 有用的设施,就必須由瞭解合金元素對於鋼性質的影響開始。正在合金鋼中所增加 的合金元素,厉重有鎳 Ni、鉻 Cr、鎢 W、釩 V、錳 Mn、鉬 Mo、鈷 Co、矽 Si、 鈦 Ti、硼 B 等。 1-1-1 鋼中厉重合金元素的功用 1.鉻 Cr 鉻正在鋼中的脚色众元且主要,它會变成安静而硬的碳化物,并且具抗蝕性, 其厉重用意有: a.增進鋼的硬化能和滲碳用意。 b.使鋼正在高溫畤仍具高強度。 c.能推广耐磨耗性。 d.增高鋼之淬火溫度。 f.能增進鋼的抗腐蝕性。 2.鎳 Ni 鎳正在鋼中的影響有: a.增進鋼的硬化能。 b.能低重熱處理時的淬火溫度,因之正在處理時變形小。 c.能推广鋼的韌性。 d.高鎳合金鋼能耐腐蝕,比如:不銹鋼就含有 8%独揽的鎳。 3.鎢 W 鎢能耐高溫,并且溶於鋼中會與碳变成碳化物稱為碳化鎢,能升高鋼的強 度。别的, a.鎢能够升高鋼之淬火溫度。 b.加強鋼之斷面組織細微化,屈从回火軟化。 c.能够低重淬火時鋼之晶粒生長之趨勢。 d.鎢鋼刀具有紅熱硬度。 e.可推广鋼之保磁性,故可配入鋼中而製制恒久磁鋼。 4.釩 V 釩能够無限量固溶入鐵中,並阻挡沃斯田鐵晶粒的成長,釩正在鋼中有脫酸除 氧之才气,故含釩之鋼其斷面結晶密實,别的釩的用意還有: a.能升高淬火溫度。 b.改观硬化能,高溫淬火加熱時,能避免其晶粒生長。 c.有助於鋼之結晶組織細微化。 5.錳 Mn 錳亦為鋼中主要元素,其用意及影響如下: a.正在適量下,錳量推广可推广鋼之最大強度及硬度。 b.錳有脫氧及脫疏效能,故錳能發撣鋼之鍛制性與可塑性。 c.錳正在鋼中含量众,可低重鋼之淬火溫度。 d.可增進鋼之硬化深度,特别正在含碳量高之油硬性錳鋼為最顯著。 6.鉬 Mo 鉬可推广鋼之最大強度及硬度,于是正在合金鋼中也頗為主要。 a.能改观鋼正在高溫之抗拉及潛變強度。 b.正在劳动紅熱情況下,能使鋼之硬度连结不變。 c.高速器械鋼含鉬,可予以較佳之切割机能。 d.合金鋼中参加鉬可去除回火脆性。 7.鈷 Co 鈷為製制合金鋼之主要元素,正在鋼中能够天生碳化物,但也大概有不良影 響,它具有以下性情: a.鈷可庖代鎳,如推广強度及耐熱等机能。 b.會低重鋼的硬化能。 c.能升高鋼之淬火溫度。 d.推广鋼之保磁才气,故為製制磁石鋼之厉重元素。 8.鈦 Ti 鈦正在鋼中易與碳变成碳化物 TiC,其他性情: a.鈦正在不銹鋼中,能够避免高溫時鉻量的部分減少,維持其 防蝕的才气 b.能够避免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行够超過 1.5%,否則會使鋼變脆,别的 a.銅正在鋼中有屈从大氣腐蝕之机能。低碳鋼內含銅 1%,其屈从大 氣腐蝕性約較不含銅者逾越四倍。正在不銹鋼中加銅 3-4%,亦有助不銹鋼 之防蝕用意。 b.能够推广鋼的強度,但不宜超過 0.2%。 10.鋁 Al a.極易與氧結合变成氧化鋁,是一種強脫氧劑。 b.能控制晶粒成長。 c.是氮化用鋼的主要元素。 11.硫 S 硫正在鋼中為无益之雜質,硫與鐵化合成為 FeS,與錳化合成 MnS,其結果: a.會推广鋼的熱脆性 b.硫含量 0.2%以上,就會嚴重影響鋼的強度和韌性 c.硫可使鋼強度低重,于是有利於鋼的切削,但除了易切鋼以外,極少诈欺。 12.矽 Si 矽正在鋼中其用意如下 : a.矽能推广鋼之電磁傳導率,故適於製制電氣原料。 b.矽會加快鋼之結晶生長變粗,于是含量約正在 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,矽众則推广脆性, f.推广耐熱鋼的氧化性,可用為脫酸性。 綜合各種合金元素對於碳鋼的影響,而選擇增加合金元素時必須考慮元素特 性及應用場合的必要,適材適所才是最主要的,即使不暸解性情貿然選擇,不单 大概推广本钱,后果也大概適得其反。 1-1-2 合金鋼的分類 合金鋼因其增加元素和量的分歧而性情迥異,就用处來區分,合金鋼大致 能够分為大凡構制用合金鋼和非常鋼。構制用合金鋼是应用於平常機械的構成元 件或土木筑築等構制,普及來說其合金量較低,而非常鋼大家是应用正在必要高溫 硬度、耐蝕、耐熱、磁性等特別的場合,大家是屬於高合金量,如外 1 所示。 (一)構制用合金鋼: (a)非熱處理型:大致是低合金量,搜罗高強度低合金鋼及易切鋼。 (b)熱處理型:大致是中合金量,含合金總量稍高,約正在 1.5%~5.5% 之間,經熱處理後能够大幅升高強度,一样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)外观硬化鋼 (二)非常鋼: (a)合金器械鋼: (b)耐蝕鋼: (c)其他用处非常鋼:搜罗耐熱鋼、軸承鋼、彈簧鋼、電氣用鋼、磁 石鋼、超高強度鋼等。 外 1 合金鋼的用处 分類 構 制 用 合 鋼種 厉重合金 用处 高強度低合金鋼 低 Mn、低 Si-Mn 汽車車身、構制用 機件、船體 熱處理用中合金 Ni 、 Cr 、 Ni-Cr 、 曲柄軸、螺栓、齒 鋼(強韌鋼) Cr-Mo、Ni-Cr-Mo 輪、大型軸 金 滲 碳 鋼 Ni、Ni-Cr、Cr-Mo、齒輪、汽車工業變 外观 鋼 Ni-Cr-Mo 速箱、差速器 硬化 氮 化 鋼 Al-Cr、Al-Cr-Mo、 汽缸套、車床主 鋼 Al-Cr-Mo-Ni、 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 工 高 C-高 Cr、Cr-W、 號規、拉線模、整 具 耐磨用鋼 Cr-Mo-V 緣模具 鋼 Mn、Cr-W-V、 熱輥軋模、壓鑄模 熱加工用鋼 Ni-Cr-Mo、Mn-Cr 耐蝕鋼 特 不銹鋼 耐酸鋼 Cr、Cr-Ni 餐具、外科刀具 Ni、Cr-Ni、高 Si 化學工業 Cr、Cr-Ni、Si-Cr、 進氣閥、排氣閥、 殊 耐熱鋼 Cr-Al 輪機葉片 鋼 Si-Mn、Si-Cr、Cr-V 車輛、鐘錶及各式 彈簧鋼 彈簧 軸承鋼 高 C 高 Cr、高 C-Cr-Mn 球軸承、滾軸承等 非摩擦式軸承 電氣用鋼 非磁性鋼 (避磁鋼) 輸配線支撐、羅盤 Ni、Cr-Ni、Cr-Mn 外殼 磁性鋼 Si(矽鋼) 變壓器鐵心 磁石鋼 Cr、W、Cr-W-Co 恒久磁鐵 超高強度鋼 高 Ni、Cr-Ni-Mo、 鋼樑、飛機骨架 Ni-Co 1-2 構制用合金鋼 構制用合金鋼是指示用正在構成機械的零件或筑築土木等各項工程結構上的 鋼料,比如:大型機械軸、壓力容器、高層筑築、橋樑鋼架或高強度螺栓、齒輪 等。這些場合所必要的原料性情為:較高的抗拉強度、伸長率、衝擊值、疲勞限 度等,同時也必要具備优良的鑄制、鍛製、切削或焊接的才气,以契合應用上的 必要。 實用上,構制用合金鋼由於应用的場合分歧,大凡區分為非熱處理型和熱 處理型兩類,前者大家是屬於低含碳量和低合金量,構成之後也無法再實施熱處 理,大家用於車架或車箱、火車及船體,它搜罗高強度低合金鋼、易切鋼等。後 者众屬於熱處理用中合金鋼,大家用於機械元件比如:曲柄軸、高強度螺栓等, 此中参加合金元素,厉重是能够增進鋼的硬化能及低重質量后果,而經由熱處理 則能够取得更強韌的機械性質,這類鋼料搜罗鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳 鉻鉬鋼等。 1-2-1 高強度合金鋼(HSLA Steel) 高強度低合金鋼厉重是替换正在構制上应用的低碳鋼,由於工程結構上应用的 鋼料大家必要銲接,即使应用高碳鋼,容易使銲道正在銲接冷卻時產生淬火脆化的 麻田散鐵組織,于是為避免原料因熱影響而轉劣,必須应用較低含碳量但強度較 高的原料,高強度低合金鋼便是一此请求而發展出來。 這種鋼料是將少量非常元素固溶正在鋼中,特别是正在低碳鋼中佔絕大片面的肥 粒鐵基地,使之強化而改變鋼的機械性質,增進其機械強度。由於大型結構物銲 接杀青之後都難以熱處理,于是正在平常化或是軋延狀態就要有高強度,也便是以 固溶的办法正在製制原料時就已杀青強化。 高強度低合金鋼的種類许众,大凡抗拉強度必須正在 50kg/mm2 以上,高強度 低合金鋼的分類一样是以機械性質如:抗拉強度、降伏強度、延长率等區分,而 不是以成份來區分。增加的元素為以 Mn、Si、Nb、V、N 影響較大,Co、Cr 的 影響較小。高強度低合金鋼由於強度逾越平常碳鋼甚众,于是對於同樣的負荷而 言,能够应用較小的斷面,因此整體重量也能够減輕。 使 HSLA 鋼之強度增強的设施,除了参加少量的合金元素,正在軋鋼廠中經 由非常的軋延及冷卻過程中也能够参加。具備优良加工成形性的 HSLA 鋼除了 特有的合金元素外,此外還参加有稀土金屬元素,比如:Ce、Nb、La 等,别的, 如: Co、V、 Ti 也有用果。製程方面,也可由低重加工硬化的速率或低重對應變 速率、微化晶粒等來改進加工成形性。 加工成形性的需求,厉重是為了適應諸如:汽車、船舶等結構成形的必要。 早期 HSLA 鋼正在耐蝕性外現甚佳,可是為了改观加工成形性,因此必須犧牲一 些防蝕才气,以換取較佳的成形性,又由於 HSLA 鋼所做成的機件比由平常碳 鋼所做成的機件更薄,于是一朝生銹,氧化的銹層會使 HSLA 鋼能秉承荷重的 斷面大受影響。于是需参加像 Cu 等能改進大氣耐蝕性的元素進行,但由於會增 加本钱,于是後來的作法,是正在 HSLA 鋼之外观鍍鋅或其他防銹的外观處理, 以推广其耐蝕性。 HSLA 鋼正在汽車工業的應用上,它不单能够庖代傳統的平常低碳鋼,也更 能够应用較薄的斷面而不致於低重強度、耐蝕性及抗拉強度,目前小汽車所应用 的高張力鋼板就屬於 HSLA 鋼,其厚度約正在 0.6mm 或更厚。其他如:貨車、營 筑機械和其他重噸位車輛皆可应用 HSLA 鋼的薄板或厚板來做車架或車體構 件。用於這些用处的 HSLA 之鋼板原大致為 1.5mm 或更厚。構制用 HSLA 鋼, 且可用於沿海之鑽油機、電力輸送機、火車及船體。 1-2-2 易切鋼(Free-machining steel) 易切鋼是為了改观切削性和切削加工外观而發展的一種鋼料,厉重应用於 正在強度較低的小型零件。由於經濟及急迅切削的需求,加上自動切削機械的發 展,于是正在不特別请求強度的小型零件,就能够採用此種鋼來製制。 改观鋼切削性的设施有:正在鋼中参加合金元素,以弛力退火減少殘留應力 或調整顯微組織的性質等,而易切鋼厉重便是正在鋼中增加磷、硫、鉛等合金元素 的设施。加硫 0.1~0.25%的易切鋼稱為硫易切鋼,加鉛 0.1~0.3%的易切鋼稱為鉛 易切鋼。 由於加硫能够與鋼中的錳变成 MnS,使得切屑變小且沒有黏滯性,于是可 以革新切削性,增加磷能够使鋼質變脆,能够推广切削加工面的腻滑度,加鉛也 能够使切屑變小,並有潤滑用意,但由於硫及磷對機械性質无益,于是這種鋼料 众用正在不重視強度的螺絲及螺帽等。 别的,如鈣 Ca、碲 Te、硒 Se、鉍 Bi 也都有改观切削性的效用,Ca 易切鋼 是煉鋼時用 Ca 脫氧,其能变成易切的道理與 S、P 和 Pb 分歧,Ca 易切鋼是脫 氧時的天生物,正在切削時熔著於切刃邊,能產生減少磨擦的用意,并且具有保護 刀具,推广刀具壽命的效用。 1-2-3 熱處理用合金鋼 上一節曾經提到,正在肥粒鐵基地中参加合金元素,能够革新正在平常化狀態 应用的鋼之性質,可是即使要更充实的發揮這一類合金鋼的機械性質,以取得更 高的硬度、強度和韌性,就應該實施淬火及回火處理,只是由於大型結構物可銲 性的请求和不易實施熱處理的性情,于是合金元素的用意厉重是正在固溶於肥粒 鐵,而達到強化的目标(這樣的办法稱為固溶強化)。 熱處理用合金鋼大家是應用於機械構成的零件,比如:曲柄軸、齒輪、強 力螺栓、鍵、銷等,這些元件重视強度,并且接合的办法也大家不应用銲接,因 此假若能诈欺熱處理,使這一類合金鋼变成回火麻田散鐵的組織而加以應用,就 能够取得兼具強、韌的后果。熱處理用合金鋼便是正在碳鋼中参加合金元素,並且 經由熱處理而能够取得強韌性質的鋼料,于是也稱為強韌鋼。 碳鋼即使用於構制上有兩個厉重的缺點:一是硬化能較差、質量后果大, 另一是回火時機械強度低重甚大。 前面提過,硬化能是指淬火後,距離淬火端硬度低重的水准。質量后果是 指當尺寸較大的零件,正在淬火時其核心部份取得硬化后果的難易水准。質量后果 大的原料,淬火時核心的硬度低重甚速,這樣的現象正在碳鋼比較顯著。而即使碳 鋼中参加了非常元素,恆溫變態曲線(S 曲線)就會右移,这样正在相通的冷速下, 核心也能够取得相當的硬度。于是参加適當的合金元素就能够使鋼料容易取得淬 火的后果,增高硬化能而減少質量后果。 其次,某些非常元素不单能够改观硬化能,發揮淬火的后果,正在回火處理 時也能够減少硬度、強度受到的影響,纵使回火到較高的溫度,也能够取得強度 及韌性高的組織。 現正在我們已經暸解,正在構制用合金鋼中参加合金元素的目标,厉重是增進 硬化能及屈从回火軟化。正在合金鋼所参加的元素中,Cr、 Mn、Mo 的后果較大, 其次是 Ni,由於 Ni 的價格較高,于是即使只為減小質量后果或推广硬化能,就 不必要增加 Ni,而增加價格較低且后果好的 Mn、Cr、Mo。 合金元素對硬化能的影響,大致能够由硬化能倍數(multiplying factor)看 出,硬化能倍數大的元素,推广鋼的硬化能也愈大。許众合金元素如 P、Si 對於 鋼硬化能也有助益,可是有其增加的节制,于是並不適合。 正在鋼中增加 Si 也能够減緩回火軟化的現象,可是與 Cr 或 Mo 比較就能够發 現,增加 Cr 或 Mo 除了使回火軟化減緩以外,正在較高溫回火的情況下,還會產 生二次硬化的現象,而使硬度能夠再度上升。這種二次硬化的現象,正在鎢 W、 釩 V 等元素也有類似的現象,W、V 是合金器械鋼的主要元素,二次硬化的現 象對於器械鋼會產生非常的切削后果,這一部份將鄙人一節詳細說明。 熱處理用合金鋼,因其应用目标的分歧,所增加的合金元素和合金含量也 分歧,常用的熱處理用合金鋼有:鎳鋼、鉻鋼、鉬鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬 鋼等。要特別属意的是,纵使正在這裡合金元素的種類與隨後要說明的某些非常鋼 (比如:不銹鋼)類似,但含量較少,于是后果也纷歧樣。 1.Ni 鋼 鋼中增加鎳能够推广鋼的強度,可是正在淬火硬度上並沒有很大的改观,同 時正在回火軟化的屈从性質上也並沒有明顯推广,加上鎳的價格較高,于是單純加 鎳的鎳鋼近来已不常用,Ni 鋼正在鋼料編號上是屬於 SAE 2XXX 系,JIS 對鎳鋼則 不作規定。 Ni 鋼中鎳的增加量約為 3~5%,厉重優點是能够推广鋼的低溫強度低重鋼 的轉脆溫度(Transition temp.),同時也能够作為滲碳用鋼。 2.Cr 鋼 碳鋼中参加 1%鉻独揽,能够推广鋼的硬化能和回火軟化屈从性,鉻鋼大凡 是由 830℃~880℃淬火於油中,再回火於 550℃~650℃左近,由於這種鋼料正在回 火時容易產生材質變脆的現象(稱為回火脆性),于是正在回火之後必須冷卻於水中 或油中以避免產生回火脆性,這類鋼的直徑即使大於 60mm,就阻挡易取得充实 的淬火后果。鉻鋼正在鋼的編號上屬於 SAE 5XXX 系,JIS 編號為 SCrxx。 鉻鋼經熱處理淬火、回火後,硬度高、耐磨并且耐衝擊,厉重的用处有: 挖土機重機械的鋼齒、機斗、碎石機械等。 3.Mo 鋼 Mo 的硬化能后果很大,于是淬火硬化的有用距離很大。Mo 對於回火時軟 化的屈从性也很好,于是能够經過高溫回火,而取得極佳的強度和韌性。 鉬鋼含 Mo 量約 0.2%~0.3%,此外含有少量 Mn 等元素,銲接性好,正在鋼料 編號上屬於 SAE4XXX 系,厉重用处有:手器械、小型機械零件、螺栓等。 4.Ni-Cr 鋼 鋼中加鉻能够推广硬化能,可是 Cr 含量正在超過 1%以上時,后果就不會再 推广,于是即使必要更好的硬化能,增加 Ni 是一種设施,因為 Ni 能有用的推广 肥粒鐵的強度和韌性。 Ni-Cr 鋼的鎳含量約 1%~3. 5%,鉻含量約 0.5%~1.0%。此外,由於鉻及鎳 参加鋼中,還有防腐蝕的后果,當鉻、鎳含量更高時,最厉重的后果就變成以防 蝕為主,而不是硬化能。正在耐蝕鋼中,含鉻 18%、鎳 8%的高合金鋼,我們稱為 18-8 鋼,便是一種常用的不銹鋼。 Ni-Cr 鋼正在鋼料編號上屬於 SAE3XXX 及 SAE43XX 系,JIS 編號為 SNCXX,正在構制用合金鋼中,Ni-Cr 鋼是此中較為常用的,一样用於製制曲柄軸、 連桿、齒輪等。 5.Cr-Mo 鋼 含有鉻和鉬的合金鋼硬化能大、回火屈从性高,并且較不會產生回火脆性, 于是是一種用处很廣的原料。 Cr-Mo 鋼是正在含 Cr 量 1%的鋼料中,再增加 0.15%~0.30%的 Mo,某些場 合能够替换 Ni-Cr 鋼,正在鋼料的編號上是屬於 SAE41XX 系,JIS 編號為 SCMXX。 Cr-Mo 鋼应用的場合,比如:汽車曲軸、鍛制或機製的軸、軸環和葉輪等。 6.Ni-Cr-Mo 鋼 Ni-Cr-Mo 鋼是綜合 Ni、Cr、Mo 三種合金元素的優點,此中增加元素分別 為 0.4%~3.5%Ni、0.4%~3.5%Cr、0.15%~0.70%Mo。Ni-Cr-Mo 鋼具有極佳的硬化 能,淬火有用直徑能够達 200mm,淬火后果很好,别的 Ni-Cr-Mo 鋼對於回火軟 化的屈从性大,又因 Mo 能够顯著改观 Ni-Cr 鋼高溫回火脆性的缺點,于是能回 火至相當的高溫,而取得優良的強韌性,于是 Ni-Cr-Mo 鋼能够說是構制用合金 鋼中最優秀的。 Ni-Cr-Mo 鋼質量后果小,從淬火溫度以空氣冷卻也能够淬硬, 于是又稱為 自硬性鋼 (self hardening steel)或 風硬性鋼 (air hardening steel),一 般由 850℃~950℃冷卻於空氣中或淬火於油中,再回火於 550℃~650℃,即使含 Mo 量高,回火後不須急冷。Ni-Cr-Mo 鋼也適於大型零件,其鋼料編號為 SAE 8XXX,JIS 編號為 SNCMXX,用於大型軸、曲柄軸、高強度螺栓,乃至於中小 型軸或內燃機連桿等。 外 2 碳鋼與榜样鎳鉻鉬鋼機械性質的比較 鋼種 碳鋼 C 0.40~ 0.50 主 要 成 分 (%) Ni Cr Mo 熱處 抗拉強 衝擊值 Brinell Mn 理 度 kg-m 硬度 kg/mm2 /mm2 淬火 0.40~ -- -- -- 70 0.85 回火 201~ 8 269 S30NiCrMo2 0.25~ 2.50~ 2.50~ 0.50~ 0.35~ 淬火 鋼 0.35 3.57 3.50 0.70 0.60 回火 110 302~ 8 352 1-3 合金器械鋼 能夠应用於製制器械、切削刀具或模具的原料大致搜罗:高碳器械鋼、合 金器械鋼、高速鋼、器械用非鐵硬質合金等。除硬質合金以外,其它都是屬於鋼 料,而正在大凡器械用鋼中,以高碳器械鋼的合金量少,價錢比較低廉,高合金量 的器械鋼或高速鋼,價錢則較昂貴。 器械鋼必須強韌、耐磨耗、且具有常溫及高溫硬度等性情,以其合金成份 和構制用合金鋼相較,則除了含碳量推广以外,Cr、Mo、Ni 等仍旧為根基元素 (或是推广其含量),此外需要時正在增加耐高溫的 W、V 及 Co 等。 器械鋼是屬於高級鋼料,于是必須是由全靜鋼錠製制,同時要特別请求合 金元素正在熔鍊過程中的均質化,以使後續鍛制及熱加工能取得优良的品質。由於 器械鋼众需诈欺熱處理以達到原料的最佳性質,于是尺寸请求精细的機件,必須 先實施半加工成形(semifinished),經熱處理,再杀青加工(finished)。 1-3-1 高碳器械鋼 高碳器械鋼的成份為含碳量 0.6%~1.5%,此外含有 0.5%以下的 Mn 以升高 其硬化才气。高碳器械鋼價格低廉,其機械性質厉重是以含碳量众少來決定,由 於大凡淬火於水中,于是屬於水硬性鋼,其缺點則是硬化深度較淺,正在高溫時強 度較差。 由於僅經淬火的麻田散鐵組織太脆,耐磨性不佳,為了推广耐磨性,高碳 器械鋼正在淬火前必須實施球化處理,淬火至室溫之後,再加以 150℃~200℃的低 溫回火,其結果能够取得球狀雪明碳鐵散佈於低 溫回火麻田散鐵,硬度夠并且耐磨耗的組織。 高碳器械鋼应用於刀具、器械或衝模,但因合金器械鋼的發展,应用場合 已較少。 1-3-2 合金器械鋼 高碳器械鋼由於硬化能較差,于是必須以水淬急冷的办法取得較高的硬度, 但因水淬容易變形和產生裂缝,于是高碳器械鋼就有其应用上的节制,為了改观 其硬化能並增進其硬度,于是参加如 W、Cr、V、Mn、Ni 等合金元素,而变成 合金器械鋼。 合金器械鋼厉重藉熱處理所取得的麻田散鐵組織连结器械鋼需要的硬度, 此外以合金元素與碳結合所变成的碳化物推广耐磨耗性。合金器械鋼依其用处可 分為下列四類: 1.切削用合金器械鋼 為了切削用处,于是這類合金鋼一样含碳量較高,並推广 W、Cr、V 以增 大硬度及耐磨耗性,適协作為螺絲攻、車刀、銑刀等用处。 2.耐衝擊用合金器械鋼 此類合金鋼為推广衝擊韌性,于是含碳量稍低,于是切削性及耐磨耗性也 稍差。 3.冷間模具用合金器械鋼 此類器械鋼由於用於常溫(又稱為冷間,cold work),且请求減少尺寸及形狀 的變化,于是正在高碳鋼中增加 Mn、Cr、Mo、W、V 等元素,以改观淬火性,並 藉天生之硬質碳化物以推广其耐磨性。 4.熱間模具用合金器械鋼 此類器械鋼由於众应用於熱加工(熱作)模具,于是必須具有高溫硬度(紅熱 硬度),不至因溫度升高而變形或軟化。此類器械鋼含大量 Cr、W、Mo、V 等元 素,能够耐壓鑄、模鍛等壓力。 1-3-3 高速鋼 高速鋼(high speed steel)是用於切削器械,正在高速切削之紅熱狀態時仍能保 持其硬度而稱之。除此以外,高速鋼機械性質優良,于是也用於模具等耐磨耗機 件,即使用於切削刀具,其切削速度可達高碳器械鋼的三倍。 高速鋼除 C 外含有豪爽的合金元素,比如:W、Mo、Cr、V、Co 等,其主 要效用整顿如下: (1)C 可與各元素变成碳化物,推广刀具的切削才气。 (2)W 能够变成碳化鎢,除推广硬度外,也能够推广回火軟化的屈从性。 (3)Mo 的性質與 W 近似,于是能够替换。 (4)Cr 能够改观硬化能,並避免 W 的碳化物被理解。 (5)V 能够使晶粒微細化,推广強度。 (6)Co 能够推广 C 的熔解度,並推广高溫硬度。 高速鋼一样以厉重元素 W 及 Mo 區分,含 W 鎢量較众的高速鋼稱為鎢系高 速鋼(T 系高速鋼),含 Mo 鉬量較众的高速鋼稱為鉬系高速鋼(M 系高速鋼),其 中含 18%W、4%Cr、1%V 為最榜样的高速鋼,稱為 18-4-1 鋼,此外含 18%W、 4%Cr、2%V 則稱為 18-4-2 鋼。 高速鋼因為所含的合金元素量較众,于是導熱度較不良,于是淬火溫度需 較高,大凡約正在 1200℃~1350℃之間,使合金元素充实固溶於沃斯田鐵,淬火之 後能够取得洛氏硬度約 Rc64 以上。 淬火後的高速鋼約正在 400~550℃間實施回火,正在回火的過程中,由於合金成 份會產生碳化物析出的現象,會使得硬度再次提昇,此種非常的現象稱為二次硬 化,有時為使鋼中殘留的沃斯田鐵變態杀青麻田散鐵以推广其硬度,還會實施二 次回火或三次回火等。 1-3-4 硬質合金或超硬合金 硬質或超硬合金屬於非鐵合金器械原料,一样不含鐵因素或是鐵僅佔很少比 例,有別於大凡器械用鋼料。這類原料有極高硬度及高溫強度,能够切削各種鋼 料乃至玻璃、陶瓷等。 硬質合金是一样是以鑄制或是粉末冶金的办法製制,它具高硬度的道理, 是由於豪爽推广合金中碳化物的量亦或是直策应用碳化物來製成。硬質合金又分 為: (1)器械用鑄制合金 這類硬質合金是以鑄制办法成形,不經過熱處理,就具有常溫及高溫的極 高硬度,並且耐磨耗,有時又稱非鐵鑄制合金刀具或超硬鑄合金刀具。史斗鉻鈷 (stellite)便是此中的代外,它含 Co 40%~55﹪、Cr 15﹪~33﹪、W 10﹪~18﹪、C 2﹪~4﹪、Fe 5%以下、Mn 1%,其組織與白鑄鐵近似,為碳化物分佈緻密的型 態,于是硬度很高,可是此種合金質脆,無法鍛制。厉重用於鑿岩用鑽頭、切削 刀具、熱加工用模具等。 (2)燒結硬質合金 碳化鎢 WC 或碳化鈦 TiC 等的粉狀碳化物,参加黏結用金屬鈷 Co(或 Ni、 Mo),加壓並燒結,就能够取得紅熱硬度很高的合金原料,即使製成切削刀具, 能够較大凡器械鋼的切削速率更高,並具有更長的刀具壽命,燒結後的碳化鎢塊 能够銅銲接著於鋼製刀柄,用以切削鋼鐵、鑄件、非鐵金屬或非金屬等原料。常 用的燒結硬質合金有 WC-Co 系和 WC-TiC-Co 系,除切削器械外,也能够應用 於拉線模具或其他耐磨耗場合。 1-4 耐蝕鋼 耐蝕性是指原料對於空氣、水、酸、鹽或其他化學環境下所產生破壞的抵 抗水准。鋼鐵原料應用極廣,可是耐蝕性不佳是其缺點,特别台灣氣候溫濕,因 此耐蝕性特別主要,除了应用各種覆面或塗裝技術,最根基的办法還是必須改观 鋼的性質。 正在鋼中增加 Cr 和 Ni 能够推广鋼的耐蝕性。鋼的耐蝕性厉重隨 Cr 的含量而 推广,大凡耐蝕鋼的分類,含 Cr 量正在 12%以上之 Fe-Cr 合金,幾乎不會被侵蝕 稱為不銹鋼,含 Cr 量正在 12%以下之 Fe-Cr 合金,則稱為耐蝕鋼,但實用上提到 耐蝕鋼仍是以不銹鋼為主。 正在大氣及海水環境中,鋼之耐蝕性隨 Cr 量的推广而推广,含 Cr 量正在 12% 以上,就幾乎不會發生腐蝕的現象。不銹鋼能耐蝕的道理,是因為 Cr 能正在鋼的 外層变成一種緻密的氧化鉻膜,能够阻隔鋼料內部的氧化用意,因此能够避免一 般大氣環境下的腐蝕。可是鉻鋼正在強酸比如:硫酸、鹽酸的環境,這層氧化膜就 會被破壞而喪失了耐蝕性。 鋼中含 Ni 時正在酸性環境中的耐蝕性,正在含有硫酸及鹽酸的環境中,能够發 現,鋼之耐蝕性隨 Ni 量的推广而增大,由此可知,大凡環境下应用,不銹鋼只 需增加 Cr,就能够避免發生腐蝕的現象,然而正在特定環境下(比如:硫酸、鹽酸 中)应用,就必須再增加 Ni,才华達到防蝕的目标。 大凡除了鑄制用处的不銹鋼以外,不銹鋼因其合金成份能够大致能够區分 為:Cr 系不銹鋼、Cr-Ni 系不銹鋼。即使以晶體結構組織上來區分則能够分為: 肥粒體系、麻田散體系、沃斯田體系、析出硬化系等。前者分類較為簡單,可是 就應用上來說,後者更蓄谋義,于是目前原料學上對於不銹鋼的的分類,大家以 後者為主。 簡單來說,增加合金元素會改變原料的平均相圖,並進而影響其機械性質, 加上熱處理的實施又決定於相圖的變化,于是变成了各類不銹鋼分歧的性情。例 如:增加 Cr、V、Ti 量的推广會使沃斯田鐵相區減小乃至磨灭,于是變成相圖 除液態外均以肥粒鐵相為主;即使增加 Ni、Mn、Co 等,則會擴大沃斯田鐵相區, 結果纵使正在室溫下,穩定相仍大概為沃斯田鐵相,這兩種情況,都幾乎沒有淬火 后果,一样不實施熱處理。别的,即使加上碳的影響要素,則大概產生以熱處理 推广強化后果的麻田散體系及析出硬化系不銹鋼。 1-4-1 肥粒體系不銹鋼 由於鐵中增加 Cr 會使沃斯田相區縮小,並且當 Cr 含量超過 13%時,各種 溫度下將只要肥粒鐵相存正在。可是因為鋼中還有碳的存正在,碳會與 Cr 变成碳化 鉻,而花费一片面鉻,大致上 1%C 必須要 1%Cr 結合,于是即使純為肥粒鐵結 構,實際含鉻量必須推广。大體而言,當含 Cr 正在 16%以上且 C 含量正在 0.12%以 下時,此類低碳高鉻不銹鋼,又稱為肥粒體系不銹鋼。 肥粒鐵系不銹鋼的含碳量極低,約正在 0.12%以下,含 Cr 約 16%~18%,耐 蝕性優良并且質軟易於加工,但機械性質較弱,能够作為汽車內裝、廚房設備、 筑築等,是一類具有磁性的不銹鋼。此類不銹鋼屬於 400 系列,以 430 不銹鋼為 代外,其他如:405 不銹鋼、446 不銹鋼等都是,正在 JIS 編號為 SUS 430、SUS 405 等。 1-4-2 麻田散體系不銹鋼 上述低碳高鉻的不銹鋼,當含碳量推广或是含鉻量較低時,則其高溫固相 時沃斯田鐵區就會存正在,此時將此類高碳高鉻鋼加熱到沃斯田鐵區(γ區),再淬 火下來,就能够取得麻田散鐵的組織,這樣的不銹鋼雖因 Cr 量減少而耐蝕性稍 差,可是具有優秀的機械性質,稱為麻田散體系不銹鋼。 麻田散鐵系不銹鋼的含碳量約為 0.1%~0.4%,含 Cr 約 12%~14%,即使 要與肥粒體系不銹鋼細分,也能够用另一種办法來判斷: [%Cr-17%C]13 .…..肥粒體系 [%Cr-17%C]13 …...麻田散體系 麻田散體系不銹鋼的淬火溫度為 950~1000℃,正在合金含量較众的情況下, 乃至以氣冷就能够達到淬火的目标,淬火之後再行回火,回火的實施一样採用 100~180℃的低溫回火。 麻田散體系不銹鋼價格低廉,硬度、強度佳,但耐蝕性略差,能够作為刀 具、軸承、閥門零件、外科手術刀等,是一類具有磁性的不銹鋼。此類不銹鋼也 屬於 400 系列,以 403、410 不銹鋼為代外,其他如:431 不銹鋼、440A 不銹鋼、 440B 不銹鋼、440C 不銹鋼等都是,正在 JIS 編號為 SUS 431、SUS 440C 等。 1-4-3 沃斯田體系不銹鋼 前兩類的不銹鋼雖各有其優點及應用範圍,可是都是屬於鉻系不銹鋼,鉻 系不銹鋼的缺點便是正在酸性環境下(特别是硫酸、鹽酸等),耐蝕性不良,于是必 須增加 Ni,以屈从酸性環境的侵蝕。當增加 Ni 量約 8%以上時,常溫下也是沃 斯田鐵組織,這樣的不銹鋼稱為沃斯田體系不銹鋼,是不具磁性的系列。 沃斯田體系不銹鋼防蝕才气甚佳、質軟加工性优良,但無法以淬火及回火 來推广硬度及強度,一样施以冷加工來推广硬度及強度。含 Cr 18~20%、Ni 8~10% 而含 C 量少於 0.2%的 Cr-Ni 系不銹鋼是沃斯田體系不銹鋼中最具代外性的鋼 料,一样稱為 18-8 鋼。 18-8 不銹鋼的缺點是正在 500~900℃高溫時,晶界左近的鉻會與碳变成碳化 鉻析出,使得晶界左近產生缺鉻的現象(稱為貧鉻區),于是易發生粒間腐蝕 (intergranular corrosion)的現象,這樣的現象正在銲接劳动或熱處理等場合時常發 生,于是必須属意。 有用革新的设施是: (1)處理時儘速通過此溫度。 (2)增加其他合金元素以控制 Cr 的花费。比如:Ti、Nb、Ta 等,均能够和 碳結合成安静的碳化物,而不會再影響鉻。 (3)低重含碳量。含碳量小於 0.03%時,碳就只固溶於沃斯田鐵而不會與鉻 变成碳化物,比如銲接時,应用低含碳量的 304L 不銹鋼焊條,就能够避免粒間 腐蝕的現象發生。 沃斯田鐵系不銹鋼的用处很廣,不单對各種環境的耐蝕性優良,并且具有 極高的低溫韌性,能够作為化工儀器零件、熱交換器、核子處理設備、液態氦的 容器等,有時也應用於較優良的不銹鋼餐具,是一類不具磁性的不銹鋼。此類不 銹鋼屬於 300 系及 200 系,以 304 不銹鋼為代外,其他如:301 不銹鋼、310 不 銹鋼、316 不銹鋼、347 不銹鋼、202 不銹鋼等都是,正在 JIS 編號為 SUS 301 等。 1-4-4 析出硬化系不銹鋼 這類型的不銹鋼是由沃斯田體系不銹鋼革新而來,它的成份與 18-8 鋼相 似,只是 Cr 及 Ni 量稍減,此外增加了 Al、Cu、Mo、Nb、Ti 等。 析出硬化是一種熱處理上強化原料的设施,它的设施一样是,增加有助於 天生析出物的元素,經過淬火熱處理後,取得麻田散鐵組織,然後再诈欺一種稱 為時效(aging)處理的办法,使硬的金屬間化合物析出於原料基地,以取得極高的 機械性質。 大凡析出硬化系不銹鋼正在固溶後淬火於常溫時,仍是全為沃斯田鐵組織, 于是柔軟易於加工,正在加工杀青後,必須再實施一次中間熱處理(intermediate heat treatment),此時 Ms 點約正在 0℃~15℃之間,藉深冷處理(subzero treatment)以取得 麻田散鐵,回火後經兩次時效處理,就能够取得高強度。于是增加 Al、Nb 等元 素的目标,即是正在於促使天生析出物。綜合此類不銹鋼的強化的办法,能够懂得 其為固溶強化、加工強化、麻田散強化及析出硬化的組合。 析出硬化系不銹鋼具耐蝕性,纵使含碳量很少也能够有很強的機械性質, 大凡用於飛機零件、高級彈簧、模具等。此類不銹鋼屬於 600 系列,以 631 不銹 鋼為代外,630 不銹鋼也屬之,正在 SAE 編號中還有 633 不銹鋼(AM 350)、634 不銹鋼(AM 362)等。此系列不銹鋼即使再增加 Co 元素,則能够升高 Ms 溫度至 常溫以上並升高析出量。 1-5 其他非常鋼 1-5-1 耐熱鋼 耐熱鋼根基上極為類似不銹鋼,因為它不单必要屈从高溫,同時也必須抵 抗高溫的氣體腐蝕環境,于是 AISI 將之歸類於不銹鋼,比如:AISI 309 不銹鋼、 310 不銹鋼、409 不銹鋼等,JIS 規格屬於 SUH 系列,而正在 CNS 規格則屬於 HR 系列。 高溫的環境下,除了防蝕的考慮外,最主要的便是要具有優良的潛變強度, 于是除了 Cr 和 Ni 以外,必須增加 Mo、W、Al、Ti、Si、Mn、Nb 等以推广其 耐熱性,可是 Al-Fe 合金機械性質不佳。 耐熱鋼大凡依其厉重成份分為兩類: (1)Cr 系耐熱鋼 增進鐵的氧化屈从性最有用的成份是鉻,鐵中增加鉻除了能够產生緻密的皮 膜以推广耐蝕性,同時也能够增進耐熱性質。鉻鐵合金的榜样的高溫氧化行為, 如圖 1 所示正在高溫長時間的環境中僅有氧化。 0 10 20 30 鉻的重量百分比 1009001℃01℃00℃ 1200℃ 圖 1 增加 Cr 對含碳量 0.5%C 鋼料氧化的影響,220 小時 Cr 系耐熱鋼除了 Cr 以外,還增加 Mo 來推广高溫強度,正在大凡溫度下其耐 氧化性优良。可是 500℃以上時,強度就會仓猝低重,于是大家应用於高溫下但 不須考慮潛變強度的場合,比如:石化工業、內燃機閥門、熱處理爐零件等。 Cr 系耐熱鋼因於其組織為肥粒鐵,于是又稱為肥粒鐵系耐熱鋼,Cr 含量大 於 10%以上時能够推广耐熱鋼的潛變強度,JIS 原料的編號中 SUH 409、SUH 446 均屬之。即使 Cr 含量大於 10%以上時則以抗氧化性為主。 (2)Cr-Ni 系耐熱鋼 Cr 系耐熱鋼對於大凡高溫環境的耐氧化性优良,但正在高溫的機械性質方面 則不睬念,于是正在必要高溫強度或潛變強度的場合,就必要採用 Cr-Ni 系的耐熱 鋼。 Cr-Ni 系耐熱鋼根基上是將 18-8 鋼,推广 Cr、Ni 的含量,並增加 Ti、Mo、 W 等元素以革新其高溫機械性質者。這種鋼料具有沃斯田鐵組織,于是也稱為 沃斯田鐵系耐熱鋼。厉重合金元素的含量為:14~26%Cr、12~37%Ni、0.1~0.4%C、 0~3%W 等。此類耐熱鋼高溫強度大、加工性、銲接性优良,正在 JIS 原料的編號 為 SUH 309~SUH 330,厉重用於熱處理爐零件、高級排氣閥、引擎燃燒室、熱 交換器等,此外還有 SUH 660、SUH 661 為時效處理系耐熱鋼,應用於輪機的靜 翼和燃燒器。 1-5-2 軸承鋼 軸承為支承軸於必定地点的機件,于是必須有足夠的強度、耐磨耗及很高 的疲勞限。軸承又分為滾珠軸承及滾子軸承兩種,最常应用的原料為高碳低鉻 鋼,其成份為 0.95~1.10%C、0.9~1.6%Cr、0.5~0.9%Mn、0~0.25%Mo,别的由於 軸承鋼屬於高級合金鋼,于是磷、硫含量必須正在 0.025%以下,以確保其機械性 質。 軸承鋼除了原料純度请求較高以外,必要經過熱處理使此中碳化物細化並 分佈於基地內,以推广其耐磨性。大凡加熱至 780~850℃,然後淬火於油中,正在 回火於 140~160℃,熱處理後其硬度值約 HRc 62 以上。軸承鋼正在 JIS 中之的材 料編號為 SUJ,比如:SUJ1、SUJ2 等。 1-5-3 彈簧鋼 彈簧廣泛應用於車輛、加工機械、模具、鐘錶等,彈簧的種類许众,較大 的如車輛板片彈簧、較小的如螺旋彈簧、或鐘錶的動力彈簧(發條)等。 製制彈簧的原料有鋼料、銅合金、橡膠等。彈簧用的鋼料必須具備耐衝擊、 疲勞限高并且不產生恒久變形的性情,適用的鋼料大致能够分為:碳鋼、矽錳鋼、 矽錳鉻鋼三類,有些非常場合也用到耐蝕鋼。 彈簧的製制必須先韌化、成形,然後正在實施熱處理之後应用,大型的彈簧, 比如:板片彈簧等,係將熱軋的板或棒,正在高溫加工成形,由 780~850℃淬火於 油中或水中,再經 400~500℃回火後应用。小型彈簧,比如:螺旋彈簧等,必須 將韌化處理後冷抽的鋼線(一样稱為琴鋼線,piano wire),冷加工成形,再加熱於 300~350℃藍化處理(blueing)後,以升高疲勞限然後应用。彈簧鋼正在 JIS 原料中的 編號屬於 SUP。 1-5-4 電氣用鋼 電氣用鋼屬於軟磁(soft magnetic)原料,厉重是用於製制電機機械比如:變 壓器、電動機(馬達)等的鐵心原料。优良的鐵心原料必須利於導通磁力線以升高 效能,于是磁阻要低、導磁性要好,並且要容易磁化及退磁,殘留磁力小以減少 磁滯損失(hysteresis loss),于是原料微結構必須晶粒粗、純度高並避免產生缺陷, 并且要除去內應力,以使磁區容易移動。 常用的鐵心原料有純鐵、矽鋼、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵氧磁體等,此中 以純鐵及矽鋼較為常用。純鐵的導磁性好,可是因為比電阻小,渦流損失(eddy current loss)大,于是增加矽,唯矽含量過高時材質便脆化,于是大凡正在 5.5%以 下,别的矽鋼片製成片狀相疊也能够低重渦流損失。 1-5-5 磁石鋼 磁石鋼是製制磁石的一種原料,厉重是用於製制恒久磁鐵,恒久磁鐵应用 於無線電擴音機、電動機、發電機恒久磁極等,屬於硬磁(hard magnetic)原料。 硬磁原料與軟磁原料相反,必須是要能连结磁力,即所謂剩磁(residual magnetim) 較大者。于是原料微結構必須晶粒細、內應力大,並且最好有第二相的粒子,來 阻礙磁區的移動。 磁石鋼常用的原料有兩種類型: (1)淬火硬化型磁石鋼 將鋼料由高溫淬火,使其組織微細化,並因淬火所產生的內應力,使得原料 不易落空磁性,這種原料稱為淬火硬化型磁石鋼。 淬火硬化型磁石鋼厉重是鎢鋼(0.5~1.0%C、5~7%W),此外還搜罗:碳鋼 (0.8~1.2%C)、、鈷鋼(0.9~1.2%C、5~17%Co)、KS 鋼(0.7~1.0%C、30~40%Co)等。 (2)析出硬化型磁石鋼 將鋼料由高溫急冷取得高飽和固溶體,然後正在適當溫度回火,使其析出第二 相物質,由於格子畸變,而使得原料不易落空磁性,這種原料稱為析出硬化型磁 石鋼。 析出硬化型磁石鋼大致搜罗:MK 鋼(15~40%Ni、7~15%Al、0~20%Co)、 Alnico 鋼(7.5~17%Al、14~22%Ni、5~38%Co、其餘為鐵)等。 1-5-6 超高強度鋼 發展高強度鋼的目标是為了減少原料自身的重量,以秉承相通的荷重而 言,高強度鋼料相較於平常碳鋼能够用較小的斷面,于是正在許众必要高強度而輕 量 的 結 構 中 , 更 高 強 度 的 的 鋼 料 一 直 是 材 料 界 追 求 的 目 標 。 超 高 強 度 鋼 (The Ultrahigh-strength Steel)是指降伏強度超過 180,000psi(或是 130kg/mm2)的鋼種, 其發展厉重是為了航空及太空科技高強度合金的请求,並且也必要易於加工及成 形。 超高強度鋼大致分為以下幾類: (1)將中含碳量的強韌鋼或低合金鋼参加更众的 Si 及 V,以避免低溫回火脆性並 推广韌性,能够取得超高強度鋼,其抗拉強度可達 200 kg/mm2 以上。比如: AISI 4141M、4130M、433V、D6AC 等鋼種。 (2)革新器械鋼(Modified Tool Steel),係將原來高溫加工用的 5Cr-Mo-V 模具鋼改 良而成,能够作為飛機骨架、鋼架、橋樑等,其抗拉強度可達 200 kg/mm2 以 上。比如:AISI H-11、H-13 等鋼種。 (3)麻時效鋼(Maraging Steel),含 Ni 20﹪是低碳高鎳含量的合金鋼,易於成形、 加工、銲接,但必須正在退火狀態才容易加工或成形。這類鋼種的時效元素為 Co、Mo 或 Ti,正在 480℃左近時效能够使其強度增為最大,由於時效溫度不高, 于是對於精细機件不會酿成扭曲或尺寸改變,并且低溫韌性很好,于是能够使 用正在鍛制、加工的精细機件或必要銲接的地方,麻時效鋼的抗拉強度可達 150~210 kg/mm2,其鋼種如:18Ni 鋼、20Ni、25Ni 等均是。 (4)Cr-Ni-Mo 或 Fe-Cr-Mo-Cu 等,是屬於低碳、可硬化、易加工和銲接的合金鋼, 這些合金鋼能正在低溫下析出硬化,并且正在耐高溫氧化及耐疲勞性均佳。 Cr-Ni-Mo 合金並適适用於秉承大荷重的機件,比如:磨擦盤、大型軸、齒輪、 滑槽等。,其抗拉強度正在 150 kg/mm2 以上。比如:Astralloy、AFC-77 等鋼種。 (5)9Ni-4Co 鋼,是一種將碳化物天生元素含量減少,而以 Ni 來升高韌性的鋼料, 此外增加 Co 以升高 Ms 點並減少殘留沃斯田鐵,這種鋼韌性優良,並能够變 韌鐵組織狀態应用,其抗拉強度可達 200 kg/mm2 以上。AISI 的原料編號比如: HP-9-4-20、HP-9-4-30、HP-9-4-45 等鋼種都是。 摘要 1. 1. 合金鋼是指碳鋼增加一種或一種以上合金元素所变成的鋼料。碳鋼除 了碳以外,倘若含超過微量的其它元素,比如:含錳量正在 1.65%以上、含矽 量正在 0.60%以上或含銅量正在 0.06%以上等等,就屬於合金鋼, 2. 2. 合金鋼依其用处來區分,可分為構制用合金鋼和非常鋼,構制用合金 鋼是应用正在大凡機械的構成元件或筑築土木構制上,非常鋼是应用正在必要高 溫硬度、耐蝕、耐熱、磁性等特別的場合。 3. 3. 大凡構制用合金鋼由於应用的場合分歧,能够分為非熱處理型和熱處 理型兩類,前者大家是屬於低含碳量和低合金量,構成之後也無法再實施熱 處理,搜罗高強度低合金鋼、易切鋼等,後者众屬於熱處理用中合金鋼,包 括鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。 4. 4. 器械鋼的原料大致搜罗:高碳器械鋼、合金器械鋼、高速鋼、器械用 硬質合金等。除硬質合金以外,器械用鋼料之中以高碳器械鋼的合金量少, 價錢比較低廉,而高合金量的器械鋼或高速鋼,價錢較昂貴。 5. 5. 器械鋼必須強韌、耐磨耗、且具有常溫及高溫硬度等性情,以其合金 成份和構制用合金鋼相較,則除了含碳量推广以外,Cr、Mo、Ni 等仍旧為 根基元素(或是推广其含量),此外需要時正在增加耐高溫的 W、V 及 Co 等。 6. 6. 正在鋼中增加 Cr 和 Ni 能够推广鋼的耐蝕性。鋼的耐蝕性厉重隨 Cr 的含 量而推广,大凡耐蝕鋼的分類,含 Cr 量正在 12﹪以上之 Fe-Cr 合金,幾乎不 會被侵蝕稱為不銹鋼,含 Cr 量正在 12﹪以下之 Fe-Cr 合金,則稱為耐蝕鋼, 實用上是以不銹鋼為主。 7. 7. 彈簧用的鋼料必須具備耐衝擊、疲勞限高并且不產生恒久變形的特 性,適用的鋼料大致能够分為:碳鋼、矽錳鋼、矽錳鉻鋼三類。 彈簧的 製制必須先韌化、成形,然後正在實施熱處理之後应用。 金屬的腐蝕 學習目标 1.瞭解腐蝕的意義。 2.瞭解金屬原料腐蝕的道理。 3.瞭解影響金屬腐蝕的要素。 4.瞭解鋼鐵原料腐蝕的样式。 5.認識防治腐蝕的设施。 1-1 绪言 原料會因為時間、環境等種種要素,而產生不胜应用或稱為失敗(failure)的 狀況,這樣的結果不单推广本钱,并且耗費時間。一種原料于是無法再应用,除 了 肇 因 於 強 度 無 法 承 受 負 荷 所 產 生 的 破 壞 (fracture) , 還 有 磨 耗 (wear) 、 腐 蝕 (corrosion)、輻射損傷(radiation damage)等其它要素,而這此中又以腐蝕的傷害 最大,影響也最嚴重,于是認識並防治腐蝕,是學習原料必備的課題。 生銹(rusting)便是一種人人熟知的腐蝕現象,它是專指鐵或鐵合金的腐蝕現 象,其他的原料雖然也會腐蝕,但不稱為生銹。腐蝕的過程能够是一種化學反應 (Chemical Reaction),而更众時候則是一種電化學反應(Electrochemical Reaction)。 所謂電化學反應,簡單的說是金屬間变成陽極和陰極的電池效應。簡單的 說,電化學腐蝕與電鍍的道理近似,都是由於原料自身足以產生電化學反應所導 致,它們的差異,只正在於結果的分歧。腐蝕是金屬的剝離,電鍍則是金屬的覆層。 而就工程原料的來源而言,原料原為礦石或是氧化物中冶鍊,再度變為化 合物而回歸穩定也是自然的趨勢,于是原料正在某種適當的環境下,不論經由化學 或是電化學的反應办法而發生腐蝕,也是自然的現象,而防治腐蝕的積極意義則 是正在供给原料更長的应用壽命。 正在常日生涯中,就有許众足以產生電化學反應的環境,比如:分歧金屬本 來就具有分歧的電位,即使環境中存正在某些溶液,大概就會供给構成迴途的條 件,而發生電化學腐蝕。别的比如:高溫、酸鹼等環境要素,也會加快電化學反 應的進行,因此推广腐蝕破壞的水准。 正在機械結構应用上,原料的選擇不當,對腐蝕要素的認識不夠,也是助長 結構腐蝕的根基要素。于是探討防蝕工程,必須要瞭解化學和冶金學的根基常 識,並且属意防治。 腐蝕一样是經由一段時間醞釀,當損害的現象較為顯著時,才會惹起人們 的属意,而到破壞酿成時,結果卻往往十分嚴重。據估計,正在美國每一年因為腐 蝕所酿成的直接損失,就約佔國民生產總值的 4 %,達數百億美元之譜。正在國內, 除了橋樑、筑築等大家工程因腐蝕以致用壽命低重,近年來正在航空器及其他方 面,因腐蝕產生安适的危急、資源、環境的損失,也無法估計,絲绝不遜於其他 破壞所酿成的損失。于是,對於原料的腐蝕機構及防制腐蝕的设施的研商,特别 必須特別重視。 事實上,除了金屬原料會受到腐蝕以外,其他原料也會發生腐蝕,比如: 塑膠、陶瓷原料的化學熔解(chemical dissolution)等,但本章中所討論的腐蝕,主 要仍以金屬為範圍,就各種腐蝕發生的成因、腐蝕样式、金屬鈍化等說明,並提 出腐蝕的防治之道。 1-2 腐蝕的意義 自然界中絕大家數的物質,都有變成氧化物或是变成穩定化合物的傾向,除 了金、鉑等貴金屬外,自然界中甚少有單純金屬存正在。于是當我們由礦石或是氧 化物中提煉杀青所需的工程原料,比如:鐵、銅、鋁時,它們就開始有了回歸穩 定的趨勢,正在環境許可下,它們會再度變為金屬化合物,這種現象可說是發生腐 蝕的根基道理。這些環境的要素,比如:水份、高溫,或是酸、鹼等化學物質的 誘導等,都大概惹起金屬的腐蝕,如圖 1 所示。 治鍊 鐵礦石 Fe2O3 鐵 Fe3O4 Fe FeCO3 腐蝕 圖 1 礦石 鋼料 腐蝕 說明晰腐蝕發生的根基道理 领悟原料發生腐蝕的根基道理,厉重能够區分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大 類。化學腐蝕(chemical corrosion)又稱為直接熔解(dissolution),一样是指材 料置於一種能够熔解的溶液環境中,直到原料一共耗盡(腐蝕)或是溶液達到飽和 點。其他諸如高溫、溼度等情況,使原料因加快產生氧化用意進而腐蝕也屬之。 電化學腐蝕一样是指兩種異質金屬或金屬中足以構成電位差的兩極,正在一種電解 質(electropte)相連的環境中,变成陽極金屬持續落空金屬離子而被腐蝕的現象稱 之。正在這兩類的腐蝕中,又以電化學腐蝕較為主要,也較容易被忽視。 1-2-1 化學腐蝕 正在自然界中,物質會熔解於特定的溶液中是熟知的現象,比如:糖、鹽會 熔解於水中,或是許众金屬或非金屬會熔解於鹽酸。有時我們也诈欺這些性情於 製制设施,比如:诈欺氯化鐵來蝕刻銅藝術品或電途板。但正在工程原料的应用上, 絕大家數的考慮仍是正在防治腐蝕方面。 正在大凡金屬中,溶液最易侵蝕的地点是晶粒與晶粒接合之處,也便是晶界, 然後持續成長,化學腐蝕有時也隨環境或是化合物的变成而變化,也大概伴隨電 化學腐蝕而來,當然即使是這樣的状况,整個腐蝕現象就會變得較複雜。 1.選擇性濾除 有些金屬合金原料正在非常環境下,此中的一種或众種元素容易被選擇性的 濾除(leach)或稱腐蝕,而變成众孔性的殘留物,因此低重了原料的機械性質, 這種現象稱為選擇性濾除。這樣的現象,與金屬的本質有關,如黃銅中所含的鋅 正在高溫下會被鹽類的水溶液所熔解,產生脫鋅(dezincification)的部分腐蝕現象, 而短缺鋅的地点,將使得黃銅變成众孔性結構而變成很柔弱。 2.石墨化腐蝕 石墨化腐蝕是另一種類似選擇性腐蝕的例子,灰鑄鐵的是片狀石墨交錯正在鐵 基地的組織,即使置於水中或是泥土中,鐵將較具陽極性而石墨將較具陰極性, 于是鐵的部份將被腐蝕,而变成众孔性的外觀,于是灰鑄鐵製成的管線,必須有 積極的防蝕举措,即使埋設不當,容易發生洩漏乃至爆炸的事务。 化學腐蝕的防治極為困難,將原料覆層是一種设施,避免原料與溶液(特别 是易升引意的酸鹼溶液)接觸,也是另一種解決的办法。即使必定必須正在溶液的 環境中应用,必須考慮選擇能屈从化學腐蝕的原料。比如:為了控制黃銅脫鋅的 現象,我們能够正在含鋅量 15%以上的黃銅中,增加 1%独揽的錫 Sb,以屈从這種 腐蝕並推广強度。這類的含錫黃銅搜罗:海軍黃銅(naval brass)、海將黃銅 (admiralty metal)等都屬之。 1-2-2 電化學腐蝕 電化學腐蝕是最主要的腐蝕要素,因為大家數的金屬腐蝕的起因,都可說 是一種電化學反應。這裡所說的電化學反應是指正在相通或分歧金屬物體中,由於 各種要素使得某些部位產生终局部的陽極反應 (Anoic Reaction) , 讓金屬落空 一個或众個電子,變成金屬陽離子,亦即發生陽極氧化用意;而正在同時,另一地 點也會產生陰極反應 (Cathodic Reaction。

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