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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 CC：Plate，鋼板(冷軋)。 S UP：Use 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種 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L 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H 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1xxx8xxx系，另有9xxx系為備用，鑄鋁合金之規格亦分1xxx9xxx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)11Cr(0.7)41錳 鋼13Ni-Cr43鎳鋼2Ni(1.75)460.50Ni20鉻鋼51.50Ni21Cr(1.0)513.50Ni23Cr(1.5)52鎳鉻鋼3鉻釩鋼61.25Ni0.6Cr31鎢鋼71.75Ni1.0Cr32鎳鉻鉬83.50Ni1.5Cr33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 UNSUNS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0.6C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、W4Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V10P、S、N、Ce、C100B1000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。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。3CNS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。4AISI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)11Cr(0.7)41錳 鋼13Ni-Cr43鎳鋼2Ni(1.75)460.50Ni20鉻鋼51.50Ni21Cr(1.0)513.50Ni23Cr(1.5)52鎳鉻鋼3鉻釩鋼61.25Ni0.6Cr31鎢鋼71.75Ni1.0Cr32鎳鉻鉬83.50Ni1.5Cr33矽錳鋼95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0.050.30%。 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和特殊鋼。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及易切鋼。 (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 途構造用合金鋼高強度低合金鋼低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、大型軸表面硬化鋼滲 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、銑床零件特殊鋼工具鋼切削用鋼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Si-Mn、Si-Cr、Cr-V車輛、鐘錶及各式彈簧軸承鋼高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)Ni、Cr-Ni、Cr-Mn輸配線支撐、羅盤外殼磁性鋼Si(矽鋼)變壓器鐵心磁石鋼Cr、W、Cr-W-Co永久磁鐵超高強度鋼高Ni、Cr-Ni-Mo、Ni-Co鋼樑、飛機骨架1-2構造用合金鋼構造用合金鋼是指使用在構成機械的零件或建築土木等各項工程結構上的鋼料，例如：大型機械軸、壓力容器、高層建築、橋樑鋼架或高強度螺栓、齒輪等。這些場合所需要的材料特性為：較高的抗拉強度、伸長率、衝擊值、疲勞限度等，同時也需要具備良好的鑄造、鍛製、切削或焊接的能力，以符合應用上的需要。實用上，構造用合金鋼由於使用的場合不同，一般區分為非熱處理型和熱處理型兩類，前者大多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，大多用於車架或車箱、火車及船體，它包括高強度低合金鋼、易切鋼等。後者多屬於熱處理用中合金鋼，大多用於機械元件例如：曲柄軸、高強度螺栓等，其中加入合金元素，主要是可以增進鋼的硬化能及降低質量效果，而經由熱處理則可以得到更強韌的機械性質，這類鋼料包括鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。1-2-1高強度合金鋼(HSLA Steel)高強度低合金鋼主要是替代在構造上使用的低碳鋼，由於工程結構上使用的鋼料大多需要銲接，如果使用高碳鋼，容易使銲道在銲接冷卻時產生淬火脆化的麻田散鐵組織，因此為避免材料因熱影響而轉劣，必須使用較低含碳量但強度較高的材料，高強度低合金鋼就是一此要求而發展出來。這種鋼料是將少量特殊元素固溶在鋼中，尤其是在低碳鋼中佔絕大部分的肥粒鐵基地，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完成之後都難以熱處理，所以在正常化或是軋延狀態就要有高強度，也就是以固溶的方式在製造材料時就已完成強化。高強度低合金鋼的種類很多，一般抗拉強度必須在50kg/mm2以上，高強度低合金鋼的分類通常是以機械性質如：抗拉強度、降伏強度、延伸率等區分，而不是以成份來區分。添加的元素為以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高出普通碳鋼甚多，因此對於同樣的負荷而言，可以使用較小的斷面，因而整體重量也可以減輕。 使HSLA鋼之強度增強的方法，除了加入少量的合金元素，在軋鋼廠中經由特殊的軋延及冷卻過程中也可以加入。具備良好加工成形性的HSLA鋼除了特有的合金元素外，另外還加入有稀土金屬元素，例如：Ce、Nb、La等，此外，如: Co、V、 Ti也有效果。製程方面，也可由降低加工硬化的速度或降低對應變速度、微化晶粒等來改進加工成形性。加工成形性的需求，主要是為了適應諸如：汽車、船舶等結構成形的需要。早期HSLA鋼在耐蝕性表現甚佳，但是為了改善加工成形性，因而必須犧牲一些防蝕能力，以換取較佳的成形性，又由於HSLA 鋼所做成的機件比由普通碳鋼所做成的機件更薄，因此一旦生銹，氧化的銹層會使HSLA鋼能承受荷重的斷面大受影響。因此需加入像Cu 等能改進大氣耐蝕性的元素進行，但由於會增加成本，因此後來的作法，是在HSLA鋼之表面鍍鋅或其他防銹的表面處理，以增加其耐蝕性。HSLA鋼在汽車工業的應用上，它不但可以取代傳統的普通低碳鋼，也更可以使用較薄的斷面而不致於降低強度、耐蝕性及抗拉強度，目前小汽車所使用的高張力鋼板就屬於HSLA鋼，其厚度約在0.6mm或更厚。其他如：貨車、營建機械和其他重噸位車輛皆可使用HSLA鋼的薄板或厚板來做車架或車體構件。用於這些用途的HSLA之鋼板原大致為1.5mm或更厚。構造用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)易切鋼是為了改善切削性和切削加工表面而發展的一種鋼料，主要使用於在強度較低的小型零件。由於經濟及迅速切削的需求，加上自動切削機械的發展，因此在不特別要求強度的小型零件，就可以採用此種鋼來製造。改善鋼切削性的方法有：在鋼中加入合金元素，以弛力退火減少殘留應力或調整顯微組織的性質等，而易切鋼主要就是在鋼中添加磷、硫、鉛等合金元素的方法。加硫0.10.25%的易切鋼稱為硫易切鋼，加鉛0.10.3%的易切鋼稱為鉛易切鋼。由於加硫可以與鋼中的錳形成MnS，使得切屑變小且沒有黏滯性，因此可以改良切削性，添加磷可以使鋼質變脆，可以增加切削加工面的光滑度，加鉛也可以使切屑變小，並有潤滑作用，但由於硫及磷對機械性質有害，因此這種鋼料多用在不重視強度的螺絲及螺帽等。此外，如鈣Ca、碲Te、硒Se、鉍Bi也都有改善切削性的功能，Ca易切鋼是煉鋼時用Ca脫氧，其能形成易切的原理與S、P和Pb不同，Ca易切鋼是脫氧時的生成物，在切削時熔著於切刃邊，能產生減少磨擦的作用，而且具有保護刀具，增加刀具壽命的功能。1-2-3熱處理用合金鋼上一節曾經提到，在肥粒鐵基地中加入合金元素，可以改良在正常化狀態使用的鋼之性質，但是如果要更充分的發揮這一類合金鋼的機械性質，以得到更高的硬度、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要求和不易實施熱處理的特性，因此合金元素的作用主要是在固溶於肥粒鐵，而達到強化的目的(這樣的方式稱為固溶強化)。熱處理用合金鋼大多是應用於機械構成的零件，例如：曲柄軸、齒輪、強力螺栓、鍵、銷等，這些元件注重強度，而且接合的方式也大多不使用銲接，因此假如能利用熱處理，使這一類合金鋼形成回火麻田散鐵的組織而加以應用，就可以得到兼具強、韌的效果。熱處理用合金鋼就是在碳鋼中加入合金元素，並且經由熱處理而可以得到強韌性質的鋼料，因此也稱為強韌鋼。碳鋼如果用於構造上有兩個主要的缺點：一是硬化能較差、質量效果大，另一是回火時機械強度降低甚大。前面提過，硬化能是指淬火後，距離淬火端硬度降低的程度。質量效果是指當尺寸較大的零件，在淬火時其中心部份得到硬化效果的難易程度。質量效果大的材料，淬火時中心的硬度降低甚快，這樣的現象在碳鋼比較顯著。而如果碳鋼中加入了特殊元素，恆溫變態曲線(S曲線)就會右移，如此在相同的冷速下，中心也可以得到相當的硬度。因此加入適當的合金元素就可以使鋼料容易得到淬火的效果，增高硬化能而減少質量效果。其次，某些特殊元素不但可以改善硬化能，發揮淬火的效果，在回火處理時也可以減少硬度、強度受到的影響，即使回火到較高的溫度，也可以得到強度及韌性高的組織。現在我們已經暸解，在構造用合金鋼中加入合金元素的目的，主要是增進硬化能及抵抗回火軟化。在合金鋼所加入的元素中，Cr、 Mn、Mo的效果較大，其次是Ni，由於Ni的價格較高，因此如果只為減小質量效果或增加硬化能，就不需要添加Ni，而添加價格較低且效果好的Mn、Cr、Mo。合金元素對硬化能的影響，大致可以由硬化能倍數(multiplying factor)看出，硬化能倍數大的元素，增加鋼的硬化能也愈大。許多合金元素如P、Si對於鋼硬化能也有助益，但是有其添加的限制，所以並不適合。在鋼中添加Si也可以減緩回火軟化的現象，但是與Cr或Mo比較就可以發現，添加Cr或Mo除了使回火軟化減緩之外，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，在鎢W、釩V等元素也有類似的現象，W、V是合金工具鋼的重要元素，二次硬化的現象對於工具鋼會產生特殊的切削效果，這一部份將在下一節詳細說明。熱處理用合金鋼，因其使用目的的不同，所添加的合金元素和合金含量也不同，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。要特別注意的是，即使在這裡合金元素的種類與隨後要說明的某些特殊鋼(例如：不銹鋼)類似，但含量較少，所以效果也不一樣。1Ni鋼鋼中添加鎳可以增加鋼的強度，但是在淬火硬度上並沒有很大的改善，同時在回火軟化的抵抗性質上也並沒有明顯增加，加上鎳的價格較高，因此單純加鎳的鎳鋼最近已不常用，Ni鋼在鋼料編號上是屬於SAE 2XXX系，JIS對鎳鋼則不作規定。Ni鋼中鎳的添加量約為35%，主要優點是可以增加鋼的低溫強度降低鋼的轉脆溫度(Transition temp.)，同時也可以作為滲碳用鋼。2Cr鋼碳鋼中加入1%鉻左右，可以增加鋼的硬化能和回火軟化抵抗性，鉻鋼一般是由830880淬火於油中，再回火於550650附近，由於這種鋼料在回火時容易產生材質變脆的現象(稱為回火脆性)，所以在回火之後必須冷卻於水中或油中以避免產生回火脆性，這類鋼的直徑如果大於60mm，就不容易得到充分的淬火效果。鉻鋼在鋼的編號上屬於SAE 5XXX系，JIS編號為SCrxx。鉻鋼經熱處理淬火、回火後，硬度高、耐磨而且耐衝擊，主要的用途有：挖土機重機械的鋼齒、機斗、碎石機械等。3Mo鋼Mo的硬化能效果很大，因此淬火硬化的有效距離很大。Mo對於回火時軟化的抵抗性也很好，因此可以經過高溫回火，而得到極佳的強度和韌性。鉬鋼含Mo量約0.2%0.3%，另外含有少量Mn等元素，銲接性好，在鋼料編號上屬於SAE4XXX系，主要用途有：手工具、小型機械零件、螺栓等。4Ni-Cr鋼鋼中加鉻可以增加硬化能，但是Cr含量在超過1%以上時，效果就不會再增加，因此如果需要更好的硬化能，添加Ni是一種方法，因為Ni能有效的增加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%。另外，由於鉻及鎳加入鋼中，還有防腐蝕的效果，當鉻、鎳含量更高時，最主要的效果就變成以防蝕為主，而不是硬化能。在耐蝕鋼中，含鉻18%、鎳8%的高合金鋼，我們稱為18-8鋼，就是一種常用的不銹鋼。Ni-Cr鋼在鋼料編號上屬於SAE3XXX及SAE43XX系，JIS編號為SNCXX，在構造用合金鋼中，Ni-Cr鋼是其中較為常用的，通常用於製造曲柄軸、連桿、齒輪等。5Cr-Mo鋼含有鉻和鉬的合金鋼硬化能大、回火抵抗性高，而且較不會產生回火脆性，所以是一種用途很廣的材料。Cr-Mo鋼是在含Cr量1的鋼料中，再添加0.15%0.30%的Mo，某些場合可以替代Ni-Cr鋼，在鋼料的編號上是屬於SAE41XX系，JIS編號為SCMXX。Cr-Mo鋼使用的場合，例如：汽車曲軸、鍛造或機製的軸、軸環和葉輪等。6Ni-Cr-Mo鋼Ni-Cr-Mo鋼是綜合Ni、Cr、Mo三種合金元素的優點，其中添加元素分別為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，淬火有效直徑可以達200mm，淬火效果很好，此外Ni-Cr-Mo鋼對於回火軟化的抵抗性大，又因Mo可以顯著改善Ni-Cr鋼高溫回火脆性的缺點，因此能回火至相當的高溫，而得到優良的強韌性，所以Ni-Cr-Mo鋼可以說是構造用合金鋼中最優秀的。Ni-Cr-Mo鋼質量效果小，從淬火溫度以空氣冷卻也可以淬硬，因此又稱為 自硬性鋼 (self hardening steel)或 風硬性鋼 (air hardening steel)，一般由850950冷卻於空氣中或淬火於油中，再回火於550650，如果含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，以致於中小型軸或內燃機連桿等。表2 碳鋼與典型鎳鉻鉬鋼機械性質的比較鋼種主 要 成 分 (%)熱處理抗拉強度kg/mm2衝擊值kg-m /mm2Brinell硬度CNiCrMoMn碳鋼0.400.50-0.400.85淬火回火708201 269S30NiCrMo2鋼0.250.352.503.572.503.500.500.700.350.60淬火回火1108302 3521-3合金工具鋼能夠使用於製造工具、切削刀具或模具的材料大致包括：高碳工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、工具用非鐵硬質合金等。除硬質合金之外，其它都是屬於鋼料，而在一般工具用鋼中，以高碳工具鋼的合金量少，價錢比較便宜，高合金量的工具鋼或高速鋼，價錢則較昂貴。工具鋼必須強韌、耐磨耗、且具有常溫及高溫硬度等特性，以其合金成份和構造用合金鋼相較，則除了含碳量增加之外，Cr、Mo、Ni等仍然為基本元素(或是增加其含量)，另外必要時在添加耐高溫的W、V及Co等。工具鋼是屬於高級鋼料，因此必須是由全靜鋼錠製造，同時要特別要求合金元素在熔鍊過程中的均質化，以使後續鍛造及熱加工能得到良好的品質。由於工具鋼多需利用熱處理以達到材料的最佳性質，因此尺寸要求精密的機件，必須先實施半加工成形(semifinished)，經熱處理，再完成加工(finished)。1-3-1高碳工具鋼高碳工具鋼的成份為含碳量0.6%1.5%，另外含有0.5%以下的Mn以提高其硬化能力。高碳工具鋼價格便宜，其機械性質主要是以含碳量多少來決定，由於一般淬火於水中，因此屬於水硬性鋼，其缺點則是硬化深度較淺，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，為了增加耐磨性，高碳工具鋼在淬火前必須實施球化處理，淬火至室溫之後，再加以150200的低溫回火，其結果可以得到球狀雪明碳鐵散佈於低溫回火麻田散鐵，硬度夠而且耐磨耗的組織。高碳工具鋼使用於刀具、工具或衝模，但因合金工具鋼的發展，使用場合已較少。1-3-2合金工具鋼高碳工具鋼由於硬化能較差，因此必須以水淬急冷的方式得到較高的硬度，但因水淬容易變形和產生